Новые насосы для систем поддержания пластового давления, насосы для перекачивания мультифазных сред с содержанием газа до 95%

6 - 9 сентября 2011, СумГУ, г. Сумы, Украина XIII Международная научно-техническая конференция “ГЕРВИКОН-2011”

Международный форум “НАСОСЫ-2011” Семинар “ЭККОН-11”

Федцов Ф.В.

АННОТАЦИЯ

С 1995 года для ОАО «Воткинский завод» изготовление насосного оборудования является основным направлением в производстве нефтегазового оборудования. За короткое время освоено производство насосов для системы ППД производительностью от 25 до 240 м3/ч, напором от 700 до 2100 метров. В настоящее время проводятся опытно-конструкторские работы по созданию насоса гелико-осевого типа для использования в системах утилизации попутного газа с возможностью перекачки газожидкостных смесей с объемным содержанием газа до 95%.

Ключевые слова: центробежный насос, гелико-осевой насос, консольный насос

На сегодняшний день ОАО «Воткинский завод» является многопрофильным предприятием, развивающимся по различным направлениям. На заводе освоено изготовление следующей продукции: оборудование для АЭС, холодильное оборудование, металлорежущее оборудование, товары народного потребления, оборудование для добычи и транспорта нефти и газа.

Одним из ключевых направлений в производстве нефтегазового оборудования для «Воткинского завода» является насосное оборудование для систем поддержания пластового давления. Первые насосы ЦНС 63-1400 на предприятии были изготовлены по заявке нефтяной компании «Удмуртнефть» в 1995 году. После успешных промысловых испытаний и организации серийного производства первой модели насосного агрегата, в кратчайшие сроки был освоен номенклатурный ряд насосов производительностью от 25 до 240 м3/ч, напором от 700 до 2100 метров. В течение всех шестнадцати лет производства насосов ЦНС проводилась кропотливая работа по модернизации изделий, улучшению конструкции, применению новых энергосберегающих технологий и материалов.

Так появились модификации насосов:

• с принудительной системой охлаждения подшипниковых узлов;
• с картерной смазкой и охлаждением масла перекачивающей средой;
• с воздушным охлаждением подшипниковых узлов;
• насосы со встроенными подшипниками из полимерных и композиционных материалов, не требующие дополнительного охлаждения, что упростило обслуживание в процессе эксплуатации, позволило значительно улучшить вибрационные характеристики и повысить наработку на отказ в 1,5-2 раза;
• с применением плавающих щелевых колец с уменьшенными щелевыми зазорами, что позволило исключить одну секцию и повысить КПД насоса до 3%.

Достижением последних лет явилось оперативное освоение насосов ЦНС 180 и ЦНС 240 с напором от 1000 до 2100 метров. Конструкция насосов разработана ООО «КТБ «Техно-Прогресс», г. Уфа на базе серийных насосов типа ЦНС 63. Использование отработанных и проверенных в эксплуатации базовых узлов и деталей, таких как: валы, подшипники, узел гидроразгрузки, торцевые уплотнения и других деталей позволило в сжатые сроки создать новые типоразмеры выпускаемого параметрического ряда – ЦНС 180, ЦНС 240, а широкая унификация конструкции во время эксплуатации обеспечила низкий уровень расходов на ремонт и энергопотребление.

Полученные в процессе промысловых испытаний показатели технической и энергетической эффективности подтвердили, заложенные в ТЗ, улучшенные характеристики. Так, напорная характеристика более пологая при подачах, превышающих номинальную, а значение к.п.д. на номинальной подаче составило более 78 %. Рабочая часть характеристики насоса расширена до Qmax=1,2×Qн.

Одним из немаловажных факторов является массо-габаритные характеристики насоса. Так у ЦНС 180, ЦНС 240 масса меньше на 20 ¸ 27 %, а удельная масса (кг/кВт), являющаяся показателем материалоемкости, снизилась до 18 ¸ 22 %, соответственно и стоимость насоса меньше. В основном это стало возможным за счет радиальных размеров по секциям, при этом внешний диаметр проточной части ступени остался как на «базовых» насосах, равным Æ 385 мм (против Æ 410 мм у насосов других производителей).

