Назначение, принципиальные схемы, конструкции погружных винтовых насосов. Работа винтовых насосов

Установки электровинтовых насосов (УЭВН)

Существенным недостатком центробежных насосов является их низкая эффективность при работе в скважинах с дебитами ниже 40 м³/сут, а также при откачке вязких нефтей. Однако более половины запасов в нашей стране относится к трудноизвлекаемым, причем значительную долю от них составляют высоковязкие нефти (с m = 30 сП и более).

Как показывает практика, винтовые насосы являются одним из наиболее эффективных средств механизированной добычи высоковязких нефтей.

В комплект установки ЭВН входят: автотрансформатор или трансформатор на соответствующие напряжения для питания ПЭД; станция управления с необходимой автоматикой и защитой; устьевое оборудование, герметизирующее устье скважины и ввод в нее кабеля; электрический кабель, прикрепляемый поясками к НКТ; винтовой насос, состоящий из двух работающих навстречу друг другу винтов с двумя приемными сетками и общим выкидом; гидрозащита электродвигателя; маслонаполненный четырехполюсный электродвигатель – ПЭД. То есть комплект установки ЭВН включает аналогичные узлы и детали, что и комплект установки ЭЦН за исключением обратного и сливного клапанов, а также наличием некоторых особенных элементов, например, предохранительного клапана поршеньково-золотникового типа.

Конструкция и рабочие органы винтовых насосов.

Основной рабочий орган винтового насоса состоит из двух стальных полированных и хромированных однозаходных винтов 2 и 4 с плавной нарезкой, вращающихся в резинометаллических обоймах 1 и 5, изготовленных из нефтестойкой резины особого состава.

Внутренняя полость обойм представляет собой двухзаходную винтовую поверхность с шагом в два раза больше, чем шаг винта. Винты соединены с ПЭДом и между собой валом с промежуточной эксцентриковой муфтой 3. Оба винта имеют одинаковое направление вращения, но один винт имеет правое направление спирали, а другой – левое. Поэтому верхний винт подает жидкость сверху вниз, а нижний – снизу вверх. Это позволяет уравновесить винты, так как силы, действующие на них от перепада давления со стороны выкида и приема, будут взаимно противоположны. Еще одно преимущество такой сдвоенной схемы заключается в том, что при одном и том же габарите достигается удвоенная подача насоса, что весьма существенно, учитывая ограниченные диаметральные габариты нефтяных скважин.

Условные обозначения к рис. 2.2: 1, 5 – резинометаллические обоймы; 2, 4 – винты; 3 – эксцентриковая муфта.

Кроме того, схема насоса включает в себя пусковую кулачковую муфту центробежного типа и основание с приводным валом, а также предохранительный клапан (на рис. не показаны).

Все насосы имеют две приемные сетки, по одной для каждого рабочего органа, и общий выход. Поэтому подача насоса равна сумме подач обоих рабочих органов, а напор насоса равен напору каждого рабочего органа.

В России установки ЭВН выпускаются следующих модификаций – А, Б, В, Г.

А – для жидкости с температурой до 30°С; Б – для жидкости с температурой от 30° до 50°С; В – для жидкости с температурой от 50° до 70°С.

Рис 2.2. Винтовой насос с двумя уравновешенными рабочими органами.

Эксцентриковая муфта обеспечивает возможность сложного планетарного вращения винтов в обоймах, благодаря чему жидкость проталкивается вдоль оси винта и создается необходимый напор для подъема жидкости на поверхность.

Суточная подача винтового насоса при этом будет равна:

Q = 4eDTn×60×24a, где n – частота вращения вала ПЭД (»1480 мин^-1); a - коэффициент подачи насоса (учитывает обратные протечки через линию соприкосновения гребня спирали винта с внутренней полостью обоймы, неполное заполнение полостей за счет наличия газа во всасывающей смеси и пр.); D – диаметр винта; Т – шаг обоймы (Т = 2t, где t – шаг винта); е – эксцентриситет; 4eD – это площадь полости, образуемой между винтом и обоймой.

Эксцентриковая муфта для насосов с подачами 100 и 200 м³/сут отличается от муфты для насосов с низкими подачами (16 и 25 м³/сут) тем, что в первом случае муфта с винтом соединяется штифтами, а во втором случае – резьбовое соединение.

