PROIZVODNJA NAFTE I PLINA II.Uronjive centrifugalne crpke

Prof. dr. sc. Marin Čikeš

KOMPONENTE SUSTAVA URONJIVIH

CENTRIFUGALNIH CRPKI� Tipični sustav uronjive

centrifugalne crpke čine: elektromotor, štitnik (brtvena sekcija), plinski separator (usisna sekcija), višestupanjska centrifugalna crpka, električni kabel, površinski upravljački ureñaj, razvodna kutija i transformator;

� Izborna oprema može uključiti senzore tlaka i temperature, te protupovratne i ispušne ventile.

KLASIFIKACIJA CRPKI

PRESJEK JEDNOG STUPNJA CENTRIFUGALNE CRPKE

� Centrifugalna crpka se sastoji od pokretnog dijela (rotora), poznatog pod imenom impeler (radno kolo s lopaticama), pričvršćenog na rotirajuće vratilo (osovinu) i nepokretnog dijela (statora), zvanog difuzor, kojeg čini niz nepokretnih prolaza s postupno rastućom (uvećavajućom) poprečnom površinom.

� Rotacija impelera s odgovarajuće oblikovanim lopaticama stavlja čestice fluida u gibanje od ulaza (usisne strane) prema izlazu (potisnoj strani). Kako fluid teče kroz impeler, čestice se ubrzavaju; dakle, njihova kinetička energija raste. Ova energija se dijelom pretvara u potencijalnu energiju (tlak ili visinu stupca fluida) u impeleru i u difuzoru.

Zakoni održanja mase, količine gibanja i energije

Koristeći srednju (prosječnu) brzinu protjecanja fluida, jednodimenzionalni stacionarni protok se može analizirati primjenom nekih od sljedećih zakona održanja:

� zakona održanja mase , kojeg se u mehanici fluida naziva jednadžbom kontinuiteta ;

� zakona održanja koli čine gibanja , kojeg se u mehanici fluida naziva jednadžbom koli čine gibanja ;

� zakona održanja energije , koji predstavlja primjenu prvog zakona termodinamike na elemente fluida u strujanju, a u dinamici fluida se naziva energetskom jednadžbom .

� Jednadžba kontinuiteta za kapljevine, odnosno za protok nestlačivog fluida kroz strujnu cijev konačnih dimenzija, glasi:

� gdje je srednja brzina strujanja fluida preko normalnog ravnog presjeka cijevi, površine A, definirana izrazom

1 1 2 2 .q v A v A konst= = =

1

A

qv vdA

A A= =∫

Energetska jednadžba� Za jednodimenzionalni stacionarni protok neviskoznog (idealnog) i

nestlačivog fluida, energetska jednadžba je poznata kao osnovna Bernoullijeva jednadžba, koja glasi:

� Ovdje svi članovi i konstanta imaju dimenziju energije po jedinici mase ilidimenziju snage po jedinici masenog protoka, J/kg, a pojedinačno su:p/ρ - specifična potencijalna energija tlaka, tj. energija jedinice mase fluida uslijed tlaka pod kojim se fluid nalazi;v2/2 - specifična kinetička energija brzine, tj. energija jedinice mase fluida uslijed brzine protjecanja fluida;gH - specifična potencijalna energija položaja, tj. energija jedinice mase fluida uslijed geodetske visine fluida;

� Zbog praktičnih razloga, Bernoullijeva jednadžba se prikazuje u različitim oblicima. Čest oblik glasi:

� gdje svi članovi imaju dimenziju duljine i nazivaju se visinom tlaka, odnosno visinom brzine, geodetskom visinom i visinom ukupne mehaničke energije, a ekvivalentni su visini stupca fluida izraženoj u metrima.

2

.2

p vgH konst

ρ+ + =

2

.2

p vH konst

g gρ+ + =

Energetska jednadžba� Praktički se Bernoullijevu jednadžbu rabi za dva

presjeka, 1 i 2 (indeksi redovito rastu u smjeru strujanja), pa ju se tada piše u obliku

� Množenjem osnovne jednadžbe gustoćom fluida , ona glasi

kada svi članovi jednadžbe imaju dimenziju tlaka.� Osim osnovne Bernoullijeve jednadžbe, postoje i

njena proširenja za viskozne (realne) i stlačive fluide, pa i za nestacionarno strujanje, kao i za slučaj kad fluid predaje energiju stroju (turbini) ili pak preuzima energiju od stroja (crpke). Iako su izvedena iz opće energetske jednadžbe, i ta se proširenja često naziva Bernoullijevom jednadžbom.

