ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к плунжерным насосным агрегатам для поддержания пластового давления.
Известен плунжерный насос, содержащий гидроблок, корпус с механическим приводом, состоящим из кривошипно-шатунного механизма и крейцкопфов, соединенных тягой с плунжером. Тяга выполнена с фиксатором, взаимодействующим с резьбовой втулкой, механически связанной с плунжером. Внутренний диаметр втулки выбирается из соотношения d1≥(d+0,2) мм, где d1 - внутренний диаметр втулки, d - наружный диаметр тяги. Между плунжером и крейцкопфом установлена подложка. Поверхность контакта плунжера с подложкой выполнена сферической (патент RU №2203435, МПК F04B 9/00, F04B 53/16, опубл. 27.04.2003).
Известен плунжерный насос сверхвысокого давления. Насос предназначен для использования в качестве силового агрегата высокопроизводительных гидрорезных комплексов, применяемых при резке, раскрое и изготовлении деталей и узлов различной конфигурации. Насос имеет корпус, головку, в которой расположена вставка, плунжер, образующий рабочую камеру во внутренней полости вставки, всасывающий и нагнетательный клапаны, внутренняя полость вставки выполнена ступенчатой. Меньшая ступень имеет диаметр, выбираемый из соотношения d1≥(d+0,8) мм, где d1 - диаметр меньшей ступени, d -диаметр плунжера. Большая ступень имеет длину, выбираемую из диапазона L≅(l-5) мм, где L - длина большей ступени, l - длина уплотнительной втулки. Насос обеспечивает достижение на выходе давления рабочей жидкости до 600 МПа, при расходе более 25 л/мин (при частоте движения плунжера - 5 Гц), сокращение удельных затрат потребляемой энергии, повышение КПД насоса, увеличение ресурса работы быстроизнашивающихся узлов и деталей (патент RU №2150026, F04B 53/00, опубл. 27.05.2000).
Известен плунжерный насос, состоящий из приводного механизма, поршня, плунжера, корпуса, пружины, всасывающего и нагнетательного клапанов. Он снабжен роликом, расположенным в верхней части поршня между приводным механизмом и всасывающим клапаном. Опорная чашка установлена на пружине и выступе верхнего конца плунжера, размещенного в корпусе. На боковой поверхности опорной чашки и всасывающего клапана выполнены пазы. Плунжер выполнен с центральным каналом, выступами, которые размещены на уступе внутренней проточки опорной чашки. Плунжер перемещается относительно опорной чашки на величину зазора между торцом плунжера и всасывающим клапаном. На контактных поверхностях всасывающего и нагнетательного клапанов выполнены проточки, диаметр которых составляет 1,1÷1,2 от диаметра каналов, а глубина 0,5 от диаметра канала плунжера. Снижается гидравлическое сопротивление на входе насоса и повышается эксплуатационная надежность (патент RU №2330185, F04B 53/10, опубл. 27.07.2008).
В данных технических решениях охлаждения масла смазки кривошипно-шатунного механизма отсутствует, что отрицательно сказывается на работе кривошипно-шатунного механизма, либо имеет принудительную систему с использованием электровентилятора и электронасосов, что является источником, влияющим на безаварийную работу насосного агрегата в случае их отказа при круглогодичной работе.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому плунжерному насосу и принятый за прототип является Плунжерный насосный агрегат, включающий корпус станины с крышкой, приводную часть, установленные на едином основании электродвигатель с трехплунжерным насосом, снабженным системой смазки и состоящим из приводной и связанной с ней гидравлической частей, гидравлическую часть, содержащую корпус с картером и гидравлическую коробку, на которой закреплен клапан предохранительный, соединенную через всасывающие клапаны с приемным коллектором. В корпусе гидравлической части выполнены каналы, образующие проточные полости высокого и низкого давления, а так же гнезда для размещения всасывающих и нагнетательных поджатых пружинами к седлам клапанов, установленных в проставке и коробке запорной соответственно. Приводная часть, предназначенная для преобразования вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение плунжеров при помощи кривошипно-шатунного механизма, шестерен и ползунов и изготовленная в виде одноступенчатого косозубого зацепления шестерен, выполненного по шевронной схеме. Пара ведущих шестерен выполнена за одно целое с приводным валом, установленным в корпусе станины на двух роликовых подшипниках, а ведомые шестерни напрессованы на шейке коленчатого вала, устанавливаемого в боковых гнездах станины. Редуктор снабжен каналами, сообщенными через привод насоса с масляным картером редуктора и через радиатор для разбрызгивания на трущиеся детали кривошипно-шатунного механизма, шестерни и ползуны, в которых сделаны канавки для большей задержки масла. Радиатор изготовлен соединенным трубопроводами с замкнутой системой охлаждения, оснащенной емкостью с охлаждающей жидкостью и циркуляционным насосом для прокачки этой жидкости через систему охлаждения (патент RU №173598 МПК F04B 19/04 опубликованный 31.08.2017).
