CC BY
8УДК 621.51
А.И. Ходырев, д.т.н. профессор, e-mail: hodirev.a@gubkin.ru;
A.А. Филиппов, e-mail: umnagolova@yandex.ru, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина;
B.Н. Мартынов, к.т.н., генеральный директор, НПК «РАНКО», e-mail: ranko@co.ru
АНАЛИЗ НЕРАВНОМЕРНОСТИ МГНОВЕННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ДИНАМИКИ ПРИВОДНОЙ ЧАСТИ БУСТЕРНЫХ НАСОСНОКОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК
Представлены результаты исследования производительности и динамики приводной части бустерных насосно-компрессорных установок на базе плунжерных и поршневых насосов. Расчеты позволили сравнить параметры установок на базе трехплунжерного насоса одностороннего действия и двухпоршневого насоса двухстороннего действия.
Для повышения нефтеотдачи пластов и утилизации попутного нефтяного газа в ряде случаев целесообразно применять так называемые бустерные насосно-компрессорные установки (НКУ), которые позволяют дожимать неочищенный попутный нефтяной газ до высокого давления и закачивать его в пласт [1].
НКУ представляют собой установки, выполненные на базе поршневых или плунжерных насосов, в которых сжатие газа происходит в специальных компрессионных камерах, установленных на цилиндрах насоса, а роль поршня для сжатия газа выполняет жидкость (см. рис. 1). В состав НКУ входят: насос-компрессор, включающий основной (базовый) поршневой или плунжерный насос с размещенными на его цилиндрах бустерными камерами, привод, питательный насос, осуществляющий подачу жидкости в цилиндры основного насоса. В ряде случаев в состав НКУ может входить компрессор, подающий газ в бустерные камеры.
В связи с тем что отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются НКУ как на базе трехпоршневых или трехплунжерных насосов одностороннего действия (триплексов), так и на
базе двухпоршневых насосов двухстороннего действия (дуплексов), весьма интересной задачей является сравнение неравномерности мгновенной производительности и динамики приводной части этих установок.
Общеизвестно, что среди насосов имеет более равномерную подачу триплекс. По умолчанию многими предполагается, что это справедливо и для НКУ. А так ли это на самом деле, стоит разобраться. Рабочий процесс в бустерной камере,
Рис. 1. Схема НКУ для нагнетания ГЖС
происходящий за один оборот коленчатого вала насоса, разбивается на пять стадий - расширения, всасывания, сжатия, выталкивания газа, выталкивания жидкости.
Для сравнения неравномерности мгновенной производительности и динамики приводной части триплексных и дуплексных НКУ использована математическая модель, описанная в работе [2], реализованная в виде программ в среде MathCad. При этом для описания процессов, происходящих в компрессионной камере, приняты следующие допущения: газ подчиняется законам идеального газа, клапаны открываются и закрываются мгновенно и полностью, утечки газа и жидкости отсутствуют. При этом пятая стадия рабочего процесса не рассматривается, так как при работе НКУ из рабочей полости выталкивается сравнительно немного жидкости (всего 2-5% от рабочего объема базового насоса), и это слабо влияет на неравномерность мгновенной производительности.
Состояние газа в цилиндре характеризуется текущими значениями - объема, массы, температуры и давления. Для нахождения этих параметров в моделях используются следующие уравнения: состояния, первого начала термодинамики тела переменной массы, теплообмена. Кроме того, используются известные зависимости для описания кинематики кривошипно-шатунного механизма.
Использованные зависимости позволяют определить текущие значения ис-
Рис. 2. Графики зависимости мгновенной производительности от угла поворота кривошипа НКУ при £ =3 : а) триплексная НКУ, б) дуплексная НКУ
Рис. 3. Графики зависимости мгновенной производительности от угла поворота кривошипа НКУ при е = 1,4: а) триплексная НКУ, б) дуплексная НКУ
1.4 3 6 10
Степень повышения давления
Рис. 4. График зависимости степени неравномерности мгновенной производительности от степени повышения давления для триплексной и дуплексной НКУ
комых переменных, зависящих от угла поворота кривошипа, построить индикаторную и температурную диаграммы рабочего процесса в НКУ.
