image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 3 2016

Насосы. Компрессоры

01.03.2016 10:00 К созданию полирядного насоса для энергосберегающих погружных нефтедобывающих установок
Применяемые в настоящее время для добычи нефти энергосберегающие насосы, серийно выпускаемые известными производителями, созданы на основе центробежной/диагональной гидромеханической схемы, которая не является идеальной и практически не предполагает дальнейшего существенного повышения уровня напорно-энергетических показателей. Представленное в статье инновационное решение – лопастной осевой полирядный многоступенчатый насос – по ряду теоретических предпосылок имеет возможность достижения повышенных показателей назначения и энергетического качества в сравнении с традиционными насосами. Для подтверждения указанного предположения проводится создание полирядного насоса в рамках актуального для нефтедобычи типоразмера с условным обозначением 5А-100, где 5А – диаметральный габарит, для которого максимальный диаметр ступени составляет 90 мм; 100 – номинальная объемная подача в м3/сут. при частоте вращения 2910 мин-1. В статье подробно описан этап компьютерного проектирования лопастной системы, выполненного при помощи программного комплекса ANSYS CFX, и приведены результаты на номинальном режиме работы ступени периферийного ряда – одного из трех рядов насоса. На основании полученных результатов моделирования определены расчетным способом напорно-энергетические показатели ступеней двух остальных рядов и насоса в целом при определенной его компоновке. Результатами явились и приведены в статье расчетные показатели назначения и качества, равные или превосходящие показатели серийного энергосберегающего оборудования. Учитывая, что исследование предполагало определенные допущения, окончательное суждение о функциональных возможностях полирядного насоса может быть составлено после проведения физического эксперимента сначала ступени периферийного ряда, а затем и насоса в целом. Реализация натурного опыта является основным направлением дальнейших исследований.
Ключевые слова:

Компьютерный эксперимент, осевой полирядный многоступенчатый насос, погружная установка лопастных насосов, нефтедобыча, напорность, энергосбережение, энергоэффективность.

Ссылка для цитирования:

Комолов М.Б., Моргунов Г.М. К созданию полирядного насоса для энергосберегающих погружных нефтедобывающих установок // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 3. С. 102–108.

Открыть PDF


В Российской Федерации с помощью погружных установок лопастных насосов (ПУЛН) добывается более 70% нефти [1]. Интенсификация ее добычи, проводимая в последнее время за счет применения различных способов воздействия на пласт (гидроразрыв и др.), приводит к возникновению осложняющих эксплуатацию ПУЛН факторов. Один из наиболее существенных – высокая обводненность продукции пласта (более 90%) [2]. Она возникает вследствие проведения вспомогательной операции нагнетания в пласт воды и вызывает повышение энергетических затрат на нефтедобычу. Для минимизации этих затрат заинтересованные организации стремятся использовать все более эффективные по напору и КПД ПУЛН. В настоящее время полный КПД серийно производимых энергосберегающих многоступенчатых насосов для ПУЛН на номинальном режиме работы достигает 60–65% [3] при напорах установок до 3500 м. Спроектированы такие насосы на базе центробежных и диагональных рабочих органов (РО), гидромеханическая схема которых к настоящему времени практически не предполагает дальнейшего существенного повышения уровня напорно-энергетических показателей. В этой связи будущий прогресс в отмеченных параметрах качества требует принципиально новых проектных решений.

19-1.jpgСущество решения

Одна из инноваций энергосбережения для нефтедобычи с помощью ПУЛН – это многоступенчатый осевой насос, спроектированный на основе полирядной гидромеханической схемы (рис. 1).
В данном случае рассмотрен ее вариант с втулочным рядом, не заполненным ступенями. Теоретическое обоснование создания полирядного насоса изложено в [5–7]. Ключевая цель рассматриваемых далее проектных исследований, проведенных в рамках разработки проточной части и РО такого насоса, заключалась в подтверждении возможности достижения повышенных показателей назначения и энергетического качества полирядных насосов по сравнению с традиционным расчетным способом на основании компьютерного эксперимента.

