Tài liệu MÁY BƠM PISTON pptx

1 MÁY BƠM PISTON 1.1. Vai trò, cấu tạo, nguyên lý làm việc và phân loại 1.1.1. Vai trò của máy bơm piston trong công tác khoan dầu khí Trong công tác khoan khai thác và khoan thăm dò máy bơm dung dịch khoan là bộ phận không thể tách rời và cũng như không thể thiếu được. Máy bơm khoan có nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thi công giếng khoan. Trong quá trình thi công giếng khoan, choòng khoan phá huỷ đất đá ở đáy giếng khoan, mùn khoan này phải được đưa lên bề mặt nhờ một loại nước rửa gọi là dung dịch khoan. Để thực hiện quá trình trên, chúng ta phải sử dụng một loại thiết bị trong đó máy bơm khoan đóng vai trò quan trọng nhất. Máy bơm khoan có công dụng bơm chất lỏng xuống xuống giếng khoan để làm mát, làm sạch choòng khoan, làm sạch đáy giếng khoan đưa mùn từ đáy giếng khoan lên và đặc biệt quan trọng là giúp cho quá trình khoan được dễ dàng. Để thực hiện bơm dung dịch khoan xuống đáy giếng khoan, máy bơm khoan thường sử dụng là máy bơm piston. Máy bơm piston có những ưu việt riêng mà các máy bơm khác không có được, và được sử dụng rộng rãi trong khoan dầu khí: - Có thể bơm các dung dịch có trọng lượng riêng khác nhau; - Có thể bơm được với áp suất lớn; - Áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào nhau. Đây là yếu tố quan trọng đáp ứng trong về yêu cầu về công nghệ khoan; - Cấu tạo đơn giản, dễ thay thế, dễ sửa chữa và bảo dưỡng; - Độ bền cao và dễ vận chuyển. 1.1.2. Sơ đồ cấu tạo của máy bơm piston 2 4 5 7 8 6 3 1 2 9 Pa B1 B2 S Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của máy bơm piston. 1. Piston 4. Hộp van 7. Ống hút 2. Xi lanh 5. Van hút 8. Bể chất lỏng 3. Cần piston 6. Van đẩy 9. Ống đẩy (xả) Khoảng không gian giữa piston và các van được gọi là khoang (buồng) làm việc của máy bơm. Thể tích của buồng làm việc thay đổi tùy theo vị trí của piston trong quá trình chuyển động. Trong quá trình làm việc, piston chuyển động tính tiến qua lại trong xi lanh. Những điểm tận cùng bên phải và tận cùng bên trái của piston được gọi là điểm chết phải và điểm chết trái của piston. 1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy bơm piston Xét trên hình vẽ 1.1, khi piston di chuyển từ vị trí B 2 đến vị trí B 1 , thể tích buồng làm việc sẽ tăng dần, áp suất P trong đó giảm đi và nhỏ hơn áp suất trên mặt thoáng của bình chứa chất lỏng P a (P < P a ). Do đó chất lỏng từ bể chứa sẽ dâng lên đi vào ống hút, đi qua van hút vào khoang làm việc của bơm, trong lúc này van đẩy của bơm vẫn đang ở trạng thái đóng. 3 Khi piston chuyển động từ vị trí B 2 đến B 1 thì máy bơm thực hiện quá trình hút và lúc piston dừng lại tại vị trí B 1 thì quá trình hút sẽ kết thúc. Sau đó pison đổi chuyển động và đi ngược từ B 1 đến B 2 . Thể tích buồng làm việc giảm dần, áp suất chất lỏng tăng lên, van hút đóng lại và van đẩy mở ra. Chất lỏng được ép lên van đẩy và đi theo ống đẩy ra ngoài. Quá trình này gọi là quá trình đẩy. Quá trình hút và đẩy của bơm được xen kẽ nhau. Một quá trình hút và đẩy kế tiếp nhau được gọi là một chu kỳ làm việc của máy bơm piston. 1.1.4. Khả năng tự hút của máy bơm piston Khác với máy bơm ly tâm, máy bơm pison không cần mồi (điền đầy chất lỏng) trước khi khởi động, mà bơm có khả năng tự hút. Thật vậy, nếu ta gọi V o là thể tích khối không khí trong ống hút và buồng làm việc (khi piston ở B 2 ). Nếu pison di chuyển đến B 1 và B 1 B 2 = S, thì không khí giãn ra với thể tích là V o + F.S (F.S là thể tích của xi lanh). Khi đó áp suất không khí trong xi lanh là: P = P a . . o o V V F S  (1.1) Từ (1.1) ta thấy P < P a . Do đó chất lỏng từ bể chứa sẽ đi vào ống hút và dâng lên theo độ cao được xác định như sau: a P P h    (1.2) Nếu pison tiếp tục làm việc, chất lỏng từ bể chứa sẽ dâng lên dần theo ống hút và điền đầy khoang làm việc của bơm. Khi đó xem như máy bơm đã tự mồi xong. 1.2. Ưu và nhược điểm của máy bơm piston 1.2.1. Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản, dễ thay thế, bảo dưỡng. 4 - Có thể tạo ra áp suất lớn. - Có thể bơm được các dung dịch có trọng lượng riêng khác nhau. - Áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào nhau. - Máy bơm có độ bền cao. 1.2.2. Nhược điểm - Chuyển động của chất lỏng qua bơm không ổn định, do đó lưu lượng của bơm bị dao động. - Kết cấu của bơm cồng kềnh. 1.3. Phân loại máy bơm piston 1.3.1. Theo phương pháp truyền lực - Máy bơm truyền động bằng tay. - Máy bơm truyền có truyền động gián tiếp. - Máy bơm có truyền động trực tiếp. 1.3.2. Theo cách bố trí xi lanh - Máy bơm thẳng đứng. - Máy bơm nằm ngang. 1.3.3. Theo cấu tạo của pison - Máy bơm có piston dạng đĩa. - Máy bơm có piston dạng trục. 1.3.4. Theo chất lỏng cần bơm - Máy bơm dùng để bơm nước lã. - Máy bơm dùng để bơm axit. - Máy bơm dùng để bơm dung dịch. 1.3.5. Theo cách tác dụng (số lần hút – đẩy sau 1 vòng quay của trục) - Máy bơm tác dụng đơn. 5 - Máy bơm tác dụng kép. - Máy bơm tác dụng ba. - Máy bơm tác dụng bốn… 1.3.6. Theo áp suất - Máy bơm áp suất thấp (P < 10 at). - Máy bơm áp suất trung bình (P = 10  20 at). - Máy bơm áp suất cao (P > 20 at). 1.3.7. Theo lưu lượng - Máy bơm lưu lượng thấp (Q < 15 3 / m h ). - Máy bơm lưu lượng trung bình (Q = 15  60 3 / m h ). - Máy bơm lưu lượng cao (Q > 60 3 / m h ). 1.4. Lưu lượng của máy bơm piston 1.4.1. Lưu lượng lý thuyết trung bình Thể tích làm việc của máy bơm tác dụng đơn là: V = F.S (1.3) Thể tích làm việc của máy bơm tác dụng kép là: V = (2F - f).S (1.4) F: diện tích bề mặt làm việc của mặt piston, F: diện tích mặt cắt cần piston. Gọi n là số vòng quay của trục bơm quay được trong một phút. a. Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng đơn là: . . 60 F S n Q  (1.5) b. Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng kép là: 6 (2 ). . 60 F f S n Q   (1.6) c. Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng ba là: 3. . . 60 F S n Q  (1.7) d. Lưu lượng trung bình của máy bơm tác dụng bốn là: 2.(2 ). . 60 F f S n Q   (1.8) 1.4.2. Lưu lượng trung bình thực Lưu lượng trung bình thực của máy bơm piston bao giờ cũng nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết đã tính ở trên vì những lý do sau: - Có không khí lọt vào bơm. - Bộ phận lót kín của bơm và các van không thể đảm bảo tuyệt đối kín khi bơm làm việc dẫn đến rò rỉ chất lỏng. - Sự đóng - mở chậm của van hút và van đẩy trong quá trình hút và đẩy kế tiếp nhau làm thất thoát chất lỏng. Vì vậy, lưu lượng trung bình thực của máy bơm piston được xác định theo công thức sau: . t Q Q   (1.9)  là hiệu suất lưu lượng của máy bơm,  = 0,85  0,90 ứng với máy bơm nhỏ (D < 150 mm),  = 0,90  0,95 ứng với máy bơm vừa (D  150  300 mm),  = 0,95  0,98 ứng với máy bơm lớn (D > 300 mm), 7 1.5. Cột áp của bơm piston Hình 1.2. Sơ đồ tính toán cột áp Khả năng truyền năng lượng của bơm với dòng dung dịch được thể hiện bằng sự chênh lệch năng lượng đơn vị của dòng dung dịch ở hai mặt cắt trước sau của máy bơm. Ta có năng lượng đơn vị tại mặt cắt (A - A): . 2 v A A A A A P V l Z g      (1.10) Năng lượng đơn vị tại mặt cắt ( B - B) : . 