Насосная установка

04 29/06, 04 29/58 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Закрытое акционерное общество Гидродинамика(73) Патентообладатель Закрытое акционерное общество Гидродинамика(57) Насосная установка, преимущественно для закачки воды в нефтяной пласт, содержащая главный и дополнительный электронасосы, соединенные трубопроводами с расходной емкостью и потребителем, причем главный электронасос снабжен охлаждением и выполнен с двумя блоками насосных ступеней, рабочие колеса которых установлены с нагнетанием последних навстречу друг другу, при этом подшипники насоса выполнены гидростатическими со смазкой перекачиваемой жидкостью, а осевая опора ротора выполнена на гидравлическую пяту, расположенную между напорными полостями первого и второго блоков, отличающаяся тем, что электродвигатель главного электронасоса подключен к сети электропитания через преобразователь, повышающий частоту электрического тока, вал электродвигателя соединен с валом насоса элементами, передающими осевое усилие и крутящий момент, при этом каждый из валов установлен на двух радиальных гидростатических подшипниках, а полости внутренних подшипников электродвигателя и насоса разделены уплотнением, дополнительный насос снабжен дополнительной ступенью, вход которой соединен с полостью нагнетания основной ступени этого насоса, а выход - с радиальными гидростатическими подшипниками, при этом электродвигатель главного насоса выполнен с воздушным 2500 1 охлаждением, а сливные полости подшипников вала электродвигателя главного насоса соединены с всасывающей камерой инжектора, активное сопло которого подключено к трубопроводу слива жидкости из полости крышки наружного подшипника, при этом выход из инжектора соединен с расходной емкостью,вход в первую насосную ступень главного электронасоса размещен со стороны внутреннего радиального подшипника вала насоса, а главный насос снабжен разгрузочной полостью, которая размещена между входом жидкости во второй блок насосных ступеней и наружным радиальным подшипником вала насоса,при этом слив жидкости из разгрузочной полости и этого подшипника выполнен в полость крышки наружного подшипника.(56) 1. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование.-М. Машиностроение, 1977. 2. Технология и техника добычи нефти / Под ред. Мирзаджанзаде А.Х.-М.Недра, 1986. 3. А.с. СССР 1712668, МПК 04 29/60, 1992. 4. А.с. СССР 1028900, МПК 04 29/58, 1983 (прототип). Изобретение относится к насосостроению, преимущественно к насосам высокого давления, предназначенным для закачки в нефтеносный пласт воды, выравнивающей падение пластового давления в процессе добычи нефти. При этом необходимо помимо высокого давления обеспечить достаточно большую подачу. Известны насосы для закачки воды в нефтеносные пласты, например, многоступенчатые насосы типа ЦНС 180 1. Известный насос выполнен однокорпусным, секционного типа с односторонним расположением рабочих колес. Осевое усилие ротора этого насоса воспринимается гидравлической пятой, а радиальные подшипники выполнены выносными со смазкой от специальной маслосистемы. Однако, с увеличением пластового давления надежность работы известного насоса недопустимо снижается, т.к. с увеличением напора и соответственно количества ступеней свыше 16 ротор насоса становится гибким, габариты насосной установки значительно увеличиваются. Известные насосные установки для поддержания пластового давления представляют собой сложные инженерные сооружения 2. Как правило, они содержат главные электронасосы, создающие высокие давления и соединенные трубопроводами с расходной емкостью, в которой находится подготовленная к закачке в пласт вода, и с оголовком скважины. Кроме того, в насосных установках используют насосы предварительного подъема или бустерные насосы, обеспечивающие поддавливание на входе в главный насос. Однако, как уже упоминалось, известные насосы, используемые в таких установках (ЦНС-180, ЦНС 500), недостаточно надежны при повышенных пластовых давлениях и мало эффективны из-за несовершенства их конструкции в части восприятия нагрузок, возникающих на роторе при повышенных давлениях. Известны также технические решения, позволяющие с помощью многоступенчатого