В данной статье техническое решение полирядности осевого многоступенчатого насоса рассмотрено применительно к актуальному для нефтедобычи типоразмеру ПУЛН с условным обозначением 5А-100, для которого диаметральный габарит ступени составляет 90 мм, номинальная объемная подача – 100 м3/сут. при частоте вращения 2910 мин-1 [4].

Значения полного КПД и напорности (отношение напора ступени к ее высоте с размерностью м/м) серийно выпускаемых энергосберегающих ступеней известных ведущих фирм, таких как «Новомет» (РФ), «Бейкер Хьюз» (США), для рассматриваемого и близких к нему типоразмеров при подаче 100 м3/сут. составляют 64% и ≈130 м/м и 63% и ≈130 м/м соответственно. Указанные данные приведены из [8–9]. Напорность определена на высоте ступени, рассчитанной по активной части насоса.

Приведенные значения напорно-энергетических показателей приняты для проектируемого насоса как минимальные требования соответствия классу энергосберегающих насосов и принципу конкурентоспособности.

19-2.jpgПо коммерческим соображениям конструкция рассмотренных серийных ступеней производителями не публикуется, однако известно, что традиционно насосы типоразмера 5А-100 проектировались на базе центробежных РО (рис. 2) [4]. Следует отметить, что достижение приведенных весьма высоких показателей качества связано с введением в традиционные структуры РО инновационных конструктивных изменений, обеспечивших, в частности, понижение гидравлических и механических потерь [8–9]. Как известно, повышение гидравлического КПД и напорности достигается совершенствованием проточной части РО, в частности при использовании расчетных комплексов, например таких, как ANSYS CFX, STAR CD, NUMECA и др. Увеличение механического КПД при прочих равных условиях в основном связано с частичной разгрузкой РК от осевой силы (ОС).
В центробежных насосах данный эффект обычно реализуется вихревым венцом – импеллером специальной формы 6 (рис. 2а) на верхнем диске РК 1 или разгрузочными отверстиями 4 (рис. 2б) [4, 10].

Структурно-параметрический компьютерный синтез полирядного насоса

Известно, что превалирующее значение при проектировании лопастных насосов имеет гидродинамическое и конструктивное совершенствование рабочих ступеней, то есть последовательное улучшение их вариантов по соответствующим показателям назначения и качества. Данные показатели подлежат верификации сначала компьютерным, затем физическим экспериментами. По результатам отмеченных исследований проводят последующее улучшение параметров ступени при помощи компьютерного моделирования ее работы с последующей проверкой при физическом эксперименте – и так итерационно, до достижения требований технического задания или предела технического совершенства при используемом подходе к проектированию. В данной статье из условия ограничения по трудоемкости и стоимости предполагаемого изготовления полномасштабной модели нового насоса, а также недостаточности вычислительных ресурсов для моделирования течения жидкости при его работе проведено проектирование только ступени периферийного ряда. Результаты ее проектирования оказались перспективными, что описано далее, хотя авторы не исключают возможности улучшения параметров ступени. По полученным данным расчетно-экстраполяционным способом оценен полирядный насос в целом.

19-3.jpgКак отмечалось, для выявления достижимой степени энергетического совершенства полирядного насоса была спроектирована ступень периферийного ряда в виде конструкции осевого насоса (рис. 3), где РК 1 разгружено от ОС отверстиями 4.

Лопастная система ступени проектировалась в САПР SolidWorks. Расчетные сетки генерировались в программе ICEM CFD в виде HEXA-элементов в количестве узлов: ≈1,5 млн для РК, ≈2 млн для НА. Моделирование течения жидкости в ступени выполнялось в программном пакете ANSYS CFX с установками: рабочее тело – вода при 20 °С, частота вращения РК – 2910 мин-1, расчетная оптимальная подача – 140 м3/сут. Повышенная по сравнению с номинальной подача была выбрана для компенсации влияния шероховатости проточных частей РО и возможных объемных потерь, которые в компьютерном эксперименте не учитывались. В связи с учетом описанного влияния ожидаемая при физическом эксперименте оптимальная подача предположительно составит от 100 до 125 м3/сут. Последняя является подачей правой границы рабочей зоны насоса с номинальной подачей в 100 м3/сут. и принята исходя из рекомендаций в [1, 4]. Расчетная номинальная подача, необходимая для сравнения насосов, вычислена по соотношению предполагаемых реальных подач и составляет 112 м3/сут.

