Повышение надежности гидравлической системы двойных торцовых уплотнений вала ротора двухвинтового мултифазного насоса типа МРС-208-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Пояснительная записка объемом страниц 128 машинописного текста, содержит рисунков 19, таблиц 9, источников 9.
 Ключевые слова: МУЛЬТИФАЗНЫЙ НАСОС, ТОРЦЕВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ, ПЕРЕПУСКНОЙ КЛАПАН, УПСВ, ДНС, ОДНОВИНТОВОЙ НАСОС, ДВУХВИНТОВОЙ НАСОС, РОТОРНО-ШАРНИРНО-ЛОПАСТНОЙ НАСОС.
  В работе проведен анализ существующих конструкций мультифазных насосов, выполнен расчет на прочность основных элементов насоса, проведен анализ инцидентов мультифазных насосов, проведено экономическое обоснование инвестиционного проекта, а также рассмотрены вопросы обеспечения безопасности работ при эксплуатации насосов, охраны труда и защиты окружающей среды.
 Объектом разработки является двухвинтовой мультифазный насос.
  В качестве специального вопроса выполнен анализ работоспособности гидравлической системы двойных торцовых уплотнений вала ротора двухвинтового мултифазного насоса типа МРС208, с разработкой предложенией по повышению надежности и совершенствованию конструкции элементов системы.
При перекачивании смеси с большим содержанием газа и большим давлением на входе в насос можно наблюдать парадоксальную на первый взгляд картину. При уменьшении степени повышения давления подача насоса будет меньше, чем при гораздо большей степени повышения давления, но при небольшом давлении на входе в насос.
Происходит это из-за того, что при большом значении характер распределения давления вдоль винта аналогичен распределению давления при перекачивании насосом только жидкости. Связано это с тем, что газ поступает в насос уже в достаточно сжатом состоянии и дальнейшего сжатия по мере его продвижения вдоль винта не происходит, следовательно, перепад давления на всех ступенях примерно один и тот же. В том числе и на первой ступени ближайшей к линии всасывания. Таким образом, в первой ступени присутствуют утечки, приводящие к снижению подачи насоса. Провести подобные испытания в лаборатории затруднительно ввиду того, что для этих целей необходимо использовать мощные компрессоры способные создавать высокое давление воздуха на входе в насос.
При перекачивании смеси при невысоком давлении на входе в насос, как уже отмечалось выше, основное повышение давления и основные утечки происходят на последней ступени, а на первой ступени перепад давления равен нулю и, следовательно, утечки равны нулю.
С целью подтверждения правильности математической модели и алгоритмов решения проводилось моделирование работы насосов А8 2ВВ 80/40-40/40, А8 2ВВ 50/40-30/40, А8 2ВВ 22/40-10/25 и сравнение результатов моделирования их работы с экспериментальными данными, полученными при натурных испытаниях на стенде завода-изготовителя, которые приведены на рис. 8, 9, 10 [5].
Моделирование проводилось для двух режимов работы:
- перекачивание воды;
- перекачивание мультифазной смеси, состоящей из воды и воздуха.
Моделирование мультифазного потока проводилось при различном газосоодержании.
Численный эксперимент имитировал снятие рабочей характеристики насоса при проведении натурных испытаний.
Порядок проведения испытаний заключается в последовательном изменении дифференциального давления насоса и замерах величины подачи, соответствующих каждому значению давления.
При моделировании работы насоса на мультифазной жидкости на вход насоса подается смесь воды и воздуха при заданном давлении. Количество воздуха и жидкости, поступающих в насос измеряется при помощи расходомеров.
Характеристики, полученные при испытании насоса, и полученные при моделировании нанесены на одно поле.
В качестве исходных данных принимались следующие параметры насосов:
- геометрическая подача при частоте вращения 1450 об/мин;
- параметры винтовой нарезки – ход нарезки, ширина винтовой нарезки, диаметры винтов, количество замкнутых камер;
- действительные величины радиальных зазоров между винтами и обоймой, полученные при изготовлении винтов и обоймы;
- величины дифференциального давления и соответствующие значения подачи брались в соответствии с протоколом испытаний;
- величины эксцентриситета для каждого витка определялись в соответствии с зависимостями для деформации стержня цилиндрического сечения, состоящего из нескольких участков цилиндрической формы, под действием радиальной силы.
На рис.8. приведены напорные характеристики насоса А82ВВ 80/40-40/40, полученные при эксперименте и в результате расчёта. Относительная ошибка расчетов составила не более 2,64%.
На рис.9 приведены расчётная и экспериментальная характеристики насоса А8 2ВВ 50/40-30/40 при перекачивании воды. Относительная ошибка расчёта подачи не превосходит 2,34%.
Моделирование работы двухвинтового мультифазного насоса А82ВВ 22/40-10/25. Результаты моделирования и экспериментальная характеристика приведены на рис.10. Относительная ошибка не превысила 2,13%.
