Погружной привод плунжерного насоса

Полезная модель относится к насосным установкам для подъема жидкостей из скважин с агрегатом двигатель-насос, расположенным на большой глубине.
Известен привод погружного насосного агрегата (патент RU 2568022, МПК F04B 47/06 (2006.01), опубл. 2015 г.), содержащий реверсивный электродвигатель, ведущий вал которого соединен с передачей винт-гайка качения, упорно-радиальные подшипники, установленные на нижнем конце передачи винт-гайка качения, полый шток с продольным пазом, охватывающий винт и соединяющий гайку со штангой, уплотненной в корпусе, являющейся приводом плунжерного насоса, вставку для размещения в ней верхнего подшипника передачи винт-гайка качения, соединенную через продольный паз с корпусом агрегата, антиротационный механизм, исключающий вращение гайки относительно корпуса, демпферы, предотвращающие ударные нагрузки. Привод снабжен двумя последовательно соединенными между собой передачами винт-гайка качения, имеющими противоположные направления движения винтовой поверхности, при этом гайка передачи, винт которой связан непосредственно с валом электродвигателя - первая передача, соединена с внешним полым штоком и далее внешней полой штангой, охватывающими соответственно гайку качения второй передачи, соединенную с внутренним полым штоком, и связанную с ним внутреннюю штангу, образуя при этом разнонаправленный привод для плунжерного насоса. Изменение направления вращения вала электродвигателя, а также аварийная остановка агрегата могут быть осуществлены при помощи подачи сигнала на станцию управления от датчиков линейной ориентации или от повышения нагрузок, связанных с работой демпферов, которые одновременно являются защитой от ударных нагрузок, могущих возникнуть от сбоев в системе управления агрегатом.
Недостатками такого привода являются сложность конструкции, что объясняется наличием двух последовательно соединенных между собой передач винт-гайка качения, имеющими противоположные направления движения винтовой поверхности, двух полых штоков, а также короткого хода гайки, что снижает напор, создаваемый насосом и ограничивает его использование. Представленная конструкция насоса имеет сложную конструкцию двойных плунжеров и цилиндров, увеличенное количество клапанных пар, что снижает надежность работы всей компоновки.
Наиболее близким к заявляемому и принятым в качестве прототипа является привод установки погружного плунжерного насоса с передачей винт-гайка качения для подъема газожидкостной смеси из скважин (патент RU147159 U1, МПК F04B 47/00 (2006.01), опубл. 2014 г.), содержащий погружной электродвигатель, ведущий вал которого соединен с винтом передачи винт-гайка качения, перемещающейся внутри корпуса и соединенной со штоком плунжера. Электродвигатель соединен со станцией управления, содержащей контроллер со встроенным программным обеспечением, осуществляющий переключение направления вращения ведущего вала электродвигателя в крайних положениях гайки. В качестве передачи винт-гайка качения используется ролико-винтовая или шарико-винтовая передача.
Такой привод имеет более простую конструкцию.
Однако недостатками такой конструкции является низкая надежность работы, что объясняется возможностью сбоя в переключении направления вращения ведущего вала электродвигателя в результате неточности изготовления шарико-винтовой передачи, неточности работы электродвигателя, приводящие к самопроизвольному перемещении гайки в крайнее положение. В процессе эксплуатации при отсутствии питания на электродвигатель и станцию управления, или в случае замены станции управления в результате поломки, или иных обстоятельств из-за отсутствия возможности ориентации приводной гайки на валу шарико-винтовой передачи, гайка может переместится в крайнее положение, что приведет к повреждению привода и других элементов и значительно снизит надежность работы всей установки, в том числе приведет к поломке всей установки и повлечет за собой дальнейшие дорогостоящие работы по демонтажу оборудования из скважины, проведению ремонтных работ и повторного спуска в скважину.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности работы привода и всей погружной насосной установки за счет контролируемого изменения направления вращения ведущего вала привода в крайних положениях плунжера насоса.
Поставленная задача решается за счет усовершенствования погружного привода плунжерного насоса, содержащего реверсивный электродвигатель, выходной вал которого соединен с входным элементом механизма преобразования вращения вала в поступательное перемещение выходного элемента, имеющего возможность соединения с плунжером насоса, и станцию управления, содержащую контроллер реверса электродвигателя.
Это усовершенствование заключается в том, что погружной привод снабжен гидромеханическим узлом демпфирования выходного элемента механизма преобразования вращения вала в поступательное перемещение с другой стороны соединенного с выходным элементом насоса, а станция управления снабжена блоком фиксации изменения нагрузки на электродвигатель, соединенным с контроллером реверса электродвигателя.
При этом блок фиксации снимает в режиме реального времени основные рабочие параметры электродвигателя: I (А), Р (Вт), f (Гц) и др. и передает их в контроллер по существующим каналам связи для передачи данных, а контроллер в свою очередь анализирует изменение этих параметров во временном интервале и выдает команды на изменение режимов работы.
