Введение к работе
Актуальность темы. Насосно-эжекторные установки широко используют в технологических системах при добыче нефти и газа, при бурении и ремонте скважин, а также при реализации энергосберегающих технологий, включая утилизацию низконапорного газа и способы водогазового воздействия на продуктивные пласты. На стадии проектирования и внедрения нового оборудования доводка насосно-эжекторной установки на экспериментальных стендах или в промысловых условиях представляет сложную и дорогостоящую исследовательскую работу. Насосное оборудование такого типа отличается многообразием схем подключения к технологическим системам, при этом естественные или технологически обоснованные изменения условий эксплуатации могут приводить к существенным отклонениям от оптимальных режимов работы. В ходе проектирования и подбора оборудования возрастает роль математических моделей и методик, позволяющих решать прямые и обратные гидродинамические задачи и прогнозировать изменение характеристик насосов. Наибольший практический интерес представляют модели, открывающие новые возможности для более глубокого изучения рабочих процессов в насосах, с возможностями создания быстродействующих программ и систем для работы в режиме реального времени, с перспективой введения функций самообучения.
Особенности работы насосного оборудования, при перекачке газожидкостных смесей, изучаются преимущественно путем выполнения сложных физических экспериментов. При этом некоторые условия работы насосов трудно или даже невозможно смоделировать на стенде. Остаются пока малоизученными взаимосвязи рабочих процессов и определяющих геометрических размеров рабочих камер эжектора и многоступенчатого центробежного насоса, работающих в единой системе. Многоступенчатые лопастные насосы в нашей стране давно уже стали доминирующим оборудованием при добыче нефти и их доля в объеме добычи постоянно увеличивается. В этой связи разработка методологических основ конструирования насосно-эжекторных установок представляется актуальной.
Цель и задачи диссертационной работы.
Цель работы – разработка методологических основ создания и эффективного применения насосно-эжекторных установок, с использованием универсальных математических моделей, позволяющих сократить сроки и повысить качество проектных, исследовательских и пусконаладочных работ.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:
проанализировать практические аспекты выбора и применения фрагментов из информационного потока для формирования вариантов единой теории и методологии конструирования насосно-эжекторных установок с расширенным использованием математических моделей;
разработать универсальные алгоритмы и методики для решения основной группы прямых и обратных гидродинамических задач при проектировании насосно-эжекторных установок, применительно к условиям перекачки однофазных сред и газожидкостных смесей, с возможностью расчета напорных характеристик на основе геометрических размеров проточной части в рабочих камерах;
выполнить верификацию разработанных методик, в том числе путем сравнения с экспериментальными данными других авторов;
выполнить стендовые и расчетно-теоретические исследования основных компонентов насосно-эжекторных установок, и на основе выполненных исследований разработать новые технические решения и оборудование;
выполнить практическую проверку разработанного оборудования и реализовать на практике результаты работы в условиях различных предприятий нефтегазовой промышленности.
Научная новизна
-
-
Разработана система математических моделей и оригинальных численных алгоритмов для решения группы прямых и обратных задач при конструировании насосно-эжекторных установок.
-
Разработана методика расчета характеристик струйного насоса с учетом формы эпюры скоростей и коэффициента сжатия рабочей струи, численными и физическими экспериментами обоснован выбор критерия гидродинамического подобия для струйных насосов.
-
Разработана методика расчета характеристик жидкоструйного компрессора с учетом формы эпюры скоростей и коэффициента сжатия рабочей струи, численными и физическими экспериментами обоснован выбор критерия гидродинамического подобия для жидкоструйных компрессоров. Выполнена экспериментальная проверка адекватности разработанных моделей струйных аппаратов.
-
На основе разработанных алгоритмов для струйных насосов и жидкоструйных компрессоров создан вариант единой теории и методика расчета характеристик жидкоструйного эжектора для перекачки газожидкостных смесей; проверена адекватность разработанных моделей.
-
Разработаны математические модели одноступенчатых и многоступенчатых центробежных насосов, с учетом аналогий рециркуляции в каналах струйных усилителей, эжекторов и лопастных насосов. Выполнена частичная модернизация теории лопастных насосов, позволившая на основе первого и второго уравнения Эйлера по геометрическим размерам каналов проточной части лопастных насосов рассчитывать их напорные характеристики. Разработан способ решения задачи А.И. Степанова о напорной характеристике насоса.