Муфта (рис. 2.3) состоит из двух шарнирных узлов, соединенных резьбовым валиком 5. вращение в муфте передается через ролики 3, расположенные в специальных гнездах поводка 2 и корпуса 1. Осевая сила воспринимается поводком и сферической шайбой 4. Резиновые манжеты 7 и пружина 6 сохраняют смазку в шарнирном узле и защищают его от механических примесей. Шарнирность узла обеспечивается сферическими опорными поверхностями поводка и шайбы и зазором между роликами и соответствующими отверстиями в корпусе и поводке.

Рис. 2.3. Эксцентриковая муфта: 1 – корпус; 2 – поводок; 3 – ролики; 4 – сферическая шайба; 5 – валик; 6 – пружина; 7 – уплотняющая манжета.

В нижней части насоса, ниже герметизирующего сальника и радиально-упорного подшипника размещается пусковая муфта. Она соединяет вал протектора и двигателя с валом насоса только после того, как вал двигателя разовьет число оборотов, соответствующее максимальному крутящему моменту двигателя. Для этого в пусковой муфте есть выдвижные эксцентриковые кулачки, входящие в зацепление при определенной частоте вращения вала. Такая пусковая муфта обеспечивает надежный запуск насоса при максимальном крутящем моменте двигателя. Включение муфты при максимальном крутящем моменте вызвано тем, что винтовой насос имеет большую инерцию покоя и, чтобы его запустить, необходим повышенный пусковой момент.

Кроме того, она не позволяет вращаться валу насоса в сторону, противоположную заданному направлению.

Предохранительный поршеньково-золотниковый клапан (рис. 2.4) расположен в верхней части насоса. Клапан состоит из корпуса золотника 3, золотника² 4, поршня 5, амортизатора 2 и корпусных деталей 1 и 6.

Рис. 2.4. Предохранительный поршеньково-золотниковый клапан (1, 6 – корпусная деталь; 2 – амортизатор; 3 – корпус золотника; 4 – золотник; 5 – поршень).

Основные функции клапана:

- при спуске погружного агрегата в скважину сообщает затрубное пространство с колонной НКТ (переток жидкости из затрубья в колонну НКТ через насос невозможен);

- при подъеме погружного агрегата из скважины сообщает полость НКТ с затрубным пространством с возможностью слива жидкости из НКТ;

- при недостаточном притоке жидкости из пласта в скважину или при содержании в жидкости большого количества свободного газа перепускает жидкость из напорной линии обратно в скважину;

- при непредвиденном повышении давления на выкиде насоса, например, за счет закрытия задвижки на устье, клапан срабатывает и сбрасывает жидкость в затрубное пространство (винтовой насос, как мы знаем, является объемным насосом, поэтому он не может работать в режиме закрытой задвижке на нагнетательной линии);

- исключает работу насоса в режиме сухого трения винта и обоймы, тем самым предотвращая поломку насоса. Таким образом, поршеньково-золотниковый клапан многофункционального назначения ответственен за надежную, длительную, безаварийную работу ПВН и всей установки в целом.

Шламовая труба (см. пункт 1.1 стр. 9 данного реферата) предназначена для улавливания твердых частиц и предотвращения их попадания в зазор между винтом и обоймой, которое может приводить к повреждению обоймы.

Обойма. Основные требования к эластомеру обоймы: эластомер обоймы, обычно синтетический каучук, должен быть работоспособным, т.е. нефтестойким и способным работать зачастую при высоких температурах жидкости – до 70-90°С. Также эластомер должен обладать и достаточной твердостью, быть стойким к воздействию жидких и газообразных агрессивных сред. Большое значение при выборе эластомера имеет коэффициент трения эластомера по металлу. С этой точки зрения могут быть рекомендованы к использованию фторкаучуки и полиуретаны.

Винт. Винт может быть изготовлен из стали, легированной хромом, или из титанового сплава. Последний примерно в 1,7 раза легче стали и не уступает ей по прочности. Выигрыш же в массе позволяет во столько же раз снизить нагрузку на эластомер от центробежной силы при вращении винта. Обработка винта происходит на токарном станке, обычно с приспособлением для вихревой нарезки, что позволяет получить высокую точность при наиболее высокой производительности труда. Поверхности винта должны удовлетворять требованиям высокой твердости и чистоты обработки.

