Сильфонный компенсатор гидравлической защиты погружных маслозаполненных электродвигателей

Изобретение относится к гидравлической защите герметичных погружных маслозаполненных электродвигателей насосных установок для добычи нефти и других пластовых жидкостей. Сильфонный компенсатор содержит сильфон (С), внутренняя полость которого сообщена с внутренней полостью электродвигателя, а наружная поверхность контактирует с внешней средой. Внутрь С помещен герметично соединенный с ним второй С с дном. Наружная поверхность второго С контактирует с внутренней полостью электродвигателя. Внутренняя полость второго С сообщена с внешней средой. Изобретение направлено на уменьшение собственного объема и большее относительное изменение объема компенсатора, что позволит повысить надежность погружных электродвигателей за счет их полной герметизации и увеличения межремонтного периода насосных установок. Сборка герметичных погружных электродвигателей в заводских условиях позволит упростить и удешевить монтажные работы на скважинах, повысить их качество. 1 ил.

 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в гидравлической защите герметичных погружных маслозаполненных электродвигателей насосных установок для добычи нефти и других пластовых жидкостей.

Известен поршневой компенсатор гидравлической защиты погружных маслозаполненных электродвигателей (см. Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструирование). М.: «Недра», 1968 г. стр.175-176).

Недостатком компенсатора является невысокая надежность, обусловленная наличием в его конструкции резинового мешка. К свойствам резины в компенсаторе предъявляются противоречивые требования. Она, с одной стороны, должна не терять своих свойств при хранении в условиях низких температур (до -60°С) и сохранять эластичность при низких температурах (до -30°С), при которых может производиться монтаж насосной установки на скважине. С другой стороны резина должна длительное время надежно работать в условиях высоких температур (до 120°С и более) в агрессивной среде пластовой жидкости скважин. При наработках скважинных насосных установок 500-600 суток и более начинает сказываться старение резины. Отрицательно сказывается на надежности компенсатора наличие в его конструкции подвижных металлических деталей (пружина, направляющий цилиндр), работающих в коррозионноактивной среде пластовой жидкости.

Известны также диафрагменные компенсаторы гидравлической защиты погружных маслозаполненных электродвигателей (см. RU 2050669, 09.09.1992; RU 2119222, 11.25.1996; RU 2168830, 03.14.2000).

Их недостатком, кроме отмеченной ненадежности резиновой диафрагмы, является невысокая надежность имеющихся в их конструкции клапанов. Клапаны в компенсаторе нужны для разобщения внутренних полостей компенсатора и электродвигателя после их сборки на скважине и опрессовке электродвигателя и сообщения внутренних полостей компенсатора и электродвигателя после спуска установки в скважину.

Наиболее близким, принятым за прототип, является сильфонный компенсатор (см. RU 2210160, 08.04.2000), который предлагается применять в гидравлической защите герметичных погружных электродвигателей совместно с протектором на основе магнитной муфты с постоянными магнитами. Несмотря на то, что в указанном источнике конструкция прототипа не описана, она достаточно очевидна. Внутренняя полость сильфона с дном должна сообщаться с внутренней полостью электродвигателя, а наружная поверхность должна контактировать с внешней средой.

В качестве материала для изготовления сильфона могут быть использованы коррозионностойкая сталь или фторопласт. Оба материала не имеют недостатков, свойственных резине. Они могут длительное время храниться и надежно работать в более широком диапазоне температур и в более агрессивных средах, чем это требуется для условий работы гидравлической защиты погружных электродвигателей. Применение сильфонного компенсатора в гидравлической защите позволит повысить надежность погружных маслозаполненных электродвигателей за счет их полной герметизации и значительно увеличить межремонтный период насосных установок.

Известный сильфонный компенсатор не может быть использован в гидравлической защите погружных маслозаполненных электродвигателей ввиду небольшого относительного изменения объема при размерах компенсатора, одинаковых с размерами поршневого и диафрагменного компенсаторов.

Предложен компенсатор, состоящий из сильфона с дном, внутренняя полость которого сообщается с внутренней полостью электродвигателя, а наружная поверхность контактирует с внешней средой. Внутрь сильфона помещен второй сильфон с дном. Сильфоны герметично соединены таким образом, что входное отверстие второго сильфона расположено вместо дна первого сильфона, внутренняя полость второго сильфона сообщается с внешней средой, а наружная поверхность контактирует с внутренней полостью электродвигателя.