-
Разработаны алгоритмы и методики расчета напорных характеристик центробежного насоса с учетом возможностей перекачки газов или газожидкостных смесей, проверена адекватность разработанных моделей.
-
Разработана математическая модель стендовой установки для испытаний многоступенчатого лопастного насоса на газожидкостных смесях, с учетом режимов работы с искусственной кавитацией. Проверена адекватность разработанной модели сопоставлением полученных расчетных данных с результатами физических экспериментов, выполненных другими авторами.
-
На основе результатов стендовых и расчетно-теоретических исследований установлены новые взаимосвязи геометрических и гидродинамических параметров, позволяющие разрабатывать новые технические решения для насосно-эжекторных установок с возможностями создания расчетных программ и управляющих систем для работы в режиме реального времени.
-
С использованием разработанной методологии проектирования разработано и запатентовано новое оборудование, в том числе насосно-эжекторные установки, струйные аппараты, высоконапорные лопастные насосы и диспергаторы.
Новизну выполненных разработок подтверждают 3 авторских свидетельства СССР и 40 патентов РФ на изобретения и полезные модели.
Практическая значимость и реализация работы.
На основе результатов теоретических, экспериментальных и промышленных исследований обоснованы принципы создания и эффективного применения насосно-эжекторных установок при перекачке газов, жидкостей и газожидкостных смесей. Практическая значимость диссертационной работы определяется возможностью использования ее результатов (модели, алгоритмы, конструкции) при решении практических задач по конструированию, производству и подбору оборудования в нефтегазовой отрасли, включая насосно-эжекторные установки, струйные насосы и компрессоры, центробежные насосы и вентиляторы.
Разработанная методика расчета струйных насосов внедрена во Всесоюзном научно-исследовательском институте буровой техники (1989 г.), в Московском институте нефти и газа (1989 г.), в ПО «Оренбургнефть» (1994 г.). Методика расчета струйных компрессоров внедрена в ОАО «Оренбургнефть» (1999 г.). Методики позволяют без проведения ряда дорогостоящих физических экспериментов прогнозировать характеристики насосных установок для меняющихся условий эксплуатации.
На основе разработанных методов под руководством и при непосредственном участии автора разработана конструкторская документация, по которой создано и применяется следующее запатентованное оборудование: насосно-эжекторные установки для систем сбора и подготовки нефти, газа и воды; насосно-эжекторные установки для аэрации промывочной жидкости при бурении скважин; герметичные эжекторные насосные установки для закачки ингибиторов коррозии; насосы-диспергаторы для добычи нефти. Ряд разработанных и запатентованных машин поставлен на производство: струйный аппарат «эжектор ОБК5» - ООО «Союзконверсия», г. Оренбург (2000 г.); насос - диспергатор МНД01 - «Дмитровский экспериментальный механический завод» (2008 г.).
Результаты исследований реализованы в учебном процессе на кафедре «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности» РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (1997 г.).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов МИНГ им. И.М. Губкина (Москва, 1985 г.); Второй Всесоюзной научно-технической конференции «Вскрытие нефтегазовых пластов и освоение скважин» (Ивано-Франковск, 1988 г.); научно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления нефтепромыслового оборудования» (Казань, 1988 г.); на научно-технической конференции молодых специалистов АО «Оренбургнефть» (Бузулук, 1994 г.); на совещании в Совете Оренбургского управления Госгортехнадзора России (Оренбург, 1998 г.); на совещании технико-экономического совета ОАО «Оренбургнефть» (Бузулук, 1998 г.); на научных семинарах кафедры «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности» РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (1996, 1997, 2008, 2009 г.); на четвертой Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2009 г.); на совещании экспертного совета по механизированной добыче нефти (Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2009 г.); на восьмой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2010 г.).
Публикации. Количество опубликованных работ по теме диссертации - 101, в том числе 1 научно-методическое пособие, 57 статей (из них 27 - в ведущих научных журналах РФ и 9 в зарубежных изданиях), 3 авторских свидетельства СССР и 40 патентов РФ на изобретения и полезные модели.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы (304 наименования) и приложения. Работа изложена на 394 страницах (содержит 193 рисунка, 3 таблицы), в том числе в приложении на 73 страницах представлены акты промысловых и эксплуатационных испытаний, документы о внедрении разработок, сертификат соответствия и разрешение на применение разработанного оборудования.
Похожие диссертации на Разработка методологических основ конструирования насосно-эжекторных установок для условий нефтегазовой промышленности
-
