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

Подождите немного. Документ загружается.

131

Рассмотрим условия, соответствующие эксплуатации АСГ на кус-

товых и дожимных насосных станциях в системах ППД.

Требуемые для эксплуатации свойства АСГ – B, F, I, J.

В порядке наивыгоднейших показателей расположим следующие

АСГ из табл. 3.2:

B F I E G J

АСГ

СТР

+1 +1 +2 +1 +1 +4 ∑=10

АСГ

ВТРБ(3)

+2 +1 +2 –1 +1 +4 ∑=9

АСГ

ВТРК

+2 +2 +2 –2 –2 +4 ∑=6

АСГ

СТО

+1 –2 +2 –1 –1 +4 ∑=3

Из количественного анализа видно, что для работы в качестве АСГ

на КНС/ДНС в системах ППД наиболее подходят первые три предста-

вителя. Конечно, такой анализ является приближенным, однако, он

исключает ошибки в поиске применения некоторых АСГ. Например,

попытка использования осевых многоступенчатых насосов (АСГ

СТО

) в

гидросистемах бурения не увенчалась успехом из-за отсутствия при-

знака F в насосах этого подкласса АСГ. Позже эти насосы пытались

применять и в гидросистемах ППД г. Альметьевска, однако, из-за при-

знаков F и E, G они также не заняли место АСГ в таких ТГС.

Приведенный анализ аппаратов сообщения гидравлической эн

ер-

гии показывает:

− необходимость в адекватном выборе конкретных технических

объектов на место АСГ в гидравлических системах;

− основные эксплуатационные показатели различных технических

представителей АСГ;

− важнейший с точки зрения гидравлического моделирования пока-

затель обратимости АСГ.

Предлагаемая классификация охватывает наиболее полный, в срав-

нении с предыдущими классификациями, спектр технических объек-

то

в, использующихся в качестве аппаратов сообщения гидравлической

энергии, а также дает наиболее общий критерий деления на типы

АСГ

и АСГ

. Предлагается новый критерий деления по состоянию

активного элемента. Данный критерий подразделяет все АСГ на клас-

сы: с активным элементом, представленным твердой и текучей среда-

ми, а также каким-либо полем. Вводится понятие модуля АСГ, и как

следствие представление о моно- и мультимодульности АСГ.

132

Рис. 3.20. Классификация аппаратов сообщения гидравлической энергии

133

Классификация устройств по управлению

потоком текучей среды

Элемент УУ (устройства по управлению потоком) представлен

широким спектром устройств, служащих для отсечения (перекрытия) и

регулирования параметров потока текучей среды. Элемент УУ часто

называют «Трубопроводной арматурой» (ТА), в частности, элемент

УН и в большей части УП в общепринятой трактовке имеет название:

«Запорная арматура» (ЗА). В связи с те

м, что УУ имеют особое значе-

ние для управления гидросистемами рассмотрим особенности их

свойств наиболее детально.

Как показал многолетний опыт эксплуатации отечественной и за-

рубежной нефтепромысловой ЗА, она оказывает огромное влияние на

функционирование технических гидросистем и в том числе на системы

ППД, где в качестве текучей среды ис

пользуются поверхностные (за-

грязненные) и пластовые воды. Утечки жидкости и потери гидравли-

ческой энергии в УУ требуют дополнительных затрат электроэнергии,

загрязняют окружающую среду и снижают к.п.д. насосных станций и

системы вцелом.

В процессе эксплуатации ЗА возникают большие затруднения при

их ручном и автоматическом управлении в связи с «прикипанием»

зат

вора, которое вызвано длительными физико-химическими процес-

сами, протекающими на сопрягаемых поверхностях запирающих эле-

ментов (облитерация, коррозия и диффузия).

Ранее и в настоящее время актуальна задача оптимального подбора

высоконадежных УН (обратных клапанов, задвижек) и УП (штуцеров,

регуляторов расхода и давления). Например, применяемые в гидро-

системах ППД обратные клапаны типа КОП отечественной и зар

убеж-

ной конструкций не отвечают основным требованиям длительного

использования и надежного перекрытия потока. Как отмечалось выше,

отказ клапана при внезапном отключении электропитания приводного

двигателя АСГ приводит к аварийной ситуации, связанной с обратным

вращением ротора насоса высоконапорным потоком жидкости, с воз-

можностью выхода из строя насосного агрегата.

Для качественной оценки д

остоинств и недостатков ЗА различных

конструкций и определения области их применения в качестве УУ

автором разработана классификация запорной арматуры, которая час-

тично опирается на критерии классификации Стрекалова В.Е.

