УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

Кафедра нефтегазопромыслового оборудования

 

 

Изучение конструкции винтового

насоса

 

Учебно-методические указания для проведения лабораторных занятий по дисциплине «Техника и технология добычи и подготовки нефти и газа»

 

 

В методических указаниях дается описание установки электровинтового погружного насоса, особенности конструкции насоса, принцип его работы. Приводится схема установки винтового насоса, описание установки, дается методика и порядок проведения испыта­ния насоса.

Методическое руководство предназначено для студентов специ­альности 130602 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов», направления бакалаврской подготовки 150400 «Технологические машины и оборудование», профиль «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» и 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений».

 

Составитель А.И. Могучев, доц., канд. техн. наук

 

 

Рецензент В.П. Жулаев, доц., канд. техн. наук

 

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2012

 

1. Цель работы

Целью настоящей лабораторной работы является закрепление и углубление знаний студентов в конструкции, характеристике, прин­ципе работы одновинтового насоса и насосной установки для подъе­ма жидкости из скважин, полученных в процессе изучения соответст­вующего раздела кypca «Техника и технология добычи и подготовки нефти и газа». Первая часть предусматривает изучение ус­тройства и принципа работы одновинтового насоса, характерных уз­лов агрегата.

Вторая часть работы предусматривает снятие рабочей характе­ристики насоса.

 

2. Объем и содержание работы

Данная работа рассчитана на 4 часа.

Вся лабораторная работа включает следующие этапы:

1. изучение конструкции винтового насоса серийного исполнения;

2.изучение конструкции установки по чертежам и плакатам;

3. изучение конструкции насоса по натурным образцам;

4. испытание насоса на лабораторной установке;
5. обработка данных испытаний;

6. оформление отчета.

 

3. Установка электровинтового погружного насоса (УЭВНТ)

Установка погружного электровинтового наеооа предназначена для эксплуатации нефтяных скважин с относительно низким дебитом 16-40 м³/сут, реже 100 м³/сутки, при добыче преимущественно высоковязкой нефти.

Установка включает наземное и скважинное оборудование.

Наземное оборудование состоит из устьевой арматуры, авто­трансформатора и станции управления.

Скважинное оборудование установки (рисунок 1) состоит из сдвоен­ного винтового насоса 3, 5, системы гидрозащиты, погружного дви­гателя и погружного электродвигателя (ПЭД), работающего с частотой вращения вала 1500 об/мин. Подача электроэнергии для ПЭД осуществляется по специальному бронированному кабелю круглого и плоско­го сечения.

Насосный агрегат спускается в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ). Между верхним и нижним винтовыми насосами и между нижним насосом и протектором устанавливаются эксцентриковые муфты 4, 6 позволяющие соединять валы, установленные эксцентрично. Для обеспечения запуска насосного агрегата над двигателем устанавливается пусковая муфта 7, включающая в то время, когда момент на валу двигателя достигает максимальной величины. В установке ЭВН используются два насоса, работающие параллельно. Один насос правого, другой левого вращения. Такая компоновка позволяет удвоить производительность установки и взаимно компенсировать осевые усилия, возникающие на винте от взаимодействия с обоймой. На верхней части насосного агрегата

 

Рисунок 1 – Скважинное размещение винтового насоса

 

размещается предохранительно-перепускной клапан 2, предназначенный для защиты насоса от перегрузки в случае аварийного повышения давления на выкиде, при работе без жидкости, в случае снижения динамического уровня в скважине до приема насоса.

Над предохранительным клапаном установлена шламовая труба 1, предотвращающая забивание насоса песком при отключении установки, если в продукции скважины имеется песок.

 

3.1 Устройство и принцип работы одновинтового насоса

Одновинтовые насосы имеют следующие составные части:

Корпус насоса, часто совмещенный с обоймой, винт, универсальный шарнир Кардана-Гука или эксцентриковая муфта, приводной вал, подшипники, уплотнения. Погружные одновинтовые насосы, спускаемые под уровень жидкости, имеют цилиндрический корпус, вытянутый в осевом направлении.

Одновинтовые насосы работают следующим образом.

В цилиндре с профилированной внутренней поверхностью (обойме) вращается винт. Благодаря особому профилю поверхностей обоймы и винта и вращению последнего получается непрерывное движение жидкости. Длина пары обойма-винт может быть различной, но не менее длины, равной половине двух шагов обоймы.

Винт насоса однозаходный, любое его поперечное сечение представляет собой круг, радиусом R (рисунок 2). Центр сечения винта сдвинут относительно оси на величину эксцентриситета е. Поверхность винта образуется вращением синусоиды вокруг оси и одновременным ее перемещением вдоль оси. При повороте винта на 360° осевое перемещение образующей синусоиды равняется шагу винта t. При правом вращении винта его заходность будет левой и наоборот, т.е. при вращении винт стремится вывернуться из обоймы или из-за сопротивления стремится послать обойму в направлении движении жидкости.

