fduchun76 (fduchun76) wrote,
fduchun76
fduchun76

Category:

Что такое УЭЦН и с чем его едят? Часть вторая. Чугунный пинг-понг.

Первая часть

Это про насос. Он достаточно часто сделан из чугуна (ну да, из очень специального, но все-таки чугуна) и постоянно играет в пинг-понг. Физику помните?? Что такое кинетическая и потенциальная энергия? Нет? А я помню. Помню не всю – но того, что помню в принципе достаточно. Чем характеризуется кинетическая энергия? Правильно. Скоростью. А потенциальная? Высотой.


Возьмем камушек – бросим его горизонтально… придадим ускорение. То есть сообщим ему кинетическую энергию. Он конечно упадет – но пролетит определенное расстояние –то есть выполнит работу (переместит определенную массу с определенной скоростью в пространстве).  Так. А теперь бросим его вверх. Он полетит до определенной точки, а долетев до этой определенной точки полетит обратно.. а потом каааак даст по кумполу…. ага? Вот. Получив кинетическую энергию во время броска – поднимаясь вверх он будет превращать полученную кинетическую в потенциальную.. Долетев до определенной точки, он начнет падать, преобразовывая потенциальную энергию обратно в кинетическую и когда по кумполу ударит, превратит энергию в шишку на лбу и в тепло. Можно не бросать. Можно положить в карман и подняться с этим камушком на девятый этаж – и оттуда бросить (шишка и тепло будут одинаковые). В любом случае – поднимая камушек на какую то высоту – мы ему сообщаем потенциальную энергию, придавая камушку скорость (везем мы его на капоте на машине, бросаем) мы сообщаем ему кинетическую энергию.
Вот. Теперь про пинг-понг. В каждом центробежном насосе есть ступени. Каждая ступень состоит из вращающейся части – рабочего колеса и неподвижной части – направляющего аппарата. Так вот, представьте себе чувака, который держит в руках по ракетке от пинг-понга, и при этом крутится как балерина. А в него бросают шарики пинг-понговские. Он их раскидывает по сторонам, придавая им кинетическую энергию. Этот чувак будет рабочим колесом. А теперь построим вокруг чувака воронку (конус с углом ну например 45 градусов, раструбом вверх) – эта воронка будет аппаратом. Раскинутые шарики будут ударяться в стенки конуса и, согласно физике, будут менять направление из горизонтального в вертикальное (и ведь шельмы полетят вверх!) То есть, сначала получив от чувака и его ракеток кинетическую энергию, шарики, ударившись в воронку, полетят вверх (преобразовывая кинетическую энергию в потенциальную), а чуть выше их ждет следующий вращающийся чувак с ракетками и еще одна воронка… и так 500 раз. Если каждый чувак с воронкой будет закидывать шарики на высоту 4-5 метров, то пятьсот чуваков (а в насосе около того ступеней) закинут шарики на высоту 2 - 2,5 км. А нам того и надо. Теперь заменим чувака с ракетками на рабочее колесо, воронку на направляющий аппарат, шарики на жидкость. Понятно как работает центробежный насос?

Характеристика насоса.
Как я уже говорил, насос характеризуется габаритом, дебитом, напором и исполнением.

Габарит – это поперченный размер насоса с кабелем, определяющий в какую скважину его можно опустить. Габариты бывают 3, 4, 5, 5А, 6, 6А, 6Б, 7, 8.. самые распространенные 5 и 5А. 3-4 это уж для совсем тонких скважин – большая редкость. 6 и больше это для жутко дебитных (у нас столько нефти нет, такими насосами обычно воду качают).
Так вот. Насосы 5 габарита имеют наружный диаметр корпуса 92 мм, 5А – 103 мм. Плюс кабель который идет вдоль насоса. На кабель пока забьем – не до него. Остальные габариты настолько мало применяются, что смотреть в их сторону не будем, и вообще на них пилюем! Если вы применяете насосы меньших и больших габаритов – бросьте читать мой бред – вы и так уже все знаете. И так – габарит – это поперченный размер насоса – отсюда и пляшем.

Дебит – это количество жидкости прокачиваемой насосом за определенный период времени. Как-то так получилось, что мы меряем дебит в метрах кубических в сутки. Иностранцы меряют в баррелях (каждый баррель 159 литров) – странные люди, в метрах же понятнее. Так вот, распространенные дебиты для габарита 5 – от 10 до 200, для габарита 5А – от 160 до 800. Есть насосы в габарите 5А с дебитом 25 – 125 м3/сутки. Дебит насоса зависит от применяемой ступени. То есть в каждом габарите есть ряд ступеней для определенных дебитов.

