Поделись с друзьями

Скважинные центробежные насосы являются многоступенчатыми машинами. Это обусловлено в первую очередь малыми значениями напора, создаваемым одной ступенью (рабочим колесом и направляющим аппаратом). В свою очередь небольшие значения напора одной ступени (от 3 до 6-7 м водяного столба) определяются малыми величинами внешнего диаметра рабочего колеса, ограниченного внутренним диаметром обсадной колонны и размерами применяемого скважинного оборудования — кабеля, погружного двигателя и т.д.

Конструкция скважинного центробежного насоса может быть обычной и износостойкой, а также повышенной коррозионной стойкости. Диаметры и состав узлов насоса в основном одинаковы для всех исполнений насоса.

Скважинный центробежный насос обычного исполнения предназначен для отбора из скважины жидкости с содержанием воды до 99 %. Механических примесей откачиваемой жидкости должно быть не более 0,01 массовых % (или 0,1 г/л), при этом твердость механических примесей не должна превышать 5 баллов по Моосу; сероводорода — не более 0,001 %. По требованиям технических условий заводов-изготовителей, содержание свободного газа на приеме насоса не должно превышать 25 %. Центробежный насос коррозионностойкого исполнения предназначен для работы при содержании в откачиваемой пластовой жидкости сероводорода до 0,125 % (до 1,25 г/л).

Износостойкое исполнение позволяет откачивать жидкость с содержанием механических примесей до 0,5 г/л.

Рабочим органом скважинного центробежного насоса служит ступень насосная (СН) с цилиндрическими (ЦЛ) или наклонно-цилиндрическими лопатками (НЦЛ), состоящая из рабочего колеса и направляющего аппарата (рис. 6.4.).

Ступени с ЦЛ применяются на номинальные подачи до 125 м3/сут (включительно) в насосах с наружным диаметром 86 и 92 мм, до 160 м3/сут в насосах с диаметром 103 мм и до 250 м3/сут в насосах с диаметром 114 мм.

Ступени с НЦЛ применяются в насосах с большей подачей. В области своего применения ступени с НЦЛ имеют более высокий КПД и более, чем в 1,5 раза увеличенную подачу, чем ступени с ЦЛ в тех же диаметральных габаритах. Наружный диаметр ступеней 70, 80, 90 и 100 мм.

Ступени размещаются в расточке цилиндрического корпуса каждой секции. В одной секции насоса может размещаться от 39 до 200 ступеней в зависимости от их монтажной высоты. Максимальное количество ступеней в насосах достигает 550 штук.

Для возможности сборки ЭЦН с таким количеством ступеней и разгрузки вала от осевой силы применяется плавающее рабочее колесо. Рабочее колесо в насосе не фиксируется на валу в осевом направлении и удерживается от проворота призматической шпонкой. Колесо может свободно перемещаться в осевом направлении в промежутке, ограниченном опорными поверхностями направляющих аппаратов.

Колесо опирается на индивидуальную для каждой СН осевую опору, состоящую из опорного бурта направляющего аппарата предыдущей ступени и антифрикционной износостойкой шайбы, запрессованной в расточку рабочего колеса; при этом утечка через переднее уплотнение колеса практически равна нулю. Но механический КПД ступени с плавающим рабочим колесом снижается из-за потерь трения в нижней опоре колеса. Величина этих потерь в первом приближении пропорциональна осевой силе, действующей на рабочее колесо ступени. Относительная характеристика ступени насоса представлена на рис 6.5.

Под относительной величиной понимается отношение фактической величины к соответствующей величине на оптимальном режиме, при котором КПД достигает максимального значения.

На режимах, примерно на 10 % превышающих подачу нулевой осевой силы, рабочее колесо СН может «всплыть», т.е. переместиться вверх вплоть до упора, выполненного в виде верхней осевой опоры, состоящей из опорного бурта на направляющем аппарате и шайбы, запрессованной в расточку рабочего колеса. Всплытие рабочего колеса сопровождается скачкообразным снижением напора, КПД и резким повышение потребляемой мощности при увеличении подачи. При уменьшении подачи от режима открытой задвижки рабочее колесо может опускаться в нижнее положение при значениях относительной подачи q = 0,9-1,0.