насоса создавать высокое давление и при этом практически полностью уравновесить ротор электронасоса, разгрузив его подшипники от гидравлических сил, как это, например, выполнено в Герметичном лабиринтном электронасосе по 3. В известном электронасосе четное число ступеней, которые установлены в двух блоках, размещено на роторе симметрично при встречном направлении напора, создаваемого каждым из блоков. Охлаждение электродвигателя и смазка подшипников этого насоса выполнено перекачиваемой жидкостью. Однако,для таких давлений, которые необходимо создавать при закачке в нефтяной пласт воды, известный насос не обеспечивает надежной работы из-за роста величины неуравновешенных гидравлических сил и потере жесткости ротора, т.к. увеличение создаваемого насосом напора значительно увеличивает протяженность насосных ступеней в каждом блоке и протяженность ротора недопустимо увеличивается. Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности существенных признаков является Система охлаждения и смазки электродвигателя и опор герметичного насоса по 4, которая принята за прототип. Насосная установка содержит главный и дополнительный электронасосы, соединенные трубопроводами с расходной емкостью и потребителем, причем главный электронасос снабжен охлаждением и выполнен с двумя блоками насосных ступеней, рабочие колеса которых установлены с нагнетанием последних навстречу друг другу, при этом подшипники насоса выполнены гидростатическими со смазкой перекачи 2 2500 1 ваемой жидкостью, а осевая опора ротора выполнена на гидравлическую пяту, установленную между напорными полостями первого и второго блоков. Установка может обеспечить создание высокого давления при увеличении количества насосных ступеней в каждом блоке главного электронасоса, однако, при использовании ее для закачки воды в пласт надежность работы недостаточна, недостаточна также и эффективность насосной установки из-за низкого КПД герметичного электродвигателя главного насоса и неоптимальной его системы смазки подшипников и охлаждения. Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание специализированного насосного агрегата для закачки воды в пласт под повышенным давлением, имеющего лучшие техникоэкономические характеристики. В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в повышении надежности работы при повышенных давлениях, а также в увеличении эффективности насосной установки. Этот технический результат получен в результате того, что в насосной установке, предназначенной преимущественно для закачки воды в нефтяной пласт, содержащей главный и дополнительный электронасосы, соединенные трубопроводами с расходной емкостью и потребителем, причем главный электронасос снабжен охлаждением и выполнен с двумя блоками насосных ступеней, рабочие колеса которых установлены с нагнетанием последних навстречу друг другу, при этом подшипники насоса выполнены гидростатическими со смазкой перекачиваемой жидкостью, а осевая опора ротора выполнена на гидравлическую пяту, установленную между напорными полостями первого и второго блоков, согласно изобретению, электродвигатель главного электронасоса подключен к сети электропитания через преобразователь, повышающий частоту электрического тока, вал электродвигателя соединен с валом насоса элементами, передающими осевое усилие и крутящий момент, при этом каждый из валов установлен на двух радиальных гидростатических подшипниках, а полости внутренних подшипников электродвигателя и насоса разделены уплотнением, дополнительный насос снабжен дополнительной ступенью, вход которой соединен с полостью нагнетания основной ступени этого насоса, а выходс радиальными гидростатическими подшипниками, при этом электродвигатель главного насоса выполнен с воздушным охлаждением, а сливные полости подшипников вала электродвигателя главного насоса соединены с всасывающей камерой инжектора, активное сопло которого подключено к трубопроводу слива жидкости из полости крышки наружного подшипника, при этом выход из инжектора соединен с расходной емкостью,вход в первую насосную ступень главного электронасоса размещен со стороны внутреннего радиального подшипника вала насоса, а главный насос снабжен разгрузочной полостью, которая