ЭЛЕКТРОНАСОСНАЯ ПОГРУЖНАЯ УСТАНОВКА С МАГНИТНОЙ МУФТОЙ (ВАРИАНТЫ)

Заявляемое техническое решение относится к установкам погружных насосов, например, для нефтедобычи.
При создании электронасосной установки одной из важных задач является уменьшение монтажной длины и соответственно массы погружной части установки, что позволит получить большой технико-экономический эффект, определяемый повышением заводской готовности оборудования насосной установки, уменьшением трудозатрат на монтаж и ремонт оборудования скважины, уменьшением ошибок при монтаже и ремонте на скважине, уменьшением материалоемкости оборудования и стоимости установки.
Основной путь снижения габаритов и массы погружной части электронасосной установки - это увеличение скорости вращения насоса и приводного электродвигателя. В настоящее время нашей промышленностью серийно выпускаются установки со скоростью вращения около 3 тыс. об/мин., а передовыми зарубежными фирмами - примерно 3-5 тыс. об/мин. Известна новая отечественная разработка - установка ЦУНАР-100 номинальной мощностью 32 кВт, которая проходит испытания на скважинах, рассчитанная на максимальную скорость вращения до 10 тыс. об/мин. В НПП ВНИИЭМ ведется разработка электронасосной установки на скорость вращения до 30 тыс. об/мин.
2
Рассматриваемое погружное оборудование электронасосной установки предназначено для опускания в скважину. Глубина скважин может быть различной, однако для подавляющего числа скважин достаточно считать, что глубина погружения находится в пределах 2000 м. Это означает, что на погружное оборудование воздействует давление до 200 кг/см (20 МПа) и при этом температура пластовой жидкости доходит до 90°С.
Во всех выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью электронасосных установках в состав погружного оборудования наряду с насосом и приводным электродвигателем входит также устанавливаемое между ними устройство гидрозащиты, а внутреннюю полость электродвигателя заполняют изолирующей жидкостью, например трансформаторным маслом. Устройство гидрозащиты и заполнение двигателя изолирующей жидкостью применяют для предохранения обмотки двигателя, его подшипников и других деталей от проникновения перекачиваемой жидкости, которая может быть коррозионоопасной, содержать твердые частицы, вызывать нарушение изоляции обмотки электродвигателя и повреждать подшипники.
Для высокой скорости вращения (например, до 30 тыс. об/мин) устройства гидрозащиты пока что не существует и выполнить надежные уплотнения, препятствующие при такой скорости и высоком давлении в скважине попаданию перекачиваемой жидкости из полости насоса внутрь двигателя, чрезвычайно сложно. Даже при относительно небольшой скорости вращения (около 3 тыс. об/мин) в существующих установках, несмотря на наличие устройства гидрозащиты и заполнение двигателя трансформаторным маслом, не удается полностью исключить проникновение перекачиваемой жидкости внутрь электродвигателя.
Кроме того, при высокой скорости вращения (например, 30 тыс. об/мин) заполнение электродвигателя изолирующей жидкостью привело бы к очень большим потерям на трение ротора двигателя о жидкость, величина которых примерно такая же как полезная мощность на валу, что недопустимо.
Известна наземная электронасосная установка для перекачки экологически опасных жидкостей, например, кислот, которая применяется на нефтеперерабатывающих, химических, нефтехимических и газоперерабатывающих заводах. Эта установка, в которой используется магнитная муфта для исключения попадания перекачиваемой жидкости в окружающую среду, является аналогом предлагаемой установки [1, 2].
В установку - аналог входят горизонтальный одноступенчатый технологический насос с встроенной в его корпус магнитной муфтой и приводной электродвигатель, сочлененный своим валом с валом наружного ротора этой муфты. Магнитная муфта передает крутящий момент на внутренний ротор, сочлененный с валом насоса. Разделительная гильза установлена между наружным и внутренним роторами муфты, обеспечивая герметичное уплотнение насоса. Вал насоса с рабочим колесом и внутренним ротором вращаются в износостойких подшипниках скольжения. Ведущий вал с наружным ротором смонтирован в смазываемых маслом подшипниках качения двигателя. Насосный агрегат смонтирован на усиленной сварной стальной фундаментной плите, а электродвигатель находится вне этого агрегата. Насосный агрегат с электродвигателем не рассчитан на использование в качестве погружной насосной установки в условиях скважины, поскольку по конструкции он не может быть размещен в скважине, рассчитан на напор только до 300 м, его двигатель не может быть размещен в обсадной трубе скважины ввиду значительно большего диаметра его, чем диаметр скважины и незащищенности его от попадания внутрь перекачиваемой жидкости. Для его защиты потребовалось бы дополнительная установка устройства гидрозащиты, что совершенно нерационально при наличии магнитной муфты.
