Расчетная часть-Расчет СШНУ-Расчёт на прочность и долговечность основных элементов плунжерно-диафрагменного насоса ПДН -1500 - 1,8-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет СШНУ-Расчёт на прочность и долговечность основных элементов плунжерно-диафрагменного насоса ПДН -1500 - 1,8:Определение геометрических размеров основных элементов балансира и шатуна станка качалки, Расчет мощности привода электродвигателя станка-качалки, Расчёт производительности плунжерно - диафрагменного насоса ПДН -1500 -1,8-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

2.3. Выбор основных параметров проектируемого изделия.
2.3.1. Выбор основных параметров СШНУ.
К основным параметрам штанговых насосных установок (ШНУ) [8] относятся:
– максимальная нагрузка в точке подвеса штанг;
– длина хода устьевого штока;
- число двойных ходов точки подвеса штанг;
– крутящий момент на ведущем валу редуктора

1. Максимально допустимая нагрузка в точке подвеса штанг определяется по формуле:
, где
- статическая нагрузка, кН;
- динамическая нагрузка, кН;
, где
- вес столба жидкости, кН;
- вес колонны штанг;



- масса подвижных частей насоса, кг
- момент инерции;
= 4500 · 0,693 = 3118,7 Н
, где
- длина хода штока, м;
- угловая скорость, рад/с-1;
= 1/2 · 1,8 · 1,112 · (1 - 0,6/1,6) = 0,693

PMAX = 42,2 + 43,6 + 3,1187 = 89,12кН

2. Максимальная длина хода устьевого штока (lx) определяется производительностью ШНУ.
Теоретическая производительность  ;
QСУТ - производительность насоса, м3/сут;
ТСМ – число смен;
КЭ – коэффициент эффективности;
ТСМ = 8 час.
n = 3 смены
КЭ = 0,6 – 0,7


, где
- число двойных ходов;
- объём жидкости, поднимаемой станком-качалкой за один рабочий ход;
качаний в минуту;
= 3,53литра пластовой жидкости;
3. Число двойных ходов точки подвеса штанг определяется исходя из конструктивных параметров плунжерно-диафрагменного насоса, а конкретно от объёма рабочей камеры насоса и их количества во всасывающей камере.
Согласно требованиям ТЗ минимальный наружный диаметр плунжерно-диафрагменного насоса должен быть не более 102 мм.
Согласно ГОСТ 8732 – 84 на заготовки из труб для корпусов гидроцилиндров берём трубу 102x11–35 из стали 35 и, согласно структурной схемы (рис.1), размещаем в ней оборудование, необходимое для работы плунжерно-диафрагменного насоса.
Исходя из оптимальной формы рабочей камеры её максимальная полезная площадь составит 28 см2; рабочий объём, при длине по прижимным фланцам 480 мм, равен 1175 см3. Таким образом, в камере всасывания я размещаю 3 рабочих камеры общим рабочим объёмом 3530 см3.

4. Длина хода устьевого штока зависит от суммарного объёма рабочих камер и геометрических размеров рабочего цилиндра, размещаемого в нагнетательной камере насоса.
Выполнив эскизную проработку чертежа насоса устанавливаю, что при внутреннем диаметре рабочего цилиндра 50мм ход плунжера рассчитывается по формуле:
, где
- суммарный объём рабочих камер, см3 ;
- максимально полезная площадь рабочей камеры, см2;
lx = 1176/19,6 = 180 см.

2.3.2. Определение геометрических размеров основных элементов балансира и шатуна станка качалки.
Согласно [5] соотношение между основными конструктивными элементами балансира станка качалки должно отвечать следующим соотношениям:
r/l = 0.35...0,40; r/k = 0,45...0,50; k1/k ≤ 1.7
Исходя из определенной длины хода устьевого штока lx = 1,8 метра, принимаем амплитуду качаний точки 2 равной 1,2 метра.
В соответствии с выше указанными соотношениями величина радиуса кривошипа r составит 0,6 метра, длина шатуна l=r/0.375=1.6 метра.


Рис. 2.3 Схема станка качалки
Длина плеча балансира k =r/0.475=1.26 метра. Длина плеча k1определится с
учетом длины хода устьевого штока lx. k1/k = 1.8/1.2→ k1 = 1.89 метра.

