Приложение В (справочное). Метод оценки тормозной системы

Приложение В
(справочное)

Метод оценки тормозной системы

B.1 Общие положения

В данном приложении описывается один из методов оценки работоспособности тормозной системы установки наземного привода в конкретном применении. Работоспособность тормозной системы подлежит оценке с учетом скорости и продолжительности обратного вращения, повышения температуры в установке наземного привода и остаточной накопленной энергии. Применение должно определяться профилем скважины, типом тормозной системы и эксплуатационными условиями скважины. Могут применяться другие методы оценки тормозной системы. Метод, представленный в данном приложении, отражает основные инженерные представления, которые должны рассматриваться при оценке этих систем. Результаты этих методов могут положительно повлиять на оценку соответствия тормозной системы тому или иному конкретному применению.

Многие факторы влияют на количество накопленной энергии и скорости, при которой она может высвобождаться из производственной системы во время обратного вращения. Эта скорость освобождения энергии определяет требования для тормозной системы. Поэтому необходимо использовать всеобъемлющую числовую модель обратного вращения для определения требований к тормозной системе для каждого применения установки наземного привода. Указанный анализ должен выполняться потребителем/заказчиком или поставщиком/изготовителем на основании информации, предоставленной по 6.3.2.

Установки наземного привода погружного винтового насоса накапливают значительное количество энергии в системе в процессе стандартной работы. Когда скважина останавливается по какой-либо причине, энергия кручения, накопленная в колонне привода, и потенциальная энергия флюида в эксплуатационной колонне насосно-компрессорных труб, может освободиться, поворачивая колонну привода и подвижные элементы установки наземного привода в обратном направлении. Обычно тормозная система устанавливается в наземном приводе, чтобы безопасно рассеять накопленную энергию. Тормозная система должна:

- ограничивать скорость обратного вращения для того, чтобы ни один элемент установки наземного привода не превысил номинальную скорость этого элемента во время обратного вращения;

- ограничивать длительность обратного вращения для сведения к минимуму влияния на эксплуатацию скважины;

- минимизировать энергию, накопленную в установке наземного привода и в производственной системе, по завершении обратного вращения привода;

рассеивать или поглощать энергию, освобожденную из производственной системы, не нагревая ни один элемент установки наземного привода или производственной системы до температуры, превышающей допустимую для условных эксплуатационных взрывоопасных атмосфер, как предусмотрено национальным или международным стандартом, например, [28] или ГОСТ Р ЕН 13463-1.

B.2 Теоретическое моделирование процесса обратного вращения

B.2.1 Общие положения

Обратное вращение может происходить в двух случаях: при работе насоса с заклинившим рабочим органом и стандартном завершении работы. Теоретические модели для этих двух случаев приведены в В.2.2 и В.2.3. Определение символов, используемых в уравнениях, дано в таблице В.7.

B.2.2 Случай с заклинившим рабочим органом насоса

В случае с заклинившим рабочим органом насоса единственной энергией, которая освобождается, является энергия кручения, накопленная в колонне привода.

Физическую систему для случая насоса с заклинившим рабочим органом следует представить в виде системы с дисковой пружиной, как показано на рисунке В.1.

"Рисунок В.1 - Насос с заклинившим рабочим органом"

Единственным нагружающим моментом обратного вращения в случае насоса с заклинившим рабочим органом является крутящий момент , накопленный в колонне привода. Во время обратного вращения на этот крутящий момент действует сопротивление кручению, которое вырабатывается тормозом () и трением в производственной системе (пружине 1). Эффективный крутящий момент , применимый для ускорения силовой передачи, можно выразить по формуле

.

(В.1)

Число скручиваний эластичного материала в колонне привода зависит от крутящего момента в колонне привода. Для колонн привода с плотным круглым сечением полярный момент

.

(В.2)

При остановке количество скручиваний в колонне привода

.

(В.3)

Во время обратного вращения эти скручивания освобождаются, вызывая снижение крутящего момента в колонне привода. Для данного числа скручиваний колонны привода во время обратного вращения оставшийся крутящий момент

.

(В.4)

Сопротивление обратному вращению , выработанное тормозной системой является функцией скорости обратного вращения и, в некоторых случаях, температуры привода, как показано в формуле

.

(В.5)

Работоспособность тормозной системы определяется по информации о характеристиках наземного привода, предоставленной поставщиком/изготовителем по 6.3.2. Сопротивление обратному вращению более точно определяется по 6.3.2.2.2. Трение в системе добычи также препятствует обратному вращению. Сюда относится трение в упорном подшипнике, сальниках, между штангой и НКТ.