Недостатком этой установки является то, что ее невозможно использовать в качестве погружной электронасосной установки, например для нефтедобычи.
3
В качестве прототипа принята погружная электронасосная установка, наиболее широко применяемая в настоящее время в нефтедобыче, которая содержит насос, электродвигатель и установленное на общем валу между ними устройство гидрозащиты [3]. Оно предназначено для предотвращения проникновения пластовой жидкости во Внутреннюю полость электродвигателя, компенсации изменения объема масла во внутренней полости в зависимости от температуры электродвигателя и передачи крутящего момента от вала электродвигателя к валу насоса. Устройства гидрозащиты выпускаются в обычном и коррозионностойком исполнении и представляют собой цилиндр монтажной длиной 2,2 м на мощность двигателя 125 кВт, [3] (стр.139, табл.4.8), вдоль оси которого внутри трубки проходит вал для передачи крутящего момента. Внутри цилиндра вокруг трубки с валом находятся две камеры, разделенные средним ниппелем, из которых верхняя камера заполнена барьерной жидкостью, а нижняя - диэлектрическим маслом. Камеры сообщены между собой трубкой. Изменение объема жидкого диэлектрика в полости двигателя при изменении температуры компенсируется за счет перетока барьерной жидкости в гидрозащите из одной камеры в другую. Гидрозащита требует применения специальной барьерной жидкости плотностью до 2 кг/см, обладающей физико-химическими свойствами, которые исключают ее перемешивание с пластовой жидкостью скважины и маслом в полости электродвигателя.
Однако, как отмечено выше, на большие скорости вращения насоса и электродвигателя (например, 15-30 тыс. об/мин) пока что не существует устройств гидрозащиты и создание их является очень проблематичным, особенно, если учесть, что уплотнение вала даже при скорости вращения до 3 тыс. об/мин (по свидетельству ведущих зарубежных фирм, например Sulzer (Швейцария) [1]) вносит большой вклад в общее число отказов насосов. Поэтому даже при наличии устройства гидрозащиты, внутреннюю полость электродвигателя заполняют диэлектрическим маслом [3].
Недостатком этой установки является то, что из-за потерь на трение ротора электродвигателя о жидкость значительно снижается КПД установки, из-за чего эта установка не может применяться при высоких скоростях вращения электродвигателя и насоса.
Кроме того, несмотря на наличие устройства гидрозащиты и заполнения двигателя диэлектрической жидкостью, как показала практика, пластовая жидкость может проникать внутрь двигателя. Пластовая жидкость может вызывать коррозию металлических деталей двигателя и нарушение изоляции обмоток, а содержащиеся в ней твердые частицы увеличивают износ подшипников и все это приводит к сокращению срока службы
двигателя, и, следовательно, всей установки.
Задачей предлагаемой электронасосной установки является передача; момента вращения от приводного электродвигателя к насосу без указанных недостатков аналога и прототипа, а именно с полной защитой внутренней полости электродвигателя от попадания в нее перекачиваемой жидкости без устройства гидрозащиты и без потерь на трение ротора о жидкость, в том числе и при больших скоростях вращения.
Для решения этой задачи электронасосная установка снабжена магнитной муфтой, расположенной между электродвигателем и насосом, и передающей момент вращения от двигателя к насосу без механического контакта между ними.
Магнитная муфта состоит из двух полумуфт, между которыми в зазоре размещена разделительная гильза. Цилиндрическая часть гильзы, расположенная в зоне действия полей постоянных магнитов, выполнена из немагнитного и неэлектропроводного материала.