2 v B B B B B P V l Z g      (1.11) Trong đó : Áp suất dòng chảy tại mặt cắt ( A - A ), (B - B); Z A Z B P B , V B P A , V A B B A A 8 V A ; V B : Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt ( A - A), (B - B); α: Hệ số điều chỉnh động năng. γ: Trọng lượng riêng của chất lỏng bơm. => Độ chênh lệch năng lượng hai mặt cắt ( A - A), (B - B ) là:  l = l A – l B = + + (Z B - Z A ) (1.12) - Nếu  l > 0: Thì chất lỏng được máy cung cấp cho năng lượng. Hay là máy thực hiện quá trình bơm, máy thuỷ lực gọi là máy bơm. - Nếu  l < 0: chất lỏng truyền năng lượng cho máy thuỷ lực, máy gọi là động cơ thuỷ lực. Gọi H = l B - l A là cột áp của máy thuỷ lực (máy bơm). Ta có định nghĩa: Cột áp H của máy bơm là năng lượng đơn vị (tức năng lượng) trọng lượng chất lỏng của chất lỏng trao đổi được với máy thuỷ lực. H = V V B A P P   + ¢ 2g B B A V V    + (Z B - Z A ) (m ) (1.13) Gọi thành phần thế năng đơn vị là cột áp tĩnh: H t = + Z (m) (1.14) Gọi thành phần động năng đơn vị là cột áp động: H đ = (m) (1.15) => H = H t + H đ (mét cột nước) (1.16) 1.6. Công suất (N) Công suất của động cơ (N đc ) chi phí cho quá trình bơm làm việc bao gồm các thành phần sau: - Chi phí công suất để nâng một lưu lượng Q lên độ cao H trong 1 đơn vị thời gian được gọi là công suất thủy lực hay công suất có ích (N tl ); 9 . . 75 tl Q H N   (1.17) Công suất thủy lực chính là cơ năng mà chất lỏng trao đổi với bơm trong 1 đơn vị thời gian. - Chi phí công suất để thắng các tổn hao thủy lực, tổn hao thể tích, tổn hao cơ khí, được đánh giá bằng hệ số  tl ,  V và  c . + Tổn hao thủy lực  tl : bao gồm chi phí để thắng các sức cản thủy lực do ma sát với thành ống và các tổn hao cục bộ do thay đổi tốc độ dòng chảy khi chất lỏng chuyển động từ bể chứa đến ống đẩy. Ngoài ra còn để thắng lực quán tính của van. t tl l H H   (1.18) H t , H l : Cột áp thực tế và cột áp lý thuyết. + Tổn hao thể tích  V : được xác định bằng hệ số hút đầy: t V l Q Q   (1.19) Q t , Q l : Lưu lượng thực tế và lưu lượng lý thuyết. Như vậy, công suất trên trục của piston là công suất làm việc hay công suất chỉ báo (N lv ): . tl lv tl V N N    (1.20) + Tổn hao cơ khí ( c ): là các tổn hao từ động cơ đến trục của piston. Như vậy, công suất của động cơ sẽ là: N đc = . . . . 75. . . tl tl V c tl V c N Q H         (1.21) 1.7. Hiệu suất () Hiệu suất toàn phần của máy bơm được xác định theo công thức: 10 L S B A O x S B2 B1 Pa tl dc N N    . . tl V c    (1.22) Thông thường,  = 0,67  0,85. 1.8. Phương trình chuyển động của máy bơm piston (phương trình vận tốc) Ta xét hình vẽ sau: Hình 1.3. Quá trình chuyển động của piston. L: chiều dài thanh truyền, R: bán kính của tay quay, S: hành trình của piston, X: quãng đường chuyển động của piston từ vị trí điểm chết trái.  : tốc độ góc của trục khuỷu,  : góc quay của tay quay từ điểm chết trái. Từ hình vẽ (1.2) ta thấy: [...]... bình thường được Để khắc phục hiện tượng trên ta cần lắp thêm máy bơm đỡ trên ống hút của máy bơm piston (có thể lắp máy bơm ly tâm) 2 Ghép song song hai máy bơm Khi tiến hành ghép song song hai máy bơm, mỗi máy bơm sẽ có lưu lượng là Qo và áp suất là Po Khi đó sự làm việc của mỗi máy bơm sẽ 2 được xác định tại điểm 2 trên đường N1 Khi một máy bơm gặp sự cố mà không hoạt động được thì lưu lượng sẽ giảm... kính piston * Nhận xét: - Các máy bơm có số xi lanh lẻ thì hệ số ổn định lưu lượng nhỏ - Các máy bơm có số xi lanh chẵn thì hệ số ổn định lưu lượng lớn - Về mặt kinh tế kỹ thuật thì máy bơm gồm nhiều xi lanh tác dụng đơn sẽ cồng kềnh, phức tạp nên với máy bơm hiện nay thường sử dụng những loại sau: + Máy bơm tác dụng 3 gồm 3 xi lanh tác dụng đơn + Máy bơm 2 xi lanh tác dụng kép (tác dụng bốn) + Máy bơm. .. trong máy bơm piston 