RU2395717C1

RU2395717C1 - Gas and gas-liquid injection unit

Info

Publication number: RU2395717C1
Application number: RU2009101592/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Вадимович Голик (RU); Александр Вадимович Голик; Сергей Алексеевич Мезенцев (RU); Сергей Алексеевич Мезенцев; Ольга Васильевна Белоусова (RU); Ольга Васильевна Белоусова; Герман Георгиевич Лынов (RU); Герман Георгиевич Лынов
Original assignee: Зильберберг Юрий Александрович
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-07-27

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed unit consists of several pump sections each incorporating work chamber with piston and rod articulated with con rod gear. Piston divides work chamber into head end and rod end. Note here that head end communicates with additional chamber furnished with delivery valve and inlet gas valve communicated via gas tube with self-contained gas source. Rod end communicates continuously with the same gas source that, in suction stroke, allows force brought about by gas pressure in said additional chamber and acting on piston to be balanced by force in rod end caused by identical pressure. For more complete pressure equalisation, check valve opening towards rod end and receiver are built in the line that communicates rod end with self-contained source. Receiver volume is selected so that rod end pressure at the end of suction stroke exceeds the pressure in self-contained gas source with relationship between active areas of head end rod ends. The conditions wherein, in suction stroke, catches up con rod gear, are eliminated.

EFFECT: ruling out of negative moment that causes extra dynamic loads and reduces life of pump parts.

3 dwg, 2 cl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области насосостроения и, в частности, может быть использовано для нагнетания газожидкостной смеси при бурении и освоения нефтяных и газовых скважин и при закачке в пласт газов и газожидкостной смеси.The present invention relates to the field of pump engineering and, in particular, can be used to pump a gas-liquid mixture during drilling and development of oil and gas wells and when injecting gas and gas-liquid mixture into the reservoir.

Известно устройство для осуществления способа аэрации промывочной жидкости, преимущественно для бурения и освоения нефтяных и газовых скважин, выполненное по авт.св. СССР №142150, кл. F04B 23/06, 1961 г.A device for implementing the method of aeration of washing liquid, mainly for drilling and development of oil and gas wells, is performed according to auth. USSR No. 142150, class F04B 23/06, 1961

Это устройство содержит поршневой насос, имеющий рабочий цилиндр, всасывающий и нагнетательный клапаны, подпорный насос и посторонний источник газа под избыточным давлением.This device contains a piston pump having a working cylinder, suction and discharge valves, a booster pump and an external source of gas under excessive pressure.

Недостатком известного устройства является значительное снижение коэффициента заполнения рабочей камеры насоса в период такта всасывания, связанное с повышенной проницаемостью газа, что в свою очередь ведет к значительному снижению объемной подачи насоса. Для компенсации объемных потерь приходится увеличивать мощность привода и существенно увеличивать габариты самих насосов, что весьма неэкономично в указанной области применения.A disadvantage of the known device is a significant decrease in the fill factor of the working chamber of the pump during the suction stroke, associated with increased gas permeability, which in turn leads to a significant decrease in the volumetric pump flow. To compensate for volume losses, it is necessary to increase the drive power and significantly increase the dimensions of the pumps themselves, which is very uneconomical in this application.

Известно также устройство для нагнетания газожидкостной смеси, выполненное по авт.св. СССР №714044, кл. F04B 23/10, 1980 г.It is also known a device for pumping a gas-liquid mixture, made by auth. USSR No. 714044, class F04B 23/10, 1980

Это устройство содержит состоящий из нескольких секций поршневой насос, имеющий в каждой секции рабочий цилиндр с образованной в нем рабочей камерой, всасывающий и нагнетательный клапаны, независимый источник газа. Характерной особенностью известного устройства является то, что в каждой секции насоса между рабочим цилиндром и его нагнетательным клапаном установлена дополнительная камера, снабженная впускным клапаном для сообщения этой камеры с источником газа в период выполнения насосом такта всасывания. При этом объем дополнительной камеры, по меньшей мере, равен рабочему объему цилиндра.This device contains a piston pump consisting of several sections, having in each section a working cylinder with a working chamber formed in it, suction and discharge valves, and an independent gas source. A characteristic feature of the known device is that in each section of the pump between the working cylinder and its discharge valve an additional chamber is installed, equipped with an inlet valve for communication of this chamber with the gas source during the pump's suction stroke. Moreover, the volume of the additional chamber is at least equal to the working volume of the cylinder.