2 21 1 2 2

1 22 2

p v p vH H

g g g gρ ρ+ + = + +

2

.2

vp gH konst

ρ ρ+ + =

Protok kroz impeler, trokut brzina � Apsolutnu brzinu čestice fluida koja protječe kroz rotirajući impeler, v, može se rastaviti u dvije komponente: obodnu brzinu impelera, u, i relativnu brzinu, w. Analizu se obavlja grafički metodom trokuta brzina.

� Trokute brzina može se nacrtati za bilo koju točku u prolazu impelera, no najinteresantniji su oni na ulazu i izlazu impelera.

Trokuti brzina na ulazu i izlazu impelera

� Trokut brzina na ulazu nosi indeks 1, a na izlazu indeks 2. � Komponenta apsolutne brzine okomita na obodnu komponentu,

vm naziva se meridijanskom (meridionalnom) komponentom. � Kut izmeñu apsolutne brzine v i tangencijalne brzine u obično

se označava simbolom α i naziva apsolutnim kutom. � Kut izmeñu w i produženog (ili negativnog) u označava se

simbolom β i naziva kutom lopatice, a predstavlja kut kojeg zatvara tangenta na impeler i pravac u smjeru gibanja lopatice.

Teoretska energija dobave (visina podizanja)

� Proračun energije koju razvija impeler, odnosno proračun visine do koje impeler podiže stupac fluida temelji se na tri pretpostavke:

1. Fluid napušta impeler tangencijalno na površinu lopatice, tj. fluid je u potpunosti voñen lopaticom na izlazu, što je moguće samo u slučaju neograničenog broja lopatica;

2. Prolazi impelera su u potpunosti zapunjeni protočnim fluidom cijelo vrijeme, što znači da nema separacije ili praznih prostora;

3. Brzine fluida u sličnim točkama su iste na svim strujnicama.

� Energija (visina) izračunata na temelju ovih pretpostavki naziva se teoretskom energijom dobave, odnosno teoretskom visinom podizanja.

Porast tlaka uslijed djelovanja centrifugalne sile

� Da bismo odredili distribuciju tlaka, razmotrimo mali element fluida širine b, debljine dR i kružne duljine Rdφ koji rotira s impelerom kutnom brzinom ω.

� Masa elementa fluida je

� Centrifugalna sila koja djeluje na elementarnu masu fluida bit će

� pa je porast tlaka zbog djelovanja centrifugalne sile dan izrazom

dm bRd dRρ φ=

2 2 2dF dmR bR d dRω ρ ω φ= =

2 22dF bR d dR

dP R dRdA bRd

ρ ω φ ρ ωφ

= = =

Porast visine tlaka uslijed djelovanja centrifugalne sile

� Integriranjem prethodne jednadžbe izmeñu R1 i R2dobivamo

� a kako je� slijedi jednadžba promjene tlaka uslijed djelovanja

centrifugalne sile

� odnosno, jednadžba promjene visine tlaka uslijed djelovanja centrifugalne sile

2 22 2 1

2 1 2

R Rp p ρω −− =

R uω =

2 22 1

2 1 2

u up p ρ −− =

2 22 1 2 1

2

p p u u

g gρ− −=

Rad uložen u impeler� Zanemarujući gubitke u prolazima impelera, rad uložen u

impeler bit će jednak ukupnoj razlici energije u impeleru, tj. ukupnoj energiji na izlazu iz impelera umanjenoj za ukupnu energiju na ulazu u impeler. Temeljem osnovne Bernoullijeve jednadžbe za stacionarno strujanje neviskoznog (idealnog) i nestlačivog fluida,

� ukupna specifična energija, tj. ukupna energija po jedinici mase elementa fluida, na ulazu u impeler jednaka je

� a na izlazu� Na svom putu kroz impeler od ulaza do izlaza, elementarna

masa fluida preuzme od impelera energiju W. Dakle, bilanca energije glasi:

� pa energija predana fluidu, odnosno rad uložen u impeler iznosi

2

.2

p vgH konst

ρ+ + =

21 1

1 12

p vE gH

ρ= + +2

2 22 22

p vE gH

ρ= + +

1 2E W E+ =

( )2 2

2 1 2 12 12

p p v vW g H H

ρ− −= + + −

Specifična energija dobave crpke� Prethodnu jedn. možemo transformirati u svrsishodniji oblik. Za protok kroz

impeler vrijedi Bernoullijeva jednadžba strujanja idealnog fluida kroz kanal u jednolikoj rotaciji, tj.