Очередной новинкой, освоенной ОАО «Воткинский завод» (конструкция агрегата разработана ГУП «ИПТЭР», г. Уфа) является насосный агрегат малой производительности ЦНСА 25-1400 … 2100, с оппозитно расположенными колесами, с так называемыми встречными потоками, что дало возможность компенсировать основную часть осевых усилий на ротор насоса. Остаточные осевые усилия воспринимаются радиально-упорным шарикоподшипником, установленным в подшипниковом кронштейне. При этом удалось достичь величины к.п.д. более 58 %.

Высокий к.п.д. насоса достигнут за счёт следующих технических решений:

• оппозитного расположения рабочих колёс с восприятием остаточной осевой силы радиально-упорным подшипником, что позволило уменьшить объемные потери за счет исключения узла гидроразгрузки;
• высокооборотного ротора с частотой вращения 6 800 об/мин (в традиционных конструкциях 3 000 об/мин.);
• щелевых уплотнений плавающего типа;
• высокой чистоты поверхности деталей проточной части, изготавливаемых методом механической обработки и др.

По заказу ОАО «АНК «Башнефть» совместно с ГУП «ИПТЭР» на базе насоса ЦНС 25-1400 был создан насосный агрегат с высокооборотным регулируемым приводом на подачи от 15 до 40 м3/ч и напорами от 1000 до 1900 м, при этом исключен из конструкции один из узлов базового агрегата – мультипликатор.

Регулировка числа оборотов двигателя с помощью преобразователя частоты позволяет в процессе эксплуатации подобрать необходимые на конкретном объекте напор и расход, поддерживая работу по одному из параметров в автоматическом режиме и, при необходимости во время сезонных изменений параметров закачки, оперативно изменять напор и расход агрегата.

После запуска в эксплуатацию двух агрегатов данного типа в ОАО «АНК «Башнефть» проведен сравнительный анализ штатных насосных агрегатов, которые эксплуатировались до установки наших насосов, с агрегатами ЦНСА 25 с высокооборотным регулируемым приводом и получены следующие результаты:

1. Удельные затраты электроэнергии на м3/ч закачиваемой жидкости уменьшились с 11, 757 до 8, 002 кВт/ч на технологически необходимых режимах работы КНС;

2. Большой диапазон регулирования объема закачки от 15 до 40 м3/ч и напора от 1000 до 1900 м;

3. Возможность автоматического регулирования и поддержания параметров насоса по заданным напору или объему закачки за счет изменения числа оборотов двигателя;

4. Исключение пусковых моментов в сети за счет плавного пуска электродвигателя;

5. Значительное уменьшение уровня шума при работе агрегата;

6. Уменьшение массо-габаритных параметров агрегата.

Наработанный опыт в разработке, освоении, модернизации и эксплуатации центробежных насосов для систем поддержания пластового давления позволил предприятию приступить к работе по освоению насосного оборудования для других сфер применения. Так, например, освоено изготовление центробежного шламового насосного агрегата подачей 295 м3/ч и напором 15 м, предназначенного для перекачивания различных абразивных гидросмесей, сегодня мы комплектуем им буровые насосы.

Одной из последних опытно-конструкторских работ нашего предприятия, является разработка совместно с ООО «Техно-Прогресс» и изготовление опытных образцов «Привода гидродинамического регулируемого МГР-1250», на данное время не имеющего аналогов в России.

Привод гидродинамический применяется в качестве привода передающего крутящий момент от двигателя к ведомой машине, входящих в состав насосных, компрессорных и энергетических установок, которые используются в энергетике (ТЭЦ), нефтяной отрасли (магистральная транспортировка нефти, систем ППД), металлургии.

МГР принадлежат к гидродинамическим передачам с насосными и турбинными колесами лопастного типа. В качестве рабочей жидкости используется турбинное масло. Угловая скорость ведомого ротора регулируется изменением степени наполнения рабочей жидкости лопастной системы.

Конструкция привода МГР-1250 в отличие от немецких гидромуфт фирмы Voith Turbo, не имеет собственных опор и устанавливается непосредственно на валы соединяемых механизмов (насоса и электродвигателя), за счет чего возможно уменьшение габаритного осевого размера примерно на 1,5 метра. В настоящее время ОАО «Воткинский завод» совместно с ООО «КТБ «Техно-Прогресс» спроектированы три типа приводов мощностью: 800 кВт, 1250 кВт, 1600 кВт (МГР-1600) и заводом изготовлены два опытных образца гидромуфт мощностью 1250 кВт (МГР-1250), которые прошли приемочные испытания в ОАО «Татнефть». На изделие получены необходимые разрешительные документы: разрешение на применение Ростехнадзора и сертификат соответствия.

