1.12. Установки электроприводных диафрагменных насосов для добычи нефти

Диафрагменные насосы относятся к классу объем­ных. Они предназначены, в первую очередь, для эксплуатации мало- и среднедебитных нефтяных сква­жин которые, в настоя­щее время и в ближайшем обозримом будущем, являются ос­нов­ным фондом нефтяной промышленности России.

Насос состоит из гидравлической и приводной части. В гид­равлическую часть входит всасывающий и нагнетательный кла­паны, гидравлическая полость в которую поступает, а затем вытесняется добываемая жидкость и диафрагма, раз­деляющая на­сос на две части. Диафрагма выполняет две функции. Первая —вы­теснение добываемой жидкости и вторая — изолирование при­водной части от агрессивной добываемой среды. Приводная часть в зависимости oт конст­рук­­тивного исполнения может содержать, различные узлы. Ее сдачей является соз­дание усилия и его передача на диафрагму. По способу передачи энергии бесш­танговые диафрагменные насосы можно разделить на две группы, и пер­вую из которых входят насосы с погружным электроприво­дом, а во вторую — с по­верхностным гидроприводом.

В качестве привода в диафрагменных насосах для добычи нефти наиболее час­то используется электропривод. Были по­пытки использовать в качестве при­во­да соленоидные (электро­магнитные) и линейные электродвигатели, при­ме­не­ние которых приводит к значительным упрощениям в трансмиссии [16].

Соленоидный двигатель является наиболее простым по кон­струкции из наз­ванных и компактным. Недостатками его явля­ются низкий КПД и большая ско­рость движения рабочего орга­на. В настоящее время преодолеть эти не­дос­тат­ки является не­возможным, что затрудняет применение подобного двигателя для насосов, предназначенных для добычи нефти.

Линейный двигатель позволяет по сравнению с соленоид­ным уменьшить ско­рость поступательного движения якоря, но, к сожалению, имеет отно­си­тель­но низкий КПД (порядка 30 %), а, следовательно, и высокую рабочею темпе­ра­ту­ру обмоток. Так как диафрагменные насосы предназначены в первую очередь для малодебитных скважин, то охлаждение линейных электро­двигателей зат­руд­нено, поэтому в настоящее время они не ис­пользуются.

Роторный асинхронный электродвигатель является в настоя­щее время са­мым распространенным типом привода для погружных насосных установок, бла­годаря достаточно высокому КПД (свыше 80%) и высокой технической и тех­нологической отра­ботанности изготовления, эксплуатации и ремонта.

Система привода от двигателя к диафрагме называется транс­миссией и под­разделяйся на механическую и гидравлическую.

В диафрагменных насосах с механическим приводом диаф­рагмы имеется тол­катель, который жестко связан с диафрагмой. В период хода нагнетания диаф­рагма испытывает нагрузку, рав­ную давлению, создаваемому насосом, поэ­тому с ростом давле­ния, создаваемого насосом, срок службы диафрагмы рез­ко умень­шается. По этой причине при механическом приводе диафрагмы па­ра­метры насоса, как правило, жестко связаны с прочностными параметрами диаф­рагмы и ограничены сроком ее служ­бы. Так как давление, развиваемое пог­ружными насосами для добычи нефти, достаточно велико (порядка 10 МПа), то данный вид трансмиссии не может быть использован в насосах, пред­назначенных для долговременной работы в скважинах.

