7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

1/14

Curs 5ETDHIon Pan

1

Curs 5

1)Agregate hidraulice cu pompe cu jetO soluie tehnic utilizatn exploatarea sondelor prin pompare, este pompa

cu jet. Spre deosebire de agregatele prezentate n cursurile precedente, acestea au

avantajul c nu au elemente n micare, fapt ce le confer o durabilitate mrit, n

special n sondele corosive i cu impuriti. Pompele cu jet funcioneaz n bune

condiii i n sondele cu raii gaze-petrol ridicate.

La exploatarea acestor pompe ntotdeauna se folosete n circuit deschis,

echipamentul de suprafa fiind acelai ca la pompele de tip Kobe (cu acionare

hidrostatic). Principiul de funcionare este cel al ejectorului, conform schemei din

figura 1. Fluidul motor la presiune ridicat (p1), la trecerea prin duz i mrete viteza

i conform legii lui Bernoulli, n camera de amestec, se produce scderea presiunii

statice. Datorit acestei depresiuni, este aspirat fluidul din zcmnt (debitul Q3,

presiunea p3), care este antrenat mpreun cu fluidul motor prin difuzor. Datorit

creterii de seciune a difuzorului, viteza amestecului scade, avnd astfel loc o cretere

corespunztoare de presiune, necesar antrenrii amestecului la suprafa cu un

randament bun.

Fig. 1.Parametrii de calcul ai unei pompe cu jet.

Elemente teoretice referitoare la pompele cu jet

Conform figurii 1 se fac urmtoarele notaii pentru elementele geometrice

ale unei pompe cu jet: Ajeste aria seciunii de trecere prin duz;As aria seciunii

de trecere prin camera de amestec a produciei nete; At aria total a seciunii de

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

2/14

Curs 5ETDHIon Pan

2

trecere prin gtuire (camera de amestec); R raportul ariilor caracteristice; M

raportul debitelor intrare n pomp (fluid extras i

fluid motor).

j

t

ARA

= , (1)

3

1

QM

Q= , (2)

Relaiile de continuitate care exprim valorile

debitelor sunt:

jj vAQ =1 , (3)

ss vAQ =

3, (4)

tt vAQQQ =+= 312 , (5)

unde: ,,, tsj vvv sunt vitezele medii n seciunile

respective. De asemenea n figura 1 s-au notat cu H1,

H2, H3 energiile totale specifice a fluidului motor, a

fluidul aspirat, respectiv a fluidul refulat (al

amestecului), mrimile H1, H2, H3 avnd

dimensiunile de nlime coloan de lichid.Se poate

demonstra pe cale teoretic relaia:

1 2 2 3 1 3( ) ( )H H M H H H H H = + ,

(6)

unde s-a notat cu H expresia:

2

3 3 2

222 2 1

[(1 ) (1 ) (1 )(1 ) 2 (1 )1

2 (1 )][(1 ) (1 ) ] .1 1

j s t d

j s

RH K K M K K M R R M

R

R RM M K K M

R R

= + + + + + + + +

+ + +

(7)

unde Kj, Ks, Kt, Kdsunt coeficienii pierderilor hidraulicen duz, spaiul inelar,camera de amestec, difuzor. De asemenea se poate determina expresia debituluinecesar de fluid motor:

Fig. 2.Pomp cu jet produsde firma Kobe, tip A:1. duz; 2.

camer de amestec; 3. difuzor; 4.

ansamblu de adncime; 5. supap

fix.

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

3/14

Curs 5ETDHIon Pan

3

1 31 2

2

2 ( )

(1 (1 )1

j j j

j s

g H HQ v A A

RK K M

R

= =

+ +

. (8)

Conform relaiei (8), rezult c debitul Q1depinde de )( 31 HH , Ri M, deci

de Q3. Experienele au artat ns c pentru pompele reale, Q1 nu depinde de Q3.n practic relaia (8) se utilizeaz sub forma:

1 3 1 31

2 ( ) 2( )

1 (1 )j j

j j

g H H p pQ A A

K K

= =

+ +

. (9)

O imagine cu o pompindustrial cu jet a firmei Kobe estedat n fig. 2. Alturi de studiulexperimental al pompelor cu jet,utilizarea metodei elementului finit,datorit perfecionrii programelorde calcul este o bun metod destudiu pentru sistemele hidraulice.

