Модернизация плунжерного насоса для дозирования ядовитых сред

4.2. МОДЕРНИЗАЦИЯ ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ ЯДОВИТЫХ СРЕД1

Казымов Эмин Насими оглы2, инженер-нефтяник. ООО «РН-Пурнефтегаз». Место учебы: Университет Нурланда, Норвегия.

Голованов Олег Александрович, заместитель начальника отдела подготовки и транспортировки газа и конденсата. ООО «РН-Пурнефтегаз»

Аннотация: В данной работе рассматривается метод увеличения межремонтного периода плунжерного герметичного насоса и как следствие предупреждение вредного воздействия метанола на человека при эксплуатации данных насосов.

Проведен анализ существующего оборудования, выявлены основные причины выхода из строя составных деталей насосного оборудования. Дополнительно определены функциональные требования к новому оборудованию, применительно к условиям и требованиям безопасной эксплуатации.

Основная часть работы посвящена актуальности изучаемой темы, формулируется цель и задачи предстоящего исследования, предлагается метод решения обозначенной проблемы, пути его применения.

Во второй части показан экономический и технологический эффект.

В экономической части рассматриваются вопросы экономической эффективности модернизации насосов.

В заключение данной работы сделаны выводы по поводу эффективности использования модернизированных дозировочных насосов в ООО «РН-Пурнефтегаз». Проект является актуальным для производственных подразделений нефтегазовых и химических компаний.

Ключевые слова: дозировочный насос, метанол, гидрат, подготовка газа.

4.2. MODERNIZATION OF PLUNGER PUMP FOR DISPENSING OF TOXIC FLUIDS

Kazymov Emin Nasimi oglu, petroleum engineer. LLC RN-Purneftegaz. Study place: the University of Nordland, Norway.

Golovanov Oleg Aleksandrovich. Deputy chief of Department of preparation and transportation of gas and condensate. LLC RN-Purneftegaz

Abstract: In this work increase the method of in the between-repairs period of the plunger tight pump and as a result the prevention of harmful effects of methanol on the person at operation of these pumps is considered.

The analysis of the existing equipment is carried out, the main reasons for failure of compound details of the pump equipment are established. Functional requirements to the new equipment, in relation to conditions and requirements of safe operation are in addition defined.

The main part of work is devoted to relevance of the studied subject, the purpose and problems of the forthcoming research is formulated, the method of the solution of the designated problem, ways of its application is offered.

In the second part the economic and technological effect is shown.

In economic part questions of economic efficiency of modernization of pumps are considered.

In conclusion of this work conclusions concerning efficiency of use of the upgraded dosing pumps are drawn. The project is actual for production divisions of the oil and gas and chemical companies.

Index terms: plunger tight pump, Methanol, hydrate

1 Данная работа была представлена на Втором международном молодежном образовательном форуме «Арктика. Сделано в России», который проходил с 29 февраля по 6 марта 2016 года. Организатором форума выступили Федеральное агентство по делам молодежи. Партнерами мероприятия стали Газпром, «Морская арктическая геологоразведочная экспедиция (МАГЭ)» и Ассоциация полярников АСПОЛ

2 Казымов Эмин Насими оглы - победитель международного молодёжного образовательного форума «Арктика. Сделано в России» в номинации «Вовлечение молодежи в социальную практику». В журнале публикуется проектная работа «Модернизация плунжерного насоса для дозирования ядовитых сред», удостоенная основного гранта форума.

ВВЕДЕНИЕ

Метанол широко применяется в газовой промышленности при добыче, транспортировке и подготовке газа, как средство предотвращения или разрушения кристаллогидрат-ных пробок в аппаратах, приборах и газопроводах, а также для обработки призабойных зон газовых скважин. Основными оборудованием дозировки метанола в газопромысловые коммуникации, скважины и аппараты, являются плунжерные герметичные насосы с силь-фоном. Конструкция данных насосов предусматривает наличие фторопластового сильфо-на, который разделяет зону сбора утечек насо-

V V п

са с окружающей средой. В ходе эксплуатации насосного оборудования возникают проблемы, связанные с ростом давления в внутри сильфоной зоне, в связи с чем происходит деформация сильфона с последующим разрывом. Это приводит к выходу из работы насоса что может вызвать остановку объектов подготовки, сбора и добычи газа. Также при разрыве сильфона пары метанола попадают в рабочую зону обслуживающего персонала. Данная проблема актуальна и требует решения.