Данная классификация, в отличие от разработанных ранее Д.Ф. Гу-

ревичем, Молчановым Г.В. и Молчановым А.Г., охватывает весь

134

спектр устройств по управлению потоком текучей среды и соответст-

вует диалектической концепции классификации объектов [122, 123].

Для определения основных отличий предлагаемой классификации

приведем краткий анализ существующих классификаций УУ.

Классификация трубопроводной арматуры (здесь УУ), как и всякая

другая, имеет свою эволюцию.

Впервые Гуревич Д.Ф., ссылаясь на отсутствие стандартов, разра-

ботал полезную для п

рактических целей классификацию трубопровод-

ной арматуры, однако, он использовал лишь ее отдельные признаки.

Эта классификация была составлена по следующим критериям деле-

ния:

− функциональное назначение трубопроводной арматуры;

− геометрические и прочностные параметры (условный диаметр,

условное давление);

− температурный режим работы;

− способ управления;

− способ уплотнения;

− пространственное расположение;

− принцип дейс

твия (перекрытие потока).

По Молчанову Г.В. классификация трубопроводной арматуры опи-

рается на 4 критерия:

− назначение;

− форма затвора;

− способ уплотнения;

− материал запирающих элементов.

Здесь наибольший интерес представляет классификация Гуревича

Д.Ф., так как она отчасти опирается на критерий принципа действия

ЗА (перекрытия потока), который является базовым и мож

ет быть ис-

пользован не только для частной, но и для общей классификации.

Этим критерием ЗА делится на две категории: клапанную и золотни-

ковую.

В клапанной ЗА, согласно Гуревичу Д.Ф., затвор в переходные

процессы не пересекает линий тока жидкости и движется в направле-

нии движения потока, а в золотниковой наоборот – п

ересекает линии

тока жидкости и движется перпендикулярно направлению движения

жидкости.

К клапанной ЗА Гуревич Д.Ф. относит тарельчатые клапаны, вен-

тили, а к золотниковой – задвижки, золотники плоские и цилиндриче-

ские, краны, заслонки и клапаны поворотные.

135

Принятая классификация требует поправки в связи с тем, что со-

гласно принятому критерию заслонки и клапаны поворотные ошибоч-

но относятся к золотниковой ЗА. Это объясняется тем, что в этой клас-

сификации выбран формализованный критерий деления. В качестве

критерия правильнее было бы взять комплексный признак: взаимодей-

ствие рабочих поверхностей запирающих элементов между собой и с

по

током текучей среды.

В предлагаемой здесь классификации на одном из каскадов деления

автор, так же, как и Гуревич Д.Ф., вводит понятие клапанной и золот-

никовой ЗА, однако, взяв за критерий деления комплексный признак:

1. Запорная арматура (или УУ) называется клапанной, если запи-

рающие поверхности затвора(ов) при по

лном открытии взаимодейст-

вуют с потоком, а в переходные процессы работы ЗА трение

между

запирающими поверхностями затвора(ов) и седла(седел) отсутствует.

2. Запорная арматура называется золотниковой, если запирающие

поверхности затвора(ов) при полном открытии не взаимодействуют с

потоком, а в переходные процессы работы ЗА имеет место трение

между запирающими поверхностями затвора(ов) и седла(седел).

Заслонки, клапаны поворотные, согласно принятому критерию,

следует от

нести к клапанной ЗА, так как затвор в переходные процес-

сы хотя и пересекает линии тока, но при полном открытии проходного

сечения седла омывается потоком, и в переходные процессы трение

между седлом и затвором отсутствует.

Предлагаемый комплексный признак является основополагающим

в отличие от ранее принятого и в значительной степени определяет

эк

сплуатационные показатели УУ. Действительно, затвор клапанных

УУ при полном открытии всегда находится в потоке текучей среды,

изнашиваясь от абразивного и кавитационного воздействия потока.

Бесспорно, такой качественный показатель является отрицательным,

но он уравновешивается положительным показателем: отсутствием

трения между затвором и седлом. Этот признак также во многом опре-

деляет значение мощности, необходимой для у

правления ЗА. Золотни-

ковые УУ имеют прямо противоположные признаки: один положи-

тельный (затвор при полном открытии проходного сечения седла не

омывается потоком) и один отрицательный (наличие трения между

затвором и седлом). Таким образом, качественные признаки клапан-

ных и золотниковых УУ сбалансированы или, иначе говоря, уравно-

вешены.

Здесь имеется в виду трение именно между запирающим элементом(ми) и непод-

вижным седлом, связанным с корпусом.

