НАСОСНАЯ УСТАНОВКА НАГНЕТАТЕЛЬНАЯ, ОБЪЕМНАЯ, РЕГУЛИРУЕМАЯ Российский патент 2010 года по МПК F04B9/08 

Изобретение относится к нефтегазовому машиностроению и найдет применение при нагнетании жидкости в пласт для поддержания пластового давления (ППД) при разработке нефтяных и газовых залежей, а также при перекачивании текучих сред - газожидкостных смесей, растворов, нефти и т.д.

Известен гидроприводной возвратно-поступательный насос двойного действия (см. авторское свидетельство SU № 1788318 А1, МПК F04В 9/08, опубл. в БИ № 2, 1993 г.)., содержащий два идентичных рабочих гидроцилиндра, перекачивающих рабочую смесь, каждый из которых имеет шток, нагнетательный и всасывающий клапаны, два приводных гидроцилиндра со штоками и поршневую и штоковую полости, золотниковый трехпозиционный гидрораспределитель, основной насос гидропривода, дополнительный (вспомогательный) насос, напорные клапаны, обратные клапаны, гидравлические датчики крайних положений приводных гидроцилиндров, состоящие из гидроаккумуляторов, обратных клапанов, запорных устройств с уплотнительными втулками, бака, и первичный источник мощности.

Недостатком известной насосной установки является низкая надежность работы из-за неизбежных утечек рабочей жидкости через подвижные элементы и торцевые полости золотникового распределителя, большая металлоемкость, а также низкий коэффициент полезного действия (КПД) возвратно-поступательного насоса.

Известен также гидроприводной возвратно-поступательный насос двойного действия (см. патент RU № 2258156 С1, МПК F04В 9/08, опубл. в БИ № 22, от 10.09.2005 г.), содержащий два идентичных рабочих гидроцилиндра, каждый из которых имеет шток, нагнетательный и всасывающий клапаны, два идентичных приводных гидроцилиндра, каждый из которых имеет шток и поршневую и штоковую полости, расположенный в корпусе регулируемый насос, обратные клапаны, вспомогательный насос и первичный источник мощности.

Известный гидроприводной насос двойного действия по технической сущности более близок к предлагаемому и может быть принят в качестве прототипа.

В нем недостатки аналога частично устранены. Однако он тоже не лишен недостатков. Так, например, он сложный по конструкции. В частности, гидропривод содержит два насоса - основной и дополнительный, коромысловый механизм и требует наличия сложной системы блока управления и обвязки гидролиниями. Кроме того, горизонтальное расположение рабочих и приводных гидроцилиндров приводит к одностороннему износу их поршней, что является причиной небольшого срока службы, и, как следствие, это приводит к снижению долговечности и надежности в работе.

Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции, увеличение долговечности и повышение надежности в работе.

Поставленная задача решается описываемой насосной установкой, содержащей два рабочих гидроцилиндра с нагнетательными и всасывающими клапанами, два приводных гидроцилиндра с поршнями, соединенными жестко со штоками, расположенный в корпусе регулируемый гидронасос с гидравлическими линиями, обратные клапаны, предохранительный клапан, бак с рабочей жидкостью, первичный источник мощности, соединенный с входным валом гидронасоса, и блок управления.

Новым является то, что корпусы рабочих и приводных гидроцилиндров отстоят друг от друга на расстоянии хода поршней и соединены между собой жестко металлическими скобами или аналогичными стержнями и образуют два гидроблока, установленные последовательно в вертикальном положении и закрепленные к общей стойке основания, при этом полости рабочих гидроцилиндров тарированы, а в качестве поршней в них использованы скалки, соединенные шарнирно со штоками поршней приводных гидроцилиндров, подпоршневые полости приводных гидроцилиндров сообщены гидролинией с двумя кранами, которая в свою очередь через дополнительную гидролинию с краном сообщена с одной из гидролиний регулируемого гидронасоса, причем соотношение диаметра скалки к ее длине хода выбрано из следующего выражения:

,

где К - коэффициент, показывающий соотношение диаметра скалки к ее длине хода;

⌀с - диаметр скалки, мм;

Lск - длина хода скалки, мм.

