Возможности использования керамики и электромагнитов при перекачке многофазных сложных сред

Встатье рассматривается концепция разрабатываемого мультифазного электромагнитного полимер-керамического насоса в перекачке сложных многофазных сред.

Ключевые слова : многофазные среды, вязкость, совместная перекачка, техническая керамика, композиты, электромагниты.

Перекачка сложных смешанных сред является обязательным компонентом практически в любых технологических процессах. Несмотря на внушительное количество конструкций насосов, перекачка сложных смесей сопряжена со множеством проблем, большинство из которых на сегодняшний день еще не нашло должного решения. В особенности это касается веществ с высокой вязкостью, а также смесей, имеющих в составе твердые или агрессивные компоненты.

Так, в химической, нефтегазовой сферах, в горном деле, в металлообработке процессы перекачки сырья или отходов сопряжены с коррозионным и абразивным воздействием на оборудование. Здесь используются дорогостоящие материалы и сложное в изготовлении насосное оборудование, стоимость и обслуживание которых приводит к большим финансовым затратам и не всегда рентабельно. В пищевой, медицинской и биотехнологической сферах присутствуют вещества, при перекачке которых необходимо не допустить разрушения или загрязнения перекачиваемых компонентов.

Практически во всех отраслях присутствуют отходы, состав которых весьма разнообразен. Для их транспортировки в пункты утилизации устанавливаются сепараторы и фильтры для разделения компонентов, приводя к неоправданным потерям ресурсов. Их можно было бы транспортировать вместе, снижая затраты и защищая при этом экологию. С учетом все более возрастающего разнообразия сфер деятельности общества количество таких проблем будет только возрастать.

Как показал обзор публикаций, самый короткий межремонтный период в нефтегазовой отрасли имеют скважинные насосы по причине сложных условий перекачки. Предложены самые разнообразные технические решения, но проблема не решена.

2/3 скважин в мире эксплуатируются штанговыми глубинными насосными установками. Предложений по их улучшению много, например,УПЛД, а также линейный привод — LRP (UNICO Inc.). Это показывает, что линейные магнитные технологии частично начали внедряться в добыче углеводородов и имеют хорошие перспективы [1].

В системе сбора и подготовки нефти и газа многофазность перекачиваемой среды приводит к усложнению этой системы и к непроизводительным затратам. Здесь предлагаются мультифазные винтовые насосы, которые хотя и решают проблему, но стоят очень дорого.

При проектировании обустройства новых нефтяных месторождений технология совместного сбора многофазной продукции увеличивает период фонтанной эксплуатации.

Однотрубная система сбора многофазной продукции скважин решает проблему утилизации попутного нефтяного газа; помимо транспорта газожидкостной смеси без предварительной сепарации возможно отделение газа от продукции и использование в качестве топлива на электростанции. Таким образом обеспечивается автономность работы оборудования, путевой подогрев и снижение вязкости потока. Затраты на проектирование и строительство новой дожимной насосной станции могут многократно превышать затраты на приобретение и монтаж многофазной насосной установки [2, 3].

Рассмотрены практически все способы перекачки жидкостей и различных смесей. В сфере нефтедобычи. В последние годы внедрены новые технические решения в скважинной добыче нефти. Их сложно назвать альтернативой нашей идее. В новых разработках изменяются приводы, оптимизируются параметры насосов, применяются новые материалы, но отсутствуют принципиальные изменения в конструкции насосов.

В сфере наземной перекачки. В последние годы разработан насос ЭПИКОЛ принципиально отличающийся от других по конструкции. Как показано на сайте разработчика данный насос способен перекачивать газожидкостные смеси с различными включениями вплоть до волокнистых материалов. Но авторы не указывают на возможность перекачки жидкостей с особо высокой вязкостью более чем 1000000 сСт [5].

Рис. 1. Принципиальная схема разрабатываемого насоса

Проект направлен на разработку электромагнитного полимер-керамического насоса для перекачки сложных многофазных сред. Изготовление катушек электромагнитов не сложное и давно освоено. Для изготовления пластин сердечников электромагнитов возможно приобретение штамповочного оборудования, которое сравнительно недорогое. Поставщиков электротехнической стали или пластин для электромагнитов достаточно и это не вызовет проблем [6, 7, 8].

Скользящие элементы насоса для различных нагрузок и условий эксплуатации будут изготовлены из керамики и полимеров. Предусмотрены вариантырасположения магнитов и скользящих элементов параллельно, под углом, зигзагом, оппозитно, револьверно, спирально и т. д.

