Установка погружного винтового насоса УЭВН5–63–1200 для добычи нефти с электродвигателем и планетарным редуктором-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа-Дипломная работа

Установка погружного винтового насоса УЭВН5–63–1200 для добычи нефти с электродвигателем и планетарным редуктором-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа-Дипломная работа
На основании анализа, проведенного в разделе 3, представляется наиболее перспективной разработка новой модели погружного многозаходного винтового насоса с приводом от погружного электродвигателя через понижающий планетарный редуктор. Данная схема выгодно отличается сочетанием относительной простоты конструкции и высоких эксплуатационных характеристик.
Такая установка способна перекачивать жидкость с содержанием воды до 99%, свободного газа на приеме – до 60%. Содержание механических примесей при надлежащем подборе материалов и посадок может доходить до 2,5 г/л. Наиболее перспективно применение подобных установок для перекачки высоковязких жидкостей с вязкостью до 600 мм2/с. Поле их подач может лежать в пределах от нескольких литров в час до сотен кубометров в час, а поле давлений – от 0,1 до 10 и более МПа. При этом все установки винтовых насосов обладают сравнительно высоким КПД, который составляет 55..60%, что выше, чем у центробежных и плунжерных насосов при работе в перечисленных выше условиях [1].
В качестве прототипа своей разработки наиболее рационально, на мой взгляд, будет принять установку погружного винтового насоса УЭВН5. Такой выбор обоснован тем, что данная установка обладает рядом положительных качеств:
- унифицированная база запасных частей и комплектующих изделий отечественного производства;
- наличие встроенного в насос переливного клапана, обеспечивающего нормальный спуск, подъем и эксплуатацию насоса, таким образом, отпадает необходимость установки таких клапанов в колонне НКТ;
- значительный опыт эксплуатации установок на месторождениях нашей страны;
- относительная простота и дешевизна конструкции по сравнению с зарубежными аналогами;


Установки выпускают для скважин с минимальным диаметром эксплуатационной колонны 121,7 мм. Основные параметры установок винтовых насосов с погружным электродвигателем УЭВН5 приведены в табл.3.4.
Диаметр поперечного сечения погружного агрегата установок 117 мм.

Согласно заданию подбираю установку с наиболее близкими параметрами (в дальнейшем она будет являться базовым вариантом для всех расчетов и изменений):
 
УЭВН5–63–1200
 
Основные характеристики установки:
Подача, м3/сут       45 90
Напор, м        1200

В состав погружного агрегата помимо насоса входит погружной электродвигатель марки ПЭД22–117В5 с гидрозащитой 1Г51.
Параметры двигателя:
Мощность    – 22 кВт;
Напряжение питания  – 1000 В;
Ток обмотки   – 19 А;
Частота вращения  – 1380 мин-1 (с учетом скольжения);
КПД     – 83%.

Завершив выбор прототипа перехожу к описанию изменений, внесенных мною в базовую установку.

Разрабатываемая в ходе выполнения дипломного проекта установка погружного винтового насоса обладает следующими параметрами (техническими характеристиками):

Подача установки        63 м3/сут;
Напор          1200 м;
Частота вращения насоса       200 мин-1;
Двигатель          ПЭДБ32-117В5;
Длина установки         10 823 мм.

Установка имеет по сравнению с прототипом (которым является УЭВН5-63-1200) ряд отличительных особенностей. Изменения касаются только погружного агрегата (рис.5.1) и их можно разделить на следующие категории:




Погружной винтовой насос.

