Назначение и типы станков качалок.
Основные узлы станка-качалки – рама, стойка в виде усеченной четырехгранной пирамиды, балансир с поворотной головкой, траверса с шатунами, шарнирноподвешенная к балансиру, редуктор с кривошипами и противовесами. СК комплектуется набором сменных шкивов для изменения числа качаний, т. е. регулирование дискретное. Для быстрой смены и натяжения ремней электродвигатель устанавливается на поворотной раме-салазках.
Монтируется станок-качалка на раме, устанавливаемой на железобетонное основание (фундамент). Фиксация балансира в необходимом (крайнем верхнем) положении головки осуществляется с помощью тормозного барабана (шкива). Головка балансира откидная или поворотная для беспрепятственного прохода спускоподъемного и глубинного оборудования при подземном ремонте скважины. Поскольку головка балансира совершает движение по дуге, то для сочленения ее с устьевым штоком и штангами имеется гибкая канатная подвеска. Она позволяет регулировать посадку плунжера в цилиндр насоса или выход плунжера из цилиндра, а также устанавливать динамограф для исследования работы оборудования.
Амплитуду движения головки балансира регулируют путем изменения места сочленения кривошипа с шатуном относительно оси вращения (перестановка пальца кривошипа в другое отверстие).
За один двойной ход балансира нагрузка на СК неравномерная. Для уравновешивания работы станка-качалки помещают грузы (противовесы) на балансир, кривошип или на балансир и кривошип. Тогда уравновешивание называют соответственно балансирным, кривошипным (роторным) или комбинированным.
Блок управления обеспечивает управление электродвигателем СК в аварийных ситуациях (обрыв штанг, поломки редуктора, насоса, порыв трубопровода и т. д.), а также самозапуск СК после перерыва в подаче электроэнергии.
Выпускают СК с грузоподъемностью на головке балансира от 2 до 20 т.
Станок-качалка типа СКД: 1– подвеска устьевого штока; 2 – балансир с опорой; 3 – стойка; 4 – шатун; 5 – кривошип; 6 – редуктор; 7 – ведомый шкив; 8 – ремень; 9 – электродвигатель; 10 – ведущий шкив; 11 – ограждение; 12 – поворотная плита; 13 – рама; 14 – противовес; 15 – траверса; 16 – тормоз; 17 – канатная подвеска
Электродвигателями к СК служат короткозамкнутые асинхронные во влагоморозостойком исполнении трехфазные электродвигатели серии АО и электродвигатели АО2 и их модификации АОП2.
Частота вращения электродвигателей 1500 и 500 мин -1.
В настоящее время российскими заводами освоены и выпускаются новые модификации станков-качалок: СКДР и СКР (унифицированный ряд из 13 вариантов грузоподъемностью от 3 до 12 т), СКБ, СКС, ПФ, ОМ, ПШГН, ЛП-114.00.000 (гидрофицированный). Станки-качалки для временной добычи могут быть мобильными (на пневмоходу) с автомобильным двигателем.
Назначение, состав установки электроцентробежного насоса, особенности эксплуатации.
ксплуатация скважин установками погружных центробежных насосов (УЭЦН) является в настоящее время основным способом добычи нефти в России. Данными установками извлекается на поверхность около двух третей от общей годовой добычи нефти в нашей стране.
Электроцентробежные скважинные насосы (ЭЦН) относятся к классу динамических лопастных насосов, характеризующихся большими подачами и меньшими напорами по сравнению с объемными насосами.
Диапазон подач скважинных электроцентробежных насосов - от 10 до 1000 м3/сутки и более, напор - до 3500 м. В области подач свыше 80 м3/сут ЭЦН имеет самый высокий КПД среди всех механизированных способов добычи нефти. В интервале подач от 50 до 300 м3/сут КПД насоса превышает 40 %.
Назначение электроцентробежных скважинных насосов – отбор из скважины нефти с содержанием воды до 99%, содержанием механических примесей до 0,01% (0,1 г/л) твердостью до 5 баллов по Моосу; сероводорода до 0,001%, содержанием газа до 25%. В коррозионностойком исполнении содержание сероводорода может быть до 0,125% (до 1,25 г/л). В износостойком исполнении содержание мехпримесей – до 0,5 г/л. Допустимый темп набора кривизны ствола скважины - до 20 на 10 м. Угол отклонения оси ствола скважины от вертикали – до 400.
