Способ снижения пульсации многоплунжерной насосной системы и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК F04B23/06 F04B11/00 

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к насосному оборудованию, содержащему многоплунжерные и многопоршневые насосы, соединенные параллельно, предназначенному для использования при постоянной закачке воды с высоким расходом и давлением с целью поддержания пластового давления в нефтегазодобывающей промышленности, исключающему проблему пульсации.

Требования поддержания высокого давления и производительности достигаются увеличением количества используемых насосов, соединяемых параллельно, таким образом, что их всасывающие и/или нагнетательные патрубки соединяются в одну линию всасывания и/или нагнетания, образуя насосную систему. Основным требованием к насосному оборудованию является минимальная величина пульсаций давления и высокая равномерность подачи жидкости. Высокие показатели пульсации давления снижают эксплуатационные характеристики насосного оборудования, трубопроводов и трубопроводной арматуры, приводящие к разрыву труб, аварийным ситуациям.

Устанавливаемые на кустовой насосной станции (КНС) объёмные 3-, 4-плунжерные насосы вызывают сильную вибрацию подводящего и выкидного водоводов, а также блока гребенки (БГ), что, в свою очередь, является причиной повышенного износа оборудования и повышенной опасности для обслуживающего персонала. Вибрация связана с принципом работы насоса, а именно - порционной подачей жидкости поочередно одним из трёх или четырех плунжеров, что вызывает пульсацию расхода и давления. При работе трехплунжерного насоса за один такт расход меняется в пределах 16% (смещение работы плунжеров по фазе составляет 120 град.), при работе четырехплунжерного - более 40% (смещение работы плунжеров по фазе составляет 90 град.), пятиплунжерные насосы не применяются в связи с необходимостью дополнительной опоры коленвала, что усложняет конструкцию и приводит к ее удорожанию, при этом не решает в полной мере вопрос пульсации.

Известны объёмные плунжерные насосы с количеством плунжеров от 3 до 5 с различными углами фазового смещения. Пульсация жидкости (изменение мгновенного расхода) составляет 16% для 3-плунжерных насосов (смещение работы плунжеров по фазе составляет 120 град.) и более 40% для 4-плунжерного, что создаёт сложности эксплуатации (повышенную вибрацию как самого насоса, так и связанного трубопроводной сетью оборудования) и быстрый выход насосов и связанного оборудования из строя. Существующие гасители пульсаций не справляются с задачей при эксплуатации насоса с подачей порядка 1000 м³/сут. Требуемый гаситель пульсаций имеет неудовлетворительные по массогабаритным характеристикам и стоимости показатели. 5-плунжерные насосы требуют дополнительной опоры в связи с возникающими деформациями коленвала при работе, при этом не решают вопрос пульсации. С математической точки зрения наименьшей пульсацией обладают насосы с числом плунжеров кратным трём (3, 9 и т.д.). Но увеличение числа плунжеров более 4 значительно усложняет конструкцию.

Известен способ работы параллельно двух насосов от одного вала (насосы устанавливаются с разных сторон от электродвигателя, что исключает необходимость дополнительных опор), но данный способ не реализует фазовое смещение работы плунжеров, поэтому с точки зрения пульсации это один трехплунжерный насос.

Известен многоплунжерный насос, включающий кривошипно-шатунный дезаксиальный механизм привода плунжеров, имеющий коленчатый вал, шатуны и ползуны, соединенные с плунжерами с расположением осей ползунов в различных плоскостях в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала (см. напр., а.с. N 1707220, кл. F04В 1/00, 1989 г.).

Недостатками известного решения являются неравномерность подачи рабочей среды и пульсации давления на выходе и на входе насоса, а также неравномерность приводного момента на протяжении одного оборота коленчатого вала. Уменьшение воздействия этих недостатков обычно достигается увеличением числа цилиндров и использованием дополнительных приспособлений, в частности противовесов и маховиков, и гасителей пульсаций, например демпферов или воздушных колпаков, что приводит к увеличению габаритов, массы и стоимости насоса.

