Нефтепромысловые машины и механизмы

Данная книга является учебником для учащихся нефтяных тех­ никумов по специальности «Эксплуатация нефтяных и газовых скважин».

Содержание книги и расположение материала соответствуют про­ грамме, утвержденноз! Учебно-методическим управлением по средним специальным учебным заведениям Министерства высшего и среднего специального образования СССР.

В книге отражены достижения в области развития и усовершен­ ствования нефтепромыслового оборудования за последние годы.

В книге применены общеупотребительные метрические (внесистем­ ные) единицы измерения различных величин. Следует однако иметь в виду, что все большее применение находит международная система единиц — СИ, принятая XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г., в том числе СССР, в качестве универсальной системы для всех отраслезт наузш и технз1зш. Междузшродная система единиц состоит из шести основных единззц (метра — для длизгы, кило­ грамма — для массы, секунды — для времензц градуса Кельвизза — для термодинамической температуры, ампера для силы тока и свечи — для силы света), двух дополнззтелзэньзх единиц (радиана — для пло­ ского угла, стерадиана — для телесного угла) 31 27 важззейших про­ изводных.

Недостающие производные и вззесистемные единицы, допусз<аемые к примезюннзо, следует брать из следующих государственных стандар­ тов зia единицы по отдельззым видам измерения:

ГОСТ 7664-61 «Механические единицы», ГОСТ 8550-61 «Тепловые едззницьз», ГОСТ 8033-56 «Электрические 31 магнитные единицы».

Глава IV — «Компрессоры» зшписана С. М. Соколовским.

ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

§1. Применение поршневых насосов

внефтяной промышленности

Поршневые насосы широко применяются во всех отраслях нефтя­ ной промышленности. При бурении применяются горизонтальные двухцилиндровые поршневые буровые насосы, развивающие давле­ ние 150—200 am, а также горизонтальные двухцилиндровые поршне­ вые цементировочные насосы с глобоидальной (типа червячной) передачей, развивающие давление 320—400 am.

В нефтедобыче для разных целей применяют поршневые насосы различного устройства. Так, для откачки нефти из скважин приме­ няют глубинные штанговые плунжерные насосы и глубинные бесштанговые плунжерные гидропоршневые насосы. Для законтурного и внутриконтурного заводнений применяют многоплунжерные вер­ тикальные насосы. Для гидравлического разрыва пласта исполь­ зуют горизонтальные трехплунжерные насосы, развивающие давле­ ние до 500—700 am.

При подземном ремонте скважин находят применение горизонталь­ ные двухцилиндровые поршневые и трехплупжерные промывочные насосы. Для деэмульсации нефти в скважинах применяются вер­ тикальные шестиплунжерные дозировочные насосы. На нефтепере­ рабатывающих заводах для перекачки холодных и горячих нефте­ продуктов также применяют поршневые приводные насосы, но наи­ более широко применяют паровые прямодействующие поршневые насосы различных конструкций.

На нефтебазах, а также для внутризаводских перекачек на нефте­ перерабатывающих заводах применяют горизонтальные приводные двухцилиндровые насосы.

Для перекачки нефти и различных нефтепродуктов по магистраль­ ным нефтепроводам применяют приводные горизонтальные трехплун­ жерные насосы.

§ 2. Принцип действия поршневых насосов

Насосом называется гидравлическая машина, перемещающая жидкость путем сообщения ей энергии, главным образом в виде избы­ точного давления.

Поршневым называется насос, работающий по принципу вытесне­ ния жидкости, поэтому он является объемной машиной. Давление в рабочей камере создается при помощи поршня или плунжерау имеющего возвратно-поступательное движение внутри цилиндра.

Простейший поршневой насос, называемый приводным насосом простого действия, состоит из следующих основных частей (рис. 1):

поршня 1, цилиндра 2, рабочей ка­

пускают. Предположим, что поршень занимает крайнее левое поло­ жение (левое мертвое положение). При перемещении поршня вправо

в емкости 8, в которую опущена всасывающая труба. Под действием атмосферного давления жидкость придет в движепие по всасывающей трубе, поднимет всасывающий клапан 6 и начнет заполнять простран­ ство, освобождаемое поршнем при его движении вправо. При этом кла­ пан 5 будет закрыт. Эта часть рабочего цикла называется процессом всасывания жидкости. Всасывание будет происходить до тех пор, пока поршень не займет своего крайнего правого положения (правого мертвого положения), показанного на рисунке пунктиром.

