Обоснование параметров и разработка конструкции энергосберегающего привода штангового скважинного насоса (стр. 2 )

В связи с этим создание методов объективного сравнительного исследования для выявления перспективных энерго - и ресурсосберегающих приводов штанговых скважинных насосов станков-качалок для конкретных промысловых условий эксплуатации с увеличенной длиной хода представляет собой весьма актуальную задачу.

Целью данной работы является обоснование параметров и разработка конструкции привода штангового скважинного насоса, предназначенного для создания перспективного энергосберегающего оборудования.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

-  разработка новой конструкции привода штангового скважинного насоса с гибкой связью шатуна с балансиром и поворотной головкой, позволяющая уменьшить энергоемкость работы путем оптимизации величины и фазы приложения максимальной нагрузки к кривошипам в течение цикла работы и уменьшить габариты станка-качалки путем обеспечения необходимой длины хода канатной подвески за счет большого угла поворота головки на переднем плече балансира;

-  выявление рациональных схем с точки зрения ресурсосбережения;

-  разработка расчетных схем и уравнений силового анализа работы станков-качалок рассматриваемых типов при кривошипном и комбинированном уравновешивании, учитывающих их конструктивные особенности, параметры и особенности силового взаимодействия звеньев в процессе всего цикла работы;

-  разработка методики графического построения схемы расположения звеньев и определения текущих значений переменных параметров механизмов станков-качалок в течение цикла работы с помощью расчетных моделей, дополненных графическими методами определения длины кривошипа.

Основные научные положения диссертации, выносимые автором на защиту:

1. методика исследования параметров и характеристик работы станков-качалок, позволяющая найти зависимость эффективности энергосбережения работы привода штангового скважинного насоса от длины хода;

2. схемы станков-качалок с гибкой связью шатуна с балансиром и с гибкой связью шатуна с балансиром и поворотной головкой на балансире;

3. методика математического и графического моделирования рабочего процесса привода штангового скважинного насоса;

4. характеристики рабочего процесса станков-качалок.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработанная методика исследования параметров и характеристик работы станков-качалок отличается учетом реальных параметров и условий взаимодействия между собой звеньев станков-качалок без упрощающих допущений;

- схемы станков-качалок с гибкой связью шатуна с балансиром и с гибкой связью шатуна с балансиром и поворотной головкой на балансире разработаны впервые;

- методика математического и графического моделирования рабочего процесса исследуемого привода штангового скважинного насоса разработана впервые.

- полученные характеристики рабочего процесса станков-качалок впервые рекомендованы для создания нового энергосберегающего оборудования.

Практическая значимость полученных результатов:

1. методика исследования характеристик станков-качалок, позволяет рассчитать оптимальные рабочие параметры станков-качалок с гибкой связью шатуна с балансиром, с гибкой связью шатуна с балансиром и поворотной головкой на балансире и обеспечивающая энергосбережение до 13 кВт/час.

2. на основе разработанных схем созданы конструкции энергосберегающих станков-качалок: с гибкой связью шатуна с балансиром и с гибкой связью шатуна с балансиром и поворотной головкой на балансире;

3. рекомендованные характеристики рабочего процесса станков качалок позволяют снизить энергопотребление привода штангового скважинного насоса.

4. методика математического и графического моделирования рабочего процесса привода штангового скважинного насоса позволила разработать инженерную методику расчета всех видов станков-качалок.

Личный вклад соискателя. Соискателем разработана графическая и математическая модели рабочего процесса исследуемых станков-качалок; схемы станков-качалок с гибкой связью шатуна с балансиром и с гибкой связью шатуна с балансиром и поворотной головкой на балансире; методика математического и графического моделирования рабочего процесса исследуемого привода штангового скважинного насоса; получены характеристики рабочего процесса исследуемых станков-качалок, позволяющие создавать новое энергосберегающее оборудование

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях: «Региональные проблемы безопасности жизнедеятельности», Казахская Головная Архитектурно-Строительная Академия
(г. Алматы, 2007 г.); «Проблемы инновационного развития нефтегазовой индустрии», Казахстанский Британский Университет (г. Алматы, 2009 г.); «Инновационные и наукоемкие технологии в строительной индустрии», Казахская Головная Архитектурно-Строительная Академия
(г. Алматы, 2010 г.); «Теория и практика в физико-математических науках» (г. Лондон, 2012 г.).

Полнота отражения результатов диссертации в публикациях. Основные материалы диссертации опубликованы в 22 научных статьях, в изданиях ближнего и дальнего зарубежья.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Объем диссертации – 154 страниц, включающих 14 таблиц, 27 рисунков и библиографический список из 107 наименований и 4 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность за консультации и ценные рекомендации входе выполнения диссертационной работы к. т.н. доц. кафедры: «Машины и оборудование» ТарГУ - .

ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИИ ПРИВОДОВ ШТАНГОВЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1 Распространенные конструкции приводов ШСНУ

Наиболее распространены конструкции балансирных приводов с длиной хода до 3,5 м, отличающиеся простотой и наибольшей надежностью.

Основными разновидностями балансирных приводов ШСНУ [12] являются станки-качалки с двуплечим и одноплечим балансирами [1, 3, 4, 5, 6,].

В станке-качалке с двуплечим балансиром «рис.1.1.1.» усилие от привода прилагается к заднему плечу балансира 1. Переднее плечо воспринимает нагрузку от силы тяжести колонны штанг, столба жидкости и плунжера насоса, передаваемую балансиру через устьевой шток, канатную подвеску устьевого штока 22 и головку балансира 24, закрепленную на конце переднего плеча с помощью двух осей 23. Балансир 1 установлен на оси, концы которой расположены в подшипниковых опорах. К концу заднего плеча балансира шарнирно прикреплена траверса 6 шатуна 7. Нижний конец шатуна, также шарнирно, соединен с кривошипом 19, установленным на тихоходном валу редуктора. Тихоходный вал имеет два наружных конца, на которых жестко закреплены два кривошипа 19, расположенные симметрично относительно продольной плоскости симметрии редуктора. К обоим кривошипам шарнирно прикреплены нижними концами два шатуна 7, верхние концы которых закреплены в общей поперечной балке-траверсе 6. На наружных концах быстроходного вала редуктора закреплены с одной стороны - ведомый шкив 10 клиноременной передачи, с другой - тормозной шкив колодочного тормоза (на рисунке 1 не виден). Ведущий шкив 13 клиноременной передачи закреплен на валу электродвигаи связан с ведомым шкивом 10 с помощью 4-6 клиновых ремней 11 [9, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 19, 20, 108].

Для обеспечения натяжения ремней электродвигаустановлен на площадке 14 переменного наклона, регулируемого с помощью опорного винта и гаек. Подшипники опоры оси качания балансира установлены на верхней горизонтальной площадке стойки 17, закрепленной с помощью болтов на опорной металлоконструкции 16.

1 - балансир с опорой, 2 – винт установочный, 3 – площадка верхняя,

4 – кронштейн с выключателем, 5 – упор; 6 – траверса, 7 – шатун, 8 – редуктор, 9 – площадка смотровая, 10 – шкив ведомый, 11 – ремень, 12 – электродвигатель, 13 – шкив ведущий, 14 – плита поворотная, 15 – рычаг тормоза, 16 – рама, 17 – стойка, 18 – ограждение, 19 – кривошип, 20 – противовес, 21 – пульт управления, 22 – подвеска устьевого штока, 23 – ось, 24 – головка балансира, 25 – стяжка

Рисунок 1.1.1 - Станок-качалка с двуплечим балансиром

Работа механизмов станка-качалки заключается в передаче механической энергии вращения вала электродвигателя балансиру с уменьшением частоты и преобразованием вращательного движения валов в возвратно-поворотное движение балансира и, с помощью канатной подвески 22 - в возвратно-поступательное движение устьевого штока, колонны штанг и плунжера насоса. При подъеме переднего плеча и головки балансира вверх происходит подъем вверх устьевого штока, колонны штанг, плунжера насоса co столбом жидкости, заполняющей соединенную с насосом колонну труб, и излив поднимаемой жидкости через отводящий патрубок устьевого оборудования скважины - в отводящий трубопровод.

При опускании — происходит опускание плунжера с открытым клапаном в столбе жидкости, удерживаемой от излива из колонны труб в скважину перекрытым клапаном корпуса насоса. Непрерывное возвратно-поступательное движение, сообщаемое таким образом устьевому штоку, колонне штанг и плунжеру насоса, обеспечивает пульсирующую откачку пластовой жидкости из скважины.

Так как при подъеме устьевого штока (рабочем ходе) нагрузка на двигатель очень велика, тогда как при опускании этой нагрузки нет, и, более того, опускающиеся массы своей силой тяжести пытаются разогнать двигатель и их энергия полезно не используется, для уравнивания нагрузки на двигатель при рабочем и холостом ходах балансира производится уравновешивание привода установкой на кривошипах противовесов с большой массой и силой тяжести. При холостом ходе балансира происходит подъем противовеса, создающий нагрузку на двигатель. При рабочем ходе балансира происходит опускание противовеса, в процессе которого его энергия, накопленная во время холостого хода, способствует подъему переднего плеча балансира и связанных с ним масс и, тем самым – уменьшению нагрузки на двигатель.

В станках-качалках с одноплечим балансиром рис.1.1.2 [4] двуплечим является не балансир, а кривошип, и противовес крепится не на том же плече кривошипа, к которому крепится шарнир шатуна, а на плече противоположном. В целом же механизмы этого станка выполняют те же функции, что и в станке-качалке с двуплечим балансиром [1, 2, 3, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 19, 20].