Округляют значение и уточняют диаметр тарелки клапана, м:
(2.1.8) |
где – подача через клапан (определяется как ), – скорость потока жидкости через щель клапана (обычно принимают равным ).
Уточняют число ходов поршня в секунду:
(2.1.9) |
где – эмпирический коэффициент И.И. Куколевского, Л.К. Ляховского, принимают . Максимальное значение коэффициента используют для насосов одностороннего действия, имеющих подпор на приеме. – высота поднятия тарелки клапана, м.
5. Расчет пружины клапана.
Сила натяжения пружины равна, Н:
(2.1.10) |
где – плотность перекачиваемой жидкости (принять равной ); – площадь тарелки клапана, ; – вес тарелки клапана в жидкости, Н (можно рассчитать как вес стального цилиндра в жидкости высотой и диаметром ); – коэффициент обтекания тарелки клапана.
Подбираем пружину с жесткостью , равной:
(2.1.11) |
6. Расчет диаметров всасывающего и нагнетательного патрубков.
Диаметр всасывающего патрубка:
(2.1.12) |
Диаметр нагнетательного патрубка:
(2.1.13) |
Обычно принимают скорости движения в патрубках следующие , .
7. Расчет мощности привода насоса.
Мощность привода определяют по зависимости, Вт:
(2.1.14) |
где – подача насоса, м3/с; – общий КПД насоса ().
8. Определяют эквивалентное напряжение при расчетном давлении в гидравлической части насоса по формуле расчета напряжений в толстостенном сосуде, Па:
(2.1.15) |
где – отношение предела текучести стали при растяжении к пределу текучести при сжатии; – отношение внутреннего радиуса (равен радиусу цилиндра) к наружному рассчитываемого сечения элемента гидравлической части насоса. Отношение подбираем самостоятельно из пределов .
По значению легко определить толщину стенок гидравлической части насоса.
Коэффициент запаса статической прочности должен удовлетворять следующему условию:
(2.1.16) |
где – предел текучести выбранного материала рассчитываемой детали.
Материал подобрать согласно таблицы 29.
9. По полученным результатам расчетов гидравлической части насоса выполнить чертеж с соблюдением масштаба и с указанием полученных в ходе расчета размеров и материала гидравлической части в любой программе САПР (КОМПАС, AutoCAD, Inventor и т.д.).
Задача № 2.1.2 Расчет пневмокомпенсатора поршневого насоса
По данным задачи 2.1.1 рассчитать пневмокомпенсатор для поршневого насоса подобрать его диаметр, исходя из требуемого объема пневмокомпенсатора, равного максимальному объему перекачанной насосом жидкости за 3-6 секунд его работы, толщину стенок и материал. Выполнить чертеж в любой программе САПР, принимая форму пневмокомпенсатора сферической, соблюдая масштаб с указанием размеров и материала. (Примечание: для всех вариантов длина напорного участка трубопровода 10 м, плотность перекачиваемой жидкости 1000 кг/м3).
Указания к выполнению.
1. Прочность корпуса пневмокомпенсатора проверяют на максимальное давление в момент пуска насоса, когда необходимо преодолеть инерцию жидкости в трубопроводе. Максимальное давление в момент пуска:
(2.2.1) |
Коэффициент повышения давления определяют по параметру :
Таблица 28 – Исходные данные к задаче 2.1.2
0 | 12 | 44 | 93 | 156 | 316 | 408 | 508 | 512 | 712 | 834 | 1190 | |
1 | 1,05 | 1,1 | 1,15 | 1,2 | 1,25 | 1,3 | 1,4 | 1,45 | 1,5 | 1,55 | 1,7 |
Этот параметр находят по зависимости:
(2.2.2) |
где – длина напорного участка трубопровода, м; – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; – объем газа в пневмокомпенсаторе, м3 (равен половине объема пневмокомпенсатора); – давление газа в пневмокомпенсаторе, Па (принять равным максимальному давлению насоса с запасом в 10÷20%); – площадь поперечного сечения нагнетательного трубопровода, м2.
2. Затем определяют эквивалентное напряжение при расчетном давлении в гидравлической части насоса, Па:
(2.2.3) |
где – отношение предела текучести стали при растяжении к пределу текучести при сжатии; – отношение внутреннего радиуса (равен радиусу цилиндра) к наружному рассчитываемого сечения элемента гидравлической части насоса. Отношение подбираем самостоятельно из пределов .