В период выполнения такта всасывания газ с заданным избыточным давлением вводят непосредственно в рабочую камеру поршневого насоса, в зону, примыкающую к нагнетательному клапану, и одновременно через всасывающий клапан насоса из всасывающего коллектора (с помощью подпорного насоса) вводят перекачиваемую жидкость с избыточным давлением, равным давлению вводимого газа. При этом газ накапливается над жидкостью под нагнетательным клапаном (в период выполнения насосом такта всасывания) и при совершении насосом такта нагнетания газ сжимается и вытесняется через нагнетательный клапан в коллекторную часть насоса. Причем в конце нагнетания вытесняется некоторый объем перекачиваемой жидкости, равный объему, закаченному подпорным насосом.During the suction stroke, a gas with a predetermined overpressure is injected directly into the working chamber of the piston pump, into the area adjacent to the discharge valve, and at the same time a pumped liquid with an overpressure equal to pressure is introduced from the intake manifold (using a booster pump) injected gas. At the same time, gas accumulates above the liquid under the discharge valve (during the pump's suction stroke) and when the pump completes the pumping stroke, the gas is compressed and displaced through the discharge valve into the manifold of the pump. Moreover, at the end of the injection, a certain volume of pumped liquid is displaced, equal to the volume pumped by the booster pump.

Такое выполнение устройства позволяет существенно снизить энергозатраты процесса нагнетания аэрированной жидкости, что обусловлено тем, что практически исключается влияние остаточного количества газа в рабочей камере после завершения насосом такта нагнетания, благодаря чему существенно повышается коэффициент наполнения рабочей камеры во время такта всасывания.This embodiment of the device allows to significantly reduce the energy consumption of the pumping process of the aerated liquid, which is due to the fact that the influence of the residual amount of gas in the working chamber after the pump completes the pumping stroke is practically eliminated, which substantially increases the filling factor of the working chamber during the suction stroke.

Однако недостатком этого устройства является то, что давление газа, поступающего в насос, составляет весьма значительную величину (от 5 до 20%) давления нагнетания газожидкостной смеси, которое воздействует на плунжер и заставляет его «обгонять» кривошипно-шатунный механизм, что способствует изменению знака момента вращения на коленчатом валу приводной части насоса.However, the disadvantage of this device is that the pressure of the gas entering the pump is a very significant amount (from 5 to 20%) of the discharge pressure of the gas-liquid mixture, which acts on the plunger and forces it to “overtake” the crank mechanism, which contributes to a change in sign torque on the crankshaft of the pump drive part.

Происходит это следующим образом.It happens as follows.

Цикл каждого рабочего цилиндра складывается из такта всасывания и такта нагнетания, а давление в нем, соответственно, меняется от давления вводимого газа до максимального давления нагнетания и наоборот.The cycle of each working cylinder consists of a suction stroke and a discharge stroke, and the pressure in it, respectively, varies from the pressure of the introduced gas to the maximum discharge pressure and vice versa.

При этом секции насоса, находящиеся в такте нагнетания, создают прямой момент на коленчатом валу насоса, а секции, находящиеся в такте всасывания, - противомомент.At the same time, sections of the pump that are in the delivery stroke create a direct moment on the crankshaft of the pump, and sections that are in the suction stroke create a moment.

В некоторых фазах поворота коленвала насоса, когда сумма противомоментов превышает сумму прямых моментов, суммарный момент оказывается отрицательным.In some phases of the rotation of the pump crankshaft, when the sum of the torques exceeds the sum of the direct moments, the total moment is negative.

Для трехплунжерного насоса с дополнительными камерами такие условия возникают, когда одна из секций только вступает в такт всасывания, и давление в ее рабочей камере сначала снизилось до 0, а затем начинает повышаться до давления газа в независимом источнике, вторая - находится в заключительной части такта всасывания (давление близко к упомянутому давлению газа), а третья находится в начальной стадии такта нагнетания (когда процесс сжатия только начался и давление в рабочей камере не достигло еще больших значений).For a three-plunger pump with additional chambers, such conditions arise when one of the sections only enters the suction stroke, and the pressure in its working chamber first decreases to 0, and then begins to increase to the gas pressure in an independent source, the second is in the final part of the suction stroke (the pressure is close to the aforementioned gas pressure), and the third is in the initial stage of the pumping stroke (when the compression process has just begun and the pressure in the working chamber has not reached even greater values).