Aplicat lapompa cu jet, metoda de studiu presupune mai nti realizarea modeluluitridimensional la dimensiunile reale ale prototipului, cu toate detaliile de form i derugozitate. Un astfel de model este dat n figura 3. Se utilizeaz apoi un programde analiz cu metoda elementului finitn cazul exemplificatCosmosWork 2006. Seintroduc condiiile de simulare care sunt: debitul de fluid motor; presiunea laaspiraie; presiunea la ieirea din pomp. Se urmresc urmtoarele mrimi:presiunea fluidului motor; debitul extras; variaia vitezelor i a presiunilor dinsistem, forma liniilor de curent etc.Variaia vitezei i a presiunii de-a lungul axeipompei se poate vedea n figura 4.

n figura 5 alturi de structura sistemului de pompare cu jet sunt prezentatecurbele ce apreciaz comportarea pompei cu jet pentru anumite situaiifuncionale. Caracteristicile reprezint perechile de valori debit de fluid motor,furnizat de pompa de suprafa i debit de fluid extras, debitul provenit dinsond. Aceste caracteristici sunt introduse n funcie de presiunea de la pompatriplex (presiunea dezvoltat la suprafa) sau n funcie de presiunea la ieireadin pomp, care este determinat de adncimea sondei i de tipul de evi deextracie.

Fig. 3. Modelarea numeric a pompelor cu jet cuvariaia presiunii.

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

4/14

Curs 5ETDHIon Pan

4

a bFig. 5.Sistemului de pompare cu pomp cu jet:

a) structura sistemului de pompare cu jet; b) caracteristicile pompei cu jet; p1presiunea la

intrarea n pomp; p4presiunea la ieirea din pomp.

Se observ c la aceeai presiune la ieire, prin creterea debitului de fluid

motor, putem obine un debit mai mare de fluid extras n condiiile n carepresiunea la intrarea n pomp i implicit la pompa de suprafa are valori maimari. n concluzie se constat c exploatarea pompei cu jet se bazeaz peintroducerea unui anumit debit de la suprafa, la care n funcie de adncimeasondei obinem o presiune la intrarea n pomp i un punct de echilibru la unanumit debit extras. Ca urmare cunoatem debitul de fluid motor, adncimea

a bFig. 4.Rezultatele modelrii numerice:a) variaia vitezei n lungul axei pompei cu jet; b) variaia presiunii

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

5/14

Curs 5ETDHIon Pan

5

sondei i putem determina debitul de fluid extras, cunoscnd binenelescaracteristicile sondei i tipul pompei cu jet.

2) Instalaia de pompare echipat cu uniti cu cavitiprogresive

Acest sistem de pompare constituie o simplificare a sistemului de pomparecu balansier, utiliznd totui prjinile de pompare ca element de legtur cusistemul plasat la talpa sondei. Tijele execut o micare de rotaie, fiind utilizaistabilizatori pentru meninerea direciei garniturii de prjini. La captul inferior alacestora se gsete un rotor (urub) introdus ntr-o cma (piuli) careconstituie pompa de adncime; unitile sunt numite cu urub sau elicoidale dupforma profilului elementelor pompei. Sistemul de pompare este limitat din

punctul de vedere al adncimii de extracie la 10001200 m. Unitile suntreversibile putnd funciona attca pomp ct i ca motor. ntre camerele unitii(pomp sau motor) exist diferene de presiune. Camerele avanseaz progresiv nlungul organelor de lucru de la intrarea la ieirea din unitate. Din aceast cauzunitile se mai numesc i cu caviti progresive.

