Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ причин отказов и снижения технических параметров работы насосных агрегатов системы поддержания пластового давления 8
2 Исследования и разработка мероприятий, повышающих безопасную работу насосных агрегатов типа ЦНС в системе ППД 14
2.1 Разработка критериев оценки состояния фундаментов 15
2.2 Программа и методика экспериментальных исследований параметров (характеристик) насосов ЦНС 63-1400... 1800. Описание конструкций стенда для проведения исследований 19
2.3 Экспериментальные определения диапазона режимов безопасной работы НА системы ППД 40
Выводы по главе 2 55
3 Разработка встроенного «полевого» подшипника для насосов типа ЦНС системы ППД 56
3.1 Исследование материалов, обеспечивающих эффективную эксплуатацию насосов ЦНС при перекачке сточной воды. Выбор материала встроенного подшипника 56
3.2 Обоснование конструкции встроенного подшипника 65
3.3 Разработка метода расчета крутящего момента и усилия страгивания ротора насоса ЦНС 63 (40, 80) со встроенным подшипником 68
3.4 Экспериментальные исследования работы подшипников из различных материалов 77
Выводы по главе 3 81
4 Сервисное обслуживание (СО) насосных агрегатов на промыслах как элемент промышленной безопасности 82
4.1 Состояние сервисного обслуживания насосных агрегатов 82
4.2 Разработка новой концепции сервисного обслуживания 84
4.3 Разработка и внедрение технического аудита насосных агрегатов как основного элемента сервисного обслуживания 86
Выводы по главе 4 87
Основные выводы 88
Список использованной литературы
- Программа и методика экспериментальных исследований параметров (характеристик) насосов ЦНС 63-1400... 1800. Описание конструкций стенда для проведения исследований
- Экспериментальные определения диапазона режимов безопасной работы НА системы ППД
- Обоснование конструкции встроенного подшипника
- Разработка новой концепции сервисного обслуживания
Введение к работе
При добыче нефти на промыслах наиболее опасным производственным объектом является система поддержания пластового давления (ППД). Это связано с тем, что насосные агрегаты (НА) для закачки воды в пласт достигают единичной мощности порядка 1,0 МВт. При этом развиваемое насосами давление достигает 20 МПа, и в некоторых случаях насосы эксплуатируются в условиях загазованности помещения парами нефти. Безопасная эксплуатация НА зависит от следующих факторов:
качества изготовления и монтажа на месте эксплуатации;
соблюдения правил эксплуатации;
качества сервисного обслуживания, модернизации, повышающих безопасность эксплуатации.
Одним из показателей, характеризующих безопасность работы НА, является его вибрационное состояние [4, 12, 17]. Борьба с вибрацией, снижение её уровня являются борьбой за безопасность эксплуатации НА [23, 29, 38, 39, 44, 50].
При монтаже НА важным фактором является состояние фундамента, которое необходимо определить и, если есть необходимость, усилить фундамент [6, 41, 56, 76]. Поэтому разработка критериев его оценки является весьма актуальной задачей.
При эксплуатации НА необходимо определить область безопасной, по уровню вибрации, работы агрегата в зависимости от режима перекачки. Литературные данные для одноступенчатых насосов показывают, что изменение уровня вибрации в зависимости от режима происходит по параболе с вершиной минимальных значений в точке максимального к.п.д. НА [55]. Для насосов типа ЦНС отечественного производства эта область не определена, в то время как для практической работы это совершенно необходимо [49].
Из опыта эксплуатации насосов ЦНС известно [55, 67], что наиболее слабым звеном является «полевой» подшипник, где чаще всего самый вы-
сокий уровень вибрации и самый большой процент выхода из строя. Модернизация насоса с целью уменьшения уровня вибрации «полевого» подшипника является важной задачей, решить которую пытались многие авторы, но которая осталась актуальной до сего времени.
В нашей стране проблемы повышения эффективности и обеспечения безопасности работы насосных агрегатов исследовались Бажайкиным С.Г., Багмановым А.А., Костюковым В.Н., Твердохлебом И.Б., Ястребовым П.И. и др.