1.10.2.1 Khi thiết kế - Dùng máy bơm tác dụng kép - Dùng máy bơm tác dụng ba (gồm 3 máy bơm tác dụng đơn ghép với nhau) 1.10.2.2 Khi sử dụng Dùng bình điều hòa để điều hòa lưu lượng và áp suất của máy bơm khi làm việc Có hai loại bình điều hòa gồm: - Bình điều hòa hút (lắp trên ống hút) - Bình điều hòa đẩy (lắp trên ống đẩy) 1 Bình điều hòa hút Trong quá trình làm việc của máy bơm, ... hành ghép nối tiếp hai máy bơm, mỗi máy bơm sẽ có lưu lượng là Qo và áp suất là Po Khi đó sự làm việc của mỗi máy bơm sẽ 2 được xác định tại điểm 1 trên đường N1 Tuy nhiên, khi cho hai máy bơm ghép nối tiếp nhau làm việc, nếu một máy bị sự cố không hoạt động được thì lưu lượng của máy kia không đổi nhưng máy bơm chỉ có áp suất bằng một nửa áp suất yêu cầu cho nên máy bơm không làm việc bình thường được... tạp gì đối với máy bơm 1.15 Điều chỉnh lưu lượng của máy bơm piston Ta có công thức: 28 Q i.F S n 60 Từ công thức trên ta thấy để thay đổi giá trị lưu lượng Q, ta có thể thực hiện những phương pháp sau: - Thay đổi số cặp piston- xi lanh (i): số cặp piston – xi lanh tỷ lệ thuận với lưu lượng của máy bơm, có thể tăng thêm 1 hay 2 cặp tùy theo thiết kế của máy bơm đang sử dụng - Thay đổi cặp piston – xi... ghép máy bơm 27 Giả sử trong quá trình khoan, chúng ta cần một lưu lượng là Q o, khi đó áp suất và công suất thủy lực tương ứng sẽ phải là Po và N o Nhưng tại thời điểm làm việc, chỉ có máy bơm có N1 nào đó, giả sử là N1 = No 2 Như vậy, để có thể đạt được giá trị công suất N o thì ta phải tiến hành kết hợp làm việc những máy bơm có N 1 1 Ghép nối tiếp hai máy bơm Khi tiến hành ghép nối tiếp hai máy bơm, ... c là vận tốc tức thời của máy bơm tại một thời điểm bất kỳ, nên lưu lượng của máy bơm piston theo công thức (1.21) là lưu lượng tức thời Thay giá trị c từ công thức (1.19) vào (1.21) ta có được: 11 Q  F c  F .r.sin  (1.29) Từ công thức (1.22) ta nhận thấy lưu lượng tức thời của máy bơm piston là một hàm số phụ thuộc vào đại lượng sin  Do đó đồ thị lưu lượng của máy bơm sẽ có dạng đồ thị của hàm... kép 1.10 Khắc phục hiện tượng chuyển động không ổn định của chất lỏng trong máy bơm piston 1.10.1 Tác hại của chuyển động không ổn định của chất lỏng trong máy bơm piston - Làm tăng tổn thất thủy lực 16 - Xảy ra sự rung động khi làm việc, gây ra va đập thủy lực làm hư hỏng các bộ phận của máy bơm - Trong trường hợp dùng nhiều bơm làm việc, có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng biên độ dao động của áp suất... 2r.n F r.n   60 60 30 Qmax   Qtb 1 1.9.2 Máy bơm tác dụng kép Qmax Qtb1 Qtb Qtb2 0 180 O 360 O Hình 1.5 Đồ thị lưu lượng máy bơm tác dụng kép 13 Trong máy bơm tác dụng kép gồm 2 xi lanh tác dụng đơn, các chốt khuỷu được đặt lệch nhau 1 góc 180 o Như vậy, nếu một piston thực hiện bước đẩy thì piston kia thực hiện bước hút Điều này cũng hoàn toàn đúng với bơm 1 xi lanh tác dụng kép Qmax  F cmax ... là thay đổi đường kính cặp piston – xi lanh (thay đổi tiết diện F của piston) Mỗi máy bơm đều được thiết kế sao cho phù hợp một vài bộ piston – xi lanh (trong công tác khoan dầu khí thường có từ 6 đến 12 bộ) với đường kính cặp piston – xi lanh thay đổi trong khoảng  d = 10  12 mm - Tăng chiều dài hành trình piston (S), phương pháp này thực hiện trong quá trình thiết kế máy bơm cho tổ hợp hay nhiệm . hiện bơm dung dịch khoan xuống đáy giếng khoan, máy bơm khoan thường sử dụng là máy bơm piston. Máy bơm piston có những ưu việt riêng mà các máy bơm khác. trục. 1.3.4. Theo chất lỏng cần bơm - Máy bơm dùng để bơm nước lã. - Máy bơm dùng để bơm axit. - Máy bơm dùng để bơm dung dịch. 1.3.5. Theo cách