Данный насосный агрегат имеет недостатки, существенно ограничивающие его безаварийную эксплуатацию:
1. В его конструкции имеется дополнительное вспомогательное оборудование система охлаждения масла кривошипно-шатунного механизма - емкость с трубопроводом, электродвигателем и насосом для перекачки воды, что усложняет эксплуатацию системы охлаждения и требует дополнительных затрат на обслуживание.
2. В представленном техническом решении электронасос часто выходит из строя, что связано с его постоянной работой без возможности его своевременного обслуживания, а также происходит разгерметизация трубопровода, что приводит к нагреву масла и остановке насосного агрегата.
3. Еще одним значительным недостатком является то, что при проведении ремонтных или аварийных работ в помещении велика вероятность разгерметизации емкости с жидкостью охлаждения и попадания на токоведущие части оборудования и травмирования персонала, особенно в зимнее время при отключении электроэнергии и замерзании жидкости в емкости и трубопроводах.
В заявленном техническом решении решается проблема охлаждения масла кривошипно-шатунного механизма без дополнительного вспомогательного оборудования, позволяющая осуществлять безаварийную эксплуатацию насосного агрегата и повысить надежность работы в целом, а также решается проблема возникновения аварийных ситуаций при поражении обслуживающего персонала опасными факторами. Также, благодаря отсутствию дополнительного вспомогательного оборудования, система охлаждения не требует технического обслуживания, что значительно сокращает трудозатраты персонала.
Сущность полезной модели.
В процессе нефтедобычи система поддержания пластового давления представляет собой одно из самых энергоемких направлений. Более 30% всех затрат электроэнергии составляют затраты связанные с закачкой воды в продуктивные пласты с целью поддержания пластового давления. Используемые в системе поддержания пластового давления центробежные насосные агрегаты (ЦНС - центробежный насос секционный), хотя и обеспечивают необходимый режим закачки технологической жидкости, имеют относительно высокие показатели потребления электроэнергии. К тому же существенным недостатком центробежных насосов является низкий коэффициент полезного действия (КПД) при малой производительности. Этот недостаток усугубляется в условиях индивидуализации (адресная закачка технологической жидкости на мелких удаленных участках разработки нефтяных месторождений), когда наряду с низкой производительностью требуется создать высокий напор. Следует отметить, что ЦНС - это секционный насос с множеством лопастей (колес), каждое из которых вносит долю в общее снижение КПД. Одним из видов такого оборудования являются плунжерные насосы (ПНА) объемного действия. Существенным преимуществом данных насосов является возможность изменения частоты оборотов электродвигателя, не снижая КПД и напор, сохраняя удельный расход электроэнергии. Тем самым появляется возможность регулирования объемов закачки. КПД объемных насосов выше ориентировочно в два раза, чем у центробежных.
Однако, применение объемных насосов на кустовой насосной станции (КНС) осложняется наличием дополнительного вспомогательного оборудования для охлаждения масла кривошипно-шатунного механизма, что приводит к частым остановкам и возможному выходу из строя оборудования.
Авторами предлагается использовать известные насосные агрегаты объемного действия, содержащие систему охлаждения масла кривошипно-шатунного механизма без дополнительного оборудования с принудительной системой охлаждения. Это позволяет производить безаварийную закачку технологической жидкости с низким потреблением электроэнергии и исключить аварийные остановки, связанные с отказом вспомогательного оборудования системы охлаждения.
Технический результат, на достижение которого направлен предложенный насосный агрегат, достигается тем, что в плунжерном насосном агрегате, содержащем раму, приводной блок, установленные на едином основании электродвигатель с трехплунжерным насосом, закрепленный на раме, гидравлический блок с картером и гидравлическую коробку, закрепленные на раме и функционально связанные с приводным блоком средствами передачи приводного усилия маслонасос, позволяющий подавать масло с картера кривошипно-шатунного механизма в систему охлаждения содержащий патрубок, соединенный в кожухе со штуцерами для подключения маслосистемы, отличающийся тем, что масло охлаждается взаимодействием с поверхностью патрубка перекачиваемой жидкостью подаваемой на прием насоса.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно - технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности полезной модели - «новизна» и «промышленная применимость».