Цель работы
Повышение безопасности работы НА системы ППД при монтаже, эксплуатации и модернизации путём снижения общего уровня вибрации, а также совершенствованием сервисного обслуживания.
Основные задачи работы
Анализ причин отказов и технических параметров работы секционных центробежных насосов типа ЦНС, предназначенных для закачки воды в пласт.
Разработка критериев оценки технического состояния фундаментов при монтаже и эксплуатации насосных агрегатов типа ЦНС А в системе
ппд.
Определение диапазона режимов безопасной работы насосных агрегатов типа ЦНС А при эксплуатации в промысловых условиях.
Разработка встроенного подшипника на основе результатов исследований с применением новых материалов.
Обоснование концепции сервисного обслуживания насосных агрегатов типа ЦНСА для закачки воды в пласт.
Научная новизна
1. На основе анализа выявленных причин отказов и технических параметров работы насосных агрегатов системы ППД разработаны мероприятия по повышению безопасности эксплуатации насосных агрегатов.
Впервые разработаны критерии оценки состояния фундаментов для насосных агрегатов типа ЦНСА.
Экспериментально определены диапазоны режимов безопасной работы насосных агрегатов системы ППД. Впервые показано, что в области недогрузки существенного увеличения уровня вибрации не происходит.
Определены материалы для встроенных подшипников, обеспечивающие эффективную эксплуатацию насосных агрегатов при перекачке сточной воды насосами ЦНС.
Разработана конструкция встроенного «полевого» подшипника для насосов типа ЦНС системы ППД, повышающая к.п.д. насоса и безопасность его эксплуатации.
Разработана концепция сервисного обслуживания насосных агрегатов типа ЦНСА, направленная на повышение их надёжности и обеспечение безопасности эксплуатации.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Критерии оценки технического состояния фундамента при ремонте или замене НА позволяют сделать заключение о его качестве. И если заключение о состоянии фундамента неудовлетворительное, то принимается решение о его усилении или демонтаже. Особенно это важно, когда на старый фундамент ставится новый насосный агрегат большой мощности.
Полученные результаты исследований позволяют расширить область безопасной работы НА в сторону меньших подач и в то же время указывают предел на режимах перегрузки, когда возможно резкое возрастание уровня вибрации при незначительном увеличении расхода перекачиваемой воды.
Применение материала «ФУТ» в качестве материала встроенного подшипника обеспечивает повышенную безопасность работы НА по уровню вибрации и надёжность работы гидропяты, снижает объёмы утечек че-
рез концевые уплотнения вала. Исследования показали, что ФУТ можно применять в качестве материала подшипников при разработке других конструкций НА.
4. Результаты исследований использованы при разработке Методики проведения технического аудита насосных агрегатов типа ЦНСА системы ППД и руководящего документа РД 39Р-00147105-020-01 «Руководство по организации эксплуатации оборудования насосных станций систем сбора, подготовки нефти и ППД на предприятиях ЗАО «Лукойл-Пермь».
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на:
III Всероссийской научно-практической конференции (Пермь, 2001 г.);
IV Конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2003 г.);
III Российском энергетическом форуме (Уфа, 2003 г.);
научно-практической конференции (Уфа, 2006 г.).
Научные разработки с участием автора по созданию и внедрению ряда насосных агрегатов типа ЦНСА для закачки воды в пласт в системе ППД удостоены медали и премии имени академика И.М. Губкина.
Комплекс работ по созданию и внедрению параметрического ряда высоконапорных центробежных насосных агрегатов типа ЦНСА для закачки воды в нефтяные пласты отмечен дипломом Союза производителей нефтегазового оборудования в номинации «За лучшую организацию сервисного обслуживания».
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Благодарность
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам отдела № 4 ГУП «ИПТЭР» за оказанную помощь и ценные советы при выполнении работы.
