ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ С ПОДАВЛЕНИЕМ ВИБРАЦИИ

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, 1 - 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 не содержится средств для уменьшения вибрации, что является большим недостатком, так как это приводит к повышенному износу насоса. Кроме этого в конструкции представленных насосов не содержится средства для упрощения соединения насосного агрегата с трубопроводом и защитных элементов для защиты окружающей среды.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому плунжерному насосу и принятый за прототип является плунжерный насосный агрегат для поддержания пластового давления, содержащий корпус, приводной блок, закрепленный внутри корпуса, гидравлический блок, также закрепленный внутри корпуса и функционально связанный с приводным блоком средствами передачи приводного усилия, причем гидравлический блок содержит гибкий приемный патрубок для подавления вибрации от внешних объектов на вход насосного агрегата. Гибкий приемный патрубок представляет собой гофрированный патрубок, и, к тому же, он присоединен к гидравлическому блоку посредством
резьбового штуцера, (патент RU №163399, МПК F04B 47/00, опубл.20.07.2016).
Данный насосный агрегат имеет недостатки, существенно ограничивающие его безаварийную эксплуатацию:
1. В его конструкции не содержится средств для уменьшения вибрации выкидного трубопровода (присутствует вибрация на выходе насосного агрегата), что приводит к повышенному износу насоса и, как следствие, к разрушению запорной арматуры и деталей трубопровода. Отсутствие гибкого шланга на выкидном трубопроводе передает вибрацию гидравлического блока насоса на выкидной трубопровод, что в свою очередь приводит к разрушению крепления злектроприводной задвижки и обратного клапана. Давление нагнетания плунжерного насоса в случае нарушения герметичности соединений запорной арматуры может привести к аварийным ситуациям на объектах. Наиболее характерны последствия вибрации сказываются при выходе из строя пневматического компенсатора применяемого на напорной линии гидроблока.
2. При эксплуатации известного гибкого патрубка возникают риски его разгерметизации и преждевременного выхода из строя насосного оборудования, в связи с тем, что с течением времени происходит деформация патрубка, что ведет к изливу перекачиваемой жидкости из трубопровода в окружающую среду. При этом возникают риски опасности поражения электрическим током (а также другие факторы) для обслуживающего персонала.
3. Еще одним значительным недостатком является то, что в известном гидравлическом приводе гибкий гофрированный патрубок присоединяется к трубопроводам и к насосному блоку при помощи резьбовых (шарнирных) штуцерных соединений, что в свою очередь при перекачке агрессивных (сточной, пластовой воды) жидкостей ведет к корозии и прикипанию резьбовых (шарнирных) штуцерных соединений к трубопроводу и насосному блоку.
В заявленном техническом решении решается проблема снижения вибрации выкидных трубопроводов при эксплуатации плунжерных насосов, позволяющая осуществлять безаварийную эксплуатацию насосного агрегата и повысить надежность работы запорной арматуры и трубопровода в целом, а также решается проблема возникновения аварийных ситуаций при поражении обслуживающего персонала опасными факторами и проблема быстрого износа соединения гофрированного патрубка к трубопроводу и насосному блоку.
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.
Насосные агрегаты принимают текучую среду из резервуара и перекачивает ее в другой резервуар. Для реализации этого назначения в их конструкции содержатся стальные приемные и выкидные трубопроводы, соединенные с гидравлическим блоком.
Однако, применение объемных насосов на кустовой насосной станции (КНС) осложняется наличием значительных вибрационных нагрузок на приемной и выкидной линиях насосного агрегата, что приводит к частым остановкам и возможному выходу из строя оборудования.
Авторами предлагается использовать известные насосные агрегаты объемного действия, содержащие гибкий гофрированный патрубок на приеме насоса, в комплект которого входит гибкий патрубок выкидной линии насоса, присоединенный фланцевыми соединениями к насосной установке и трубопроводам, который, также, защищен кожухом от возможной разгерметизации гибкого патрубка. Это позволяет производить безаварийную закачку технологической жидкости с низким потреблением электроэнергии и исключить аварийные остановки, связанные с вибрацией.