Специалисту в области техники известно, что масло в кривошипно-шатунном механизме плунжерного насосного агрегата при постоянном режиме работы нагревается и охлаждается при применении дополнительного вспомогательного оборудования (принудительным способом). Очевидно, что в случае плунжерных насосных агрегатов целесообразно применять систему охлаждения без дополнительного оборудования, чтобы исключить влияние различных систем принудительного охлаждения на бесперебойную работу насоса.
Плунжерные насосы широко известны в уровне техники и состоят обычно из корпуса (рамы), в котором закреплен приводной блок (двигатель или иной привод с соответствующими средствами передачи движения (приводного усилия) к гидравлическому блоку), гидравлический блок, содержащий один или более плунжеров, совершающих возвратно-поступательное движение в камере(ах), соответствующие средства приема движения от приводного блока, камеру(ы), всасывающие и напорные клапаны, обеспечивающие впуск и выпуск перекачиваемой жидкости в и из камеры. Средствами передачи движения могут быть, например, коленчатый вал и шатун, которые передают возвратно-поступательное движение плунжеру, чье движение в свою очередь приводит к перекачке жидкости.
Плунжерные насосы являются насосами одинарного действия, объемного типа и являются самовсасывающими. Подача насоса находится в прямой зависимости от диаметра плунжера, длины его хода и частоты вращения кривошипа. На снижение подачи влияет запаздывание посадки напорного и всасывающего клапанов, а также утечки через клапаны и уплотнения.
Обычно плунжер насосного агрегата находится в камере и совершает возвратно-поступательное движение. При движении плунжера в одном направлении давление в камере, вмещающей жидкость, понижается и становится ниже, чем давление жидкости во всасывающем патрубке. Под действием разности давлений всасывающий клапан открывается, и жидкость заполняет рабочую камеру, находящуюся в корпусе насосного агрегата. При движении плунжера в обратном направлении давление в камере возрастает и становится выше, чем давление в нагнетательном трубопроводе. Открывается нагнетательный клапан и жидкость из камеры вытесняется в напорный трубопровод.
Для обеспечения эффективной работы плунжер должен иметь достаточную износостойкость, при этом герметичность достигается высокой точностью изготовления и жесткими требованиями к шероховатости поверхности.
Для устранения неравномерности подачи - специфического недостатка плунжерных приводных насосов - имеется ряд конструктивных приемов.
Одним из них является установка на напорных и всасывающих линиях воздушных колпаков, обеспечивающих более равномерную подачу.
Другим, способом снижения неравномерности подачи, является использование многопоршневых насосов с параллельным подключением камер.
Широкое распространение плунжерных насосов получило применение в качестве вытеснительного элемента рабочей камеры.
Плунжерные насосы проще в эксплуатации, т.к. у них меньше изнашиваемых деталей (в гидравлической части отсутствуют поршневые кольца, манжеты и другие детали).
По способу соединения насоса с двигателем различают насосы с передачей движения через клиномерную передачу, через редуктор, непосредственно через муфту.
По материалу деталей проточной части различают насосы без охлаждения или обогрева гидравлической части, без гидрозатвора, с подводом смазывающей жидкости к уплотнениям (для перекачивания жидкости от - 15 до + 100°С), без охлаждения или обогрева гидравлической части, с подводом охлаждающей, промывающей или гидрозатворной жидкости к уплотнениям (для перекачивания жидкости от - 15 до + 100°С), насос с охлаждением или обогревом гидравлической части, с подводом охлаждающей промывочной или гидрозатворной жидкости к уплотнениям (для перекачивания жидкости от - 50 до + 250°С).
Все вышеперечисленные технические средства могут быть внесены в конструкцию предлагаемого насосного агрегата и, более того, большая часть из них содержится в его конструкции, однако формула изобретения составлена в целом так, чтобы упрощать понимание сущности предлагаемого технического решения, поэтому несущественные в рамках предложенного решения узлы и блоки не указаны в формуле, хотя специалисту в области техники понятно, что заявленный насосный агрегат содержит все узлы, необходимые для его работы, и связи между этими узлами являются стандартными, если не указано иное.
Отличительным признаком предлагаемого технического решения является то, что в настоящей полезной модели предложено использовать систему охлаждения содержащий патрубок соединенный в кожухе с штуцерами для подключения маслосистемы, причем масло охлаждается при работе маслонасоса взаимодействием с поверхностью патрубка перекачиваемой жидкостью подаваемой на прием насоса.