Наиболее распространенный в настоящее время способ разгрузки колеса от осевой силы в ступенях с НЦЛ — создание при помощи выполненного у колеса второго верхнего уплотнения камеры за ведущим диском колеса, в котором давление с помощью отверстий в ведущем диске уравнивается с давлением у входа в колесо (рис. 6.6,а). Разгрузка рабочего колеса позволяет существенно снизить осевую силу. Такие ступени по сравнению с аналогичными ступенями с неразгруженными рабочими колесами имеют ряд преимуществ: повышенный ресурс работы индивидуальной нижней опоры рабочего колеса, увеличенный КПД ступени.

Недостатками ступеней с разгруженными рабочими колесами является усложнение технологии и повышение трудоемкости изготовления, функциональный отказ способа разгрузки при засорении разгрузочных отверстий и при износе верхнего уплотнения рабочего колеса.

Усиление пары индивидуальной осевой опоры и межступенного уплотнения СН может быть достигнуто применением двухопорной конструкции ступени (рис. 6.6,б). Двухопорная конструкция СН имеет по сравнению с одноопорной ступенью, повышенный ресурс индивидуальной нижней пяты ступени, более надежную изоляцию вала от абразивной и коррозионно-агрес-сивной протекающей жидкости, увеличенный ресурс работы и большую жесткость вала насоса из-за увеличенных осевых длин межступенных уплотнений, служащих в ЭЦН помимо уплотнения дополнительными радиальными подшипниками.

Двухопорная конструкция ступени по сравнению с одноопорной более трудоемка в изготовлении. В погружном центробежном насосе для добычи нефти в зависимости от перекачиваемой продукции, в первую очередь, изнашиваются поверхности трения осевых и радиальных опор, в том числе осевых опор рабочих колес и радиальных межступенных уплотнений, а также поверхности каналов, контактирующие с потоком перекачиваемой жидкости. Повышение надежности и долговечности ступеней достигается путем уменьшения осевой силы, действующей на рабочие колеса, усиления пары трения осевой и радиальной опор, использования соответствующих износостойких и коррозионностойких материалов, уменьшением действия радиальных сил на ротор путем повышения точности изготовления, балансировки рабочих колес.

Ответственной с точки зрения повышения надежности СН является верхняя пята рабочего колеса. Рабочее колесо работает на верхней пяте кратковременно на пусковых режимах и на режимах, лежащих правее рекомендованного диапазона подач, т.е. в режимах возможного всплытия рабочего колеса. При нарушении правил эксплуатации - установлении рабочего режима регулированием подачи от открытой задвижки - всплывшее рабочее колесо может не опускаться в свое нижнее положение и продолжительное время будет работать на своей верхней пяте.

Условия трения в верхней пяте рабочего колеса менее благоприятные, чем условия трения нижней пяты из-за меньшего перепада давления в пяте, и, следовательно, худшей смазки поверхности трения.

Износ поверхности каналов СН, контактирующих с потоком жидкости, возникает в случае применения СН для перекачивания жидкостей, содержащих механические примеси, твердость которых превышает твердость материалов СН.

В насосах типа ЭЦН, ЭЦНИ и ЭЦНК используются ступени с одними и теми же проточными частями. Ступени в насосах разных исполнений отличаются друг от друга материалами рабочих органов, пар трения и некоторыми конструктивными элементами. Значительные отличия имеет насосная ступень, разработанная и выпускаемая фирмой «Новомет» (рис. 6.7.).

Рабочее колесо 3 имеет на своем верхнем (заднем) диске радиальные лопатки 2, которые вместе с нижним диском направляющего аппарата 1 образуют упрощенную конструкцию вихревого насоса. Такая конструкция обеспечивает целый ряд преимуществ: во-первых, на 15—25 % увеличивается напор ступени, что позволяет либо увеличивать напор насоса при сохранении длины насоса, либо уменьшить длину насоса при постоянной величине напора. Во-вторых, наличие вихревой ступени обеспечивает гомогенизацию газожидкостной смеси (ГЖС), что позволяет работать погружному насосу с повышенным содержанием свободного газа на приеме (до 35 % по объему). В-третьих, наличие радиальных лопаток на верхнем диске снижает величину осевой нагрузки, действующей на рабочее колесо, что увеличивает ресурс нижней опорной шайбы 6 рабочего колеса. Надежность и КПД насоса производства фирмы «Новомет» повышает и то, что рабочее колесо выполняется методом порошковой металлургии.

Материалы по теме: