Стрекалов А.В. Математические модели гидравлических систем для управления системами поддержания пластового давления

Подождите немного. Документ загружается.

121

подвижных деталей, что делает их практически незаменимыми в ТГС с

загрязненной текучей средой. Установки непрерывного газлифта по-

лучили ограниченное распространение в нефтедобывающей промыш-

ленности. Хотя их не принято относить к насосам, однако, они одно-

значно относятся к АСГ

с активным элементом, представленным га-

зом (текучей средой).

АСГ

СФ

просты и надежны, однако, имеют наиболее низкий коэф-

фициент полезного действия, не превышающий 25%. В связи с этим и

необходимостью достаточных запасов газа в сочетании с эксплуатаци-

ей компрессоров и строительства дополнительных трубопроводов их

применение ограничено.

АСГ

ВФ

лишены этого недостатка, как и большинство АСГ

они

имеют высокий к.п.д. – более 70%. Вообще в конструкциях АСГ вы-

теснения сложно использовать текучую среду в качестве активного

элемента, т.е. вытеснителя. Пожалуй, единственным АСГ с простей-

шей конструкцией может считаться насос Монжю. Его конструкция

совмещает два элемента ТГС: накопитель текучей среды (цистерна) и

АСГ, причем НТС («по совместительству»)

также является пассивным

элементом АСГ, а активным элементом является газ, подаваемый в

9 10

Рис. 3.17. Принципиальная схема АСГ

ВФРК

с текучим активным эле-

ментом: 1 – выкидная часть с выкидным клапаном; 2 – буферная жид-

кость (активный элемент); 3 – приемная часть с всасывающим клапа-

ном; 4 – приемная емкость; 5 – приемная емкость силового насоса; 6 –

рабочая жидкость; 7 – выпускные регулирующие клапаны; 8 – впуск-

ные

ег

ли

ру

ющие клапаны; 9 – к

лачки; 10 – вал; 11 – п

ру

жины

122

верхнюю часть емкости. Если не учитывать к.п.д. источника гидравли-

ческой энергии насос Монжю имеет высокий (близкий к 90%) к.п.д.,

однако, может использоваться только для однократного опустошения

резервуаров, колодцев и других ГНТС. Похожими на насос Монжю в

нефтедобывающей промышленности при периодической эксплуатации

используются газлифтные установки, которые также относятся к

АСГ

ВФ

(см. рис. 3.16 – б). Общий к.п.д. таких установок невысок

вследствие потерь энергии на сжатие/расширение газа.

Более сложной конструкцией является буровой насос Стрекалова

В.Е., имеющий в качестве активного элемента дизельное топливо – 2

или другую жидкость (рис. 3.17). Активный элемент совершает воз-

вратно-поступательное движение, приводящее к периодическому от-

крытию впускного – 3 и вы

пускного – 1 клапанов и прокачке жидкости

– 4. Разность в физических свойствах (например, плотности) перекачи-

ваемой текучей среды – 4 и активного элемента – 2 не допускает их

смешивания при частоте колебаний активного элемента не более 20

двойных ходов в минуту. Жидкость активного элемента приводится в

движение рабочей жидкостью – 5 (например, водой), к

оторая, в свою

очередь, получает энергию от силового насоса скоростного действия

(например, центробежного), а колебания задаются распределительным

механизмом – элементами 7, 8, 9, 10, 11.

Насос Стрекалова В.Е. предназначен для использования в гидро-

системе буровой установки. Благодаря применению текучего активно-

го элемента, препятствующего абразивному разрушению рабочих по-

верхностей силового насоса и ре

гулирующих клапанов, и возможности

плавного регулирования подачи с помощью силового насоса с мягкой

рабочей характеристикой данный АСГ является весьма полезным тех-

ническим решением для бурения скважин.

На третьем каскаде критерии деления АСГ

, АСГ

СФ

АСГ

СЭ

АСГ

СТ

различны.