Результаты расчётов показывают, что при моделировании работы двухвинтовых насосов на воде, составленная модель с достаточной достоверностью описывает работу двухвинтового насоса. Относительная ошибка расчетов для всех трех насосов не превысила 3%.
Необходимо отметить, что важным параметром при моделировании является величина эксцентриситета расположения винтов относительно обоймы. Моделирование насоса без учета эксцентриситета не приводит к удовлетворительному совпадению результатов расчета и эксперимента при дифференциальном давлении больше 15 бар.
Моделирование насоса при перекачивании смеси воды и воздуха
проводились только для насоса А8 2ВВ 80/40-40/40 из-за отсутствия экспериментальных данных для других насосов. Моделирование также повторяло эксперимент на стенде. При испытаниях снимается одна точка при определенном значении газосодержания и давлений на входе и на выходе из насоса.
Для первого режима расчётное значение подачи смеси составило 102,2 м3/ч. Данные эксперимента – 100,58 м3/ч, относительная ошибка – 1,61%.
Для второго режима расчётное значение подачи смеси составило 93,04 м3/ч. Данные эксперимента – 91,91 м3/ч, относительная ошибка – 1,23%.
Меньшее значение подачи при меньшем газосодержании объясняется параболическим распределением давления вдоль винта. При большем газосодержании перепад давления на первой камере приближается к нулю и соответственно величина утечек равна нулю, поэтому величина подачи приближается к геометрической.
Описанная в работе методика, реализованная в виде программы, позволяет автоматизировать процесс подбора мультифазных насосов и рассчитывать характеристики насосов с достаточно высокой точностью.
Поскольку условия на входе в насос в реальных условиях могут меняться в широком диапазоне, то автоматизация прогнозирования рабочих характеристик насоса позволяет избежать ошибок при подборе оборудования.

СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВОПРОС АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДВОЙНЫХ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ ВАЛА РОТОРА ДВУХВИНТОВОГО МУЛЬТИФАЗНОГО НАСОСА ТИПА МРС208.
4.1 Обоснование необходимости проведения анализа и разработки технических мероприятий по повышению надежности работы гидравлической системы торцовых уплотнений насоса. Краткая характеристика объекта разработки.
Объектом проведения анализа выбраны мультифазные насосы типа МРС208 в составе многофазной насосной станции (МФНС) немецкой фирмы Борнеман, установленные на УПСВ «Пиненковская» и ДНС «Буролатская» ОАО «Самаранефтегаз».
На данных объектах многофазные насосы эксплуатируются с декабря 2007 года. Насосы включены в работу по параллельной схеме, при этом один из насосов находиться в работе, два других в резерве. Система управления не исключает параллельную работу двух насосов. Возможность перекачивания многофазной среды с содержанием газа до 100% обеспечивается за счет наличия буферной емкости с жидкостью объемом 50м.куб. При прохождении газовой пробки система автоматического регулирования работой насоса обеспечивает подачу жидкости на вход насоса из буферной емкости.
Краткая характеристика объектов
В состав УПСВ «Пиненковская» и ДНС «Буролатская» входят:
•  технологическая площадка;
• площадка узла переключения;
• насосная;
• факельное хозяйство;
• площадка дренажных емкостей;
• инженерные сети.
УПСВ «Пиненковская» предназначена: для сброса пластовой воды, ее утилизации, транспорта обезвоженной нефти и попутно добываемого газа на УПСВ «Софинско-Дзержинская».
.
Производительность УПСВ- по жидкости 2,9 млн.т/год.

ДНС «Буролатская» предназначена для транспорта нефтяной эмульсии и попутно добываемого газа, поступающих по трубопроводу с Пиненковской УПСВ и Ежовской ДНС, на УПСВ «Софинско-Дзержинская».
Производительность ДНС – 1,2 млн.т/год.
Технологические процессы на УПСВ и ДНС автоматизированы.
У винтовых насосов МРС 208 с наружным подшипниковым узлом для уплотнения валов применяются односторонние торцовые уплотнения с установленным за ним радиальным кольцом для уплотнения вала. Вышеуказанные уплотнения валов поставляются с различными комбинациями материалов. Герметичность системы торцовых уплотнений вала насоса обеспечивается за счет создания и поддержания требуемого перепада давления между затворной жидкостью в полости торцовых уплотнений и рабочего давления перекачиваемой жидкости в корпусе насоса. Гидравлическая схема системы торцовых уплотнений представлена на рис.3 и состоит: из нагнетательной и обратной линий; гидроаккамулятора, двух щаровых кранов с электроприводом, подающего и циркуляционного насосов, торцовых уплотнений мультифазного насоса, маслорадиатора, фильтра, двух перепускных клапанов.