136

Вместо частной классификации Гуревича Д.Ф., позже Молчановым

Г.В. и Молчановым А.Г. была предложена классификация, содержа-

щая некоторые признаки общей классификации (см. рис. 3.21).

Однако, она составлена без учета второго правила классификации и

распространяется только на нефтепромысловую трубопроводную ар-

матуру. В этой классификации нет формулировки родового понятия и

не раск

рываются все основания деления этого понятия.

Главным критерием, на котором акцентируют внимание авторы,

стал способ уплотнения, реализуемый только на третьем каскаде деле-

ния объекта классификации. Судя по приведенной схеме, критерием

первого деления является функциональное назначение арматуры. По

этому критерию родовое понятие «запорные и дросселирующие уст-

ройства» делится на запорные и дросселирующие ус

тройства.

Здесь понятие «дросселирующие устройства» лучше было бы заме-

нить на «регулирующие устройства» (УП). Запорные устройства пред-

назначены для полного перекрытия или смены направления потока

среды с целью изменения или стабилизации соответствующих пара-

метров технологического процесса.

На первой ступени деления объекта нарушается второе правило

деления родового понятия (объем классификации должен равн

яться

Рис. 3.21. Классификация Молчанова Г.В. и Молчанова А.Г.

137

объему классифицируемой категории), так как на данной ступени де-

ления нет предохранительной и защитной запорной арматуры, приме-

няемой на объектах нефтяных промыслов (клапаны-отсекатели, обрат-

ные клапаны электроцентробежных насосов систем ППД, дыхатель-

ные клапаны товарных парков и т.п.). Это связано с тем, что родовое

понятие «запорные и дросселирующие устройства» не о

хватывает два

класса предохранительной и защитной ЗА. Для того, чтобы рассмат-

риваемая классификация больше соответствовала общей родовое по-

нятие должно соединять в себе все запорные, регулирующие, предо-

хранительные и защитные устройства, применяемые при добыче неф-

ти и газа. Поэтому вместо понятия «запорные и дросселирующие уст-

ройства» правильнее было бы принять «нефт

егазопромысловая запор-

ная арматура» или «устройства по управлению потоком». Такая замена

увязывается с наличием в книге [114] разделов IV.I, IX.I, XVIII, XXI,

XXII с описанием оборудования для эксплуатации скважин газлифтом,

центробежными насосами, оборудования для нагнетания воды в пласт

и для системы сбора и подготовки нефти и газа.

На второй ступени деления основанием является способ перекры-

тия по

тока среды. Этим критерием запорные устройства делятся авто-

рами на задвижки и краны, а дросселирующие устройства – на вентили

и штуцеры. Здесь допущена неточность: к запорным устройствам, ко-

торые используются на нефтяных промыслах, относятся не только за-

движки и краны, но и вентили, которые в данной классификации ока-

зались в другом классе – др

осселирующих устройств.

На третьей ступени классификации за критерий деления принима-

ется форма затвора. По этому критерию задвижки делятся на клиновые

и плоско-шиберные, а краны – на пробковые цилиндрические, пробко-

вые конические и пробковые шаровые. Вентили по форме затвора де-

лятся на игольчатые и тарельчатые.

На последнем каскаде классификации запорные устройства де

лятся

по конструкции затвора и наличию смазки на рабочих поверхностях

запирающих элементов.

В рассматриваемой классификации нет критерия, раскрывающего

принцип действия запорных и дросселирующих устройств с делением

объекта на золотниковую и клапанную запорную арматуру. В целом

данная классификация охватывает нефтепромысловую запорную ар-

матуру, устанавливает взаимосвязь между ее компонентами и содер-

жит в себе пр

изнаки частной и некоторые признаки общей классифи-

каций.

138

Таблица 3.3. Схемы и признаки некоторых УУ

Тип Схема Признаки

Задвижка

- малая строительная длина;

- большая строительная высо-

та;

- большой ход затвора;

- большое время открытия;

- малое гидравлическое соп-

ротивление.

Клапан

- большая строительная длина;

- малый ход затвора;

- малое время открытия;

- большое гидравлическое

сопротивление.

Кран

- малая строительная высота;

- малое время открытия;

- большой крутящий момент;

- малое гидравлическое сопро-

тивление.

Заслонка

- малые размеры и масса;

- малое время открытия;

- проходное сечение частично

прикрыто затвором;

- незначительное гидравличе-

ское сопротивление.

Мембран-

ный клапан

- большая строительная длина;

- малая строительная высота;

- малый ход затвора;

- малое время открытия;

- большое гидравлическое

сопротивление.

Шланго-

вый клапан

- большая строительная длина;

- малая строительная высота;

- малое время открытия;

- малое гидравлическое сопро-

тивление.

