НАСОСНАЯ УСТАНОВКА РЕГУЛИРУЕМАЯ, ДИАФРАГМЕННАЯ
ADJUSTABLE DIAPHRAGM PUMP UNIT

Изобретение относится к нефтегазовому машиностроению и найдет применение при нагнетании жидкости в пласт для поддержания пластового давления (ППД) при разработке нефтяных и газовых залежей, а также при перекачивании текучих сред - газожидкостных смесей, растворов, нефти и т.д.
Известен гидроприводной возвратно-поступательный насос двойного действия (см. патент RU №2258156 C1, МПК F048 9/08, опубл. в БИ №22, от 10.09.2005 г.), содержащий два идентичных рабочих гидроцилиндра, каждый из которых имеет шток, нагнетательный и всасывающий клапаны, два идентичных приводных гидроцилиндра, каждый из которых имеет шток и поршневую и штоковую полости, расположенный в корпусе регулируемый насос, обратные клапаны, вспомогательный насос и первичный источник мощности.
Недостатком известной установки является то, что он сложный по конструкции. В частности, гидропривод содержит два насоса - основной и дополнительный, коромысловый механизм и требует наличия сложной системы блока управления и обвязки гидролиниями. Кроме того, горизонтальное расположение рабочих и приводных гидроцилиндров приводит к одностороннему износу их поршней, что является причиной небольшого срока службы, и, как следствие, это приводит к снижению долговечности и надежности в работе.
Известна также насосная установка нагнетательная, объемная, регулируемая (см. патент RU №2380570, МПК F04B 9/08, опубл. в БИ №3, от 27.01.2010 г.), включает два рабочих гидроцилиндра с нагнетательными и всасывающими клапанами, два приводных (силовых) гидроцилиндра с поршнями, соединенными жестко со штоками, расположенный в корпусе регулируемый гидронасос с гидравлическими линиями, обратные клапаны, предохранительный клапан, бак с рабочей жидкостью, первичный источник мощности, соединенный с входным валом гидронасоса, и блок управления. Рабочие и приводные гидроцилиндры установлены последовательно в вертикальном положении и закреплены к общей стойке основания. В полости рабочих гидроцилиндров в качестве поршней использованы скалки, соединенные шарнирно со штоками поршней приводных гидроцилиндров. Подпоршневые полости приводных гидроцилиндров сообщены гидролинией с двумя кранами, которая в свою очередь через дополнительную гидролинию с краном сообщена с одной из гидролиний регулируемой гидростанцией.
Эта насосная установка по технической сущности более близка к предлагаемой и может быть принята в качестве прототипа.
В ней недостатки аналога частично устранены. Однако она тоже не лишена недостатков. Так, например, также как и аналог, она сложна по конструкции и металлоемка, с большими габаритами по высоте. Кроме того, скалка установки в процессе работы находится в постоянном контакте с агрессивной перекачиваемой жидкостью, подвергаясь коррозионному разрушению, что отрицательно сказывается на ее долговечности, следовательно, и надежности работы установки, сокращая межремонтный период. В свою очередь ремонтные работы требуют определенных расходов, связанных с изготовлением и заменой скалки, что вызывает прерывание работы установки.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение вышеназванных недостатков прототипа.
Поставленная задача решается описываемой насосной установкой, содержащей вертикально установленный силовой гидроцилиндр с поршнем, жестко соединенным со штоком, рабочий гидроцилиндр, блок клапанов - всасывающий и нагнетательный, расположенный в корпусе регулируемый гидронасос с гидравлическими линиями, одна из которых сообщена с гидрораспределителем через обратный клапан, а другая линия - с баком для рабочей жидкости, первичный источник мощности, соединенный с входным валом гидронасоса, и блок управления с контроллером, электрически связанным с концевыми датчиками и гидрораспределителем.
Новым является то, что установка дополнительно снабжена герметичной камерой с крышкой, в верхней части которой установлена диафрагма из эластомера, выполненная в виде мембраны или виде рукава самовыворачивающегося типа с замкнутым нижним концом, а верхним концом - горловиной закреплена между фланцами крышки и корпуса камеры, разделяющая камеру на две герметичные полости, при этом полость над диафрагмой, меньшая по объему, сообщена с нижним концом рабочего гидроцилиндра, заполненного жидким техническим маслом, а нижняя полость под диафрагмой сообщена с блоком клапанов, при этом рабочий гидроцилиндр снабжен поршнем, шарнирно соединенным со штоком поршня силового гидроцилиндра, при этом в качестве эластомера для материала диафрагмы выбрана резина, армированная тканым или нетканым материалом, обладающая упругоэластичными свойствами.
