Совершенствование погружных нефтяных центробежных насосов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Васильев, Владимир Михайлович

• Васильев, Владимир Михайлович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Васильев, Владимир Михайлович

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ . б

Глава I. Обзор работ по исследованию погружных центробежных насосов . II

§ 1,1. Особенности конструкции многоступенчатых погружных центробежных насосов. II

§ 1.2. Экспериментальное исследование погружных центробежных насосов

§ 1.3. Анализ соотношений размеров принятых в выпускаемых серийных погружных нефтяных центробежных насосах

§ 1.4. Теоретическое исследование. Методика расчета

§ 1.5. Определение теоретического напора ступени центробежного насоса

Выводы.

Глава П. Пути [ совершенствования ступеней погружных нефтяных центробежных насосов

§ 2.1. Рабочие колеса погружных центробежных насосов

§ 2.2. Направляющие аппараты погружных центробежных насосов

Выводы

Глава Ш. Экспериментальные установки для исследования ступеней погружных центробежных насосов

§ 3.1. Экспериментальные установки для исследования ступеней и погружных центробежных насосов

§ 3.2. Методика эксперимента. Оценка погрешности

§ 3.3. Георметрические характеристики рабочих колес и направляющих аппаратов испытанных ступеней

Глава 1У. Результаты экспериментальных исследований ступеней погружных центробежных насосов

§ 4.1. Влияние угла скоса выходной кромки рабочих лопастей и округление заднего диска.

§ 4.2. Испытания ступеней с колесом постоянного наружного диаметра и обточкой заднего диска.

§ 4.3. Исследование ступеней ПЦН повышенной напорности.

§ 4.4. Испытание многоступенчатого насоса.

§ 4.5. Баланс потерь в ступени насоса.

Выводы

Глава У. Некоторые вопросы теории и метод расчета ступеней погружного центробежного насоса.

§ 5.1. Определение теоретического напора ступени ПЦН с учетом особенности цроточной части рабочего колеса.

§ 5.2. Расчет профиля меридиональных проекций скоростей на выходе из рабочего колеса насоса.

§ 5.3. Определение основных размеров ступени ПЦН и методика расчета рабочего колеса.

§ 5.4, Профилирование направляющх аппаратов.

S 5.5. Пример расчета ступени насоса.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование погружных нефтяных центробежных насосов»

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85гг и на период до 1990 года" ЦК КПСС и Советское Правительство поставили перед нефтедобывающей промышленностью задачу дальнейшего увеличения добычи нефти, доведя её к концу пятилетки (вместе с газовым конденсатом) до 620 * 645 млн.тонн.

Предусматривается расширить применение новых методов воздействия на нефтяной пласт, увеличить за этот счет извлечение нефти из недр, постоянно "внедрять высокопроизводительные погружные электронасосы" .

Ускорение развития нефтяной промышленности предопределяется как коренным улучшением технологии добычи и транспорта, созданием новых и совершенствованием существующих технологических средств, в том числе насосных установок, так и необходимостью постоянного внедрения в промышленность высокоэффективного насосного оборудования, превосходящих по своим технико-экономическим показателям лучшие отечественные и мировые достижения.

Одним из важнейших условий выполнения задач по достижению максимально возможной добычи нефти из нефтяных месторождений и обеспечения намеченного плана— является наличие надежного и мощного глу-бинонасосного оборудования, где одно из важнейших мест занимает погружной центробежный электронасос (ШЩ), получивший в последние годы широкое использование на всех промыслах страны.

В настоящее время приблизительно 200 млн.тонн или около ЪЪ% всей нефти в стране добывается установками ПЦН, суммарная установочная мощность которых составляет больше 500000 кВт.

Анализ перспективы добычи нефти различными способами показал, что и в дальнейшем погружные центробежные электронасосы будут занимать одно из ведущих мест в добыче нефти; это связано с увеличением обводненности месторождений и необходимостью форсированной откачки жидкости из скважин.; /2,13/.

