ОДНОВИНТОВЫЕ НАСОСЫ В НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЙ ТЕХНИКЕ
Д. БАЛДЕНКО, А. ВЛАСОВ, В. ХАБЕЦКАЯ, НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ, Ф. БАЛДЕНКО, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина
Прогресс нефтегазового комплекса, освоение новых технологических процессов в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства вызвало интенсивное развитие насосной техники — номенклатуры известных типов насосов и новых типов динамических и объемных машин.
Среди объемных более заметную роль в нефтяной промышленности начинают играть 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.
Одновинтовые насосы имеют давнюю историю. Примерно за 250 лет до н. э. Архимед изобрел водоподъемную машину, вошедшую в историю как Архимедов винт и явившуюся прообразом корабельных и воздушных винтов. Спустя два тысячелетия эта идея была реализована французским инженером Р. Муано в создании объемного насоса.
По принципу действия ОВН относятся к объемным роторным гидромашинам. Предложенный 75 лет назад Муано новый принцип гидравлической машины, названный капсулизмом [1], позволил исключить клапанные и золотниковые распределители.
Первый патент имеет приоритет 1930 г. и защищает устройство, которое может быть использовано как насос, мотор, компрессор или механическая передача.
Рабочим органом (РО) одновинтовой гидромашины является винтовой героторный механизм — зубчатая косозубая пара внутреннего пространственного циклоидального зацепления (рис. 1), состоящая из 22-заходного металлического ротора (винта) и Zi-за-ходного статора (обоймы с эластичной обкладкой), между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры.
Для создания в РО камер, теоретически разобщенных от областей высокого и низкого давлений, необходимы четыре условия [5, 8]:
• числа заходов статора и ротора должны отличаться на единицу:
Zi=Z2+1-,
• отношение шагов винтовых поверхностей ротора t и статора T должно быть пропорционально отношению числа их зубьев:
t/T=ZJZx;
• длина рабочих органов должна быть не менее одного шага статора;
• профили ротора и статора должны быть взаимоогибаемы и находиться в непрерывном контакте во время зацепления.
Отличительным параметром ОВН, во многом определяющим его характеристики, является кинематическое отношение чисел зубьев его РО:
Поперечные сечения РО с различным кинематическим отношением показаны на рис. 2.
Рис. 1. Рабочие органы ОВН
Рис. 2. Поперечные сечения РО
Насосы Муано (с кинематическим отношением 1:2) получили широкую известность в 40—50-х годах на Западе. Тогда же начинается их распространение в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства.
В это же время к проектированию насосов для нужд химической и угольной промышленности приступает ВНИИ гидравлического машиностроения (ВИГМ), впервые в стране разработавший нормальный ряд насосов общего назначения и технологию изготовления РО (ротора и статора) [2].
Большой объем опытно-конструкторских и исследовательских работ выполнен в 60—70-х годах в Особом конструкторском бюро по бесштанговым насосам (ОКБ БН), где впервые в мировой практике были разработаны и внедрены погружные насосы для добычи нефти и водоподъема.
В настоящее время в России ОВН (по схеме /=1:2) изготавливают ОАО «Ливгидромаш», Махачкалинский завод им. Гаджиева, завод «Борец» и ряд других предприятий.
За рубежом их производят компании Bornemann, Mono Pumps, Netzsch, Kudu, PCM, Robbins&Myers, Roper Pumps, БсИоеИег-Bteckmann, Seeberger, Sigma, Weatherford и др.
Новые эксплуатационные возможности ОВН открылись при использовании многозаходных РО (Z>M2), разработанных отечественными специалистами бурового гидромашиностроения и применявшихся с 1970-х годов только в качестве РО забойных гидродвигателей для бурения скважин [8].
С 90-х годов ОВН с многозаходными РО разрабатываются НПО «Буровая техника» — ВНИИБТ и РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина [3, 6, 7].
Многозаходные ОВН при прочих равных условиях имеют ряд преимуществ, обусловленных кратностью действия и повышенным числом контактных линий, отделяющих вход и выход гидромашины:
• увеличенный рабочий объем, позволяющий повысить подачу Q при одинаковой частоте вращения и наружном диаметре насоса;
• уменьшенный осевой габарит (до 1—1,5 м) при одинаковых давлениях;
• кратное увеличение числа контактных линий, разделяющих области высокого и низкого давления (рис. 3).
