Изучение состава, назначения, параметров и конструкции основных узлов электропогружного центробежного насоса модульного исполнения типа ЭЦНМ. Лабораторная работа (2019 год)
Изучение состава, назначения, параметров и конструкции основных узлов электропогружного центробежного насоса модульного исполнения типа ЭЦНМ
направление «Нефтегазовое дело» профиля «Эксплуатация и обслуживание объектов добычи нефти» для дистанционной формы обучения
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРОМЫСЛОВ
Цель и задачи работы:
1. Ознакомиться с маркировкой и с основными параметрами ЭЦН различного исполнения. Изучить основные элементы, входящие в конструкцию насосов. Знать конструктивные особенности, назначение, состав и принцип работы ЭЦН.
2. Защитить выполненную работу, ответив на вопросы теста №2.
Методические указания по подготовке к работе
При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить теоретический материал, используя литературу, указанную в конце данной работы. Для лучшего освоения материала необходимо просмотреть теоретический материал (презентации), уделить внимание вопросам особенностям конструкции, техническим параметрам, принципу действия.
Основные сведения о составе оборудования установок электропогружных центробежных насосов
Внутрискважинный насосный агрегат включает в себя насос типа ЭЦНМ, погружной электродвигатель с узлами гидрозащиты и модуль – газосепаратора (используемый при повышенном содержании газа на приеме насоса от 10% до 50%). Соединение сборочных единиц насосного агрегата фланцевое или (бугельное), производимое при помощи хомута. Передача вращающего момента с вала на вал сборочных единиц осуществляется при помощи шлицевых муфт. В зависимости от поперечного габарита насосы подразделяются на группы (см. таблицу). Группа насоса условно определяет минимальный внутренний диаметр эксплуатационной колонны скважины.
|
Группа УЭЦН |
4 |
5 |
5А |
6 |
6А |
7 |
8 |
|
Внутренний диаметр обсадной колонны, мм, не менее |
112 |
123,7 |
130 |
144,3 |
148,3 |
155,3 |
205,7 |
|
Наружный диаметр насоса, мм |
86 |
92 |
103 |
114 |
123 |
130 |
172 |
Разные исполнения насосов в основном отличаются конструкцией и используемыми материалами ступеней и их элементов, осевых и радиальных опор валов насосов, входного модуля, материалом валов, но конструктивная схема насосов всех исполнений одинакова при разных вариантах конструктивного исполнения насосов, обозначаемых цифрами от 1 до 4, которые указывают, что в составе насоса:
1 — входной модуль, соединение секций фланцевое;
2 — входной модуль, соединение секций типа «фланец-корпус»;
3 — нижняя секция с приёмной сеткой, соединение секций фланцевое;
4 — нижняя секция с приёмной сеткой, соединение секций типа «фланец-корпус».
Погружной насос собирается из соединенных между собой модуль-секций (в зависимости от напора их количество может изменяться от 1 до 4), к которым снизу присоединяется входной модуль, а сверху — модуль–головка. Кроме того, в состав насоса входят обратный и сливной клапаны.
Компоновка основных узлов электропогружного центробежного насос типа ЭЦНМ представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. – Компоновка насоса
Электропогружной центробежный насос ЭЦНМ (рис.2) для добычи нефти представляет собой высоконапорный многоступенчатый вертикальный насос модульного исполнения, предназначенный для работы под уровенем добываемой жидкости в скважине.
Рисунок 2. – Насос погружной модульный типа ЭЦНМ:
1 – модуль-головка; 2 – модуль секция; 3 – модуль входной
Технические характеристики насосов обычного, износостойкого, коррозионноизносостойкого, теплостойкого и коррозионно-теплостойкого исполнений одинаковы. Соединение секций насоса между собой, а также с электродвигателем и гидрозащитой – фланцевое или бугельное. Уплотнение соединений осуществляют резиновыми кольцами. Длины секций от 3000 до 5500 мм.