Особенно существенно этот недостаток проявляется в получивших в последнее время в указанной области широкое распространение плунжерных насосах с малым количеством плунжеров (например, в триплекс-насосах). Величина отрицательного момента достигает 10% от номинального при степенях сжатия, больших 10, при этом в приводной части насоса возникают удары вследствие наличия в нем технологических зазоров, что недопустимо, так как приводит к уменьшению долговечности насоса.This drawback is especially significant in plunger pumps with a small number of plungers that have recently become widespread in this area (for example, in triplex pumps). The magnitude of the negative moment reaches 10% of the nominal when the compression ratio is greater than 10, while in the drive part of the pump shocks occur due to the presence of technological gaps in it, which is unacceptable, since it leads to a decrease in the durability of the pump.

Известно также устройство для нагнетания газожидкостной смеси, выполненное по патенту №2151912, МКИ F04B 23/10 от 27.06.2000 г., которое может быть принято за прототип.It is also known a device for pumping a gas-liquid mixture, made according to patent No. 2151912, MKI F04B 23/10 from 06/27/2000, which can be taken as a prototype.

Установка для нагнетания газожидкостной смеси состоит из нескольких насосных секций возвратно-поступательного действия, каждая из которых включает рабочий цилиндр с образованной в нем рабочей камерой с поршневым элементом, всасывающий и нагнетательный клапаны, дополнительную (бустерную) камеру, в верхней части которой смонтирован указанный нагнетательный клапан, под которым размещен впускной клапан для сообщения этой камеры с независимым источником газа при выполнении такта всасывания; приводной части, включающей коленчатый вал;The gas-liquid mixture injection installation consists of several reciprocating pump sections, each of which includes a working cylinder with a working chamber with a piston element formed in it, suction and discharge valves, an additional (booster) chamber, in the upper part of which the specified discharge valve is mounted under which an inlet valve is placed to communicate this chamber with an independent gas source when performing a suction stroke; a drive part including a crankshaft;

резервуара для перекачиваемой жидкости и всасывающего коллектора, сообщенного с указанным резервуаром, подпорный насос отсутствует.the reservoir for the pumped liquid and the suction manifold in communication with the specified reservoir, there is no booster pump.

Характерной особенностью установки является то, что поршневой элемент каждой насосной секции выполнен в виде плунжера, снабженного дополнительным поршнем, включающим поршневой элемент со штоком, размещенный в дополнительной камере, соосной с рабочей камерой насоса. При этом в теле указанного поршневого элемента установлены открывающийся при такте нагнетания обратный клапан и дроссель. Поршневая камера дополнительного поршня сообщена с дополнительным клапанным узлом, сообщенным в свою очередь со всасывающим коллектором установки. Дополнительный клапанный узел включает корпус с размещенными в нем всасывающим и нагнетательным клапанами. Полость корпуса под всасывающим клапаном сообщена со всасывающим коллектором установки, а полость над нагнетательным клапаном - с нижней частью бустерной камеры. Шток дополнительного поршня жестко связан с плунжером, а дополнительная камера выполнена в виде наставки-удлинителя, жестко скрепленной с рабочим цилиндром. Дополнительная камера может также быть выполнена в плунжере каждой насосной секции. При этом в штоке дополнительного поршня выполнен сквозной осевой канал, сообщенный с полостью корпуса дополнительного клапанного узла. Шток в этом случае жестко скреплен с крышкой рабочего цилиндра. Дополнительный клапанный узел может включать корпус и один клапанный элемент, открывающийся при всасывании. При этом полость корпуса над клапанным элементом сообщена с поршневой камерой дополнительного поршня и с полостью рабочей камеры насосной секции под ее всасывающем клапаном, а полость корпуса под клапанным элементом - со всасывающим коллектором.A characteristic feature of the installation is that the piston element of each pump section is made in the form of a plunger equipped with an additional piston, including a piston element with a rod, located in an additional chamber, coaxial with the working chamber of the pump. At the same time, a check valve and a throttle are opened in the body of the specified piston element, which opens during the pumping stroke. The piston chamber of the additional piston is in communication with the additional valve assembly, which, in turn, communicates with the intake manifold of the installation. The additional valve assembly includes a housing with suction and discharge valves located therein. The body cavity under the suction valve is in communication with the suction manifold of the installation, and the cavity above the discharge valve with the bottom of the booster chamber. The additional piston rod is rigidly connected to the plunger, and the additional chamber is made in the form of an extension extension rigidly fixed to the working cylinder. An additional chamber may also be provided in the plunger of each pump section. At the same time, a through axial channel is made in the rod of the additional piston, in communication with the cavity of the housing of the additional valve assembly. The stem in this case is rigidly bonded to the cover of the working cylinder. The additional valve assembly may include a housing and one valve member opening upon suction. In this case, the body cavity above the valve element is in communication with the piston chamber of the additional piston and with the cavity of the working chamber of the pump section under its suction valve, and the body cavity under the valve element with the suction manifold.

