Лекция 1
Введение. Роль насосов в современной технике. Применение при разработке нефтегазовых месторождений, добыче, транспортировке. Общая классификация. Термины и определение в соответствии с Гост17398.
Роль насосов в современной технике трудно переоценить. По степени влияния на развитие цивилизации изобретение насоса сопоставимо с изобретением колеса. Ни одна серьезная машина, ни один процесс, не обходится без насоса - самолет, автомобиль, тепловоз, пароход, станки, бытовая техника, космонавтика, сельское хозяйство, медицина и т.п. Даже сам человек не обходится без насоса – сердце.
Незаменима роль насосов в комплексе работ по разработке н/г месторождений. На начальном цикле строительства скважин – бурение и крепление скважин – не возможно осуществить без промывки во время бурения и закачки цементного раствора при цементировании обсадных колонн насосами высокого давления. На стадии эксплуатации месторождений только на начальной стадии возможен подъем жидкости на поверхность за счет энергии пласта без применения насосов. Этот период фонтанирования составляет небольшой процент от общей продолжительности эксплуатации месторождения, в ряде случаев его нет совсем. В дальнейшем подъем нефти на поверхность производится насосами различных конструкций. Дальнейшая технологическая цепочка эксплуатации – сбор продукции скважин, внутри промысловой перекачки до установок подготовки нефти (УПН, УКПН) производится насосами. Технологии УПН до товарной кондиции базируются на насосах. Воздействие на пласт, с целью его пластовой энергии (ППД), на призабойную зону – гидравлический разрыв пласта, солянокислотные обработки, промывка скважин и др. – базируются также на насосах. Из всего сказанного можно сделать вывод о значимости насосов в разработке н/г месторождений и высоких требованиях предъявляемых к ним по надежности, безотказности, их грамотной эксплуатации и обслуживании.
Термины и определения
Насос – гидравлическая машина для напорного перемещения (всасывания и нагнетания) жидкой среды (капельной жидкости) в результате сообщения ей внешней энергии (потенциальной или кинетической) или, согласно Госту17398 «Машина для создания потока жидкой среды».
Основные показатели технической характеристики:
Q – подача, м3/сек (л/сек) и др.
Н – напор, м.
Р – давление, МПа (кг.с/см2)
N – мощность, квт
.n – частота вращения вала, об/мин(с-1)
Т – температура, 0С(К)
Нв –допустимая вакуумметрическая высота всасывания, м вод.ст.
∆h – допускаемый кавитационный запас, м
η – КПД, %
Классификация насосов по принципу действия (Гост17398)
1. Динамический насос – насос в котором жидкая среда перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщающееся со входом и выходом насоса.
1.1 Лопастной насос – динамический насос, в котором жидкость вытесняется обтекая лопасти.
1.1.1 Центробежный насос – лопастной насос, в котором жидкая среда перемещается через колесо от центра к периферии.
1.1.2 Осевой насос – лопастной насос, в котором жидкая среда перемещается в направлении его оси.
1.2 Насос трения – динамический насос, в котором жидкая среда перемещается под воздействием сил трения (вихревой насос, шнековый, вибрационный, струйный и др.)
1.3 Электромагнитный насос – динамический насос, в котором жидкая среда перемещается под воздействием сил трения.
2. Объемный насос – насос, в котором жидкая среда перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ее камеры, попеременно сообщающиеся со входом и выходом насоса (посредством клапанов).
2.1 Поршневой насос – объемный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде поршней.
2.2 Плунжерный насос – объемный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде плунжеров.
2.3 Роторный насос – объемный насос с вращательным или вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса (винтовой, шестеренный, пластинчатый, аксиально-поршневой, радиально-поршневой идр.)
Основные показатели и характеристики насосов
1. Объемная подача насоса –объем перекачиваемой жидкости в единицу времени, Q (м3/сек).
2. Массовая подача насоса –масса перекачиваемой жидкости в единицу времени, Qм (кг/сек)
3. Давление насоса – величина, определяемая зависимостью:
Р=Рн-Рв+ ρ(V2н-V2в)/2+ ρg(Zн-Zв)
Где: Рн,Рв – давление на выходе (нагнетании) и входе (всасывании) в насос, МПа, (кгс/см2 )
.ρ – плотность жидкой среды, кг/м3
Vн, Vв – скорость жидкой среды на выходе и входе в насос, м/сек
.g –ускорение свободного падения, м/сек2
Zн,Zв – высота центра тяжести сечения выхода и входа в насос, м
Давление в системе СИ измеряется в Па (1 Па =1н/м2)
Основные соотношения различных единиц измерения:
1кгс/см2=98066,5Па, 1мм вод.ст.=9,80665 Па,
1мм рт.ст. = 133,322Па,
1бар= 105Па.
При давлении на входе менее 98066,5 Па (1кгс/см2) значения Рн,Рв складываются, т.е. (Рн+Рв).