Достоинством ЭЦН являются большие возможности по автоматизации работы и дистанционного контроля состояния по сравнению со штанговыми установками. Кроме того ЭЦН меньше подвержены влиянию кривизны скважины.
Недостатками электроцентробежных насосов является ухудшение работы в условиях коррозионно-агрессивной среды, при выносе песка, в условиях высокой температуры и высокого газового фактора, снижение параметров работы с увеличением вязкости жидкости (при вязкости более 200 сП эксплуатация ЭЦН становится невозможной).
Основными производителями погружных центробежных насосов в России являются Альметьевский насосный завод (АО «АЛНАС»), Лебедянский машиностроительный завод (АО «ЛЕМАЗ»), московский завод «Борец». Интересные разработки предлагаются и другими организациями, например, пермским заводом АО «Новомет», изготавливающим методом порошковой металлургии оригинальные ступени погружных центробежных насосов.
УЭЦН в России изготавливаются в соответствии с техническими условиями ТУ, за рубежом – в соответствии требованиями API.
Наиболее известные зарубежные производители установок ЭЦН – компания «REDA», «Centrilift», «ODI» и «ESP» (CША). В последние годы большую активность проявляют также изготовители УЭЦН из Китайской Народной Республики (фирма Temtext).
В данных методических указаниях приводятся основные конструктивные схемы УЭЦН, особенности их устройства и принципа действия.
Для самостоятельной проверки полученных знаний в конце методических указаний приводится перечень контрольных вопросов.
Цель данной лабораторной работы – изучение конструкции погружного центробежного насоса.
Общая схема установки погружного электроцентробежного насоса
На сегодняшний день предложено большое число различных схем и модификаций установок ЭЦН.
Схема установки погружного центробежного насоса в скважине
На схеме обозначены: компенсатор 1, погружной электродвигатель (ПЭД) 2, протектор 3, приёмная сетка 4 с газосепаратором 5, насос 6, ловильная головка 7, обратный клапан насосный 8, спускной клапан 9, колонна насосно-компрессорных труб (НКТ) 10, колено 11, выкидная линия 12, обратный клапан устьевой 13, манометры 14 и 16, устьевая арматура 15, кабельная линия 17, соединительный вентиляционный ящик 18, станция управления 19, трансформатор 20, динамический уровень жидкости в скважине 21, пояса 22 для крепления кабельной линии к НКТ и насосному агрегату и эксплуатационная колонна скважины 23.
При работе установки насос 6 откачивает жидкость из скважины на поверхность по насосно-компрессорным трубам 10. Насос 6 приводится в действие погружным электродвигателем 2, электроэнергия к которому подводится с поверхности по кабелю 17. Охлаждение двигателя 2 производится потоком скважинной продукции.
Наземное электрооборудование – станция управления 19 с трансформатором 20 – предназначено для преобразования напряжения промысловой электросети до величины, обеспечивающей оптимальное напряжение на входе в электродвигатель 2 с учётом потерь в кабеле 17, а
также для управления работой погружной установки и её защиты при аномальных режимах.
Допустимое по отечественным техническим условиям максимальное содержание свободного газа на входе в насос составляет 25%. При наличии газосепаратора на приёме ЭЦН допустимое газосодержание увеличивается до 55%. Зарубежные фирмы-производители УЭЦН рекомендуют применять газосепараторы во всех случаях, когда входное газосодержание составляет более 10 %.
Конструкции основных узлов и деталей насоса
Основными элементами любого центробежного насоса являются рабочие колеса, вал, корпус, радиальные и осевые опоры (подшипники), уплотнения, предупреждающие внутренние и внешние утечки жидкости.
Электроцентробежные скважинные насосы – многоступенчатые. Рабочие колеса располагаются последовательно на валу. Каждое колесо имеет направляющий аппарат, в котором преобразуется скоростная энергия жидкости в энергию давления с последующим направлением ее в следующее за ним колесо. Колесо и направляющий аппарат образуют ступень насоса.
В многоступенчатых насосах с последовательным расположением колес предусматриваются узлы для разгрузки осевых сил.
Насосная ступень является основным рабочим органом скважинного центробежного насоса, посредством которой передается энергия от насоса жидкости.
