книги / Поршневые буровые насосы
..pdfПолученная |
зависимость p = y(t) |
изображена |
на рис. |
71, где |
|
показано, что |
повышение |
давления |
(кривая 1) |
достигает |
значи |
тельной величины, время |
резкого нарастания и |
спада давления |
|||
Рис. 71. Изменение давления в трубопроводе при прямом (Л включении резервного насоса в общую магистраль и (2) с ис пользованием газового компен сатора и пусковой задвижки.
не превышает 0,1 с. При использовании пусковой задвижки в те чение всего процесса перевода насоса с холостого хода на рабочий повышение давления (кривая 2) происходит плавно.
В данном примере промывочная жидкость (вода) во всем гид равлическом тракте находится в движении и ломать ее непо движную структуру не требуется.
4. ВЛИЯНИЕ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА (БЕЗ УЧЕТА СЖИМАЕМОСТИ ЖИДКОСТИ, УПРУГОСТИ СТЕНОК ТРУБ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ)
Рассмотрим, согласно Г Бергу, задачу о действии пневмати ческого компенсатора при переводе насоса с холостого хода на рабочий без пусковой задвижки (рис. 72).
Составим дифференциальное уравнение объемов:
dq = Fvdt — Fjü^dty |
(162) |
где dq — объем жидкости, накопившейся в компенсаторе за |
время |
dt\ Fvdt — объем жидкости, нагнетаемой за то же время насосом; FTvTdt — объем жидкости, поступившей в трубопровод.
Для изотермического процесса в компенсаторе
Рис. 72. Схема насосной уста новки с газовым компенсато ром (к расчету пускового давления, возникающего при отсутствии пусковой задвижки ).
ИЛИ |
|
|
|
|
w = w a^~ |
(163) |
|
Тогда объем жидкости, |
поступившей в компенсатор, |
|
|
q = W 0- W |
0-й^-. |
(164) |
|
|
|
Р |
|
Дифференцируя, получаем |
|
|
|
dq = W 0p0 |
. |
(165) |
|
|
|
P2 |
|
Подставляя выражение (165) в уравнение (162), находим |
|||
WoPo = |
= Fvdt — P^rdt. |
(166) |
|
Давление в пневмокомпенсаторе поднимается при сжатии газа. Повышение давления создает силу, необходимую для ускорения жидкости в трубопроводе
Согласно второму закону Ньютона, |
|
|
F ,p - F ,p a= |
1- ^g - ^ i;t |
(167) |
После преобразований получаем |
|
|
g (Р — Ро) |
_ dv |
|
Vж |
it |
|
Откуда |
|
|
dt = |
dvr |
|
|
|
|
У-Jr |
(P — Ро) |
|
Подставляя выражение (168) в уравнение (166), получаем
J\{Р — Ро) W0Po |
P2 |
= Jf —S (Fvdu* ~ F^ duJ- |
Po |
|
° |
После интегрирования находим |
||
|
|
t ^ o P o f l n — |
+ |
— |
\ |
— |
Л |
= |
- |
^ |
||
или |
|
\ |
Ро |
Рп |
J |
g |
|
2 |
|
|
|
|
|
wn |
|
|
|
|
|
^V>QZ |
|
(170) |
|||
|
|
^ тУ ж ^ Т ^ т |
|
1 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
T K |
|
|
|
|
|||
|
|
|
2êPo |
ln £п_ + £о_ _ ! |
2gfTp0ÿ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Po |
Pn |
|
|
|
|
|
|
Значения величины y в зависимости от отношения PnJPo |
|
|
||||||||||
Pn/Po |
1 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |
1.4 |
1,5 |
1,6 |
1,7 |
1.8 |
1.9 |
|
|
J/ |
0 |
0.044 |
0,0156 |
0,316 |
0,051 |
0,072 |
0,095 |
0,121 |
0,145 |
0,170 |
|
|
Для примера, рассмотренного в предыдущем разделе, получаем объем пневмокомпенсатора при начальном давлении разгона колонны жидкости /?о=150 кгс/см2
W „ = ‘« ■ g - = ____ '300•1<|,•8^•"lJ^_____= 0,00147 »".