Важнейшим рабочим органом погружного центробежного насоса является ступень, которая состоит из рабочего колеса и обратного направляющего аппарата, проточная часть которых является основным источником гидравлических потерь. От того, насколько правильно рассчитаны и спроектированы рабочее колесо и направляющий аппарат ступени, зависят создаваемый напор и КПД как ступени, так и насосной установки в целом, а, следовательно, и создание высокопроизводительных и эффективных ПЦН.

Вследствие: этого вопросы: исследование различных ступеней насоса; повышение эффективности ступени; создание новых ступеней повышенного напора; уточнение методики расчета рабочих колес и направляющих аппаратов представляют важную научно-техническую задачу.

Одним из определяющих условий течения в рабочем колесе ПЦН является резкая неравномерность профиля скоростей на выходе из колеса - Сят , что связано с поворотом потока на 90°.

Как показано /5.7/ неравномерность распределения меридиональной проекции скорости на выходе из рабочего колеса вызывает уменьшение теоретического напора Нт (при сравнении его значения, найденного по средней проекции скорости). Степановым А.И. получена следующего вида зависимость: С%}02О /С^-Сгг)2 гг /2 ( Сыр/'

Как видно из формулы, при небольшой степени неравномерности радиальной проекции скорости, влияние неравномерности на напор невелико, однако, в рассматриваемых ступенях ПЦН коэффициент неравномерности может быть порядка единицы, в этом случае неравномерность вызывает значительное понижение теоретического напора.

Анализ работы ступени ПЦН с этих позиций, насколько известно, не обсуждался. Этот вопрос имеет важное практическое значение,т.к. точность определения напора колеса прямо зависит от точности определения теоретического напора Нт , Одной из задач настоящего исследования является изучение структуры потока на выходе из рабочего колеса и влияние неравномерности полей скоростей на величину напора. Следует также отметить, что диаметр выходных кромок лопастей колеса также не остается постоянным, а введение в расчет среднего диаметра так же может внести заметную погрешность в определение теоретического напора Нт и действительного напора Нд .

Поставленные задачи представляют значительный научный интерес и требуют дальнейших детальных исследований и создание высокоэффективных ступеней погружных нефтяных центробежных насосов.

Работа проводилась в соответствии с координационным планом Академии наук СССР на 1981-1985гг по направлению "Теоретические основы химической технологии" 2.27.3.1.6 -"Исследование и расчеты схем машин и аппаратов криогенной техники".

Теоретические и экспериментальные исследования проводились на основании проведенных испытаний ступеней ПЦН, выпускаемых как промышленностью, так и разработанных высоконапорных ступеней с измененной проточной частью рабочих колес и обратных направляющих аппаратов.

Целью настоящей работы является: а) экспериментальное исследование влияния геометрических и режимных факторов на эффективность насоса; б) уточнение методики расчета таких насосов; в) разработка, исследование и внедрение новых схем ступеней насосов, обеспечивающих резкое повышение напора при сохранении достаточного уровня КПД; г) изучение структуры потока на выходе из рабочего колеса и оценка её влияния на характеристику ступени.

Научная новизна состоит в том, что: а) уточнена методика расчета ступени погружного центробежного насоса с учетом особенностей их проточной части и предложенных мероприятий по увеличению эффективности, в) предложены конструктивные изменения в проточной части ступеней, позволяющие поднять эффективность насосов при сохранении напора ступеней или резко увеличить напор ступени при минимальном снижении КПД. Произведено экспериментальное подтверждение данных мероприятий.

Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы при проектировании ступеней погружных нефтяных центробежных насосов. Уточненная методика расчета может быть использована при разработке ступеней ПЩ с повышенным коэффициентом напора.

Реализация работы. Работа внедрена на ПО "Борец" при разработке насосной установки 1ЭЦН5А-250-1000. Экономический эффект от внедрения составил 151 тыс.руб.