Номенклатура модулей погружного центробежного насоса
|
клапан обратный клапан спускной |
- КО - КС |
|
модуль-головка с фланцевым соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- 1МГ(К)5 - 1МГ(К)5А - 1МГ(К)6 |
|
модуль-головка с бугельным соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- 2МГ(К)5 - 2МГ(К)5А - 2МГ(К)6 |
|
модуль входной с фланцевым соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- МВ(К)5 - МВ(К)5А - МВ(К)6 |
|
модуль-секция с фланцевым соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- IMC(K)5 - IMC(K)5A - IMC(K)6 |
|
модуль-секция верхняя с фланцевым соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- IMCB(K)5 - IMCB(K)5A - IMCB(K)6 |
|
модуль-секция нижняя с фланцевым соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- IMCH(K)5 - IMCH(K)5A - IMCH(K)6 |
|
модуль-секция с бугельным соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- 2МC(К)5 - 2МC(К)5А - 2MC(К)6 |
|
модуль-секция верхняя с бугельным соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- 2МCB(К)5 - 2МCB(К)5А - 2MCB(К)6 |
|
модуль-секция нижняя с бугельным соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- 2МCH(К)5 - 2МCH(К)5А - 2MCH(К)6 |
|
модуль насосный-газосепаратор с фланцевым соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- IMHГ(К)5 - IMHГ(К)5А |
|
модуль насосный-газосепаратор с фланцевым соединением с приемной сеткой обычного (коррозийного) исполнения |
- IMHГН(К)5 - IMHГН(К)5А |
|
модуль насосный-газосепаратор с бугельным соединением обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- 2МНГ(К)5 - 2МНГ(К)5А |
|
модуль насосный-газосепаратор с бугельным соединением с приемной сеткой обычного (коррозийностойкого) исполнения |
- 2МНГН(К)5 - 2МНГН(К)5А |
Модуль – секций является основной частью насоса. Секции подразделяются на «нижнюю» (СН), «среднюю» (СС) и «верхнюю» (СВ). Отличие секций друг от друга в том, что у СС и СН в верхней части для присоединения имеется фланец.
Верхняя секция насоса имеет ловильную головку для соединения на резьбе с колонной подъемных насосно-компрессорных труб, и нижний фланец для соединения с верхней секцией, а в нижней секции приемное устройство (основание), защищенной сеткой для отбора добываемой жидкости.
Секции изготавливают трех размеров:
1) секции верхние: СВ-3 = 3395 мм, СВ-4 = 4395 мм, СВ-5 = 5365 мм;
2) секции нижние: СН-3 = 3510 мм, СН-4 = 4510 мм, СН-5 = 5510 мм.
Длина секций до 8300 мм. Наружный диаметр корпуса у всех собранных секций одинаковый и зависит от поперечного сечения скважины.
Каждая секция насоса имеет верхнюю осевую опору вала, вал, радиальные опоры вала, ступени. В насосах по всей длине каждой секции установлены промежуточные радиальные подшипники, что обеспечивает надежную и продолжительную работу насоса.
Секции насоса (рис.3,4) конструктивно состоят из цилиндрического корпуса 1, внутри которого установлены ступени насоса, представляющие собой собранные на валу 2 рабочие колеса 3 и направляющие аппараты 4. Рабочие колеса и направляющие аппараты установлены последовательно. Рабочие колеса посажены через шпонку на вал, который приводит их во вращение. Направляющие аппараты в корпусе стянуты верхним подшипником и основанием и во время работы неподвижны.
Рабочие колеса 3 устанавливаются на валу на продольной призматической шпонке по ходовой посадке и могут свободно перемещаться вдоль вала в пределах осевой направляющего аппарата 4. В дисках рабочих колес с двух сторон по торцам запрессованы кольца (из текстолита и резины), которые с цилиндрическими буртиками направляющих аппаратов образуют осевые подшипники в каждой ступени.
Сверху над корпусом установлена головка 8, а снизу в корпус на резьбе ввинчено основание насоса 9 (СС, СВ) или основание насоса 9 с приемными отверстиями и фильтрующей сеткой, через которые жидкость из скважины поступает к первой ступени насоса (СН).
Вал 2 с двух концов имеет шлицы для передачи вращающего момента с вала входного модуля на другие модули-секций. Валы модулей-секций всех групп насосов, имеющих одинаковые длины корпусов (2, 3 и 5 м), унифицированы по длине.
Верхний конец вала 2 установлен в радиально-упорном подшипнике скольжения 7, получившим название «пята» или «гидродинамическая пята», воспринимающем осевую нагрузку, а также в верхнем радиальном подшипнике скольжения 5. Нижний конец вала размещен на радиальном подшипнике скольжения 6, установленном в основании 9. Таким образом, обеспечивается разгрузка вала насоса от осевых усилий, возникающих на рабочих колесах, с передачей его на корпус насоса. Кроме того, между рабочими колесами устанавливаются на валу латунные втулки, которые, вращаясь в ступицах направляющих аппаратов, исполняют роль радиальных подшипников вала насоса.
Рисунок 3. – Модули секций (СС, СВ):
1 – корпус; 2 – вал; 3 – рабочее колесо; 4 – направляющий аппарат; 5 – верхний подшипник скольжения; 6 – нижний подшипник скольжения; 7 – опорная пята; 8 – головка; 9 – основание; 10 – ребра;11, 13 – уплотнительные кольца; 14 – шлицевая муфта; 15, 16 – защитные крышки; 17 – промежуточный подшипник скольжения.
Рисунок 4. – Модуль секций (СН):
1 – корпус; 2 – вал; 3 – рабочее колесо; 4 – направляющий аппарат; 5 – верхний подшипник скольжения; 6 – нижний подшипник скольжения; 7 – опорная пята; 8 – головка; 9 – основание; 10 – ребра; 11 – уплотнительные кольца; 13 – уплотнительные кольца; 14 – шлицевая муфта;
15, 16 – защитные крышки; 17 – промежуточный подшипник скольжения.