ZgF-rPoy 2-9,81 -28,3.10~4 -150-104- 1,68
Коэффициент энергоемкости компенсатора
[/ = рнИ7н = 150-104• 0,00147 ^ 2,2- Ю3 кгс-м.
Объем воздушного колпака при атмосферном давлении
W0 |
= — = |
2'2А°3 = 0,220 м3 = 220 л. |
0 |
Ро |
НИ |
Для определения пускового давления находим, что при у =
= 1,68 величина — =4,2. Тогда
Рн
ри = 4,2рн = 4,2-150 = 630 кгс/см2.
РАЗРЯД ГАЗОВОГО КОМПЕНСАТОРА ПРИ ОТКРЫТИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО КЛАПАНА
Измерениями установлено, что процесс может быть изотер мическим в гидропневматических аккумуляторах при длительности протекания — не менее трех минут.
Процесс расширения газа в компенсаторе при разрыве предо хранительной диафрагмы происходит настолько быстро (/ = 0,05 с),
193
что его следует считать адиабатическим, подвод тепла при этом из внешней среды весьма незначителен и происходит переохлаж дение газа.
Как известно из термодинамики, выделяющееся при расшире
нии 1 кг газа количество теплоты в |
кал определяется выраже |
|
нием* |
|
|
Qz= AL — |
— Т2), |
(171) |
где Л = - ^ кал/кгС'М— тепловой |
эквивалент работы; |
R — |
=29,27 кгс-м/кгс°абс— газовая постоянная; &=1,41— показатель адиабаты, Ti и Т2— абсолютная температура газа соответственно в начале и конце расширения.
Кроме того,
I I . = |
[ I L Y -1 |
(172) |
П |
V ». ) |
|
где Vi и Vi — удельный объем газа соответственно при температу |
||
ре Г, и Т2. |
|
|
Например, при объеме пневмокомпенсатора Ц7о=80 л, давле
нии предварительной зарядки ро= 80 |
кгс/см2 и рабочем давлении |
||
Pi=320 кгс/см2 получаем объем газа при рабочем давлении |
|||
W1 = W0& -= 80- |
80 = 20 л. |
|
|
Pi |
320 |
|
|
Пользуясь формулой (172), можно определить |
температуру |
||
т2 = 7\ ^ V 1 = (273 + |
20) |
( - ^ ) ° '41 = 165° |
абс. |
Тогда
29,23
L = k — 1 (Т1- Т 2) = 1,4 — 1,0 (293— 165) —7700 кгс м/кгс. Весовое количество газа в компенсаторе
G=--yW0= ^ r W 0 = 2 0 - 10< -80-10~3 = 1,87 кгс.
29,23-293
Мощность разряда, выбрасывающего из компенсатора струю жидкости,
LG _ = |
гтл_^т_ = 2 8 2 0 квт. |
0,05 -102 |
0,05 -102 |
Приведенный пример показывает, что:
1. Температура газа при адиабатическом расширении сни жается до —108° С, поэтому необходимо защищать от переохлаж дения резиновую разделительную диафрагму.
2. При быстром переводе насоса с холостого хода на рабочий газ в компенсаторе нагревается, вследствие чего возможен пере грев резиновой диафрагмы. Для предохранения диафрагмы от перегрева процесс перевода насоса с холостого хода на рабочий должен протекать замедленно (не менее 1 мин).
3. Мощность разряда газового компенсатора может быть достаточно большой. К предохранительному клапану необходимо предъявлять высокие требования, во избежание несчастных слу чаев.