 Погружной винтовой насос выполнен, как и ЭВН5 по одновинтовой сдвоенной схеме расположения рабочих органов. Однако в отличие от ЭВН5 рабочие органы вновь разрабатываемого насоса изготавливаются многозаходными (с кинематическим отношением 4:5 в отличие от 1:2 у ЭВН5). Как показывают графические характеристики, построенные на основе расчетов раздела 9.1.3, а также согласно рекомендациям, приводимым в литературе [1, 3], насосы с таким исполнением рабочих органов наиболее удачно сочетают в себе высокие технические параметры с относительно низкими затратами на изготовление и ремонт.
В результате расчета (см. рис.9.3) показано, что при одинаковых геометрических размерах и частотах вращения насос, выполненный с i = 4:5 обладает вдвое большей подачей и создает в четыре раза большее давление по сравнению с насосом с i = 1:2.
Помимо этого важно и то, что применение многозаходных рабочих органов позволяет существенно снизить скорость вращения винта насоса при обеспечении той же подачи, что приводит к снижению скорости скольжения поверхностей рабочих органов и скорости течения жидкости в каналах рабочих органов. Благодаря этому значительно снижается механический и гидроабразивный износ поверхностей рабочих органов, а также улучшаются условия течения жидкости, что повышает предельно допустимое содержание растворенного в перекачиваемой жидкости газа по условию возникновения кавитации. Также улучшаются режимы работы всех узлов трения, что положительно сказывается на сроке их службы.

Ниже приводятся основные параметры погружного винтового насоса:
Давление на выходе насоса        12 МПа;
Подача насоса (номинальная)       63 м3/сут;
Частота вращения вала насоса       200 мин-1;
Число пар рабочих органов        2;
Кинематическое отношение рабочих органов     4:5.
Погружной электропривод.

– Погружной электродвигатель.
В проектируемой установке применен серийный погружной электродвигатель ПЭДБ32-117В5 производства московского завода «Борец». Основные параметры двигателя приведены ниже:
Мощность           32 кВт;
Напряжение питания         1000 В;
Ток обмотки          25,5 А;
Частота вращения (с учетом скольжения)     2820 мин-1;
КПД            85,5%.

Применение более мощного (32 кВт вместо 22 кВт в УЭВН5) погружного электродвигателя обосновано тем, что многозаходный насос обладает большей инерцией при страгивании, следовательно, двигатель должен иметь более высокое значение запаса мощности для компенсации пусковых моментов.