2.3.3. Определение геометрических параметров рабочего цилиндра.
Расчет гидроцилиндра на прочность согласно [7] производится по отдельным элементам, основными из которых являются цилиндрический корпус и шток. В первом случае при расчёте гидроцилиндра на прочность ограничиваются расчётом напряжений, возникающих от внутреннего давления жидкости, исключая при этом действие напряжений от внешних сил и др. факторов (температура и т.д.).

Толщина стенки стального цилиндра [7] определяется по формуле:
; где
d – внутренний диаметр цилиндра;
- допускаемые напряжения для материала цилиндра по окружности (для углеродистой стали = 100 – 120 МПа);
р – рабочее давление, МПа;
- коэффициент Пуассона (для стали = 0,3)
;
F = (0,0902 – 0,0222) = 5978,6мм2;
; принимаю t = 6 мм;
толщина плоскости донышка:
tПЛ.Д . ;
по конструктивным соображениям принимаю tПЛ.Д. = 15 мм.

2.4 Расчёт силовых и энергетических параметров машины.
2.4.1 Расчет мощности привода электродвигателя станка-качалки.
Необходимо определить мощность привода электродвигателя станка-качалки и число клиновых ремней для передачи крутящего момента от электродвигателя входному валу редуктора.
Расчёт клиноремённой передачи рекомендуется [3] производить по допускаемой мощности Ро на один ремень.
Число ремней определяется по формуле:
,
где kд - коэффициент динамической нагрузки и режима работы передачи, табл.11.2[3];
kα- коэффициент, учитывающий влияние угла обхвата, ремнем меньшего шкива табл.11.4[3];
kl - коэффициент, учитывающий длину ремня см. с.142 [3];
kz- коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по ремням, см. с.142 [3];
P1 – мощность на ведущем шкиве, кВт.
Для определения Р1 необходимо определить крутящий момент на выходном валу редуктора; он определяется по формуле:
;
Ртолк. – усилие передаваемое шатунами станка-качалки;
Ртолк. = ;
;
Для определения крутящего момента на входном валу принимаю редуктор из числа стандартных с iр=90
;
при этом частота вращения входного вала редуктора составит:
об/мин;  n = 960 мин -1;
nВЫХ. = числу двойных ходов;
iэ.д-р = 960/954 = 1,006;
Мощность электродвигателя определяется по формуле:
кВт;
кН·м;
,
для привода станка-качалки применяем электродвигатель с короткозамкнутым ротором серии АО, закрытого исполнения, с частотой вращения 960 мин-1, мощностью 100 кВт. Для безопасной работы электродвигатель оснащаем масляным выключателем, для предохранения от искрообразования в контактах. Для безаварийной работы данный электродвигатель в обязательном порядке должен быть оснащен автоматической защитой, в случае обрыва штанг или сальникового штока на балансире станка-качалки, состоящей из магнитного выключателя типа ИМВ-2.
Для клиноременной передачи принимаем тип ремня Д, а диаметр ведущего шкива вычисляем по формуле
, где С - эмпирический коэффициент для клиновых ремней     (С = 38 - 42).
= 384 мм, т.к. минимальный диаметр шкива для данного типа ремня равен 500 мм, т.о. принимаем dшк = 500 мм. Определим линейную скорость движения ремня V = ω · r, ω = (3,14 · 960)/30 = 100,48; r = 1/2 dшк.
V=100, 48 · 0, 25 = 25,12м/с.
kд = 1,1; kα = 0,88; kl = 1,0; kz = 0,9; Ро = 20,46кВт.
= 6,03, принимаем число ремней z = 7


