Курсовая работа: Расчет винтового насоса
Курсовая работа: Расчет винтового насоса
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по теме: «ПУТИ
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВИНТОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК»
Введение
Мировые
запасы высоковязких нефтей и природных битумов огромны и по оценкам ряда
специалистов превышают запасы легких нефтей. Ведущее место по добычи
высоковязких нефтей и природных битумов занимают Венесуэлла, США, Канада. Более
90% мировой добычи высоковязких нефтей и природных битумов приходится на
скважинные методы, из них более 80% добываются механизированными способами на
естественном режиме работы пластов, чему способствуют сравнительно высокие
пластовые давления и температуры на глубине залегания основных разрабатываемых
за рубежом скважинными методами месторождений.
Естественный
режим работы пластов является, как правило, стадией, предшествующей разработке
месторождений с применением термических методов воздействия на продуктивный
пласты. Среди термических методов наибольшее распространение получило
паротепловое воздействие (циклическое и площадное). Доля высоковязких нефтей и
природных битумов, добываемых с применением внутрипластового горения весьма
мала. Одной из основных причин этого является недостаточное научное обеспечение
метода, сложность прогнозирования и управления процессом.
Условия
залегания природных битумов в нашей стране и в частности на территории Татарстана
отличаются сравнительно малыми глубинами, низкими величинами пластовых давлений
и температур, высокой вязкостью битума в пластовых условиях, сравнительно
малыми мощностями битумонасыщенных пластов, сильной неоднородностью
битумонасыщен-ности по толще пласта, слабой сцементированностью песчаных
коллекторов, близким расположением и сильным влиянием водоносных горизонтов,
содержащих питьевые воды и т.п. В этих условиях притоки вязкого битума в
скважины на естественном режиме работы пласта весьма малы и целесообразность
естественного режима как самостоятельной стадии разработки сомнительна.
Экономический анализ показывает, что битумная отрасль промышленности может быть
рентабельной только при условии комплексной переработки и использования
битумного сырья. С этой точки зрения является нежелательным применение при
разработки месторождений природных битумов таких методов, как внутрипластовое
горение или низкотемпературное окисление, поскольку эти методы приводят к
ухудшению ценности сырья. Паротепловое воздействие на пласт не исключает
необходимости отбора продукции и из скважин, временно неохваченных воздействием
или охваченных им в недостаточной мере. Сказанное обуславливает необходимость
изучения и создания технических средств подъема продукции битумных скважин,
которые имели бы достаточно широкий диапазон применения по вязкости продукции и
обеспечивали эксплуатацию скважин при применении паротеплового воздействия на
пласт.
Одним из
таких технических средств используемой сегодня в нефтяной промышленности являются
одновинтовые насосы (ОВН), именуемые в зарубежной литературе Moineau pumps или
Progressive cavity pumps (PCP). Простота конструкции и уникальные
характеристики ОВН позволяют эффективно использовать их в различных
технологических процессах. В настоящее время во всем мире наблюдается пик
интереса к одновинтовым гидромашинам и по мнению экспертов в дальнейшем область
применения ОВН и технологий с их использованием
будет расширяться.
Краткий обзор и анализ
существующего оборудования
По
принципу действия ОВН относятся к объемным роторным гидромашинам. Предложенный
75 лет назад французским инженером Муано (R. Moineau) новый принцип
гидравлической машины, названный «капсулизмом», позволил исключить клапапанные
и золотниковые распределители.
Рабочим
органом (РО) одновинтовой гидромашины является винтовой героторный механизм – зубчатая
косозубая пара внутреннего циклоидального зацепления (рис. 1), состоящая из z2-заходного металлического ротора и z1-заходного эластичного статора (z1=z2+1). Исполнение
винтовых поверхностей ротора и статора с шагами, пропорциональными отношению
чисел их зубьев, позволяет создать изолированные камеры (шлюзы), разобщенные от
областей высокого и низкого давлений. В насосах среднего и высокого давления РО
выполняются многошаговыми, отношение их длины к диаметру не менее 10.