По текущим значениям определяются интегральные параметры,характеризующие работу НКУ: массовая производительность, индикаторная мощность.
Для характеристики неравномерности мгновенной производительности использовались такие параметры, как коэффициент неравномерности и степень неравномерности мгновенной производительности, которые вычислялись по формулам (1) и (2) соответственно:
М - М ■ , ,
Ф — тах т1П (1)
^ср
(2)
1 *ср
где МтаХ, Мт(п, Мср - соответственно максимальная, минимальная и средняя мгновенные производительности НКУ.
Анализ неравномерности мгновенной производительности моделей НКУ на базе триплекса и дуплекса показал, что и для триплекса, и для дуплекса с увеличением степени повышения давления возникают и растут промежутки времени, в течение которых ни в одной камере нет процесса выталкивания газа, т.е. газ поступает в сборный коллектор порциями.
Причем при наиболее часто встречающемся диапазоне степени повышения давления е = 3-3.5 эти промежутки при работе триплексной НКУ больше, чем при работе дуплексной НКУ (рис. 2а, 2б). При этом данные разрывы исчезают у дуплексной НКУ при е = 2.3, а у триплексной лишь при е « 1.4 (рис. 3а).
На рисунке 4 показан график зависимости степени неравномерности мгновенной производительности от степени повышения давления для триплексной и дуплексной НКУ, из которого следует, что НКУ на базе дуплекса характеризуется меньшей неравномерностью мгновенной производительности. Так, например, при изменении е в широком диапазоне (от 1,4 до 10) степень неравномерности дуплексной НКУ в 1,07-1,31 раза ниже, чем триплексной НКУ.
Рис. 5. Диаграммы изменения момента сопротивления за цикл для дуплексной НКУ ^с =2 МПа, е = 5, k = 0,2; 0,4; 0,6, по6 =1,5 с-1)
Рассмотрим далее динамические процессы приводной части исследуемых установок.
Известно, что насос-компрессор противодействует приводному двигателю с моментом сопротивления, складывающимся из крутящего момента, действующего на кривошип, и момента сопротивления во вращающихся парах [3]. Переменная величина момента сопротивления отрицательно сказывается на работе привода установки. Особенно негативными являются режимы, при которых периодически возникают обратные моменты.
Для характеристики неравномерности момента сопротивления на коренном валу установки использовалась степень неравномерности момента сопротивления, которая вычислялась по формуле:
где Мтах, Мср - соответственно максимальный и средний момент сопротивления на коренном валу установки.
На вид диаграммы момента сопротивления на коренном валу для дуплексной НКУ существенное влияние оказывает значение коэффициента соотношения диаметра штока к диаметру поршня к. При увеличении к от 0,2 до 0,6 значе-
ние прямого момента сопротивления на коренном валу установки для стадий расширения и всасывания в первом цилиндре снижается в 3 раза, а для стадий сжатия и выталкивания остается таким же (рис. 5).
Рис. 6. Диаграммы изменения момента сопротивления за цикл для НКУ (рвс =2 МПа, а) е =3, б) е =6, поб =2 с-1):
Мтрипл - триплексная НКУ, Мдупл - дуплексная НКУ
Анализ динамических процессов в кривошипно-шатунном механизме НКУ показал, что на вид диаграммы момента сопротивления существенное влияние оказывают степень повышения давления (е) и относительный остаточный объем газа (X). Увеличение е и X приводит к существенному повышению неравномерности момента сопротивления на коренном валу. При этом из-за суммирования моментов, создаваемых в отдельных рядах установки, неравномерность суммарного момента сопротивления значительно меньше, чем для одного цилиндра.
Рассмотрим условия возникновения обратного момента. При некоторых исходных условиях (рвс = 2 МПа, е = 3-6, поб = 2 с-1, X = 1,5%) и у дуплексной, и у триплексной НКУ обратный момент отсутствует (рис. 6а, 6б), но с увеличением е и X нижняя граница диаграммы момента сопротивления приближается к нулю. Как показали расчеты, и у дуплексной и у триплексной НКУ при увеличении X повышается вероятность возникновения обратного момента (рис. 7, 8), снижается максимальная степень повышения давления, соответствующая условию отсутствия обратного момента. Необходимо отметить, что при одинаковых X у дуплексной НКУ максимальная степень повышения давления при условии отсутствия обратного момента выше, чем у триплексной, в 1,26-1,46 раза (рис. 9).