Если манометр, замеряющий давление на выходе и вакуумметр на входе установлены на одной горизонтальной линии (или отличие незначительно) проходящий через вал насоса (Zн=Zв), при равных диаметрах отводящего и подводящего трубопровода, то:
Р=Рн±Рв,
Знак +, если давление на входе менее 1кгс/см2
Давление на линии нагнетания измеряется манометром градуированным в кгс/см2. Для пересчета показаний в метры столба жидкости пользуются соотношением
Нн = (10Рн)/ ρg
Для пересчета показаний вакуумметра с мм.рт.ст. в метры столба жидкости пользуются соотношением:
Нв = (Рв ρрт)/ ρж
ρрт, ρж –плотность ртути и перекачиваемой жидкости
4. Напор насоса, м – разность удельных энергий насоса на выходе и входе
Н = Р/ (ρg); Н = Нг+∑h
Нг – геометрический напор, равный разности отметок резервуара нагнетания и всасывания
∑h – гидравлические потери по длине трубопровода и на местные сопротивления
∑h = h+hмс
h= λ(l/d)(v2/2g), hмс=z v2/2g
где: l – длина трубопровода,
d – диаметр трубопровода
λ – коэффициент гидравлического сопротивления,
z – коэффициент местных сопротивлений
v- скорость жидкости в трубопроводе
5. Удельная работа – работа, подводимая к насосу для перемещения единицы массы жидкой среды
5.1 Полезная удельная работа насоса:
Lп =Р/ρ, дж/кг; Р –Па, ρ – кг/м3
6. Вакуумметрическая высота всасывания – характеризует нормальные условия подхода жидкости к рабочему колесу. Согласно Госту 17398:
Нв= (Ро-(Рв+ ρ V2в/2))/ ρg,
Где: Ро- давление окружающей среды, Па
Рв – давление на входе в насос, Па
.ρ – плотность жидкости, кг/м3
Vв – скорость потока жидкости на входе в насос, м/сек2
Или: Нв = hв+∑hп+ V2в/2g≤ Нвдоп,
Где: hв – расстояние от нижнего уровня жидкости в приемной емкости до оси насоса, м
∑hп – сумма потерь напора во всасывающем трубопроводе на трение и местное сопротивление, м
7. Кавитационный запас – параметр, характеризующий условия всасывания, обеспечивающие безкавитационный режим работы насоса:
∆h=[(Рв+ (ρ V2в/2)-Рп]/ ρg,
где: Рп –давление паров жидкой среды (давление насыщения),Па
8. Допускаемое вакуумметрическая высота всасывания или подпор, м
Нвдоп = Нв-∆hдоп
Где: ∆hдоп - допускаемый кавитационный запас, м
Если Нвдоп – величина положительная (знак +), насос может работать на всасывание, при Нвдоп со знаком (–) насос может работать только с подпором.
9. Мощность насоса (N), кВт – мощность потребляемая насосом или энергия, подводимая к насосу от двигателя за единицу времени:
N= Q ρgН/ η
10. Полезная мощность насоса (N п), кВт
Nп = QР= QмLп= Q ρgН
Где: Lп – полезная удельная работа, дж/кг
11. КПД насоса (η), %
η= Nп/ N или η= ηмех ηо ηг
где: ηмех - учитывает потери мощности на трение (в подшипниках, уплотнениях и т.п.
ηо – отражает объемные потери (перетоки жидкости с напорной части во всасывающую через зазоры, через уплотнения, разгрузочные устройства и т.п.)
ηг – гидравлические потери в насосе
Динамические насосы
Представителями класса динамических насосов согласно Госту 17398 являются лопастные (центробежные, осевые), вихревые и электромагнитные. В технологиях разработки н/г месторождений наиболее широкое распространение имеют лопастные – центробежные и осевые насосы.
Центробежные насосы. ( рис .) Принцип работы центробежных насосов основан на передаче кинетической энергии жидкости посредством лопаток рабочего колеса, приводимого от внешнего двигателя. При вращении жидкости, находящейся в межлопастных каналах, возникает центробежная сила, под действием которой жидкость начинает течь от центра колеса к периферии в замкнутом корпусе и далее – в напорный трубопровод. Центральная часть насоса соединена с трубопроводом подвода жидкости к насосу, обеспечивая непрерывную работу насоса.
Осевые насосы (рис.) предназначены для перекачивания больших объемов жидкости при сравнительно небольших напорах. Их работа обусловлена передачей той энергией, которую получает жидкость при силовом воздействии на нее лобовой поверхности вращающихся лопастей рабочего колеса. Частицы подаваемой жидкости при этом имеют криволинейную траекторию, которые, пройдя через выпрямляющий аппарат, перемещаются вдоль оси от входа к выходу. Существует два основных вида осевых насосов:
- жестко-лопастные, с лопастями, неподвижно закрепленными на втулке рабочего колеса,
- поворотно-лопастные, оборудованные механизмом для изменения угла наклона лопастей.
Вихревые насо с ы (рис.) обладают хорошей способностью самовсасывания. Существует две разновидности вихревых насосов – закрытого и открытого типов. В насосе закрытого типа частицы жидкости из ячеек, расположенных по периферии рабочего колеса, под влиянием центробежных сил будут переходить в канал корпуса насоса и затем, передав часть своей кинетической энергии находящейся там жидкости, возвратятся в другие ячейки. Совершая винтообразное вихревое перемещение, каждая частица за время ее нахождения в насосе несколько раз побывает в ячейках ротора и получит от него определенную энергию. В результате такого многоступенчатого действия вихревые насосы развивают в три-четыре раза больший напор по сравнению с такими же (по размерам и скорости вращения) центробежными насосами, но обладают более низким КПД.
В вихревых насосах открытого типа жидкость подводится вблизи вала насоса, проходит между лопатками рабочего колеса и отводится к выходному отверстию в корпусе насоса из открытого (без перемычки) периферийного канала.