Рисунок 2 – Винт насоса

 

Обойма представляет собой полый цилиндр с профилированной внутренней поверхностью двухзаходного винта (рисунок 3). Шаг винтовой поверхности обоймы Т равен удвоенному шагу рабочего винта t. В поперечном сечении двухзаходная винтовая поверхность обоймы представляется в виде двух полукругов радиусом, равным радиусом винта, центры которых отстоят друг от друга на расстоянии 4·е, т.к. центр сечения вин­та смещен относительно его оси на величину экс­центриситета е; ось винта смещена относительно

 

Рисунок 3 – Обойма винтового насоса

 

оси обоймы так­же на величину е (рисунок 4).

 

Рисунок 4 – Винт насоса в обойме

 

Внутреннюю поверхность обоймы можно представить как образо­ванную сложным в перемещением указанного сечения при его вращении вокруг оси обоймы и при движении вдоль этой оси. Винтовая поверх­ность обоймы имеет тоже направление вращения, что и поверхносгь рабочего винта. Все точки на периферии сечения обоймы описывают винтовые линии, и при повороте на угол 360° сечение перемещается на величину шага Т.

При вра­щении винта его любое по­перечное се­чение перемещается в со­ответствующем поперечном сечении обой­мы, образуя лунообразные замкнутые полости (рисунок 4). Общая площадь двух поперечных сечений этих полостей равна разности пло­щадей сечения обоймы и винта 4еD. Замкнутые полости распростра­няются на длину шага обоймы, имея контуры винта спирали с пере­менной площадью поперечного сечения, изменяющейся от нуля до 4еD.

В общем случае в каждое поперечное сечение пары обоймы-винт попадают сечения двух замкнутых полостей. Когда одна полость ис­чезает вторая полость имеет наибольшую площадь поперечного се­чения 4еD. Изменение сечения двух замкнутых полостей при раз­личном положении винта представлено на рисунке 5.

 

Рисунок 5 – Работа винтового насоса

 

По принципу действия одновинтовые насосы представляет собой насосы объемного типа, так как их производительность зависит от общего объема замкнутых полостей, образованных в единицу времени.

Можно представить себе, что когда первая на стороне всасывания полость увеличивается в объеме, в ней и в приемной части насоса создается разность давлений и эта полость заполняется жидкостью. В какой-то момент полость замыкается иначинает перемещаться к нагнетательному концу обоймы, перенося туда некоторый объем жид­кости.

При каждом полном повороте винта жидкость в замкнутом объе­ме перемещается вдоль оси обоймы на величину одного шага Т и выливается через постоянное проходное сечение 4еD обоймы. Поэто­му при установившемся вращении винта подача насоса, так же как и скорость движение жидкости в напорном трубопроводе, будет строго постоянной.

При перемещении замкнутых полостей давление в них увеличи­вается от давления всасывания р_вс до давления нагнетания р_н,при чем теоретически возрастание давления должно происходить про­порционально пути.

Винт в упругой обойме может иметь зазор и натяг. В случае натяга при определенном давлении также образуется зазор, хотя и весьма малый, но позволяющий полостям сообщаться между собой.

Замкнутые полости между винтом и обоймой могут образоваться не только при однозаходном винте и двухзаходаой обойме, но и при более сложных их профилях. Проведенные в ВИГМе исследования пар обойма-винт показывают, что они не только не имеют каких-либо преимуществ перед парами с двухзаходной обоймой и однозаходным винтом, но и работают значительно хуже этих пар, кроме того, тех­нология их изготовления гораздо сложнее.

Поэтому разрабатываются и применяются только пары из двухзаходной обоймы и однозаходного винта.

 

 

3.2 Специфические части одновинтовых насосов и насосных установок

В одновинтовых насосах и установках с этими насосами наиболее существенными и интересными узлами и деталями являются перепуск­ные устройства, предназначенные против перегрева и сгорания упругого покрытия обоймы и эксцентриковой муфты.

При значительных скоростях скольжения винта по поверхности обоймы и при имеющихся натягах в парах обойма-винт весьма сущест­венное значение в определении длительности срока службы насоса, его механического и общего к.п.д. приобретает трение скольжения. Для сохранения пары обойма-винт в работоспособном состоянии необходимо непрерывно отводить выделяемое при работе тепло; это осуществляется проходящей по насосу жидкостью.

Перерывы в подаче насоса могут произойти вследствие попада­ния газа в приемную часть насоса из-за снижения динамического уровня в скважине, когда подача насоса превышает приток пластовой жидкости из пласта. В этом случае в обойме повышается температу­ра, высыхают поверхности скольжения, наступает полусухое и су­хое трение, резина обоймы сгорает, и насос прекращает работу.