При вращении колес перекачиваемая жидкость получает приращение напора от ступени к ступени. Верхний 5, промежуточный 17 и нижний 6 подшипники являются радиальными опорами вала, а верхняя осевая опора воспринимает нагрузки, действующие вдоль оси вала. Резиновые кольца 11 герметизируют внутреннюю полость секции от утечек перекачиваемой жидкости, резиновое кольцо 13 герметизирует соединение секций между собой.
Шлицевая муфта 14 служит для соединения с валом пристыкованной секции газосепаратора или протектора и передает вращение от одного вала к другому. На период транспортирования и хранения секция закрыта крышками 15,16. Ребра 10 предназначены для защиты электрического кабеля, располагаемого между ними, от механических повреждений о стенку обсадных труб при спуске и подъеме насоса. Ребра прикреплены к основанию секции болтом с гайкой.
Модуль-головка (рис. 5) состоит из корпуса 1, с одной стороны которого имеется коническая резьба для соединения с обратным клапаном или насосно-компрессорными трубами, с другой стороны – фланец для присоединения к модулю-секций.
Рисунок 5. – Модуль-головка насоса:
1 – корпус; 2 – ребро для прокладки кабеля; 3 – кольцо уплотнительное
На наружной поверхности корпуса посредством болтов прикреплены ребра 2 для прокладки и защиты плоского кабеля. Модуль-головка является своего рода переводником, который переводит резьбовое соединение во фланцевое. Модуль – головки насосов группы 5 и 5А имеют резьбу муфты насосно-компрессорной трубы «гладкой», диаметром 73 мм, а модуль – головки насосов группы 6 имеют два исполнения с резьбой муфты 73 и 89 мм гладких труб.
Входной модуль (рис.6) предназначен для приема откачиваемой пластовой жидкости из устья скважины и направления ее в модуль – секцию с соответствующей очистки от механических примесей.
Рисунок 6. – Входной модуль насоса:
1 – основание; 2 – вал; 3 – сетка; 4 – шлицевая муфта; 5 –защитная втулка вала;
6 – опорная втулка вала; 7 – втулка подшипника
Модуль конструктивно представляет собой основание 1 с отверстиями для прохода пластовой жидкости внутрь насоса, защищенной сеткой 3 и двух фланцевых соединений по торцам. Внутри основания 1 на втулках подшипника 7 размещается вал 2 с опорными втулками вала 6 и защитными втулками вала 5, шлицевой муфтой 4 для соединения вала модуля с валом гидрозащиты.
При помощи шпилек 5 модуль верхним концом соединяется с модулем – секцией, а нижним концом с протектором – узлом гидрозащиты электродвигателя.
Спускной (сливной) клапан (рис. 7) предназначен для слива жидкости из колонны НКТ при подъеме насосного агрегата из скважины.
Рисунок 7. – Спускной клапан:
1 – корпуса; 2 – сбивной штуцер; 3 – уплотнительное кольцо; 4 – защитная крышка; 5 – защитная пробка; 6 – защитное кольцо
Спускной клапан состоит из корпуса 1, с одной стороны которого имеется внутренняя коническая резьба муфты для присоединения к насосно-компрессорным трубам с условным диаметром 73 мм, а с другой стороны - наружная коническая резьба для ввинчивания в обратный клапан или НКТ. В корпус 1 ввернут сбивной полый штуцер 2, который уплотнен резиновым кольцом 3. Перед подъемом насоса из скважины конец штуцера, находящийся во внутренней полости клапана, сбивается (обламывается) специальным инструментом, и жидкость из колонны насосно-компрессорных труб вытекает через отверстие в штуцере в затрубное пространство. На период транспортирования и хранения спускной клапан закрыт крышками. Для облегчения запуска погружного электронасоса и устранения обратного вращения ротора насоса (турбинный режим) под воздействием столба жидкости в колонне труб применяют обратный клапан.
Обратный клапан (рис.8) расположен между насосом и спускным клапаном и предназначен для предотвращения обратного вращения установки под воздействием столба жидкости при остановках и облегчения запуска установки.
Рисунок 8. – Обратный клапан
1 – корпус; 2 – седло; 3 – тарелка; 4 – направляющая втулка; 5 – предохранительная манжета; 6 – ограничительное кольцо; 7 – защитная крышка; 8 – защитная пробка
Кроме того, он используется для опрессовки НКТ после спуска установки в скважину. Обратный клапан состоит из корпуса 1, с одной стороны которого выполнена внутренняя, с другой — наружная конические резьбы для подсоединения к колонне НКТ. Внутри корпуса размещается обрезиненное седло 2, на которое опирается тарельчатый запорный орган 3, имеющий возможность осевого перемещения в направляющий втулке 4.
