Приложение G (справочное). Характеристики винтовых насосов

Приложение G
(справочное)

Характеристики винтовых насосов

G.1 Общие положения

Данное приложение предоставляет дополнительную информацию об основных рабочих характеристиках ВН и их актуальности в выборе и применении ВН.

G.2 Подача

ВН являются насосами прямого вытеснения и, следовательно, их уровень подачи есть функция рабочего объема и частоты вращения. Показатели вытеснения в переводе на объем откачиваемой жидкости за каждый оборот ротора могут определяться для каждого ВН, исходя из расчетов, основанных на геометрических параметрах, или на основе оценок результатов испытаний. Однако условностью для ВН, когда они используются при внутрискважинных условиях, считается выражение производительности в кубических метрах в сутки при 100 об/мин, или баррелях в сутки при 500 об/мин. Это позволяет потребителям/заказчикам увеличивать подачу насоса за счет частоты вращения для определения уровня максимальной подачи.

Поставщики/изготовители должны указать номинальную теоретическую подачу , выраженную в кубических метрах в сутки, при 100 об/мин для каждой конструкции насоса. Обычно этот показатель рассчитывают теоретически с помощью формулы для насоса с однозаходным ротором:

,

(G.1)

где е - эксцентриситет, мм;

D - внутренний диаметр, мм;

Р - шаг статора, мм; см. рисунок G.1.

"Рисунок G.1 - Определение шага статора"

Несмотря на то, что шаг статора является постоянной величиной для определенной конструкции, размеры, связанные с поперечным сечением, включая эксцентриситет и диаметр, могут меняться по нескольким причинам. Посадка ротора в статор представляет собой посадку с натягом, поэтому размеры поперечных сечений между компонентами различны, когда насос укомплектован. К тому же размеры варьируются из-за технологических отклонений, а также (что еще более важно) в связи с особенностями конструкции в зависимости от применения (согласно G.4). Размеры эластомерного материала в статоре могут изменяться из-за термического жидкостного воздействия. В результате для расчета теоретического показателя объема общепринятой практикой считается определение величин на основе средних размеров статора при температуре окружающей среды. Это теоретическое значение часто немного корректируется для определения номинальной подачи насоса, чтобы число было удобным для коммерческих целей.

Теоретическая или номинальная подача представляет собой наилучший выбор подачи, так как посадка ротора с натягом, повышенные температуры или приток жидкости почти всегда уменьшают размер полости и соответствующую пропускную способность. Чтобы обеспечить более точное отражение пропускной способности, поставщику/изготовителю необходимо опубликовать установленную объемную подачу для каждой конструкции насоса. Данная величина определяется с помощью гидравлического испытания (приложение С), которое проводится при размерах ротора, соответствующих объемному КПД 70% - 90% и 300 об/мин, но при температуре окружающей среды, с применением воды, чтобы уменьшить изменения размеров эластомера статора. Указанное испытание воспроизводит идеальный рабочий сценарий, и установленная подача обычно на 2% - 5% ниже расчетного теоретического значения.

Подача винтового насоса может отличаться от измеренной на поверхности, и обычно она не статична, меняется на протяжении времени даже при постоянных свойствах жидкости, скважинных условиях и условиях эксплуатации. Объясняется это изменениями размеров эластомерного материала статора, происходящими вследствие термального и жидкостного увеличения. Если изменения размеров из-за термического воздействия могут происходить в течение нескольких часов, то изменения, связанные с увеличением жидкости, происходят постепенно, на протяжении нескольких дней, недель и даже месяцев. Эти изменения высокочувствительны к особенностям конструкции насоса, а в конфигурациях с более плотным слоем эластомера они демонстрируют более значительные изменения. Сокращение рабочего объема по сравнению с установленным может достигать 20%. Изменение размеров из-за температуры может быть приблизительно рассчитано для каждого типа эластомера и соответствующей геометрии конструкции. Очень трудно предположить, какими будут изменения вследствие жидкостного увеличения, так как природа данного явления неустойчива.