Наиболее близким техническим решением по сущности является способ снижения пульсации плунжерной насосной системы, содержащий установку на раме электродвигателя с трехплунжерным насосом, состоящим из механической и связанной с ней гидравлической частей, при этом механическая часть насоса включает редуктор и кривошипно-шатунный механизм, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала (патент RU №2168064, опубл. 27.05.2001).

Наиболее близким техническим решением по сущности является многоплунжерный насос, включающий установленные на раме электродвигатель с трехплунжерным насосом, состоящим из механической и связанной с ней гидравлической частей, при этом механическая часть насоса включает редуктор и кривошипно-шатунный механизм, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности с взаимным сдвигом фаз на 120 град. по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала (патент RU №2168064, опубл. 27.05.2001).

Элементы кривошипно-шатунного механизма для соседних цилиндров выполнены с разными геометрическими параметрами, а также с различными диаметрами плунжеров и величинами дезаксиала, что позволяет добиться снижения пульсаций в три-пять раз, однако это усложняет конструкцию и, соответственно, приводит к усложнению производства и обслуживания насоса. Также узкая область применения из-за недостаточной эффективности при использовании в системе поддержания пластового давления из-за низкой производительности, сложности соединения нескольких насосов параллельно, низкой надежности работы коленчатого вала насоса и возможности компенсировать упругие деформации, которые, при большом числе плунжеров, приводят к рассинхронизации их работы и повышению пульсации.

Техническим результатом предложения является повышение надежности работы многоплунжерной насосной системы за счет снижения пульсации, повышения синхронизации работы плунжеров и долговечности работы оборудования, безопасности эксплуатации (для персонала), упрощения производства и обслуживания насосной системы, сокращения эксплуатационных затрат. А также расширение арсенала технологических средств используемых в системе поддержания пластового давления.

Технический результат достигается способом снижения пульсации многоплунжерной насосной системы, содержащим установку на раме электродвигателя с трехплунжерным насосом, состоящим из механической и связанной с ней гидравлической частей, при этом механическая часть насоса включает редуктор и кривошипно-шатунный механизм, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала.

Новым является то, что соединяют параллельно три трехплунжерных насоса, расположенных в ряд и работающих от одного приводного вала двигателя, фазовый сдвиг работы плунжеров у каждого последующего насоса относительно предыдущего осуществляют на 40 град., между насосами устанавливают муфту, закрепленную на общей раме насосной системы, каждый насос обвязывают в одну выкидную линию.

Технический результат достигается многоплунжерной насосной системой, содержащей установленные на раме электродвигатель с трехплунжерным насосом, состоящим из механической и связанной с ней гидравлической частей, при этом механическая часть насоса включает редуктор и кривошипно-шатунный механизм, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности с взаимным сдвигом фаз на 120 град. по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала.

Новым является то, что насос параллельно соединен с двумя дополнительными трехплунжерными насосами, при этом двигатель, редуктор и насосы размещены в ряд, с возможностью работы от одного приводного вала, валы насосов соединены муфтой со смещением вала одного насоса относительно другого, обеспечивая фазовое смещение на 40 град. между соседними насосами, выполненной из двух полумуфт, соединенных пальцами через выполненные продольные отверстия, причем углы наклона продольных отверстий полумуфт противоположны, на торцевом участке полумуфт выполнен зубчатый участок с регулировочной шестерней, муфта закреплена на стойке, стойка муфты жестко установлена на общей раме.

На фиг. 1 изображена плунжерная насосная система, обеспечивающая снижение пульсации.

На фиг. 2 изображен (вид сбоку) ведущей полумуфты.

На фиг. 3 изображен (вид сбоку) ведомой полумуфты.

На фиг. 4 изображен регулировочная шестерня.

На фиг. 5 изображена муфта.

На фиг. 6 изображена стыковка полумуфт при смещении положения полумуфт до +3 град.

На фиг. 7 изображена стыковка полумуфт при смещении положения полумуфт до -3 град.