� Dakle, uvrsti li se ovu jednadžbu u prethodnu, slijedi

� Iz trokuta brzina slijedi:(teorem o kosinusima)

� pa se gornja jednadžba transformira u

� Budući je

� konačno dobivamo:

� što predstavlja specifičnu energiju dobave crpke, tj. snagu predanu fluidu po jedinici masenog protoka ili energiju po jedinici mase fluida.

2 2 2 21 1 1 2 2 2

1 22 2 2 2

p w u p w ugH gH

ρ ρ+ − + = + − +

2 2 2 2 2 21 2 2 1 2 1

2

w w u u v vW

− + − + −=

2 2 2 2 cosw u v uv α= + −

2 2 2 1 1 1cos cosW u v u vα α= −

cosv vθ α=

2 2 1 1W u v u vθ θ= −

Eulerova jednadžba za turbostrojeve� Odatle slijedi teoretski tlak kojeg razvija impeler, za fluid

odreñene gustoće, ρ

� a budući je , dalje slijedi teoretska visina podizanja fluida ili visina dobave crpke

� što predstavlja snagu predanu fluidu po jedinici težinskog protoka fluida ili energiju po jedinici težine fluida. Ovo je temeljna jednadžba koja se koristi u dizajnu centrifugalne crpke, a predstavlja Eulerovu jednadžbu za turbostrojevevaljanu za idealni nestlačivi fluid i jednodimenzionalno strujanje.

� Jednadžba ne sadrži gustoću fluida, dakle, impeler koji radi kod odreñene brzine stvorit će istu visinu bez obzira na gustoću fluida, pošto je visina izražena u obliku visine tog specifičnog stupca fluida.

( )2 2 1 1p u v u vθ θρ= −

p gHρ=

( )2 2 1 1

1H u v u v

g θ θ= −

Eulerova jednadžba za turbostrojeve� Primjenom Eulerove jednadžbe za turbostrojeve mogu se proračunati

teorijske karakteristike centrifugalnih crpki u funkciji protoka, za različite geometrijske parametre radnog kola i lopatica. Prema trokutu brzina, obodna komponenta apsolutne brzine, vθ, jednaka je:

� Temeljem jednadžbe kontinuiteta, radijalnu brzinu u rotoru na radijusu R, može se izraziti kao:

� pa je ona na ulazu u rotor jednaka:

� a na izlazu iz rotora jednaka je:

� Pritom je:� b1/b2 – širina lopatice na ulazu/izlazu rotora;� D1/ D2 – unutarnji/vanjski promjer rotora;

2m

q qv

A Rbπ= =

tan tanm mv v

v uθ α β= = −

11 1 1 12m

q qv

R b D bπ π= =

22 2 2 22m

q qv

R b D bπ π= =

Eulerova jednadžba za turbostrojeve� Iz prethodnih jednadžbi slijedi:

� Budući je obodna brzina rotora dana izrazom:

� jednadžba specifične energije dobave crpke u funkciji njenih geometrijskih parametara glasi:

� Budući da specifična energija dobave crpke predstavlja snagu predanu fluidu po jedinici masenog protoka, množenjem gornje jednadžbe masenim protokom, ρq, slijedi jednadžba snage predane fluidu ili snage potrebne za okretanje radnog kola:

� Napomena: Za idealni fluid i uz idealne pretpostavke.

2

Du Rω ω= =

1 11 1 1tan

qv u

D bθ π β= −

( )2 2 22 1

2 2 1 1

1 1 1

4 2 tan tan

qW D D

b b

ωωπ β β

= − − −

2 22 2 2tan

qv u

D bθ π β= −

( )2

2 2 22 1

2 2 1 1

1 1 1

4 2 tan tan

qP q D D

b b

ωρ ωπ β β

= − − −

Stvarna visina podizanja fluida� Stvarna visina (tlak) koju ostvaruje crpka uvijek je manja od teoretske radi

već spomenutih idealnih pretpostavki.� Razlika izmeñu teoretske i stvarne visine zbog odstupanja od idealnih

uvjeta ne može se egzaktno vrjednovati;

� Stoga je nužno generirati popravne koeficijente, temeljene na rezultatima testiranja prethodno izgrañenih sličnih crpki.