Для АСГ

СФ

, к коим относятся инжекторы, эжекторы и наиболее

распространенные газлифтные установки и т.п., важным разделяющим

критерием является уточнение агрегатного состояния активного эле-

мента и далее перекачиваемой текучей среды. Так как в гидросистемах

к рабочим средам, в основном, относятся газ и жидкость, критерием

разделения будет состояние активного элемента – газ или жидкость.

АСГ

СФ

с газообразным активным элементом относятся к подклассу

АСГ

СФИ

(инжекторы), а с жидкостным – к подклассу АСГ

СФЭ

(эжекто-

ры). Далее разделение АСГ

СФИ

и АСГ

СФЭ

идет по агрегатному состоя-

нию перекачиваемой текучей среды: виды АСГ

СФИЖ

и АСГ

СФИГ

, а

123

также виды АСГ

СФЭЖ

и АСГ

СФЭГ

. Так, к АСГ

СФИЖ

относятся обычные

газлифтные установки, так как в качестве активного элемента исполь-

зуется газ, а в качестве перекачиваемой текучей среды – жидкость. К

АСГ

СФЭЖ

относятся упоминающиеся ранее струйные насосы.

АСГ

СЭ

делятся на агрегаты для перекачки плазм и расплавленных

металлов.

Критерием следующего каскада деления АСГ

СТ

является характер

движения частиц текучей среды относительно тела активного элемента

в процессе энергетического воздействия в объеме пассивного элемен-

та. По этому критерию все АСГ

СТ

подразделяются на подклассы:

− осевые АСГ

СТО

с движением частиц текучей среды параллельно

оси вращения активного элемента;

− радиальные АСГ

СТР

с движением частиц от центра активного

элемента к периферии;

− со сложным движением АСГ

СТС

Основными представителями АСГ

СТО

являются осевые и пропел-

лерные насосы и компрессоры.

Наиболее показательными и практически единственными предста-

вителями АСГ

СТР

являются центробежные насосы. Модуль центро-

бежного насоса состоит из пассивного элемента – корпуса и активного

элемента – рабочего колеса. В процессе работы насоса жидкость под

действием центробежной силы отбрасывается от центра рабочего ко-

леса к периферии, накапливая кинетическую энергию, большая часть

которой трансформируется в потенциальную энергию давления при

расширении потока в направляющем аппарате (част

и корпуса) и далее

в следующей секции (модуле) насоса цикл повторяется. Мультимо-

дульные АСГ

СТР

получили широкое распространение в нефтяной про-

мышленности для отбора нефти в виде электроцентробежных погруж-

ных установок (ЭЦНУ) и в системах ППД в виде секционных центро-

бежных насосов (ЦНС) на кустовых насосных станциях. В данной ра-

боте этот объект АСГ, наиболее интересен для моделирования гидро-

систем ППД, и в четвертой главе он бу

дет рассмотрен более подробно.

АСГ

СТС

со сложным движением текучей среды представлены в ос-

новном вихревыми и диагональными насосами.

Преимущество вихревых насосов перед центробежными состоит в

возможности создания большего давления при тех же габаритных раз-

мерах (примерно в 2–5 раз). Однако из-за низкого к.п.д. (не более 45%)

эти насосы используются в системах с низкими расходами, и в си

сте-

мах ППД распространения не получили.

124

Рис. 3.18. Поршневой шла-

мовый насос

В отличие от АСГ

где приемная и выкидная часть имеют гидрав-

лическую связь, АСГ

могут иметь конструкцию, предусматриваю-

щую гидравлическую связь или без нее. Таким образом, АСГ

разде-

ляются на АСГ с разобщающимися (подклассы АСГ

ВТР

, АСГ

ВФР

) и не-

разобщающимися (подклассы АСГ

ВТН

, АСГ

ВФН

) приемом и выкидом.

Так, рассмотренный насос Монжю относится к АСГ

ВФН

с неразоб-

щающимся приемом и выкидом, а насос

Стрекалова В.Е. – к АСГ

ВФР

с разобща-

ющимися приемом и выкидом.