Заявленный плунжерный насосный агрегат для поддержания пластового давления содержит раму, выполненную, как правило, из металла. Закрепленный на раме приводной блок заявленного агрегата представляет собой обычно используемый в данной области приводной блок, например, электродвигатель с мощностью и другими параметрами подходящими для работы насосного агрегата. Закрепленный на раме гидравлический блок представляет собой обычно используемый в данной области гидравлический блок, содержащий плунжер(ы), камеру(ы), клапаны, патрубки и другие стандартные элементы необходимые для работы гидравлического блока, перечень которых является известным специалисту в данной области техники. Гидравлический блок функционально связан с приводным блоком средствами передачи приводного усилия. Функциональная связь обозначает связь обеспечивающую передачу приводного усилия от, в частности, электродвигателя к гидравлическому блоку для обеспечения перекачки текучей среды. В одном из вариантов эта связь обеспечивается одним или более коленчатыми валами и шатунами, хотя может быть использована другая известная в уровне техники конструкция передачи приводного усилия, в том числе шестеренчатая, шкивная, ременная, ременно-шкивная передача и т.п. Очевидно, что насосный агрегат принимает текучую среду из резервуара и перекачивает ее в другой резервуар и для реализации этого назначения в его конструкции содержатся приемные и выкидные стальные патрубки, соединенные с гидравлическим блоком.
В известных из уровня техники решениях для устранения нагрева масла в кривошипно - шатунном механизме плунжерных насосных агрегатов применяется принудительное охлаждение с использованием дополнительного вспомогательного оборудования, что усложняет эксплуатацию системы охлаждения и требует дополнительные затраты на обслуживание, а также при проведении ремонтных или аварийных работ в помещении велика вероятность разгерметизации емкости с жидкостью охлаждения и попадания на токоведущие части оборудования и травмирования персонала, особенно в зимнее время при отключении электроэнергии и замерзании жидкости в емкости и трубопроводах.
В предложенном решении, для устранения нагрева масла в кривошипно-шатунном механизме на раму насоса присоединяется система охлаждения содержащий патрубок, соединенный в кожухе со штуцерами для подключения маслосистемы, причем масло охлаждается взаимодействием с поверхностью патрубка перекачиваемой жидкостью подаваемой на прием насоса. К тому же данная система охлаждения не требует применения дополнительного оборудования и обслуживания. Система охлаждения без дополнительного оборудования исключает возникновение опасных факторов для обслуживающего персонала, таких как излив жидкости из емкости в окружающую среду.
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления полезной модели, не выходящие за пределы сущности и объема данной полезной модели.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:
Фиг.1 - Плунжерный насосный агрегат. Принятые обозначения: 1 - рама насоса, 2 - электродвигатель, 3 - упругие муфты, соединяющие электродвигатель с редуктором и насосом, 4 - редуктор, 5 - механический блок, 6 - гидравлический блок, 7 - встроенный маслонасос, 8 - система охлаждения;
Фиг. 2 - Система охлаждения масла плунжерного насосного агрегата. Принятые обозначения: 1 – патрубок, соединенный с приемной линией насоса, 2 - кожух для охлаждения масла. 3 - соединительные фланцы к приемной линии насоса и трубопровода, 4 - штуцер для входа масла от маслонасоса, 5 - штуцер для выхода масла из кожуха в картер кривошипно-шатунного механизма.
Плунжерный насосный агрегат содержит раму насоса 1, электродвигатель 2, упругие муфты 3, соединяющие электродвигатель 2 с редуктором 4 и насосом 1, редуктор 4, механический блок 5, гидравлический блок 6, встроенный маслонасос 7 и система охлаждения 8.
Плунжерный насосный агрегат работает следующим образом. Закрепленный на раме 1, приводится в работу электродвигателем 2. Вращение электродвигателя через упругие муфты 3 и редуктор 4, закрепленные на раме 1 болтовыми соединениями, передается на механический блок 5 и гидравлический блок 6. Встроенный маслонасос 7 подает масло из картера кривошипно-шатунного механизма в систему охлаждения 8 в кожух 2, в котором происходит охлаждение масла перекачиваемой жидкости.
Таким образом, предлагаемый плунжерный насосный агрегат позволяет повысить надежность работы, а также обеспечивает удобство обслуживания при его эксплуатации.
Заявляемый плунжерный насосный агрегат может быть изготовлен на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий, имеет техническое применение на объектах системы поддержания пластового давления НГДУ «Елховнефть» ПАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина. Использование предлагаемого устройства позволяет охлаждать масло в кривошипно-шатунном механизме при круглогодичной эксплуатации плунжерных насосов, а также осуществлять безаварийную эксплуатацию насосного агрегата и повысить надежность работы насоса в целом. Снижаются риски возникновения аварийных ситуаций при поражении обслуживающего персонала опасными факторами и уменьшается вероятность частого останова насосного агрегата из за отключения дополнительного вспомогательного оборудования системы охлаждения.
Данный плунжерный насосный агрегат имеет техническое применение в НГДУ «Елховнефть».