В чем главное преимущество винтовых насосов перед шестеренчатыми? « Новости: насосы, вентиляторы, трубопроводная арматура, водоочистка и водоподготовка


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.


фективная 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».

Кроме того, ВШНУ могут быть использованы в системах поддержания пластового давления для закачки воды в пласт, а также в технологиях добычи природного газа с отделением пластовой воды и нагнетанием ее в ниже расположенные проницаемые горизонты, освоенных зарубежными компаниями, в частности, Kudu (рис. 8).

Гидроприводные винтовые насосы

В известных гидроприводных насосных установках нашли применение исключительно машины объемного типа с возвратно-поступательным движением рабочего органа (поршня). Практика применения гидропоршневых насосных агрегатов (ГПНА), выявила ряд их существенных преимуществ:

·                     отсутствие механической (посредством штанг) или электрической (посредством кабеля) связи источника энергии с погружным насосом;

·                     возможность эффективной эксплуатации скважин уменьшенного диаметра, а также наклонно направленных, эксплуатация которых другими механизированными способами затруднительна;

·                     возможность регулирования подачи погружного насоса;

·                     возможность обеспечения оптимального технологического режима эксплуатации, в частности плавный пуск скважин и поддержание заданной интенсивности отбора жидкости.

·                     возможность замены погружного агрегата без проведения трудоемких спускоподъемных операций, что позволяет кардинально упростить подземный ремонт скважин, сократить время простоя и уменьшить износ труб.

Новые перспективы создания гидроприводных насосных установок открылись в последние десятилетия, когда было освоено промышленное производство винтовых РО для забойных ВЗД и насосов.

Первое упоминание о возможности создания

Винтовые насосы — 1

Винтовые насосы - 1

Для таковых устройств, как винтовые насосы, отличительна узкая равномерная еда, малогабаритность. Они владеют маленьким весом, элементарны сообразно собственным конструкционным необыкновенностям а также никак не вызывают особенных проблем при эксплуатировании. Рабочие насилие таковых насосов добивается 2 МПа, при расстоянии перемещения сырьевого компонента по сотки метров в длину а также 60 кверху.

Винтовые насосы используют на пт комплексного оснащения, специализированных для обустройства целостных (наливного типа) кровельных поверхностей, полового основания, возведения монолитных стеновых опор, также для эксплуатации мобильных штукатурочных устройств.

Принцип работы а также приспособление винтовых насосов

При подаче энергии электромотор, через редукторное приспособление вертит огболт, объединенный с запитывающим компонентом — шарнирно-муфтовым приспособлением. Огболт, , подает сырье из накопительного бака кузловым соединениям насосного механизма, состоящему из однозаходного шагового винтового компонента (из стали либо чугуна) а также резиновидной обоймы, которая владея гибкими чертами верхней части, доступна для радиального направленности.

К винтовому насосу подключается инжекторный растворовод, средством быстроразъемного соединения. При поперечном разрезе винта приобретаем окружность, со сдвинутой центральной зоной диаметрового показателя от оси винтового механизма, на величина эксцентриситета. Рабочая сторона обоймы, помещенной в стяжные хомуты, представлена нечто вроде двухзаходного винтового механизма, шаг которой вдвое превосходит роторный.

Ось винтового механизма а также обоймовая ось, на таком оборудовании, как винтовые насосы, сдвинуты на величина эксцентриситета. Винтообразный устройство исполняет 2 вращения: 1-ое — кругом собственной оси, 2-ое — кругом обоймовой оси. Такое перемещение появляется вследствие раскачки без скользящего момента центроидным диаметром сообразно поверхности стационарной центроиды.

 


Leave a Comment

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.