СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ СРЫВА ПОДАЧИ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЭЛЕКТРОНАСОСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F04D13/10 F04D31/00 F04D15/02 

Изобретение относится к гидромашиностроению, более конкретно к установкам погружных центробежных электронасосов, предназначенных для подъема на поверхность газожидкостных смесей, например нефтегазовых. Изобретение может также использоваться и в установках центробежных насосов с неэлектрическим приводом.

При подъеме газожидкостных смесей в насос может попасть значительное количество свободного газа и привести к срыву подачи насоса. Такой же процесс может произойти и при подъеме жидкости, ненасыщенной или слабонасыщенной газом, если давление на входе ниже критического или уровень жидкости окажется ниже входа насоса. Последнее возможно, когда подача насоса больше дебита скважины. Аналогичное происходит в случаях, когда перекрыт проход смеси после выхода насоса (например, по причине запарафирования, наличия ледяной пробки, перекрытия запорной арматуры на выкидной линии), или когда давление на выходе насоса превышает давление, развиваемое насосом при его работе параллельно с другими насосами.

При срыве подачи подача насоса падает до нуля. Процесс срыва подачи является устойчивым и без принятия специальных мер переход установки на нормальный режим практически невозможен. Работа установки в режиме срыва подачи приводит в первую очередь к перегреву электродвигателя, насоса и кабеля подвода электроэнергии в районе насоса. Кроме того, отдельные узлы насоса (насосные ступени) в районе "газовой пробки" будут работать в режиме сухого трения. Все это приводит к резкому снижению долговечности и надежности установки.

В настоящее время для защиты от срыва подачи при эксплуатации установок погружных центробежных злектронасосов предусмотрено автоматическое отключение питания электродвигателя при его недогрузке или падению давления на устье скважины (признаки срыва подачи) и последующее включение. Однако этот прием не всегда обеспечивает надежную защиту от срыва подачи (от перегрева). Свидетельством этого может служить частый выход из строя установок по причине расплавления полиэтиленовой изоляции кабеля, проходящего около насоса. Подтверждением недостаточной эффективности этих мер может служить также характер отказов установок, укомплектованных рабочими колесами из термопластичной пластмассы. В этих установках характерным отказом является пластическая деформация рабочих колес в результате их перегрева. Следует также отметить, что каждый цикл включения выключения установки ведет к снижению ее долговечности и надежности вследствие возникновения при этом значительных электрических и механических нагрузок.

Известна насосная установка, в которой имеется перепускная трубка, верхний конец которой подключен к полости колонны труб на выходе из насоса, нижний к выходу насоса, а в корпусе насоса за одним из рабочих колес, кроме последнего, выполнено сообщенное с трубкой радиальное отверстие, с установленным в нем клапаном, подпружиненным со стороны проточной части насоса и перекрывающим трубку (авторское свидетельство СССР N 806699, кл. F 04 D 31/00, 1981).

Недостатком этого устройства является то, что оно может сработать только в начальный момент срыва подачи, когда перепад давления между выходом насоса и местом расположения клапана кратковременно может превышать перепад при нормальном режиме, и клапан может открыться для перепуска газожидкостной смеси с выхода насоса на его вход. Если в этот момент срыв подачи не будет предотвращен, установка будет продолжать работать в режиме срыва подачи, так как перепад давления между выходом насоса и местом расположения клапана пропорционален плотности смеси на этом участке насоса и будет при срыве подачи соответственно ниже. Не способствует прекращению срыва подачи и то, что сильно газонасыщенная смесь с выхода насоса опять поступает на его вход.

Известно также устройство для устранения "газовой пробки" в насосах по патенту США N 2219635, кл. 415-11, 1940. Устройство включает в себя трубопровод, соединяющий верхнюю часть насоса с его входом, узел типа обратного клапана, в котором запорный элемент (плунжер) выполняет одновременно роль золотника по отношению к входу указанного трубопровода. При нормальной подаче плунжер поднимается и перекрывает вход в трубопровод. При снижении подачи ниже определенного уровня плунжер опускается и перекрывает выход насоса, и открывает вход в перепускной трубопровод из полости за обратным клапаном. В результате газожидкостная смесь поступает из колонны насосно компрессорных труб (НКТ) на вход насоса. Насос в это время продолжает работать в безрасходном режиме режиме срыва подачи. Следовательно поступающая из КНТ на его вход смесь будет выходить в затрубное пространство. Выход насоса из состояния срыва подачи будет происходить за счет снижения перепада давления подпора на выходе насоса и его входе по причине повышения уровня жидкости в затрубном пространстве и снижения его в НКТ при перетекании ее из НКТ в затрубное пространство, а также повышения давления на выходе непосредственно за счет подачи смеси через перепускной трубопровод. Однако последняя составляющая не будет оказывать определяющего влияния по причине недостаточно больших расходов через перепускной трубопровод. Поэтому насос будет работать длительное время в режиме срыва подачи прежде чем будет достигнуто соотношение давлений на выходе и входе насоса, при котором он выйдет из состояния срыва подачи. Недостатком этого устройства является также то, что при выключении установки жидкость из колонны НКТ будет вытекать через перепускное отверстие.