На фиг. 8 изображена результирующая работа (мгновенная подача) каждого из трехплунжерного насоса предлагаемой системы девятиплунжерного насоса.

На фиг. 9 изображена результирующая работа предлагаемой системы девятиплунжерного насоса.

Многоплунжерная насосная система содержит, установленные на раме 1 (фиг. 1) электродвигатель 2 с трехплунжерным насосом 3, состоящим из механической и связанной с ней гидравлической частей, при этом механическая часть насоса включает редуктор 4 и кривошипно-шатунный механизм, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности с взаимным сдвигом фаз на 120 град. по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала (на фигурах показаны условно). Насос параллельно соединен с двумя дополнительными 3', 3'' трехплунжерными насосами. Двигатель 2, редуктор 4 и насосы 3, 3', 3'' размещены в один ряд, с возможностью работы от одного приводного вала. Валы насосов 3 и 3', 3' и 3'' соединены муфтами 5 со смещением вала одного насоса относительно другого - вала насоса 3 относительно вала насоса 3', вала насоса 3' относительно вала 3'', обеспечивая фазовое смещение на 40 град. между соседними насосами. Каждая муфта выполнена из двух полумуфт - ведущей 5' (фиг. 2) и ведомой 5'' (фиг. 3). Муфта 5 обеспечивает передачу крутящего момента без пробуксовки, что обеспечивается соответствующими прочностными расчётами исходя из конкретного типоразмера насосной системы. Полумуфты круглой формы с продольными отверстиями 6 (фиг. 2, 3), расположенными под углом 30 град (±3 градуса) относительно луча, исходящего от центра окружности (радиуса). Полумуфты соединяются пальцами через выполненные продольные отверстия. На торцевом участке полумуфт выполнен зубчатый участок 7 (фиг. 2, 3, 5) с регулировочной шестерней 8 (фиг. 4, 5), вращая которую регулируют угол смещения ведомой 5''' (фиг. 5) полумуфты относительно ведущей 5''''.

У ведущей и ведомой полумуфты углы наклона отверстий 6 относительно радиуса противоположны, что позволяет без снятия пальцев (необходимо только ослабление) смещать ведомую полумуфту относительно ведущей, пальцы при этом перемещаются в пределах продольных отверстий. Так, при сдвиге полумуфт на +3 градуса относительно друг друга, пальцы перемещаются по продольным отверстиям к внешней части полумуфт (фиг. 6), при сдвиге на -3 градуса - к внутренней части (фиг. 7).

Регулирование выполняют следующим образом: при остановленной насосной системе ослабляют гайки (на фигурах не показано) всех пальцев таким образом, чтобы полумуфты не расходились, т.е. сохраняли первоначальное положение относительно друг друга, но и не были зафиксированы очень жестко, затем вращением регулировочной шестерни по или против часовой стрелки проворачивают полумуфты относительно друг друга на угол, необходимый для компенсации упругих деформаций коленчатого вала при работе насосной системы (в пределах 3 град), таким образом корректируется смещение вала одного насоса относительно другого и, соответственно, фазовое смещение между соседними насосами, затем гайки пальцев затягивают, что приводит к жесткой фиксации полумуфт относительно друг друга. Регулировочная шестерня удерживается внутри муфты, что предотвращает ее выпадение при работе насоса, например, за счет выступа, который удерживается в пазах полумуфт. Муфта 5 закреплена на стойке 9 (фиг. 1). Стойки 9 муфт 5, насосов 3, 3' и 3'', редуктора 4 и двигателя 2 жестко установлены на общей раме 1, обеспечивают жесткую фиксацию установленных на них муфт 5, насосов 3, 3' и 3'', редуктора 4 и двигателя 2, что достигается расчётами на прочность исходя из конкретного типоразмера насосной системы.

