ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В связи с сокращением ресурсов поверхностных вод, использование подземных вод для различных целей значительно увеличивается, поэтому создание высоконапорной и высокопроизводительной техники для откачки жидкости из скважин имеет большое народнохозяйственное значение. Необходимость в такой технике для водоотлива шахт испытывает горнодобывающая промышленность.

Проведенный анализ показывает, что одним из наиболее интересных и перспективных подъемников жидкости являются погружные гидропоршневые насосы с гидродвигателями с клапанным распределением силовой жидкости.

При выполнении работы усовершенствована конструкция гидродвигателя погружного насоса для откачки зашламленной жидкости, поскольку часто клапана гидродвигателя зависают, забиваясь шламом. Приходится извлекать насос на поверхность и разбирать.

При выполнении научной работы подобрана методика расчета рабочих параметров усовершенствованного гидронасоса. Выбраны конструктивные и рассчитаны рабочие параметры гидронасоса.

Выполненные расчеты гидродвигателя диаметром 89мм подтверждают работоспособность конструкции насосного агрегата при откачке зашламленной жидкости с глубины до 1000 м при использовании обычных наземных приводных насосов типа НБ, входящих в комплект буровой установки для бурения на твердые полезные ископаемые.

Разработана технология проведения откачки жидкости погружным гидронасосом.

1. Актуальность темы

В связи с сокращением ресурсов поверхностных вод, использование подземных вод для различных целей значительно увеличивается. Поэтому создание высоконапорной и высокопроизводительной техники для откачки жидкости из скважин имеет большое народнохозяйственное значение. Необходимость в такой технике для водоотлива шахт испытывает горнодобывающая промышленность.

В настоящее время у нас в стране и за рубежом используется много разнообразных технических средств для искусственного подъема жидкости, разработанных для различных условий эксплуатации, отличающихся конструктивно и по принципу действия. Их анализ показывает, что одним из наиболее интересных и перспективных подъемников жидкости являются погружные гидропоршневые насосы.

Погружной насос с гидроприводом представляет собой механизм объемного типа, особенность которого состоит в том, что одно и то же количество жидкости с одной и той же глубины может быть откачано при разных расходах и соответственно давлениях рабочей жидкости. И наоборот, при определенных параметрах силового насоса можно откачать разный объем жидкости с разной глубины. Это достигается выбором соответствующего соотношения площадей поршней насоса и двигателя.

Гидропоршневые насосы отличаются друг от друга по:
– типу силового гидроцилиндра и насосной части;
– типу распределительного механизма двигателя;
– распределению нагрузки при ходе поршней вверх и вниз;
– способу доставки в скважину и по отводу отработавшей жидкости из скважины и т.д.

При откачке сильно зашламованных жидкостей известными гидропоршневыми насосными агрегатами с клапанным гидродвигателем происходит заклинивание клапанной группы шламом, что вынуждает часто извлекать насос на поверхность для его разборки и очистки.

В этой связи, усовершенствование конструкции гидродвигателя погружного насоса для откачки зашламленной жидкости из буровых скважин диаметром более 59мм глубиной до 1000м, является актуальной научной задачей.

2. Цель и задачи работы

Цель работы – усовершенствование конструкции гидродвигателя погружного гидронасоса для проведения откачек сильно зашламленной жидкости из буровых скважин диаметром более 59мм глубиной до 1000м.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

  1. Анализ существующих конструкций погружных насосов с гидродвигателями с клапанным и золотниковым распределением силовой жидкости.
  2. Усовершенствование методики расчета погружного гидронасоса с клапанным гидродвигателем и определение его рабочих параметров.
  3. Усовершенствование конструкции погружного гидронасоса с клапанным гидродвигателем
  4. Разработка технологии использования усовершенствованной конструкции гидронасоса с с клапанным гидродвигателем при проведении откачек жидкости из скважины.

Методы исследования: поставленные задачи решаются путем обобщения и анализа патентных и литературных источников, проведения теоретических исследований, выполнения исследовательско-конструкторских работ.

Научная новизна: Уточнена методика расчета погружного гидронасоса с клапанным гидродвигателем, позволяющая изучить закономерности работы усовершенствованного устройства с возможностью выбора эффективного сочетания конструктивных размеров механизма и параметров гидросистемы: гидронасос-скважина.

Научное значение работы: заключается в возможности использования полученной теоретической модели и применение добытых знаний в буровой отрасли.

Практическое значение работы: выражается в создании эффективной конструкции гидронасоса с клапанным гидродвигателем за счет возможности устранения заклинивания клапанов гидродвигателя частицами твердой фазы при откачке сильно зашламленной жидкости.