Напор – это высота водяного столба, на которую насос поднимает свой дебит. Тут диапазон широчайший… иногда надо 100 метров для какой-нибудь водяной скважины, иногда надо насос 3200 метров напором. Каждая ступень поднимает жидкость на высоту 4-6 метров, то есть что бы получить насос с напором 2000 метров нужно в среднем 400 ступеней. В один корпус столько не запихать, поэтому насосы секционные. стандартные длины 3, 4, 5 метров. В последнее время появились секции 4,5 метра и 6 метров (для более точного подбора и экономии количества секций). В каждую секцию помещается ( в зависимости от дебита (высоты ступени) и длины секции от 30 до 200 ступеней. Набирая насос из секций, мы подбираем необходимый напор.

Короче, каждая секция это корпус нужного диаметра, в который последовательно набраны неподвижные аппараты и вращающиеся колеса. Колеса вращаются посредством вала, у которого есть шпон-паз и шпонка. В каждом колесе тоже есть шпон-паз. Набирая на валу бутерброд аппарат – колесо – аппарат – колесо, получаем внутренности насоса. Эти внутренности запрессовываются в корпус, на концы которого вворачиваются концевые детали – головка (верх) и основание (низ). Да, забыл. Через определенный промежуток устанавливаются промежуточные подшипники – они нужны, что бы повысить износостойкость насоса. Ставим их каждый метр, каждые полметра, каждые 0,35 метра, или, иногда даже каждые 200 миллиметров. Эти подшипники изготавливаются из специальных твердосплавных или керамических материалов – то есть жутко износостойкие. Опять же насосы бывают плавающие (это когда колесо немного ходит между аппаратами в осевом направлении), а так же пакетной сборки или компрессионной. Пакетной – это когда определенное количество колес зажато между подшипниками пакета аппаратов, и компрессионной – когда колеса закреплены на валу (специальными распорными втулками). Пакетная и компрессионная сборка так же нужна для повышения износостойкости насоса. Ступени обычно делают из специального чугуна. для стандартного исполнения – из серого чугуна модифицированного, для износостойкого и коррозионостойкого из нирезиста (чугун с содержанием 14-16 % никеля), есть еже жутко дорогой нирезист 4 типа, там никеля 30%. Достаточно модно и удачно делать ступени методом порошковой металлургии – ступени прессуют из железного порошка, с различными добавками, который потом пропитывают в специальных печах медью. А еще есть ступени из нержавеющей стали – штампованные и потом сваренные разными способами. Такие ступени появились недавно – и многие их боятся – хотя и зря – очень интересная технология, позволяющая применять различные материалы в одной ступени. Есть пластмассовые ступени (всякие полиамиды чем-то наполненные) тоже имеют свою нишу – где не нужна большая теплостойкость, например.
Коррозионной стойкости добиваются путем применения специальных материалов для корпуса и концевых деталей (ступени из нирезиста, высоколегированного порошка или нержавейки уже стойки к коррозии), валы – тоже специальные нержавеющие стали (во всех исполнениях).

Секции друг с другом стыкуются болтами или шпильками. При этом валы соединятся при помощи специальных шлицевых муфт. Так и получаются насосы с нужными дебитам.
 

У насоса есть характеристика. Это такие три графика, где по оси Х – дебит (буква Q - количество жидкости, обычно в м3/сутки), по оси Y – напор (буква H - в метрах водяного столба), потребляемая мощность (буква P в кВт), и КПД (буква  - в процентах). Характеристика обычно дается для 100 ступеней при частоте вращения вала 2910 оборотов.
Тут придется запоминать некоторые термины, но без них никак – мы же профессионалы ;), да? И придется смотреть картинку.