Представленный рисунок поясняет суть изобретения, где схематически изображена заявляемая насосная установка в частичном продольном разрезе, где видны блок гидроцилиндров с поршнями, герметичная камера с крышкой с установленной внутри нее диафрагмы из упругоэластичного материала, полость над которой сообщена с нижним концом рабочего гидроцилиндра; видны также электродвигатель, гидронасос и гидролинии, соединяющие его с гидрораспределителем, а также блок управления с контроллером, соединенным электрически с концевыми датчиками и гидрораспределителем.
Насосная установка содержит блок цилиндров 1, гидростанцию 2 и блок управления 3. Блок цилиндров включает вертикально установленный силовой гидроцилиндр 4 с поршнем 5, соединенным жестко со штоком 6, и рабочий гидроцилиндр 7 с поршнем 8, соединенным шарнирно со штоком 6. Подпоршневая полость гидроцилиндра 7 заполнена техническим жидким маслом 9. Установка снабжена герметичной камерой 10 яйцеобразной формы, закрытой сверху крышкой 11 с помощью фланца 12. Внутри камеры установлена диафрагма 13 из эластомера, например, из резины, армированной тканным или нетканым материалом, обладающая упругоэластичными свойствами. Она выполнена в виде рукава с замкнутым нижним концом, а горловиной зажата между фланцами 12 крышки 11 и корпуса камеры 10. Диафрагма также может быть выполнена и в виде мембраны или сильфона. Полость камеры разделена диафрагмой на две герметичные полости 14 и 15. Полость 14 над диафрагмой, меньшая по объему, сообщена с нижним концом рабочего гидроцилиндра с помощью гибкой связью, а нижняя полость 15 сообщена с блоком клапанов 16 и 17 всасывающим и нагнетательным соответственно. Гидроцилиндры 4 и 7 снабжены концевыми датчиками 18 и 19 бесконтактного типа.
Гидростанция 2 включает расположенный в корпусе (не изображен) регулируемый гидронасос 20 с гидролиниями 21 и 22. Гидролиния 22 через обратный клапан 23 сообщена с гидрораспределителем 24, а другая линия 21 сообщена через фильтр 25 с баком 26 для рабочей жидкости - техническим жидким маслом. Гидрораспределитель линией 27 сообщен через штуцер с надпоршневой полостью гидроцилиндра 4, а линией 28 с помощью штуцера с подпоршневой его полостью. Входной вал гидронасоса 20 соединен с первичным источником мощности - электродвигателем 29 с регулируемым числом оборотов механически или гидравлически, или частотным преобразователем (регуляторы числа оборотов на фиг. не показаны).
Блок управления 3 снабжен программируемым логическим контроллером 30, электрически связанным с концевыми датчиками 18 и 19 линиями 31 и 32 соответственно, а линиями 33 и 34 с гидрораспределителем. По заявке потребителя контроллер связывают датчиком избыточного давления с унифицированным токовым выходом линии нагнетания 35, датчиком настройки и контроля расхода жидкости, а также датчиками настройки и уровнем жидкого масла в баке 26 и осуществления контроля за давлением. Для уменьшения пульсации нагнетаемой жидкости установка может быть снабжена двумя или тремя блоками гидроцилиндров аналогичной конструкции, установленными на общей стойке основания и подключенными к всасывающей линии 36.
Установка работает следующим образом.
Ее монтируют в вертикальном положении (см. рисунок) на стойке основания (стойка и основание из-за простоты на рисунке не показаны), бак 26 заполняют жидким техническим маслом. Далее проверяют надежность соединений гидролиний и арматуры, а также исправность блока управления, наличия технического масла в рабочем гидроцилиндре 7. Перед запуском в работу установки поршни 5 и 8 гидроцилиндров находятся в верхнем положении (см. рисунок).