Рис. 3. Упрощенная развертка контактных линий двухшаговых РО
В теории рабочего процесса ОВН принимается гипотеза равномерного нарастания давления по длине РО с постоянным межвитковым перепадом давления [5, 8, 10]:
Р=Р/Х,
где X — число контактных линий, отделяющих вход и выход РО, зависящее от числа шагов к и кинематического отношения:
Х=(к-1) 1+1.
Проектирование РО (выбор кинематического отношения, диаметра и длины) ведется по допускаемому межвитковому перепаду давления [Рк], зависящему от геометрических параметров РО, натяга в паре, физических свойств материалов РО и жидкости, а также частоты вращения ротора (приводного вала). При расчетах принимают Рк=0,25—0,50 МПа, причем повышенные значения перепадов относятся к режимам высоких частот вращения и вяз-костей жидкости.
Сравнение характеристик насосов с многозаходными и традиционными РО при одинаковом контурном диаметре, натяге в паре, числе шагов и частоте вращения показало существенное влияние кинематического отношения на основные технические параметры насосов (рис. 4).
Рис. 4. Напорные характеристики ОВН с различным кинематическим отношением РО (п = 300 об/мин; К = 4,5) 1 - I = 5:6; 2 - I = 1:2 (стенд РГУ нефти и газа, 1989 г.)
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 0-Р вынуждены применять сверхудлиненные пары (до 15 м), обеспечивая тем самым необходимое число шагов и межвитковый перепад давления РК.
■ Области применения одновинтовых насосов
Одновинтовые являются практически единственным типом роторных насосов, способных перекачивать жидкости широкого диапазона физико-химических свойств, в том числе вязкие, содержащие газ, механические примеси и не обладающие смазывающими способностями. Это достигается 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 насосной техники, прежде всего, в нефтяной промышленности.
В настоящее время в отечественном арсенале технических средств механизированной добычи нефти применяются скважинные насосы с погружным электроприводом и скважинные штанговые насосы [13].
На стадии ОКР и испытаний находятся гидроприводные насосы, наземные и погружные насосы для поддержания пластового давления, а также мультифазные и силовые насосы.
Скважинные насосы с погружным электроприводом
Опыт эксплуатации насосов с погружными электродвигателями показал, что одновинтовые являются одним из наиболее эффективных средств механизированной добычи высоковязкой нефти, а в осложненных условиях выбор ОВН является практически единственным вариантом.
Сдвоенные гидравлически уравновешенные электронасосы для добычи нефти серии ЭВН в течение многих лет выпускает ОАО «Ливгидромаш».
В настоящее время серийно производится более десяти типоразмеров насосов с номинальными подачами 12, 16, 25, 50, 63, 100, 200 м3/сут и давлением до 17 МПа. Большинство насосов приводится в действие от погружного асинхронного электродвигателя с частотой вращения 1500 об/мин.
С целью увеличения долговечности и расширения области применения насосов при эксплуатации малодебитных скважин наметилась тенденция снижения частоты вращения приводного вала. Завод «Борец», ОАО РИТЭК, ЗАО «Электон» и дру-
гие ведут работы по использованию в установках ЭВН регулируемого электропривода и редукторных вставок, а также изменению общей компоновки агрегата и его отдельных узлов.
Скважинные штанговые насосы
Винтовые штанговые насосные установки (ВШНУ) для отбора пластовых жидкостей из глубоких нефтяных скважин появились на нефтепромысловом рынке в 80-х годах в США и Франции. Эффективная работа первых ВШНУ при эксплуатации низко- и сред-недебитных скважин с высоковязкой нефтью стимулировала НИОКР ведущих машиностроительных фирм к совершенствованию конструкций установок и сква-жинных 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 преимуществом ВШНУ [13].
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, обеспечивающего 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:
• простота конструкции насоса (отсутствуют шарнирные соединения, пусковые муфты, радиальные и осевые подшипники);
• наземное расположение приводного двигателя (от
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.