2.4.2 Расчёт на прочность и долговечность основных элементов плунжерно-диафрагменного насоса ПДН -1500 - 1,8
Выполним расчет на прочность резьбового соединения плунженрно-диафрагменного насоса ПДН -1500 - 1,8 с колонной насосно - компрессорных труб.
Резьбы крепёжные и крепёжно – уплотнительные проверяют на срез [5]:
;
;
где: τсрБ и τсрГ – соответственно напряжение среза резьбы болта и гайки, Q∑ - осевое усилие, воспринимаемое резьбой, d1 – внутренний диаметр резьбы болта [6], D – наружный диаметр резьбы гайки [6], kп – коэффициент полноты резьбы: kп = 0,87 для метрической, kп = 0,65 для трапецеидальной, kп = 0,5 для прямоугольной, Н – высота гайки, [τ]срБ и [τ]срГ –соответственно допускаемое напряжение на срез болта и гайки, .
Q∑ - определяется весом насосных штанг РШТ. и весом “столба” вытесняемой пластовой жидкости Рж , что в сумме составит 85,8кН
Выбираем сталь Сталь 35, σт = 600 МПа
;
;

условие выполняется.






2.4.3 Расчёт производительности плунжерно - диафрагменного насоса ПДН -1500 -1,8.
Общее количество жидкости, которое подает насос при непрерывной работе за единицу времени, называется его производительностью. На нефтедобывающих предприя¬тиях производительность глубинных насосов подсчитывают за сутки и обычно выражают в весовых единицах (т/сут).
За один двойной ход плунжера (двойным ходом считается движение плунжера вниз и вверх) насос подает объем жидкости, равный объему цилиндра, описываемому плунжером:
, где
F – площадь сечения плунжера;
SПЛ. – длина хода плунжера.
;
Обозначив число ходов плунжера в минуту через n, минутная производи-тельность насоса в объемных единицах будет равна:
;
л/мин;
Чтобы получить производительность насоса за сутки, эту величину надо умножить на число минут в сутках, т.е. 60x24 = 1440:
;
м3/сут;
Производительность насоса в весовых единицах может быть определена, если известна плотность откачиваемой жидкости:
; где
т/сут ;
т.о. насос обеспечивает заданную производительность

2.5 Краткое описание конструкции плунжерно - диафрагменного насоса ПДН - 1500 - 1,8.
В конструкции насоса использованы технологии доказавшие свою надежность и эф¬фективность в экстремальных условиях эксплуата¬ции в течении длительного срока. Насос имеет па¬тент на изобретение. Сущность конструкции заключается в том, что подвижные части плунжерной пары не контактируют с продуктом.
Плунжерно-диафрагменные насосы типа ПДН предназначены для откачки пластовой жидкости повышенной вязкости и содержания механических примесей из нефтяных скважин с минимальным внутренним диаметром 121,7 мм. Насосы могут эксплуатироваться при любой об-водненности скважин и с температурой до 80°С.
Диафрагмы насоса имеют монолитную структуру разработанную компанией GORE из 100 % ПТФЭ (Политетрафторэтилен), армированного капроновой тканью. Слой ПТФЭ устойчив к любым средам в пределах pH 0-14, а срок службы на изгиб превышает 70 000 000 циклов. Температурный диапазон работы материала диафрагм насоса составляет от - 20°C до + 120°C.
Насос, и гидропривод являются смежными модулями. Соответственно меняется производительность на¬соса и его длина. Модульная схема позволяет подбирать насос, соответствующий характеристике скважины, и иск¬лючает необходимость остановки процесса при превышении производительности насоса над де¬битом скважины.
Насос типа ПДН не требует каких-либо специ¬альных устройств. Для его эксплуатации исполь¬зуются существующее оборудование - качалка с регулируемым числом ходов плунжера, штанговая колонна, связанная со штоком-плунжером насоса. При ходе качалки вверх происходит процесс вса¬сывания, а при ходе вниз под действием веса штанговой колонны выталкивание пластовой жид¬кости в насосно-компрессорные трубы (НКТ) и да¬лее в коллектор.
Установлена работоспособность насосов при эксплуатационных испытаниях на пластовой жид¬кости по 1000 сСт (10х10'м"/с) и содержании меха¬нических примесей до 50 г/л.
При испытаниях на надежность аналогичная модель насоса отработала 1 млн. циклов на жидкости с содержа¬нием механической примеси 200 г/л. Что составляет при пересчете на мой режим эксплуатации 4 месяца.
Преимущество насоса типа ПДН заключается в том, что при работе в тех же условиях засоренной механической примесями пластовой жидкости дли¬тельность его непрерывной работы значительно превышает 3-6 месяцев, в течение которых рабо¬тают обычные плунжерные насосы.