3. Аналитический обзор конструкций погружных насосов

Погружные гидропоршневые насосные агрегаты в настоящее время применяются в мировой практике для откачки жидких полезных ископаемых (нефти, воды), для проведения гидрогеологических исследований в скважинах, для создания местной промывки при бурении в зонах поглощения бурового раствора.

Поскольку гидропоршневые насосные агрегаты являются устройствами объемного гидропривода, то передача энергии к погружным насосным агрегатам от наземных насосов осуществляется непрерывно движущимся потоком рабочей жидкости, несущей кинетическую энергию. Поэтому особенностью таких агрегатов является их способность передавать большое количество энергии с потоком жидкости, имеющим сравнительно небольшой расход, но высокое давление. Эта особенность позволяет создавать мощные агрегаты небольших габаритов для скважин малых диаметров.

Целесообразно подчеркнуть, что гибкость систем с гидроприводом позволяет легко изменять свои параметры в соответствии с изменяющими-ся во времени параметрами эксплуатационной системы, что важно в частности при эксплуатации высокодебитных скважин, поскольку это позволяет точно соблюдать оптимальные технологические режимы эксплуатации скважин, которые изменяются на протяжении всего периода их жизни. Эта особенность погружных гидроприводных насосных агрегатов создает экономическим эффект от сокращения капитальных затрат на неоднократное переоборудование скважин, которое приходится производить по мере увеличения дебитов обводняющихся скважин эксплуатируемых, например, установками глубинных штанговых насосов[1].

Поскольку целью работы является усовершенствование гидропоршне-вых насосов для работы в зашламленной среде, то наше внимание в большей степени обращено на механизмы с клапанным распределением рабочей жидкости, поскольку клапаны могут самоуплотняться по мере износа их рабочей поверхности. В меньшей мере проанализированы золотниковые и клапанно-золотниковые механизмы.

3.1 Аналитический обзор существующих конструкций погружных бесштанговых гидроприводных насосов с золотниковым распределением жидкости

Известен гидронасос, разработанный кафедрой техники разведки МПИ Екатеринбургского горного института, в котором установлен двигатель с клапанно-золотниковым распределением рабочей жидкости (рис. 1).

Погружной поршневой насос с клапанно-золотниковым гидродвигателем.

Рисунок 1 – Погружной поршневой насос с клапанно-золотниковым гидродвигателем.
1 – головка верхняя; 2 – крышка; 3 – пружина; 4 – корпус ограничителя; 5 - ограничитель подвижный; 6 – цилиндр гидродвигателя;
7 – корпус; 8 – поршень гидродвигателя; 9 – золотник; 10 – окно; 11 – канал в штоке; 12 – клапан нагнетательный;
13 – поршень насоса; 14 – клапан приемный.

Рабочая жидкость, нагнетаемая с поверхности силовым насосом по водонапорным трубам, имеет постоянный доступ в нижнюю полость цилиндра 6 через кольцевой зазор между корпусом 7 и цилиндром через окна 10.

Если при этом золотник 9 находится в верхнем положении, то поршень 8 благодаря давлению рабочей жидкости на его нижнюю поверхность начнет перемещаться вверх, поскольку верхняя полость цилиндра 6 в этом случае соединена со скважиной через выхлопные окна и канал 11 в штоке.

Когда поршень достигает верхнего положения, золотник 9 своим торцом упрется в ограничитель 5, переместит его вверх и сожмет пружину 3. При дальнейшем подъеме поршня золотник сместится в нейтральное положение, характеризующееся одновременным перекрытием выхлопных окон[2].

Благодаря этому давление в верхней полости цилиндра 6 резко возрастет. За счет совокупного действия на золотник давления жидкости со стороны верхней полости цилиндра 6 и пружины 3 он пройдет мертвое положение, откроет впускные окна и закроет выхлопные окна. Рабочая жидкость получит доступ в верхнюю полость цилиндра 6 и дополнительно переместит золотник 9 в крайнее нижнее положение. При этом впускные окна полностью откроются, а выхлопные закроются[3].

Под давление рабочей жидкости на верхнюю полость поршня 8 вся система подвижных деталей переместится вниз.

В нижнем положении поршня выступ золотника 9 упрется в ограничитель. Золотник остановится и при дальнейшем движении поршня переместится в нейтральное положение, а затем благодаря давлению жидкости со стороны нижней полости цилиндра пройдет его и займет верхнее положение. Верхняя полость цилиндра 6 соединится с атмосферой.