В настоящее время техническая керамика является незаменимым материалом во многих отраслях техники, как, например, ядерной энергетике, электронике, радиотехнике, машиностроении и др. В керамике можно использовать наиболее широкий спектр композиционных материалов, компоненты которых могут значительно отличаться по своему составу и свойствам, а полученные изделия — принципиально новыми свойствами, которые не являются простой суммой свойств компонентов. Последнее обстоятельство открыло широкие перспективы использования керамики в машиностроении, так как для ее создания используются вещества, отличающиеся наиболее высокими температурами плавления, модулями упругости, химической стабильностью и высокотемпературной прочностью [9, 10].

Производство керамических изделий освоено в нашей стране, и за рубежом, в том числе и в Китае. Их стоимость по сравнению со сталями, применяемыми в мультифазных насосах известных производителей значительно ниже (0,5–15$ за отдельный элемент). При этом их износостойкость, прочность и химическая стойкость значительно выше стали.

Отличительностью особенностью нашего насоса является то, что можно менять его конструкцию без ущерба к его характеристикам в очень широких пределах. Другим преимуществом нашей идеи является то, что есть возможность внедрения в устройства управления насоса системы адаптивной обратной связи, что в других насосах реализовать крайне затруднительно. Особенно это важно в химии, добыче нефти, опасных производствах или в крупногабаритной мехатронике.

1. Открытие производства насосов возможно при минимальных капиталовложениях и отсутствии конкуренции;
2. Компоненты для изготовления насоса доступны на рынке, а в дальнейшем возможно собственное изготовление, 3D печать;
3. Минимум высокоточной обработки, нет дорогих металлов, электродвигателей и редукторов — поэтому вложения в оборудование минимальные и соответственно более низкая себестоимость;
4. Насос позволит перекачивать химически агрессивные смеси с абразивными частицами без предварительного разделения и очистки компонентов, что значительно экономит средства;
5. Возможная широкая номенклатура и оптимальное соотношение по показателю — цена/характеристика;
6. Отсутствие вибрации, шума, кавитации, изоляция потока и полная герметичность и т. д.;
7. Тонкое регулирование, автоматизация и программирование параметров работы насоса от нуля до максимума, а также деликатная перекачка.

Проект направлен на решение проблем перекачки многофазных сложных сред, что, по нашему мнению, будет способствовать повышению ресурсо- и энергоэффективности промышленности и других сфер деятельности общества.

Литература:

1. Дроздов А. Н., Малявко Е. Разработка установки погружного плунжерного насоса с линейным электродвигателем для эксплуатации малодебитного фонда скважин [Текст] / А. Н. Дроздов, Е. Малявко // Нефтегазовая Вертикаль. — 2013. — № 15–16. — С. 68–71.
2. Ладыгин А. Н., Дворецкас Р. В. К вопросу проектирования однотрубной системы сбора многофазной продукции нефтедобывающих скважин [Текст] / А. Н. Дроздов, Е. Малявко // Проблемы геологии и освоения недр: Труды XVIII Международного симпозиума студентов и молодых ученых имени академика М. А. Усова. — 2014. — Том II. — С. 68–71.
3. https://glavteh.ru
4. http://www.rema-tiptop.ru/product
5. https://www.epikol.com/
6. Арменский Е. В. Фалк Г. Б. Электромеханические устройства автоматики. Учебное пособие — М., 2002. — 211 с.
7. Г. П. Свинцов Моделирование и оптимизация электромагнитных приводов электрических аппаратов диссертация, [Текст]: дис… докт. тех. наук: 05.09.01, Свинцов Геннадий Петрович. — Чебоксары, 2001. — 370 с.
8. В. В. Медведев Линейные электромеханические приводы клапанов трубопроводной арматуры. проектирование и оптимизация диссертация, [Текст]: дис… канд. тех. наук: 05.09.01, Медведев Виктор Владимирович. — Новочеркасск, 2017. — 220 с.
9. Дроздов Ю. Н., Надеин В. А., Савинова Т. М. Обобщенные характеристики для определения ресурса по износу технической керамики [Текст] / Ю. Н. Дроздов, В. А. Надеин, Т. М. Савинова // Трение и износ. — 2015. — Том 29, № 1. — С. 22–28.
10. Гаршин А. П., Гропянов В. М., Зайцев Г. П., Семенов С. С. Керамика для машиностроения / А. П. Гаршин и др. M.: Научтехлитиздат, 2003. — 384 с.