размещена между входом жидкости во второй блок насосных ступеней и наружным радиальным подшипником вала насоса, при этом слив жидкости из разгрузочной полости и этого подшипника выполнен в полость крышки наружного подшипника. Отличительной особенностью заявляемого изобретения является прежде всего выполнение электродвигателя главного насоса с повышенной частотой электропитания, подключение его к сети электропитания через преобразователь, повышающий частоту электрического тока. Увеличение частоты электрического тока и, как следствие, повышение скорости вращения ротора, влечет за собой ряд особенностей как конструкции самого главного электронасоса, так и конструкции насосной установки в целом. Кроме того, так как для закачки в пласт воды требуется довольно-таки большая мощность (мощность главного электронасоса заявляемой установки 500 кВт), наличие преобразователя позволяет выполнить частоту электропитания регулируемой, что обеспечит требуемую надежность запуска главного электронасоса. Повышенная на рабочем режиме скорость его вращения позволяет обеспечить высокую эффективность для создания требуемых напора и подачи при закачке в нефтяной пласт воды под повышенным давлением (до 32 МПа). Увеличенная частота электропитания (до 400 Гц) при большой мощности электродвигателя требует применения специальных электротехнических материалов в электродвигателе, что оказывается возможным благодаря другим отличительным особенностям, а именно, благодаря выполнению ротора главного электронасоса составным, для чего вал электродвигателя соединен с валом специальным упором и зубчатой муфтой, т.е. элементами, передающими только осевое усилие и крутящий момент, и благодаря установке вала на два радиальных гидростатических подшипника с разделением полостей внутренних подшипников электродвигателя и насоса уплотнением. При этом появляется возможность разрешить возникающее при переходе на новые материалы в электродвигателе противоречие для обеспечения высокой 2500 1 надежности роторной системы подшипники должны быть гидростатическими, а для увеличенной частоты электропитания жидкости в полостях электродвигателя не должно быть. В заявляемом насосе это противоречивое требование выполняется следующими отличительными признаками вход жидкости во все радиальные гидростатические подшипники ротора, как в подшипники насоса, так и в подшипники электродвигателя, соединен с нагнетанием дополнительной ступени дополнительного насоса, в которую выполнен отбор части жидкости из полости нагнетания основной ступени этого насоса, а сливные полости подшипников вала главногоэлектродвигателя соединены с всасывающей камерой инжектора, активное сопло которого подключено к трубопроводу рециркуляции жидкости из полости крышки наружного подшипника - на вход в главный электронасос, при этом выход из инжектора соединен с расходной емкостью. Таким образом обеспечена высокая надежность работы подшипников электродвигателя. Охлаждение электродвигателя при этом обеспечивается известными, хорошо отработанными средствами в полостях электродвигателя образован воздушный контур, продуваемый установленным на валу вентилятором, что обеспечивает отвод тепла от элементов электромагнитной системы (зазор между статором и ротором электродвигателя, обмотка статора, лобовые части обмотки). Воздушное охлаждение позволяет использовать для элементов электромагнитной системы традиционные электротехнический материалы, обеспечивающие надежность работы при увеличенной частоте электрического тока. При этом осевые силы, возникающие в электродвигателе, воспринимаются специальным замковым устройством и передаются на гидравлическую пяту насоса. Жидкость, поступающая в электродвигатель, в его пределах удерживается внутри трубопроводов и каналов, т.