Для решения данной проблемы необходимо:

1. Проведение анализа по выявлению причин отказов насосного оборудования;

2. На основании анализа разработка предложения по модернизации оборудования;

3. Проведение сравнительного анализа характеристик различных дозировочных насосов;

4. Оценка экономической эффективности разработанного предложения.

ПРИМЕНЕНИЕ ДОЗИРОВОЧНЫХ НАСОСОВ

На объектах нефтегазовой отрасли широко применяется метанол, который подается в газопроводы для предотвращения гидратообра-зования на стадии добычи, транспортировки и подготовки продукции. Метанол опаснейший яд, приём внутрь всего 5 мл приводит к тяжелому отравлению (одно из последствий) -слепота. По степени воздействия на организм человека относится к умеренно опасным веществам (3-й класс опасности) по ГОСТ

12.1.005. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны - 5 мг/м3, 6,7-36% пределы взрывоопасных концентраций в воздухе по объему

Впрыск метанола в поток газа, производится плунжерными дозировочными насосами. В настоящий момент в Обществе эксплуатируются более 200 дозировочных насосов.

Дозировочный одноплунжерный электронасосный агрегат состоит из редуктора с механизмом регулирования, гидроцилиндра и электродвигателя. Редуктор с регулирующим механизмом предназначен для преобразования вращательного движения приводного вала двигателя в возвратно-поступательное движение плунжера, а также для бесступенчатого регулирования хода длины плунжера.

Гидроцилиндр предназначен непосредственно для перекачки реагента-деэмульгатора. К корпусу гидроцилиндра присоединены корпуса шариковых клапанов. При ходе плунжера на всасывание и закрытом нагнетательном клапане в гидроцилиндре создается разряжение, открывается клапан на всасывание и полость цилиндра заполняется реагентом. При обратном ходе плунжера всасывающий клапан закрывается и в полости цилиндра создается избыточное давление, под действием которого открывается нагнетательный клапан и жидкость выталкивается из полости гидроцилиндра. Этот процесс происходит при каждом цикле возвратно-поступательного движения плунжера.

В гидроцилиндре дозировочного насоса расположены плунжер, всасывающий и нагнетательный шариковые клапаны.

Гидроцилиндр работает следующим образом:

- при движении плунжера, в направлении к корпусу редуктора (рис.1.1), жидкость, вследствие разряжения, через всасывающий клапан поступает в рабочую полость гидроцилиндра. При этом, под действием собственного веса и давления в напорном трубопроводе нагнетательный клапан закрыт;

Рисунок 1.1. Принцип работы насоса с сильфоном - при движении плунжера, в направлении от корпуса редуктора, всасывающий клапан под действием собственного веса и давления в гидроцилиндре закрывается, и жидкость выталкивается через нагнетательный клапан в напорный трубопровод.

В процессе эксплуатации плунжерных герметичных дозировочных насосов выявились недостатки в конструкции:

При движении плунжера для нормальной работы манжетных уплотнений, необходимо поступление перекачиваемого продукта. Вследствие чего утечки накапливаться в силь-фоной камере и при сжатии сильфона выпрыскиваются в дренажную линию. При увеличении утечек происходит рост давления внутри сильфона, вследствие чего он рвется.

п V V

В предлагаемой мной модернизации силь-фон применяется не для удаления утечек в дренажные линии, а как разделитель между редуктором и гидроблоком для исключения загрязнения масла метанолом и наоборот. Промежуточная камера между редуктором и гидроблоком полностью герметична и утечки метанола будут устраняться под действием вакуума, образующегося в гидроблоке в результате движения плунжера.

Рисунок 2.1. Принцип работы модернизированного насоса с сильфоном

Работу предлагаемой схемы будет обеспечивать система сдвоенных клапанов, а именно при отсутствии утечек давление в камере сбора утечек будет меньше чем гидростатическое давление столба жидкости из расходной емкости. По этой причине обратный клапан находиться в положении закрыто, и расход метанола будет обеспечиваться откачкой продукта из расходной емкости. При наличии утечек давление в камере сбора утечек возрастает, и становиться больше чем гидростатическое давление столба жидкости расходной

I I ЧУ V

емкости. Нижний шариковый клапан находиться в положении закрыто, а ближний к гидроблоку шариковый клапан в положении открыто, при данном положений шариковых клапанов происходит откачка жидкости из камеры сбора утечек. При падении давления в камере перекачка метанола начнётся с расходной емкости, а обратный клапан на линии от промежуточной камеры и гидроблоком не позволит наполнить промежуточную камеру. В связи с тем, что расходная емкость при стандартном объеме не более 4 куб. м. давление столба жидкости не будет превышать более 0,2 атм по этой причине давление на сильфон будет незначительным.