На защиту выносятся следующие вопросы:

- разработка новых ступеней погружных центробежных насосов с повышенным коэффициентом напора;

- экспериментальное исследование ступеней, в том числе и предложенные автором;

- разработка уточненной методики расчета ступеней, учитывающей как особенности проточной части ступени,так и неравномерность профиля скорости на выходе из колеса.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, проиллюстрирована графиками и рисунками. В первой главе проведен анализ основных конструкций ступеней нефтяных ПЦН, экспериментального и теоретического состояния вопроса, соотношений размеров принятых в выпускаемых серийных ПЦН и дана постановка задачи исследования. Вторая глава посвящена путям совершенствования рабочих колес и направляющих аппаратов нефтяных ПЦН. В третьей главе даны описания экспериментальных стендов для исследования как ступе^

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Васильев, Владимир Михайлович

ВЫВОДЫ

1. Произведен анализ проточных частей ступеней погружных центробежных нефтяных насосов и выявлены резервы повышения как КПД, так и напора ступени.

2. Предложен ряд проточных частей ступеней, учитывающих особенности течения в таких насосах, основным из которых является поворот потока за колесом на 90° с выходом на осевое направление. Три предложения защищены авторскими свидетельствами.

3. Рассчитаны,изготовлены и экспериментально исследованы 15 ступеней различных типоразмеров. Достигнуто повышение КПД на 1,3$ при одновременном повышении напора на 4 6$ (согласно заводским испытания).

Высоконапорная ступень обеспечила повышение напора на 16,5$ или снижение числа ступеней насоса ЗЭЦН5-130-1200 с 283 до 240, при сохранении КПД.

4. Уточнена методика расчета ступеней ПЦН, учитывающая особенности течения в таких ступенях: неравномерность профиля скоростей и наклон выходной кромки рабочей лопасти колеса.

5. Из исследованных ступеней погружных насосов одна ступень внедрена на ПО "Борец", что только для одного типа насоса дало годовой экономический эффект 151 тыс.руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Васильев, Владимир Михайлович, 1984 год

1. Айзенштейн M.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. М.: Гостоптехиздат,1957, с.363,

2. Арсенъев-Образцов С.И. Состояние и перспективные разработки и внедрения погрупных центробежных насосов для добычи нефти.-В кн. Погружные насосы для народного хозяйства", вып.1,ЦБТИ, М.,"19б2, с. 3-4-0.

3. Богданов A.A. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти /расчет и конструкции/. М.: Недра., 1968, с.272.

4. Богданов A.A. Совершенствование погружных центробежных электронасосов и технологии эксплуатации скважин. M.,1970,с.52.

5. Богданов A.A., Гринштейн Н.Е., Розанцев В.Р., Карелина Н.С., Агеев Ш.Р., Златкис А.Д. К расчету и проектированию ступеней погружных центробежных насосов для добычи нефти.- Б Кн.Исследование и расчет гидромашин. М.: Энергия, 1978, с.93-104. /Труды ВНИИ/.

6. Боровский Б.Н., Овсянников Б.В. Параметры обобщения напора и КПД центробежных насосов.- Вестник машиностроения, 1967, № 4, с. 25-28.

7. Бородаев 10.А. Исследование ступеней центробежных скважных насосов для воды и основные вопросы расчета их проточной части, Автореферат канд.технич.наук. М.,1977, с.22.

8. Бородаев Ю.А., Грехнев Е.В., Чирев В.И. Влияние шерохватости поверхности проточной части на параметры центробежных насосов для скважин диаметром 100-200 мм.- Хим. и нефт.машиностроение, 1977, № 8, с.13-14.

9. Геллер З.И. К вопросу о пересчете характеристик центробежных насосов с воды на вязкую жидкость.- В кн.: Вопросы технологии нефти,теплотехники и гидравлики. Вып.24, Грузинский нефтяной институт, i960, с.118-125.

10. Горгиджанян С.А., Гусин Н.В. Рабочее колесо с цилиндрическими лопастями центробежной насосной ступени высокой быстроходности,- В кн.: Энергомашиностроение, Л.: Машиностроение, 1970, с.122-136 /Труды ЛПИ Ш 516/.