Начнется очередной ход поршня 9 вверх. При этом отработавшая жидкость из верхней полости цилиндра будет вытеснена через выхлопные окна и канал 11 в верхнюю полость над поршнем 13 насоса, где она смешается с откачиваемой из скважины жидкостью.

Таким образом, поршень гидродвигателя 9 и связанный с ним поршень насоса 13 будут совершать возвратно-поступательное движение.

При движении поршня 13 вверх произойдет всас жидкости из скважины в нижнюю полость цилиндра через клапан 14 и нагнетание смешанной рабочей и откачиваемой жидкости из верхней полости цилиндра насоса в водоподъемные трубы. При движении поршня 13 вниз он вытеснит жидкость из нижней полости цилиндра насоса через клапан 12 и его верхнюю полость и частично (в объеме штока) в подъемные трубы[4].

Известен погружной гидронасос Г. И. Неудачина и В. И. Пилипца (рис. 2), который имеет клапанно-золотниковое распределение рабочей жидкости и систему уплотнений сальников и поршней, способных работать в зашламленной абразивной среде.

Клапанно-золотниковый узел распределения рабочей жидкости расположен в верхней крышке цилиндра гидродвигателя 5 и переключается поршнем 4 в крайних его положениях.

Особенностью конструкции является наличие специального устройства 1, позволяющего в случае непредвиденной остановки клапанов гидродвигателя в промежуточном положении переставлять их в крайнее положение без подъема погружного агрегата на поверхности.

Подача насоса, при диаметре цилиндра 150 мм, составляет 15 м3/ч, напор до 800 м.

Гидронасос с клапанно-золотниковым распределение жидкости.

Рисунок 2 – Гидронасос с клапанно-золотниковым распределение жидкости.
1 – устройство аварийной перестановки клапанов; 2 – впускной клапан гидродвигателя; 3 – золотник; 4 – поршень гидродвигателя;
5 – цилиндр гидродвигателя; 6 – поршень насоса; 7 – цилиндр насоса; 8,9 – всасывающий и нагнетательный клапана насоса; 10 – тяга.

Недостатком золотниковых и клапанно-золотниковых механизмов является возможность откачки в основном смазывающих жидкостей, например нефти. При откачке зашламленной воды, обладающей абразивным эффектом моторесурс таких погружных гидродвигателей незначателен.

3.2 Аналитический обзор существующих конструкций погружных бесштанговых гидроприводных насосов с клапанным распределением

Известен реверсивный гидроцилиндр Г. И. Неудачина для привода погружных поршневых насосов дифференциального действия (рис. 3) состоит из двух клапанов, седла которых выполнены в крышке цилиндра, снабженной отверстиями для рабочей жидкости, толкателя, взаимодействующий с распределительными клапанами. Переключение клапанов осуществляется поршнем.

Недостатком конструкции является отсутствие защиты выпускного клапана от действия скоростного напора жидкости и возможность работы только в строго вертикальных скважинах, так как выпускной клапан не имеет центрировки в радиальном направлении и двигается вместе с поршнем.

Реверсивный гидроцилиндр.

Рисунок 3 – Реверсивный гидроцилиндр.
1 – пружина; 2 – клапан впускной; 3 – толкатель; 4 – клапан выпускной; 5 – поршень гидродвигателя; 6 – цилиндр гидродвигателя;
7 – тяга; 8 – клапан всасывающий; 9 – поршень насоса; 10 – клапан нагнетательный.

Известна гидропоршневая насосная установка Г. И. Неудачина и В. И. Пилипца (рис. 4). Она имеет клапанное распределение рабочей жидкости и насос двойного действия.

При подаче рабочей жидкости в скважинный гидропоршневой насос-ный агрегат, она заполнит корпус и пройдет в нижнюю полость цилиндра двигателя, вызывая подъем жестко связанных между собой полым штоком поршней и соответственно насоса и гидродвигателя совместно с уравнове-шивающим штоком[5].

Гидропоршневая насосная установка.

Рисунок 4 – Гидропоршневая насосная установка.
1 - корпус; 2 - ограничитель; 3 - поршень двигателя; 4 - клапан; 5 - поршень насоса; 6 - уравновешивающий шток; 7 - насос; 8 - клапан;
9 - нагнетательный канал; 10 - толкатель; 11 - выпускной клапан; 12 - гидродвигатель; 13 - цилиндр; 14 - шток; 15 - окно;
16 - надпоршневая полость; 17 - подпоршневая полость; 18 - верхний клапан; 19 - нижний клапан.

