Расчетная часть-Расчет безбалансирного станка качалки-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет безбалансирного станка качалки: Выбор и расчет электромеханического оборудования, Определение нагрузки в точке подвеса штанг, Выбор размера каната, Выбор размера барабана лебедки, Определение мощности привода, Расчёты на прочность и долговечность основных элементов, Расчет вала на прочность, расчет шпоночных соединений-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

2 Специальный раздел
2.1 Разработка конструкции безбалансирного станка качалки
2.1.1 Исходные данные
1. Плотность, кг/м3:
- воды –1010
- сепарированной нефти –900
- газа в нормальных условиях –1,1
2. Планируемый дебит скважины, м3/сутки –55
3. Обводненность продукции пласта, доли единицы –0,8
4. Газовый фактор, м3/ м3 –10
5. Глубина расположения пласта (отверстий перфорации), м –2150
6. Пластовое давление МПа -18
7. Давление насыщения, МПа –8
8. Пластовая температура и температурный градиент, oС –75, 0,02
9. Коэффициент продуктивности, м3/ МПа
10. Размеры обсадной колонны, мм –146
11. Текущее объемное газосодержание –0,5

2.1.2 Разработка основных положений технического задания
1 .Наименование и область применения
1.1 Наименование изделия и его шифр.
Безбалансирный станок качалка БСК М.


1.2 Назначение и область применения. Безбалансирный станок качалка (СК) предназначен для привода плунжерного насоса.
1.3. Возможность использования изделия для поставки на экспорт. Безбалансирный станок качалка может поставляться на экспорт самостоятельно при наличии патентной чис¬тоты по стране поставок.
2. Основание для разработки.
2.1. Организация, утвердившая документ.
Кафедра НГМиО в лице заведующего кафедрой Сысоева Н.И
2.2. Тема, этап отраслевого и тематического плана в рамках которого
будет выполняться данная работа.
Дипломный проект.
3.Цель и назначение разработки.
3.1. Заменяемое старое изделие или создание нового.
Разработка безбалансирного станка качалки.
3.2.Ориентировочная потребность по годам с начала серийного производства – 1 шт. для кафедры НГМиО ЮРГТУ, дальнейший выпуск по заказам предприятий.
3.3. Источники финансирования кафедра "Нефтегазопромысловые и
горные машины и оборудование", Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
3.4.  Количество и сроки изготовления – 1 шт. для кафедры НГМиО ЮРГТУ, в дальнейшем оговариваются с заказчиком.
3.5. Предполагаемые исполнители
Предполагаемые исполнители – студенка кафедры НГМиО Шевченко Н.Г., инженеры ОАО Ливгидромаш (г. Ливны, Орловская область).
.4. Источники разработки.
4.1. Протоколы лабораторных и производственных испытаний
отсутствуют, конструктивные проработки отсутствуют
4.2. Перечень других источников.
Ивановский В.Н. Дарищев В.И. Сабиров А.А. Каштанов В.С. Пекин С.С. "Скважинные насосные установки для добычи нефти" Москва 2002г.
5.1 Стандарты и нормативно-техническая документация. Технические условия на балансирные станки качалки ТУ 12.44.778-80, технические условия на плунжерные и диафрагменные насосы ТУ 12.44.778-80, ТУ 12.44.778-80.
5.2 Состав изделия, требования к устройству. Безбалансирный станок качалка содержит вышку, лебедку, два электродвигателя, шкив и канат.
5.3. Требования к показателям назначения, надежности и ремонтопри¬
годности. Основные технические параметры безбалансирного станка качалки, определяющие ее целевое использование и применение изложены в п. 1.2. и 5.2. настоящего ТЗ.
5.4. Требования к унификации.
При разработке конструкции безбалансирного станка качалки необходимо стремиться к максималь¬ной унификации с конструкциями серийных станков качалок СК.
5.5. Требования к безопасности.
Эксплуатацию станка качалки необходимо выполнять в соответствии с правилами безопас¬ности в нефтегазовой отрасли, Правилами технической эксплуатации электро¬установок, Правилами техники безопасности при эксплуатации электроуста¬новок и требованиями инструкций, отсутствие подвижных элементов.
5.6. Эргономические и эстетические требования.
Эргономические показатели станка качалки должны обеспечивать максималь¬ную эффективность, безопасность и комфортность труда, все неподвижные элементы безбалансирного СК необходимо красить противокарозийной краской.
5.7. Требования к патентной чистоте.
Станок качалка дол¬жнен обладать патентной чистотой по странам СНГ, бывшим СЭВ, а также США, Англии, Франции, Японии, Германии.
5.8. Требования к номенклатуре изделия.
БСК должен применяться в условиях указанныхв п.1.2. настоящего ТЗ.
6. Экономические показатели.
6.1. Ориентировочный экономический эффект от безбалансирного станка качалки
6.2. Срок окупаемости затрат – безбалансирного станка качалки
6.3. Лимитная цена безбалансирного станка качалки
6.4. Предполагаемая потребность по заказам предприятий.
7. Стадии и этапы разработки.
7.1. Разработка конструкторской документации для изготовления
опытной конструкции безбалансирного станка качалки. Изготовление и предварительные испытания опытной конструкции безбалансирного станка качалки.
7.2. Приемочные испытания опытной конструкции безбалансирного станка качалки.
7.3. Корректировка конструкторской документации на установочную серию.
7.4. Изготовление установочной серии безбалансирного станка качалки.
2.1.3 Выбор и расчет электромеханического оборудования
Определяется плотность смеси на участке «забой скважины — прием насоса» с учетом упрощений:
     