Недостатком устройства является следующее.The disadvantage of this device is the following.

Отсутствие подпорного насоса делает работоспособность установки проблематичной, так как наличие в цилиндре и бустерной камере давления газа независимого источника будет препятствовать открытию основного и дополнительного всасывающих клапанов в такте всасывания.The absence of a booster pump makes the installation operable problematic, since the presence of an independent gas pressure in the cylinder and the booster chamber will prevent the opening of the main and additional suction valves in the suction stroke.

Наличие перепада давления на дросселе поршневого элемента будет замедлять заполнение дополнительной камеры, в которую должен проникнуть объем жидкости, пропорциональный площади штока, что приведет к кавитационным явлениям в такте нагнетания. Так как усилие, препятствующее возникновению отрицательного момента, зависит от перепада давления на дросселе, то в диапазоне цикла всасывания оно может меняться в очень широких пределах, так как закон движения плунжера с приводом от кривошипно-шатунного механизма, а следовательно, производительность - синусоидальные, а перепад давления на дросселе зависит от квадрата производительности. Таким образом, большая часть хода будет проходить с минимальным перепадом давления.The presence of a differential pressure on the throttle of the piston element will slow down the filling of the additional chamber, into which the volume of liquid must penetrate, proportional to the area of the rod, which will lead to cavitation phenomena in the discharge stroke. Since the force that prevents the occurrence of a negative moment depends on the pressure drop across the throttle, it can vary over a very wide range in the range of the suction cycle, since the law of movement of the plunger driven by the crank mechanism, and therefore the performance, is sinusoidal, and the differential pressure across the throttle depends on the square of the performance. Thus, most of the stroke will take place with a minimum pressure drop.

Конструкция установки значительно усложнена благодаря наличию дополнительной камеры, дополнительного поршня с дросселем и обратным клапаном, дополнительных всасывающего и нагнетательного клапанов, что усложняет замену быстроизнашиваемых элементов уплотнений, поршней, плунжеров.The design of the installation is significantly complicated due to the presence of an additional chamber, an additional piston with a throttle and a non-return valve, additional suction and discharge valves, which complicates the replacement of wear elements of seals, pistons, plungers.

В связи с изложенным основной технической задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа и создание установки для нагнетания газожидкостной смеси с простым по конструкции и надежным устройством, исключающим возникновение отрицательного момента путем обеспечения постоянного силового равновесия на поршневом элементе в такте всасывания, не зависящем от изменения производительности в пределах одного цикла всасывания.In connection with the stated main technical objective of the present invention is to eliminate the disadvantages of the prototype and to create an installation for pumping a gas-liquid mixture with a simple in design and reliable device that eliminates the occurrence of a negative moment by ensuring constant force equilibrium on the piston element in the suction stroke, not depending on changes in performance in within one suction cycle.

Для решения поставленной задачи установка для нагнетания газа и газожидкостной смеси состоит из нескольких насосных секций, каждая из которых включает рабочий цилиндр с поршнем и образованной в цилиндре рабочей камерой, дополнительную (бустерную) камеру, сообщающуюся с рабочей камерой, всасывающего клапана, связанного через коллектор с подпорным насосом и рабочей камерой, нагнетательного клапана в верхней части дополнительной камеры, впускного клапана для сообщения дополнительной камеры с независимым источником газа при такте всасывания, расположенного ниже нагнетательного клапана, приводной части, включающей кривошипно-шатунный механизм, связанный с поршнем посредством штока.To solve this problem, the installation for injecting gas and gas-liquid mixture consists of several pump sections, each of which includes a working cylinder with a piston and a working chamber formed in the cylinder, an additional (booster) chamber communicating with the working chamber of the suction valve connected through a manifold to a booster pump and a working chamber, a discharge valve at the top of the additional chamber, an inlet valve for communicating the additional chamber with an independent gas source during the suction stroke the lower part of the discharge valve, the drive part, including the crank mechanism, connected to the piston through the rod.

Причем характерной особенностью является то, что поршень разделяет рабочую камеру на поршневую, связанную с дополнительной камерой и всасывающим клапаном, и штоковую, ограниченную уплотнением поршня и уплотнением штока и постоянно связанную с независимым источником газа.Moreover, a characteristic feature is that the piston divides the working chamber into a piston chamber connected with an additional chamber and a suction valve, and a rod chamber limited by a piston seal and a rod seal and constantly connected with an independent gas source.