Marele avantaj al acestei maini hidraulice n comparaie cu alte tipuriconst n faptul c n construcia ei nu intr supape i elemente de distribuie. Oalt trstur constructiv se refer la statorul realizat din cauciuc; realizareaorganelor de lucru din metal, cu abateri de execuie inevitabile, ar duce la

blocarea mainii i la imposibilitatea etanrii n cazul existenei produselor cuimpuriti. Pompele cu caviti progresive s-au dezvoltat ntr-o varietate foartemare i sunt utilizate, pe lng extracia petrolului i n domenii precumpetrochimia, industria celulozei i hrtiei, exploatarea minier, agricultur,industria alimentar, construcii etc. n industria extractiv de petrol, aplicaiiletipice ale pompelor cu cavitate progresiv sunt: la exploatarea sondelor cu ieigreu;la exploatarea sondelor cu productivitate redus (a zcmintelor nguste); laexploatarea sondelor cu debite variabile; la exploatarea sondelor de iei cu unconinut ridicat de ap; la evacuarea apei din sondele de gaze.

Structura instalaiei de pompare cu caviti progresive

Schema instalaiei de pompare este dat n figura 7. Echipamentul deadncime al sondelor exploatate prin pompaj elicoidal cuprinde: pompaelicoidal; garnitura de prjini de pompare (ce acioneaz rotorul pompei);coloana de evi de extracie. Elementele pompei cu caviti progresive sunt:

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

6/14

Curs 5ETDHIon Pan

6

rotorul metalic n form de urub, cu un singur nceput; statorul din cauciuc cuaceeai form, cu dou nceputuri (de obicei se prefer perechea urub cu unnceput piuli cu dou nceputuri dar pot fi i alte combinaii). Statorul este

confecionat din cauciuc sau dintr-un elastomer rezistent la abraziune icoroziune, turnat n interiorul unei evi de oel cu perete gros.eava de oel poatefi tratat prin nitrurare atunci cnd condiiile din sond impun acest lucru.Cauciucul (elastomerul) cu care este cptuit statorul este format de regul dintr-o singur bucat. n interior, pe ntreaga lungime a statorului sunt practicatecanale elicoidale (filet interior cu dou sau mai multe nceputuri). Deci, condiiaobligatorie este ca statorul s aib un canal n plus fa de rotor. Mareamajoritate a firmelor construiesc pompe elicoidale la care rotorul este prevzut cuun singur canal elicoidal, deci cu un singur nceput, iar statorul este prevzut cu

dou canale elicoidale, deci cu dou nceputuri.

Fig. 7.Schema sistemului de pompare cu uniti cu caviti progresive.

La aceste pompe lungimea pasului statorului este dubl fa de lungimeapasului rotorului. Micarea rotorului n interiorul statorului este, de fapt, o

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

7/14

Curs 5ETDHIon Pan

7

combinaie de dou micri: rotaie n jurul propriei axe; rotaie n jurul axeistatorului, de sens opus primei micri, fig. 8. La partea inferioar statorul esteprevzut cu un opritor care are rolul de a poziiona rotorul n stator , fixnd i

condiiile de aspiraie n pomp. Statorul se introduce n sond cu evile deextracie, iar rotorul cu prjinilede pompare.

Coloana de evi de extracie

Rolul coloanei de extracie este de a susinestatorul pompei elicoidale i de a asigura ascensiunea nsond a fluidelor produse de strat, pompate de pomp ievacuate la suprafa. Stabilirea diametrului evilor deextracie se face n funcie de dimensiunea pompei ce

urmeaz a fi introdus n sond. Echipamentul desuprafa al sondelor exploatate prin pompaj elicoidaleste format din: sistemul de acionare; capul deantrenare; motoare electrice. Dimensiunile de gabarit aleechipamentului de suprafa n cazul folosirii sistemuluide pompare cu pompe elicoidale sunt mult mai mici fade dimensiunile de gabarit ale echipamentului desuprafa n cazul pompajului clasic. De asemenea,unitatea de suprafa nu necesit o echilibrare ca ncazul

unitilor cu balansier.

