Моделирование охлаждения масла погружного электродвигателя с помощью теплообменника

Роман Ринатович Гизатуллин (Roman R. Gizatullin), Сергей Николаевич Пещеренко (Sergey N. Peshcherenko), Наталья Анатольевна Лыкова (Natalia A. Lykova)

Аннотация


Погружные электродвигатели являются приводом погружных нефтяных насосов, преобразующим электрическую энергию, которая подаётся по кабелю с наземной станции управления, в механическую энергию вращения насосов. В настоящее время примерно в 30% случаев отказ электроцентробежной погружной установки происходит из-за отказа погружного электродвигателя. Одной из основных причин отказов является перегрев изоляции статорной обмотки. Перегрев погружных маслозаполненных электродвигателей (ПЭД) возникает потому, что внутри ПЭД выделяется больше тепла, чем отводится через его внешнюю поверхность. Чтобы интенсифицировать теплоотвод, предлагается последовательно с ПЭД соединить теплообменник и организовать циркуляцию масла по замкнутому контуру. Как в ПЭД, так и в теплообменнике масло течет по кольцевому зазору вдоль внутренней поверхности корпуса, канал для масла замыкается через отверстие внутри вала. Целью работы является выбор такой конфигурации кольцевого канала, при котором его длина была бы минимальной. Интенсификация теплоотвода путем увеличения скорости теплоносителя не целесообразна, т.к. требует комплектации ПЭД мощным насосом для перекачки масла, который станет дополнительным источником тепла. Поэтому было решено увеличить площадь поверхности кольцевого канала, по которому тепло через корпус установки отводится в скважинную жидкость. Выполнена серия расчетов теплообменников с гладкими стенками, с ребрами, перпендикулярными направлению потока, и со спиральными канавками, которые дополнительно увеличивают длину траектории частиц масла и время их теплового контакта со стеками корпуса теплообменника. Расчет методом вычислительной гидродинамики показал, что теплообменники, выполненные по первым двум вариантам конструкций, отводили менее половины тепла. По третьему варианту масло охлаждалось практически до температуры скважинной жидкости при длине теплообменника порядка 10% длины ПЭД.


Ключевые слова


погружной электродвигатель; теплообменник; температура; ANSYS Fluent

Полный текст:

PDF

Литература


Melnichenko V.E. Otsenka vliyaniya osnovnykh tekhnologicheskikh kharakteristik dobyvayushchikh skvazhin na resurs pogruzhnykh elektrotsentrobezhnykh nasosov (Assessment of the influence of the main technological characteristics of production wells on the resource of submersible electric centrifugal pumps). PhD Thesis. Moscow: Gubkin University, 2017. 161 p. (in Russian).

Melnichenko V. E. Approaches to determining the causes of ESP reliability decrease. Drilling and Oil, 2017, no. 2, pp. 16-21 (in Russian).

Gareyev A. A. On the significance of thermal practices in electrical centrifugal pumps units. Oborudovaniye i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa, 2009, no. 1, pp. 23–29 (in Russian).

Gareyev A. A. Temperature regime of electric submersible pump. Oborudovaniye i tekhnologii dlya neftegazovogo kompleksa, 2010, no. 6, pp. 35–41 (in Russian).

Pomogaev Yu. M., Lomakin M. I., Lakomov I. V., Zobov S. Yu. Sovremennyye ustroystva zashchity pogruzhnykh elektrodvigateley [Modern protection devices for submersible electric motors]. Proc. of “Energy efficiency and energy saving in modern production and society”. Voronezh, 2019, pp. 225–231 (in Russian).

Kuchurin A. E. Pogruzhnoy elektrodvigatel' s sistemoy zashchity ot peregreva (Submersible motor with overheating protection). Patent no. 81603, Russia, 2009.

Zhumagaliev N. N. Primeneniye kozhukhov dlya okhlazhdeniya pogruzhnykh elektrodvigateley (Application of shrouds for cooling submersible motors). Proc. of the 8th Int. Conf. “Experience, actual problems and prospects for the development of the oil and gas complex”. Nizhnevartovsk, 2018, pp. 163–167 (in Russian).

