Гидромашины и компрессоры в нефтегазовом деле

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

12 пастей, оформленная в виде рабочего колеса. Жидкость, проходя через лопа-

сти, получает вращательное движение и под действием центробежных сил выбрасывается в один или несколько периферийных каналов, служащих для плавного отвода в напорный расширяющийся патрубок (диффузор). Здесь скорость жидкости снижается, а давление увеличивается. Вокруг ступицы рабочего колеса создается область пониженного давления, благодаря чему возникает постоянный приток жидкости из подводящего патрубка насоса.

В осевом насосе (рис. 2.2) решетка осевая, а поток жидкости параллелен оси вращения, как в прямоточной турбине. Возникновение движения жидкости в осевом насосе можно объяснить, представив лопатку как элемент многозаходного, по числу лопаток, винта.

Рисунок 2.2 – Схема осевого насоса Центробежно-осевые насосы (или полуосевые) основаны на совмеще-

нии двух рассмотренных выше принципов, и благодаря их существованию строгая граница между центробежными и осевыми насосами отсутствует.

Принцип действия вихревого насоса отчетливо выявляется в конструкции, изображенной на рис. 2.3. Кольцевая полость 1 соединена с всасывающим и нагнетательным патрубками. В этой полости жидкость увлекается в круговое движение посредством своеобразного «трения», создаваемого интенсивным перемешиванием жидкости между межлопаточными ячейками рабочего колеса 2 и примыкающим к нему боковым каналом. Как показано в

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

13 сечении а—а, под действием центробежных сил по периферии колеса возни-

кает циркуляционное вихревое течение. На него накладывается второе течение, вызванное давлением лопаток на жидкость, т. е. перепадом давления на передней и задней сторонах лопаток; относительно движущегося колеса. Обмен импульсами за счет вторичных течений столь интенсивный, что при равных размерах и скоростях вращения вихревой насос преодолевает более высокий перепад давления, чем центробежный насос.

Рисунок 2.3 – Схема вихревого насоса В отличие от объемных лопастные насосы не обладают способностью

самовсасывания. Воздух, первоначально находящийся во всасывающей трубе, не может быть откачан самим насосом до создания вакуума, достаточного для подъема жидкости и заполнения ею насоса. Поэтому перед пуском лопастной насос заливают жидкостью извне или же снабжают вспомогательным вакуум-насосом или эжектором.

Среди лопастных насосов вихревой насос в этом отношении составляет исключение, так как специальным расположением входного отверстия ему придаются свойства насоса объемного действия.

2.3 Типы лопастных насосов Варианты исполнения горизонтальных насосов:

1. Консольное исполнение с односторонним расположением подшипников, а также с односторонним осевым или двухсторонним тангенциальным

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

14

подводом.

2.Моноблочное исполнение, при котором рабочее колесо крепится на удлиненном валу электродвигателя, а подшипники последнего являются одновременно подшипниками насоса.

3.С расположением подшипников по обе стороны насоса и с горизонтальным разъемом, причем всасывающий и нагнетательный патрубки находятся в нижней половине, а верхняя половина крепится к нижней шпильками. Отводы, как правило, спирального типа. Корпус многоступенчатого насоса имеет переводные каналы, соединяющие ступени, выполняемые в присоединяемых к корпусу патрубках или отливаемых в верхней половине корпуса. В насосах с корпусом описываемой конструкции рабочие колеса расположены попарно симметрично. Как видно, последняя ступень находится внутри насоса. При такой схеме переводных каналов конструкция корпуса осложнена, зато сальник подвержен сравнительно невысокому давлению нагнетания первой ступени.

4.С фланцевыми соединениями в плоскости, перпендикулярной валу. Такая конструкция предназначена для перекачки горячих (температурой до 200° С) нефтепродуктов, когда трудно обеспечить плотность соединения при горизонтальном разъеме вдоль оси корпуса.

Безкорпусное исполнение, при котором каждая ступень насоса выполняется в виде отдельной секции, а затем все ступени стягиваются продольными сквозными болтами вместе с концевыми секциями, несущими опоры, всасывающий и нагнетательный патрубки, сальники и гидравлическую пяту. Каждая ступень имеет лопаточный отвод, а также обратные каналы. Такая конструкция имеет то преимущество, что на основе стандартной секции легко создавать однотипные насосы с различным числом ступеней. С другой стороны, при горизонтальном разъеме корпуса сборка, ревизия и ремонт насоса осуществляются проще. При большом числе ступеней (свыше 10) насосы изготовляют только секционными.