По окончании подготовительных операций запорные арматуры 37 и 38 приемной линии 36 и линии 35 нагнетания соответственно по команде из блока управления 3 электродвигатель 29 гидронасоса 20 запускают в работу. При этом рабочая жидкость из бака 26 через фильтр 25 гидронасосом по линии 22 направляется в гидрораспределитель 24, откуда по линии 27 попадает в надпоршневую полость силового гидроцилиндра 4. При этом одновременно по команде из блока управления 3 гидрораспределитель сообщает линию 28 с линией 39, идущей в бак для слива жидкости из-под поршня 5. Поршень 5 под действием высокого давления начинает перемещаться вместе со штоком 6 в поступательном направлении вниз, перемещая одновременно поршень 8 рабочего гидроцилиндра 7 в том же направлении, вытесняя техническое масло из подпоршневой полости в верхнюю полость диафрагмы 13. Она под действием давления технического масла, деформируясь и постепенно облегая стенки камеры, вытесняет имеющуюся под ней перекачиваемую жидкость, поступившую из приемной линии 36 в нагнетательную линию 35 через клапан 17.
При своем движении вниз поршень 5 постепенно вытесняет имеющуюся в его подпоршневой полости рабочую жидкость по линии 28 через гидрораспределитель 24 и по линии 39 сливается в бак, при котором поршень 5 достигает нижнего положения, полностью вытесняя рабочую жидкость из подпоршневой полости, о чем датчик 18 подает сигнал в блок управления, по команде которого происходит переключение в гидрораспределителе, сообщая линию 22 с линией 28, и рабочая жидкость начинает поступать в подпоршневую полость поршня 5 под высоким давлением и тем самым перемещать поршень 5 и связанный с его штоком поршень 8 вверх, в обратном направлении, под который при этом создается разряжение, за счет чего жидкость из полости диафрагмы начинает перетекать в полость рабочего гидроцилиндра 7 и диафрагма за счет силы упругости и эффекта разряжения под поршнем 8 начинает самовыворачиваться в направлении вверх, стремясь принять исходное положение, начинается всасывание перекачиваемой жидкости из приемной линии 36 через клапан 16 в полость 15 камеры 10. При достижении поршнем 5 верхней крайней точки его подпоршневая полость полностью заполняется рабочей жидкостью, заполняется снова техническим маслом и рабочий гидроцилиндр и полость 15 камеры 10 перекачиваемой жидкостью, при котором поршень 8 достигает до уровня датчика 19, от которого при этом подается сигнал в блок управления 3. Последний дает команду распределителю на переключение, при этом линия 22 сообщается с линией 27 и рабочая жидкость начинает поступать через штуцер в надпоршневую полость силового гидроцилиндра, и далее цикл повторяется.
Как видно из описанного, поршни гидроцилиндров, шток, а также гидронасос работают в среде жидкого технического масла и через эту же среду происходит ритмичное возвратно-поступательное движение диафрагмы, разделяющей масляную полость от перекачиваемой среды, благодаря чему вся система насосной установки находится в благоприятных для работы условиях и имеет минимальный износ, что приводит к увеличению долговечности и надежности работы насосной установки. Вертикальное положение гидроцилиндров исключает одностороннее воздействие на уплотнители поршней и штока, и в результате износ происходит равномерно. Кроме того, самовыворачивающаяся геометрия диафрагмы позволяет уменьшить резкие перегибы, растяжение материала диафрагмы, увеличивая тем самым ресурс ее работы. Объем рабочего гидроцилиндра, заполненного техническим маслом, выбран меньше рабочего объема диафрагмы, что позволяет уменьшить механические воздействия, превышающие его механическую прочность, тем самым исключает аварийное разрушение диафрагмы, увеличивает ресурс работы. При необходимости объем нагнетаемой жидкости можно изменить в широком диапазоне, например, увеличив обороты электродвигателя через преобразователь частоты и выбрав соответствующий объем рабочего гидроцилиндра, что дает возможность использовать установку в качестве и счетчика жидкости за определенный промежуток времени. Заявляемая насосная установка обладает меньшей металлоемкостью и простотой конструкции. Благодаря соединения герметичной камеры с нижним концом рабочего гидроцилиндра гибкой связью имеется возможность расположения герметичной камеры в удобных для эксплуатации местах, установив наклонно, горизонтально и за пределами блока гидроцилиндров.