Под воздействием потока перекачиваемой жидкости тарелка поднимается, тем самым, открывая клапан. Предохранительная манжета 5 смягчает удары тарелки о направляющую втулку при открывании клапана. При остановке насоса тарелка опускается на седло под воздействием столба жидкости в напорном трубопроводе, т.е. клапан закрывается. На период транспортирования и хранения обратный клапан закрыт крышками 7,8. Клапанный узел может быть собран как в стальном патрубке, так и в самом насосе. Обратные клапанные узлы, рассчитаны на подачу до 800 м3/сут, конструктивно одинаковы и имеют резьбы и муфты под насосно-компрессорные трубы диаметром 73 мм, 89 мм.
При повышенном содержании газа на приеме насоса в состав насосного агрегата включают модуль – газосепаратора, который устанавливают между модулем секций и входным модулем. Газосепаратор предназначен для отделения газа от жидкости, а диспергатор наоборот – для интенсивного смешивания газа и жидкости в однородную смесь.
При содержании на приеме насоса до 6% газа в модуль – секцию перед первой рабочей ступенью устанавливают диспергирующие ступени. При содержании на приеме насоса от 6% до 10% газа в насосные агрегаты устанавливают модули – диспергаторы. При содержании на приеме насоса от 10% до 25% газа в состав насосного агрегата включают модуль – газосепаратора. При содержании на приеме насоса от 25% до 50% газа в состав насосного агрегата включают модуль – газосепаратора – диспергатора так называемый «тандем». Все вышеперечисленные модули - узлы устанавливают между входным модулем и модулем – секций и крепятся с помощью шпилек и гаек (фланцевое соединение). Основание газосепаратора может быть выполнено с приемной сеткой входного модуля (МНГН), в этом случае входной модуль не нужен и газосепаратор стыкуется непосредственно с протектором и модулем секций. Валы модулей соединяются для передачи вращения при помощи шлицевых муфт.
Газосепаратор – диспергатор (рис.9) конструктивно включает в себя вал 9, входные отверстия 10, корпус 11. В корпусе 11 последовательно по ходу потока размещены шнек 12, кавернообразующее лопастное колесо 13, сепарационный барабан состоящий из сепарационных рабочих ступеней (рабочего колеса 15 и направляющего аппарата 14), линию отвода отсепарированного газа 16 в затрубное пространство и линию отвода смеси с меньшим газосодержанием в погружной насос 17. К линии 17 отвода смеси с меньшим газосодержанием в погружной насос подключены диспергирующие ступени 18. Они состоят из установленных на валу 9 крыльчаток (рабочих колес) 19 (рис.10а) и неподвижных направляющих аппаратов 20 (рис.10б), при этом первой по ходу потока установлена крыльчатка 19, а последним по ходу потока установлен направляющий аппарат 20. Крыльчатки 19 снабжены открытыми радиальными рёбрами 21, а направляющие аппараты 20 содержат радиальные рёбра 22, закрытые снаружи обечайками 23.
Рисунок 9. – Газосепаратор с диспергирующими ступенями
Отношение высоты h диспергирующих ступеней 18 к их наружному диаметру d составляет от 0,2 до 0,3. Число ступеней 18 составляет от двух до пяти, причём число рёбер 22 каждого направляющего аппарата 20 превышает число рёбер 21 каждой крыльчатки 19 не менее чем в полтора раза, при этом отношение высоты шнека 12 к его шагу по наружному диаметру составляет от 1,7 до 2,0.
 |
 |
||
а б
Рисунок 10. – Крыльчатка (а) и направляющий аппарат (б) диспергирующей ступени
Смесь, поступившая в газосепаратор нагнетается шнеком 12, после чего направляется к кавернообразующему лопастному колесу 13. За лопастями колеса 13 образуются крупные газовые суперкаверны, которые затем отделяются от жидкости в сепарационном барабане 14. В сепараторе газ под действием рёбер сепарационных колес 15 сепарационного барабана 14 в поле центробежных сил удерживается в центре и движется вдоль оси сепаратора к отводящим каналам; газожидкостная смесь с меньшим содержанием свободного газа под действием центробежных сил направляется к периферии потока к линии 17. Газ сбрасывается по линии 16 в затрубное пространство скважины, а газожидкостная смесь с меньшим содержанием свободного газа идёт по линии 17 в диспергирующие ступени 18, где происходит гомогенизирование ГЖС, т е. более интенсивное смешивание жидкости и пузырьков газа в однородную массу.
Погружной электрический двигатель представляет собой маслонаполненный трехфазный асинхронный с короткозамкнутым ротором электродвигатель вертикального исполнения, выполненный в стальном корпусе цилиндрической формы. ПЭД предназначены для продолжительной работы от сети переменного тока частотой 50 Гц в качестве привода погружных центробежных насосов для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин. Напряжение питания промысловой сети, подводимое к скважине, в зависимости от наземного электрооборудования может составлять 380 В, 6000 В и 10000 В. Питание электродвигателя в зависимости от типоразмера ПЭД осуществляется напряжением от 380 — 2300 В.