Dementyev Ya. V., Sungatullin R. M., Vegera N. P. Malogabaritnyy kozhukh dlya ustroystva snizheniya temperatury pogruzhnogo elektrodvigatelya (Small enclosure for temperature reduction device for submersible motor). Patent no. 2606191, Russia, 2017.

Poshvin E. V. Termostoykiy pogruzhnoy elektrodvigatel' (Heat-resistant submersible motor). Drilling and Oil, 2011, № 11, pp. 46–49 (in Russian).

Danchenko Yu. V., Poshvin E. V. Teploobmennik dlya pogruzhnogo maslozapolnennogo elektrodvigatelya (Heat exchanger for submersible oil-filled motor). Patent no. 123256, Russia, 2012.

Bolshakov D. M., Nagiev A. T., Zherebtsov V. V., Ivanov S. V. Teploobmennik pogruzhnogo maslozapolnennogo dvigatelya (Heat exchanger for submersible oil-filled motor). Patent no. 2599262, Russia, 2016.

Diaz K., Oyarsun R., Tevez R., Collins Ch. Optimizirovannoye okhlazhdeniye elektrodvigatelya pri nasosno-kompressornoy dobyche (Optimized motor cooling for tubing). Patent no. 2686971, Russia, 2019.

Romanov V. S., Goldstein V. G. Povysheniye nadezhnosti elektrotekhnicheskogo kompleksa pogruzhnogo elektrooborudovaniya neftedobychi na osnove analiza yego avariynosti (Improving the reliability of the electrical complex of submersible electrical equipment for oil production based on the analysis of its emergency). Teoriya i praktika avtomatizirovannogo elektroprivoda, 2018, № 3 (40), pp. 20–26 (in Russian).

Peshterenko S. N., Gizatullin R. R., Peshherenko M. P. Ustanovka pogruzhnogo nasosa s magnitnoy muftoy (Submersible pump with magnetic coupling). Patent no. 2712847, Russia, 2020.

Mikheyev M. A., Mikheyeva I. M. Osnovy teploperedachi (Heat transfer basics). Moscow: Energiya Publ., 1977, 344 p. (in Russian).

Evseev E. S., Zolotonosov A. Ya., Zolotonosov Ya. D. Vysokoeffektivnyye teploobmennyye apparaty na baze teploobmennykh elementov v vide pruzhinno-vitykh trub (Highly efficient heat exchangers based on heat exchange elements in the form of spring-twisted tubes). Trudy Akademenergo, 2008, no. 4, pp. 18–33 (in Russian).

Bagoutdinova A. G., Zolotonosov Ya. D., Mustakimova S. A. (Mathematical model of the conjugate problem of heat transfer of a swirling turbulent fluid flow in a spring-twisted channel based on the Menter turbulence model. Izvestia KGASU, 2012, № 2 (20), pp. 105-111 (in Russian).

Loitsianskii L. G. Fluid mechanics. Moscow: Nauka, 1987, 824 p. (in Russian).

Harrison K. L., Bogard D. G. Comparison of RANS turbulence models for prediction of film cooling performance. Proc. of ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea and Air, June 9–13, 2008, Berlin, Ger-many.

Mongia H. C. Gas turbine combustor liner wall temperature calculation methodology. Proc. of 37th Joint Propulsion Conf. and Exhibit, 08–11 July 2001, Salt Lake City, USA, AIAA-2001-3267.

Vieser W., Esch T., Menter F. Heat transfer prediction using advanced two-equation turbulence models. CFX Tech. Report. VAL10/0602 May 2002.




DOI: http://dx.doi.org/10.17072/1994-3598-2021-1-69-75

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.


ISSN: 1994-3598

Адрес издателя и учредителя: ПГНИУ, ул. Букирева, д. 15, г. Пермь, 614990

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охраны культурного наследия. Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ФС77-66788 от 08 августа 2016 г.

Журнал включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (специальности: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы; 01.04.07 - Физика конденсированного состояния).

Научное издание

© ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», 2019

Лицензия Creative Commons Материалы журнала публикуются по лицензии Creative Commons - Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).