Обе полу муфты могут свободно вращаться. Наружная полу муфта (наружный ротор) жестко сочленена с ведущим валом электродвигателя и тогда внутренняя полумуфта (внутренний ротор) жестко сочленена с ведомым валом насоса или внутренний ротор жестко сочленен с ведущим валом электродвигателя и тогда наружный ротор - с ведомым валом насоса. Разделительная гильза открытой частью цилиндра в обоих случаях герметично прикреплена к неподвижному корпусу электродвигателя.
Благодаря герметичной изоляции внутренней полости электродвигателя от пластовой жидкости, и отсутствии надобности в заполнении этой полости изолирующей жидкостью, ротор электродвигателя вращается в воздушной среде, исключаются потери на трение ротора о жидкость и увеличиваются КПД и срок службы электродвигателя.
На каждой из полумуфт магнитной муфты, на цилиндрических поверхностях, обращенных друг к другу, закреплены термостойкие постоянные магниты, например, самарий - кобальтовые. За счет сил притяжения магнитов полумуфт друг к другу от электродвигателя к насосу передают момент вращения. От требуемой величины передаваемого момента вращения зависит площадь поверхностей постоянных магнитов полумуфт, обращенных друг к другу. Если диаметр определен, то максимальный момент или максимальная мощность на валу определяют размер магнитов в осевом направлении, т.е. определяют длину муфты.
Так, например, необходимая длина магнитов для муфты с максимальным моментом 25 Нм, соответствующим мощности на валу 50 кВт при скорости вращения 30 тыс. об/мин и двойном запасе по моменту составляет 137,5 мм и при мощности 200 кВт и соответственно моменте 100Нм-550 мм. Для сравнения отметим, что монтажная длина серийно
выпускаемых устройств гидрозащиты составляет 2200 мм для мощности 125 кВт [3, стр.139, табл.4.8] и мало зависит от мощности насоса.
На фигурах 1 и 2 изображена конструкция двух вариантов заявляемой погружной электронасосной установки, причем на фигуре 1 показана конструкция установки, более целесообразной при высоких скоростях вращения (например 15-30 тыс. об/мин), а на фигуре 2 - конструкция установки, которая может быть более целесообразной при более низких скоростях вращения.
На фигуре 1 (вариант 1) показана конструкция заявляемой установки, более предпочтительной при более высоких скоростях вращения насоса, в которой вал 9 наружной полумуфты 8 жестко сочленен с валом электродвигателя 2, вал 12 внутренней полумуфты 11 жестко сочленен с валом насоса 5, а разделительную гильзу 14, имеющую вид стакана, цилиндрическая часть которого, расположенная между постоянными магнитами полумуфт, концентрично с ними, выполнена из немагнитного и неэлектропроводного материала и открытой частью ее герметично крепят к корпусу муфты 7, и этот корпус также герметично крепят к корпусу электродвигателя 1 и негерметично - к корпусу насоса 4. Герметичное крепление гильзы к корпусу муфты может осуществляться, например, путем приклеивания по конусной поверхности (см. фигуру 1), а герметичное крепление корпуса муфты к корпусу электродвигателя - например, с помощью фланцевого соединения с уплотнением.
Благодаря герметичному соединению открытой части разделительной гильзы 14 с корпусом электродвигателя обеспечивают отделение внутренней полости электродвигателя от перекачиваемой пластовой жидкости, и поэтому внутреннюю полость электродвигателя не требуется заполнять изолирующей жидкостью и, следовательно, ротор электродвигателя вращается в воздушной среде, внутренняя полость насоса соединена с внутренним объемом разделительной гильзы 14, и это означает, что внутренняя полумуфта 11 вращается в среде перекачиваемой жидкости, а наружная полумуфта 8, как и ротор электродвигателя, вращается в воздушной среде.
На фигуре 2 показана конструкция второго варианта заявляемой установки, более предпочтительной при относительно небольших скоростях вращения (например, до 15 тыс. об/мин), в которой вал 9 наружной полумуфты 8 жестко сочленен с валом насоса 5, вал 12 внутренней полумуфты 11 жестко сочленен с валом электродвигателя 2, а разделительная гильза 14 открытой частью прикреплена герметично к корпусу муфты 7, а этот корпус также герметично - к корпусу электродвигателя 1. Благодаря герметичному соединению открытой части разделительной гильзы 14 с корпусом электродвигателя 1 обеспечивают
герметичность его внутренней полости, вследствие чего ее не требуется заполнять изолирующей жидкостью, и ротор электродвигателя вращается в воздушной среде. Внутренняя полость насоса соединена с объемом муфты находящемся между разделительной гильзой 14 и внутренней поверхностью корпуса магнитной муфты 7 и это означает, что этот объем заполнен перекачиваемой жидкостью и в ее среде вращается наружная полумуфта 8, а внутренняя полумуфта 11, как и ротор электродвигателя - в среде воздуха.