Гидрозащита ПЭД состоит из двух узлов: протектора и компенсатора. Протектор устанавливается между насосом и электродвигателем. Протектор предназначен для: защиты внутренней полости двигателя от попадания пластовой жидкости и предотвращения утечки масла при передаче вращения от герметичного электродвигателя к насосу; отвода газа из внутренней полости двигателя в затрубное пространство через клапаны, установленные в протекторе; восприятия осевых нагрузок от вала насоса при эксплуатации с насосом без осевой опоры.
Компенсатор расположен в нижней части двигателя. Компенсатор, как правило, устанавливают под погружным электродвигателем. Компенсатор предназначен для: компенсации тепловых изменений объема масла при работе электродвигателя и его остановках; уравнивания давления во внутренней полости двигателя с давлением пластовой жидкости в скважине; компенсации утечки масла и контроля за изменениями объема масла в электродвигателе.
Основные сведения о конструктивных особенностях электропогружных центробежных насосов
Основным рабочим органом, обеспечивающим передачу энергии от вала насоса потоку перекачиваемой жидкости, является ступень центробежного насоса. Ступенью погружного насоса принято называть сборку рабочего колеса и направляющего аппарата, работающих совместно. Двух детальная рабочая ступень состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата, а трех детальная – из рабочего колеса, направляющего аппарата и обоймы.
В зависимости от величины развиваемого насосом напора, количество рабочих колес и направляющих аппаратов (ступеней) колеблется в пределах от 80 до 400. Длина корпуса насоса не превышает обычно 5 м. В рабочем колесе поток жидкости движется под действием центробежных сил от центра к периферии, поэтому насос получил название центробежный. Рабочие колеса и направляющие аппараты установлены последовательно.
Направляющие аппараты в корпусе стянуты верхним подшипником и основанием и во время работы неподвижны. Рабочие колеса – закрытого типа, состоят из двух дисков и лопаток между ними. Вращающий момент с вала передается на рабочие колеса через сквозную шпонку.
Колеса имеют возможность свободно перемещаться вдоль оси вала насоса в пределах осевой высоты направляющего аппарата, поэтому получили название «плавающая опора». Такое решение предназначено для снятия осевых усилий, возникающих на рабочем колесе одностороннего входа, с вала насоса и передачей его на корпус соответствующего направляющего аппарата и далее на корпус насоса. Так как рабочее колесо имеет односторонний вход, то на вал насоса оказывают воздействие осевые нагрузки, которые воспринимает гидравлическая пята. При вращении колес перекачиваемая жидкость получает приращение напора от ступени к ступени. Использование плавающего типа рабочих колес позволяет собирать на очень тонком валу (17-25мм) большое количество рабочих колес (до 40-200 в секции) и разгрузить вал от чрезмерных осевых сил, создаваемых рабочими колесами. В пазах рабочих колес впрессованы шайбы, выполненные из антифрикционного материала.
Направляющие аппараты отечественных насосов изготавливают двух типов, получивших название радиального и осевого типов, соответственно им называются и ступени отечественных насосов.
Конструкции рабочих ступеней с радиальным и осевым направляющими аппаратами представлены на рис. 11 а и 11 б. Ступень с «радиальным» направляющим аппаратом называется вследствие радиального расположения каналов, в которых кинетическая энергия потока жидкости, выходящей из каналов рабочего колеса, преобразуется в потенциальную. Такая ступень гидравлически более совершенная, имеет более простую геометрию, удобна в производстве, но имеет малую подачу (20-40 м3/сут).
Рисунок 11. – Одноопорная ступень
с радиальным (а) и осевым (б) направляющим аппаратом:
1 – направляющий аппарат; 2 – рабочее колесо;
3 – обойма (корпус) направляющего аппарата; 4 – опорные шайбы; 5 – вал; 6 – шпонка
Ступень с «осевым» направляющим аппаратом названа условно, так в ней расположение каналов, преобразующих кинетическую энергию потока в потенциальную, приближается к осевому.
Конструктивно такое решение осуществляется установкой на переднем и заднем дисках рабочего колеса методом запрессовки «текстолитовых» или «резиновых» опорных шайб (колец), а в направляющем аппарате, в месте контакта с этими шайбами, изготовлены цилиндрические выступы (буртики), которые образуют в каждой ступени насоса осевой подшипник скольжения, воспринимающий осевое усилие, возникающее на рабочем колесе.
В каждой ступени, таким образом, имеется осевая и радиальная опоры (подшипники), работающие в потоке перекачиваемой жидкости.
Интенсивному износу подвергаются поверхности трения осевых опор рабочего колеса и радиальных и осевых опор направляющих аппаратов.
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.
В зависимости от содержания механических примесей в добываемой продукции скважин следует различать две конструктивные схемы ступеней с осевым направляющим аппаратом.
На рис.12 представлена ступень, работающая с жидкостью, не содержащей механических примесей.