При существующей схеме работы сильфона, его сжатие происходит не полностью, поэтому вероятность его разрыва выше, в предлагаемом методе объем внутри сильфона не важен и поэтому его сжатие в начальном положении будет полным, соответственно при

движении плунжера он будет минимально растягиваться. СРАВНЕНИЕ С АНАЛОГИЧНЫМИ НАСОСАМИ

Таблица 1

Сравнительные характеристики насосов

НЕГЕРМЕТИЧНЫЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ

ПЛУНЖЕРНЫЙ МЕМБРАННЙ ПЛУНЖЕРНЫЙ

Досто- Недо- Достоин- Недо- Достоин- Недо-

инства статки ства статки ства статки

Утечки Отсут-

Простота конструкции опасных веществ в рабочую зону ствие утечек метанола в рабочую зону Сложность кон-струк-ции Средняя стоимость -

Низ-

кая Высокая

Низкая точ- точ-

стои- - - ность ность -

мость дози-рова-ния дозирования

Высокая точность дози-рова-ния - - Высокая стоимость Отсутствие утечек в рабочую зону -

Негерметичный плунжерный насос, при всех его достоинствах, обладает серьезным недостатком - утечками опасных веществ в рабочую зону. Что приводит к превышению ПДК в рабочей области.

В герметичном мембранном насосе решена проблема утечек метанола в рабочую зону, но при этом есть ряд недостатков, таких как: сложность конструкции, низкая точность дозирования, высокая стоимость и эксплуатация данных типов насосов при низких температурных условиях невозможна.

Что же касается предлагаемой конструкции герметичного плунжерного насоса с сильфо-ном, то в нем исключены недостатки первых двух насосов. Небольшая стоимость в сравнении с мембранными насосами, высокая точность дозирования и отсутствие утечек метанола в рабочую зону.

РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Экономическая эффективность получена путем снижения затрат на проведение ремонт-

ных работ, закупку составных деталей и как следствие выхода из строя насосов потерь по добычи и подготовки сырья.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенная в работе технология отличается основными характеристиками:

Новизна заключается в том, что аналогов промышленного применения предложенной технологии не существует.

Актуальность заключается в повышении эффективности работы дозировочных насосов, применяемых во всех сферах нефтегазовой и химической промышленности. Данная работа направленна на получение прибыли, сохранение здоровья рабочего персонала и охраны окружающей среды. Использование этого оборудования позволит решить проблемы с утечками и существенно сократит время обслуживания, добиться экономии реагентов, точности закачки и увеличит срок службы насосов.

MODERNIZATION OF PLUNGER PUMP FOR DISPENSING OF TOXIC FLUIDS

INTRODUCTION

Methanol is widely applied in the gas industry at production, transportation and preparation of gas as means of prevention or destruction the hydrate of traffic jams in devices, devices and gas pipelines, and also for processing of bottomhole zones of gas wells. The main the equipment of a dosage of methanol in gas-field communications, wells and devices, are plunger tight pumps with the bellow valve. The design of these pumps provides existence of the bellow valve which divides a zone of collecting leakages of the pump with environment. During operation of the pump equipment there are problems connected with growth of pressure in inside bellows-sealed zone in this connection there is a deformation of the bellow valve to the subsequent gap. It leads to an exit from operation of the pump that can cause a stop of objects of preparation, collecting and gas production. Also at a rupture of the bellow valve of couple of methanol get to a working zone of service personnel. This problem is actual and requires the solution.

It is necessary for the solution of this problem:

1. Carrying out the analysis on identification of causes of failures of the pump equipment;

2. On the basis of the analysis development of the offer on modernization of the equipment;

3. Carrying out the comparative analysis of characteristics of various dosing pumps;

4. An assessment of economic efficiency of the developed offer.

USE OF DOSING PUMPS

On objects of oil and gas industry often used methanol which moves in gas pipelines for prevention of hydrate formation at a stage of production, transportation and preparation of production. Methanol leads the most dangerous poison, intake of only 5 ml to a serious poisoning (one of consequences) - a blindness. On extent of impact on a human body treats moderately dangerous substances (the 3rd class of danger) in accordance with GOST 12.1.005. The Maximum Permissible Concentration (MPC) in air of a working zone - 5 mg/m3, 6,7-36% limits of explosive concentration in air on volume

Injection of methanol in a gas stream, is made by plunger dosing pumps. At the moment in Society more than 200 dosing pumps are operated.