Использование такого устройства позволяет повысить давление в на-гнетательном канале насоса, что позволяет создавать интенсивную промывку с целью продавливания шламовых пробок. Гидродвигатель может работать в среде с небольшим количеством твердой фазы.

4.Обоснование направления работы и выбора конструкции погружного бесштангового гидроприводного насоса

В результате проведенного анализа установлено, что известные гидродвигатели с золотниковым распределением могут работать только в смазывающей среде, а устройства с клапанным распределением рабочей жидкости могут работать только в слегка зашламленной жидкости. Однако при заклинивании хотя бы одного из клапанов приходится извлекать весь погружной агрегат на поверхность для разборки и очистки клапанной группы гидродвигателя.

Поэтому предлагается усовершенствованный гидродвигатель (рис. 5), способный работать в сильно зашламленной жидкости.

Погружной гидронасос.

Рисунок 5 – Погружной гидронасос.
1 – верхний переходник; 2 – подвижный переходник; 3 – впускной клапан; 4 – толкатель; 5 - ограничительный клапан; 6 – поршень гидродвигателя; 7 – ограничитель; 8 - нагнетательный клапан; 9 – манжета; 10 – хвостовик; 11 – клапан всасывающий;
12 – поршень насоса; 13 – тяга; 14 – шток; 15 – цилиндр гидродвигателя; 16 – выпускной клапан; 17 – выступ; 18 – уплотнение.

Гидродвигатель данной конструкции имеет двухклапанное распределение рабочей жидкости, обладающее способностью к самоуплотнению по мере износа рабочих поверхностей. Кроме того в агрегате применяется система мягких резиновых уплотнений у сальников и поршней, способных работать в абразивной среде. Поэтому в качестве рабочей жидкости может применяться откачиваемая жидкость, вода или глинистый раствор[6].

Верхний переходник усовершенствованного гидродвигателя выполнен подвижным и в случае заклинивания впускного клапана шламом верхний переходник опускается, его выступ попадает в проточку клапана и клапан с вращением опускается на свое седло. Гидродвигатель снова включается в работу[7].

На рис. 6 приведена схема установки погружного насоса в скважине.

Схема установки погружного насоса в скважине.

Рисунок 6 – Схема установки погружного насоса в скважине.

Заключение

В результате проведенного анализа существующих конструкций водоподъемной техники для исследований выбран погружной поршневой насос с гидродвигателем имеющем двухклапанное распределение рабочей жидкости.

С целью устранения заклинивания клапанов гидродвигателя частицами твердой фазы при откачке сильно зашламленной жидкости в предлагаемой конструкции на клапане выполнены две проточки. Верхний переходник выполнен подвижным и на нем есть два выступа. При заклинивании шламом одного из клапанов, выключают наземный насос, опускают колонну труб, дается вращение, выступы попадают в проточку клапана и шлам растирается, а клапан опускается в седло.

Таким образом, разработанная конструкция имеет значительное пре-имущество – верхний переходник выполнен подвижным и заклинивание клапанов можно устранить не извлекая агрегат на поверхность.

При выполнении научной работы подобрана методика расчета рабочих параметров усовершенствованного гидронасоса.

Выбраны конструктивные и рассчитаны рабочие параметры гидронасоса.

Разработана технология проведения откачки жидкости погружным гидронасосом.

Выполненные расчеты гидродвигателя диаметром 89мм подтверждают работоспособность конструкции насосного агрегата при откачке зашламленной жидкости с глубины до 1000 м при использовании обычных наземных приводных насосов типа НБ, входящих в комплект буровой установки для бурения на твердые полезные ископаемые.

Список источников

  1. Пилипец.В.И. Насосы для подъема жидкости. – Донецк: РИА, 2000. – 244 с.
  2. Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти.– М.Недра, 1968
  3. Неудачин. Г. И., Пилипец. В. И. Разработка гидрокачалки для привода штанговых насосов – М.: ЦНИИЭИУголь, №12, 1976.
  4. Неудачин. Г. И.., Пилипец. В. И Погружной пневматический насос.– М.: ЦНИИЭИУголь, №27, 1976
  5. Пилипец В.И. Применение погружных насосов с гидроприводом для откачки жидкости из буровых скважин. – Свердловск: СПИ. В кн.: Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. 1981.
  6. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. – М.: Недра, 1978.
  7. Неудачин Г.И., Коломоец А. В., Калиниченко О. И., Пилипец В. И. Проектирование и расчет забойных буровых механизмов и погружных насосов. Учебное пособие. – Донецк: ДМТ, 1977.