Рисунок 12. – Схема ступени насоса:
1 – рабочее колесо; 2 – направляющий аппарат
Направляющий аппарат такой ступени отлит из специального легированного чугуна с последующей механической обработкой. При этом в отверстие направляющего аппарата, в котором вращается втулка вала (разделяющая рабочие колеса на валу друг о друга), может быть запрессована втулка из бронзы, латуни или другого материала.
Для работы с жидкостью, содержащей механические примеси, используется ступень износостойкого насоса (рис.13).
Рисунок 13. – Ступень погружного центробежного износостойкого насоса:
1 – направляющий аппарат; 2 – рабочее колесо; 3 – кольцо резиновое; 4 – кольцо стальное
В такой конструкции рабочее колесо 2 имеет удлиненный торец, перекрывающий поверхность вала в месте его размещения внутри ступицы направляющего аппарата. В рабочем колесе с двух сторон запрессованы шайбы из резины (вместо текстолитовых шайб). Осевой опорой (нижней) колеса является стальное кольцо 4 (из стали 40Х, закаленное до твердости НРС 50-55), запрессованное в направляющий аппарат 1.
Массовое применение в отечественных насосах получили одноопорные ступени (рис. 14)
Рисунок 14. – Одноопорная ступень центробежного насоса:
1 – рабочее колесо; 2,4 – безлопаточные кольцевые каналы; 3 – направляющий аппарат;
5 и 6 – кольца текстолитовые переднего и заднего диска колеса
В конструкции не износостойкой ступени на переднем (со стороны входа жидкости) и заднем дисках рабочего колеса запрессованы текстолитовые кольца 5 и 6, образующие с цилиндрическими выступами направляющих аппаратов осевой подшипник ступени.
Конструкция двухопорной ступени отечественного производства представлена на рисунке 15. На рабочем колесе дополнительная осевая опора в виде запрессованного текстолитового кольца 3 размещена на ступице рабочего колеса со стороны переднего диска.
Рисунок 15. – Двухопорная ступень центробежного насоса:
1 – рабочее колесо; 2 – направляющий аппарат; 3 – дополнительное кольцо переднего диска; 4 – основное кольцо переднего диска; 5 – кольцо заднего диска
Основное кольцо 4 переднего диска и дополнительное 3 опираются в торцевые буртики направляющего аппарата, образуют осевую опору, несущую основную осевую нагрузку, возникающую на рабочем колесе. Кольцо 5 на заднем диске воспринимает осевую нагрузку при всплытии рабочего колеса, также как и в одноопорной ступени. Такое техническое решение позволяет в двухопорной ступени использовать направляющий аппарат от одноопорной ступени без изменений. В случае износа ступицы рабочего колеса возможен ремонт его способом отрезания с обоих концов ступицы и в паре с втулкой защитной вала, рабочее колесо превращается в одноопорную конструкцию, а направляющий аппарат используется тот же.
Таким образом, конструкция отечественной двухопорной ступени обладает высокой ремонтопригодностью. Конструкции ступеней с осевым и радиальным направляющими аппаратами представлены на рисунках 16 а и 16 б.
В погружных насосах используются рабочие колеса закрытого типа одностороннего входа, изготавливаемые методом отливки из чугуна, цветных металлов или методом прессовки из пластмассы.
а б
Рисунок 16. – Двухопорная ступень с осевым (а) и радиальным (б) направляющим аппаратом
Рабочие колеса подачами до 250 м3/сут. Ступени изготавливаются с наружным диаметром 70, 80, 90, 100 мм.
по конструкции лопаточного аппарата в погружных насосах отечественного производства выполняются с цилиндрическими (радиальными) лопатками и лопатками двоякой кривизны, иногда их называют наклонно-цилиндрическими. Рабочие колеса с лопатками двоякой кривизны обладают коэффициентом быстроходности ns>90, имеют более высокий к.п.д., однако, изготовление их сложнее, чем рабочих колес с цилиндрическими лопатками
Ступени с цилиндрическими лопатками рабочих колес и направляющих аппаратов используются в насосах с наружным диаметром 86 и 92 мм на подачи 125 м3/сут, в насосах диаметром 103 мм на подачи до 160 м3/сут, и диаметром 114 мм.
От диаметра рабочего колеса зависит подача насоса, а от числа рабочих колес – напор.
Рабочие колеса и направляющие аппараты имеют различные варианты исполнений:
1 - рабочее колесо с короткой ступицей и отдельной втулкой защитной вала.
2 - рабочее колесо с удлиненной ступицей, которая заменяет собой втулку защитную вала, способствует уменьшению вибрации насоса. Увеличенная площадь зацепления ступицы со шпонкой по длине шпоночного паза колеса исключает срез шпонки.
3 - в двухопорной конструкции рабочее колесо имеет развитую удлиненную ступицу, которая входит под ступицы двух соседних аппаратов направляющих.