В линию, связывающую штоковую камеру с независимым источником газа, встроен обратный клапан, открывающийся в сторону штоковой камеры, и ресивер между обратным клапаном и штоковой камерой, объем которого определяется по формулеA check valve is installed in the line connecting the rod chamber to an independent gas source, opening towards the rod chamber, and a receiver between the check valve and the rod chamber, the volume of which is determined by the formula

,

где V_p - объем ресивера;where V _p is the volume of the receiver;

V_ш.к - рабочий объем штоковой камеры;V _Ш.к - displacement of the stock chamber;

P_г - давление в независимом источнике газа;P _g - pressure in an independent gas source;

S_n - активная площадь поршня;S _n is the active area of the piston;

S_ш.к - активная площадь штоковой камеры;S _Ш.к - active area of the stock chamber;

причем между обратным клапаном и штоковой полостью насоса ресивер размещен в охлаждающем кожухе, полость которого соединена с напорной линией подпорного насоса и с всасывающим коллектором бустерного насоса.moreover, between the non-return valve and the pump stem cavity, the receiver is placed in a cooling casing, the cavity of which is connected to the pressure line of the booster pump and to the suction manifold of the booster pump.

Возможность осуществления предлагаемого изобретения доказывается использованием в отечественной и зарубежной практике способов нагнетания газожидкостной смеси с использованием поршневых насосов и устройств для их осуществления, разработанных и реализованных в ряде отечественных установок при бурении и освоении нефтяных и газовых скважин (см. приводимые выше аналог и прототип).The feasibility of the invention is proved by the use in domestic and foreign practice of methods of pumping a gas-liquid mixture using piston pumps and devices for their implementation, developed and implemented in a number of domestic installations for drilling and development of oil and gas wells (see the above analogue and prototype).

Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемой установки (дополнительный односторонний жидкостной поршень, двухполостная насосная камера, обратный клапан, теплообменник) могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники и, в частности, при бурении и освоении нефтяных и газовых скважин.Technical features that are distinctive for the inventive installation (additional one-sided liquid piston, two-cavity pump chamber, non-return valve, heat exchanger) can be implemented using tools used in various fields of technology and, in particular, when drilling and developing oil and gas wells.

Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы и достаточны для его осуществления, так как обеспечивают решение поставленной задачи - повышение надежности установки в целом за счет устранения отрицательных моментов на коленчатом валу ее приводной части, упрощение конструкции установки - исключения дополнительных поршней и клапанов. Кроме того, оно позволяет с успехом применять поршневые насосы, хорошо зарекомендовавшие себя при бурении нефтяных и газовых скважин.Distinctive features reflected in the claims are necessary and sufficient for its implementation, as they provide a solution to the problem - improving the reliability of the installation as a whole by eliminating the negative points on the crankshaft of its drive part, simplifying the design of the installation - eliminating additional pistons and valves. In addition, it allows the successful use of piston pumps, which have proven themselves in drilling oil and gas wells.

Предлагаемое изобретение поясняется примером его выполнения на прилагаемых чертежах:The invention is illustrated by an example of its implementation in the accompanying drawings:

Фиг.1 - схематическое изображение установки для нагнетания газа и газожидкостной смеси в соответствии с предлагаемым изобретением (показана одна секция насоса) с рабочей камерой и поршнем, разделяющий ее на камеру с газожидкостной смесью и газовую камеру, непосредственно связанную с газовой линией независимого источника газа.Figure 1 is a schematic illustration of a gas and gas-liquid mixture injection device in accordance with the invention (one pump section is shown) with a working chamber and a piston dividing it into a gas-liquid mixture chamber and a gas chamber directly connected to the gas line of an independent gas source.

Фиг.2 - схематическое изображение установки для нагнетания газа и газожидкостной смеси, отличающееся от фиг.1 наличием ресивера, встроенного между газовой камерой и независимым источником газа через обратный клапан, и заключенного в охлаждающий кожух, через который прокачивается жидкость от подпорного насоса к всасывающему коллектору.FIG. 2 is a schematic illustration of a gas and gas-liquid mixture pumping installation, which differs from FIG. 1 by the presence of a receiver integrated between the gas chamber and an independent gas source through a non-return valve and enclosed in a cooling casing through which liquid is pumped from the booster pump to the intake manifold .