– Гидрозащита ПЭД.
Данный узел особенно интересен для рассмотрения с точки зрения повышения его надежности. В настоящее время гидрозащита является одним из самых слабых звеньев погружных насосных установок, уступая по числу отказов только кабельной линии и резиновым обоймам статоров винтовых насосов. Так как в проектируемой установке в качестве рабочих органов насоса применены многозаходные винтовые пары (что позволяет существенно снизить частоту вращения и снизить до минимума износ поверхности статор), то гидрозащита ПЭД остается практически самым слабым узлом установки.
Для анализа мною были использованы материалы (см. раздел 10), полученные в ходе преддипломной практики в организациях, связанных с разработкой и изготовлением гидрозащит и узлов торцовых уплотнений к ним: ОКБ БН КОННАС, ООО НПК «Герметика» и ОАО «Погружные насосные системы».
Выяснилось, что наиболее уязвимыми элементами гидрозащиты являются торцовые уплотнения и резиновые диафрагмы протектора и компенсатора.
Проанализировав имеющиеся данные по отказам (раздел 10), я заметил, что в подавляющем большинстве случаев отказ происходил по целому комплексу узлов гидрозащиты. При большинстве отказов выходили из строя сразу все торцовые уплотнения и обе диафрагмы гидрозащиты. В то время как износ рабочих шеек вала был весьма незначительным, повреждения резиновых деталей и поверхностей трения очень существенны и носят характер ударного раздавливания. Прилагаемые к отчету акты подтверждают то, что подобного рода разрушения не могут быть следствием длительно действующих нагрузок, находящихся в пределах паспортных характеристик или даже в несколько раз превышающих их. Внешний вид торцовых уплотнений, снятых с отказавшего оборудования наводит на мысль о том, что тут имеет место значительный по величине (в десятки или даже сотни раз превосходящий паспортные величины) кратковременный импульс давления. Такой импульс, например, может быть следствием обратного воздействия на погружную установку столба жидкости, находящегося в колонне НКТ, при остановке насоса и неплотной посадке на седло обратного клапана.
Однако какими бы не были причины этого ударного воздействия единственный способ избежать разрушения узла гидрозащиты (а вместе с ней и погружного электродвигателя), на мой взгляд, заключается в проектировании уплотнения, способного выдерживать такие перегрузки.
Наиболее перспективной (из числа рассмотренных) мне показалась новая модель торцового уплотнения 112.R4.025, которое пока еще только проектируется в НПК «Герметика». Конструктивные преимущества видны из сборочного чертежа уплотнения. Узел сильфона в нем выполнен очень «жестким» и компактным, что практически исключает возможность его разрыва даже под воздействием значительных нагрузок. Таким образом, обеспечивается целостность вторичного уплотнения «сильфон - вал» и снижается вероятность значительного износа шеек вала. Узел первичного уплотнения также подвергся переработке. В нем неподвижное кольцо пары трения выполнено, как и в предыдущих разработках из силицированного графита, а вращающееся – из стали. Вопрос стоит в опробовании различных марок сталей с целью подбора наиболее износостойкой пары. Стальное кольцо обладает значительно большей твердостью, чем графитовое, а поскольку разрушается сильнее именно ответное (вращающееся) кольцо, то такое решение может существенно изменить характер работы уплотнения в условиях нештатных нагрузок.
На мой взгляд, перечисленные выше преимущества достаточны для того, чтобы применить данное уплотнение в своей установке. Однако я считаю, что такое решение проблемы не является максимально полным в настоящее время. Наибольший эффект намой взгляд можно получить сочетая преимущества конструкции с применением более современных материалов. Существует возможность, например, применять вместо обычного силицированного графита высоковязкий [9]. Но в данный момент марки графита с высокими показателями ударной вязкости производятся только за рубежом (Англия, Италия, Германия), что делает его слишком дорогим. Применение вместо стального кольца керамического или изготовленного из карбида кремния также должно улучшить параметры износостойкости пары трения. Вопрос дороговизны данных материалов относителен, так как сильно зависит от срока службы уплотнения.

– Планетарный редуктор.
Для снижения частоты вращения в проектируемой установке применен двухступенчатый планетарный редуктор с цилиндрическими прямозубыми колесами. Основные параметры редуктора приведены ниже:

Наибольший крутящий момент
на тихоходном валу         300 Нм;
Общее передаточное отношение       14;
КПД            92%;
Наружный диаметр корпуса        103 мм.
Редуктор устанавливается между погружным электродвигателем и протектором. Подробное обоснование применения данного типа и конкретной схемы редуктора приведено в разделах 3.5.2 и 9.2.1.

«Установка погружного винтового насоса для добычи нефти с электродвигателем и редуктором»

студента группы



Дипломный проект содержит 148 листов пояснительной записки и 11 листов графической части.
Установка погружного многозаходного винтового насоса с приводом от электродвигателя и планетарным редуктором представляет собой оригинальное оборудование для добычи нефти и в нашей стране не производится серийно.
Установка обладает относительной простотой конструкции по сравнению с установками центробежных и гидропоршневых насосов и является компромиссным решением, заключая в себе большинство преимуществ этих установок и в значительной степени лишенная их недостатков. Технические характеристики данной установки позволяют эффективно использовать ее при добыче нефти в осложненных условиях эксплуатации.
В проекте был произведен обзор технологий, послуживших прообразом новых разработок, обоснован выбор применения данной установки для условий, заданных в проекте.
Дипломником проработаны все основные элементы скважинного агрегата и расчетами подтверждена возможность создания этой установки.
В целом же дипломный проект заслуживает высокой оценки, а дипломник Иванов И.И. присвоения ему квалификации инженера-механика.



Рецензент
Начальник инженерно-конструкторского центра
ОАО «ОКБ БН КОННАС»