Ускорение привода, шкивов, двигателя и колонны привода выражено формулой

.

(В.6)

Общий момент инерции включает несколько различных элементов силового блока, которые могут вращаться с различной скоростью во время обратного вращения. Для момента инерции каждого элемента эталоном должна служить скорость полированного штока в зависимости от коэффициента скорости (передаточного отношения) , определяется по формуле

,

(В.7)

где - момент инерции оборудования, вращающегося при скорости полированного штока;

- момент инерции оборудования, вращающегося при скорости , умноженной на скорость элемента ;

- постоянное движение.

В.2.3 Стандартное завершение работы

Физическую систему стандартного завершения работы следует представить в виде системы с двухдисковой пружиной согласно рисунку В.2.

"Рисунок В.2 - Стандартное завершение работы"

В процессе стандартного завершения работы гидравлический крутящий момент (вызванный перепадом давления в насосе) вместе с крутящим моментом колонны привода действует на силовой блок и на колонну привода. Жидкость в эксплуатационной колонне насосно-компрессорных труб течет через насос и в затрубное пространство скважины. Предполагается, что жидкость течет из затрубного пространства в коллектор и что уровень жидкости в затрубном пространстве не меняется от уровня рабочей жидкости непосредственно перед остановкой. Уравнения динамики для второй стадии обратного вращения представлены в формулах:

;

(В.8)

.

(B.9)

Поскольку ротор насоса вращается, крутящий момент в колонне привода становится функцией числа поворотов верхней части колонны привода и ротора согласно формуле

.

(В.10)

Гидравлический крутящий момент зависит от геометрии насоса (как предусмотрено поставщиком/изготовителем насоса) и является функцией перепада давления в насосе, выражаемой уровнем жидкости над насосом согласно формуле

.

(В.11)

Трение в насосе препятствует повороту ротора в статоре.

Ускорение ротора и колонны привода составляет

.

(В.12)

Ускорение привода, шкивов, двигателя и колонны привода выражено формулой (В.6).

В.3 Начальные условия

Условия в начале обратного вращения даны в формулах:

t = 0;

;

;

(В.13)

.

В.4 Работа тормозной системы

B.4.1 Сопротивление кручению при обратном вращении

Сопротивление кручению при обратном вращении играет ключевую роль в процессе обратного вращения. Как представлено в формуле (В.4), оно связано со скоростью обратного вращения колонны привода и с температурой в наземном приводе. Функциональная зависимость между этими тремя переменными должна определяться методами испытания, приведенными в приложении G.

B.4.2 Рассеяние тепла

В процессе обратного вращения высвобождаются энергия кручения, накопленная в колонне привода, и потенциальная энергия жидкости. Эта энергия поглощается наземным приводом, вызывая повышение температуры привода. Когда температура наземного привода превышает температуру окружающей среды, тепло рассеивается в окружающей среде. Температура привода в любое время непосредственно связана с количеством энергии, которую может поглотить привод (теплоемкость), и со скоростью рассеяния тепла в окружающей среде.

Теплоемкость наземного привода и скорость рассеяния тепла также должны определяться испытаниями, приведенными в приложении G.

B.5 Входные параметры

В.5.1 Общие положения

Заданные условия для расчета эксплуатационных характеристик наземного привода можно классифицировать как относящиеся к системе поверхностного привода либо к ее применению.

B.5.2 Наземная система приводов

Наземная система приводов подлежит классификации по следующим критериям:

- момент инерции наземного вращающегося оборудования, включая зубчатую передачу, шкивы и двигатель;

- сопротивление кручению при обратном вращении как зависимость скорости и температуры;

- теплоемкость;

- скорость рассеяния тепла.

B.5.3 Применение

Для применения устройств наземного привода необходимо определение следующих критериев:

- размер колонны привода и НКТ;

- свойства материалов колонны привода;

- геометрия скважины;

- глубина подвески насоса;

- подача насоса;

- объемный КПД насоса;

- трение в насосе и в других элементах системы привода;

- крутящий момент остановки;

- начальная температура наземного привода;

- температура окружающей среды;

- уровень рабочей жидкости;

- плотность и вязкость жидкости.