Способ снижения пульсации насосной системы содержит установку на раме 1 электродвигателя 2 с трехплунжерным насосом 3, состоящим из механической и связанной с ней гидравлической частей. При этом механическая часть насоса включает редуктор 4 и кривошипно-шатунный механизм имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала. Соединяют параллельно три трехплунжерных насоса 3, 3' и 3''. Располагают в один ряд электродвигатель 2, редуктор 4 и насосы 3, 3', 3''. Фазовый сдвиг работы плунжеров у каждого последующего насоса относительно предыдущего смещают на 40 град., между насосами устанавливают муфты 5, закрепленную на общей раме насосной системы, каждый насос обвязывают в одну общую выкидную линию. И запускают в работу насосную систему от одного приводного вала двигателя.

При соединении насосов 3, 3', 3'' со смещением работы плунжеров по фазе, составляющим 40 град, обеспечивающим регулирование муфтами 5, пульсация снижается до 1,5%. Снижение пульсации позволяет снизить вибрацию, повысить ресурс работы самой насосной системы, оборудования, связанного трубопроводной сетью, элементов трубопроводной обвязки, а также повысить безопасность обслуживающего персонала. Также позволяет отказаться от гасителя пульсаций (или ведет к возможности значительного снижения габаритов гасителя). Таким образом преодолевается ограничение по количеству одновременно-работающих плунжеров, а использование муфт позволяет соединить несколько насосов параллельно, исключить потери надежности работы вала и компенсировать упругие деформации, которые, при большом числе плунжеров, приводят к рассинхронизации их работы и повышению пульсации.

Способ снижения пульсации плунжерной насосной системы поддержания пластового давления осуществляют в следующей последовательности.

На общем жестком массивном основании-раме 1 с применением жесткого крепления стоек 9 устанавливают электродвигатель 2, редуктор 4, трехплунжерные насосы 3, 3' и 3'', муфты 5 так, чтобы выходной вал редуктора, коленчатые валы, специальные муфты находились на одной оси.

1. Соединяют параллельно три трехплунжерных насоса 3, 3' и 3'' (смещение плунжеров по фазе у каждого - 120 град.), работающие от одного приводного вала.

2. Соединение насосов выполняют таким образом, что у каждого последующего насоса смещение работы плунжеров по фазе относительно предыдущего составляет 40 град.

3. Каждый последующий насос соединяют с предыдущим посредством муфты, которая имеет несколько назначений:

3.1. муфта крепится с помощью стойки на общей раме насосной системы и является для вала поддерживающим устройством (компенсация изгибающей деформации);

3.2. муфта позволяет регулировать угол сдвига по фазе между каждым насосом на несколько градусов для компенсации "неидеальности" соединения насосов относительно друг друга, а также компенсации вращательного изгиба вала при работе на девять плунжеров.

4. Каждый из 3-х насосов обвязывают в одну выкидную линию.

В качестве системы насосов 3, 3' и 3'' может использоваться любой существующий стандартный 3-плунжерный насос без изменения его конструкции, с возможностью перестановки и замены без лишней траты времени и средств, при условии, что коленчатый вал будет иметь выход со стороны, противоположной расположению электродвигателя для соединения с другим насосом посредством муфты 5.

При работе трехплунжерного насоса за один такт расход меняется в пределах 16% (смещение работы плунжеров по фазе составляет 120 град.) (фиг. 8). Сплошные линии (фиг. 8) - работа (мгновенная подача) каждого из трех плунжеров. Плунжеры работают со смещением по фазе на 120 град. относительно друг друга. Пунктирная линия - результирующая работа трёх плунжеров, минимальное и максимальное значение различаются на 16%.

Трехплунжерные насосы соединяют так, чтобы все насосы имели сдвиг по фазе относительно друг друга 40 град. Этим обеспечивается поочередное движение девяти плунжеров так, что каждый последующий начинает движение, выталкивающее жидкость из цилиндра, после того, как предыдущий уже провернулся на 40 град (фиг. 9), таким образом обеспечивается более плавная подача жидкости, чем одним трёхплунжерным насосом, в котором следующий плунжер начинает подачу тогда, когда предыдущий провернулся уже на 120 град. На фиг. 9 на нижнем графике показана результирующая работа (мгновенная подача) каждого из трех трехплунжерных насосов. Насосы и каждый плунжер работают со смещением по фазе на 40 град. относительно друг друга. Верхняя пунктирная линия - результирующая работы девяти плунжеров, минимальное и максимальное значение различаются на 1,5%.