Рисунок 6 – Работа винтового насоса

 

Чтобы не допустить указанного перерыва движения жидкости в обойме, над насосным агрегатом устанавливается специальный перепускной клапан, соединяющий нагнетательную часть насоса с затрубнымпространством при значительном падении давления на приеме насоса. Этот клапан, таким образом, работает как «байпас».

Перепуск жидкости прекращается при повышении динамического уровня в затрубном пространстве. Наличие этого клапана в установ­ке приводит к автоматической периодической работе скважины.

Ось винта совершает планетарное движение и поэтому не совпа­дает с осою приводного вала (валом двигателя или протектора). Между ними устанавливается специальное звено, позволяющее винту совершать одновременно два вращения (относительно собственной оси и относительно оси обоймы), например, отрезок гибкого вала, универсальные шарниры, эксцентриковые муфты различных конструк­ций.

В погружных насосах применяют специальные эксцентриковые муфты (рисунок 6), позволяющие компенсировать несоосность винта и приводного вала, устройство которых следующее: на внутренней сто­роне в специальных пазах находятся иглы 1, входящие также в муфту, одеваемую на концы валов, и переход­ник к винту 2. Осевые усилия от вин­та передаются через специальный пес­тик 3; муфта закрывается защитным резиновый кожухом. Эти муфты показа­ли себя довольно надежным соединением позволяющим иметь эксцентриситет до 6…7 мм.

Преимущества эксцентриковых муфт - их небольшие габаритные раз­меры и простота устройства.

 

3.3 Характеристика одновинто­вого насоса

Характеристика насоса показыва­ет, насколько удачно сконструирован и изготовлен насос и дает возмож­ность правильно подобрать его для определенных условий работы.

Теоретическая характеристика представляет собой прямую Q =const, независящую от величины напора Н.Теоретическая производительность одновинтового насоса определяется объемом жидкости, прохо­дящей через поперечное сечение объема в единицу времени, т.е. объемом полостей, несущих жидкость, и скоростью их осевого пере­мещения.

Суммарное проходное сечение полостей винтом и обоймой, равное 4еD, при одном обороте винта перемещается в осевом нап­равлении на величину шага обоймы Т. За один оборот винта на­сос подает жидкость объемом 4еDТ и его секундная теоретическая производительность при числе оборотов в минуту nбудет

Q_т = 4еDТ n / 60.

Действительная производительность насоса Qоказывается меньше теоретической вследствие возвратного движения жидкости через зазоры между винтом и обоймой (из одной полости в другую) и в полость всасывания.

 

 

Рисунок 7 – Характеристика винтового насоса

Интенсивность этого перетекания определяется вели­чинами утечек q_ут, зависящих прежде всего от общего давления, точнее от перепада давле­ния на длине шага обоймы q_ут = f(Δр).

Тогда Q = Q_т - q_ут.

Действительная характеристика Q-Нтогда находится наложением на теоретическую характеристику Q_т-Нкривой q_ут –Н (рисунок 7), и любаяордината этой кривой выражается как Q = Q_т - q_ут.

Величина напора Н, развиваемого насосом, определяется разностью давления р_ни р_вс и складывается из перепадов дав­ления по шагам обоймы Δр.

Определенному значению напора Нсоответствует определен­ная величина q_ут, а следовательно, и определенная произво­дительность насоса (см. рисунок 7).

Для каждой пары обойма-винт имеется свой максимальный напор Н_max, который можно получить в данном насосе. Значение Н_max соответствует Q=0или Q_т = q_ут,т.е. в этом случае на­сос начинает работать "на себя". Точка характеристики (Q=0, Н_max) не является рабочей точкой, насос работает при напоре, значительно более низком, чем Н_max, который соответствует наи­большему значению полного к.п.д. и наибольшему сроку службы насо­са (прежде всего пары обойма-винт).

Мощность, подводимая к валу насоса, определяется по формуле

N = QHρ_ж g / η,

где Q – объемная производительность;

Н – развиваемый напор в м столба перекачиваемой жидкости;

ρ_ж – плотность перекачиваемой жидкости;

η – общий к.п.д. насоса.

Полный к.п.д. оценивает степень совершенства данного насоса

η = N_пол / N,

где N_пол – полезная мощность.

Обычно

η = η₀ η_г η_м,

где η₀, η_г,η_м – частные к.п.д. насоса соответственно объемный,

гидравлический и механический.

Гидравлический к.п.д. оценивает потери напора в насосе.

η_г = Н / Н_Т,

где Н – действительный полный напор насоса;

Н_Т – полный напор, развиваемый насосом, без учета потерь на

гидравлическое сопротивление.