19-4.jpgГлавная расчетная сборка состояла из трех ступеней, каждая из которых представляла собой одну область – лопасть РК и три области – лопатки НА (рис. 4)
с условием периодичности вокруг оси. Выбранное соотношение числа лопастей РК и НА в расчетных областях обеспечивало необходимое для точного расчета условие равновеликости площадей контакта областей РО на интерфейсе переноса параметров. При расчете использовались следующие гидродинамические установки: стационарная система уравнений Рейнольдса с k- моделью турбулентности, краевое условие «прилипания» рабочего тела на твердых границах расчетной области течения для каждого РО ступени, задавалось однородное распределение давления во входном сечении с применением условия его самоопределения – в выходном. Задача решалась итерационно. Критериями эффективности варианта рабочего органа служили: напорность, гидравлические КПД РК, КПД НА, КПД ступени в целом.

Проектирование ступени включало следующие основные этапы.

1. Разработка лопастной решетки РК:

а) гидравлический расчет с определением входного угла лопасти 1; начального значения выходного угла лопасти 2 с учетом недоворота потока, числа лопастей 3 и густоты решетки 0,6, в первом приближении по рекомендациям работы [11].

Результаты предварительного проектирования РК: гидравлический КПД – 75,4%; напорность – 138 м/м (в данном случае напор отнесен к высоте РК).

19-5.jpgНа рисунке 5 показан характер течения жидкости на развертке среднего сечения при указанных параметрах. Отмечается, что течение имеет удовлетворительный вид, но полученные при этом результаты являются начальными и нуждаются в повышении. Для этого необходимо уточнить основные параметры решетки РК;

б) уточнение первичных данных по результатам моделирования течения в РК, подбор густоты решетки и числа лопастей.

Результаты уточняющего проектирования РК: густота решетки – 0,83; число лопастей – 4; гидравлический КПД – 96,5%; напорность – 167 м/м.

По картине течения на рисунке 6 в наиболее проблемном, в данном случае – корневом, сечении лопасти можно наблюдать в целом удовлетворительный характер течения при увеличенных результатах по сравнению с первоначальными. Имеется небольшая вихревая зона на выходном участке при объединении потоков, сбегающих с рабочей и тыльной сторон лопасти. Это явление впоследствии будет устранено заострением кромки лопасти исполнением под механическую обработку (рис. 8).

2. Разработка лопастной решетки НА и доводка ступени в целом:

а) гидравлический расчет с определением входного угла лопатки 1, принятие в первом приближении выходного угла лопатки 2 и числа лопаток при рекомендуемом согласовании его с числом лопастей РК;

Результаты предварительного проектирования НА (моделировалось течение в одной ступени): число лопаток – 13; гидравлический КПД – 86,6%. На рисунке 7 показан характер течения при указанных параметрах в проблемном, в данном случае – периферийном, сечении лопастной системы. Имеют место крупные вихревые явления на выходном участке лопатки НА. Детально анализируя их причины, меняем лопатку НА с целью улучшения течения, что выявляется последующим уточняющим моделированием;

б) уточнение первичных данных НА по результатам моделирования течения в ступени, подбор диффузорности решетки и уточнение числа лопаток.

Результаты окончательного проектирования НА (данные НА третьей ступени): число лопаток – 12; гидравлический КПД – 90%;

в) уточнение параметров РК по результатам моделирования течения в ступени.

19-6.jpg

Результаты доводки РК: густота решетки – 1,35; число лопастей – 5; гидравлический КПД – 87%; напорность – 193 м/м (напор отнесен к высоте РК). Приведены параметры РК третьей ступени. Снижение параметров РК по сравнению с приведенными выше результатами вызвано неустранимым влиянием НА предыдущей ступени, что, как известно, характерно для многоступенчатых насосов. 

Результаты проектирования ступени в целом при частоте вращения 2910 мин-1 на расчетной оптимальной подаче 140 м3/сут. следующие: гидравлический КПД – 78,4%, напорность – 71,5 м/м, коэффициент напора – 0,225, коэффициент быстроходности ns = 167. На номинальной подаче 112 м3/сут.: гидравлический КПД – 71%, напорность – 104 м/м, коэффициент напора – 0,33.