Коэффициент запаса статической прочности:
(2.2.4) |
где – предел текучести материала рассчитываемой детали.
Материал подобрать в соответствии с таблицей 29.
Таблица 29 – Предел текучести различных видов сталей в МПа
Сталь 20 | Сталь 30 | Сталь 40 | Сталь 45 | Сталь 20X | Сталь 40ХН |
250 | 280 | 340 | 360 | 400 | 460 |
Примечание: значения пределов текучести для других видов конструкционных материалов можно посмотреть в [9].
Колебания давления в колпаке и напорном трубопроводе могут совпадать (или быть кратными) с частотой колебания в насосе, что необходимо проверять, т.к. велика вероятность резонансного эффекта.
3. Для прямого нагнетательного трубопровода без изгибов частоту колебаний находим по формуле Берга:
(2.2.5) |
При совпадении частоты колебаний трубопровода и частоты двойных ходов насоса необходимо поменять параметры напорного трубопровода (длина, диаметр).
4. Выполнить чертеж пневмокомпенсатора, с указанием полученных в ходе расчета размеров и материала в любой программе САПР (КОМПАС, AutoCAD, Inventor и т.д.).
2.2 Расчеты элементов скважинных насосных установок и погружного нефтепромыслового оборудования
Задача № 2.2.3 Подбор установки погружного ЭЦН
Подобрать установку погружного ЭЦН к скважине, имеющей следующие характеристики:
Таблица 30 – Исходные данные к задаче 2.2.3
Параметр | Вариант | |||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
800 | 1000 | 1500 | 2000 | 2200 | 1700 | 1850 | 2300 | 1350 | 700 | |
200 | 370 | 300 | 430 | 530 | 320 | 350 | 560 | 180 | 250 | |
800 | 900 | 850 | 950 | 950 | 850 | 890 | 920 | 850 | 820 | |
150 | 100 | 150 | 200 | 200 | 360 | 250 | 260 | 350 | 380 | |
НКТ | 89 | 89 | 73 | 73 | 73 | 114 | 89 | 114 | 89 | 73 |
ЭК | 146х8 | 146х8 | 146х8 | 168х9 | 168х9 | 168х9 | 168х9 | 168х9 | 168х10 | 146х9 |
0,1 | 0,2 | 0,4 | 1 | 1,5 | 0,2 | 0,4 | 0,4 | 2 | 1,7 | |
0,2 | 0,1 | 0,2 | 0,35 | 0,15 | 0,4 | 0,45 | 0,35 | 0,12 | 0,32 | |
Обозначения – Глубина спуска ЭЦН, м – Статический уровень жидкости в скважине (измеренный от устья), м – Средняя плотность пластовой жидкости, кг/м3 – Проектный дебит, м3/сут НКТ – Тип насосно-компрессорных труб, условный диаметр ЭК – Типоразмер эксплуатационной колонны – Кинематическая вязкость скважинной жидкости, – Коэффициент продуктивности скважины, |
1. В общем случае, давление, развиваемое насосом, Па:
(2.3.1) |
где – глубина спуска ЭЦН, м; – средняя плотность добываемой пластовой жидкости, кг/м3; – забойное давление, Па; – буферное давление, Па; – потери давления в подъемных трубах, Па; – высота подъема жидкости за счет работы газа в НКТ (примем равной 50 м).
2. Забойное давление находим из выражения:
(2.3.2) |
где – статический уровень жидкости в скважине, измеренный от устья, м; – проектный суточный дебит скважины; – коэффициент продуктивности скважины.
3. Буферное давление складывается из суммы противодавлений на устье (местные потери на устье скважины, потери в поверхностных трубопроводах и т.д.) и обычно не превышает 0,5÷1.0 МПа.
4. Потери напора на гидравлические сопротивления в трубах равны:
(2.3.3) |
где – скорость движения жидкости в трубе НКТ, м/c; – внутренний диаметр трубы НКТ, м; – коэффициент гидравлического сопротивления подъемных труб, определяемый с учетом вязкости смеси, режима движения потока ( для чисел Рейнольдса до , число Рейнольдса рассчитываем по зависимости ).