11. Горгиджанян С.А., Дягелев А.И. Некоторые вопросы расчета и проектирования погружных электронасосов.- В кн.::. гидромашиностроение, М.-Л.Машиностроение, 1964, с.57-64 /Труды ЛПИ1. Ш 231/.

12. Горгиджанян С.А., Дягелев А.И. Погружные насосы для водоснабжения и водопонижения. Л.: Машиностроение, 1968, с.НО.

13. Григоращенко Г.И. Основные направления технического прогресса в добыче нефти. ВНИИОЭНГ. М.,1973, с.50.

14. Гринштейн Н.Е. Ступени погружных центробежных насосов с открытыми рабочими колесами.- В кн.:Погружные насосы для народного хозяйства. Вып.1, М.: Недра, 1962, с.75-87.

15. Гусин Н.В. Исследование ступеней центробежных скважных насосов с радиальными отводами, методика их расчета и некоторые вопросы выбора насосных агрегатов.- Автореф. канд.дисс. АПИ имКалинина,1967,с.16.

16. Дягелев А.И. Разработка и исследование высокоэффективной проточной полости погружного насоса.- Автореф.канд.дисс. ЛПИ им.Калинина, 1967, с.16.

17. Дягелев А.И. Разработка и исследование высокоэффективной проточной полости погружного насоса ЭПН-6.- В кн.Гидромашиностроение. М.-Л.: Машиностроение, 1965, с.45-52 /Труды ЛПИ246/.

18. Дягелев А.И., Иодко С.М. Разработка проточной части сраженного турбонасоса.- Отчет ВИГМ. Гидравлика, машины, насосы.М.; 1977, № 4,с.6-7.

19. Животский A.C. Испытание модели 1000-300 на .гидросмеси.-Отчет ВИИ. Гидравлика, машины,насосы. М.,1960, С.60.

20. Зарянкин А.Е., Шерстюк А.Н. Радиально-осевые турбины малой мощности. М., Машгиз, 1963, с.248.

21. Идельчик И.Е. Гидравлические сопротивления. M.-JI. :Госэнерго-издат,1954, с.316.

22. Каплан JI.C. Установка для испытания погружных центробежных электронасосов.- "Машины и нефтяное оборудование. ВИИИОЭНТ НТС, Ш 5, 1978, с 35-37.

23. Караев М.А. К вопросу пересчета характеристики погружных электроцентробежных насосов.- Азербайджанское нефтяное хозяйство., 1977, № I, с.36-39.

24. Караев М.А., Гасанов Д.А. Комбинированный метод пересчета гидравлических характеристик центробежных насосов. Изв. Вузов, раздел Нефть и газ, № 8, 1976, с.72-74.

25. Кнышенко Г.Н., Комалов P.P. Результаты промысловых испытаний погружного центробежного насоса ЭЦН5-80-800. "Нефтяное хозяйство", 1967, с.45-60.

26. Кузнецов М.А. Опыт применения износоустойчивых погружных центробежных электронасосов.- В кн. Погружные насосы для народного хозяйства, вып.1. М., ЦБТЙД962, с.41-57.

27. Ленц Р.Г., Регельман С.Д. Экономическая эффективность погружных электронасосов для добычи нефти. -В кн. Погружные насосы для народного хозяйства. Вып.1, ЦБТИ, 1962, с.171-191.

28. Ломакин A.A. Центробежные и осевые насосы. М.-Л.Машиностроение, 1966, с.362.

29. Ляпков П.Д. Пересчет характеристик погружных центробежных насосов с воды на жидкость другой вязкости.-В кн.Погружные насосы для народного хозяйства. Вып.1,ГЛ. :ЦБТИ,1962, с.52-74.

30. Ляпков П.Д. О влиянии вязкой жидкости на характеристики погружного центробежного насоса.-В кн. Техника добычи нефти, вып.41, М.: Недр?, 1964, с.71-107 /Труды ВНИИ/.