Фиг.3 - конструктивное исполнение установки для нагнетания газожидкостной смеси (показана одна секция).Figure 3 - structural design of the installation for pumping a gas-liquid mixture (one section is shown).

На фиг.1 изображена схематически установка для нагнетания газа и газожидкостной смеси, состоящая из рабочей камеры 1, дополнительной камеры 2, поршня 5, штока 6, поршневой камеры 3, штоковой камеры 4, нагнетательного клапана 7 в верхней части дополнительной камеры 2, впускного газового клапана 8, расположенного ниже нагнетательного клапана 7 и связанного посредством газовой трубы 21 и трубопровода 10 с независимым источником газа 9 (например, компрессором, ресивером или газовой линией), всасывающего клапана 14 в поршневой камере 3, подпорного насоса 12, связанного с всасывающим коллектором 13 и имеющего всасывающий патрубок 22, газового коллектора 11 для сообщения газового трубопровода 10 со штоковой полостью 4, кривошипно-шатунного механизма 15, связанного со штоком 6 для сообщения поршню 5 возвратно-поступательного перемещения.Figure 1 shows a schematic installation for injecting gas and a gas-liquid mixture, consisting of a working chamber 1, an additional chamber 2, a piston 5, a rod 6, a piston chamber 3, a rod chamber 4, a discharge valve 7 in the upper part of the additional chamber 2, an inlet gas a valve 8 located below the discharge valve 7 and connected through a gas pipe 21 and a pipe 10 to an independent gas source 9 (for example, a compressor, receiver or gas line), a suction valve 14 in the piston chamber 3, a booster pump 12, associated with the suction manifold 13 and having a suction pipe 22, a gas manifold 11 for communicating the gas pipe 10 with the rod cavity 4, a crank mechanism 15 connected to the rod 6 for communicating the reciprocating piston 5.

Работает установка следующим образом (фиг.1).The installation works as follows (figure 1).

Сначала полости поршневой 3 и дополнительной 2 камер заполняются жидкостью без включения подачи газа. Затем подается газ.First, the piston cavity 3 and the additional 2 chambers are filled with liquid without turning on the gas supply. Then gas is supplied.

Исходным положением для такта всасывания является крайнее левое положение поршня 5, поршневая и дополнительная камеры заполнены жидкостью, которая в дополнительной камере образует «гидравлический поршень», полностью заполняющий мертвое пространство насоса.The starting position for the suction stroke is the extreme left position of the piston 5, the piston and additional chambers are filled with liquid, which in the additional chamber forms a "hydraulic piston" that completely fills the dead space of the pump.

Поршень движется вправо, нагнетательный клапан закрывается, жидкость из дополнительной камеры перетекает в поршневую, «зеркало» 24 гидравлического поршня опускается, одновременно через всасывающий клапан 14 поступает дополнительный объем жидкости. В образовавшееся пространство поступает газ из независимого источника 9 через впускной клапан 7. Штоковая полость 4 постоянно заполнена газом. Усилие, воздействующее на поршень со стороны поршневой камеры, возникающее от давления газа в дополнительной камере, компенсируется усилием от давления в штоковой камере 4. Это последнее несколько меньше усилия в поршневой камере (на 10…12%), но эта разница компенсируется трением в уплотнениях поршня и штока, а также тем, что давление газа в дополнительной камере возрастает до номинального не мгновенно, а в течение первой части хода.The piston moves to the right, the discharge valve closes, the fluid flows from the additional chamber into the piston, the “mirror” 24 of the hydraulic piston is lowered, and an additional volume of fluid enters through the suction valve 14. Gas forms from the independent source 9 through the inlet valve 7. The rod cavity 4 is constantly filled with gas. The force acting on the piston from the side of the piston chamber arising from the gas pressure in the additional chamber is compensated by the force from the pressure in the rod chamber 4. This latter is somewhat less than the force in the piston chamber (by 10 ... 12%), but this difference is compensated by friction in the seals piston and rod, as well as the fact that the gas pressure in the additional chamber increases to the nominal one not instantly, but during the first part of the stroke.

Таким образом, поршень со штоком не «обгоняют» кривошипно-шатунный механизм, следовательно, не возникает отрицательный момент, приводящий к выборке люфтов в механизме и возникновению динамических нагрузок и быстрому износу деталей насоса.Thus, the piston with the rod does not “overtake” the crank mechanism, therefore, there is no negative moment leading to the selection of backlash in the mechanism and the emergence of dynamic loads and rapid wear of the pump parts.