Совокупность технических решений, представленных в авторском свидетельстве СССР N 1147854, кл. F 04 D 15/02, 1985, является наиболее близкой к описываемым изобретениям. В клапанном узле по авторскому свидетельству 1147854 реализован способ защиты от срыва подачи установки погружного центробежного электронасоса, содержащей обратный клапан, путем перепуска после выхода насоса газожидкостной через перепускной клапан в затрубное пространство при наступлении срыва подачи, причем, забор смеси осуществляется до обратного клапана.

Недостаток данного способа является то, что в процессе перепуска будет отсутствовать принудительное охлаждение электродвигателя, т.к. смесь движется с выхода насоса на его вход, не омывая электродвигатель. При длительной работе установки в режиме перепуска, что может иметь место при неустраняемых причинах срыва подачи, например, когда давление в системе выше, чем на выходе ходе насоса, это будет приводить к перегреву и последующему отказу электродвигателя. Предложение о введении кожуха, обеспечивающего смывание электродвигателя и, соответственно, обеспечивающего его принудительное охлаждение, в большинстве случаев практически нереализуемо по причине ограниченного диаметра скважина. В этих условиях даже при возможности размещения кожуха, возникает проблема резкого падения подпора по причине увеличения гидравлического сопротивления на входе насоса и, как следствие, падения подачи при работе установки в режиме подъема смеси.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности установки погружного центробежного электронасоса за счет обеспечения принудительного охлаждения электродвигателя при работе ее в режиме перепуска и снижения потерь подачи в режиме подъема смеси.

Способ защиты от срыва подачи установки погружного центробежного электронасоса заключается в том, что перепуск смеси с выхода насоса осуществляется в затрубное пространство в районе расположения электродвигателя или ниже его.

Применение разработанного способа позволяет защитить электродвигатель от перегрева при длительной работе установки в режиме перепуска без снижения подачи при подъеме смеси.

Размещение трубы для перепуска смеси в районе электродвигателя или ниже, как правило, не вызовет затруднений, т.к. перепад давления при перепуске высокий и ее сечение будет небольшим.

Кроме вышеперечисленных преимуществ, установка, в которой реализован описанный способ, может самоочищаться от парафинов и смол и использоваться для прогрева забоя скважины с целью увеличения ее дебита. Для этого установка должна поработать соответствующее время с закрытыми задвижками на устье скважины. В результате чего она будет функционировать в режиме перепуска с постоянным повышением температуры перекачиваемой смеси до температуры плавления парафинов (температура плавления парафинов ≈ 60^oC, допустимая температура перекачиваемых смесей ≈ 90^oC).

Известное из авторского свидетельства СССР N 1147854 устройство защита от срыва подачи установки погружного центробежного электронасоса содержит обратный клапан и клапан для перепуска газожидкостной смеси с выхода насоса в затрубное пространство, расположенный перед обратным, клапаном, соосно ему, седлом книзу, причем их запорные органы кинематически связаны. В известном устройстве открытие запорного органа перепускного клапана, прижимаемого к седлу перепадом давления, осуществляется в основном за счет веса запорного органа обратного клапана при его опускании и контактировании с запорным органом перепускного клапана в условиях падения подачи насоса, закрытие за счет гидродинамических сил, действующих на запорный орган при возрастании подачи и подъеме запорного органа обратного клапана.