На рис. 3.18 показан шламовый насос,

относящийся к АСГ

ВТН

. Активным эле-

ментом здесь является поршень,

движущийся возвратно-поступательно в

корпусе, сформированном так, что на

приемном и выкидном патрубках

устанавливаются сопротивления, неод-

нозначно влияющие на поток текучей

среды в прямом и обратном направлениях. При движении поршня вле-

во жидкость из приемного и выкидного патрубков поступает в пассив-

ный элемент. Причем, из пр

иемного патрубка объем поступающей

жидкости больше, чем из выкидного за счет разности в гидравличе-

ских сопротивлениях. Аналогично этому, при обратном ходе поршня

(вправо) объем жидкости, вытесняемой через выкидной патрубок,

больше, чем через приемный. Насос такого типа имеет низкий к.п.д.,

однако, удобен в гидросистемах с сильно загрязненными жидкостями,

где ак

тивный элемент АСГ

быстро изнашивается, а применение кла-

панов невозможно из-за их неплотной посадки (в сильно загрязненной

среде).

В отличие от АСГ

насосы вытеснения часто имеют устройство,

осложненное введением дополнительного элемента – клапанного ме-

ханизма, необходимого для периодического отсечения гидравличе-

ской связи между приемной и выкидной частями. Простейший кла-

панный механизм в модуле АСГ

обычно представлен парой: впуск-

ным и выпускным самодействующими или управляемыми клапанами.

Исходя из присутствия или отсутствия клапанного механизма, под-

классы АСГ

ВФР

и АСГ

ВТР

разделяются на клапанные: АСГ

ВФРК

, АСГ

ВТРК

и бесклапанные виды: АСГ

ВФРБ

, АСГ

ВТРБ

К бесклапанному виду АСГ вытеснения в основном относятся так

называемые ротационные насосы. На рис. 3.19 показана общая схема

представителей этого вида АСГ.

125

Рис. 3.19. Основная схема ротаци-

онных бесклапанных насосов вы-

теснения

Все разнообразие конструкций ротационных насосов можно свести

к одной общей схеме. В цилиндрическом пассивном элементе (корпу-

се) – 1 вращается ротор – 2 с помещенной в нем лопаткой-

вытеснителем – 3. Замыкатель –

4, тем или иным образом

убирающийся при прохождении

лопатки, делит кольцевую камеру

на всасывающую и нагнета-

тельную части.

Насосы такого типа ис-

по

льзуются для перекачки сма-

зывающих жидкостей, а также в

качестве гидродвигателей, осу-

ществляя функции как АСГ, так и

АПГ. К.п.д. таких насосов со-

ставляет 70–90%.

В зависимости от специфики

конструкции конкретных пред-

ставителей их область приме-

нения может быть существенно расширена.

Шестеренные насосы (АСГ

ВТРБ

) просты по конструкции, ком-

пактны и надежны. Они приспособлены для перекачки чистых вязких

жидкостей и часто используются как масляные насосы в двигателях

внутреннего сгорания и химической промышленности для перекачки

активных жидкостей. Как и большинство АСГ

вытеснения, они име-

ют жесткую рабочую характеристику, поэтому могут регулироваться

перепуском через байпас и изменением частоты вращения вала. Как и

все бесклапанные АСГ с разобщающимся приемом и выкидом, шесте-

ренные насосы выгодно отличаются от клапанных (поршневых, плун-

жерных, диафрагменных и т.п.) равномерностью подачи.

Винтовые насосы (АСГ

ВТРБ

) имеют все положительные признаки

шестеренных, однако, отличаются от них возможностью работы на

загрязненных и несмазывающих жидкостях. Винтовые насосы нашли

применение в качестве погружных механизированных установок до-

бывающих скважин в нефтяной промышленности. Их также исполь-

зуют в качестве АПГ при турбинном бурении.

В настоящее время винтовые насосы не нашли применение в ги

д-

росистемах ППД. Однако, исходя из того, что первыми в качестве АСГ

в системах ППД стали успешно применяться именно насосы вытесне-

ния (буровые поршневые насосы), то следует отметить, что по экс-

126

плуатационным показателям (к.п.д., давлению и подаче) эти насосы

могли бы найти здесь свое применение.