При этом поршень совершит путь s, называемый длиной хода поршня и равный 2г, где г — радиус кривошипа.

Из правого мертвого положения поршень начнет двигаться в об­ ратном направлении. Так как объем, освобожденный в цилиндре при всасывающем ходе, будет заполнен жидкостью, то поршень окажет давление на жидкость в цилиндре, что вызовет повышение давления в рабочей камере. Вследствие этого всасывающий клапан 6 закроется, а нагнетательный 5, отделяющий рабочую камеру от нагнетательной

трубы 4, откроется. Жидкость начнет вытесняться из камеры в нагне­ тательную трубу. Эта часть рабочего цикла поршневого насоса называется процессом нагнетания жидкости. Процесс продолжается до тех пор, пока поршень не займет своего крайнего левого положе­ ния. Затем цикл повторяется. Таким образом, в насосе простого действия при ходе поршня вправо происходит всасывание, а при ходе поршня влево — нагнетание жидкости. При этом подача жидкости в нагнетательную линию будет неравномерной, что является существенным недостатком простейшего насоса.

Для устранения этого недостатка применяют насосы с двумя, тремя и большим числом цилиндров, в которых неравномерность подачи уменьшена.

Главнейшие особенности объемных насосов, к которым относятся поршневые, шестеренные, шиберные и винтовые, отличающие их от лопастных (центробежных, пропеллерных и вихревых), следую­ щие.

1.В объемных насосах всасывающая труба всегда герметически отделена от нагнетательной.

2.Количество жидкости, подаваемое объемным насосом в единицу времени, зависит только от геометрических размеров насоса и бы­ строты его работы (числа ходов), но не зависит от развиваемого напора.

3.Объемный насос может развить любой напор, требуемый для

прокачивания жидкости по напорному трубопроводу. Эта возмож­ ность ограничена только прочностью деталей насоса и мощностью приводного двигателя.

4. Объемные насосы подают жидкость порциями, поэтому для них характерна неравномерность подачи жидкости.

§ 3. Классификация поршневых насосов

Поршневые насосы имеют различное устройство в зависимости от назначения, условий работы и свойств перекачиваемой жидкости.

По способу приведения в действие насосы разделяются на следую­ щие группы.

1.Приводные, работающие от отдельно расположенного двига­ теля, с которым насос соединен какой-либо передачей. Приводные части таких насосов имеют кривошипно-шатунный механизм.

К этой группе относятся применяемые на нефтепромыслах про­ мывочные насосы, насосы агрегатов для гидравлического разрыва пласта, а также глубинные штанговые насосы.

2.Паровые прямодействующие, приводимые паровой машиной, причем поршни насоса и паровой машины имеют общий шток. Эти насосы широко применяют на нефтеперерабатывающих заводах. Разновидностью этой группы насосов являются гидропоршневые погружные насосы, которые также прямодействующие, поршни дви­

гателя и насоса соединены общим штоком, имеется распределитель­ ный золотник, только в двигателе вместо пара применяется жидкость.

0. Ручные, приводимые в действие вручную. По расположению оси насосы разделяются на:

1)горизонтальные;

2)вертикальные.

По устройству поршня насосы разделяются на следующие группы. 1. Собственно поршневые. Их особенность — наличие цилиндра с обработанной внутренней поверхностью, к которой плотно приле­

гает движущийся поршень, обычно снабженный уплотнением.

2. Плунжерные или скальчатые. В этих насосах вместо поршня применяют длинный цилиндрический стакан-плунжер и л и скал­ ку, работающие в сальнике.

По роду действия различают поршневые насосы следующих видов: 1) простого (оди­ нарного) действия; 2) двойного действия;

3)дифференциальные; 4) тройного действия;

5)четверного действия; 6) многократного действия.

цилиндром в котором перемещается поршень 1. Каждая камера имеет самостоятельный всасывающий клапан 4 и нагне­ тательный клапан 5. При движении поршня вправо в левой камере происходит всасывание через всасывающую трубу б, а из правой нагнетание в общий напорный трубопровод 7. При обрат­ ном движении поршня всасывание происходит в правой рабочей камере, а нагнетание — из левой. Следовательно, каждая камера в отдельности работает как насос простого действия. Однако в силу синхронности действия камер насоса двойного действия, нагнетаю­ щих жидкость в общий напорный трубопровод, обеспечивается доста­ точно равномерная подача. Насосы тройного и четверного действия обеспечивают еще более равномерную подачу, чем насос двойного

на 120° один по отношению к другому.