31. Ляпков П.Д. К расчету режима работы погружного центробежного насоса в нефтяной скважине.- В кн. Техника добычи нефти, вып. 51, М.: Недра, 1967, с.I51-166/Труды ВНИИ/.

32. Ляпков П,Д., Агеев П.Р. О влиянии шероховатости поверхности проточных каналов на гидравлический КПД ступеней центробежных насосов.- Энергомашиностроение, 1971, № 3, с.19-21.

33. Ляпков П.Д., Агеев Ш.Р. Влияние шерохватости поверхностей проточных каналов на гидравлический КПД ступеней центробежных насосов малого размера.- В кн. Техника и технология добычи нефти, вып.129. М.: 1977, с.44-53 /Труды МНХиГП/.

34. Ляпков П.Д. Влияние газа на работу ступеней погружных центробежных насосов.- В кн. Техника добычи нефти, вып.22, М.: Гостоптехиздат, 1959, с.37-41 /Труды ВНИИ/.

35. Ляпков П.Д., Кузнецов A.A. Опыт создания и применения погружного износостойкого центробежного электронасоса для добычи нефти. М.: ЦНИИТЭнефть, 1956, с.15.

36. Ляпков П.Д. О гидравлическом КПД погружных центробежных насосов для скважин.- Вестник машиностроения, 1965, № 9, с.34-37.

37. Ляпков П.Д. Анализ некоторых особенностей конструирования и эксплуатации погружных центробежных электронасосов для добычи нефти и методика расчета их рабочих органов. Диссертация,1. М., 1955, с.211.

38. Ляпков П.Д. Результаты испытаний погружного центробежного насоса на нефти и нефтяных смесях.-Татарская нефть,1962, №4, с.16.

39. Ляпков П.Д., Карелина Н.С. К расчету напора центробежного насоса.- Вестник машиностроения,1968, № 3, с.25-28.

40. Максименко В.П. Экспериментальное исследование рабочей ступени погружных центробежных электронасосов на нефтяной эмульсии . -НТС по добыче нефти, вып.22, М.: Недра, 1964, с.85 /Труды ВНИИ/.

41. Максименко В.П. Эксплуатация нефтяного месторождения в осложненных условиях. М.: Недра, 1976, с.239,

42. Машин А.Н. Кавитационные характеристики землесосов на воде и пульпе.- В кн. Белгородский технич.информ. ВГИМ, № 5, М., 1954, с.105.

43. Мелентьев П.В. Приближение вычисления. М.: Физматиздат, 1962, с.368.

44. Михайлов А.К. Разработка рабочих органов малогабаритных центробежных насосов с числом оборотов 6000 в минуту.- В кн. Опытконструирования, изготовления и эксплуатации многоступенчатых насосов. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, серия ХМ,-4, 1968, с.15-17.

45. Мищенко И.Т. Универсальная экспериментальная установка для исследования ступеней погружных центробежных электронасосов.-Изв.Вузов "Нефть и газ", 1967, № 3, с.52-54.

46. Муравьев И.М., Мищенко И.Т. Экспериментальное исследование работы ступеней погружного центробежного насоса при перекачки вязких жидкостей.- "Нефтяное хозяйство", 1966, N2 10, с.51г54.

47. Муравьев М.И., Мищенко И.Т. Эксплуатация погружных центробежных электронасосов и вязких жидкостях и газожидкостных смесях. М.: Недра, 1969, с.247.

48. Насосы динамические. Методы испытания. ГОСТ 6134-71. М.: Гос. комитет стандартов, 1970, с.35.

49. Новое в развитии техники и технологии механизированных способов добычи нефти /обзор зарубежных материалов/. М.: ВНШСЭНТ, 1974, с.91.

50. Пращик С.А., Крутько М.П., Удовников А.Н. Исследование потока в ступени центробежного артезианского насоса.- В кн.' Гидравлика, машины. Респ.Межвед.математ.ыаучн.техн.сборн. "вып.10,1976, с.23-27.