Эластичная структура эластомера позволяет значительно уменьшить размеры статора при условии, что ротор может продолжать вращаться. Однако связанное с этим увеличение натяга в паре ротор-статор может привести к крутящему моменту с большим коэффициентом трения, к внутреннему теплообразованию в статоре и, в конечном счете, к сокращению срока службы. Соответственно, для увеличения производительности принято приспосабливать посадку ротора к планируемым размерам статора, как описано в G.4

G.3 Объемный КПД насоса

Для оценки напорной характеристики ВН необходимо учесть такие параметры, как подача насоса, частота вращения, а также КПД насоса. ВН подвержены объемным потерям из-за утечки воды в результате комплексного взаимодействия между конструкцией насоса, материалом статора, жидкостными характеристиками и условиями эксплуатации.

Утечка жидкости и связанное с ней снижение КПД насоса увеличиваются с дифференциальным давлением, уменьшаются с вязкостью жидкости и также уменьшаются с увеличением частоты вращения насоса. Кривая расчетных характеристик, предоставленная поставщиком/изготовителем для каждой модели, отражает уровни жидкости в функции дифференциального давления и скорости насоса согласно 6.5.3. Когда эти кривые рассматриваются в сочетании с мощностью насоса, имеется в виду КПД насоса. Величины, отраженные в расчетных характеристиках, являются номинальными значениями при идеальных условиях, тогда как фактический КПД может значительно изменяться в зависимости от широкого диапазона потенциальных внутрискважинных и эксплуатационных условий.

Расчетные характеристики обычно определяются для конкретного насоса с его специфической конструкцией ротор/статор на основании функционального испытания с применением воды и в диапазоне комбинаций давления и скорости (в соответствии с приложением С). Пропускная способность и соответствующий КПД в этих графиках отражают размеры ротора и условия испытаний. Однако в большинстве случаев эти тестовые условия не отражают предполагаемых внутрискважинных условий, поскольку невозможно проводить испытания с фактическими скважинными жидкостями. Они служат, в первую очередь, для подтверждения поставленной задачи, связанной со стратегией выбора посадки ротора в статор. При наличии опыта результаты стендовых испытаний могут быть истолкованы как ожидаемые рабочие параметры при внутрискважинных условиях. Поставщики/изготовители оборудования предоставляют руководства и средства, помогающие потребителям/заказчикам в этом процессе.

КПД обычно рассчитывают исключительно на основе показателей поверхностной жидкости, без учета влияния твердых частиц и газов, а также изменений в объемах жидкости между поверхностью и забоем скважины, вследствие разности температур и давления добытой жидкости. В результате необходимо рассчитать уровень мультифазной жидкости внутри скважины на приеме насоса из жидкостных и эксплуатационных параметров, предоставленных потребителем/заказчиком. Необходимо, чтобы данный показатель жидкости использовался поставщиком/изготовителем при выборе и монтаже оборудования для обеспечения необходимого показателя поверхностной жидкости.

КПД, определяемый поставщиком/изготовителем на основе показателя поверхностной жидкости, представляет собой комбинацию КПД насоса и коэффициента потерь, возникающих из-за разности между показателем мультифазной жидкости на приеме насоса и уровнем поверхностной жидкости. Соответственно для определения фактической производительности насоса необходимо откорректировать изменения количества жидкости, подаваемой насосом, возникающие вследствие разницы давления и температуры внутри скважины и на поверхности. Наряду со способностью насосов создавать мультифазную жидкость с относительно высоким содержанием газа и твердых частиц, эти компоненты занимают объем полостей и сокращают имеющийся объем для жидкостей.

G.4 Выбор посадки ротора в статоре

Поставщики/изготовители пытаются оптимизировать конфигурацию насоса для определенных внутрискважинных условий регулировкой натяга между ротором и статором. Поскольку данная посадка влияет не только на эффективность/эксплуатационные характеристики, но также и на срок службы насоса, следует производить регулировку с должной осторожностью. Если посадка чрезмерно свободная, то герметическое уплотнение будет недостаточно плотным, чтобы уменьшить утечки жидкости, эксплуатационные характеристики будут низкими в отношении КПД насоса и общего коэффициента производительности, кроме того, возрастет внутренняя теплоотдача, которая сократит срок службы насоса. Если же посадка чрезмерно плотная, то деформация эластомера ротором будет высокой, вызывая повышенное воздействие на материал, нагрузку от трения, внутренний перегрев и износ, что вместе сокращает срок службы насоса.

