автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Совершенствование проточных частей погружных центробежных насосов и газосепараторов, работающих на смесях жидкость-газ

шз-з

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «БОРЕЦ».

На правах рукописи.

Трулев Алексей Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ПОГРУЖНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ И ГАЗОСЕПАРАТОРОВ, РАБОТАЮЩИХ НА СМЕСЯХ ЖИДКОСТЬ - ГАЗ.

05.04.13- Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шерстюк Александр Николаевич.

Москва-1999

СОДЕРЖАНИЕ.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СИМВОЛОВ............................4

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................6

Глава 1.0Б30Р МЕТОДОВ РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛОПАСТНЫХ МАШИН.............................................10

1.1. Общая характеристика развития гидродинамики лопастных

машин.....................................................................................................................10

1.2.Задачи оптимизации проектирования проточных частей лопастных гидромашин.......................................................................................13

1.3. Баланс сил, действующий на частицу, жидкости в проточных частях лопастных гидромашин..........................................................................14

1.4.Анализ литературных данных о работе лопастных гидромашин

на многокомпонентных смесях.........................................................................21

1.5. Особенности конструкции ступеней погружных

многоступенчатых электроцентробежных насосов для эксплуатации нефтяных скважин................................................................................................36

1.6. Обзор и анализ известных конструкций газосепараторов для погружных центробежных насосов и резужтатовЩйрцменения

Выводы:.............................................................Л-:-................................54

Глава 2. Особенности проточных частей лопастных гидромашин, работающих на многокомпонентных смесях...................................................57

2.1 Причины возникновения и способы борьбы с газовой кавитацией.................................................................................................57

2.2 Работа лопастных гидромашин на многокомпонентных смесях. .................................................................................................................................62

2.3 Уточненный расчет течения многокомпонентных смесей в насосах и газосепараторах................................................................................74

Выводы:......................................................................................................84

Глава 3. Разработка и исследование ступеней погружных многоступенчатых электроцентробежных насосов, работающих на многокомпонентных смесях, для эксплуатации малорасходных нефтяных скважин..................................................................................................................85

3-1. Программа, методика испытаний и экспериментальная установка для определения характеристик ступеней погружных центробежных насосов........................................................................................85

3-2. Особенности расчета проточных частей ступеней погружных

многоступенчатых электроцентробежных насосов для эксплуатации

малорасходных скважин.....................................................................................93

3.3 Анализ работы лопастных машин на

многокомпонентных смесях................................................................125

3.4. Проектирование многоступенчатых погружных центробежных

насосов с открытыми рабочими колесами..........................................131

Выводы:....................................................................................................141

Глава 4. Разработка и исследование центробежных газосепараторов для защиты погруженных электроцентробежных насосов от вредного влияния свободных газов..................................................................................................143

4.1 Конструкция стенда, методика проведения экспериментов и обработки данных...............................................................................................143

4.2. Исследование влияния газосодержания откачиваемой смеси на входе в газосепаратор на коэффициент сепарации..............................149

4.3. Проектирование нового газосепаратора......................................154

4.4. Проведение сравнительных испытаний модернизированного варианта газосепаратора..................................................................................159

4.5. Сравнительный анализ различных вариантов проточных частей газосепараторов.................................................................................................168

Выводы:....................................................................................................177

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................180

Список использованных источников..............................................................181

ПРИЛОЖЕНИЕ.

199

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ и символов.

Н - напор. С> - расход. N - мощность. Ри - сила инерции.

Рцп - центробежная сила инерции от переносного движения. Рц0 - центробежная сила инерции от относительного движения.

- сила Кориолиса.

Ргу, - поверхностная сила вследствие наличия градиента давления.

- радиус кривизны лопасти. Т - время.

р - плотность.

со - угловая скорость колеса. V - абсолютная скорость потока, и - переносная скорость потока.

- относительная скорость потока.

Гь Г2 - циркуляция на входе и выходе из рабочего колеса.

Р - давление.

В - ширина канала.

п3 - коэффициент быстроходности.

Сокращения.

ГЖС - газожидкостная смесь.

ПАВ - поверхностно-активные вещества.

РК - рабочее колесо.

ЛС - лопастная система.

МКЭ - метод конечных элементов.

ЭВМ - электронно-вычислительная машина.

САПР - система автоматизированного проектирования.

ЭЦН - электроцентробежный насос.

ЭЦНМ - электроцентробежный насос модульный.

ВВЕДЕНИЕ.

Работа посвящена исследованию и совершенствованию проточных частей лопастных гидромашин, работающих на многокомпонентных смесях, для эксплуатации малодебитных нефтяных скважин.

Актуальность проблемы.

В настоящее время на рынке погружных электроцентробежных насосов (ЭЦН) для добычи нефти складывается тенденция увеличения спроса на насосы

мъ

для разработки малорасходных нефтяных скважин, перекачивающих 10 -ьЗО-

продукта. Поскольку установка ЭЦН в скважину связана с меньшими трудностями по сравнению с установкой станка-качалки (штангового насоса), многие нефтедобывающие фирмы отдают им предпочтение.