где ρи — плотность сепарированной нефти, кг/м3; ρв — плотность пластовой воды; ρг — плотность газа в стандартных условиях; Г — текущее объемное газосодержание; b — обводненность пластовой жидкости.
ρсм = [1010·0,8+900·(1-0,8]·(1-0,5)+1.1·0,5=898 кг/м3
Определяется забойное давление, при котором обеспечивается заданный дебит скважины:
        
где Рпл — пластовое давление, МПа; Q — заданный дебит скважины, м3/сут; Кпрод — коэффициент продуктивности скважины, м3/МПа.
Рзаб = 18-55/4=4.25 МПа=4.25·106 Па.
Определяется глубина расположения динамического уровня при заданном дебите жидкости:
       
где: Lскв — глубина расположения пласта, м.
Ндин = 2150-4.25·106/898·9,8=1717 м.
Определяется давление на приеме насоса, при котором газосодержание на входе в насос не превышает предельно-допустимое для данного региона и данного типа насоса (например — Г = 0,15):
        
(при показателе степени в зависимости разгазирования пластовой жидкости т = 1,0), где: Рнас — давление насыщения, МПа.
Рпр = (1-0,5)·8=0.5 МПа=0.5·106 Па.
Определяется глубина подвески насоса:
       
L =1717+0.5·106/898·9,8=1800 м.
Определяется температура пластовой жидкости на приеме насоса:
       
где Тпл — пластовая температура, °С; Gт — температурный градиент, °С/1м.
Т = 75-(1200-717)·0,02=48.5 °С.
Определяется объемный коэффициент жидкости при давлении на входе в насос:
     
где В - объемный коэффициент нефти при давлении насыщения; b - объемная обводненность продукции; Рпр — давление на входе в насос,МПа; Рнас - давление насыщения,МПа.
В*=0.8+(1-0.8)[1+(1.18-1)√0.5/8]=1,013
Вычисляется дебит жидкости на входе в насос:
         
Qпр = 55·1,013=55.5 м3/сут.
Определяется объемное количество свободного газа на входе в насос:
       
где G — газовый фактор, м3/м3.
Gпр = 10·[1-(0.5/8)]=9,3 м3/м3.
Определяется газосодержание на входе в насос:
      
βвх = 1/[((1+0.5/6,4)/1.013)/9,3+1]=0,1
Определяется работа газа на участке «забой — прием насоса»:
       
Рг1 = 8[[1/(1-0,4·0,1)]-1]=0,5 МПа .
Определяется работа газа на участке «нагнетание насоса — устье скважины»:
       
Рг2 = 8[[1/(1-0,4·0,27)]-1]=0,97 МПа.
Выбираю насос НСН2
Условный диаметр насоса 43мм., максимальная идеальная подача 70 м3/сут., при числе качаний 6 в минуту, максимальная длина хода плунжера 4 м., максимальная глубина спуска насоса 2200м. [5]
2.1.4 Определение нагрузки в точке подвеса штанг
Плотность стали 7800 кг/м3.
Максимальная нагрузка в точке подвеса штанг определяется по формуле [6]

где: Рж – сила тяжести жидкости над плунжером, кН.,
Ршт – сила тяжести штанг в жидкости, кН.,
S – ход плунжера, м,
n – число двойных ходов плунжера в минуту,

где: ρж, ρшт – плотность пластовой жидкости и материала штанг, кг/м3.

где: Vж – объем жидкости над плунжером, м3, g – ускорение свободного падения, с/м2.

где: dвн.нкт. – внутренний диаметр НКТ, м,
dшт. – диаметр штанг, м,
Н – глубина спуска насоса, м.



где: L – длина штанг, м.