Представленные чертежи поясняют суть изобретения, где на фиг.1 схематически изображен продольный разрез гидроблоков, где видны гидролинии, гидронасос с первичным источником мощности и блок управления.

На фиг.2 - то же, что на фиг.1, установка нагнетательная, смонтированная к стойке основания, готовая к использованию, где видны основание, стойка, рабочие и приводные гидроцилиндры, скобы, закрепляющие рабочие и приводные гидроцилиндры, вид сзади.

На фиг.3 - то же, что на фиг.2, вид сбоку, где видны рабочий и приводной гидроцилиндры, скобы и регулируемый гидронасос.

На фиг.4 - то же, что на фиг.2, вид сверху, где видны линии всасывания и нагнетания, гидронасос и пульт управления.

На фиг.5 - фотоснимок опытного образца, который находится в эксплуатации для нагнетания жидкости с целью поддержания пластового давления в разрабатываемой нефтяной залежи.

Предлагаемая насосная установка нагнетательная содержит два гидроблока 1 и 2 (см. фиг.1 и 2), установленные последовательно в вертикальном положении и закрепленные к общей стойке 3 основания 4 (см. фиг.2). Каждый гидроблок содержит рабочие и приводные гидроцилиндры 5, 6 и 7, 8 соответственно, которые отстоят друг от друга на расстоянии хода поршней 9 или 10 и соединены между собой жестко металлическими скобами 11 (см. фиг.2 и 3), или аналогичными стержнями, образуя тем самым длиноходовые насосы. Рабочие гидроцилиндры 5 и 6 тарированы и снабжены всасывающими и нагнетательным клапанами 12, 13 и 14, 15 соответственно, и составляют единый блок 16 и 17 клапанов (см. фиг.1). В упомянутых выше рабочих гидроцилиндрах в качестве поршней использованы скалки 18 и 19, шарнирно соединенные со штоками 20 и 21 поршней 9 и 10 приводных гидроцилиндров 7 и 8, подпоршневые полости 22 и 23 которых сообщены гидролинией 24 с кранами 25 и 26. Гидролиния 24 в свою очередь через дополнительную гидролинию 27 с краном 28 сообщена с одной из гидролиний 29 или 30 регулируемого гидронасоса 31 для предварительного заполнения одной из подпоршневых полостей 22 или 23 рабочей жидкостью перед запуском установки в работу. Экспериментальными исследованиями установлено, что оптимальное соотношение диаметра скалки к ее длине хода может быть выбрано из следующего выражения:

,

где К - коэффициент, показывающий соотношение диаметра скалки к ее длине хода;

⌀с - диаметр скалки, мм;

Lск - длина хода скалки, мм.

Для повышения надежности герметизации и для смазки к уплотнителям 32 (см. фиг.1) скалок 18 и 19 рабочих гидроцилиндров подведена гидролиния 33 с обратными клапанами 34 и 35, сообщенная с дополнительной гидролинией 27 для подачи технического масла.

Входной вал гидронасоса соединен с первичным источником мощности - электродвигателем 36 с регулируемым числом оборотов механически или гидравлически, или частотным преобразователем 37 (см. фиг.1). Насосная установка содержит также гидрораспределитель 38, бак 39 с рабочей жидкостью, а также гидравлические линии 29 и 30 с обратным клапаном 40, сообщенные с надпоршневыми полостями приводных гидроцилиндров через гидрораспределитель 38 и через штуцера 41 или 42. Насосная установка снабжена также блоком управления 43 с программируемым логическим контроллером 44, электрически связанным с датчиком 45 избыточного давления с унифицированным токовым выходом линии нагнетания 46, датчиками 47 и 48 концевых положений скалки 18 или 19, датчиком 49 настройки и контроля расхода жидкости, а также датчиками 50 и 51 для настройки и контроля за давлением и уровня масла в баке 39 соответственно. Для повышения износостойкости и стойкости в агрессивной среде поверхности штоков и скалок гидроцилиндров покрывают антикоррозионным составом одним из известных методов, например напылением в газовой среде.