� Neki od uzročnika ovakvog nesklada su:

1. Relativna cirkulacija -učinak konačnog broja lopatica

2. Hidraulički gubitci 3. Gubitci curenja4. Mehanički gubitci–trenje

diska

Ukupna djelotvornost crpke

� Umnožak ovih triju komponenti naziva se ukupnom djelotvornošću crpke i predstavlja omjer korisne izlazne snage isporučene crpkom (hidrauličke snage) prema ulaznoj snazi koju isporučuje motor (pogonskoj snazi).

� Svi gubitci koji nastaju u crpki mogu biti karakterizirani u terminima hidrauličke, volumetrijske i mehaničke djelotvornosti, ovisno o prirodi gubitaka.

Izrada radne karakteristike crpke � U praksi, crpku se ispituje tako da se pri konstantnoj

brzini rotacije mijenja protok prigušivanjem izlaza (dakle, povećavanjem izlaznog ili potisnog tlaka).

� Za vrijeme ispitivanja mjeri se protok, q, porast tlaka kroz crpku (tj. razlika izmeñu potisnog i usisnog tlaka) ∆p i pogonska snaga, P, u nekoliko točaka.

� Porast tlaka se zatim pretvara (preračunava) u visinu stupca fluida, H=∆p/ρg, te se računa ukupna djelotvornost crpke kao omjer hidrauličke i pogonske snage, η=q x ∆p/P.

� Temeljem ovih podataka, crta se krivulje visine, pogonske snage i ukupne djelotvornosti u funkciji protoka. Ove krivulje opisuju radnu karakteristiku (performanse) crpke u ispitnim uvjetima.

Radna karakteristika crpke

Odnos tlaka i visine podizanja� Tlak kojeg razvija

uronjiva centrifugalna crpka ovisi o gustoći fluida kojeg se crpi.

� Meñutim, visina stupca fluida kojeg se crpi je ista neovisno o tomu crpi li se vodu gustoće 1 kg/dm3, naftu gustoće 0.8 kg/dm3, vodenu otopinu neke soli gustoće 1.35 kg/dm3, ili bilo koji drugi fluid bilo koje gustoće, što ilustrira slijedeća slika

Utjecaj radnih uvjeta� Objavljene krivulje radnih karakteristika crpki obično su dane

kod fiksne brzine vrtnje u čistoj vodi gustoće 1 kg/dm3 i viskoznosti 1 cp.

� Meñutim, u praksi se crpke rabi za crpljenje drugih kapljevina različitih gustoća i viskoznosti, a mogu raditi i kod drugog broja okretaja. U takvim slučajevima nužno je predvidjeti ponašanje crpke u stvarnim radnim uvjetima.

� Kombiniranjem utjecaja triju varijabli, brzine vrtnje, gustoće fluida i promjera impelera, dobiva se sljedeće odnose:

� Ovdje su:� q1, H1, P1, η1, N1, D1 i ρ1 – početni protok, visina stupca,

pogonska snaga, djelotvornost, brzina, promjer i gustoća;� q2, H2, P2, η2, N2, D2 i ρ2 – novi protok, visina stupca, pogonska

snaga, djelotvornost, brzina, promjer i gustoća.

2 22 1

1 1

N Dq q

N D

=

2 2

2 22 1

1 1

N DH H

N D

=

3 3

2 2 22 1

1 1 1

N DP P

N D

ρρ

=

2 1η η=

Utjecaj viskoznosti fluida� Većina crpki je namijenjena za crpljenje vode ili

drugih fluida niske viskoznosti, no ima i onih namijenjenih crpljenju fluida čija viskoznost značajno nadilazi viskoznost vode. Viskozni fluidi imaju visok unutarnji otpor tečenju. Konzekventno, gubitci trenja i trenje diska je povećano, što rezultira niskim stupcem fluida i visokom pogonskom snagom. Viskoznost takoñer utječe na gubitke curenja, pa je utvrñeno da viskoznost smanjuje protok crpke i u području maksimalne djelotvornosti.