Оси
ротора и статора смещены на расстояние эксцентриситета е=1…10 мм. Ротор,
обкатываясь по зубьям статора, совершает планетарное движение: при повороте
ротора на угол j относительно неподвижной системы координат (абсолютное
движение) его ось поворачивается по круговой траектории с радиусом е в
противоположном направлении (переносное движение) на угол π= – 2π.
Незакрепленность
ротора в радиальном направлении и эластичность одного из элементов РО
определяют особое место одновинтовых гидромашин в ряду объемных машин. Их
напорные характеристики (в т.ч. предельное давление) в решающей степени зависят
от утечек жидкости из напорной магистрали во всасывающую через образующийся при
деформации статора односторонний зазор по длине контактных линий. В этой связи
линия Q-P ОВН не является жесткой и заметно отличается от напорных
характеристик других объемных насосов. Отличительным параметром ОВН, во многом
определяющим их характеристики, является кинематическое отношение РО: i=z2: z1.
Со
времени первых насосов Муано в отечественных и зарубежных ОВН в основном
используются РО с кинематическим отношением 1:2.
Преимуществами
насосов с однозаходным
ротором круглого сечения являются:
·
относительно
простая технология изготовления ротора;
·
пониженная
вибрация вследствие минимальной переносной угловой скорости ротора;
·
повышенная
допустимая частота вращения (несущественно ограниченная инерционной силой), что
упрощает компоновку привода насоса;
·
минимальная
скорость жидкости в каналах РО, что уменьшает их гидроабразивный износ;
·
оптимальная
кривизна винтовых поверхностей РО, что обеспечивает минимальные контактные
напряжения.
Основной
недостаток насосов с однозаходным ротором – необходимость существенного
удлинения РО для обеспечения высокого давления при пониженной частоте вращения
n (500 об./мин. и ниже).
Новые
эксплуатационные возможности ОВН открылись при использовании многозаходных РО
(z2 > 2). Впервые развернутое обоснование
целесообразности применения многозаходных винтовых пар в качестве РО насоса
было выполнено в 1979 г. Дальнейшие теоретические и экспериментальные
исследования подтвердили возможность расширения области применения ОВН при
комплектовании их многозаходными РО.
Многозаходные
ОВН при прочих равных условиях имеют ряд преимуществ, обусловленных кратностью
действия и повышенным числом контактных линий, отделяющих вход и выход
гидромашины. В частности:
·
увеличенный
рабочий объем, позволяющий повысить подачу Q при одинаковой частоте вращения и
наружном диаметре насоса, (рис. 2а);
·
уменьшенный
осевой габарит L (до 1–1,5 м) при одинаковых давлениях P (рис. 2б);
·
увеличенное
давление при одинаковых осевых габаритах и натягах в паре;
·
возможность
поддержания высоких давлений при пониженной частоте вращения (до 50–100
об./мин.) без увеличения осевых габаритов.
В
качестве основного критерия эффективности использования ОВН можно принять
полезную гидравлическую мощность Nп=PQ, зависящую
от напорной характеристики насоса (рис. 3). Давление, соответствующее максимуму
Nп (экстремальный режим), как правило,
ограничивает рабочую зону насоса.
В теории рабочего процесса ОВН принимается гипотеза равномерного
нарастания давления по длине РО с постоянным межвитковым перепадом давления
Проектирование
РО (выбор кинематического отношения, длины и диаметра) ведется по допускаемому
межвитковому перепаду давления [Рк], зависящему,
как и объемный КПД насоса, от геометрических параметров РО, натяга в паре,
физических свойств материалов РО и жидкости, а также частоты вращения ротора
(приводного вала). При расчетах принимают [Рк] =
0,2–0,5 МПа, причем пониженные значения перепадов относятся к режимам низких
частот вращения.