Разрывная диафрагма предохранительного клапана должна располагаться в плоскости, касательной к внутренней поверхности трубопровода, так, чтобы поток смывал с диафрагмы налипаю щие частицы твердых включений. При размещении диафрагмы на отводе в нем выделяется осадок утяжелителя и других твердых частиц, спрессованных большим давлением жидкости. Внутри отвода образуется достаточно прочный цилиндрический керн. Дав ление жидкости воздействует на диафрагму через твердый ци линдр спрессованных отложений. Условия нагружения при этом не соответствуют тарировочным, когда диафрагму разрывают давлением жидкости в отсутствие промежуточного цилиндра. Ди афрагма на отводе, заполненном керном спрессованного осадка, не разрывается при давлении более высоком, чем то, на которое она рассчитана. Устанавливать диафрагму на отводе нельзя во избежание чрезмерного повышения давления в системе.
Выпускная труба должна быть прямой. Струя промывочной жидкости, выбрасываемой из системы, распрямляет изогнутую трубу, отрывая ее в месте заделки загнутого конца даже при прочном закреплении. Оба конца прямой выкидной трубы должны быть прочно закреплены. Диаметр выпускной трубы должен быть не менее, чем на 10 мм больше диаметра диафрагмы.
Выпускная труба должна быть направлена в приемный резер вуар так, чтобы обломки диафрагмы попадали в жидкость. Иначе они представляют опасность для обслуживающего персонала. Во избежание скопления жидкости и образования ледяной пробки (в зимнее время) в выпускной трубе, она должна иметь уклон в сторону слива в приемную емкость. Выходное отверстие должно располагаться выше уровня жидкости в приемном резервуаре.
К Л А С С И Ф И К А Ц И Я ГАЗО В Ы Х К О М П Е Н С А ТО Р О В
Все газовые компенсаторы можно разделить по величине давления предварительного наполнения на две группы: 1) воз душные (атмосферные) колпаки, наполняющиеся воздухом при атмосферном давлении во время остановок насоса и 2) пневмати ческие (газовые) компенсаторы, заполняемые перед началом ра боты сжатым воздухом или техническим азотом с целью повыше ния эффективности их действия. Газовая камера может быть за полнена, например, из баллона — азотом, от системы пневмо управления буровой установки или специальным компрессором — воздухом.
По направлению движения промывочного раствора внутри газового компенсатора различают тупиковые и проточные компен саторы. В тупиковых компенсаторах скорость движения жидкости
в присоединительном патрубке знакопеременная — избыток подачи или его часть сначала входит в компенсатор, а затем выходит из него. Скорость в патрубке
v n . К |
р |
|
1 п. к |
В проточном компенсаторе жидкость движется в одну сторону от входа до выхода, не изменяя направления. Пульсация скорости изменяется в пределах от максимума, равного степени* неравно мерности подачи жидкости из насосных камер, — на входе в ком пенсатор, до минимума, равного степени неравномерности подачи
насоса, — на выходе из компенсатора. |
Проточный компенсатор |
снабжен двумя патрубками — входным |
и выходным, тупиковый |
компенсатор имеет один присоединительный патрубок, служащий
попеременно для входа и выхода жидкости. |
на |
|
По месту установки компенсаторы |
можно подразделить |
|
1) всасывающие, устанавливаемые на |
всасывающей стороне, |
и |
2) нагнетательные, устанавливаемые на нагнетательной стороне насоса. Всасывающие компенсаторы можно подразделить на за крытые и открытые. Нагнетательные компенсаторы в поршневых буровых насосах могут быть только закрытые.
Нагнетательные компенсаторы по способу удержания в них сжатого газа делятся на диафрагменные, клапанные и поршневые Диафрагменные компенсаторы по форме различают сферические, трубчатые (виккельные) и баллонные (закрытые с одной стороны).
По конструкции устройства, воспринимающего давление сжа того газа после остановки насоса, компенсаторы разделяют на следующие классы: 1) с решеткой в присоединительном патрубке; 2) с перфорированной трубой; 3) с клапаном, имеющим направ ляющие для центральной посадки; 4) со свободными клапанами, центрируемыми диафрагмой.