В заявляемой электронасосной установке как на фигуре 1, так и на фигуре 2 решена главная задача - выполнена передача вращающего момента от электродвигателя к насосу с помощью магнитной муфты при герметизации внутренней полости электродвигателя и обеспечении в обоих случаях вращения его ротора в воздушной среде, т.е. без потерь на трение ротора о жидкость. Однако имеется и различие: на фигуре 1 (вариант 1) наружная полумуфта 8 вращается в воздушной среде, а внутренняя полумуфта 11 - в среде перекачиваемой жидкости, на фигуре 2 (вариант 2), наоборот, наружная полумуфта 8 вращается в среде перекачиваемой жидкости, а внутренняя полумуфта 11 - в воздушной среде. Наружная полумуфта 8, естественно, имеет больший диаметр, чем внутренняя полумуфта 11 и поэтому при работе электронасосной установки и вращении в среде перекачиваемой жидкости внутренней полумуфты 11 величина потерь на трение ее о жидкость будет меньше, чем при вращении в среде перекачиваемой жидкости наружной полумуфты 8, т.е. с точки зрения минимизации потерь и повышения КПД установки более целесообразна реализация установки, показанной на фигуре 1, что особенно существенно при высоких скоростях вращения.
Однако при относительно небольших скоростях вращения, когда потери на трение наружной и внутренней полумуфт о жидкость различаются несущественно, установка, показанная на фигуре 2 может оказаться более предпочтительной, чем установка на фигуре 1, поскольку в ней перекачиваемая жидкость, находящаяся под давлением, определяемым глубиной скважины, расположена снаружи разделительной гильзы 14, и ее стенки «работают» на сжатие, а в установке (фигура 1) перекачиваемая жидкость помещена внутри разделительной гильзы 14 и ее стенки «работают» на растяжение. Поэтому во втором варианте (фигура 2) разделительная гильза может быть выполнена из менее прочного материала, например, из керамики, а в первом варианте (фигура 1) требуется изготовление разделительной гильзы 14 из более прочного материала, например из стекловолокна. В связи с этим в ряде случаев, особенно при небольших скоростях вращения, а иногда и при высоких скоростях вращения может оказаться предпочтительнее использование
более дешевой муфты с гильзой из керамики (фигура 2).
Таким образом, заявляемая электронасосная установка работает следующим образом. Электродвигатель, получив питание от инвертора, начинает вращаться и вращает наружную или внутреннюю полумуфту. Вследствие взаимодействия между постоянными магнитами наружной и внутренней полумуфт начинает также вращаться ведомая полумуфта, вал которой, жестко сочлененный с валом насоса, вращает последний. При этом отсутствует механический контакт между валами электродвигателя и насоса, и, благодаря разделительной гильзе, внутренняя полость электродвигателя не заполнена изолирующим маслом и защищена от попадания в нее перекачиваемой жидкости без гидрозащиты, чем обеспечивают меньшие потери в двигателе, более высокий КПД всей электронасосной установки и увеличение срока службы электродвигателя.
Литература.
1. Технологические насосы с магнитной муфтой по стандарту API610, (серии ZEM и ZFM) проспект фирмы «Sulzer» Швейцария на выставке «Нефть и газ», Москва 2003 г. (прилагается).
2. Шабашов А.И., Николаев А.В., «Магнитные системы для передачи движения через перегородки», «Вестник машиностроения», 1970 г., №6, стр.34-36.
е
3. Бухаленко Е.И., Вериковой В.В. и др. «Нефтепромысловое оборудование», справочник, издание 2, «Недра», 1990 г. стр.137-139.
Авторы: Васюков С.А., Коварский М.Е., Лопатин В.В., Макриденко Л.А., Раскин Л.Я., Сальковский Ф.М., Сарычев А.П., Трусов Н.Б.