Расходная характеристика – или характеристика Q-H. По этой характеристике мы определяем – как изменяется давление, развиваемое насосом в диапазоне подач (дебита) от полностью закрытой задвижки (левый край характеристики, то есть когда выход насоса заткнут – дебит равен 0, зато напор – максимальный) до полностью открытой задвижки или на излив (правый край характеристики, это когда дебит максимальный, зато напор равен 0). Она обычно выглядит в виде кривой постепенно снижающейся начиная от левого края до самого нуля в правом краю. До определенного момента она снижается не очень интенсивно, зато потом начинает буквально валиться – говорят – круто падать. Это самая главная характеристика насоса. По ней мы определим – сколько нам надо ступеней для насоса с нужным дебитом и напором. Вот та характеристика которая у нас есть – в 320 кубах в сутки 100 ступеней развивают около 600 метров. Допустим нам нужно 320 кубов и 1800 метров. Сколько ступеней будем ставить? А? 1800 метров делим на 6 метров напора каждой ступени – получаем 300 ступеней. то есть будем искать комплектацию где ступеней – наиболее близкое количество к тремстам. А вот если нам нужен насос с дебитом 300 метров?? и тем же напором 1800 метров? сколько ступеней?? Смотрим. В 300 кубах 100 ступеней выдают уже 640 метров (а одна соответственно 6,4 метра). 1800 делим на 6,4 получаем 281 ступень. Меньше же? а тем более что нам больше и не надо. Тем более что 19 ступеней для достаточно крупного насоса 320-ки – это два метра длины насоса. Будем искать комплектацию близким к этой цифре количеством ступеней. Зачем нам их тратить? Не будем. Вот так подбирают насос под нужный дебит и напор. Учитывая, что мы можем обеспечить шаг по напору примерно 50 метров, то можно подобрать практически любой насос – который будет поднимать точно нужное количество жидкости, на точно нужную высоту. Другое дело, что эта точность шибко не нужна, но это не нам судить. Нам сказали – сделайте насос 321 куб – 1812 метров – получите пожалуйста!!! А то, что он будет работать 280 кубов и 2072 метра – это абсолютно не наше дело! Главное что бы дебит насоса находился в рабочей зоне (эдакие вертикальные пунктирные линии – левая и правая границы зоны – продолжительная работа за которыми насосу вредна).

Второй график – это график Q-P - мощность, потребляемая насосом на той или иной подаче. Во всем этом диапазоне построен график потребляемой мощности – то есть мощность, потребляемая ступенями (график на 100 ступеней) на той или иной подаче. Этот график – средняя неровная линия опять же от полностью закрытой – до полностью открытой задвижки. Помните мы подобрали насос из 281 ступени? с дебитом 300 кубов? Смотрим, 100 ступеней в 300 кубах потребляют 36,3 кВт или одна ступень 363 Вт. А 281 ступень? 102 003 Вт или если округлить – 102 кВт. Берем небольшой запасец на всякие непредвиденные случаи (в зависимости от мощности от 5 до 15%, чем больше мощность, тем меньше запаса), здесь примерно 10% и получаем, что нам нужен двигатель 112,2 кВт. Точно такого двигателя нет, есть 110 кВт, а следующий 125 кВт, по правилам берем больший. Иногда, если известна история скважины, нет каких либо осложняющих факторов – можно взять двигатель и поменьше – тогда возьмем 110 кВт.

Третий график – это график Q-КПД. Это такая дуга от 0 на зарытую задвижку, до максимального значения в рабочей зоне и опять до 0 на открытую задвижку. А почему она от 0 до 0? Потому что по формуле определения потенциальной энергии (Ep) эта самая потенциальная энергия равна масса жидкости (m) умноженная на гравитационную постоянную (g) и умноженная на высоту (h). Или Ep = m*g*h. А коэффициент полезного действия (КПД)? – это отношение полезной работы к затраченной. А какую полезную работу (потенциальную энергию) выполняет насос при полностью закрытой задвижке (когда m = 0 – то есть масса перекачиваемой жидкости равна 0?) – правильно – ноль! А при полностью открытой задвижке, когда h = 0 (то есть жидкость ни на какую высоту не поднимается?) – тоже ноль! То есть при полностью открытой задвижке 0, и при закрытой задвижке 0… А 0 поделить на затраченную энергию что будет? тоже 0. Поэтому КПД начинаясь с нуля на закрытой задвижке, растет до максимального для этого насоса значения в рабочей зоне, когда насос наиболее эффективен, и опять падает до нуля, когда насос работает на излив. Параметр КПД нам нужен для того, что бы определить с какой эффективностью работает насос. При испытаниях мы его используем, что бы проверить правильно ли мы собрали насос, при работе – правильно ли выбрали. Например, есть насос 250 кубов, и есть насос 320 кубов. А нам нужны 285 кубов – точно посредине, какой взять? Будем смотреть – какой тип ступени из этих двух будет наиболее эффективным именно в этой подаче. То есть чей КПД будет выше. Лишней энергии в скважине не надо – она все равно в тепло превратится, а тепло – это для нашей установки – только вред, перегрев, отложение солей, работа не в режиме.. даже нужно учитывать то, что холодную жидкость эффективнее качать, чем горячую – она гуще.

Уффф… вроде даже сам понял…

С насосом и его характеристиками пока все. Будут еще тонкости всякие – но они уже касаются не столько самого насоса, сколько отдельных узлов его.



Третья часть
Tags: УЭЦН
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 23 comments