139

С дальнейшим развитием классификаций [115] запорной арматуры

был принят критерий «способ перекрытия потока». По этому крите-

рию из всей трубопроводной арматуры выделены следующие типы:

задвижка, клапан, кран, заслонка, мембранный клапан, шланговый

клапан (см. табл. 3.3).

Ниже приводится их характеристика в авторском [115] изложении.

«1. Задвижка – затвор в виде диска, пластины или клина, переме-

щающегося во

звратно–поступательно вдоль своей плоскости, перпен-

дикулярной оси потока среды.

2. Клапан – затвор в виде тарелки или конуса – перемещающегося

возвратно-поступательно параллельно оси потока среды в седле кор-

пуса арматуры.»

Общеизвестно, что клапан, в котором затвор перемещается с по-

мощью винтовой пары и управляется вручную, называется вентилем.

«3. Кран – затвор, имеющий форму те

ла вращения (или части его),

поворачивается вокруг своей оси, расположенной перпендикулярно к

оси потока среды.

4. Заслонка – затвор, имеющий форму диска, поворачивается во-

круг оси, расположенной в плоскости затвора или параллельно ей;

5. Мембранный клапан – затвор в виде упругой мембраны, переме-

щается вдоль оси потока в седле клапана;

6. Шланговый клапан – перекрытие по

тока осуществляется путем

пережима эластичного (резинового) шланга, внутри которого проходит

рабочая среда».

Судя по характеристике типов ЗА, «способ перекрытия потока»

учитывает форму, направление и характер движения затвора относи-

тельно перекрываемого потока среды.

В первоначальной классификации Д.Ф. Гуревича критерий «прин-

цип действия» определялся только направлением движения затвора

относительно потока. Этим кр

итерием, как было отмечено, вся трубо-

проводная запорная арматура подразделялась на две категории: кла-

панную и золотниковую.

Замена критерия «принцип действия» на «способ перекрытия пото-

ка среды» привела к существенному изменению классификации. Вы-

брав данный критерий, в своей более поздней работе Гуревичу Д.Ф.

удалось выделить шесть типичных представителей арматуры. В эт

ом и

есть особенность рассматриваемой частной классификации.

Недостатком такой классификации является «исчезновение» осно-

вополагающих понятий золотниковой и клапанной арматуры с ярко

выраженными антагонистическими признаками, которые проявляются

140

Рис. 3.22. Пример мнемо-

нической схемы устройства

по управлению потоком

текучей среды: 1 – актив-

ный элемент; 2 – пассив-

ный элемент

в характеристиках приведенных шести типов. Как видно из табл. 3.3,

наиболее яркие представители золотниковой и клапанной арматуры –

задвижки и клапаны (вентили) – имеют прямо противоположные кон-

структивные и гидравлические показатели.

В этой классификации даны определения крана и заслонки, нуж-

дающиеся в некотором уточнении. Дело в том, что эти определения по

своему содержанию идентичны пр

и внешней и конструктивной не-

схожести крана и заслонки, которые в первоначальной классификации

относятся к разным категориям арматуры. По определению авторов

[115, 116]: «Кран – это затвор, имеющий форму тела вращения..., по-

ворачивается вокруг своей оси, расположенной перпендикулярно оси

потока среды»; «Заслонка – затвор, имеющий форму диска, поворачи-

вается вокруг оси, расположенной в плоскости за

твора или параллель-

но ей».

Не изменяя сути, последнее определение можно сформулировать

так: заслонка – затвор, имеющий форму тела вращения (диск – это ци-

линдр, относящийся к телу вращения), поворачивается вокруг оси,

расположенной перпендикулярно оси

потока. Таким образом, заслонка и кран,

по определению авторов, являются одним

и тем же.

Из приведенного анализа следует, чт

существующие классификации не пол-

ностью соответствуют основным пра-

вилам классифицирования объектов.

Схема предлагаемой классификации

представлена на рис. 3.23–3.31. Как видно

из общей схемы (рис. 3.23), данная

классификация ЗА делит их на 2 типа, 3

класса, 8 подклассов, 16 видов, 32 группы

и 128 подгрупп. Как видно, здесь

рассматривается только запорная армату-

ра, которая является основной частью УУ.

стальная часть – УП представлена штуцерами и дросселирующими

диафрагмами, классификация которых здесь не рассматривается.

Как и для АСГ, по мнению автора, принципиальная схема типовой

ЗА состоит из двух основных элементов:

активный элемент – затвор, перемещающийся под действием по-

тока или действием извне (на классификации он показан красным цве-

том, если печать работы цветная) (ри

с. 3.22 – 1);