Гидравлическая система работает следующим образом:
Жидкость из гидробачка подается насосом в гидроаккамулятор, где поддерживается давление в системе до 5,0МПа.. При открытом запорном устройстве (шаровом кране) жидкость по линии нагнетания через перепускной клапан попадает в систему торцовых уплотнений, при этом система управления поддерживает постоянный перепад давлений 0,43 МПа между давлением гидравлической жидкости (затворной) в системе торцовых уплотнений и давлением перекачиваемой жидкости в корпусе насоса. Этот перепад давления необходим для обеспечения нормальной работы торцовых уплотнений с обеспечением заданной герметичности по валу винта, смазки, охлаждения и защиты подшипников от попадания в них перекачиваемой жидкости, газа и механических примесей. После прохождения гидравлической жидкости через торцовые уплотнения, она с помощью циркуляционного насоса проходить через масляный радиатор, охлаждается и поступает обратно на вход торцовых уплотнений (работа по малому кругу при установившемся режиме) или стравливается в маслобак по линии слива (работа по большому кругу).
Процесс поддержания постоянного перепада давлений, а соответственно надежность работы торцовых уплотнений и подшипников, обеспечивается надежной и безотказной работой перепускных клапанов, являющихся управляющими механизмами системы управления МФНС. В случае отказа перепускного клапана возможно два варианта событий:
1. снижение давления внутри камеры торцовых уплотнений ниже допустимого значения. В этом случае перекачиваемая жидкость может попасть во внутреннюю полость торцового уплотнения, что в свою очередь приводит к выдавливанию затворной жидкости, загрязнению гидравлической жидкости системы торцовых уплотнений, и как следствие, выход из строя торцового уплотнения, подшипников.
2.повышение давления внутри камеры торцовых уплотнений выше допустимого значения. В этом случае гидравлическая жидкость выдавливается в полость насоса, что в свою очередь приводить к масляному голоданию подшипников и торцовых уплотнений с последующим нарушением герметичности.
Анализ ошибок, выдаваемых системой управления МФНС на УПСВ «Пиненковская» и ДНС «Буролатская» ОАО «Самаранефтегаз», указывает, что наиболее частая остановка МФНС происходит по причине повышения или понижения установленного перепада давлений 0,43МПа в системе торцовых уплотнений насоса, вызванная нестабильной работой перепускных клапанов.
4.2 анализ работы клапана перепускного AEXd22061f-S1788/T4.
Анализ проведён по представленному образцу клапана, бывшего в работе в составе системы уплотнений С.
Произведена разборка клапана с разрезкой клапана электроискровым способом без повреждения внутренних элементов конструкции.
Проведён анализ состояния деталей, в том числе мест уплотнений.
Проведены необходимые обмеры, выполнены эскизы деталей и сборки в целом.
Клапан представляет конструкцию с основным элементом уплотнения «конус по седлу», имеет разгрузочные каналы и пружину прижатия конуса на седло. Клапан открывается принудительно с помощью электромагнита.
При подаче на катушку электромагнита напряжения 24 В якорь электромагнита перемещается и, нажимая на хвостовичок клапана поз.3 (см. сборочный эскиз), перемещает его, сжимая пружину поз. 6, при этом конусная часть клапана отходит от седла втулки поз.2 – клапан открыт, рабочая жидкость через вход «Р» истекает из выхода «А».
Подвижные элементы клапана и электромагнита выполнены высокоточными с высокой степенью шероховатости поверхности. Работоспособность клапана обеспечивается при высокой степени чистоты рабочей жидкости. В случаях использования рабочей жидкости с примесями, особенно с твёрдыми частицами, может быть зависание (клинение) подвижных частей клапана и якоря электромагнита и как следствие его негерметичность или не открытие клапана.
Наиболее вероятными причинами нестабильной работы клапана являются:
• не герметичность клапана в месте сопряжения конусной части с седлом.
• недостаточное усилие развиваемое электромагнитом (клапан полностью не открывается) или пружиной (клапан полностью не закрывается).
• зависание подвижных частей клапана(в открытом, закрытом или в каком – либо промежуточном положении) при попадании в гидравлическую жидкость загрязнений (следствие двух первых причин).


4.3 Предложения по устранению выявленных недостатков и повышению надежности работы гидравлической системы торцовых уплотнений.
1.Принять технологические меры по подготовке жидкостим к подаче на вход насосов с целью предупреждению возможности превышения давления на входе в насос выше допустимых значений (1,2-1,5 мПа), что в дальнейшем предотвратит повышения давления в полости насоса и прорыва перекачиваемой жидкости в во внутреннюю полость торцовых уплотнений. Такими мерами могут быть: подогрев и снижение вязкости, дополнительная фильтрация поступающей жидкости на вход насосов, использование химреагентов и т.д.
2.повысить чистоту гидравлического масла системы торцовых уплотнений, путем установки дополнительного фильтра на линии слива гидравлической жидкости в гидробачок, что в последующем предотвратит такое явление как зависание клапана (чистота масла должна быть не ниже 14 класса).
3. Ограничит забор затворной жидкости из нижней отстойной части гидравлического бачка, путем доработки приемного устройства,
4. Увеличить усилие сжатия прижимной пружины на 5 кг/см.кв, для более плотного прилегания конусной части к седлу пружины.
5.Увеличить усилие электромагнитной катушки, с целью обеспечения наиболее полного открытия клапана.