� Cjelovit učinak viskoznosti na radne karakteristike centrifugalne crpke nije u potpunosti poznat. Od svih publiciranih radova na ovu temu, najpopularniji i najčešće citiran je onaj kojeg je objavio američki Hydraulic Institute (nomogrami).

Popravni koeficijenti r. karakteristike� Nomogrami omogućuju

odreñivanje radnih karakteristika centrifugalne crpke kad ona crpi viskozan fluid, a poznate su njene karakteristike za vodu.

� Temeljem poznatog protoka, qw, i visine stupca fluida, Hw, odreñene crpke, u točki njene maksimalne djelotvornosti, ηw, za odreñenu viskoznost fluida (centisokes-kinematička viskoznost=µ/ρ) odredi se popravne faktore Cq, CH i CE, te se pomoću sljedećih jednadžbi izračuna radne karakteristike crpke u viskoznom fluidu:

vis q wq C q= ×

vis H wH C H= × vis E wCη η= ×

Kavitacija � Ako u nekoj točki unutar crpke apsolutni tlak kapljevine postane

niži od tlaka zasićenja para te kapljevine, u njoj započinje isparavanje i stvaranje mjehurića pare. Kad, nošeni strujom fluida unutar crpke, mjehurići pare dospiju u područje apsolutnog tlaka višeg od tlaka zasićenja para, trenutno kondenziraju u obliku implozije, a njihove prostore popunjava kapljevina, uslijed čega nastaje hidraulički udar pri kojem tlak trenutno poraste i do nekoliko tisuća bara. Ovaj fenomen je poznat kao kavitacija.

� Izravna posljedica kavitacije jest razaranje materijala stijenkicrpke, tzv. kavitacijska erozija. Pojava kavitacije praćena je karakterističnim šumom i vibracijama, a rad crpke postaje nejednolik i nemiran, smanjuju se visina dobave, protok i djelotvornost.

� Kavitacija nastaje i stvaranjem mjehura plina otopljenog u nafti. U tom slučaju, kavitacijski mjehuri nastaju čim se tlak snizi ispod tlaka zasićenja nafte. Kad tlak ponovno poraste, mjehuri nestaju bez erozijskog djelovanja, jer stlačivost plina prigušuje imploziju i hidraulički udar. Zato takva kavitacija ne razara materijal crpke, ali ima sve ostale negativne učinke na njen rad.

Kavitacija i neto-pozitivna usisna visina � Na pojavu kavitacije utječu uvjeti na usisu crpke. Ako

su ti uvjeti takvi da ni u jednoj točki unutar crpke tlak ne će biti niži od tlaka zasićenja kapljevine plinovima, kavitacija se ne će pojaviti. Minimalni uvjeti na usisu crpke nužni za sprječavanje kavitacije poznati su pod nazivom neto-pozitivna usisna visina crpke i često se označavaju američkom kraticom NPSH (net positive suction head), a odreñuje se eksperimentalno.

� Neto-pozitivna usisna visina uronjivih centrifugalnih crpki u naftnim bušotinama ekvivalentna je hidrauličkim gubitcima izmeñu tlaka u zaštitnim cijevima na razini impelera prvog stupnja crpke i ulaza u impeler, te visini zbog razlike brzina. Stoga raspoloživi tlak u zaštitnim cijevima na razini impelera prvog stupnja crpke mora biti jednak ili veći od tlaka odreñenog neto pozitivnom visinom odreñene crpke.

Višestupanjska centrifugalna crpka � Uronjive centrifugalne crpke su višestupne. Vrsta stupnja, tj.

njegova r. karakteristika odreñuje obujam crpljenog fluida, odnosno protok. Broj stupnjeva odreñuje ukupno stvorenu visinu stupca fluida i potrebnu pogonsku snagu. Naime, svaki stupanj će crpiti isti obujam fluida i stvoriti jednaku razliku tlaka, no ukupna razlika tlaka bit će jednaka sumi svihrazlika. Npr., ako jedan stupanj stvori 7 m stupca fluida pri protoku od 200 m3/d, 100 stupnjeva će proizvesti 700 m stupca pri istom protoku. Pritom će potrebna pogonska snaga biti odreñena slijedećom jednadžbom:

� Ovdje su:P – pogonska snaga, W;q – protok, m3/s;ρ – gustoća fluida, kg/m3;g – gravitacija, m/s2;H – ukupna visina stupca fluida, m;η – djelotvornost crpke.