Предложенный сильфонный компенсатор при одинаковых с прототипом габаритах за счет наличия внутреннего сильфона имеет меньший собственный объем и большее относительное изменение объема, достаточное для его применения в гидравлической защите герметичных погружных маслозаполненных электродвигателей.

Гидравлическая защита погружных маслозаполненных электродвигателей, состоящая из протектора и компенсатора, должна выполнять следующие функции:

1. Предотвращать попадание пластовой жидкости скважин во внутреннюю полость электродвигателей.

2. Компенсировать изменение объема заполняющего электродвигатели масла при изменении температуры.

3. Компенсировать изменение объема масла за счет утечки его из электродвигателей через механические уплотнения вала протектора.

Для выполнения последней функции компенсатор должен иметь как можно больший объем. От этого зависит продолжительность безаварийной работы электродвигателя. При герметизации внутренней полости погружного электродвигателя, например, используя в гидравлической защите герметичный протектор на основе магнитной муфты с постоянными магнитами (см. RU 2210160, 08.04.2000) и предложенный сильфонный компенсатор, утечки масла из внутренней полости электродвигателя полностью исключаются. Следовательно, в герметичных погружных маслозаполненных электродвигателях необходимость в выполнении третьей функции гидравлической защиты отпадает. Объем компенсатора определяется из условий выполнения второй функции: компенсации изменения объема заполняющего электродвигатель масла при изменении температуры. Данное обстоятельство позволяет снизить требования к объему компенсатора. Однако прототип не позволяет добиться необходимого относительного изменения объема.

На чертеже представлено сечение сильфонного компенсатора осевой плоскостью. Компенсатор прикреплен к основанию погружного электродвигателя 1 и защищен корпусом 2. Его основными элементами являются наружный сильфон 3 и внутренний сильфон 4. Стрелками показаны перемещения элементов компенсатора и направление движения заполняющего электродвигатель масла и пластовой жидкости при изменении температуры.

Сильфонный компенсатор работает следующим образом. При температурах, близких к середине температурного диапазона использования установки, например, находясь в скважине в нерабочем состоянии, или при хранении в условиях положительных температур, оба сильфона находятся в ненапряженном или близком к нему состоянии. Собственный объем сильфона меньше, чем у прототипа, за счет того, что часть масла из полости наружного сильфона 3 вытесняется внутренним сильфоном 4.

При включении установки температура электродвигателя начинает повышаться. Масло внутри электродвигателя начинает расширяться, увеличивая давление в электродвигателе и, соответственно, в компенсаторе. Наружный сильфон 3 при этом начинает растягиваться, а внутренний 4 сжиматься, увеличивая объем компенсатора и компенсируя увеличение объема масла внутри электродвигателя при нагревании. После выключения установки по мере остывания электродвигателя и уменьшения объема масла сильфоны компенсатора возвращаются в исходное состояние.

При хранении установки в условиях отрицательных температур объем масла в электродвигателе уменьшается, давление в нем понижается. Наружный сильфон 3 при этом начинает сжиматься, а внутренний 4 растягиваться, уменьшая объем компенсатора и компенсируя уменьшение объема масла внутри электродвигателя при остывании.

В качестве примера приведен расчет относительного изменения объема предложенного сильфонного компенсатора и прототипа одинаковых габаритов. За основу взят компенсатор МК 51 производства ОАО «АЛНАС» (см. Каталог продукции ОАО «АЛНАС». Альметьевск, 2003, стр.63 или http://www.alnas.ru/gidroprotektor.htm). Его габариты: длина L=1042 мм, диаметр D=103 мм. Объем масла в компенсаторе V=4,5 л.

Длина герметичного погружного электродвигателя в собранном виде (с гидравлической защитой) для удобства транспортировки и монтажа на скважине не должна превышать 6,5 метров. Такую длину имеет электродвигатель ЭД32-117МВ5 (3998 мм) с гидравлической защитой МГ 51, состоящий из протектора МП 51 (1374 мм) и компенсатора МК 51 (1042 мм). Общая длина электродвигателя ПЭД32-117МВ5 с гидравлической защитой составляет 6414 мм. Объем масла в ЭД32-117МВ5 при температуре t=20°С равен V_Д=6 л, в МП 51 - V_П=2,8 л. Если предположить, что протектор на основе магнитной муфты будет иметь такой же объем, что протектор МП 51, то общий объем масла в электродвигателе с протектором при температуре t=20°С будет равен

V_ДП=V_Д+V_П=8,8 [л].

