Привід штангової насосної установки з нереверсивним інерційно-вантажним урівноважуванням

Корисна модель відноситься до нафтогазовидобувної промисловості, зокрема до приводів свердловинних глибинних насосів, і може бути використаний переважно в нафто- та газовидобувній промисловості. Більша частина фонду свердловин з механізованим видобутком, як на Україні, так і в усьому світі, експлуатуються за допомогою штангових насосних установок з вантажним зрівноважуванням. Як правило, свердловинні штангові установки (далі ШНУ) встановлюються на середньо і малодебітних свердловинах. У процесі експлуатації дебіт свердловини змінюється. Для узгодження експлуатаційних показників свердловини і насосної установки необхідно змінювати число ходів або довжину ходу плунжера. Крім того, у процесі роботи насос поступово зношується (знижується його продуктивність, відбуваються коливання також і дебітних можливостей свердловин), що спричиняє додаткові витрати. Пікове навантаження на електродвигун (у продовженні циклу - двічі) приводять до завищеної встановленої потужності двигуна, що веде до зниження коефіцієнта корисної дії (ККД) установки. Існуючі свердловинні штангові насосні установки характеризуються: - великою енергоємністю, тобто низьким ККД; - складністю зміни продуктивності установки; - наявністю резонансної напруги на штангах (особливо при збільшенні частоти ходів плунжера). Аналогом даного винаходу є кожна, як балансирна, так і безбалансирна штангова насосна установка з вантажним зрівноважуванням (мал.1). Використовуючи будь-яку штангову насосну установку з вантажним зрівноважуванням, застосовуючи маховик кінематичне з'єднаний з електродвигуном, та частотне регулювання обертів електродвигуна, ми забезпечуємо: 1. зниження енергоємності на 40-60%; 2. легке (при необхідності - автоматичне регулювання продуктивності; 3. надійний запуск (в тому числі самозапуск) установки і виведення на режим; 4. зниження установленої потужності приводного електродвигуна в 2-3 рази. Суть винаходу: 1. Застосування нереверсивного інерційно-вантажного зрівноважування штангової насосної установки зробить навантаження на електродвигун практично однаковим протягом усієї роботи установки. Це дозволить зменшити в 2-3 рази встановлену потужність електродвигуна, що приведе до зменшення витрат електроенергії на 40-60%. 2. Застосування кінематично зв'язаного з електродвигуном маховика, як акумулятора енергії штанг, що рухаються вниз, із поверненням її при русі штанг нагору, спричиняє необхідність регулювання швидкості обертання електродвигуна в широких межах. Промисловість серійно випускає частотні перетворювачі, тому їх опис не приводиться. 3. Частотне регулювання дозволяє легко (при необхідності автоматично) регулювати продуктивність установки. Тобто завжди забезпечувати номінальний відбір рідини зі свердловини. На мал.1 схематично представлений загальний вигляд існуючої штангової насосної установки з вантажним кривошипним зрівноважуванням. На мал. 2 криві моментів від ваги штанг - 1, противаг - 2, сумарний момент на валу редуктора - 3, активна складова струму електродвигуна (у %) існ уючого станка-качалки - 4, активна складова струму електродвигуна при наявності маховика і частотного перетворювача-5. На мал. 3 схематичний загальний вигляд установки маховика на електродвигуні. Існуючий привод штангової насосної установки містить (мал.1): - раму 1, на якій монтується вся установка; - електродвигун 2, що дає механічну енергію, необхідну для підйому рідини зі свердловини заглибинним насосом (не показаний); - редуктор 3, що знижує оберти електродвигуна до необхідного значення; - кривошипи 4, що перетворюють обертальний рух на зворотнопоступальний; - противаги 5, що врівноважують вагу штанг у свердловині; - шатуни 6, що передають зворотно-поступальний рух на плунжер насоса через балансир 7, головку балансира 8, канатну підвіску 9, штанги (не показані). Противаги забезпечують урівноважуючий момент на редукторі, що дорівнює моменту від ваги штанг плюс половина ваги рідини. Навантаження на електродвигун пропорційне сумарному моменту , що як видно на мал. 2, є піковим двічі за робочий цикл (і навіть негативним). Усе це вимагає завищеної потужності електродвигуна, різко знижує cos і коефіцієнт корисної дії всієї установки. Встановлюючи необхідної маси маховик (мал. 3) на вал електродвигуна (краще на окремих підшипниках)! ввівши захисну муфту серійної конструкції (не показано), ми забезпечили постійне навантаження на електродвигун. Так як маховик працює (ККД близько 100%) тільки при зміні обертів, на приводі встановлений серійний перетворювач частоти (не показано), що забезпечує запуск установки за рахунок реверса-розгойдування за принципом маятника годинника до виходу на повний цикл і перехід на обертання електродвигуна в одну сторону. При цьому оберти електродвигуна (і маховика) при русі штанг униз збільшуються, а енергія руху штанг вниз акумулюється у маховику. При підйомі штанг нагору - оберти падають, і енергія маховику йде на підйом штанг. Забезпечуючи сталість моменту на електродвигуні підвищуючи ККД установки на 40-60%. Серійний перетворювач частоти дозволяє регулювати величину рушійного моменту електродвигуна й обмеження швидкості обертання його, а також усі необхідні види захисту. При зупинці вантажі залишаються знизу і при запуску електродвигуна, необхідно перебороти половину ваги рідини, інерцію маси штанг і противаг. Для цього в існуючих ШНУ встановлюють електродвигун завищеної потужності. Пропонований привод ШНУ з нереверсивним інерційно-вантажним зрівноваженням працює в такий спосіб. За початок циклу умовно прийняте положення . коли противаги знаходяться знизу (це їх ста тичне положення). Установка в роботі. Електродвигун почав обертання. Момент рушійний більше моменту опору. Оберти наростають, але в міру збільшення кута повороту кривошипу 4, момент опору збільшується, а рушійний залишається постійним. Перетворювач частоти, забезпечуючи стабільний момент, знижує оберти електродвигуна до О, після чого змінює напрямок обертання. В даному випадку до рушійного моменту електродвигуна додається рушійний момент від штанг і швидкість електродвигуна збільшується, але після того, як кут повороту кривошипа почне знову збільшуватися після переходу через статичне положення і гальмівний момент від штанг рости, оберти електродвигуна знову будуть зменшува тись до 0, але вже на більшому куті кривошипу. Таке розгойдування буде тривати до тих пір, коли кривошип досягне 180 , а електродвигун почне обертання в одному напрямку доки не досягне заданої швидкості. Серійний перетворювач частоти має ККД 98-99%, змінює частоту від 10 до 100Гц (оберти електродвигуна від 20 до 200%, a cos має до 0,98-0,99. На маховику встановлена серійна муфта для захисту кінематики установи від перевантаження при заклинюванні плунжера насосу або штанг.