B.6 Этапы расчета

Необходимые для оценки скорости обратного вращения и длительности как функции энергии, накопленной в производственной системе, должны охватывать следующие этапы расчета:

a) Начать с начальными условиями, приведенными в формулах (В.13).

b) Рассчитать ускорение составных частей системы, пользуясь формулами (В.1) - (В.7) или (В.8) - (В.12).

c) Рассчитать скорость обратного вращения ведомого шкива и ротора в течение короткого времени [на основании ускорения вращения, вычисленного в (b)].

d) Рассчитать сопротивление кручению при обратном вращении, пользуясь формулой (В.5).

e) Рассчитать работу, выполненную тормозным устройством.

f) Рассчитать скорость рассеяния тепла.

g) Заново рассчитать температуру тормозного устройства (на основе теплоемкости тормозного устройства).

h) Заново рассчитать углы поворотов (верхняя и нижняя части колонны привода).

i) Заново рассчитать уровень жидкости в колонне насосно-компрессорных труб.

j) Заново рассчитать крутящий момент колонны привода, пользуясь формулами (В.4) или (В.10) и формулой гидравлического крутящего момента (В.11).

k) Повторять процесс [начиная с этапа (b)] до момента прекращения обратного вращения.

B.7 Результаты моделирования

Результаты моделирования должны включать:

a) скорость обратного вращения как функцию времени;

b) температуру наземного привода/тормозного устройства как функцию времени;

c) остаточный уровень жидкости в конце обратного вращения.

На основе этой информации должны быть получены следующие параметры:

- максимальная скорость обратного вращения;

- максимальная температура наземного привода;

- продолжительность обратного вращения;

- уровень столба жидкости в колонне насосно-компрессорных труб.

Эти результаты можно использовать для оценки пригодности тормозной системы наземного привода для планируемой эксплуатации, сравнивая прогнозируемую максимальную скорость обратного вращения и температуру привода с их номинальными значениями.

Следует учитывать неопределенность, связанную с каждой входной переменной, чтобы определить величину влияния этой неопределенности на результаты моделирования.

B.8 Проверка модели

B.8.1 Общие положения

Любые модели, разработанные для оценки тормозных систем, подлежат проверке по примерам эталонного теста, которые приводятся далее. В каждом примере установлены входные данные, характеризующие профиль скважины и эксплуатационные условия, даются ориентировочные результаты теоретического моделирования на основании метода, описанного в этом приложении. Диапазон требований к тормозным системам, которые типичны для применений винтовых насосов охватывают четыре сценария.

B.8.2 Примеры с заклинившим рабочим органом насоса

В.8.2.1 Пример 1 - Заклинивший рабочий орган насоса, низкий момент вращения

Технические характеристики оборудования и эксплуатационные условия для остановки насоса с заклинившим рабочим органом приведены в таблице В.1.

Таблица В.1 - Входные данные модели

Эксплуатационные параметры	Значение
Геометрия скважины	Вертикальная
	25,4 мм
G	75 ГПа (GPa)
	Отсутствует
	914 м
V(pump)	Отсутствует
	То же
	- " -
	13,6 (Nm)
	1 088 (Nm)
	40°С
	20°С
	Отсутствует
	То же
	- " -
	- " -
Параметры наземного привода
	33,71
	127 кДж/°С

Момент, вырабатываемый тормозной системой наземного привода, подлежит расчету для восьми различных частот вращения и пяти различных начальных температур. Значения тормозного момента приведены в таблице В.2. Скорость рассеяния тепла подлежит расчету для трех различных температур. Значения скорости приведены в таблице В.3.

Таблица В.2 - Тормозной момент в наземном приводе

Частота вращения штанг, об/мин	Тормозной момент на штанге (Nm)
	Температура °С
	0	25	50	75	100
0	0	0	0	0	0
50	220	171	145	129	118
100	350	267	221	194	175
200	578	434	354	306	410
300	782	584	475	407	362
400	974	724	586	502	445
600	1327	984	793	677	599
700	1496	1106	891	759	673
800	1664	1228	988	842	764

Таблица В.3 - Скорость рассеяния тепла в наземном приводе

Дифференциальная температура, °С	40	80	120
Скорость рассеяния тепла, kW	0,42	0,84	1,25

На рисунке В.3 представлены результаты моделирования, при которых максимальная частота обратного вращения составляет 439 об/мин, а максимальный тормозной момент наземного привода - 686 ().

"Рисунок В.3 - Результаты моделирования насоса с заклинившим рабочим органом (Пример 1)"

В.8.2.2 Пример 2 - насос с заклинившим рабочим органом, высокий рабочий момент

Входные параметры такие же, как и в примере 1, за исключением того, что момент остановки повысился до 1627 ().