к. сливные полости подшипников соединены с всасывающей камерой инжектора, вытекающая через зазоры гидростатических подшипников смазка тут же отсасывается. Другие отличительные признаки заявляемой насосной установки повышают надежность работы главного насоса, обеспечивая при этом экономичность установки в целом. Наличие дополнительного насоса позволяет исключить кавитационные явления на входе в главный электронасос, что особенно существенно при увеличенных числах оборотов ротора. При этом внутренний подшипник вала насоса оказывается под перепадом давления создаваемого дополнительной насосной ступенью дополнительного насоса (без учета разности потерь давления по трактам подачи жидкости), что обеспечивает работу подшипника в гидростатическом режиме при минимальных затратах мощности на прокачку. Принцип экономии затрат на прокачку жидкости через зазоры реализуется также в особенностях размещения разгрузочной полости и наружного радиального подшипника вала насоса, которые установлены со стороны входа жидкости во второй блок насосных ступеней, т.е. при промежуточном давлении, создаваемом насосом. При этом слив жидкости из разгрузочной полости и наружного радиального подшипника выполнен в полость крышки, которая соединена с активным соплом инжектора, что обеспечивает как гидравлическую разгрузку ротора от осевых сил, так и необходимый перепад давления на наружном гидростатическом подшипнике. Таким образом, предложенная насосная установка обеспечивает повышение надежности работы при повышенных давлениях подаваемой в пласт воды. На фигуре представлен схематичный чертеж заявляемой насосной установки. Установка содержит дополнительный 1 и главный 2 электронасосы, соединенные трубопроводами с расходной емкостью 3 и оголовком скважины 4. Главный электронасос 2 выполнен с четным числом насосных ступеней (на фиг. 1 изображено четыре центробежные ступени), рабочие колеса которых установлены в два симметричных блока 5 и 6 таким образом, что напор первого блока 5 направлен навстречу напору второго блока 6. Ротор электронасоса выполнен составным из вала электродвигателя 7 и вала насоса 8, которые соединены с помощью специального упора 9, передающего осевые усилия, и муфты 10, передающей крутящий момент, при этом полости насоса отделены от полости электродвигателя 11 уплотнением 12. Вал 7 электродвигателя установлен на радиальных гидростатических подшипниках 13, а осевые силы, возникающие на элементах электродвигателя, передаются через упор 9 на вал 8 насоса. Вал 8 насоса установлен также на двух радиальных гидростатических подшипниках внутреннем - 14 и наружном - 15. Для восприятия осевых нагрузок главный электронасос снабжен гидравлической пятой 16,установленной между напорными полостями 17 первого и 18 второго блоков, при этом протечку через пяту ограничивает щелевое уплотнение 19. Для снижения осевой силы на гидравлическую пяту 16 ротор снабжен разгрузочным поршнем 20, разгрузочная полость которого размещена между полостью 21 входа жидкости во второй блок 6 и наружным радиальным подшипником 15. При этом слив из разгрузочной 4 2500 1 полости поршня 20 и наружного подшипника 15 выполнен в полость 22 крышки, для чего предусмотрены каналы 23. Полость 22 соединена трубопроводом с активным соплом инжектора 31. Дополнительный насос 1 снабжен дополнительной лабиринтовинтовой ступенью 26, дожимающей часть перекачиваемой этим насосом жидкости, вход в которую соединен с полостью 24 нагнетания основной ступени дополнительного насоса, а выход соединен через фильтр 27 с радиальными гидростатическими подшипниками 13 - электродвигателя и 14, 15 - главного насоса. Электронасосы 1 и 2 подключены к системе электроснабжения 28 электродвигатель 29 дополнительного насоса 1 - известным способом, с помощью коммутирующей аппаратуры при стандартной частоте электропитания в 50 Гц, а электродвигатель 11 главного насоса 2 - через устройство преобразования и регулирования частоты тока электропитания, преобразователь 30. Трубопровод рециркуляции жидкости из полости 22 подключен к активному соплу инжектора 31, к всасывающей камере которого подключены сливные полости гидростатических подшипников 13 электродвигателя 11. Выход из инжектора 31 соединен с расходной емкостью 3, что позволяет направить в нее жидкость из полостей электродвигателя 11. При этом для охлаждения элементов высокочастотной электромагнитной системы электродвигателя (обмотки статора, его лобовые части, зазор между статором и ротором) с помощью воздуховодов 32 организован воздушный тракт охлаждения, включающий вентилятор 33. Заявляемая насосная установка работает следующим образом. Известным способом подают воду в расходную