Эти
теоретические выводы нашли подтверждение при сравнительных испытаниях насосов с
различным кинематическим отношением РО (рис. 4) на стенде РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.
Сравнение характеристик насосов с многозаходными и традиционными РО при
одинаковом контурном диаметре Dк (диаметре впадин
статора); натяге в паре, числе шагов и частоте вращения продемонстрировало
существенное влияние кинематического отношения на основные технические
показатели насосов.
Многозаходные
ОВН обладают повышенной подачей и давлением. Давление насоса с традиционными
РО, который в силу своих конструктивных особенностей является быстроходной
гидромашиной, при пониженных частотах вращения в большей степени ограничено
утечками в паре ротор-статор. Поэтому зарубежные фирмы-производители
высоконапорных насосов для формирования удовлетворительной характеристики Q-P
вынуждены применять сверхъудлиненные пары (до 15 м), тем самым обеспечивая
необходимое число шагов и межвитковый перепад давления Pк.
Наибольшее
распространение в последние годы ОВН получили в нефтяной промышленности. Это
объясняется, в частности, тем, что ОВН является практически единственным типом
роторных насосов, способным перекачивать жидкости широкого диапазона
физико-химических свойств, в т.ч. вязкие, содержащие газ, механические примеси
и не обладающие смазывающими способностями.
Это
достигается самим принципом действия и конструкцией РО (наличием эластичной
обкладки статора и износостойкого ротора). Для ОВН также характерна равномерность
подачи, возможность изменения направления потока путем реверсирования
приводного вала, высокая всасывающая способность, относительно высокий КПД.
Указанные особенности предопределили место ОВН в парке нефтепромысловой
насосной техники.
Винтовые насосы с погружным
электроприводом
Данная
конструкция открыла дорогу одновинтовым гидромашинам в нефтяную промышленность.
Опыт
эксплуатации насосов с погружными электродвигателями показал, что винтовые
насосы являются одним из наиболее эффективных средств механизированной добычи
высоковязкой нефти, а в определенных осложненных условиях выбор ОВН является
практически единственным возможным вариантом.
В
результате многолетних НИОКР в 60–70-е годы в Особом конструкторским бюро по
бесштанговым насосам (ОКБ БН) была разработана схема сдвоенного гидравлически
уравновешанного одновинтового электронасоса. По этой схеме ОАО «Ливгидромаш»
в течение 20 лет выпускает насосы серии ЭВН.
Погружной
насосный агрегат состоит из трех основных частей: маслонаполненного
электродвигателя, гидрозащиты и собственно насоса. В насосную секцию (рис. 5) входят:
приводной вал с сальником, графитовая осевая пята и две рабочих пары с нарезкой
винтовых поверхностей разного направления, роторы которых соединены между собой
и с приводным валом при помощи шарнирных муфт. В комплект насоса также включены
пусковая обгонная муфта, многофункциональный клапан, предохраняющий насос от
попадания в режимы повышенного давления и недостаточной подачи, а также
препятствующий обратному перетоку жидкости через РО при остановках насоса.
Подвод пластовой жидкости через фильтры к РО осуществляется параллельно с
противоположных торцов насоса, так что движение жидкости по каналам РО
происходит навстречу друг другу, а осевые усилия в верхней и нижней паре
уравновешиваются. В напорной камере, расположенной между рабочими парами,
потоки смешиваются и по зазору между внутренней поверхностью корпуса насоса и
наружной поверхностью верхнего статора поступают в НКТ. Основное преимущество
такой схемы – повышенная надежность вследствие практически полной разгрузки
осевой опоры насоса.
Насосы серии ЭВН предназначены для добычи нефти преимущественно
повышенной вязкости (до 10 Ст) с содержанием механических примесей до 0,8 г/л и
свободного газа до 50% на приеме насоса.
В настоящее время ОАО «Ливгидромаш» серийно выпускает 13
типоразмеров насосов с подачей от 12 до 200 м3/сут.