Sistemul de acionare

Sistemul de acionare asigur micarea de rotaie aprjinilor de pompare respectiv a rotorului pompeielicoidale. n majoritatea cazurilor, n cadrul sistemului deacionare se utilizeaz motoare electrice, dar pot fiutilizate i motoare termice sau hidraulice. Transmitereamicrii de rotaie se poate face cu vitez fix sau cu

vitez variabil astfel c sistemele de acionare sunt cu vitez fix sau variabil.Sistemele de acionare cu vitez fix sunt rigide dar permit, totui, schimbareavitezei n trepte de la 1 la 6 n funcie de diametrul roilor de antrenare. Sistemulde acionare cu vitez variabil permite realizarea unui domeniu larg de viteze derotaie, fie prin modificarea frecvenei n cazul utilizrii motoarelor electrice, fieprintr-un dispozitiv de control al turaiei n cazul utilizrii motoarelor hidraulice.

Fig. 8.Principiul delucru al pompei cu caviti

progresive.

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

8/14

Curs 5ETDHIon Pan

8

Capul de antrenare

Capul de antrenare are rolul de: transmitere a micrii de rotaie de lasistemul de antrenare la prjinile de pompare, respectiv la rotorul pompei, prin

intermediul prjinii lustruite; preluarea forei axiale de la prjinile de pompare(fora dat de greutatea prjinilor, greutatea lichidului i greutatea rotorului).

Motoarele electrice

Motoarele electrice utilizate sunt motoare trifazate, cu rotorul nscurtcircuit, cu bobinajul n colivie de veveri, capsulate. Motoarele electrice auturaii de 750,1000 i1500 rot/min.

Principiul de funcionare

Principiul funcional este urmtorul (fig.8): n timp ce rotorul se nvrte ninteriorul statorului, ntre acestea se formeaz caviti ce progreseaz de lacaptul de aspiraie ctre cel de refulare, crnd fluidul volum cu volum prinpomp. Efectul este asemntor cu cel produs de o pomp cu piston care segsete n mod continuu n cursa ascendent, de refulare. Etanarea strnsdintre elicele rotorului i statorului, menine fluidul n cavitile formate idatorit rotirii urubului interior, fluidul este vehiculat cu un debit proporional cuturaia rotorului. n realitate exist scurgeri, ce se datoreaz, mai multor factori,precum diferena de presiune dintre dou etaje, uzura rotorului i a statorului,particulele solide ce se interpun ntre rotor i stator i care nu pot fimpinse nmasa elastomerului pentru a realiza etanarea. Etanarea este obinut prinexecutarea diametrului rotorului puin mai mare dect diametrul minim alstatorului.

Presiunea diferenial se nsumeaz de la o cavitate la alta astfel nctnlimea de pompare este proporional cu numrul de caviti respectiv cunumrul de etaje. Pentru a se evita o uzur excesiv a elastomerului, serecomand ca presiunea diferenial s nu depeasc 0,7 MPa/etaj. O pomp cumai multe etaje realizeaz presiuni mai mari, respectiv adncimi mari de pomparei debite mici, n timp ce o pomp de acelai diametru i de aceeai lungime cucea iniial, dar cu un numr mai mic de etaje (lungimea pasului mai mare),realizeaz presiuni mici, respectiv adncimi mici de pompare i debite mari. Ariaseciunii transversale a dou caviti alturate este dat de relaia:

4A d e= (10)

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

9/14

Curs 5ETDHIon Pan

9

unde: d este diametrul rotorului; e excentricitatea distana dintre axarotorului i centrul seciunii circulare prin pomp. Aa dup cum se observ din

relaia anterioar, aria seciunii transversale este constant. Rezult c la o vitezde rotaie constant, debitul pompei este constant. Astfel, o caracteristicimportant a pompei o constituie faptul c debitul pompei nu este pulsator,aciunea sa de pompare fiind frecvent comparat cu cea a unui piston care sedeplaseaz ntr-un cilindru cu lungimea infinit. Cilindreea pompei V este egalcu:

4V A p d e p= = (11)

unde: p este pasul statorului. La o nlime de pompare zero debitul Q estedirect proporional cu cilindreea i cu turaia n, a rotorului:

4Q V n d e p n= = (12)

Pompa elicoidal fiind o pomp volumetric, presiunea este independentde vitez, presiuni mari putnd fi generate chiar la viteze mici. Odat cu cretereapresiunii apar pierderi volumetrice proporionale cu presiunea. Pierderilevolumetrice depind de: presiunea creat de pomp (presiunea diferenial dintre

caviti); numrul de etaje; gradul de comprimare al statorului datoritintroducerii rotorului i strngerii acestuia; vscozitatea fluidelor vehiculate;temperatura la nivelul pompei.