В ЗАО "Новомет" г. Пермь разработаны, созданы и испытаны ступени погружного насоса, получившие название центробежно-вихревых (рис.17) с условным обозначением ВНН5-25, ВНН5-80, где 5 – типоразмер насоса, 25, 50, 80 – подача в м3/сут.
Рабочее колесо и общий вид центробежно-вихревой пары представлен на рис.17, 18.
Особенностью конструкции является рабочее колесо, на заднем диске 1 которого размещен дополнительный вихревой венец в виде вихревых лопаток 5.
Рисунок 17. – Рабочее колесо двухопорное центробежно-вихревой ступени насоса:
1 – задний диск; 2 – лопатки центробежные; 3 – передний диск; 4 – ступица; 5 – лопатки вихревые
В центробежно-вихревой ступени (рис.18) используются двухопорные конструкции рабочих колес 1, а направляющий аппарат 2 используется без изменений, как и в одноопорной конструкции. Рабочие органы насосов ВНН являются модернизацией существующих конструкций ступеней центробежных погружных насосов ЭЦНМ. Дополнительные лопатки на заднем диске рабочего колеса исполняют роль диспергатора (турбулизатора), обеспечивая увеличение напора на 11¸ 23%, и создавая более совершенную напорную характеристику Q-H.
Центробжно-вихревая ступень создает вихревой эффект, чем обеспечивается эффктивное диспергирование газоводонефтяной среды и существенно повышается напорность насоса во всем диапазоне подач, особенно, при малых подачах, при этом сохраняется высокий к.п.д. ступеней.
Рисунок 18. – Центробежно-вихревые ступени с двухопорными рабочими колесами:
1 – рабочее колесо; 2 – направляющий аппарат; 3 – вал
В результате насосы с центробежно-вихревыми ступенями могут эксплуатироваться в скважинах при повышенном содержании свободного газа и без установки газосепараторов, при этом иметь эффективный напор больше, чем у ЭЦН с серийными центробежными ступенями.
Подшипниковые узлы погружных насосов
Подшипниковые узлы скважинного центробежного электронасоса являются одними из основных узлов, определяющих долговечность и работоспособность насосного агрегата. Все виды применяемых подшипников представлены на рисунке 19.
Рисунок 19. – Радиальные подшипники секций ЭЦНМ
Они работают в среде перекачиваемой жидкости, являются подшипниками скольжения. Их поверхности трения подвергаются износу. Интенсивность износа зависит от наличия в добываемой жидкости механических примесей, коррозионно-активных элементов, наличия смол, парафина и т.п., а также конструктивного исполнения подшипниковых узлов, используемых для их изготовления материалов, технологии изготовления, для восприятия радиальных и осевых нагрузок на валу насоса подшипникового узла принято подразделять на осевые и радиальные.
В насосах типа ЭЦН радиальные подшипники расположены в верхней (рис.20, позиция 10, 11) и нижней (рис.21, позиция 4, 5) части корпуса секции, а в нижней секции насоса в верхней части корпуса и в основании, ввинченном на резьбе в нижнюю часть корпуса секции. Радиальный подшипник представляет собой цилиндрический корпус с осевыми отверстиями для прохождения потока прокачиваемой жидкости, и ступицу, внутри цилиндрического осевого отверстия которой запрессована втулка.
Рисунок 20. – Осевой и верхний радиальный подшипниковые узлы насоса:
1 – пята; 2,3 – шайбы металлические; 4,5 – шайбы резиновые; 6, 7 – верхняя и нижняя опоры; 8 – кольцо пружинное; 9 – втулка опорная; 10 – втулка ступицы подшипника; 11– втулка вала
Материал: сталь 40Х13, латунь Л63. Кроме того, между рабочими колесами устанавливаются на валу латунные втулки, которые, вращаясь в отверстиях направляющих аппаратов, также служат радиальными подшипниками скольжения в каждой ступени насоса.
В насосах износостойких типа ЭЦНИ для ограничения продольного изгиба вала применяют промежуточные подшипники, которые в зависимости от типа насоса монтируют в корпусе через 16-25 ступеней (на расстоянии от 650 до 1000 мм) вместе с направляющими аппаратами.
Рисунок 11. – Нижний радиальный подшипниковый узел насоса:
1 – вал; 2 – ступень насоса; 3 – ступица подшипника; 4 – втулка ступицы; 5 – втулка вала; 6 – шайба опорная
Промежуточная опора представляет собой резинометаллический подшипник, запрессованный в корпус. Рабочая поверхность подшипника, выполненная из резины 8470, имеет длину 45-55 мм и восемь продольных каналов для образования жидкостной смазки трущихся поверхностей вала и подшипника. Наружный диаметр корпуса подшипника соответствует наружному диаметру направляющего аппарата насоса. Следует помнить, что использование промежуточных радиальных опор уменьшает количество ступеней, размещенных в секции насоса и, следовательно, уменьшается напор насоса по сравнению с насосом ЭЦН обычного исполнения. С введением в эксплуатацию глубоких и сверхглубоких скважин участились межсекционные обрывы в ЭЦН, так называемые «полеты».