При начале такта нагнетания поршень находится в крайнем правом положении, «зеркало» жидкостного поршня находится в нижней части дополнительной камеры, которая заполнена газом, с давлением, равным давлению независимого источника, нагнетательный клапан закрыт. Поршень начинает двигаться влево под действием кривошипно-шатунного механизма 15 и давления газа, постоянно находящегося в штоковой камере 4. Таким образом, на 10…20% снижается потребная мощность привода. «Жидкостной поршень» сжимает газ, при этом впускной клапан 8 и всасывающий 14 закрыты. При достижении давления в дополнительной камере 2 давления в нагнетательном манифольде 20 нагнетательный клапан 7 открывается и газ поступает в нагнетательный манифольд. В конце хода через нагнетательный клапан вытесняется объем жидкости, равный объему, поступившему от подпорного насоса. Таким образом, «мертвое пространство» насоса сводится к минимуму.At the beginning of the injection stroke, the piston is in the extreme right position, the “mirror” of the liquid piston is in the lower part of the additional chamber, which is filled with gas, with a pressure equal to the pressure of an independent source, the discharge valve is closed. The piston begins to move to the left under the action of the crank mechanism 15 and the gas pressure constantly located in the rod chamber 4. Thus, the required drive power is reduced by 10 ... 20%. The "fluid piston" compresses the gas, while the inlet valve 8 and the suction 14 are closed. When the pressure in the additional pressure chamber 2 in the discharge manifold 20 is reached, the discharge valve 7 opens and gas enters the discharge manifold. At the end of the stroke, a volume of liquid equal to the volume received from the booster pump is displaced through the discharge valve. Thus, the "dead space" of the pump is minimized.

На фиг.2 изображена схема, аналогичная фиг.1. Отличие заключается в том, что для обеспечения увеличения давления в штоковой камере с целью компенсации разницы между активной площадью поршня и кольцевой площадью в штоковой камере в линии подвода газа 11 от независимого источника к штоковой камере установлен обратный клапан 25, открывающийся в сторону штоковой камеры. Причем в этой линии имеется ресивер 19, объем которого определяется по формулеFigure 2 shows a diagram similar to figure 1. The difference is that in order to provide an increase in pressure in the rod chamber in order to compensate for the difference between the active area of the piston and the annular area in the rod chamber in the gas supply line 11 from an independent source to the rod chamber, a check valve 25 is installed that opens toward the rod chamber. Moreover, in this line there is a receiver 19, the volume of which is determined by the formula

,

где V_р - объем ресивера;where V _p is the volume of the receiver;

S_ш.к - активная площадь штоковой камеры.S _sh.k - the active area of the stock chamber.

Таким образом, давление в штоковой камере становится больше давления в независимом источнике, кратное соотношению активных площадей или несколько больше.Thus, the pressure in the rod chamber becomes greater than the pressure in an independent source, a multiple of the ratio of active areas or slightly more.

Так как штоковая камера 4 с подводящей линией становится газовым амортизатором с замкнутым переменным объемом, то ресивер 19 размещен внутри охлаждающего кожуха 18, в который поступает жидкость от подпорного насоса, направляемая во всасывающий коллектор 13.Since the rod chamber 4 with the supply line becomes a gas shock absorber with a closed variable volume, the receiver 19 is placed inside the cooling casing 18, into which liquid from the booster pump enters, sent to the suction manifold 13.

На фиг.3 показано конструктивное устройство гидропневматической части установки (одна секция). В корпусе 43 смонтирована сменная гильза 26, в которой перемещается поршень 5 со штоком 6, уплотненным сальником 30, размещенным в корпусе уплотнения 29, по которому центрируется гильза 26. С противоположной стороны гильза 26 поджимается крышкой 27 с помощью гайки 28. Поршень 5 разделяет внутреннюю полость корпуса 25 на поршневую камеру 3 и штоковую 4. Поршневая камера 3 может сообщаться с жидкостным всасывающим коллектором 13 через всасывающий клапан 14. Штоковая камера 4 постоянно сообщается с независимым источником газа 9 (фиг.1) посредством коллектора 23. В верхней части корпуса 25 установлена дополнительная камера 2, внутренняя полость которой 33 посредством отверстий 32 сообщается с поршневой камерой 3. В верхней части дополнительной камеры 2 имеется нагнетательная полость 43 с нагнетательным клапаном 7, постоянно связанная с нагнетательным коллектором 20, который связан с трубопроводом потребителя. Ниже нагнетательного клапана 7 расположен впускной газовый клапан 8 с газовой трубой 21, которая посредством отверстий 31 постоянно сообщается с газовым коллектором 17. Отверстия 31, 32 расположены во вставке 34, укрепленной в седле корпуса 43. Дополнительная камера 2 зафиксирована в корпусе 43 посредством гайки 39. Шток 6 жестко соединен с крейцкопфом 41, перемещающемся в корпусе приводной части 40. Внутренняя полость приводной части 40 герметизируется уплотнением 36.Figure 3 shows the structural device of the hydropneumatic part of the installation (one section). A removable sleeve 26 is mounted in the housing 43, in which the piston 5 moves with the stem 6 sealed by an oil seal 30 located in the seal housing 29, along which the sleeve 26 is centered. On the opposite side, the sleeve 26 is pressed by the cover 27 with the nut 28. The piston 5 divides the inner the cavity of the housing 25 to the piston chamber 3 and the rod 4. The piston chamber 3 can communicate with the liquid suction manifold 13 through the suction valve 14. The rod chamber 4 is constantly in communication with an independent gas source 9 (Fig. 1) via a manifold 23. In the upper part of the housing 25, an additional chamber 2 is installed, the inner cavity of which 33 is connected through the holes 32 to the piston chamber 3. In the upper part of the additional chamber 2 there is a discharge cavity 43 with a discharge valve 7, which is constantly connected to the discharge manifold 20, which is connected with consumer pipeline. Below the discharge valve 7, there is an inlet gas valve 8 with a gas pipe 21, which through holes 31 is constantly in communication with the gas manifold 17. The holes 31, 32 are located in the insert 34, mounted in the seat of the housing 43. The additional chamber 2 is fixed in the housing 43 by means of a nut 39 The stem 6 is rigidly connected to the crosshead 41 moving in the housing of the drive part 40. The internal cavity of the drive part 40 is sealed with a seal 36.

Работа установки, конструкция которой изображена на фиг.3, описана при рассмотрении схемы на фиг.1 и 2.The operation of the installation, the design of which is shown in figure 3, is described when considering the circuit in figures 1 and 2.

Таким образом, наличие штоковой камеры, постоянно связанной либо напрямую с независимым источником газа, либо через обратный клапан и ресивер с охлаждающим кожухом, обеспечивает уравновешивание усилия от давления газа в поршневой полости в такте всасывания, предотвращая тем самым «обгон» поршнем элементов кривошипно-шатунного механизма и возникновение отрицательного момента, приводящего к дополнительным динамическим нагрузкам, повышенному износу и невозможности увеличить производительность за счет увеличения частоты вращения коленчатого вала.Thus, the presence of a rod chamber constantly connected either directly with an independent gas source or through a non-return valve and a receiver with a cooling casing ensures balancing of the force from the gas pressure in the piston cavity in the suction stroke, thereby preventing the piston from “overtaking” the crank elements the mechanism and the occurrence of a negative moment leading to additional dynamic loads, increased wear and inability to increase productivity by increasing the speed of the wheel grooved shaft.

Кроме того, в такте нагнетания обеспечивается снижение потребной приводной мощности кривошипно-шатунного механизма.In addition, in the discharge stroke, the required drive power of the crank mechanism is reduced.

Claims

1. Installation for injecting gas and gas-liquid mixtures, including several pump sections, each of which includes a working cylinder with a piston and a working chamber formed in the cylinder, an additional (booster) chamber in communication with the working chamber, a suction valve connected through a manifold to a booster pump and a working chamber, a discharge valve in the upper part of the additional chamber, an inlet valve for communicating the additional chamber with an independent gas source during the suction stroke, located below the discharge of the valve, a drive part including a crank mechanism connected to the piston by means of a rod, characterized in that the piston divides the working chamber into a piston chamber associated with an additional chamber and a suction valve, and a rod chamber limited by a piston and rod seal and permanently connected with an independent gas source.

2. Installation for injecting gas and gas-liquid mixture according to claim 1, characterized in that in the line connecting the rod chamber with an independent gas source, a check valve is built in, opening towards the rod chamber, and a receiver between the check valve and the rod chamber, the volume of which determined by the formula:

where V _p is the volume of the receiver;
V _Ш.к - displacement of the stock chamber;
R _g - pressure in an independent gas source;
S _n is the active area of the piston;
S _sh.k - the active area of the rod chamber,
moreover, the receiver is placed in a cooling casing, the cavity of which is connected to the pressure line of the booster pump and the suction manifold of the pump.