Министерство образования и науки Российской Федерации 8 страница

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)

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
Параметр	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
Параметр	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
Параметр	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.