Недостатками данного устройства является то, что:
запорные органы не соединены между собой, а имеют возможность только контактировать, образуя кинематически неудерживаемую (одностороннюю) связь, при которой движение этих элементов в некоторых случаях будет независимым и возможна ситуация, когда при полностью открытом обратном клапане, перепускной клапан тоже будет открыт, например по причине прилипания запорного органа перепускного клапана в положении открыто, что приводило бы к снижению напора и подачи установки при работе ее в режиме подъема смеси;
периферийное расположение перепускных отверстий приводит к необходимости их симметричного расположения для исключения перекосов, и, соответственно, их количество должно быть 2 или более. Учитывая, что диаметр перепускных отверстий не может быть меньше определенной величины с точки зрения возможности их засорения, увеличение их количества будет приводить к увеличению общей площади отверстий, и соответственно, к увеличению усилия отрыва этого запорного органа при его открытии и, следовательно, к необходимости увеличения веса запорного органа обратного клапана. С другой стороны увеличение площади перепускных отверстий и увеличение веса запорного органа обратного клапана будет приводить к тому, что закрытие перепускного клапана будет происходить только при больших напорах (и подачах) установки. Последнее будет приводить к большим потерям производительности установки.

Задачей данного изобретения является повышение надежности защиты установки от срыва подачи и уменьшения потерь производительности.

Для решения данной задачи запорный орган перепускного клапана соединен с запорным органом обратного клапана штоком. В результате, при повышении напора перепускной клапан будет закрываться не только за счет гидродинамических сил, действующих на запорный орган обратного клапана, но и за счет сил, действующих на запорный орган обратного клапана. Благодаря этому не только исключается случай, когда при подъеме запорного органа обратного клапана перепускной клапан остается открытым, но и повышается точность и стабильность срабатывания перепускного клапана.

Перепускной клапан может иметь одно отверстие, а его запорный орган может быть выполнен в виде иглы. Шток может соединять запорные органы клапанов через упругий элемент, например, пружину. Между запорным органом перепускного клапана и его корпусом может быть размещена пружина. После перепускного клапана может быть расположен дроссель, например трубчатый. На запорном органе обратного клапана могут быть установлены демпфирующие диски.

На фиг. 1 изображена установка погружного центробежного электронасоса, в которой реализуется описываемый способ защиты срыва подачи установки, на фиг. 2 продольный разрез устройства защиты от срыва подачи установки, погружного центробежного электронасоса в режиме подъема смеси, на фиг. 3 то же, в режиме перепуска, на фиг.4 сечение А-А, на фиг.3.

Установка содержит (фиг. 1) центробежный насос 1, обратный клапан 2, электродвигатель 3, кабель 4, клапан 5 для перепуска и трубу 6 для обеспечения перепуска смеси в районе расположения электродвигателя 3 или него.

Устройство для защиты от срыва подачи установки (фиг. 2-4) содержит обратный клапан 2 и клапан 5 для перепуска газожидкостной смеси с выхода насоса 1 в затрубное пространство. Клапан 5 для перепуска расположен перед обратным клапаном 2, соосно ему, седлом книзу, причем их запорные органа 7 и 8 соединены штоком 9. Перепускной клапан 5 имеет одно отверстие, а его запорный орган 8 выполнен в виде иглы. Шток 9 соединяет запорные органы 7, 8 клапанов 2, 5 через упругий элемент, например, пружину 10. Между запорным органом 8 перепускного клапана 5 и его корпусом размещена пружина 11. После перепускного клапана 5 располагается дроссель 12, например, трубчатый. На запорном органе 7 обратного клапана 2 установлены демпфирующие диски 13. Дроссель 12 имеет выход 14. Пути движения перекачиваемой смеси показаны стрелками.

Способ защиты от срыва подачи установки осуществляется следующим образом.

При подаче ниже порогового уровня Q_п запорный орган 7 (тарелка) обратного клапана 2 опускается и опускает запорный орган 8 перепускного клапана 5. В результате будет открыт канал для перепуска смеси в затрубное пространство. Очевидно, что при закрытой задвижке на устье скважины обратный клапан 2 будет закрыт, а перепускной клапан 5 открыт, и насосная установка будет работать в режиме перепуска независимо от параметров насоса 1.

При открытой задвижке и подаче выше Q_п запорный орган 7 обратного клапана 2 поднимается вместе с запорным органом 8 перепускного клапана 5 в результате чего обратный клапан 2 будет открыт, а перепускной клапан 5 закрыт, и смесь с выхода насоса 1 будет поступать только в колонну НКТ.

Таким образом устройство защиты автоматически будет обеспечивать выход насоса 1 из режима срыва подачи и переход к режиму подъема смеси.