Для триплексной НКУ диаграмма момента сопротивления на коренном валу
Рис. 7. Диаграмма изменения момента сопротивления за цикл для триплексной НКУ (рвс =2 МПа, £ = 10, поб =2 с-1, 1 - X = 1,5%, 2 - X =3,0%, 3 - X =4,5%)
I 5-105
М1сопр М2соц> 5„|04 МЗсопр
-5.104
/// /7 А /А / \ /•/ \ г \ /;/ \ \ / \ \ ///
/ /\ /••’/ \ / • / \ / / / \ У / •’ / \ / V// /\ /' /••/ \ /// Л-7 \ /У / V// / XV \ /// \ /// \ /;/ \ 1-1 \ /■1 V/
V/
Рис. 8. Диаграмма изменения момента сопротивления за цикл для дуплексной НКУ (рвс =2 МПа, е = 10, поб = 1,5 с-1, 1 - X =1,5%, 2 - X =3,0%, 3 - X =4,5%)
имеет одинаковый вид для всех трех цилиндров, а для дуплексной НКУ момент сопротивления на коренном валу установки во время стадий расширения и всасывания в первом цилиндре имеет меньшие значения, чем на стадиях сжатия и выталкивания для того же цилиндра.
При увеличении степени повышения давления от 3 до 6 у триплексной НКУ нижняя граница диаграммы момента сопротивления на коренном валу снижается в 2,57 раза, а у дуплексной - в 1,34 раза, при этом пиковые значения диаграммы и у триплексной, и у дуплексной НКУ увеличиваются примерно в 2 раза.
Характер зависимости неравномерности момента сопротивления на коренном валу установки от степени повышения давления можно проследить по рисунку 10, из которого следует, что НКУ на базе дуплекса характеризуется меньшей неравномерностью момента сопротивления: при изменении б в широком диапазоне (от е = 1.53 до е = 10) степень неравномерности дуплексной НКУ на 0-20% ниже, чем триплексной НКУ.
Таким образом, проведенное моделирование позволяет сделать вывод о том, что дуплексная НКУ характеризуется более равномерной мгновенной производительностью и моментом сопротивления на коренном валу установки, чем триплексная. В этой связи по этим двум параметрам дуплексные НКУ являются более предпочтительными в широком диапазоне начальных параметров.
Рис. 9. График зависимости максимальной степени повышения давления от относительного остаточного объема газа при условии отсутствия обратного момента ^ =2 МПа, п,^,, =1,5 с-1, п^пл =2 с-1)
Рис. 10. График зависимости степени неравномерности момента сопротивления на коренном валу установки от степени повышения давления для триплексной и дуплексной НКУ
Литература:
1. Чубанов О.В., Харланов С.А., Нургалиев Р.Г. Разработка и внедрение водогазовых методов повышения нефтеотдачи в ОАО «РИТЭК» // Территория НЕФТЕГАЗ. - 2008. - №9. - С. 42-48.
2. Ходырев А.И., Мартынов В.Н. Математическое моделирование работы насосно-компрессорной установки для нагнетания газожидкостных смесей // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - №4. - С. 19-22.
3. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. - М.: КолосС, 2006. - 456 с.
4. Бустерная опрессовка магистральных и промысловых газопроводов природным газом / И.В. Белей, В.Г. Карлов, Ю.С. Лопатин, В.Н. Мартынов, С.П. Олейник// Транспорт и подземное хранение газа. - 1997. - №5. - С. 10-18.
5. Мартынов В.Н. Исследование работы насосно-компрессорной установки с жидкостным поршнем// Нефть, газ и бизнес. - 2009. - №6. - С. 52-55.
6. Мартынов В.Н. Разработка и исследование мобильного нефтегазопромыслового оборудования для нагнетания газов и многофазных сред// Дисс. канд. техн. наук. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. - 2009. - 230 с.
Ключевые слова: НКУ, бустер, неравномерность, динамика, триплекс, дуплекс, ГЖС.