Основным искусственным механизмом принудительного изменения нагрузки выступает гидромеханический узел демпфирования, который имеет жесткую механическую связь с выходным элементом механизма преобразования вращения вала в поступательное перемещение. При движении в одну из сторон гидромеханический узел демпфирования создает в крайних положениях принудительное увеличение нагрузки на электродвигатель за мгновенный промежуток времени в следствие чего контроллер получает от блока фиксации нагрузки параметры резко увеличивающиеся в мгновенный промежуток времени, что и является сигналом для включения реверса вращения электродвигателя.
В рассматриваемом выше случае, когда происходит остановка электродвигателя при пропадании питания, в случае замены станции управления в результате поломки, или в иных обстоятельствах, полностью исключены риски поломки оборудования из-за не возможности ориентации приводной гайки на валу механизма преобразования вращения в поступательное движение, т.к. ход гидромеханического узла демпфирования имеет меньшую длину, чем длина хода самого механизма преобразования вращения в поступательное движение, что при отлаженной на заводе тарировке положения гайки относительно гидромеханического узла демпфирования никогда не приведет к смещению гайки в критичное положение, при котором произойдет заклинивание и выход из строя всей установки.
Такое конструктивное выполнение погружного привода позволяет повысить надежность работы привода и всей погружной насосной установки за счет наличия гидромеханического демпфера, создающего изменение нагрузки на электродвигатель и обеспечения реверса электродвигателя в зависимости от изменения нагрузки, что необходимо для надежного изменения направления вращения ведущего вала электродвигателя в крайних положения плунжера насоса.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображен заявляемый погружной привод плунжерного насоса со станцией управления.
Погружной привод плунжерного насоса 1 содержит реверсивный электродвигатель 2, выходной вал 3 которого соединен с входным элементом 4 механизма (например шарико-винтовой передачи) 5 преобразования вращения вала 3 в поступательное перемещение выходного элемента (штока) 6, имеющего возможность соединения с плунжером 7 насоса 1, и станцию управления 8, содержащую контроллер 9 реверса электродвигателя 2. Привод снабжен гидромеханическим узлом 10 демпфирования выходного элемента 6, а станция управления 8 снабжена блоком 11 фиксации изменения нагрузки на электродвигатель 2, соединенным с контроллером 9 реверса электродвигателя 2. Гидромеханический узел 10 демпфирования состоит из герметичного цилиндра, заполненного жидкостью, и поршня со штоком. В поршне выполнено отверстие малого диаметра, через которое перетекает жидкость при движении поршня относительно цилиндра.
Погружной привод плунжерного насоса работает следующим образом. При работе электродвигателя 2 вращение его выходного вала 3 механизмом 5 преобразуется в возвратно-поступательное перемещение выходного элемента 6, которое демпфируется гидромеханическим узлом 10. При движении поршня узла демпфирования между крайними положениями шток неподвижен относительно цилиндра. При подходе плунжера 7 насоса 1 к крайнему нижнему положению цилиндр гидромеханического узла 10 доходит до упора, а шток продолжает движение. При этом жидкость вытесняется поршнем через отверстие из одной полости в другую. Увеличивается давление в полости 12 гидромеханического узла демпфирования 10, которое приводит к увеличению нагрузки на электродвигатель 2. Это увеличение нагрузки фиксируется блоком И станции управления 8, контроллер 9 которой подает управляющий сигнал реверса вращения выходного вала 3 электродвигателя 2. При вращении выходного вала 3 электродвигателя в противоположном направлении плунжер насоса начинает движение вверх. При подходе плунжера 7 насоса 1 к крайнему верхнему положению возрастает давление в полости 13 гидромеханического узла демпфирования 10, которое приводит к увеличению нагрузки на электродвигатель 2. Это увеличение нагрузки фиксируется блоком 11 станции управления 8, контроллер 9 которой подает управляющий сигнал реверса вращения выходного вала 3 электродвигателя 2.
При помощи станции управления 8 можно менять частоту напряжения, подаваемого на электродвигатель 2, и таким образом изменять число двойных ходов плунжера (вниз-вверх) и скорости движения плунжера насоса 1. Путем регулирования времени ожидания переключения электродвигателя 1 в совокупности со скоростью движения плунжера 7 насоса 1 достигается регулирование производительности установки. При включении электродвигателя 2, независимо от начального положения элементов установки (плунжера 7 насоса 1, поршня гидромеханического узла 10), демпфирование происходит при подходе к крайнему положению плунжера 7 насоса 1, а реверс вала электродвигателя 2 при увеличении нагрузки на электродвигатель 2 в крайнем положении плунжера 7 насоса 2.
Таким образом, использование заявляемой полезной модели позволяет повысить надежность работы привода и всей погружной насосной установки за счет надежного изменения направления вращения ведущего вала привода в крайних положениях плунжера насоса.