51. Патент № 2849753 /Франция/. Многоступенчатый насос,1977.

52. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. Каталог -Справочник. М., 1970, с.21.

53. Правила 28-64 измерения расхода жидкости, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. М.: йзд-во стандартов, 1955, с.187.

54. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкости и газов. Перевод с нем. М.: Машгиз, I960, с.683.

55. Раскин P.M. О влиянии вязкости на характеристики центробежных насосов.- "Нефтяное хозяйство", 1954, № 5, с.75-81.

56. Совершенствование погружных центробежных насосов и технологии эксплуатации скважин /тематический научно-технический обзор/ М.: ВНИИСЭНТ, 1970, с.52.

57. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. М.: Машгиз, I960, с.462.

58. Суханов Д.Н. Работа лопастных насосов на вязких жидкостях. М.: Машгиз, 1952. с.34

59. Хамин Н.С.,Шерспок А.Н.,Зайченко Е.Н.,Динеев Ю.Н. Наддув и нагнетатели автомобильных двигаталей. М.: Машиностроение, 1965. с.222.

60. Холодняк А.Ю. Промысловые испытания погружного центробежного электронасоса ЭЦН5-130-600 в обводненной скважине Туймазинско-го нефтяного месторождения.- "Нефтяное хозяйство", 1969, №2, с.42-44.

61. Шерстюк А.Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Высшая школа, 1972, с.336.

62. Шерстюк А.Н., Трусилов H.H.»Давыдов А.Б. Теоретический напор ступени центробежного микрокомпрессора.- НТРС: Химия и химическое машиностроение, М., 1981, № 6, с.28-29.

63. Яременко О.В. Испытания насосов.- М.: Машиностроение, 1976, с , .224.

64. А.С.435374 /СССР/, Ступень многоступенчатого центробежного насоса /Богданов А.А.,Гринштейн Н.Е.,Рязанцев В.Р.,Карелина Н.С., Агеев Ш.Р., Златкис Л.Д-./ -Опубл. в Б.И., 1974, № 25.

65. А.с.312080 /СССР/. Лопастное рабочее колесо./Гринштейн Н.Е., Златкис Л.Д./-Опубл. в Б.И.,1971, Ш 25.

66. А.с.731074 /СССР/. Направляющий аппарат многоступенчатого центробежного насоса./Шерстюк А.Н., Васильев В.М., Бадамян А.А.,Беленький A.A./- Опубл. в Б.И.,1980, № 16.

67. А.с.922323 /СССР/. Погружной центробежный насос./Шерстюк А.Н., Васильев В.М., Бадамян А.А.,Беленький А.А./-Опубл. в Б.И., 1982, № 15.

68. А.с.1008503 /СССР/ Ступень погружного центробежного насоса. /Шерстюк А.Н., Васильев В.М., Бадамян A.A., Беленький A.A./1982 Опубл. в Б.Н. 1983, № 12.

69. Положительное решение 3616460/25-06. Рабочее колесо центробежного насоса /Шерстюк А.П., Васильев В.М., 1984.

70. Hicfa, H.G-. Ршпр1 ¿¿Шит cuid appimUortJ1. UJui-jotl, mi

71. Pcrkdt UfifoMicSimgyt ал Ыш- йп^штШл^т ihiMipwKpi ül шшкМта ¡¿ufioUtäMut.¡йп&иШсп," p. Ü1-13072. ¿йршгф ß.Ü tkur (hPtifttfd- 4ефт ufy^

72. Pumping ои&ош oih „ Ро!Ш, Ш9} ТПшЖ.73. ¿bwik ¡f.D. Sdiu. %mi>tml {Iwdùuml^ ViuMifOÍlcnj ф tímpSu in, ßadiaü Ш ÎTlimi-„ ffiour (hMfufl Cûmptmt " 3imi.195$,, р.451-Ш.