Ступень ЭЦН
1 – направляющий аппарат; 2,4 – кольцевые безлопаточные камеры; 3 – рабочее колесо;
5 – нижняя опорная шайба; 6 – защитная втулка;
7 – верхняя опорная шайба; 8 – вал
Напор одной ступени составляет от 3 до 7 м водяного столба. Небольшая величина напора определяется малой величиной внешнего диаметра рабочего колеса, ограниченного внутренним диаметром обсадной колонны. Требуемые значения напора в насосе достигаются последовательной установкой рабочих колес и направляющих аппаратов.
Ступени размещаются в расточке цилиндрического корпуса каждой секции. В одной секции может размещаться от 39 до 200 ступеней (максимальное количество ступеней в насосах достигает 550 штук).
Для возможности сборки ЭЦН с таким количеством ступеней и разгрузки вала от осевой силы применяется плавающее рабочее колесо. Такое колесо не фиксируется на валу в осевом направлении, а свободно перемещается в промежутке, ограниченном опорными поверхностями направляющих аппаратов. От проворота колесо удерживает призматическая шпонка.
Индивидуальная осевая опора каждой ступени состоит из опорного бурта направляющего аппарата предыдущей ступени и антифрикционной износостойкой (текстолитовой) шайбы, запрессованной в расточку рабочего колеса. Эта опора (пята) одновременно является передним уплотнением колеса, снижающим внутренние утечки в насосе.
На режимах, примерно на 10% превышающих подачу, соответствующую нулевой осевой силе, рабочее колесо может «всплыть» - переместиться вверх. Для обеспечения для колеса надежного упора предусматривают верхнюю осевую опору. На верхней индивидуальной опоре рабочее колесо может работать и при кратковременных пусковых режимах. Верхняя опора состоит из опорного бурта на направляющем аппарате и шайбы, запрессованной в расточку рабочего колеса (поз.7, рис. 2.2).
Основные элементы ступени насоса могут иметь различное конструктивное исполнение. В соответствии с этим, ступени и, собственно, насосы классифицируют следующим образом.
1. По конструкции лопастного аппарата рабочего колеса:
· с цилиндрическими (радиальными) лопастями и с наклонно-цилиндрическими (радиально-осевыми) лопастями
В ступенях с радиальными направляющими лопастями переводные каналы расположены радиально. Гидравлически они более совершенны, но номинальная подача ограничивается до 125 м3/сут в насосах с наружным диаметром 86 и 92 мм и до 160 м3/сут в насосах с наружным диаметром 103 мм и 114 мм.
У рабочих колес с наклонно-цилиндрическими лопастями, лопатки входят в область поворота из осевого направления в радиальное, что приводит к наклонному расположению их входной кромки по отношению к оси насоса. Значение коэффициента быстроходности таких колес находится на крайней правой границе быстроходных насосов, приближаясь к диагональным насосам. Подача в таких ступенях выше.
2. По конструкции проточных каналов направляющего аппарата ступени могут быть с радиальными и «осевыми» проточными каналами.
Ступень с рабочим колесом и направляющим аппаратом
(а) радиальной конструкции и (б) радиально-осевой конструкции
1 – направляющий аппарат; 2 – рабочее колесо; 3 – обойма (корпус)
направляющего аппарата; 4 – опорные шайбы; 5 – вал; 6 – шпонка
Радиальные направляющие аппараты имеют радиальное расположение проточных каналов. Ступень с такими направляющими аппаратами гидравлически более совершенная, имеет более простую геометрию, удобна в производстве, но имеет малую подачу (20…40 м3/сут).
Ступень с «осевым» направляющим аппаратом названа условно, так в ней расположение каналов, преобразующих кинетическую энергию потока в потенциальную, приближается к осевому. Ступень с осевым направляющим аппаратом обеспечивает большую подачу (40…1000 м3/сут), более простую геометрию и получила массовое применение при изготовлении отечественных конструкций погружных насосов, практически вытеснив «радиальную» ступень, которая в настоящее время уже не производится.
2. По способу установки рабочих колес на валу:
· ступени с плавающими рабочими колесами;
· ступени с жесткозакрепленными колесами (применяются в зарубежных конструкциях).
3. По способу разгрузки от осевых сил:
· ступени с рабочими колесами, неразгруженными от осевой силы
· ступени, разгруженные от осевой силы с помощью разгрузочной камеры со стороны заднего (основного) диска. Камера выполняется с помощью щелевого уплотнения и сквозных отверстий в основном диске. Этот метод используется в ступенях с наклонно-цилиндрическими лопастями.