В насосах с гидравлическим приводом диафрагмы между ней и испол­ни­тель­ным органом насоса находится жидкая рабочая среда, которая, вытесняясь из рабочей камеры рабочим органом (например, — плунжером), воздействует на диафрагму, а через нее — на перекачиваемую среду. При этом диафрагма являет­ся лишь разделительным органом, отделяющим рабочую среду и испол­ни­тельные органы насоса от перекачиваемой среды. Дав­ление сред по обе сто­ро­ны диафрагмы практически одинаково. Если отклонение диафрагмы от нейт­раль­ного положения выб­рано с таким расчетом, что напряжения в материале диаф­рагмы незначительны, то работоспособность диафрагмы и срок ее служ­бы опре­деляется пределом выносливости материала при много­кратном изгибе в мес­те крепления диафрагмы к корпусу насоса. Кроме того, к достоинству этого ти­па трансмиссии относится возможность передачи больших мощностей при ма­лых размерах элементов, большой срок службы, обуславливаемый в зна­чи­тель­­­ной степени самосмазыванием всех элементов трансмиссии ра­бочей жид­костью и простыми средствами предохранения транс­миссии от перегрузок. К осо­бенностям данного вида трансмис­сии следует отнести высокие требования, предъяв­ляемые к ка­честву изготовления ее элементов, а также к самой рабочей жид­­кости, свойства которой должны оставаться стабильными при длительной ра­боте в условиях повышенной температуры и дав­ления. В связи с решением дан­ных задач современными струк­турами машиностроения и нефтехимии имен­но данный тип трансмиссии используется для диафрагменных насосов для до­­бычи нефти.

Однако, в случае применения гидравлического привода ди­афрагмы, необ­хо­димо в конструкции насоса предусмотреть уст­ройство для поддержания за­дан­ного нейтрального положения диафрагмы. Наиболее простыми являются устройст­ва открыто­го типа, когда конструкция насоса обеспечивает гаран­тиро­ван­­ную утечку из полости насоса в диафрагменную камеру, а отту­да, при обра­зо­вании некоторого определенного избытка рабочей жидкости, он сбрасывается в нагнетательный канал диафрагменного насоса. В этом случае в насосе должен быть достаточный объем рабочей жидкости для обеспечения необходимого сро­ка службы насоса.

Устройства по поддержанию нейтрального положения диафрагмы (иначе на­зываемая системой компенсации утечек — СКУ) позволяют регулировать объем рабочей жидкости в диафрагменной камере, добавляя ее туда или сбра­сы­­­вая избыток в сливную линию силового насоса. При использовании такой сис­темы потери рабочей жидкости минимальны, однако наличие такой си­стемы усложняет конструкцию насоса. В других случаях может быть применена ком­би­нированная система, при которой недостаток рабочей жидкости в диаф­раг­мен­ной камере компенсиру­ется из гидравлической системы насоса, а избыток — сбрасывается и нагнетательный канал диафрагменного насоса. Конкрет­ный вы­бор одного из способов поддержания нейтрального по­ложения диафрагм за­ви­сит от конструкции насоса и, в частно­сти, от конструкции диафрагм.

Как уже указывалось выше, одной из наиболее важных час­тей насоса являет­ся диафрагма. Часто именно ее долговечность определяет долговечность насоса, так как клапаны имеют доста­точный ресурс и их конструкция хорошо отработана, а привод­ная часть насоса отделена от агрессивной среды диаф­раг­мой и поэтому имеет также высокие показатели долговечности. Так как особен­ности исполнения диафрагм зависят от конструкции насоса, то в начале расс­мот­рим их.

Скважинные диафрагменные насосы могут быть как одно­стороннего, так и двустороннего действия. Насосы односторон­него действия позволяют зна­чи­тель­но упростить конструкцию и уменьшить габариты. Однако, при этом появ­ляет­ся значительная неравномерность загрузки привода, что снижает его КПД и надежность. Этот недостаток можно существенно ослабить при применении ре­ку­ператоров энергии холостого хода. При этом снижается необходимая уста­но­воч­ная мощность привода и улуч­шаются условия его работы, повышается общий КПД. В то же время наличие рекуператора усложняет конструкцию на­со­са. Кроме того, выход из строя рекуператора приводит к прекраще­нию ра­бо­ты насоса. Поэтому насосы одностороннего действия изготавливаются не­боль­шой мощности (3—5 кВт).

Насосы двухстороннего действия имеют при одной и той же установочной мощ­ности электродвигателя подачу в 1,5—1,7 раз большую, чем насос однос­то­рон­него действия, из-за отсутствия. Холостого хода и более равномерную наг­руз­ку на электродвига­тель. Поэтому этот принцип может быть рекомендован при изготовлении насосов большой мощности (свыше 5 кВт)