Поставщик/изготовитель совместно с потребителем/заказчиком должны оценить технические требования применения и определить необходимую посадку ротора в статоре, с тем чтобы обеспечить требуемый уровень эксплуатационных показателей и срока службы. Поставщик/изготовитель располагает рядом запатентованных процедур, по которым он определяет необходимые параметры ротора для ВН.

Необходимая посадка определяется прямыми измерениями внутренних геометрических параметров статора и соответствующих размеров ротора. И наоборот, можно рассчитать посадку косвенным путем, используя результаты функционального испытания насоса для оценки технических характеристик. В обоих случаях первоначальная посадка или результаты испытания обычно не могут отражать условия, характерные для внутрискважинной эксплуатации, из-за термического и жидкостного увеличения эластомера статора в скважине. Эти условия, наряду с вязкостью жидкости, скоростью насоса, содержанием песка и давлением, принимаются во внимание при оптимизации посадки ротора для предполагаемого использования.

G.5 Предельное давление насоса

Уровень предельного давления насоса обусловлен комплексным взаимодействием между конструкцией насоса, материалом эластомера статора, свойствами жидкости и условиями эксплуатации. Поставщикам/изготовителям необходимо обозначать уровень предельного давления каждого типоразмера насоса и, в большинстве случаев, указывать номинальный уровень напора насоса. Данный показатель имеет отношение преимущественно к количеству индивидуальных полостей в конфигурации насоса, но может также зависеть и от основных геометрических параметров насоса и свойств эластомера.

Поставщики/изготовители по-разному оценивают уровень предельного давления. Для того чтобы помочь потребителю/заказчику сравнивать нестандартизированные показатели, поставщику/изготовителю необходимо предоставить для каждой конфигурации рабочих органов уровень давления в камере и число камер в зацеплении ротор-статор. Произведение этих двух параметров образует уровень предельного давления насоса. Поставщики/изготовители могут продемонстрировать целесообразность заявляемого предельного давления и соответствующего давления на полость с помощью испытания на износостойкость в соответствии с приложением С.

Взаимосвязь между подачей и давлением, развиваемым насосом, определяется в ходе стендовых испытаний, что справедливо при кратковременной работе насоса. Предельное давление насоса должно обеспечиваться в течение всего срока службы при фактических условиях эксплуатации. Для оценки способности насоса соответствовать техническим условиям по дифференциальному давлению необходимо рассматривать уровень давления в сочетании с жидкостными характеристиками (вязкость), эксплуатационными условиями (скорость насоса) и, что гораздо важнее, кратковременное (температура) и продолжительное (увеличение жидкости) влияние внутрискважинных условий на материал статора. Наряду с тем, что стендовые испытания могут количественно выразить величину предельного давления в диапазоне скоростей и температур, точно воспроизвести внутрискважинные условия практически невозможно. В этой связи указанные испытания служат лишь для того, чтобы охарактеризовать работу насоса. Измерения рабочих параметров насоса, полученные в результате стендовых испытаний, при наличии опыта могут быть истолкованы как ожидаемые рабочие параметры при внутрискважинных условиях. Поставщики/изготовители оборудования предоставляют руководства и средства, помогающие потребителям/заказчикам в этом процессе.

G.6 Крутящий момент и мощность насоса

Крутящий момент, необходимый для вращения насоса, состоит из гидравлического компонента, а также из составляющей от трения. В зависимости от конфигурации рабочих органов может иметь место постепенно нарастающий крутящий момент, связанный с вращением приводной колонны и наземного оборудования.

Компонент гидравлического крутящего момента насоса зависит от вытесненного объема и эксплуатационного дифференциального давления. Скорость насоса и КПД не влияют на компонент гидравлического крутящего момента. Соответственно, если сравнивать два насоса - один насос небольшого объема, вращающийся быстро, и большой тихоходный насос, они, вероятно, могут иметь одну и ту же подачу, но большой насос имеет крутящий момент выше, чем малый (пропорционально уровням их рабочих объемов).