q gHP

ρη

=

Tablica 1: Standardne dimenzije višestupanjskih crp ki

171,5187,3>190,8>219,1

101,6; 136,5114,3; 139,7190,8219,1

101,6; 136,5114,3; 139,7157,1-164,0177,8

101,6114,3121,4-125,7139,7

85,795,3108,6-115,8127

85,795,3101,6-103,9114,3

Vanjski promjer crpke,

mm

Vanjski promjer

motora, mm

Unutarnjipromjer

zaštitnih cijevi, mm

Vanjski promjer

zaštitnih cijevi, mm

Uronjivi elektromotor� Za pokretanje uronjivih

centrifugalnih crpki rabe se dvopolni, trofazni, kavezni električni motori indukcijskog tipa. Oni se okreću relativno konstantnom brzinom od 3500 okretaja u minuti na frekvenciji od 60 Hz, odnosno 2915 o/min na 50 Hz.

� Električki nevodljivo ulje u kućištu motora podmazuje nosače motora i prenosi toplinu stvorenu u motoru na kućište motora. S kućišta motora toplinu se dalje odvodi bušotinskim fluidom koji oplakuje vanjsku površinu motora; stoga, motor nikad ne smije biti smješten ispod razine utoka fluida iz ležišta u bušotinu, osim ako je dodatnom opremom osigurano oplakivanje motora bušotinskim fluidom.

Uronjivi elektromotor

� Kako bi se omogućilo izbor optimalne kombinacije motora, upravljačkog ureñaja i kabela, glede troškova transformacije napona, razvijeni su motori različitih kombinacija napona i jakosti struje.

� Snaga motora je ograničena promjerom bušotine u koju se ugrañuje, no potrebnu snagu se postiže jednostavnim produženjem sekcije motora.

� Općenito, na tržištu postoje motori različite snage, no za standardne promjere bušotina maksimalna snaga doseže vrijednosti dane u sljedećoj tablici.

Tablica 2: Raspolo živa snaga elektromotora

634760219,1

373448177,8

149179139,7

7995114,3

Maksimalna snaga na frekvenciji od

50 Hz, kW

Maksimalna snaga na frekvenciji od

60 Hz, kWVanjski promjer zaštitnih cijevi,

mm

Štitnik (brtvena sekcija)� Štitnik ili brtvena sekcija ima četiri

osnovne funkcije:1. spaja kućište crpke s kućištem motora

spajajući pogonsku osovinu motora s osovinom crpke;

2. smješta glavni nosač crpke kako bi on preuzimao aksijalne (osne) udarce koje stvara crpka;

3. sprječava ulaz bušotinskog fluida u motor;

4. osigurava spremište ulja za kompenzaciju širenja (ekspanzije) i sužavanja (kontrakcije) motornog ulja uslijed grijanja i hlañenja motora za vrijeme rada ili stajanja.

Plinski separator� Plinski separator je sekcija ugrañena izmeñu

štitnika i crpke gdje služi kao usis crpke. On odvaja slobodni plin iz bušotinskog fluida i pomaže u usmjeravanju slobodnog plina podalje od usisa crpke. U tomu on može biti veoma djelotvoran, no tu je djelotvornost teško egzaktno utvrditi. U svakom slučaju plinski separator pomaže u sprječavanju plinske blokade i osigurava djelotvornije crpljenje zaplinjenih bušotina (tj. bušotina s višim plinskim faktorom).

� Na slici je prikazan tipični plinski separator, kod kojeg bušotinski fluid ulazi kroz otvore na usisnom kućištu. Tu fluid mora promijeniti smjer, pa dolazi do izdvajanja plina koji se diže u prstenasti prostor i izlazi iz bušotine kod njenog ušća. Ušavši kroz otvore usisnog kućišta separatora, fluid s još uvijek nešto plina putuje prema dolje i ponovno mijenja smjer kad ga zahvati impeler. Impeler u fluidu stvara vrtlog, koji rezultira gibanjem plina prema gore uzdužosovine, te gibanjem fluida (kapljevine) prema obodu, tj. u unutarnji prstenasti prostor.