The dosing single-plunger electric pump unit consists of a reducer with the mechanism of regulation, a hydraulic cylinder and the electric motor. The reducer with the regulating mechanism is intended for transformation of a rotary motion of a power shaft of the engine to back and forth motion of a plunger, and also for stepless regulation of the course of length of a plunger.

The hydraulic cylinder is intended directly for reagent pumping. Cases of ball valves are attached to the case of a hydraulic cylinder. At the plunger course on absorption and the closed delivery valve in a hydraulic cylinder discharge is created, the valve on absorption opens and the cavity of the cylinder is filled with reagent. At reverse motion of a plunger the soaking-up valve is closed and in a cavity of the cylinder excessive pressure under the influence of which the delivery valve opens is created and liquid is pushed out from a hydraulic cylinder cavity. This process

happens at each cycle of back and forth motion of a plunger.

In a hydraulic cylinder of the dosing pump the plunger which is soaking up and delivery ball valves are located.

The hydraulic cylinder works as follows:

- at the movement of a plunger, in the direction to the case of a reducer (fig. 1.1), liquid, owing to discharge, via the soaking-up valve comes to a working cavity of a hydraulic cylinder. At the same time, under the influence of a body weight and pressure in the pressure head pipeline the delivery valve is closed;

- at the movement of a plunger, in the direction from the case of a reducer, the soaking-up valve under the influence of a body weight and pressure in a hydraulic cylinder is closed, and liquid is pushed out via the delivery valve in the pressure head pipeline.

The figure 1.1 Principle of Operation of the Pump with the bellow valve

In use plunger tight dosing pumps shortcomings of a design have come to light:

At the movement of a plunger normal work of lip seal consolidations, requires receipt of the pumped-over product. Owing to what leak to collect in a bellows-sealed chamber and at compression of the bellow valve inject to the drainage line. At increase in leaks there is a growth of pressure in the bellow valve owing to what he is torn.

In the modernization offered by me the bellow valve is used not to removal of leaks to drainage lines and as a divider between a reducer and the hydroblock for an oil pollution exception methanol and vice versa. The intermediate chamber between a reducer and the hydroblock is completely tight and leak of methanol will be eliminated under we act the vacuum which is formed

in the hydroblock as a result of the movement of a plunger.

COMPARISON WITH SIMILAR PUMPS

Table 1

Comparative characteristics of pumps

The figure 2.1 Principle of Operation of the Upgraded Pump with the bellow valve

Functioning of the offered method will be ensured by system of dual valves, namely in the absence of leaks pressure in a chamber of collecting leaks will be less than the hydrostatic pressure of a column of liquid from account capacity. For this reason the backpressure valve to be in situation it is closed, and the consumption of methanol will be provided with pumping of a product from account capacity. In the presence of leaks pressure increases in a chamber of collecting leaks and to become more than the hydrostatic pressure of a column of liquid of account capacity. The lower ball valve to be in situation is closed, and the ball valve, closest to the hydroblock, in situation is opened, at given provisions of ball valves there is a pumping of liquid from a chamber of collecting leaks. At pressure drop in a chamber pumping of methanol will begin with account capacity, and the backpressure valve on the line from an intermediate chamber and the hydroblock won't allow to fill an intermediate chamber. Because account capacity at the standard volume no more than 4 CBM. pressure of a column of liquid won't exceed more than 0,2 atm. for this reason pressure upon the bellow valve will be insignificant.

At the existing scheme of operation of the bellow valve, his compression happens not completely therefore the probability of his gap is higher, in the offered method volume in the bellow valve isn't important and therefore his compression in initial situation will be full, respectively at the movement of a plunger it will stretch minimum.

UNTIGHT PLUNGER TIGHT MEMBRANNY TIGHT PLUNGER

ADVANT- SHORT- ADVANT- SHORT- ADVANT- SHORT-

AGES COMINGS AGE COMINGS AGES COMINGS

Simplicity of a Leak of dangerous substances Lack of leak of methanol in the working zone Complexity of a Avera ge cost

design in the working zone design

Low High

Low cost - - accuracy of dispensing precisi on of dispen sing -

High precision of High Lack of leaks in a working zone

dispensing cost

The untight plunger pump, at all his advantages, possesses a serious shortcoming - leak of dangerous substances in a working zone. What leads to excess of maximum concentration limit in working area.