19-7.jpgНа рисунке 8 показана картина течения в наиболее проблемном периферийном сечении лопастной системы окончательного варианта ступени при указанных параметрах. Течение в целом имеет удовлетворительный характер. Как отмечалось ранее, в корневом сечении РК на конечном участке лопасти имелись вихревые явления (рис. 6б), которые в конечном варианте ликвидированы заострением кромки исполнением ее под токарную обработку (рис. 8б). В НА обтекание лопатки в целом улучшено по сравнению с ранним вариантом, хотя на конечном ее участке все же присутствуют незначительные отрывные зоны, что, как известно, присуще лопастным многоступенчатым насосам, имеющим ограничение по высоте ступени вследствие цели повышения напорности, от которых в рамках данной итерации проектирования избавиться не удалось.

Полученные результаты являются максимально достигнутыми в рамках разработки единственного варианта ступени периферийного ряда полирядного насоса с использованием выбранного подхода к проектированию и соответствующих инструментов. Как отмечено выше, авторы не настаивают на том, что результаты невозможно улучшить.

Спроектированная ступень предлагается к изготовлению и испытанию.

Прогнозируемые энергетические показатели исследуемого насоса

Полученные при компьютерном эксперименте данные явились основой прогнозного расчета параметров полирядного насоса в целом, для которого по формулам подобия были определены затрачиваемая гидравлическая мощность, а также напорность рядов и насоса в целом (рис. 1).

При расчетах были приняты следующие допущения: потери трения в опоре 3 от суммарной ОС равны нулю, так как данная компоновка предполагает полное уравновешивание ОС, действующей на ротор, обратно направленными рядами насоса; водило 7 уравновешено разгрузочными отверстиями 4; объемные потери ступеней рядов и насоса в целом составляют 5% от соответствующей потребляемой мощности [10]; потери мощности на трение в парах 5 приняты равными 3% по рекомендациям работы [12].

В связи с особенностями гидромеханической схемы в расчете полирядного насоса не учитывались, ввиду очевидной малости, следующие параметры: дисковые потери, потери от вращения разгрузочных отверстий в водиле и гидравлические потери в коленах инверсии 8 (рис. 1) из-за небольшого их количества в реальном насосе.

На основании полученных в ANSYS CFX данных ступени периферийного ряда и рассчитанных по формулам подобия параметров ступени среднего ряда получены напорно-энергетические показатели энергосберегающего полирядного насоса 5А-100 на номинальном режиме работы (табл.).

Указанные значения параметров полирядного насоса получены при определенном соотношении числа ступеней в его рядах, при котором за счет противонаправленности периферийного и среднего ряда не создается суммарной ОС ротора, что позволяет получить требуемый уровень полного КПД исследуемого насоса.

Предполагается, что компоновка полирядного насоса может меняться в зависимости от условий эксплуатации и требований заказчика. Например, при необходимости исполнения с высокой напорностью насос будет компоноваться максимальным количеством ступеней на каждом ряду насоса с таким соотношением их числа, которое обеспечит наиболее компактную высоту насоса.

Заключение

Результатом проведенных работ по исследованию свойств полирядного насоса явились расчетные напорно-
энергетические показатели, примерно равные или превосходящие показатели серийного оборудования. В ходе дальнейших исследований полученные параметры планируется подтвердить при физическом эксперименте с определением напорно-энергетических характеристик, гидравлического КПД, ОС ступени периферийного ряда исследуемого насоса.

Выводы

Выполненные на основании компьютерного эксперимента расчетные исследования полирядного насоса показали его возможную конкурентоспособность по отношению к лучшим серийно выпускаемым энергосберегающим насосам ПУЛН. Учитывая, что исследование предполагало определенные допущения, наиболее весомое мнение о функциональных возможностях полирядного насоса сложится после проведения физического эксперимента сначала ступени периферийного ряда, а затем насоса в целом при его полном конструктивном исполнении. Реализация натурного опыта является основным направлением дальнейших исследований.




← Назад к списку


im - научные статьи.