Давление 9–15 МПа.
Большинство
насосов приводится от погружного асинхроннного электродвигателя с частотой
вращения 1500 об./мин. С целью увеличения долговечности и расширения области
применения ЭВН при эксплуатации малодебитных скважин наметилась тенденция
снижения частоты вращения приводного вала. Ряд организаций (завод «Борец», ОАО «РИТЭК»,
ЗАО «Электон» и др.) ведут работы по использованию в установках ЭВН регулируемого
электропривода и редукторных вставок, а также изменению общей компоновки
агрегата, его отдельных узлов, условий монтажа и ремонта.
За
рубежом ряд компаний также выпускают погружные электронасосы для добычи нефти
(как правило, в обычном не сдвоенном варианте, оснащенном усиленной осевой
опорой). Фирмы РСМ, Netzsch, Reda, Centrilift предлагают потребителю различные
модификации установок ЭВН как по компоновке (с редуктором (рис. 6), со
вставным ротором, с возможностью реверсирования вращения ротора для промывки
НКТ и др.), так и по способам регулирования скорости.
Винтовые штанговые насосы
Винтовые штанговые насосные установки (ВШНУ) для отбора пластовых
жидкостей из глубоких нефтяных скважин появились на нефтепромысловом рынке в
начале 80-х годов в США и во Франции. Эффективная работа первых ВШНУ при
эксплуатации низко- и среднедебитных скважин с высоковязкой нефтью
стимулировала НИОКР ведущих машиностроительных фирм по совершенствованию
конструкций установок и скважинных насосов, а также созданию большого
количества их типоразмеров с диапазоном подач от 0,5 до 1000 м3/сут. и давлением до 30 МПа.
Технико-экономические
предпосылки широкого применения ВШНУ связаны с изменением условий эксплуатации
скважин и преимуществами ВШНУ по сравнению с другими механизированными
способами добычи нефти.
По сравнению со станками-качалками:
·
простота
конструкции и минимальные массогабаритные показатели привода;
·
отсутствие
необходимости возведения фундаментов;
·
простота
монтажа и обслуживания;
·
снижение
затрат на транспортные расходы;
·
широкий
диапазон физико-химических свойств откачиваемых пластовых жидкостей
(возможность откачки жидкостей высокой вязкости и повышенного газосодержания);
·
отсутствие
возвратно-поступательного движения РО, что обеспечивает уравновешенность
привода, постоянство нагрузок, действующих на штанги, равномерность потока
жидкости, снижение энергозатрат и номинальной мощности приводного двигателя,
минимальное эмульгирующее воздействие на скважинный флюид.
По сравнению с винтовыми насосными установками с погружным электроприводом (УЭВН):
·
простота
конструкции насоса (отсутствуют шарнирные соединения, пусковые муфты,
радиальные и осевые подшипники);
·
наземное
расположение приводного двигателя (отпадает необходимость в кабеле, гидрозащите
электродвигателя, а также упрощается контроль за состоянием двигателя и его
обслуживание);
·
возможность
эксплуатации низкодебитных скважин, так как нет необходимости в отводе тепла от
погружного агрегата.
Область
применения ВШНУ – эксплуатация скважин с низким и средним дебитом и напором до
1000–1500 м, в т.ч. с пластовыми жидкостями высокой вязкости, повышенного
содержания газа и механических примесей.
Наземное оборудование ВШНУ, устанавливаемое на
трубной головке скважины и предназначенное для преобразования энергии
приводного двигателя в механическую энергию вращающейся колонны штанг, состоит
из:
–
тройника для отвода пластовой жидкости;
–
приводной головки;
–
рамы для крепления приводного двигателя;
–
трансмиссии (силовой передачи);
–
приводного двигателя с устройством управления;
–
устройства для зажима (подвески) полированного штока.