Интересным представителем АСГ

ВТРБ

является самовсасывающий

водокольцевой насос. Рассмотрим кратко принцип его работы. В кор-

пусе с некоторым эксцентриситетом вращается ротор с лопатками.

Всасывающая и нагнетательная камеры соединены с корпусом окна-

ми, которые расположены на торцевой стенке корпуса. Корпус насоса

частично заполнен водой. При вращении ротора она отбрасывается

лопастями к периферии и образует замкнутое кольцо. Ст

упица колеса

касается внутренней поверхности вращения водного кольца, при этом

между активным элементом и кольцом образуется серповидное про-

странство, разделенное лопастями. Перекачиваемый газ переносится

лопатками от окна всасывания до окна нагнетания. Водное кольцо

здесь несет функцию пассивного элемента, исполняя роль текучего

уплотнителя.

К АСГ

ВТРБ

также относятся шланговые, аксиально-поршеньковые и

другие подобные им насосы и компрессоры.

К клапанному виду – АСГ

ВТРК

в основном относятся поршневые,

плунжерные, диафрагменные насосы.

Типовая гидравлическая часть модуля АСГ

ВТРК

состоит из корпуса

(пассивного элемента), поршня или плунжера (активного элемента),

впускного и выпускного самодействующих клапанов. В процессе ра-

боты активный элемент совершает возвратно-поступательное движе-

ние, при этом выпускной и впускной клапаны попеременно открыва-

ются, предоставляя возможность текучей среде входить и выходить из

пассивного элемента в соответствующем порядке. Поршневые насосы

на

шли широкое применение в нефтедобывающей, нефтегазоперераба-

тывающей и химической промышленностях. В нефтедобывающей

промышленности АСГ такого вида применяются в гидросистеме буро-

вой установки и при цементировании скважин, а для добычи нефти – в

качестве штанговых скважинных насосных установок. АСГ

ВТРК

имеют

высокий к.п.д., возможность создания высоких давлений, хорошую

всасывающую способность и относятся к категории тихоходных насо-

сов, вследствие чего они приспособлены к работе с агрессивно-

абразивными перекачиваемыми средами. В системах ППД в качестве

АСГ первыми начали применять именно поршневые насосы, которые

реже используются и в настоящее время.

127

Обратимость аппаратов по сообщению энергии

и взаимопревращение объектов технических гидросистем

Обратимость гидравлических машин, как одно из их основных

свойств, является важной с точки зрения расчета внерабочих режимов

функционирования. Обратимость АСГ влияет на характер поведения

технических гидросистем при возникновении аварийных ситуаций.

Понятие обратимости гидравлических машин можно сформулировать

так:

обратимостью АСП является способность их вы

полнять функцию

как аппаратов по сообщению гидравлической энергии текучей среде

данной ТГС, так и аппаратов для ее поглощения и преобразования. Из

этого определения явствует, что здесь речь идет о гидравлических ма-

шинах, т.е. о АСГ и АПГ. Отметим, что это определение стоит расши-

рить в отношении всех АС и АП. Ин

аче говоря, для устройств, соот-

ветствующих функциям АС и АП, определение должно звучать так:

обратимостью аппаратов по превращению энергии текучей

среды является способность их выполнять функцию как аппаратов по

сообщению энергии текучей среды данной ТГС, так и аппаратов для

поглощения энергии. Таким образом, под это определение вместе с

АСГ и АПГ та

кже попадают и АСТ и АПТ.

Аппараты для сообщения и поглощения тепловой энергии могут

быть обратимыми и необратимыми. Критерием обратимости АСТ и

АПТ является возможность инверсии преобразования энергии внеш-

ней системы в тепловую энергию потока ТГС. Различного вида котлы,

разогреваемые от какого-либо топлива, являются необратимыми, так

как пр

и отсутствии в них источника тепла поглощаемая ими тепловая

энергия текучей среды не трансформируется в сжигаемое топливо.