емкость 3 от ее источника 2. Подают электропитание в систему 28 электроснабжения и включают электродвигатель 29 дополнительного насоса 1. Устанавливают регулятор частоты преобразователя 30 в исходное положение и включают электродвигатель 11 при стандартной частоте тока электропитания в 50 Гц. С помощью дополнительного насоса 1 подают воду из его полости нагнетания 24 основной ступени в полость всасывания 25 главного электронасоса. Дополнительная ступень 26 дополнительного насоса подает воду при более высоком давлении (давление нагнетания основной ступени дополнительного насоса 7,2 атм., дополнительной ступени - 17 атм.) через фильтр 27, в котором вода очищается от загрязнений, в гидростатические подшипники 13, 14, 15. Происходит заполнение главного насоса и раскручивание его ротора, задвижка на напорном трубопроводе (на фигуре не показана) при этом остается закрытой. С помощью регулятора частоты преобразователя 30 увеличивают частоту тока электропитания и раскручивают при этом ротор электронасоса 2 до заданных оборотов (15000 об/мин). При достижении заданного давления в напорной полости 18 (320 кг/см 2) задвижку на напорном трубопроводе открывают и подают воду в оголовок скважины 4, откуда вода поступает в нефтеносный пласт. Тепло, выделяющееся при работе в элементах электромагнитной системы электродвигателя 11, отводят с помощью системы воздушного охлаждения с вентилятором 33. который, как это схематично показано на фиг.1, по воздуховоду 32 продувает зазор между статором и ротором, обдувает лобовые части обмоток статора. 2500 1 Для предотвращения попадания жидкости, которой смазывают подшипники 13, на элементы высокочастотной электромагнитной системы электродвигателя 11 жидкость из сливных полостей подшипников 13 отсасывают во всасывающую камеру инжектора 31, создающего разрежение за счет активного потока,поступающего в его сопло из трубопровода рециркуляции жидкости от полости 22. Из инжектора 31 жидкость поступает в расходную емкость 3. Повышенная частота тока электропитания электродвигателя 11 требует применения специальных электротехнических материалов и для обеспечения надежности полость электродвигателя 11 отделена от полости насоса уплотнением 12. За счет использования воздушной системы охлаждения обеспечивается надежная работа электродвигателя при повышенной частоте тока, а за счет применения гидростатических подшипников 13 и передачи осевых сил через упор 9 на гидравлическую пяту 16 обеспечивается надежная работа роторной системы электродвигателя. Таким образом, особенности опор главного электронасоса обеспечивают надежность работы его роторной системы. Внутренний подшипник 14 работает под перепадом давления, создаваемым дополнительной ступенью 26 дополнительного насоса 1, т.к. слив отработанной в нем жидкости выполнен в полость 25 - всасывания главного электронасоса, что обеспечивает его хорошую смазку при минимальных энергозатратах на прокачку системы гидростатического подшипника. Наружный подшипник 15 работает под полным перепадом давления, создаваемым дополнительным насосом 1, что увеличивает его жесткость и обеспечивает радиальную жесткость всей роторной системы. Гидравлическаяпята 16 работает под перепадом давления, создаваемым всеми ступенями второго блока 6 насосных ступеней главного электронасоса (что составляет около 160 атм.), а разгрузочный поршень 20, который установлен между разгрузочной полостью и сливной полостью верхней крышки 22, работает также под большим перепадом давления (около 160 атм.), создаваемым всеми насосными ступенями первого блока 5 и дополнительным насосом 1, что обеспечивает высокую осевую жесткость ротора, позволяет, соединив вал 7 электродвигателя и вал 8 насоса с помощью передающего осевые силы специального упора 9, обеспечить надежную работу всего ротора главного электронасоса при оборотах(до 15000 об/мин), создаваемых питанием электродвигателя 11. Таким образом, в сравнении с известными насосными установками, заявляемая насосная установка обладает более высокой надежностью работы, имеет меньшие габариты и более высокую эффективность при закачке в пласт воды при повышенном (до 320 атм.) давлении. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.