Варианты исполнения вертикальных насосов:

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

15

1.Насос для заглубленных насосных станций. Отличается расположением опорных лап. Соединяется с электродвигателем, устанавливаемым наверху, непосредственно или через промежуточный вал. Осевые усилия от насоса воспринимаются пятой электродвигателя.

2.Насос непогружного типа, подвешенный в скважине на колонне нагнетательных труб. Электродвигатель установлен над устьем скважины на опорной станине, имеющей колено для отвода воды в горизонтальный трубопровод. Приводной вал, нагнетательные трубы и корпус насоса собирают из секций.

3.Глубинный насос погружного типа отличается от предыдущего непосредственным соединением с электродвигателем. Насос с электродвигателем погружен ниже динамического уровня воды в скважине. Кабель питания электродвигателя спускается в скважину одновременно с навеской колонны нагнетательных труб. На устье скважины устанавливают задвижку и манометр.

Глубинные насосы различаются:

1.системой защиты электродвигателя – сухие, маслозаполненные, полусухие и мокрые электродвигатели;

2.конструкцией соединения ступеней – бескорпусные с фланцевыми соединениями секций и с корпусом в виде трубы, внутри которой помещены ступени насоса.

Лекция 3 3.1 Поршневые насосы, области применения

Поршневые насосы широко применяются во всех отраслях нефтяной промышленности. При бурении применяются горизонтальные двухцилиндровые поршневые буровые насосы, развивающие давление 15 – 20 МПа, а также горизонтальные двухцилиндровые поршневые цементировочные насосы с глобоидальной (типа червячной) передачей, развивающие давление 32 – 40 МПа.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

16 В нефтедобыче для разных целей применяют поршневые насосы раз-

личного устройства. Так, для откачки нефти из скважин применяют глубинные штанговые плунжерные насосы и глубинные бесштанговые плунжерные гидропоршневые насосы. Для законтурного и внутриконтурного заводнений применяют многоплунжерные вертикальные насосы. Для гидравлического разрыва пласта используют горизонтальные трехплунжерные насосы, развивающие давление до 50 – 70 МПа.

При подземном ремонте скважин находят применение горизонтальные двухцилиндровые поршневые и трехплунжерные промывочные насосы. Для деэмульсации нефти в скважинах применяются вертикальные шестиплунжерные дозировочные насосы. На нефтеперерабатывающих заводах для перекачки холодных и горячих нефтепродуктов также применяют поршневые приводные насосы, но наиболее широко применяют паровые прямодействующие поршневые насосы различных конструкций.

На нефтебазах, а также для внутризаводских перекачек на нефтеперерабатывающих заводах применяют горизонтальные приводные двухцилиндровые насосы.

Для перекачки нефти и различных нефтепродуктов по магистральным нефтепроводам применяют приводные горизонтальные трехплунжерные насосы.

3.2 Классификация поршневых насосов При общности принципа действия и основных свойств поршневые на-

сосы весьма разнообразны по устройству и конструкции деталей, в зависимости от условий работы и свойств перекачиваемой жидкости. В основу классификации поршневых насосов положены следующие признаки.

Способ приведения в действие:

1) Приводные, действующие от отдельно расположенного двигателя через передачу (зубчатую, клиноременную, цепную и пр.) и кривошипношатунный механизм (рис. 3.1, а);

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

17

2)Прямодействующие, у которых поршень связан одним штоком с поршнем двигателя, составляющего вместе с насосом один агрегат (рис 3.1, б). В качестве рабочего тела для двигателей этих насосов используется пар, сжатый воздух или жидкость. В соответствии с этим различают прямодействующие насосы паровые, пневматические и гидравлические («гидропоршневые»);

3)Ручные, приводимые в действие вручную.

Рисунок 3.1 – Схемы поршневых насосов Расположение цилиндров: горизонтальные и вертикальные. Число цилиндров: одно-, двух-, трехцилиндровые и т. д.

Конструкция поршня:

1)собственно поршневые, в которых выталкивающим телом является поршень с уплотнениями, плотно прилегающими к обработанной поверхности цилиндра (рис. 3.1);

2)плунжерные (скальчатые), в которых выталкивающим телом является плунжер, работающий в сальнике (рис. 3.2, а);

3)с проходным поршнем, у которых нагнетательный клапан расположен в теле поршня (рис. 3.2, б);

4)диафрагмовые, у которых всасывание и нагнетание достигается из-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

18 менением формы гибкой диафрагмы или мембраны, служащей для разделе-

ния перекачиваемой жидкости и жидкости, омывающей трущиеся части насоса (рис. 3.2, в).