Пульсация подачи при последовательной подаче девяти плунжеров (разница между максимальным мгновенным значением и минимальным) составляет 1,5%, в отличие от величины пульсации 16% при работе трехплунжерного насоса.

Предлагаемый способ снижения пульсации многоплунжерного насоса в системе повышения пластового давления и устройство для его выполнения обеспечивают повышение надежности работы насосной системы за счет снижения пульсации более чем в 10 раз, повышения синхронизации работы плунжеров и долговечности работы оборудования, безопасности эксплуатации (для персонала), упрощения производства и обслуживания насосной системы, сокращения эксплуатационных затрат. А также расширяет арсенал технологических средств, используемых в системе поддержания пластового давления.

Группа изобретений относится к способу снижения пульсации многоплунжерной насосной системы и к многоплунжерной насосной системе. В способе соединяют параллельно три трехплунжерных насоса 3, 3’, 3”, расположенных в ряд и работающих от одного приводного вала двигателя 2. Фазовый сдвиг работы плунжеров у каждого последующего насоса относительно предыдущего осуществляют на 40 град. Между насосами устанавливают муфту 5, закрепленную на общей раме 1. Каждый насос обвязывают в одну выкидную линию. Система содержит установленные на раме 1 электродвигатель 2 с трехплунжерным насосом 3, состоящим из механической и связанной с ней гидравлической частей. Механическая часть насоса 3 включает редуктор 4 и кривошипно-шатунный механизм, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности с взаимным сдвигом фаз на 120 град. по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала. Насос 3 параллельно соединен с двумя трехплунжерными насосами 3’, 3”. Двигатель 2, редуктор 4 и насосы размещены в ряд с возможностью работы от одного вала. Валы насосов соединены муфтой со смещением вала одного насоса относительно другого, обеспечивая фазовое смещение на 40 град. между соседними насосами, выполненной из двух полумуфт, соединенных пальцами через выполненные продольные отверстия. Углы наклона продольных отверстий полумуфт противоположны. На торцевом участке полумуфт выполнен зубчатый участок с регулировочной шестерней. Группа изобретений направлена на повышение надежности работы многоплунжерной насосной системы за счет снижения пульсации. 2 н.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ снижения пульсации многоплунжерной насосной системы, содержащий установку на раме электродвигателя с трехплунжерным насосом, состоящим из механической и связанной с ней гидравлической частей, при этом механическая часть насоса включает редуктор и кривошипно-шатунный механизм, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала, отличающийся тем, что соединяют параллельно три трехплунжерных насоса, расположенных в ряд и работающих от одного приводного вала двигателя, фазовый сдвиг работы плунжеров у каждого последующего насоса относительно предыдущего осуществляют на 40 град., между насосами устанавливают муфту, закрепленную на общей раме насосной системы, каждый насос обвязывают в одну выкидную линию.

2. Многоплунжерная насосная система, содержащая установленные на раме электродвигатель с трехплунжерным насосом, состоящим из механической и связанной с ней гидравлической частей, при этом механическая часть насоса включает редуктор и кривошипно-шатунный механизм, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности с взаимным сдвигом фаз на 120 град. по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала, отличающаяся тем, что насос параллельно соединен с двумя дополнительными трехплунжерными насосами, при этом двигатель, редуктор и насосы размещены в ряд, с возможностью работы от одного приводного вала, валы насосов соединены муфтой со смещением вала одного насоса относительно другого, обеспечивая фазовое смещение на 40 град. между соседними насосами, выполненной из двух полумуфт, соединенных пальцами через выполненные продольные отверстия, причем углы наклона продольных отверстий полумуфт противоположны, на торцевом участке полумуфт выполнен зубчатый участок с регулировочной шестерней, муфта закреплена на стойке, стойка муфты жестко установлена на общей раме.