На рисунке В.4 представлен пример моделирования, при котором максимальная частота обратного вращения составляет 703 об/мин, а максимальный тормозной момент наземного привода - 981 ().

"Рисунок В.4 - Пример моделирования насоса с заклинившим рабочим органом (Пример 2)"

В.8.3 Пример стандартного завершения работы - Пример 3 - Стандартное завершение работы

В таблице В.4 приведены технические характеристики оборудования и эксплуатационные условия для стандартного завершения работы. В таблицах В.5 и В.6 приведены характеристики тормозного момента и скорости рассеяния тепла.

Таблица В.4 - Входные данные модели

Эксплуатационные параметры	Значение
Геометрия скважины	Вертикальная
	25,4 мм
G	75 ГПа (GPa)
	76 мм
	914 м
V(pump)	95
	75%
	136 (Nm)
	13,6 (Nm)
	1 627 (Nm)
	45°С
	35°С
	914 м
	1000
	1 сПуаз = 1 mPa-s
	1,66
Параметры наземного привода
	33,71
	127 кДж/°С

Таблица В.5 - Тормозной момент в системе наземного привода

Частота вращения штанг, об/мин	Тормозной момент на штанге, (Nm)
	Температура, °С
	0	25	50	75	100
0	0	0	0	0	0
50	220	171	145	129	118
100	350	267	221	194	175
200	578	434	354	306	410
300	782	584	475	407	362
400	974	724	586	502	445
600	1327	984	793	677	599
700	1496	1106	891	759	673
800	1664	1228	988	842	764

Таблица В.6 - Скорость рассеяния тепла в устройстве наземного привода

Дифференциальная температура, °С	40	80	120
Скорость рассеяния тепла, kW	0,42	0,84	1,25

Примечание - Предполагается, что уровень жидкости в затрубном пространстве скважины остается постоянным в процессе обратного вращения.

На рисунке В.5 представлены результаты моделирования, при которых максимальная температура в приводе составляет 105°С, а максимальная частота обратного вращения - 672 об/мин.

"Рисунок В.5 - Результаты моделирования стандартной остановки привода (Пример 3)"

Таблица В.7 - Таблица обозначений

Обозначение	Наименование	Единицы
	Теплоемкость наземного привода	кДж/°С (kJ/°C)
	Диаметр колонны привода	мм (mm)
	Внутренний диаметр эксплуатационной колонны насосно-компрессорных труб	мм (mm)
G	Модуль жесткости	Па (Ра)
J	Полярный момент инерции поперечного сечения колонны привода
	Общий момент инерции привода, шкивов, двигателя и колонны привода
	Общий момент инерции ротора насоса и колонны привода
	Общий момент инерции отдельных деталей силового блока, которые вращаются во время обратного вращения
	Чистый уровень жидкости	м (m)
	Длина колонны привода	м (m)
	Отношение скоростей между элементом силового блока (i) и элементом (i-1)
t	Время	сек (s)
	Температура окружающей среды	°С
	Температура привода	°С
	Подача насоса	/сутки/100 об/мин /day per 100 r/min
	Крутящий момент для ускорения ротора насоса и колонны привода
	Крутящий момент для ускорения привода, шкивов, двигателя и колонны привода
	Сопротивление кручению при обратном вращении, выработанное тормозной системой
	Крутящий момент нагрузки при обратном вращении, действующий на наземный привод из-за упругой деформации колонны привода
	Крутящий момент, необходимый для преодоления трения в производственной системе (исключая трение в насосе)
	Крутящий момент нагрузки, производимый потоком жидкости через насос
	Крутящий момент, необходимый для преодоления трения в насосе
	Крутящий момент, приложенный к колонне привода непосредственно перед остановкой
	Объемный КПД	%
	Угол поворота наземного привода от положения остановки	рад (rad)
	Частота обратного вращения наземного привода	рад/с (rad/s)
	Ускорение наземного привода
	Угол поворота ротора от положения остановки	рад (rad)
	Частота обратного вращения ротора	рад/с (rad/s)
	Ускорение ротора
	Общий угол поворота (число скручиваний) колонны привода во время остановки	рад (rad)
	Плотность жидкости в эксплуатационной колонне насосно-компрессорных труб
	Вязкость жидкости в эксплуатационной колонне насосно-компрессорных труб	сПуаз = mPa-s