Для снижения рисков допущения аварий - «полетов» насосных установок, был внедрен дополнительный подшипник (рис.22) в головке, позволяющий значительно снизить радиальные нагрузки на концевые подшипники секций от шлицевой муфты.
Рисунок 22. – Дополнительный радиальный подшипник секций ЭЦНМ
В модуль-секции износостойкого насоса, кроме верхнего и нижнего радиальных подшипников устанавливаются, через каждый метр корпуса, промежуточные радиальные подшипники (рис.23, позиции 4, 5). Это позволяет увеличить межремонтный срок эксплуатации насосов при повышенном содержании механических примесей в перекачиваемой жидкости. Промежуточный подшипник (рис.23,) состоит из цилиндрического корпуса, имеющего осевые каналы для прохождения потока жидкости и цилиндрической ступицы 3, внутри которой закреплена втулка 4 из нефтестойкой резины.
Рисунок 23 – Промежуточный радиальный подшипниковый узел:
1 – вал; 2 – ступень насоса; 3 – ступица насоса; 4 – втулка ступицы; 5 – втулка вала
Внутренняя поверхность имеет продольные каналы, обеспечивающие прохождение жидкости между валом и втулкой для смазки подшипникового узла. Втулка вала 5 изготавливается из салицилового графита СГ-П или карбида кремния.
Осевые опоры вала насоса
В погружных центробежных насосах вал испытывает, в основном, усилие от напора насоса, действующего на площадь верхнего торца вала, от собственного веса и части осевых сил, возникающих на рабочих колесах, которые могут передаваться валу насоса за счет сил трения рабочих колес о вал и за счет прихвата колес на валу при отложении солей в зазоре между ступицей рабочего колеса и валом насоса. Основной опорой вала, воспринимающей осевое усилие, является подшипниковый узел, расположенный в верхней части корпуса насоса, и получивший название «пята» или «гидродинамическая пята» (рис. 24). В современных конструкциях погружных насосах применяют упорные гидродинамические подшипники 1 с наклонными несущими поверхностями. Стальная опорная шайба 1 , передающая осевое усилие с вала насоса, опирается на шайбу 2 с наклонными несущими поверхностями и далее на стальной подпятник 3. Стальной подпятник неподвижно фиксируется на внутреннем торцевом выступе гайки-ниппеля 5.
На нижнем торце подпятника расположен резиновый амортизатор 4, с помощью которого осевое усилие с подпятника передается на гайку-ниппель 5 и воспринимается корпусом насоса. Гайка-ниппель 5 цилиндрической формы снаружи имеет резьбу, а в центральном отверстии запрессована втулка 6, образующая с защитной втулкой вала радиальный подшипник. В периферийной части имеются осевые каналы для прохода жидкости.
Рисунок 24. – Упорный подшипник с промежуточной плавающей шайбой:
1 – стальная опорная шайба; 2 – плавающая шайба с наклонными несущими поверхностями; 3 – стальной подпятник; 4 – резиновый амортизатор; 5 – гайка-ниппель; 6 – втулка радиального подшипника
В модуль-секции износостойких насосов применяется измененная конструкция осевого подшипника (рис. 25), состоящая из опоры верхней 1, резиновых шайб 2, выполняющих роль амортизаторов и стальных втулок 6, 7 с цилиндрическими проточками, внутри которых размещены подпятник 3 верхний и 4 нижний, опора нижняя 5. Осевая нагрузка от вала передается через опору верхнюю 1, верхнее резиновое кольцо 2, через втулку 6 и верхний
Рисунок 25. – Осевой подшипник износостойкого насоса:
1 – опора верхняя; 2 – шайба резиновая; 3 – подпятник верхний; 4 – подпятник нижний;
5 – опора нижняя; 6 – верхняя втулка; 7 – нижняя втулка
подпятник 3 на нижний подпятник 4, втулку 7, резиновое кольцо 2, на опору 5 и далее на корпус насоса. В износостойких насосах используются в парах трения (подпятниках) материалы повышенной износостойкости: салициловый графит СГ-П по салициловому графиту СГ-П или карбиду кремния по карбиду кремния.
Литература:
1. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов В.С., Пекин С.С. Оборудование для добычи нефти и газа: В 2 ч. – М: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. – Ч.1. – 768 с.
2. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. Уч. пособие для вузов – М: ФГУП Изд-во«Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. – 816с
3. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов В.С., Пекин С.С. Оборудование для добычи нефти и газа: В 2 ч. – М: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. – Ч.2. – 792 с.
4. Нефтегазопромысловое оборудование / Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Каштанов В.С. и др. Под общей ред. В.Н.Ивановского. Учебник для ВУЗов. – М.: «ЦентрЛитНефтеГаз» 2006. – 720 с.
5. Чичеров Л.Г. Нефтепромысловые машины и механизмы. Уч.пособие. – М.: Недра, 1983. – 312 с.
////////////////////////////