Программа и методика экспериментальных исследований параметров (характеристик) насосов ЦНС 63-1400... 1800. Описание конструкций стенда для проведения исследований
1 - определение и оценка параметров назначения, энергетической эффективности, вибрации; 2 - оценка работоспособности встроенного подшипника, изготовленного из различных материалов. Объектами исследований являются центробежные секционные на сосы типа ЦНС, выпускаемые ФГУП «Боткинский завод», предназначенные для закачки в нефтяные пласты пресных, пластовых и сточных вод с целью поддержания пластового давления. Типоразмеры и параметры насосов приве дены в таблице 2.2.
Исследования проводились на стендах, смонтированных в сборочном цехе ФГУП «Боткинский завод» и на кустовой насосной станции КНС-2 НГДУ «Воткинскнефть». Стенды (включая средства измерений для исследований) соответствуют требованиям [32] и рекомендациям [5, 20, 24, 96]. В состав стенда входят: - испытательная установка с электродвигателем ВАО-800 (ФГУП «Боткинский завод») и СТДМ-800-2РУХЛ4 (НГДУ «Воткинскнефть»); - комплект показывающих приборов для измерения показателей при испытаниях; - комплект приборов и средств АСУ для проведения исследований и диагностики насосов в полуавтоматическом режиме; - станция управления испытательной установкой; - блок гребенки штуцеров (НГДУ «Воткинскнефть»); - электросиловое оборудование; - подпорный насосный агрегат с насосом ЦНС 180-212 (ФГУП «Боткинский завод»); - емкость пресной воды V = 200 м3 (ФГУП «Боткинский завод»); - запорная и регулирующая арматура.
Принципиальная гидравлическая схема стенда для испытаний насосов типа ЦНС Запорно-регулирующая арматура и средства измерений, указанные на рисунке и необходимые для оснащения стенда, приведены в таблице 2.3. На стенде для испытания и исследований насосов обеспечиваются: - давление на входе в насос не ниже 0,05 МПа; - давление напорной сети - в соответствии с параметрами насоса; - возможность изменения подачи насоса от 0 до 135 % от номинальной. Стенд обеспечивает измерение, контроль и учет следующих параметров и показателей: - подачи насоса; - расхода жидкости через узел гидравлической разгрузки; - давления на входе в насос; - давления на выходе насоса; - давления в линии узла гидроразгрузки; - давления масла перед входом в подшипники электродвигателя, насоса (с принудительной системой смазки подшипников); - температуры воды на входе в насос, на выходе насоса и в линии узла гидроразгрузки, в том числе после встроенного подшипника; - температуры подшипников насоса и двигателя; - электрических параметров двигателя (тока, напряжения, потребляемой мощности из сети); - величины вибрационных параметров в контрольных точках и подшипников насоса и двигателя.
Общие требования к подготовке стенда к исследованиям Перед началом исследований производятся: - монтаж исследуемого насоса на стенде; - центровка насоса относительно электродвигателя стенда; - подключение контрольно-измерительных приборов, необходимых для исследований конкретного типа насоса; - проверка заземления насоса, электродвигателя, а также приборов; - проверка действия системы автоматической защиты и управления стенда; - проверка наличия масла в подшипнике со стороны полумуфты; - заполнение исследуемого насоса водой. Требования к порядку работы на стенде по завершении исследований: - опорожнение насоса; - демонтаж насоса; - отключение контрольно-измерительных приборов, примененных при проведении исследований.
Определяемые показатели (характеристики) и точность их измерений При проведении исследований должны быть получены следующие пока затели (характеристики) назначения и энергетической эффективности насоса: - напорная (Q-H); - энергетические (Q-N и Q-r); - вибрационные (Q-Vc) и определены параметры: - температура перекачиваемой жидкости на входе в насос и выходе из насоса; - давление, расход и температура жидкости в трубопроводе отвода жидкости от узла гидроразгрузки;. - температура нагрева подшипниковых узлов насоса и электродвигателя; - объем утечек через концевые уплотнения насоса.