Насос четверного действия состоит из двух насосов двойного дей­ ствия, кривошипы которых смещены на 90° один относительно дру­ гого. Эти насосы также имеют общую всасывающую и общую нагне­ тательную линии.

Дифференциальный насос (рис. 3) имеет две камеры А и Б, соеди­ ненные между собой цилиндром 2, в которых перемещается дифферен­ циальный плунжер 1. Часть плунжера меньшего диаметра D2

гая часть жидкости поступает в нагне­ тательную трубу 7. Таким образом, дифференциальный насос, имея

только два клапана, обеспечивает подачу жидкости в нагнетательную линию при обоих ходах плунжера с равномерностью, соответствую­ щей равномерности подачи в насосах двойного действия.

§] 4. Подача поршневых насосов

Подачей насоса называется количество жидкости, нагнетаемое

нагнетания этот же объем жидкости нагнетается в напорный трубо­

В действительности насос подает несколько меньше жидкости. При работе насоса клапаны закрываются с запозданием и часть жидкости успевает уйти из цилиндра обратно через клапанную щель во всасывающую трубу.

В рабочую камеру насоса через неплотности во всасывающем трубопроводе может попадать воздух вместе с перекачиваемой жидкостью. Воздух может также содержаться в жидкости и выде­ ляться из нее в разреженном пространстве рабочей камеры или всасывающей трубы. А объем, заполненный воздухом, не может заполниться жидкостью. Пары, выделяемые из жидкости, особенно при перекачке нефтей и нефтепродуктов, также снижают подачу насоса.

Эти потери учитываются коэффициентом наполнения насоса, пред­ ставляющим собой отношение фактического объема жидкости, посту­ пившей в цилиндр при всасывании, к теоретическому объему, опи­ санному поршнем. Кроме того, возможны утечки через поршень, сальники, клапаны в нагнетательной части из-за их негерметичности, которые учитываются коэффициентом утечки.

Произведение указанных коэффициентов представляет собой коэф­ фициент подачи насоса.

Таким образом, общее снижение подачи оценивается объемным к. п. д. или коэффициентом подачи т]0, представляющим собой отно­

В зависимости от качества уплотнений, рода перекачиваемой жидкости, размеров и состояния насоса т]0 обычно изменяется в пре­ делах 0,8—0,95.

Подача насоса двойного действия

При ходе поршня вправо (см. рис. 2) в левую камеру поступает объем жидкости, равный F s, а при обратном ходе в правую .камеру поступает объем (F — /) s, где / — площадь сечения штока, умень­ шающего полезный объем цилиндра.

Тогда при одном двойном ходе теоретический объем жидкости, поступающей в насос и нагнетаемый им, составит

Fs + {F — f)s = Fs + Fs — fs = (2F — f)s.

Подача насоса тройного действия

Подача такого насоса, состоящего из трех насосов простого

жидкость в объеме Fs. В то же время плунжер, вдвигаясь своей боль­ шой ступенью в камеру Б , вытесняет из нее жидкость в напорную трубу в количестве (F — /) s.

При обратном ходе всасывания не происходит и жидкость из камеры А вытесняется через клапан 5. Однако часть жидкости не поступает в напорную трубу, а остается в камере Б , занимая объем, освобожденный при ходе справа налево, равный (F — /) s.

Таким образом, в дифференциальном насосе всасывание происхо­ дит так же, как в насосе одинарного действия (при ходе в одну сто­ рону), а нагнетание так же, как в насосе двойного действия (при ходе в обе стороны). Общая подача за двойной ход равна

(.F — f)s + [Fs — (F — f)s] = Fs м3.

Действительная подача дифференциального насоса

§ 5. Закон движения поршня насоса с кривошипным приводом

Рассмотрим схему кривошипно-шатунного механизма поршневого насоса (рис. 4).

Вал кривошипа приводится во вращение от двигателя и точка

повернется на угол ср, а точка ki

переместится в точку А:0, пройдя путь х % Одновременно поршень также пройдет тот же путь х.

Определим этот путь:

$ = к0О — кгО = L + г — (/сх6 + ЪО).