Električni kabel� Uronjivi elektromotor se opskrbljuje

električnom energijom pomoću električnog kabela. Široki izbor vodiča omogućava prilagodbu kabela zahtjevima motora. Odgovarajuća veličina kabela odreñena je jakošću struje elektromotora i rezultirajućim padom napona, te raspoloživim zazorom izmeñu spojnica uzlaznih cijevi i zaštitnih cijevi u bušotini.

� Dostupni u kružnom ili plosnatom stilu, izolirani kabeli mogu biti ugrañeni u bušotine čija temperatura prelazi 175 oC. Zaštitni omotač je od čelika, bronce ili legure nikla i bakra (Monel metal) ovisno o bušotinskim uvjetima. Najbolji tip kabela treba odabrati na temelju temperature u bušotini i vrste fluida koji ga okružuje.

� Uzduž crpke i uzlaznih cijevi, električni kabel mora biti zaštićen od mehaničkih oštećenja.

Upravljački ureñaj i trafostanica� Standardni površinski upravljački ureñaj je dostupan u širokom rasponu

veličina i opremljenosti dodacima, kako bi se prilagodio bilo kojem tipu instalacije uronjive centrifugalne crpke. Izbor se kreće od jednostavnih jedinica s ručnim sklopkama i zaštitom od preopterećenja do složenijih ureñaja s automatskim osiguračima, registrirajućim ampermetrima, zaštitom od niskog napona i preopterećenja, svjetlosnih signala, uklopnih satova i ureñaja za daljinsko upravljanje. Raspon napona je 440 V do 4800 V, a izbor se temelji na potrebnom naponu, jakosti struje i snazi motora, te ekonomici.

� Zaštita od podoptrećenja ili automatsko isključivanje crpke je nužno, budući da mali protok fluida koji oplakuje kućište motora može biti nedostatan za hlañenje motora. Ponovno automatsko uključivanje nakon takvog isključivanja i registrirajući ampermetar obično spadaju u standardnu opremu upravljačkog ureñaja.

� Zbog sigurnosnih razloga, izmeñu ušća bušotine i upravljačkog ureñaja smještena je razvodna kutija. Naime, plin iz bušotine može putovati kroz kabel i ući u upravljački ureñaj, te tako prouzročiti opasnost od požara ili eksplozije. Dakle, razvodna kutija prekida mogući protok plina, a nju samu se provjetrava. Obično je smještena 5 m od ušća bušotine, dok je upravljački ureñaj od nje udaljen za daljnjih 10 m.

� Izmeñu upravljačkog ureñaja i primarnog izvora električne energije nalazi se trafostanica s tri jednofazna transformatora ili jednim trofaznim. Transformatori su dizajnirani za pretvaranje napona primarne linije u napon kojeg zahtijeva ugrañeni elektromotor.

Proračun sustava uronjivih centrifugalnih crpki� Proračun sustava uronjive centrifugalne crpke zahtijeva

metodičko razmatranje nekoliko čimbenika. 1. Izbor crpke treba prilagoditi željenoj dnevnoj proizvodnji. Svaka

crpka ima odreñeni raspon protoka u kojem je najdjelotvornija i najmanje izložena mehaničkom trošenju. Dobra informacija o protočnim sposobnostima bušotine i ležišta spriječit će predimenzioniranje crpke, što bi moglo rezultirati njenim isprekidanim radom.

2. Crpka mora biti dimenzionirana tako da može proizvesti prirast tlaka nužan za podizanje bušotinskog fluida na površinu i održavanje odreñenog tlaka na ušću bušotine. To praktički znači, da treba odabrati korektan broj stupnjeva crpke, pri čemu je ponovno važna dobra informacija o protočnim sposobnostima bušotine.

3. Elektromotor treba biti odabran sukladno protoku i visini (tlaku) odabranog stupnja crpke, kao i njegovoj djelotvornosti.

4. Performanse crpke i zahtjevi kojima mora udovoljiti motor takoñer ovise o mješavini fluida koju treba podizati iz odreñene bušotine. Stoga je nužno razmotriti i takve čimbenike, kao što su gustoća fluida, njegova viskoznost i sadržaj plina.

Konfiguracija bušotine� Dimenzije zaštitnih cijevi postaju vrlo važne u dizajnu

uronjive opreme budući one odreñuju maksimalne dimenzije (vanjski promjer) crpke i elektromotora koje se može ugraditi u bušotinu. Općenito, najmanji trošak, kako početni tako i operativni, bit će ako se rabi crpku i motor najvećeg promjera koji fizički može pristati u dane zaštitne cijevi.