Номинальные значения и диапазон показателей (характеристик) Характеристики должны быть получены в пяти точках рабочей части характеристики (в пределах 50... 135 % от QHOM)
Экспериментальные определения диапазона режимов безопасной работы НА системы ППД
Методы и средства измерения вибрационного состояния насосных агрегатов системы ППД Механические колебания (вибрация) ротационных машин, например нефтяных насосных агрегатов, - это отрицательное явление. Вибрация уменьшает эксплуатационную надежность и срок службы агрегатов, так как представляет собой дополнительную динамическую нагрузку. Вибрация способствует преждевременному разрушению валов, износу подшипников и может привести к аварии, деформации роторов, поломке деталей и повреждению фундамента [23, 38]. Параметры вибрации являются одним из критериев, определяющих безопасность работы насосных агрегатов системы ППД [29, 49].
Если рассматривать этот факт с точки зрения экономической эффективности эксплуатации оборудования, то вибрация машин приводит к: - простоям вследствие аварий; - повышению энергопотребления; - затратам на ремонт; - снижению срока службы машин.
С точки зрения промышленной безопасности вибрация машин приводит к аварийной ситуации, зачастую с непредсказуемыми последствиями.
Поэтому все мероприятия, направленные на снижение уровня вибрации, являются важным вкладом в повышение эксплуатационной надежности и экономичности эксплуатации машин. Достичь этого можно в результате своевременного устранения причин, вызывающих повышенную вибрацию оборудования. Для этого необходимо выполнение следующих мероприятий: - измерение скорости вибрации машин и сравнение результатов измерений с допустимыми предельными значениями; - контроль колебаний с автоматической выдачей сигнала предупреждения и отключения насосных агрегатов при достижении недопустимых величин вибраций; - диагностирование вибрации насосных агрегатов с целью определения причин колебаний; - устранение причин повышенной вибрации по результатам диагностики с применением специальных средств; - правильное проведение монтажа фундамента, НА и подводящих трубопроводов.
Операции измерений и контроля вибрационных параметров дают возможность количественно оценить общее техническое состояние насосного агрегата или другого оборудования. Кроме того, это позволяет сократить количество возникающих аварийных ситуаций. Измерение и ведение учета параметров вибрации дают основу для планирования ремонтных работ.
Однако чтобы выяснить причины, вызывающие вибрации НА, необходимо провести диагностические работы, при этом частотный анализ вибраций НА играет основную роль при постановке диагноза [43,49].
Основы частотного анализа вибраций
При частотном анализе с помощью виброизмерительной аппаратуры определяются все частотные составляющие вибрации, которые вызывают колебание машины [43, 44, 59]. Рассмотрим на простом примере колебание произвольной машины, у которой электродвигатель с приводным механизмом соединен посредством ременной передачи.
Типичный пример механических колебаний электродвигателя представлен на рисунке 2.7.
На верхней диаграмме показана вся совокупность возникающих на поверхности подшипниковой опоры колебаний в зависимости от времени. С помощью частотного анализа обнаруживается, что данная совокупность колебаний состоит из трех дискретных колебаний. Первая составляющая общих колебаний возникает на частоте в 25 Гц, что соответствует частоте вращения электродвигателя, который вращается с частотой 1500 об/мин.
Следовательно, причиной возникновения этой составляющей колебаний является дисбаланс (неуравновешенность) ротора электродвигателя. Вторая составляющая колебаний возникает на частоте 4 Гц. Причиной возникновения этой составляющей является приводной ремень, который в данном случае вращается с частотой 4 Гц. Третья составляющая колебаний имеет частоту 100 Гц и является типичной для электромашин переменного тока. Во время каждого периода изменения тока магнитное поле электродвигателя дважды меняет полярность, вследствие чего в статоре возникают переменные силы с двойной частотой сети, которые, в свою очередь, возбуждают колебания листовых элементов статора с частотой в 100 Гц.
Одновременное возникновение трех гармонических составляющих колебаний приводит к показанной на диаграмме вибрационной характеристике. Этот простой пример показывает, что частотный анализ обеспечивает интерпретацию колебаний и точную идентификацию возбудителей колебаний.