Avantajele si dezavantajele utilizrii pompelor cu caviti

progresive

Utilizarea pompelor elicoidale n extracia ieiului prezint urmtoareleavantaje: sunt economice la instalare (datorit compactitii instalaieicosturile de instalare sunt reduse, se elimin fundaia necesar unitilor

de pompare cu balansier, asamblarea fcndu-se direct pe flana capuluide pompare); instalarea este mai rapid dect la unitile de pompare cubalansier;siguran n funcionare (prin construcia sa, instalaia are toateprile n micare protejate, neexistnd pericolul accidentrilor);randament mare (construcia simpl a pompei elicoidale produce o frecaremic n cuplul rotor-stator, ducnd la un randament mecanic ridicat;

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

10/14

Curs 5ETDHIon Pan

10

pompele elicoidale necesit energie numai pentru ridicarea (liftarea)fluidului, nu i a prjinilor; durata mare de funcionare (sistemul depompare i construcia instalaiei asigur o durat mare de funcionare,

ajungndu-se la o durat de funcionare continu de doi-trei ani);ntreinerea simpl (ntreinerea instalaiei n exploatare este simpl,nefiind necesare procedee complicate sau scule i dispozitive speciale); tipul de elastomer din care este confecionat statorul poate fi ales lacerere, astfel nct acesta s fie compatibil cu fluidele produse de sond; debitul pompei este uor de ajustat; sistemul de acionare faciliteazschimbarea vitezei de rotaie n funcie de variaia debitului produs desond (astfel ca viteza de rotaie poate fi aleas de aa natur, nctdebitul pompei s fie egal cu debitul maxim pe care poate s -l produc

stratul i care corespunde corelaiei de funcionare start-pomp); nu suntsensibile la solidele existente n fluidele vehiculate; vehiculeaz fluide cuvscoziti ridicate.

Pe lng avantajele prezentate mai sus, pompele elicoidale prezint i ctevadezavantajecum ar fi: analiza i controlul funcionrii pompei pot fi fcute numaipe baza datelor de producie i a nivelului de lichid din spaiul inelar(dinamometrele i diagramele de pompare nu pot fi utilizate); trebuie evitatoprirea cnd viscozitatea fluidului este mare i acesta conine un procent mare denisip; prjinile de pompare sunt solicitate att la traciune ct i la torsiune.

Performanele pompelor elicoidale sunt urmtoarele: debitul poate varia de la 0,3la 900 m3/zi;nlimea maxim de pompare este 2 000 m;temperatura de lucrueste n domeniul 60 120 0C, n cazul fluidelor curate (fr impuriti solide),respectiv de 40 90 0C, n cazul fluidelor cu impuriti solide; vscozitateafluidelor vehiculate poate fi de maximum 20 Ns/m2, la 40 0C (20 000 cP, la 400C).

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

11/14

Curs 5ETDHIon Pan

11

Fig. 9. Curbele de performan ale pompei cu cavitate progresiv

tip 60 TP 2000 ( firma RODEMIP) , la 55 C i rotorul de 35 mm.

Firmele constructoare de pompe elicoidale, prezint diagrame n care suntreprezentate curbele de performan pentru fiecare tip de pomp produs,precum i diagrame de alegere a pompelor. n figura 9 sunt prezentate curbele de

performan ale pompei model 60TP2000, produs de firma RODEMIP.

Fig. 10.Pomp cu cavitate progresiv folosit la transportul produselor vscoase.