Снижение потерь производительности возможно обеспечить если перепускной клапан 5 выполнить о одним отверстием, которое для исключения перекосов целесообразно расположить центрально, а запорный орган 8 выполнить в виде иглы.

Для снижения гидравлического сопротивления устройства защиты необходимо соединить запорный орган 8 перепускного клапана 5 штоком 9 с запорным органом 7 обратного клапана 2 не жестко, а через упругий элемент, например, пружину 10, позволяющую после закрытия перепускного клапана 5, запорному органу 7 обратного клапана 2 подниматься выше.

Для повышения точности регулирования (переключения клапанов 2,5) относительно порогового значения подачи Q_п, за счет компенсации силы, действующей за запорный орган 8 перепускного клапана 5 по причине перепада давления до и после перепускного клапана 5 (между выходом насоса 1 и затрубным пространством) необходимо установить компенсирующую пружину 11, отжимающую запорный орган 8.

В качестве порогового значения подачи Q_п целесообразно принимать минимальную подачу, при которой обеспечивается допустимый режим охлаждения электродвигателя 3. Обеспечение настройки клапана 5 на заданное значение осуществляется за счет следующих конструктивных параметров:
конструктивных параметров, определяющих гидравлическое сопротивление обратного клапана 2 (диаметр, зазоры, конструкция);
конструктивных параметров перепускного клапана 5 и канала (диаметр отверстия, конфигурация, диаметр и длина канала), усилия компенсирующей пружины 11.

С целью обеспечения требуемого суммарного гидравлического сопротивления перепускного клапана 5 и канала при приемлемой минимальной величине диаметра предлагается включить в канал дроссель 12, например, трубчатый. При применении устройства с трубой 6 для перепуска смеси в район электродвигателя 3, она также должна учитываться при настройке (выборе конструктивных параметров устройства).

При работе устройства защиты возможны автоколебания его подвижных элементов. Исключение колебаний элементов достигается путем изменения из массы, установкой на них демфирующих элементов, например, установкой на запорный орган перепускного клапана демфирующих дисков 13.

При применении в составе установки погружного электронасоса описанного устройства защиты использования отдельного обратного клапана не требуется.

Использование: в установках погружных центробежных электронасосов. Сущность изобретения: способ защиты от срыва подачи установки погружного электронасоса, содержащей обратный клапан, осуществляют путем перепуска после выхода насоса газожидкостной смеси через перепускной клапан. Последний открывают, когда значения подачи или параметра, ее характеризующего, находятся за их допустимыми пределами, и закрывают при нахождении контролируемого параметра в допустимых пределах. Забор смеси производят до обратного клапана и выпускают ее в затрубное пространство в районе расположения электродвигателя или ниже его. В устройстве для защиты от отзыва подачи установки погружного центробежного насоса запорные органы обратного и перепускного клапанов соединены штоком. 2 с и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ защиты от срыва подачи установки погружного центробежного электронасоса, содержащий обратный клапан, путем перепуска после выхода насоса газожидкостной смеси через перепускной клапан, который открывают, когда значение подачи или параметра, ее характеризующего, например высоты подъема запорного элемента обратного клапана, энергопотребления установки, давления или температуры, находятся за их допустимыми пределами, и закрывают его при нахождении контролируемого параметра в допустимых пределах, при этом забор смеси производят до обратного клапана и выпускают ее в затрубное пространство, отличающийся тем, что перепуск газожидкостной смеси осуществляют в затрубное пространство в районе расположения электродвигателя или ниже его. 2. Устройство защиты от срыва подачи установки погружного центробежного электронасоса, содержащее обратный клапан и клапан для перепуска газожидкостной смеси с выхода насоса в затрубное пространство, расположенный перед обратным клапаном, соосно с ним, седлом книзу, причем их запорные органы кинематически связаны, отличающееся тем, что запорные органы клапанов соединены штоком. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что перепускной клапан имеет одно отверстие, а его запорный орган выполнен в виде иглы. 4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что шток соединяет запорные органы клапанов через упругий элемент, например пружину. 5. Устройство по пп.2 4, отличающееся тем, что между запорным органом перепускного клапана и его корпусом размещена пружина. 6. Устройство по пп.2 5, отличающееся тем, что после перепускного клапана располагается дроссель, например трубчатый. 7. Устройство по пп.2 6, отличающееся тем, что на запорном органе обратного клапана установлены демпфирующие диски.