Заявляемая насосная установка работает следующим образом.

После окончания монтажных работ насосной установки на основании 4, бак (бак на фиг. не показан) заполняют жидким техническим маслом, проверяют надежность соединений гидролиний, исправность блока управления. По окончании подготовительных операций по команде из блока 43 управления электродвигатель 36 гидронасоса запускают в работу, при этом сначала по дополнительной гидролинии 27 при открытых кранах 25, 26, и 28 заполняют техническим маслом подпоршневые полости 22 или 23 приводных гидроцилиндров 7 и 8. При этом одновременно происходит обжатие уплотнительных элементов 32 скалок 18 и 19 и их смазка техническим маслом, поступающим через гидролинию 33, снабженную обратными клапанами 34 и 35 и соединенную с дополнительной гидролинией 27. После предварительного открытия запорной арматуры 52 и 53 приемной линии 54 и линии нагнетания 46, сообщенные с рабочими гидроцилиндрами 5 и 6, согласно регламенту по команде из блока управления 43 при работе гидронасоса рабочая жидкость, проходя через гидрораспределитель 38 и один из штуцеров 41 или 42 гидролинии 29 или 30, например, через штуцер 41, как это изображено на фиг.1, попадает в надпоршневую полость приводного гидроцилиндра 7. При этом поршень 9 под действием высокого давления начинает перемещаться вместе со штоком 20 в поступательном направлении вниз, перемещая одновременно скалку 18 рабочего гидроцилиндра 5 в поступательном направлении, вытесняя жидкость из него под высоким давлением, которая далее через нагнетательный клапан 14 попадает в линию нагнетания 46. Тем временем с началом перемещения поршня 9 под действием давления перетекающей рабочей жидкости из подпоршневой его полости через открытые краны 25 и 26 по гидролинии 24 в подпоршневую полость 23 второго гидроблока, его поршень 10 одновременно начинает перемещаться с связанным с ним через шток 21 вверх со скалкой 19. При этом через всасывающий клапан 13 начинается заполнение рабочего гидроцилиндра 6 вслед за перемещением скалки. По достижении поршня 10 приводного гидроцилиндра 6 в верхнюю крайнюю точку, нагнетание жидкости первым рабочим гидроцилиндром завершается, и по команде из блока управления гидрораспределитель 38 срабатывает и рабочая жидкость начинает поступать по гидролинии 30 и через штуцер 42 в надпоршневу полость приводного гидроцилиндра 8 второго гидроблока 2. В результате поршень 10 гидроцилиндра 8, перемещаясь вниз, вытесняет под ним находящуюся жидкость в подпоршневую полость 22 под давлением через открытые клапаны 25 и 26 по гидролинии 24, в результате поршень 9 начинает перемещаться вверх, т.е. обратно, вместе со скалкой 18, при котором происходит всасывание жидкости из приемной линии 54 и постепенное заполнение полости рабочего гидроцилиндра через обратный клапан 12. А тем временем рабочая жидкость, находящаяся над поршнем 9 по гидролиниям, через клапан 55, гидрораспределитель 38, гидролинии 29 возвращается в бак. Далее цикл повторяется. Как видно из описанного, подача жидкости под высоким давлением в нагнетательную линию 45 осуществляется беспрерывно то одним, то другим гидроблоком. При необходимости объем нагнетаемой жидкости в нагнетательную линию можно изменить в широком диапазоне, например, увеличив обороты электродвигателя через преобразователь частоты 37 и выбрав соответствующий объем рабочих гидроцилиндров 5 и 6, что дает возможность использовать установку в качестве счетчика жидкости (воды), т.е. контролировать объем нагнетаемой жидкости за определенный промежуток времени. Как видим, гидронасос постоянно работает в среде жидкого технического масла. За счет замкнутой круговой его циркуляции обеспечивается его долговечность работы и гидролинии, следовательно, всей установки.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в следующем.