2.1.5 Выбор размера каната
предел прочности каната диаметром 20 мм на разрыв = 0,6 МПа, площадь поперечного сечения каната Sk= 0,3 м2.
Усилие действующие в точке подвеса штанг определяется по формуле

Коэффициент запаса прочности

Следовательно, канат выдержит нагрузку.[7]
2.1.6 Выбор размера барабана лебедки.
Диаметр барабана лебедки выбирается в зависимости от диаметра каната и равен:
Dб=(23-26) dk
Dб=23×0,020=0,4 м. [7]

2.1.7 Определение мощности привода
Мощность привода определяется по формуле:

где: Nб – мощность на барабане лебедки, кВт,
ηтр – КПД трансмиссии.

где: υ – расчетная скорость подъема штанг = 1,5 м/с.
ηт – КПД талевой системы.

Принимаю электродвигатель СД3 - 12 - 46 - 8А мощностью 30 кВТ.
Исходя из значения потребляемой мощности электродвигателя, для данной установки я выбираю кабель 3х жильный с d=50мм, его обозначение- КПБК 3 50.
Трансформатор проверяется на возможность поднять напряжение тока до суммы напряжения, требуемого двигателем, и снижения напряжения в кабеле в рабочем режиме двигателя. Кроме того, проверяется мощность трансформатора.
По ранее выбранному электродвигателю выбираем тип автотрансформатора АТС-3-20.
При выборе станции управления необходимо учитывать тип трансформатора, силу тока, подаваемого на двигатель, и некоторые другие условия.




2.2 Расчёты на прочность и долговечность основных элементов
2.2.1 расчет шпоночных соединений
Рассчитывают шпонку как наиболее слабую деталь соединения. Размеры стандартных шпонок подобраны из условия прочности на смятие, поэтому основным расчетом их является проверочный расчет на смятие.
Расчет призматической шпонки


Размеры сечений шпонки (ширину b и высоту h), глубину паза t1 выбирают в зависимости от диаметра вала d.
d – диаметр вала = 100 мм, b – ширина шпонки = 17 мм, h – высота шпонки = 14 мм, t1 – глубина паза на валу = 9 мм, l – длина шпонки = 80 мм, [σсм] = 35 МПа.

Ft – окружная сила передаваемая шпонкой, Н; Асм – площадь смятия, мм2; [σсм] – допустимое напряжение на смятие, МПа.

М – крутящий момент, Н*мм; d – диаметр вала, мм.

N – мощность электродвигателя, кВт; n – частота вращения вала, об/мин.

lp – рабочая длина шпонки


Определяем коэффициент запаса прочности
что достаточно
Необходимый коэффициент запаса прочности n=(2-3)[8]

2.2.2 Расчет вала на прочность
Вал изготовлен из Стали 40Х: σТ=750 МПа, τТ=450 МПа, наружный диаметр вала 100мм, крутящий момент 1302 Н*м, осевая сила 1280 Н,
Определение нормальных напряжений в сечении

Мmax – суммарный изгибающий момент Н*м,
W – момент сопротивления сечения вала изгибу мм3
A – площадь поперечного сечения мм2
Fmax – осевая сила Н


D – диаметр вала мм
Определение касательных напряжений

Мк max – максимальный крутящий момент
Wк – момент сопротивления сечения вала кручению
Мк max = Мк * Кп = 1302*2,2=2864,4

Кп – коэффициент перегрузки. Для большинства асинхронных электродвигателей =2,2
Частные коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям


Общий коэффициент запаса прочности по пределу текучести при совместном действии нормальных и касательных напряжений.

Статическую прочность считают обеспеченной nТ≥[nT] где [nT] = 1.3-2 [8]

















2.3 Описание конструкции устройства.

Рисунок 2.1 - Безбалансирный и безредукторный станок качалка
 Данный станок качалка имеете составной барабан лебедки. Он имеет левый 4 и правый 7 конические участки, соединенные между собою цилиндрическим участком. Равноудалено от вертикальной оси симметрии барабана и по направлению к ней на левом 5 и правом 6 участках уложены равные мерные длины каната 8 с навивкой в противоположных направлениях относительно оси вращения. Концы каната 8 прикреплены к барабану вблизи вертикальной оси сим¬метрии. Полная длина каната 8 превышает его длину, уложенную на барабан, так, что образуется петля, проходящая через блок 9.
При вращении барабана по часо¬вой стрелке канат наматывается на левые участки барабана и сходит с правых. Длина петли каната не меняется пока канат проходит участки 5 и 6, так как длина каната сходящего с участка 6, равна длине каната укладывае¬мого на участок 5. Блок 9 и прикреп¬лённая к нему масса подвески штанг неподвижны.
При переходе к коническому участку 4 на него укладывается длина каната большая длины, сходящей с участка 6 и за счет этого происходит поднятие штанг вверх.