O variant de pomp pentru transportul produselor pe conducte se vede figura10. Pompele de acest tip sunt utilizate de asemenea n industria petrochimic latransportul produselor semisolide (de exemplu dimetiltereftalat, saramur) i nindustria alimentar sau n agricultur (transport aluat, pete, nutre, ngrminte,struguri etc.).

3. Sisteme de pompare cu uniti cu role

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

12/14

Curs 5ETDHIon Pan

12

Unul dintre cele mai noi sisteme de pompare este cel cu role. Nu avemfoarte multe date referitoare la construcie i exploatare i a fost introdus aici cucaracter informativ. Acesta prezint urmtoarele avantaje: simplitate constructiv

deosebit; lipsa prjinilor de antrenare; randament bun. n figura 11 esteprezentat un sistem de extracie cu o combinaie ntre pompa i motorul cu role.Gazele la separator vin la suprafa prin spaiul inelar iar producia sondei ifluidul motor sunt aduse prin interiorul evilor de extracie. n general sistemelede extracie ce folosesc pompe volumice rotative sunt mai eficiente i se potfolosi la sonde deviate.n ultimul timp pompele submersibile sunt utilizate laextragerea nodulilor de magneziu de la adncimi de pn la 5000 m.

Fig. 11.Sistem de extracie cu uniti volumice cu role (motorul hidraulic este de tip cu

role la fel i pompa).

Pompele rotative i-au gsit o larg aplicabilitate n special la sondele undepompele convenionale nu corespund: existena nisipului, petrol vscos etc.

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

13/14

Curs 5ETDHIon Pan

13

Motorul hidrostatic cu palete cu role, este prezentat n seciune transversal nfigura 12. Acesta este compus dintr-un rotor montat concentric ntr-un stator.Rotorul este prevzut cu trei perechi de fante practicate longitudinal la periferie.

n aceste fante se introduc nite cilindrii alunectori (role) realizai dintr-unmaterial elastic. Rolele se pot deplasa de la interior ctre exterior (n fant ) iinvers. Statorul este prevzut cu dou came care mpart spaiul dintre rotor istator n dou camere.

Fig.12.Motorul hidrostatic cu role. Fig. 13.Seciune prin pompa cu role.

Fluidul motor intr n aceste camere prin partea interioar a unei conductecentrale i iese prin partea exterioar a evii de alimentare amestecndu-se cufluidul extras de pomp ( direciile sunt indicate cu sgei). Presiunea fluiduluimotor, trimis de pompa de suprafa, acioneaz asupra suprafeelor posterioareale celor dou role.

Aceast presiune nmulit cu aria seciunii transversale a rolelor creeaz ofor tangenial care nvrte rotorul. Acelai fenomen se repet i cu celelalteperechi de role. Cnd o pereche de role ptrunde pe suprafaa camerelor n

poziie retras ctre interior, acestea cur suprafaa camerelor i realizeazetanarea chiar n condiiile existenei particulelor de roc. Pentru a evitacomunicarea pe perioade scurte a zonelor cu presiuni diferite se monteaz nconducta central o valv fix. Din cauza dimensiunilor mici, motorul poate fitransportat cu elicopterul.O alt caracteristic const n simplitatea constructivi costurile reduse pentru reparaiile capitale. Sunt motoare cu deplasare pozitiv,

7/22/2019 Curs_ETDH_2012_5

14/14

Curs 5ETDHIon Pan

14

care ca i cele elicoidale se caracterizeaz printr-o eficien hidraulic ridicat.Pentru role se pot folosi materiale termoplastice ce rezist la temperaturiridicate( circa 200 C). Rezult c astfel de motoare se pot folosi i la adncimi

mari. Rolele sunt rezistente la hidrocarburi i fluide corozive.Principiul motoruluicu palete cu role poate fi aplicat pentru a realiza o pomp rotativ, figura13.

Aceast pomp este nvrtit n sens invers acelor de ceasornic de unmotor electric a crui frecven poate s fie modificat. De asemenea debitulpompei se poate modifica i prin ngustarea camelor i creterea numrului derole active. n locul motorului electric se poate folosi i un motor hidraulic cu rolela care rotorul motorului se cupleaz direct cu rotorul pompei.