5. После определения требуемого напора, необходимо ввести поправки на вязкость перекачиваемой жидкости, воспользовавшись номограммами Ляпкова (см. рисунок 26). Определив коэффициенты снижения напора, подачи и КПД можно подобрать требуемую установку ЭЦН по таблице (см. таблицу 7П в приложениях). При этом подача выбранной установки ЭЦН не должна превышать требуемую подачу на 25%, а напор может быть любым большим. Требуемый напор затем достигается уменьшением количества ступеней ЭЦН.
Рисунок 26 – Номограмма Ляпкова для пересчета характеристик центробежных насосов
Задача № 2.2.4 Подбор погружного электродвигателя (ПЭД)
Подобрать ПЭД и определить возможную температуру нагрева двигателя УЭЦН, выбранную в задаче 2.2.3.
Таблица 31 – Исходные данные к задаче 2.2.4
Параметр | Вариант | |||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
Обводненность () | 0,1 | 0,4 | 0,3 | 0,8 | 0,7 | 0,23 | 0,6 | 0,35 | 0,45 | 0,18 |
Газосодержание на входе в насос | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,15 | 0,15 | 0,2 | 0,1 | 0,18 | 0,05 | 0,12 |
Температура скважинной жидкости, | 58 | 52 | 60 | 65 | 62 | 56 | 68 | 70 | 72 | 75 |
1. Подобрать ПЭД из таблицы 8П для установки ЭЦН по потребляемой мощности насосом с учетом КПД и коэффициента снижения КПД по номограмме Ляпкова. Гидравлическую мощность насоса рассчитать, исходя из фактической подачи насоса и фактического создаваемого насосом давления.
2. Найти потери мощности при в ПЭД, при температуре , Вт:
(2.4.1) |
где – мощность, потребляемая насосом, – номинальная мощность выбранного двигателя, – КПД выбранного двигателя, , и – коэффициенты (см. таблицу 8П в приложениях).
3. Затем найдем – температуру, до которой может быть нагрет двигатель с учетом потерь , выраженных в кВт, без учета охлаждения двигателя:
(2.4.2) |
Расчетный коэффициент найдем из значений обводненности B и газосодержания на входе в насос :
(2.4.3) |
Температурный коэффициент найдем, зная температуру скважинной жидкости :
(2.4.4) |
Тогда температура двигателя равна, :
(2.4.5) |
Если температура двигателя меньше , то он может быть использован. – предельная температура для обмотки изоляции обмотки статора двигателя. Если в результате выполнения температурных расчетов ближайший по мощности двигатель ПЭД не может быть использован, то переходим к расчету следующего по мощности двигателя из таблицы 8П приложений.
Задача № 2.2.5 Определение рабочих характеристик винтового насоса и подбор ПЭД
Определить рабочие характеристики установки винтового насоса и подобрать погружной электродвигатель по следующим исходным данным. Плотность перекачиваемой жидкости принять равной ; объемный КПД принять равным 90%; общий КПД установки принять равным 75% для всех вариантов.
Таблица 32 – Исходные данные к задаче 2.2.5
Параметр | Вариант | |||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
величина эксцентриситета между центром сечения винта и статора, мм | 4 | 5 | 3,5 | 6 | 8 | 4 | 6 | 7 | 6,5 | 8,5 |
Диаметр сечения винта, мм | 100 | 80 | 75 | 110 | 69 | 89 | 95 | 95 | 73 | 106 |
Шаг двухзаходного винта, мм | 300 | 300 | 400 | 500 | 500 | 400 | 450 | 500 | 350 | 550 |
Частота вращения винта, | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 120 | 120 | 120 | 120 |
Требуемый напор, м | 200 | 300 | 300 | 400 | 450 | 350 | 250 | 220 | 450 | 500 |
Указания к выполнению:
Рабочие характеристики УВН (одновинтового насоса) определяются по следующим формулам.
Теоретическая производительность насоса, м3/с:
(2.5.1) |
где – величина эксцентриситета между центром сечения винта и статора, м; – диаметр сечения винта, м; – шаг двухзаходного винта, м; –частота вращения винта, .
Фактическая производительность насоса, м3/с:
(2.5.2) |
где – объемный КПД насоса.
Мощность, подводимая к валу насоса, кВт
(2.5.3) |
где – производительность насоса, ; – требуемый напор столба жидкости, м; – плотность жидкости, кг; – ускорение свободного падения, ; – общий КПД насоса.
Погружной электродвигатель подобрать по потребной мощности (с коэффициентом запаса 1,3) из таблицы 8П или 9П в приложениях.