� U tablici 2.3 je pokazano da relativna cijena uronjivog elektromotora od 90-95 kw, u zaštitnim cijevima promjera 177,8 mm iznosi 1,00, u cijevima promjera 139,7 mm 1,44, a u cijevima promjera 114,3 mm čak 2,30. Drugim riječima, što je veći promjer elektromotora, to je niža cijena za istu snagu.

� Pouzdanost i duži radni vijek takoñer se može očekivati od motora većeg promjera.

Proizvodnost bušotine� Vrlo je važno znati mogućnosti utoka u bušotinu, odnosno

proizvodnost bušotine ili, preciznije, indeks proizvodnosti. U proračunima uronjivih crpki, uobičajeno je koristiti IPR krivulje u nekom od slijedećih oblika:

1. Jednofazni polustacionarni protok, temeljen na srednjem ležišnom tlaku,

2. Dvofazni polustacionarni protok (analitičko rješenje)

3. Dvofazni polustacionarni protok (Vogelova korelacija)

4. Dvofazni polustacionarni protok (Fetkovich)

( ) ( )wf

qp t p t

J= −

2

max

1 0, 2 0,8wf wfp pq

q p p

= − −

2

max

1 wfpq

q p

= −

2

max

1

n

wfpq

q p

= −

2

( ) ( ) 3ln

4wf e

w

q khJ

p t p t rB s

r

π

µ= =

− − +

( )

22

13

ln4 b

wf

eb p

w

pkhpq

prs p B

r

π

µ

= −

− +

Dubina ugradnje crpke� Općenito, uronjive centrifugalne crpke moraju biti uronjene u

kapljevinu da bi djelotvorno radile. Kako je već rečeno, za njihov djelotvoran rad nužan je odreñeni pozitivni usisni tlak, kojeg proizvoñači obično specificiraju kao minimalno potrebni usisni tlak, ali izražen visinom stupca vode i referiran kao neto pozitivna usisna visina (NPSH). Njegova vrijednost najčešće se kreće u rasponu od 10 do 20 bar, pa ovisno o gustoći kapljevine, minimalna dubina uranjanja crpke u kapljevinu može iznositi od 100 do 250 m. Dakle, stvarna minimalna dubina ugradnje crpke odreñena je dinamičkom razinom kapljevine u bušotini.

� Ona je, pak, funkcija dinamičkog tlaka na razini sredine perforacija (otvorenog dijela ležišta) i gustoće kapljevine iznad te razine. A sam dinamički tlak na razini sredine perforacija ograničen je maksimalno dopustivom razlikom izmeñu ležišnog i dinamičkog tlaka (depresijom) ili maksimalno prihvatljivim protokom. Ovisno o tomu je li ograničena maksimalna depresija ili maksimalni protok, indikatorska krivulja odreñuje protok koji odgovara zadanom dinamičkom tlaku, ili obratno, dinamički tlak koji odgovara zadanom protoku.

Primjeri ugradnje crpke

� (a) i (b): zbog ležišnih razloga depresija je ograničena na malu vrijednost; (a) i (b) se razlikuju samo po dubini ugradnje crpke, no u oba slučaja protok i dinamički tlak su isti (qo1, pwf1). Slučaj (b) je nužan kad se radi o nafti s visokim Rs.

� (c): jedini uvjet je da je crpka smještena iznad perforacija, zbog hlañenja elektromotora. Tada je pwf, odreñen tlakom stupca fluida ispod usisa crpke i pit (NPSH), a qo2 IPR krivuljom.

� Za qomax, crpku je nužno ugraditi ispod perforacija – (d). Tada je nužna dodatna oprema za hlañenja elektromotora, no Rs je gotovo jednak ništici, pa će in-situ protok bit jednak onom u standardnim uvjetima.

Postupak proračuna sustava� Postupak proračuna sustava uronjivih

centrifugalnih crpki može se sažeti u nekoliko susljednih koraka:

1. ustanovljavanje uvjeta crpljenja;2. analiza dosadašnjeg rada bušotine;3. proračun diferencijalnog tlaka i protoka crpke;4. izbor i proračun broja stupnjeva crpke;5. izbor i i proračun optimalne kombinacije

elektromotora, kabela i transformatora.