Внутренний диаметр корпуса компенсатора МК 51 равен 90 мм. Поэтому для расчета прототипа следует выбрать сильфон с наружным диаметром, меньшим 90 мм, например, сильфон производства ООО «Гибкие соединения» (см. http://www.joinflex.ru/production/rukava/rukavanerg/vacoomsilfons/index.htm) с наружным диаметром D=85,5 мм, внутренним диаметром d=64,3 мм, длиной L=1000 мм. Максимальный рабочий ход сильфонов из нержавеющей стали в среднем равен 20%. Поэтому относительное изменение объема λ будет таким же. Длина сильфона в растянутом состоянии будет равна

L_P=L·(1+λ/2)=1000·(1+0.2/2)=1100 [мм]

Максимальный объем сильфонного компенсатора равен

V_Кmax=L_P·π·((D+d)/2)²/4=1100·3.14·((85.5+64.3)/2)²/4=4846701 [мм³]=4.85 [л].

Минимальный объем компенсатора составит

V_Кmin=V_Кmax·(1-λ)=4,85·(1-0.2)=3.88 [л].

Абсолютное изменение объема сильфонного компенсатора (прототипа) составит

ΔV_К=λ·V_Кmax=0.2·4.85=0.97 [л].

Температурный коэффициент объемного расширения трансформаторного масла равен β=6·10^-4 °С^-1. Минимальная температура хранения погружных электродвигателей равна -60°С (ГОСТ 18058-80 п.7.12). Максимальная температура обмотки статора равна 140°С (ГОСТ 18058-80 п.2.9). При изменении температуры на Δt=200°С объем масла в электродвигателе и протекторе изменится на

ΔV_МДП =β·Δt·V_ДП=0.0006·200·8,8=1.056≈1.06 [л].

В компенсаторе, в отличие от электродвигателя и протектора на основе магнитной муфты, при работе тепло не выделяется. Поэтому можно считать, что его максимальная температура равна максимальной температуре окружающей среды t_OC=90°С для электродвигателей обычного (нетермостойкого) исполнения, а максимально возможное изменение температуры масла в нем равно Δt=150°С. Объем масла при таком изменении температуры в компенсаторе изменится на

ΔV_МК=β·Δt·V_Кmin=0.0006·150·3.88=0.349≈0.35 [л].

Общее изменение объема масла в электродвигателе с гидравлической защитой равно

ΔV_М=ΔV_МДП+ΔV_МК=1.06+0.35=1.41 [л].

В результате расчета получено

Даже с учетом того, что с изменением температуры будет меняться и объем внутренних полостей электродвигателя с гидравлической защитой, а следовательно, реальное изменение объема масла будет меньше расчетного значения, изменение объема прототипа недостаточно для компенсации температурного изменения объема масла в электродвигателе с гидравлической защитой.

Наружный диаметр внутреннего сильфона D' предложенного сильфонного компенсатора должен быть меньше внутреннего диаметра наружного сильфона d=64.3 мм. Данному условию удовлетворяет сильфон производства ООО «Гибкие соединения» (см. http://www.joinflex.ru/production/rukava/rukavanerg/vacoomsilfons/index.htm) с наружным диаметром D'=55,5 мм и внутренним диаметром d'=39,2 мм. При минимально допустимой температуре длина внутреннего растянутого сильфона должна быть меньше или равна длине наружного сжатого сильфона. Поэтому длина внутреннего сильфона в растянутом состоянии должна быть

а в сжатом состоянии

Максимальный объем предложенного сильфонного компенсатора

Минимальный объем компенсатора

Изменение объема предложенного сильфонного компенсатора равно

что в 1,32 раза больше, чем у прототипа.

Изменение объема масла в компенсаторе при максимальном изменении температуры составит

Общее изменение объема масла в электродвигателе с гидравлической защитой равно

Результат расчета

Таким образом, предложенный сильфонный компенсатор при неизменных по сравнению с прототипом габаритах позволяет получить относительное изменение объема, необходимое для компенсации температурного изменения объема масла в герметичных погружных электродвигателях.

Сильфонный компенсатор гидравлической защиты погружных маслозаполненных электродвигателей, состоящий из сильфона, внутренняя полость которого сообщается с внутренней полостью электродвигателя, а наружная поверхность контактирует с внешней средой, отличающийся тем, что внутрь сильфона помещен герметично соединенный с ним второй сильфон с дном, наружная поверхность которого контактирует с внутренней полостью электродвигателя, а внутренняя полость сообщается с внешней средой.