Механический к.п.д. оценивает потери энергии на преодоле­нии трения винта в обойме, вала сальника и подшипниках, а также на преодоление трения вала и муфты о жидкость:

η_м = (N – N_МП) / N,

где N_МП – мощность, расходуемая на механические потери.

 

4 ИСПЫТАНИЕ НАСОСА

4.1 Установка для испытания насоса (героторного механизма)

 

Установка состоит из следующих частей (рисунок 8): силового привода 1, винтового насоса (героторного механизма) 2, приемной 3, мерной 4 емкостей, обвязки и измерительных приборов.

4.1.1 Силовой привод установки состоит из:

- электродвигателя АО2-42-6;

- червячного редуктора типа 4-160 с передаточным отношением n=80.

4.1.2 В качестве винтового насоса применен героторный механизм винтового забойного двигателя Д-85, установленный в горизон­тальном положении.

4.1.3. Приемная и замерная емкости сварной конструкции.
4.1.4 Установка имеет следующие измерительные приборы и
устройства (рисунок 8).

Давление, развиваемое насосом определяется с помощью мановакууметра МВ и манометра МН.

Подача насоса определяется объемным способом с использовани­ем мерной емкости Е₁и секундомера. Осевые усилия, возникающие на винте

 

 

Рисунок 8 – Лабораторный стенд винтового насоса

 

насоса определяется с помощью специальной системы. Мощность, потребляемая установкой, определяется через реактивный момент, замеряемый на корпусе насоса, установленного на подшипниках качения.

 

4.2 Порядок проведения испытаний

4.2.1 Испытание насоса проводится на вязкой жидкости при работе насоса на нескольких режимах (не менее 5). При определенном установившемся режиме измеряются следующие параметры:

- подача насоса, м³/сутки;

- давление, МПа;

- реактивный момент на корпусе, Н∙м;

- осевое усилие на винте, Н.

4.2.2. Перед запуском насоса проверяется наличие жидкости в
приемной емкости и в насосе. Запуск насоса "в сухую" категорически запрещается.

4.2.3. Запуск насоса осуществляется при открытой задвижке на
выкиде насоса. Режим работы насоса устанавливается посредством показания манометра.

4.2.4. Данные, полученные при испытании насоса, заносятся в таблицу 1.

 

Таблица 1 – Данные замеров работы установки

№ режима	Показ. манометра, МПа	Показ. мановакууметра, МПа	Объем ж-ти в баке, л	Время замера, с	Реактивная сила на корпусе, Н	Осевые усилия, Н

 

4.3. Расчетные формулы и обработка результатов испытаний

По результатам испытаний строятся рабочие характеристики насоса, представлявшие зависимость всех параметров иасоса от его подачи.

4.3.1. Подача насоса определяется так;

Q = V/t ∙86400*10^-3,

где Q - подача насоса, м³/сутки;

V - объем жидкости в мерном баке;

t - время замера, с.

Напор развиваемый насосом

 

 

 

где Н - напор, развиваемый насосом, в м.ст. жидкости;

р_М- показание манометра, кгс/см;

р_МВ- показание мановакууметра, кгс/см,

ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³,

Полезная мощность насоса:

N_пол = QHρ_жg.

Потребляемая мощность N определяется так

N = М_кр ω,

где М_кр - крутящий момент на корпусе насоса.

ω = πn/30.

М_кр = Gh,

где G – усилие замеряемое динамометром;

h – плечо действия силы.

Коэффициент полезного действия насоса

η = N_пол / N.

Результаты расчетов сводятся в таблицу 2.

Таблица 1 – Данные замеров работы установки

№ режима	Подача насоса, м3/сут	Напор насоса, м	Мощность насоса, Вт	кпд	Осевые усилия, Н	Примечание
полезная	потребляемая

 

На основе данных таблиц строятся рабочие характеристики насоса.

 

 

Библиографический список

1 Крылов А.В. Одновинтовые насосы. – М.: Гостоптехиздат, 1962. – 154 с.

2 Справочник по нефтепромысловому оборудованию. Под общ. Ред. Е.И. Бухаленко. – М.: Недра, 1990. – 559 с.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 Цель работы.......................................... ………………………………….... 3

2 Объем и содержание работы ………………………………………………..... 3

3. Установка электровинтового погружного насоса (УЭВНТ) ………………. 3

3.1 Устройство и принцип работы одновинтового насоса..…………….......... 4

3.2 Специфические части одновинтовых насосов и насосных установок…… 7

3.3 Характеристика одновинто­вого насоса………………………………….... 9

4 Испытание насоса ……………………………………………………............ 10

4.1 Установка для испытания насоса (героторного механизма) ……………. 10

4.2 Порядок проведения испытаний …………………………………………. 11

4.3 Расчетные формулы и обработка результатов испытаний……………. 12

 

Библиографический список................... …………………………………. 12