Если котел разогревается электрическими тэнами, то такой АСТ тоже

не является обратимым, так как при отсутствии электрического тока,

поглощаемая часть тепловой энергии текучей среды не преобразовы-

вается в электрический ток.

Если же в качестве АСТ ис

пользуются устройства с термопарой, то

такие АСТ следует считать обратимыми, так как при поглощении теп-

ловой энергии потока в термопаре возникает электрический ток. Обра-

тимым АСТ также являются нагревающие теплообменники. АСТ,

представленные различного рода теплообменниками, являются обра-

тимыми, так как предназначены для преобразования тепловой энергии

текучей среды одной гидросистемы в те

пловую энергию текучей сре-

ды другой гидросистемы. Радиаторы (АПТ), нормально функциони-

128

рующие в ТГС, при подводе к ним теплоты извне могут выступать в

качестве АСТ. Таким образом, можно сказать, что практически все

АПТ являются обратимыми, за исключением специальных устройств с

интеллектуальной системой терморегуляции.

Как видно, в отличие от АПТ существует множество АСТ, не яв-

ляющихся обратимыми аппаратами. Эти аппараты используют

электрический, эл

ектромагнитный, окислительный и или химический

принцип передачи тепловой энергии текучей среде.

Таблица 3.1. Обратимость аппаратов сообщения гидравличе-

ской энергии текучей среде

Тип Класс

Под-

класс

Вид Обратимость + или –

Р +

С +

О +

+/–

Ж +

Г +

Н –

К –

Б +

Н +

К –

Неизвестен

129

Для выявления обратимости в АСГ и АПГ сведем классифициро-

ванные АСГ в табл. 3.1. Как видно из таблицы, обратимость свойст-

венна практически всем АСГ

кинетического действия, в том числе, и

некоторым АСГ

СЭ

, где обратная передача энергии есть возникновение

переменного электромагнитного поля при движении частиц перекачи-

ваемых сред. Для АСГ

вытеснения (силового действия) обратимость

несвойственна и просматривается только в АСГ

ВФН

и АСГ

ВТРБ

к кото-

рым относятся ротационные насосы.

С точки зрения гидравлического расчета отдельных представителей

АСГ, свойство обратимости является одним из решающих факторов,

определяющих характер функции – гидравлической характеристики

(модели) внерабочих режимов. Моделирование гидросистем с учетом

возможности возникновения внерабочих режимов АСГ является обя-

зательным в наиболее универсальных моделях ТГС. В известных ранее

моделях гидросистем АС

Г с таких позиций не рассматривались.

Многообразие представителей АСГ создает некоторую сложность

при выборе конкретных объектов АСГ для установки в создаваемую

или модернизируемую ТГС.

Приведем сравнительную характеристику подклассов и видов АСГ.

В табл. 3.2 дается сравнительная характеристика объектов АСГ по ос-

новным эксплуатационным показателям.

Основные показатели оценивались по шкале: –4 – явное отсутствие

пр

изнака, +4 – явное присутствие признака.

Последний признак является наиболее существенным и решает

место установки АСГ в гидросистеме. Из рассмотренных АСГ воз-

можность произвольной установки, т.е. вдали от НТС, касается боль-

шинства аппаратов, за исключением АСГ типа насоса Монжю, ском-

бинированного с НТС. Как видно из таблицы, принцип насоса Монжю

имеет хорошее сочет

ание положительных свойств, однако, его приме-

нение сильно ограничено установкой непосредственно в накопителях

текучей среды.

АСГ

ВТРБ

по признакам С и I (см. табл. 3.2) сильно варьируются:

шестеренные и аксиально-поршеньковые насосы в отличие от шланго-

вых и винтовых, где в модуле применяются эластичные материалы, не

могут работать на загрязненных и несмазывающих средах (значение

признаков отрицательное). Поэтому при выборе АСГ

ВТРБ

следует учи-

тывать неоднозначность этих признаков данного вида.

130