Обоснование конструкции встроенного подшипника
У насосов ЦНС, применяемых для закачки воды в пласт в системе ППД, к.п.д. и удельные затраты на закачку 1 м3 воды в пласт зависят от объёмного к.п.д. и затрат энергии на собственные нужды, например на систему смазки и охлаждения подшипников и устройства гидравлической разгрузки ротора. Объёмный к.п.д. насосов жёстко связан с величинами зазоров в щелевых уплотнениях, в частности рабочих колёс [1, 13, 71, 75, 81]. Ограничением уменьшения щелевых радиальных зазоров менее 0,25 мм является прогиб вала насоса в варианте конструкции с выносными подшипниковыми опорами [71, 95].
В работе [66] на уровне патента на полезную модель предложена конструкция встроенного подшипника из углепластика, однако авторами не решены следующие вопросы: - отсутствуют тип и характеристики углепластика, обеспечивающие надёжную и безопасную работу подшипникового узла и в целом насоса; - не представлены параметры винтовой канавки, которая нарезается на рабочей поверхности подшипника (количество винтовых канавок, их геометрические размеры и т.д.); - не указывается зазор в контактной паре; - не представлены оптимальные соотношения размеров подшипника и шейки вала (рубашки вала).
В работе [91] приводятся данные о конструкции насоса ЦНС 240-1900-ЗТМ со встроенными подшипниками. Однако в конструкции насоса не предусматривается возможность регулирования величины зазоров в подшипнике при сборке и эксплуатации насоса.
В настоящее время ГУП «ИПТЭР» с участием автора разработаны и изготавливаются ФГУП «Боткинский завод» насосы типа ЦНС (ЦНС 40, ЦНС 63 и ЦНС 80) с передним (со стороны муфты) выносным подшипником скольжения, смазываемым маслом, и встроенным задним (со стороны нагнетательной крышки) подшипником, работающим в перекачиваемой среде. Принципиальная схема насоса со встроенным подшипником представлена на рисунке 3.2.
По результатам теоретических и экспериментальных исследований установлены следующие требования к конструкции встроенного подшипника: оптимальное соотношение длины рабочей поверхности L и диаметра шейки вала D: L=1,2D; оптимальные зазоры по контактной поверхности подшипника, полученные по результатам экспериментов, 0,08...0,10 мм; тип и характеристики углепластика приведены в разделах 3.1 и 3.4 настоящей работы. для обеспечения надёжной и безопасной работы узла гидравлической разгрузки ротора рекомендуется разделение расхода жидкости после разгрузочного устройства. Для обеспечения нормального функционирования узла разгрузки отбор жидкости в узел подшипника должен быть в пределах 10.. .20 % от общего объёма, что достаточно для охлаждения и смазки подшипника; в конструкции подшипникового узла необходимо предусмотреть механизм регулирования величины зазора в контактной паре, который позволит такое регулирование при сборке, техническом обслуживании и ремонте насоса.
На рисунке 3.3 представлена конструкция встроенного подшипника насоса ЦНС, предложенная автором. Узел подшипника состоит из кожуха с корпусом, подшипника из углепластика «ФУТ СТЭТ», рубашки вала, крышки подшипника, механизма регулировки зазора по контактной поверхности. В подшипниковом узле предусматривается регулировка подачи воды для охлаждения и смазки подшипника.
У насосов со встроенным подшипником, применяемых в системах ППД с высокими давлениями на входе в насос (Рвх 1,9 МПа), необходимо предусмотреть дополнительное уплотнение вала со стороны встроенного подшипника, как указано на рисунке 3.4. Применение уплотнения вала исключает дополнительные усилия при запуске насосного агрегата.
Разработка новой концепции сервисного обслуживания
Автором разработан и предложен метод СО по техническому состоянию, базирующийся на результатах комплексного диагностического обследования ЦНСА [62, 67].
Для реализации предложенного метода внедрена структурная схема СО, включающая: - передвижную диагностическую лабораторию; - мобильные комплексные бригады; - стационарную производственную ремонтную базу с обменным фондом ЦНСА; - группу специалистов научно-технического обеспечения.