Многокомпонентная смесь представляет собой смесь различных газов, жидкостей и твердых частиц.

Во многих скважинах количество песка и других твердых частиц достигает одного грамма на литр и более, газосодержание может превышать 50 % (по объему).

При проектировании лопастных машин, работающих на многокомпонентных смесях, необходимо учитывать особенности протекания их по каналам проточной части. Нужно учитывать то, что траектория движения частиц каждого компонента может, отличается от траектории движения частиц других компонентов, что может привести к их разделению с последующим образованием газовых каверн и к повышенному, неравномерному абразивному износу в различных частях проточной части, например, там где, вследствие образования застойных зон, будет скапливаться песок.

При проектировании лопастных машин, работающих на многокомпонентных смесях, необходимо учитывать особенности протекания их по каналам

проточной части с целью избежания сепарации (разделения) компонентов или наоборот интенсификации этого процесса. В результате это позволит значительно увеличить надежность и долговечность их работы.

Результаты работы могут найти применение во многих отраслях промышленности, там, где лопастные машины работают не на однородных средах, а на многокомпонентных смесях, например, в пищевой и химической промышленности.

В задачу исследований, изложенных в настоящей работе, входили:

• Разработка методики расчета скоростей жидкой и газовой фаз, уточнение зависимостей для определения площадей их проходного сечения, выполнение расчетов скоростей при течении ГЖС в диффузорном и конфузорном каналах, а также в цилиндрическом шнеке.

• Расчет, проектирование, изготовление и исследование малорасходных ступеней с широкими каналами, закрытыми и открытыми рабочими колесами погружных ЭЦН для разработки нефтяных месторождений с большим содержанием газа.

• Проектирование ряда унифицированных высокоэффективных ступе-

ни3

ней на расходы от 10 до 80-, отличающихся лишь формой и количеством

сут

лопастей в проточной части рабочих колес и направляющих аппаратов одинаковой высоты, с использованием в ряде случаев одинаковых рабочих колес.

• Расчет, проектирование, изготовление и исследование новых высокоэффективных конструкций газосепараторов для защиты погружных ЭЦН от вредного влияния свободного газа.

Научная новизна и практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

• Разработана методика расчета скоростей жидкой и газовой фаз, уточнена зависимость для определения площадей их проходного сечения, выполнены расчеты скоростей при течении ГЖС в диффузорном и конфузорном каналах, а также в цилиндрическом шнеке.

• Рассчитано, спроектировано, изготовлено и исследовано более двадцати малорасходных ступеней с широкими каналами, закрытыми и открытыми рабочими колесами погружных ЭЦН для разработки нефтяных месторождений с большим содержанием газа.

• Спроектирован ряд унифицированных высокоэффективных ступеней

мъ

на расходы от 10 до 80-, отличающихся лишь формой и количеством лопа-

сут

стей в проточной части рабочих колес и направляющих аппаратов одинаковой высоты, с использованием в ряде случаев одинаковых рабочих колес.

• Рассчитано, спроектировано, изготовлено и исследовано несколько новых высокоэффективных конструкций газосепараторов для защиты погружных ЭЦН от вредного влияния свободного газа.

Научная достоверность и обоснованность полученных результатов определяется тем, что:

• В качестве исходных данных использовались результаты обработки достаточно большой статистики по погружным лопастным машинам, работающим на многокомпонентных смесях.

• При обработке статистики и при создании методики проектирования использовались известные законы гидродинамики - уравнения движения в форме Эйлера, уравнения неразрывности и состояния идеального газа.

• Основные теоретические положения и выводы проверены на экспериментальных стендах.

• При экспериментальных измерениях использовались апробированные методы и приборы, обеспечивающие высокую точность измерений и результатов испытаний.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

• НТС кафедры «Гидравлика и гидромашины» МЭИ, 1999г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, включая 4 статьи в центральных журналах и семь патентов Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Изложена на 199 страницах, включающих 160 страниц машинописного текста, 39 страницы рисунков, список литературы включает 195 наименований.

Глава 1.ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛОПАСТНЫХ МАШИН.

Основной задачей гидродинамических расчетов является создание высокоэффективной проточной части, обеспечивающей требуемые параметры и показатели качества лопастных гидромашин. Степень совершенства геометрии проточной части определяется характером течения потока в межлопастных каналах на всем протяжении от входа до выхода. Высокие энергетические показатели непосредственно связаны с распределением скоростей и давлений в элементах проточной части. Для теоретического изучения рабочего процесса и для проектирования элементов проточной части с высокими эксплуатационными показателями, используются методы гидродинамического расчета, описывающие течение жидкости в гидромашине.

Реальное течение жидкости в проточных частях гидромашин является трехмерным, турбулентным, нестационарным. В теории гидромашин рассматриваются упрощенные модели течения, позволяющие получать приближенное решение задачи.

При проектировании лопастных машин, работающих на многокомпонентных смесях, необходимо учитывать, особенности протекания их по каналам проточной части, учитывать то, что траектория движения частиц каждого компонента может существенно отличаться от траектории движения частиц других компонентов.