В настоящее время все поршневые буровые насосы снабжают всасывающим колпаком или компенсатором, которые могут быть встроенными в конструкцию насоса или устанавливаемыми от
дельно (рис. 73). В полости 1 находится |
сжатый азот |
или воздух |
||
(2 — жидкость, |
защищающая диафрагму |
от |
изменений темпера- |
|
туры в полости; 3 — глинистый раствор). |
|
применяются редко |
||
Нагнетательные атмосферные колпаки |
||||
(в отдаленных |
районах, где затруднено |
снабжение |
запасными |
|
диафрагмами, если невозможен обогрев баллонов из синтетической резины при остановках насоса в зимнее время и в других спе циальных случаях).
Эксплуатационные качества тупиковых и установленных на линии пневмокомпенсаторов можно сопоставлять только учитывая условия их работы. По данным экспериментов, тупиковый компен сатор может быть более эффективным, если он служит продолже нием отвода, по которому поступает жидкость с неравномерной скоростью (кривая /, рис. 74). Линейный компенсатор несколько менее эффективен (кривая 2). Наличие газа проверяется выстуки-
19G
ванием: глухой звук — признак жидкости в баллоне, звонкий —
газа.
Были попытки повысить эффективность газового компенсатора установкой его на нагнетательном трубопроводе между насосом и дополнительным сосредоточенным сопротивлением в виде регу-
i Выход
д—е, и—к, |
|
|
тательные; к—«—всасывающие; а—в, |
|||
н — диафрагменные; г, к — с |
питанием |
от пневмосистемы |
||||
управления |
|
клапанные; з — поршневые; |
а, з — сферические; к — вик- |
|||
кельные; в, |
д — баллонные; б, з — с решеткой |
в |
присоединительном |
|||
патрубке; |
в, |
«, к — с |
перфорированной трубой; |
г, |
д, е — с. клапаном, |
|
имеющим |
направление; |
а, б — со свободным клапаном, центрируемым |
||||
диафрагмой.
лируемого или нерегулируемого дросселя. Поскольку сопротивле ние дросселя пропорционально квадрату расхода, давление в пневмокомпенсаторе при максимуме мгновенной подачи повы шается больше, т. е. пневмокомпенсатор глубже реагирует на пульсации подачи насоса. Поток в трубопроводе за дросселем ста новится более равномерным, вибрация труб уменьшается, но в на сосных цилиндрах амплитуда колебаний и величина максимума
давления повышается и рас ход запасных частей увели чивается, долговечность на соса в целом снижается. Ввиду того, что одна из главных целей установки и дросселя и пневмокомпрес сора, заключающаяся в уве личении продолжительности непрерывной безотказной работы насоса, не выпол няется, дополнительный дроссель не применяется.
Наиболее практичным оказался газовый или пнев матический компенсатор, работающий на всех пере менных режимах эксплуата ции насоса, автоматически изменяющий режимы своей работы при изменениях коэффициента наполнения
насоса или при регулировании подачи насоса сменными втулками или другими методами.
Эффективность всасывающего колпака с увеличением высоты всасывания до определенных пределов возрастает, так как это связано с углублением вакуума в воздушной камере, выделением в ней воздуха или газа из жидкости и увеличением объема, заня того воздухом. При естественном подпоре более высокое давле ние во всасывающем воздушном колпаке вызывает частичное за полнение его жидкостью и уменьшение объема, занятого воздухом, приводит к меньшей эффективности колпака при таких же его геометрических размерах, как при положительной высоте всасы вания. Поэтому применяют всасывающие колпаки с разделитель ной диафрагмой, объем воздушной камеры которых может быть увеличен впуском воздуха из пневмосистемы управления буровой установкой, если увеличивается давление жидкости, поступающей в насос, например, в результате повышения уровня в наземном приемном резервуаре. Этот колпак может работать одинаково эффективно при вакууме и избыточном давлении жидкости во всасывающем трубопроводе.