Она значительно проще по конструкции в сравнении с известными, а установка ее в вертикальном положении за счет равномерного износа поршней гидроцилиндров обеспечивает увеличение долговечности работы. Кроме того, в увеличении долговечности и надежности ее работы немаловажную роль играет и возможность круговой циркуляции рабочей жидкости, в качестве которой выбрано жидкое техническое масло, при котором работа гидронасоса осуществляется в среде технического масла.

На дату подачи заявки изготовлен опытный образец и находится в эксплуатации в одном из нефтяных промыслов Татарстана.

Устройство предназначено для использования в области нефтегазового машиностроения при нагнетании жидкости в пласт для поддержания пластового давления при разработке нефтяных и газовых залежей. Насосная установка включает два рабочих гидроцилиндра с нагнетательными и всасывающими клапанами, два приводных гидроцилиндра с поршнями, соединенными жестко со штоками, расположенный в корпусе регулируемый гидронасос с гидравлическими линиями, обратные клапаны, предохранительный клапан, бак с рабочей жидкостью, первичный источник мощности, соединенный с входным валом гидронасоса и блок управления. Корпусы рабочих и приводных гидроцилиндров отстоят друг от друга на расстоянии хода поршней и соединены между собой жестко металлическими скобами или аналогичными стержнями и образуют два гидроблока. Последние установлены последовательно в вертикальном положении и закреплены к общей стойке основания. Полости рабочих гидроцилиндров тарированы. В качестве поршней в них использованы скалки, соединенные шарнирно со штоками поршней приводных гидроцилиндров. Подпоршневые полости приводных гидроцилиндров сообщены гидролинией с двумя кранами, которая в свою очередь через дополнительную гидролинию с краном сообщена с одной из гидролиний регулируемой гидростанции. Соотношение диаметра скалки к ее длине хода выбрано из следующего выражения:

,

где К - коэффициент, показывающий соотношение диаметра скалки к ее длине хода;

⌀с - диаметр скалки, мм;

Lск - длина хода скалки, мм.

Упрощается конструкция, увеличивается долговечность работы. 5 ил.

Насосная установка нагнетательная, объемная, регулируемая, включающая два рабочих гидроцилиндра с нагнетательными и всасывающими клапанами, два приводных гидроцилиндра с поршнями, соединенными жестко со штоками, расположенный в корпусе регулируемый гидронасос с гидравлическими линиями, обратные клапаны, предохранительный клапан, бак с рабочей жидкостью, первичный источник мощности, соединенный с входным валом гидронасоса, и блок управления, отличающаяся тем, что корпуса рабочих и приводных гидроцилиндров отстоят друг от друга на расстоянии хода поршней и соединены между собой жестко металлическими скобами или аналогичными стержнями, и образуют два гидроблока, установленные последовательно в вертикальном положении и закрепленные к общей стойке основания, при этом полости рабочих гидроцилиндров тарированы, а в качестве поршней в них использованы скалки, соединенные шарнирно со штоками поршней приводных гидроцилиндров, подпоршневые полости приводных гидроцилиндров сообщены гидролинией с двумя кранами, которая, в свою очередь, через дополнительную гидролинию с краном сообщена с одной из гидролиний регулируемого гидронасоса, причем соотношение диаметра скалки к ее длине хода выбрано из следующего выражения:
,
где К - коэффициент, показывающий соотношение диаметра скалки к ее длине хода;
⌀с - диаметр скалки, мм;
Lск - длина хода скалки, мм.