1.1.Общая характеристика развития гидродинамики лопастных машин.

При проектировании лопастных машин, по крайней мере, на начальном этапе, обычно используются эмпирические зависимости, являющиеся результатом обработки большого объема экспериментальных данных.

Существует достаточно большое количество методик расчета ступеней наземных центробежных насосов с радиальными направляющими аппаратами.

Для центробежных ступеней погружных насосов с осевыми направляющими аппаратами наиболее известна методика расчета, разработанная Богдановым [12] который отметил, что расчет ступеней для погружных насосов имеет свои особенности и отличается от известных методик расчета наземных насосов. Также как и М.Д. Айзенштейн [2], Богданов указывает, что любой линейный размер рабочего колеса можно выразить отношением:

d2 d2 d2

и так далее. Учитывая, что D2 = Кт , где п - скорость вращения вала

п

насоса, линейные размеры меридионального сечения рабочих колес выражают-

п ^ 4н. , 4н , 7 4н

ся соотношениями: D1 = Кт-;b2 = kb2-= kbx-и так далее.

п п п

По данному методу расчета коэффициенты KD2,KD1,Kb2,Kbi являются практически постоянными величинами для каждой данной удельной быстроходности и могут быть представлены в виде кривых в зависимости от удельной быстроходности насоса. Эти коэффициенты устанавливают рациональные формы колес и лопаток для различной удельной быстроходности.

Н.Е. Гринштейн предложила использовать этот принцип для предварительного расчета открытых рабочих колес центробежных насосов для эксплуатации нефтяных месторождений [37].

В ряде работ [2, 45, 113] и других, в основных зависимостях для нахождения соотношения размеров и некоторых характеристик насосов в качестве определяющего параметра используется коэффициент быстроходности ns. Например, в результате исследований проведенных в ВНИИГИДРОМАШ на основании проведенных обобщений предлагается расчет D2

и Ь2 на стадии предварительного проектирования рабочих колес насосов низкой быстроходности (ns< 60) проводить по формулам:

uooJ v n

b2=0,8 ЫУ'М

\iooJ v n

Но данный подход, основанный на эмпирических формулах, полученных в результате обработки большого числа экспериментальных данных, не отражает физическую сущность явления и нуждается в постоянной корректировке.

Коэффициент быстроходности не может однозначно определять соотношения размеров и другие характеристики насосов. Если насосы геометрически подобны, то значения ns у них одинаковы. Однако одинаковые значения ns могут быть у существенно отличающихся машин. Например, насосы могут отли-

d-, ~ „ чаться отношениями диаметров — и углами наклона лопастей ß2n, но таким

dï

образом, что ns у них будут одинаковыми.

Анализ малорасходных ступеней погружных ЭЦН, изготовленных как в нашей стране, так и за рубежом показал, что в большинстве случаев отсутствует четкая система их проектирования. Поэтому существует реальная возможность существенного улучшения характеристик ЭЦН, снижения их себестоимости с одновременным улучшением их надежности и конкурентно способности.

Интерес к центробежным насосам с низким коэффициентом быстроходности существует во многих отраслях промышленности, в результате появился ряд работ на эту тему, например [21, 59, 77, 153] и другие.

Следует отметить, что все они носят характер предварительного расчета и уточняются при дальнейшем проектировании проточной части.

Необходимо отметить работы [18] на основе которых удалось заметно улучшить характеристики ступеней погружных ЭЦН на средние и большие расходы. Ряд рекомендаций актуален и для проектирования малорасходных ступеней, но в целом принципы проектирования отличаются.

Среди зарубежных работ, посвященных расчету проточных частей лопастных гидромашин необходимо отметить [1,47,100,146, 170, 173, 180, 185, 187, 194, 195] и др.

В нашей стране наиболее известны работы Степанова Г.Ю. [154], Этин-берга И.Э., Раухмана Б.С., Топажа Г.Н., Оганесяна И.Л. и др. [23, 128, 139, 146, 147, 156, 172, 173].

Большое развитие в решении задач гидродинамики нашел метод конечных элементов, который ранее нашел широкое применение при решении задач строительной механики и прочности материалов [15, 36, 65, 178, 182].

Необходимо отметить работы Викторова Г.В. и Моргунова Г.М. [22-26, 114-121], которые внесли большой вклад в дело развития методов расчета проточных частей лопастных гидромашин.

1.2.3адачи оптимизации проектирования проточных частей лопастных гидромашин.

При проектировании элементов проточной части гидромашины необходимо решать задачи оптимизации. К основным требованиям, которые необходимо учитывать при разработке элементов гидромашин и оптимизации ее показателей, относятся:

•- обеспечение заданных параметров расчетного режима, то есть при заданном расходе необходимо обеспечить требуемый напор; •- обеспечение массогабаритных показателей; •- обеспечение определенного вида напорной характеристики; •-получение высоких энергетических показателей гидромашин, высокого КПД;

•- получение для заданных услов