Скважинное оборудование ВШНУ (рис. 7) состоит из двух частей:
·
неподвижной
колонны НКТ, в компоновке низа которой устанавливается статор насоса, упорный
палец, динамический противоотворотный якорь, газовый сепаратор, фильтр;
·
вращающейся
в центраторах колонны штанг, нижний конец которой соединен с ротором насоса.
При
работе установки поднимаемая пластовая жидкость движется в кольцевом зазоре
между колоннами НКТ и штанг и далее через боковой отвод тройника поступает в
промысловый коллектор.
В
ВШНУ наибольшее распространение получили НКТ и насосные штанги диаметром
соответственно 73 и 22 мм. Диаметр полированного штока 31 мм.
Штанговые
ОВН могут быть выполнены в трубном (см. рис. 7) и вставном
исполнении.
Наиболее
эффективна схема вставного насоса, позволяющая производить замену РО насоса
(при их износе или в случае перехода на новый режим откачки) без подъема
колонны НКТ.
В
России приводы ВШНУ выпускают Ижевский и Дмитровский машзаводы, Уфимский
нефтяной институт и др. предприятия. Производство скважинного оборудования
(центраторы, якоря) налажено в ЗАО «Канаросс» (г. Пермь).
Наряду
с типовой схемой ВШНУ известны и оригинальные компоновки, основанные на
использовании полых штанг или труб, в которых поток пластовой жидкости
поднимается по их внутреннему каналу, что предотвращает отложение парафина и
снижает потери на трение за счет создания водяного кольца на стенках полых
штанг.
Подобные
схемы могут быть выполнены в двух вариантах: с вращающимся статором и
заякоренным ротором, предложенным в РГУ нефти и газа (А.с. 1657743), и с
вращающимся полым ротором. Последняя схема реализована в установке ОАО «Завод
им. Гаджиева», в которой статор закрепляется в колонне обсадных труб, а полый
ротор спускается на конце колонны НКТ диаметром 60 мм, вращающейся в
центраторах. В данной схеме отпадает необходимость в насосных штангах.
Пластовая жидкость поднимается по внутреннему каналу НКТ (как в схеме с
вращающейся обоймой) и отводится через вертлюг в промысловый трубопровод. Для
осуществления циркуляции жидкости вход в насос располагается в верхнем сечении
РО, далее двигаясь вниз через рабочие камеры насоса и дойдя до нижнего сечения,
жидкость изменяет направление своего движения и попадает в расточку ротора,
сообщаемую с внутренней полостью колонны НКТ.
Широкое
распространение ВШНУ получили за рубежом. Ими оборудовано свыше 2500 скважин. В
качестве РО штанговых винтовых насосов зарубежных фирм (Baker Hughes, Netzsch,
PCM, Robbins&Myers, Sсhoeller-Blеckmann, Weatherford и др.) преимущественно
используются традиционные винтовые пары Муано с кинематическим отношением 1:2.
Исключение составляют отдельные образцы насосов фирм Netzsch, Robbins&Myers
и Baker Hughes, выполненные по схеме с кинематическим отношением 2:3.
При
создании отечественных штанговых винтовых насосов на основе многолетнего опыта
конструирования, производства и эксплуатации винтовых забойных двигателей (ВЗД)
в целом взят курс на использование схемы многозаходного насоса, имеющей существенные
конструктивные и эксплуатационные преимущества по сравнению с традиционной
схемой (см. выше).
В
настоящее время НПО «Буровая техника» – ВНИИБТ и РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
разработан параметрический ряд многозаходных насосов серии МВН с кинематическими
отношениями от 2:3 до 5:6, охватывающий диапазон подач от 1 до 100 м3/сут. Давление – до 15 МПа. Изготавливаются
и ведется промышленная эксплуатация трех типоразмеров насоса с подачами 10, 20
и 30м3/сут. при номинальной частоте вращения 200 об./мин.
Разработкой размерного ряда штанговых насосов с кинематическим отношением РО
1:2 и 3:4 занимается ОАО «Ливгидромаш».
Страницы: 1, 2, 3
|