Принцип действия винтового насоса:

Винтовой насос по принципу действия относится к объемным насосам, в которых, как известно, рабочий процесс основан на вытеснения жидкости из рабочей камеры, герметично отделенной от полости всасывания и нагнетания.

Основным элементом погружного винтового насоса (ПВН) является червячный винт, вращающийся в резиновой обойме специального профиля. В пределах каждого шага винта между ним и резиновой обоймой образуются полости, заполненные жидкостью и перемещающиеся вдоль оси винта.

В поперечном сечении одновинтовой насос представляет собой так называемый героторный механизм. Поэтому предварительно рассмотрим кинематику героторного механизма с гипоциклоидным зацеплением (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Кинематическая схема героторного механизма.

В точке А соприкасаются три окружности: образующая g (радиусом е, где е – эксцентриситет) и две начальных – подвижная b радиусом z₂e и неподвижная a радиусом z₁e.

Признак героторного механизма: z₁ = z₂ +1 (пусть у нас z₂ = 3, z₁ = 4).

При качении окружности g внутри a образуется гипоциклоида Н₁ с z₁ ветвями (ABCD), а внутри b – гипоциклоида Н₂ с z₂ ветвями (EFG). Заставим окружность b катиться внутри a. Зубья шестерни находятся в постоянном контакте со скелетом венца. Кроме того, имеется точка K контакта на впадинах зубьев, благодаря чему внутри венца образуется z₁ разобщенных ячеек. Планетарное движение окружности b вокруг a представляется как сумма двух движений: относительного вращения с угловым перемещением j_отн вокруг О₂ и переносного вращения противоположного направления j_пер вокруг О₁. Абсолютное угловое перемещение шестерни:

то есть за один оборот шестерни в одном направлении ее ось совершает z₂ оборотов в другом направлении. При этом каждая ячейка z₁ циклически изменяет свой объем.

Очертим гипоциклоиды H₁ и Н₂ огибающими Ш₁ и Ш₂ множества окружностей М некоторого радиуса r₁ центры которых расположены на этих гипоциклоидах. Полученными контурами образуем многозаходные винтовые поверхности винта и обоймы.

Между винтом и обоймой образуется z₁ полостей, которые последовательно при вращении винта: а) сообщаясь с одним торцом, увеличиваются в размере, затем б) остаются изолированными и, перемещаясь, сохраняют объем, после чего в) достигают другого торца и сокращаются до нуля.

При вращении винта вокруг О₂ его ось вращается вокруг О₁. Передача движения может быть осуществлена двойным карданным сочленением, эксцентриковой муфтой или с помощью упругих элементов в роторе и статоре.

К недостаткам винтовых насосов относятся:

- ограниченность по глубине спуска насоса (напор до 1500 м);

- ограничение по температуре (не должна превышать 90-110°С из-за эластомера, который при увеличении температуры начнет отслаиваться от внутренней части корпуса).

В комплект установки ЭВН входят: автотрансформатор или трансформатор на соответствующие напряжения для питания ПЭД; станция управления с необходимой автоматикой и защитой; устьевое оборудование, герметизирующее устье скважины и ввод в нее кабеля; электрический кабель, прикрепляемый поясками к НКТ; винтовой насос, состоящий из двух работающих навстречу друг другу винтов с двумя приемными сетками и общим выкидом; гидрозащита электродвигателя; маслонаполненный четырехполюсный электродвигатель – ПЭД. То есть комплект установки ЭВН включает аналогичные узлы и детали, что и комплект установки ЭЦН за исключением обратного и сливного клапанов, а также наличием некоторых особенных элементов, например, предохранительного клапана поршеньково-золотникового типа.

Для ПВН (в отличие от ПЦН) желательно уменьшение частоты вращения вала, так как в противном случае увеличивается износ, нагрев, снижается КПД и другие показатели. Поэтому используется четырехполюсный двигатель с синхронной частотой вращения 1500 мин^-1.

Дата добавления: 2014-01-04