Технический результат, на достижение которого направлен предложенный насосный агрегат, достигается тем, что в плунжерном насосном агрегате с подавлением вибрации, содержащем корпус, приводной блок, закрепленный внутри корпуса, гидравлический блок, закрепленный внутри корпуса и функционально связанный с приводным блоком средствами передачи приводного усилия, содержащий гидравлический блок с гибким премным патрубком, на выкиде насоса устанавливают гибкий выкидной патрубок, позволяющий снизить вибрацию трубопровода на выкидной линии насоса. Еще одной отличительной особенностью от известных насосных агрегатов является то, что гидравлический блок соединяется с гибким выкидным патрубком посредством фланцевого соединения, причем гибкий выкидной патрубок заключен в защитный кожух, обеспечивающий безаварийную эксплуатацию насосного агрегата и безопасность обслуживающего персонала.
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 вибрация передается через жесткие элементы и устраняется, или сильно ослабляется, при передаче через гибкие элементы. Очевидно, что в случае плунжерных насосных агрегатов целесообразно повышать гибкость элемента, связывающего насосный агрегат с внешними устройствами или системами: входного и выкидного патрубка.
Плунжерные насосы широко известны в уровне техники и состоят обычно из корпуса, 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. Также к гидравлическому блоку присоединены всасывающий и напорный патрубки (трубопроводы).
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.
В настоящей полезной модели предложено использовать гибкий патрубок на выкидной линии насоса для устранения или значительного уменьшения вибрации, воздействующей на насосный агрегат через линию выкида жидкости, а также для уменьшения передачи вибрации от насоса на внешние устройства и системы.
Заявленный плунжерный насосный агрегат для поддержания пластового давления содержит корпус, который представляет собой обычно используемый в данной области корпус, выполненный, как правило, из металла. Закрепленный внутри корпуса 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 внутри корпуса 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 известном из уровня техники решении для устранения передачи вибрации приемный патрубок является гибким, который соединен резьбовым (шарнирным) соединением к корпусу насоса.
В предложенном решении, для устранения передачи вибрации от корпуса насоса к выкидным трубопроводам, присоединяется гибкий патрубок к корпусу насоса, причем его соединяют посредством фланцевых соединений, что, в свою очередь, исключит прикипание и износ соединений, соответственно, в целом упростит эксплуатацию насосного агрегата. К тому же гибкий патрубок заключен в защитный кожух, для исключения возникновений опасных факторов для оборудования и обслуживающего персонала, таких как излив жидкости из выкидного патрубка в окружающую среду.
Гибкие приемный и выкидной патрубки обеспечивают возможность поворотов, смещений, скручивания и т.п.в очень широком диапазоне, что значительно повышает удобство использования насосного агрегата.
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.
Заявляемая полезная модель поясняется на фигуре «Плунжерный насосный агрегат с подавлением вибрации». 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 - гибкий приемный патрубок, 8 -фланцевое соединение гибкого выкидного патрубка, 9 - гибкий выкидной патрубок, 10 - защитный кожух гибкого выкидного патрубка.
Плунжерный насосный агрегат с подавлением вибрации, содержит раму 1, электродвигатель 2, соединяющие муфты 3, редуктор 4, механический блок 5, гидравлический блок 6 с гибким приемным патрубком 7, закрепленные на раме 1, На выходе насоса гидравлического блока 6 установлен гибкий выкидной патрубок 9, позволяющий снизить вибрацию трубопровода на выкидной линии насоса. Гидравлический блок 6 соединен с гибким выкидным патрубком 9 посредством фланцевого соединения 8, причем гибкий выкидной патрубок 9 заключен в защитный кожух 10.
Плунжерный насосный агрегат, закрепленный на раме 1, приводится в работу электродвигателем 2, вращение электродвигателя через упругие муфты 3 и редуктор 4, закрепленные на раме 1, передается на механический блок 5 и гидравлический блок 6, который через гибкий приемный патрубок 7 производит забор воды из трубопровода и нагнетает жидкость через гибкий выкидной патрубок 9, закрепленный к насосу и трубопроводу фланцевыми соединениями 8 к трубопроводной системе, соединенной с нагнетательными скважинами, к тому же гибкий выкидной патрубок 9 защищен кожухом 10.
Заявляемый плунжерный насосный агрегат с подавлением вибрации 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 снизить вибрации выкидных трубопроводов при эксплуатации плунжерных насосов, а также осуществлять безаварийную эксплуатацию насосного агрегата и повысить надежность работы запорной арматуры и трубопровода в целом. Снижаются риски возникновения аварийных ситуаций при поражении обслуживающего персонала опасными факторами и уменьшается вероятность износа соединения гибкого выкидного патрубка с трубопроводом и насосным блоком.
Данный плунжерный насосный агрегат с подавлением вибрации имеет техническое применение в НГДУ «Елховнефть».