In the tight membrane pump the problem of leak of methanol in a working zone is solved, but at the same time there is a number of shortcomings, such as: complexity of a design, low accuracy of dispensing, high cost and operation of these types of pumps under low temperature conditions is impossible.

As for the offered design of the tight plunger pump with the bellow valve, in him shortcomings of the first two pumps are excluded. Small cost in comparison with membrane pumps, high precision of dispensing and lack of leak of methanol in a working zone. CALCULATION OF ECONOMIC EFFICIENCY Economic efficiency is received by decrease in costs of carrying out repair work, purchase of compound details and as a result of failure of

pumps of losses on production and preparation of raw materials.

CONCLUSION

The technology offered in work differs in the main characteristics:

Novelty is that analogs of industrial application of the offered technology don't exist.

Relevance consists in increase of overall performance of the dosing pumps used in all spheres of oil and gas and chemical industry. This work is directed to receiving profit, preservation of health of working personnel and environmental protection. Use of this equipment will allow to solve problems with leaks and will significantly reduce holding time, to achieve economy of reagents, the accuracy of downloading and will increase service life of pumps.

Список литературы:

1. Насосы и насосные станции, Лысов К.И., Григорьев К.Т. 3-е Изд., испр. и доп. — М., Колос, 1977. — 224 с.

2. Журнал «Насосы и оборудование» №4-5 2013 г. «Герметичный плунжерный агрегат для микродозирования мирового уровня», НефтемашСервис.

3. Паспорт НД 100/250М 00.00.000 ПС ООО «НефтемашСистема».

4. Паспорт «АРЕОПАГ» НД1,0Р 100250 К13В.М8.001.

5. Инструкция по ПБ и ОТ при получении, перевозке, хранении, отпуске и применении метанола.

6. Общие санитарные правила при работе с метанолом: http://www.complexdoc.ru

7. www.areopag-spb.ru/

РЕЦЕНЗИЯ

на статью Казымова Эмина Насими оглы «Модернизация плунжерного насоса для дозирования опасных сред»

Казымов Эмин - является, молодым специалистом, слесарем по ремонту технологических установок 4 разряда в компании ООО «РН-Пурнефтегаз».

Актуальность статьи заключается в том, что в ней рассматривается метод увеличения межремонтного периода плунжерного герметичного насоса и соответственно предупреждение вредного воздействия утечек опасных веществ на организм рабочего при эксплуатации данных насосов, чем до-

стигается соответствие требованиям ГОСТа 12.1.005.

В основной части рассмотрены аспекты работы дозировочных насосов, показаны существующие проблемы, возникающие при эксплуатации дозировочных насосов в компании ООО «РН-Пурнефтегаз», описаны причины и последствия возникновения аварии, разработаны направления совершенствования плунжерных дозировочных насосов с целью устранения указанных проблем.

Специалистом обработано большое количество теоретического материала на достаточно высоком теоретическом и методологическом уровне. Проанализированы достоинства и недостатки альтернативных вариантов насосов. Дана оценка экономического эффекта внедрения модернизированного плунжерного насоса на объектах предприятия.

Материал в работе изложен с соблюдением внутренней логики, между разделами существует логическая взаимосвязь. Прослеживается тщательная работа по каждому разделу рассматриваемой темы. Полностью раскрыта тема работы, достигнута поставленная цель, решены все поставленные задачи.

Работа существенных недостатков не имеет. Использованный практический материал достоверен, сделанные выводы обоснованы, разработанная идея имеет практическую значимость, результаты исследования, приведенные в статье, могут быть применены в Обществе.

Исходя из вышеизложенного и, учитывая, что проект занял первое место на Десятой Научно -технической конференции молодых специалистов ООО «РН-Пурнефтегаз» в секции «Оборудование для сбора, подготовки и транспортировки нефти и газа», Управление подготовки и транспортировки газа и конденсата ООО «РН-Пурнефтегаз» рекомендует статью Казымова Эмина Насими оглы: «Модернизация плунжерного насоса для дозирования опасных сред» к публикации.

ООО «РН-Пурнефтегаз»

Начальник Управления ПТГиК

Габдулхаков Айдар Халилович