Рисунок 3.2 – Типы поршневых насосов

Род действия:

1) простого (одинарного) действия. При одном двойном ходе поршня насос один раз всасывает и один раз нагнетает. Объем, описываемый поршнем в цилиндре

VS = FS,

где F и S – соответственно площадь и длина хода поршня;

2)двойного действия. За один двойной ход насос всасывает и нагнетает два раза, так что

VS = FS + (F – f) S = (2F – f) S, где f – площадь сечения штока;

3)дифференциального действия (рис. 3.2, г). За один двойной ход насос всасывает один раз, а подает двумя порциями:

VS = (F – f)S + fS = FS.

Если, например, f = 0,5 F, то за оба хода влево и вправо насос выталкивает равные объемы жидкости. Подача дифференциального насоса более равномерная, чем у насоса простого действия, а количество клапанов вдвое меньше, чем у насоса двойного действия.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

19

Назначение:

1)буровые для подачи промывочной жидкости при бурении скважин;

2)цементировочные для подачи цементного раствора и воды при цементировании скважин;

3)для гидравлического разрыва пластов;

4)глубинные штанговые и бесштанговые (гидропоршневые) для добычи нефти из скважин;

5)для законтурного заводнения;

6)дозировочные для подачи химических реагентов;

7)нефтяные для перекачки горячих нефтепродуктов;

8)для перекачки сжиженных газов.

3.3 Принцип действия поршневого насоса Простейший поршневой насос (рис. 3.1, а) состоит из цилиндра 1,

поршня 2, при помощи штока 3 соединенного с приводной частью насоса, и размещенных в клапанной коробке 4 всасывающего 5 и нагнетательного 6 клапанов.

Пространство, заключенное между поршнем и клапанами, называется рабочей камерой насоса. Ее объем изменяется в зависимости от положения поршня. Минимальный объем называется объемом мертвого (или вредного) пространства VM. Максимальный объем рабочей камеры VS + VM, где Vs – полезный объем рабочей камеры, описываемый поршнем за ход длиной S.

При движении поршня от клапанов в рабочей камере вследствие увеличения ее объема давление уменьшается. Поэтому жидкость под действием атмосферного давления поднимается по трубе, открывает всасывающий клапан и заполняет рабочую камеру. При этом закрытый нагнетательный клапан изолирует цилиндр от области высокого давления в нагнетательной трубе. При обратном ходе поршня в рабочей камере создается давление, превышающее давление в нагнетательной трубе.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

20 Нагнетательный клапан открывается, а закрытый всасывающий клапан

изолирует рабочую камеру от области низкого давления во всасывающей трубе.

Поршневой насос обладает способностью самовсасывания, так как при достаточном уплотнении поршня и клапанов он способен откачивать воздух до такого разрежения, пока в камеру не начнет поступать жидкость. Практически такой запуск насоса не всегда допустим из-за увеличения трения поршня о цилиндр.

Теоретическая производительность поршневого насоса QТ определяется объемом, описываемым поршнем в единицу времени, и в отличие от лопастного насоса, не зависит от перепада давления ∆р в насосе. Действительная производительность (или подача) Q меньше теоретической за счет утечек через неплотности в клапанах, сальниках и уплотнениях поршня, а также за счет частичного наполнения рабочей камеры жидкостью вследствие попадания воздуха и выделения паров. Поэтому с повышением давления подача насоса уменьшается, что связано с увеличением утечек через неплотности.

3.4Устройство поршневых насосов

Кспецифическим деталям поршневого насоса, как гидравлической машины, относятся гидравлическая коробка, цилиндровые втулки, поршни, плунжеры, штоки, сальники, клапаны и пневматические гасители пульсаций.

Детали приводной части – станина, валы, подшипники, зубчатые передачи, шатуны, крейцкопфы, – являются общими для всех машин с криво- шипно-шатунным механизмом.

Гидравлическая коробка представляет собой блок цилиндров и клапанных камер. В ней монтируются все остальные детали гидравлической части.

Взависимости от давления, температуры и коррозионных свойств перекачиваемой жидкости гидравлическую коробку изготовляют из чугуна или из литой стали (углеродистой или легированной). Она снабжена фланцами или