В разрезе импортозамещающей продукции на заводе ведутся работы по изготовлению опытных образцов мультифазных насосов гелико-осевого типа для перекачки продукта нефтяных скважин с объемным содержанием газа до 95%.

Одной из острых проблем в нефтедобыче является утилизация попутного газа. В настоящее время в большинстве случаев попутный газ сжигается на месторождениях. Так в соответствии с «Основными направлениями деятельности правительства Российской Федерации на период до 2012 года» утвержденными распоряжением правительства Российской Федерации от 17.11.2008г. № 1663-р «Одним из приоритетов является создание условий для утилизации попутного газа, доведение уровня его полезного использования до 95 процентов». В настоящее время ряд нефтедобывающих компаний разработали и внедряют программы по утилизации попутного газа. Для решения данной проблемы необходимо либо разделять нефтегазожидкостную (мультифазную) смесь на месторождении и далее по разным нефте- и газотрубопроводам доставлять до центральных пунктов сбора утилизации или перекачивать мультифазную смесь до пунктов сбора специальными мультифазными установками. Второй вариант доставки представляется наиболее выгодным, в том числе за счет того, что установка мультифазного агрегата в непосредственной близости от добывающих скважин позволяет уменьшить давление на выходе из скважины, повышая ее дебит. В настоящее время в основном применяются объемные одновинтовые и двухвинтовые мультифазные насосы, которые имеют ряд ограничений – высокая стоимость обслуживания и ремонта, ресурс до 10 000 часов, недостаточный интервал рабочих характеристик.

Проанализировав рынок и существующие конструкции насосов, которые могут быть применены в технологии мультифазной перекачки ООО «КТБ «Техно-Прогресс» по заказу ОАО «Воткинский завод» разработал принципиально новую конструкцию насоса гелико-осевого типа, аналогичные насосы выпускаются фирмой Sulzer. Фактический ресурс до первого капитального ремонта аналогичных насосов в условиях эксплуатации на нефтяных месторождениях ТНК-Нижневартовскнефть достигает 28000 часов. Многоступенчатая конструкция насоса выполнена по типу и с применением унифицированных узлов насосов типа ЦНС, это в свою очередь позволяет освоить ремонт в условиях ЦБПО нефтедобывающих предприятий. В отличие от привычных объемных винтовых машин, гелико-осевые насосы лопастные, то есть представляют собой насосы динамического типа, которые имеют принципиальное преимущество, позволяющее длительно работать на предельно малых подачах, а при пониженном противодавлении выходить на режимы 1,2 … 1,5 от номинальной подачи.

Гелико-осевые мультифазные насосы (ГН) обладают следующими конструктивными особенностями:

• способны работать на средах с широким диапазоном содержания газа и имеют технологическую гибкость гелико-осевой гидравлики в большом диапазоне частот вращения (до 7000 об/мин);
• смазка подшипников осуществляется под давлением для предотвращения проникновения перекачиваемой среды в полости подшипника;
• для предотвращения утечки перекачиваемой среды в атмосферу устанавливаются двойные торцевые уплотнения, работающие под давлением, превышающим давление перекачиваемой среды;
• на приеме ГН может быть установлена буферная емкость, обеспечивающая мягкую работу в случае наличия сильного пробкового течения;
• работа ГН на многофазной смеси не приводит к образованию эмульсий (в отличие от ЦНС).
• в отличие от винтовых насосов ГН способны перекачивать среды с большим содержанием механических примесей;
• ГН позволяет применять технологию последовательной перекачки без ограничений, присущих насосам объемного типа.

В настоящее время на ОАО «Воткинский завод» изготовлена и прошла испытания модель мультифазного насоса гелико-осевого типа для отработки проточной части. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Во время испытаний определена работоспособность модели при работе на газожидкостной смеси со средним объемным содержанием воздуха от 0 до 93,5%, напор соответственно составил от 139,0 до 22,3 м. Напорная и энергетическая характеристика модели насоса ГН 100-120 при различном газосодержании приведены на рисунках 1 и 2.

Учитывая положительные результаты испытаний модели гелико-осевого насоса, в настоящее время ведется создание на базе модельной проточной части полноценного образца насосного агрегата ГН 100. В дальнейшем будут проведены предварительные (заводские) испытания и приемочные испытания в реальных условиях эксплуатации.