· ступени, разгруженные от осевой силы выполнением радиальных импеллеров на внешней стороне заднего диска. Радиальные импеллеры на заднем диске снижают действующее на него давление и используются в основном в цилиндрических колесах. Колеса, в этом случае, называют центробежно-вихревыми.
Центробежно-вихревые колеса были разработаны и выпускаются фирмой «Новомет». Для их изготовления используется метод порошковой металлургии. Использование центробежно-вихревых колес имеет ряд преимуществ: на 15…20% увеличивается напор ступени; насос можно использовать для поднятия жидкости с повышенным содержанием газа (до 35% по объему).
Ступени с разгруженными рабочими колесами имеют повышенный ресурс работы индивидуальной нижней опоры рабочего колеса. Но они имеют сложную технологию и повышенную трудоемкость изготовления. Кроме того, в процессе работы может произойти функциональный отказ способа разгрузки использованием разгрузочной камеры при засорении разгрузочных отверстий и при износе верхнего уплотнения рабочего колеса.
Конструкция ступеней с разгруженным рабочим колесом
корпус; 2 – направляющий аппарат; 3 – рабочее колесо
Ступени центробежно-вихревого насоса фирмы «Новомет»
1 – вал; 2 – шпонка; 3 – рабочее колесо; 4 – радиальная лопатка; 5 – направляющий
аппарат; 6 – нижняя опорная шайба; 7 – верхняя опорная шайба;
8 – корпус насоса
4. По созданию опоры для колес плавающего типа ступени могут быть одноопорной конструкции и двухопорной конструкции.
Ступени одноопорной конструкции имеют одну индивидуальную нижнюю опору – пяту - со стороны переднего диска.
Двухопорные ступени имеют дополнительную осевую опору через текстолитовое запрессованное кольцо на ступице рабочего колеса на входе и торцевой буртик направляющего аппарата. Дополнительная опора усиливает осевую опору и межступенное уплотнение ступеней.
Двухопорная ступень центробежного насоса
1 – рабочее колесо; 2 – направляющий аппарат; 3 – дополнительное кольцо переднего
диска; 4 – основное кольцо переднего диска; 5 – кольцо заднего диска
Преимуществами двухопорной конструкции является повышенный ресурс основной нижней опоры ступени, более надежная изоляция вала от абразивной и коррозионно-агрессивной протекающей жидкости, увеличенный ресурс работы и большая жесткость вала насоса из-за увеличенных осевых длин межступенных уплотнений, служащих в ЭЦН также радиальными подшипниками.
Недостатком двухопорных ступеней является увеличение трудоемкости в изготовлении.
4. По исполнению ступени могут быть:
· обычного исполнения (ЭЦН);
· износостойкого (ЭЦНИ);
· коррозионностойкого (ЭЦНК).
Ступени в насосах разных исполнений отличаются друг от друга материалами рабочих органов, пар трения и некоторыми конструктивными элементами.
Ступени в коррозионностойком и износостойком исполнении имеют в конструкции, как правило, две индивидуальные нижние опоры и удлиненную ступицу со стороны заднего диска, закрывающую промежуток вала между колесами от износа.
В обычном исполнении для изготовления рабочих колес и направляющих аппаратов используется, в основном, модифицированный чугун, в паре трения верхней и нижней основной опоры – текстолит-чугун, дополнительной опоры – текстолит-чугун или резина-чугун. В коррозионностойком исполнении колеса и направляющие аппараты могут изготавливать из чугуна типа «нирезист». Повышенной изностойкости – из износостойкого чугуна, пара трения в нижнем основном подшипнике – резина-силицированный графит, дополнительной опоры – резина-чугун, верхнего подшипника – текстолит-чугун. Чугунные колеса также могут быть заменены пластмассовыми из полиамидной смолы или углепластика, стойких против износа свободным абразивом и не набухающих в воде (в скважинах с большим содержанием нефти, как показал опыт, они менее работоспособны).
Традиционной технологией изготовления ступеней российскими производителями является литье. Шероховатость отливок находится в пределах Rz 40…80 мкм (ГОСТ 2789-83).
Более низкую шероховатость (Rz 10) позволяет получить технология изготовления заготовок методом порошковой металлургии, разработанная АО «Новомет». Использование данной технологии позволило существенно повысить кпд ступеней и изготавливать более сложные конструкции рабочих колес (центробежно-вихревые колеса).