В отличие от обычных услуг в обязанности специалистов научно-технического обеспечения входят сбор, обработка и анализ данных о надёжности ЦНСА. Основу группы составляют представители разработчика, Технического центра по сервисному обслуживанию, специалисты изготовителя и потребителя.
Предложенная структура позволяет принимать оперативное решение по совершенствованию конструкции ЦНСА и повышать показатели надёжности и безопасности.
В приложении В данной работы приведены формы документов: - акт технического состояния насоса ЦНС; - положение о порядке принятия решения по ремонту насосов ЦНС в течение гарантийного периода эксплуатации насосов; - технические решения проблемных вопросов по доработке и совершенствованию конструкции насосов.
Формы документов разработаны и предложены с участием автора данной работы в рамках внедрения новой концепции СО. В рамках сервисного обслуживания предлагается проведение технического аудита. Основным достоинством предложенной схемы является то, что сервисное обслуживание является одним из основных её элементов, который имеет обратную связь.
Данные о надёжности изделия, приспособленности конструкции для выполнения работ по СО, замечания и предложения по доработке конструкции изделия Технический центр передаёт разработчику и изготовителю, принимает участие в совершенствовании конструкции ЦНСА.
Работа в тесной связи с разработчиком, изготовителем, потребителем позволяет поддерживать технический уровень обслуживаемого оборудования, оперативно принимать решения по модернизации, принимать активное участие в подконтрольной эксплуатации опытных образцов, качественно выполнять ремонт оборудования с одновременной модернизацией, что и предложено в рассматриваемой работе.
В зависимости от требований потребителя в процессе СО предлагаются дополнительные услуги по монтажу, пусконаладочным работам, капитальному ремонту с модернизацией ЦНСА и реконструкцией насосных станций.
Работы по проведению СО, технического аудита и др. базируются на солидной методической базе, разработанной ГУП «ИПТЭР» с участием автора и включающей: - Методику проведения технического аудита ЦНСА для закачки воды в пласт [76, 80]; - руководящий документ «Руководство по организации эксплуатации оборудования насосных станций систем сбора, подготовки нефти и ППД на предприятиях ЗАО «Лукойл-Пермь» (РД 39Р-00147105-020-01); - Методику по организации эксплуатации оборудования насосных станций систем сбора, подготовки нефти и поддержания пластового дав ления на предприятиях ОАО «Татнефть» [93].
Таким образом, правильная организация сервисного обслуживания позволяет повышать и контролировать уровень безопасности эксплуатации оборудования на промыслах через руководящие и методические документы, в которых отражены моменты монтажа, эксплуатации, ремонта и модернизации. Целями технического аудита являются: - оценка условий безопасной работы НА в условиях промысла; - оценка технического состояния насосных агрегатов, разработанных ГУП «ИПТЭР» и изготовленных ФГУП «Боткинский завод», находящихся в эксплуатации на нефтегазодобывающих предприятиях; - оценка соответствия параметров НА условиям и режимам эксплуатации; - установление диапазона экономичных режимов работы НА и выдача рекомендаций по ним; - выдача рекомендаций по замене НА на агрегат с требуемыми для данного объекта параметрами; - определение остаточного ресурса насосов; - определение количества насосов, требующих капитального ремонта; -разработка предложений по модернизации НА [76].
Специалисты группы технического аудита оказывают потребителю методическую и техническую помощь в правильном подборе ЦНСА с учётом технологической схемы закачки воды в пласт, а также помощь в выборе рациональных режимоз эксплуатации [69, 70, 72, 94].
На рисунке 4.1 представлен график зависимости количества случаев выхода из строя насосов ЦНС 40, ЦНС 63, ЦНС 80 по годам в течение гарантийного периода эксплуатации. График построен по данным, полученным автором. 2002 год является началом перехода от планово-предупредительного ремонта насосов и насосных агрегатов к сервисному обслуживанию по результатам диагностики основных параметров в процессе технического аудита, предложенного автором. Как видно из рисунка, внедрение сервисного обслуживания привело к резкому сокращению случаев выхода из строя насосов ЦНС, применяемых в системе ГШД.