Составляющая от трения крутящего момента насоса состоит из трех основных компонентов, на которые, в свою очередь, влияют многочисленные конфигурации насоса и эксплуатационные факторы, которые трудно спрогнозировать. Основными компонентами трения являются скользяще-вращающее взаимодействие между обкладкой статора и ротором, гистерезисные потери, связанные с деформацией эластомера, и утечки перекачиваемой жидкости. Скользяще-вращающее взаимодействие в значительной степени зависит от конструкции насоса, посадки ротора в статоре и смазывающей способности жидкости. Гистерезисные потери зависят, главным образом, от геометрии насоса, посадки ротора и статора и от свойств эластомера. Утечки жидкости зависят от геометрии рабочих органов насоса, подачи и вязкости жидкости. При нормальной работе момент трения обычно составляет лишь 10 - 25% от общего крутящего момента насоса. Однако в некоторых случаях, например при плотной посадке ротора в статоре из-за разбухания или в высоковязкой жидкости, этот показатель существенно увеличивается.

Мощность, необходимая для работы ВН, напрямую зависит от развиваемого крутящего момента и от частоты вращения. В этой связи, если малообъемному быстроходному насосу может понадобиться низкий крутящий момент по сравнению с тихоходным насосом повышенного рабочего объема и если они развивают одинаковую подачу при одинаковом дифференциальном давлении, то уровень мощности будет также одинаковым.

Поставщики/изготовители предоставляют графики рабочих характеристик для каждой конфигурации насоса, которые показывают, наряду с другими параметрами, крутящий момент и мощность, находящиеся в прямой зависимости от дифференциального давления и скорости насоса. Величины, указанные на графиках рабочих характеристик, являются относительными, полученными при идеальных условиях. Фактические показатели крутящего момента и мощности могут значительно отличаться, в зависимости от широкого диапазона потенциальных внутрискважинных и эксплуатационных условий. Крутящий момент и мощность насоса также обычно отражаются на кривой рабочих характеристик насоса в соответствии с приложением С. Поскольку условия функционального испытания не отражают предполагаемых скважинных условий, соответствующие величины крутящего момента и мощности должны применяться также осторожно. Поставщики/изготовители оборудования предоставляют руководства и средства, помогающие потребителям/заказчикам в выборе соответствующих величин крутящего момента и мощности для внутрискважинных условий.

G.7 Общий КПД насоса

ВН часто упоминаются в связи с их наивысшим уровнем эффективности в системах механизированной добычи. Если измерять общий КПД системы в диапазоне от наименьшего уровня 20% до наибольшего 80%, то КПД винтовых насосов колеблется в диапазоне от 55% до 70%. Общий КПД системы - это продукт индивидуальных показателей эффективности работы наземного оборудования, приводной колонны и скважинного насоса.

Для общего КПД насоса , выраженного в процентах, - это отношение полезной гидравлической мощности к подводимой мощности. Гидравлическая мощность - это функция уровня подачи на выходе насоса и дифференциального давления. Подводимая мощность представляет собой функцию крутящего момента и скорости насоса. Обычно расчет производится по формуле

,

(G.2)

где V - подача при данном дифференциальном давлении, ;

- дифференциальное давление, МПа;

- крутящий момент на валу, ;

- скорость вала, об/мин.

В связи с объемным типом ВН объемные потери напрямую влияют на общий КПД, так как они не способствуют гидравлической мощности, но требуют ее подвода. Продемонстрировать это можно исследованием рабочих характеристик насоса, которые показывают, что измеренный крутящий момент и мощность существенно не изменились даже при большом сокращении пропускной способности. В результате максимальный общий КПД системы будет всегда ниже, чем объемный КПД. В дополнение к объемным потерям трение насоса также влияет на снижение общего КПД. Согласно разделу G.6, основные компоненты трения в насосе включают скользяще-вращающее взаимодействие между статором и ротором, гистерезисные потери, связанные с деформацией эластомера, и утечки в рабочей паре. При нормальных условиях работы для большинства насосов момент трения сокращает КПД на 10% - 25%.

G.8 Изменения условий эксплуатации

Обычно ВН предназначаются для работы в определенных эксплуатационных условиях. Изменения рабочих характеристик, например изменение свойств или состава жидкости и изменения наземных объектов, может сделать ВН непригодным для новых условий. Кроме того, почти все насосы извлекают из одной скважины и помещают в другую. Потребителю/заказчику необходимо обеспечить соответствие оборудования новым эксплуатационным условиям, так как большинство изменений технических условий напрямую влияет на эффективность работы и на продолжительность службы ВН.