RU2712847C1

RU2712847C1 - Submersible pumping plant with magnetic coupling

Info

Publication number: RU2712847C1
Application number: RU2018146655A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Пещеренко; Роман Ринатович Гизатуллин; Марина Петровна Пещеренко
Original assignee: Акционерное общество "Новомет-Пермь"
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2020-01-31

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention relates to pump engineering and, in particular, to submersible oil-producing pumping plant driven by sealed submersible electric motor for pumping well fluid. Proposed plant comprises engine and pump. They are connected by magnetic coupling. This coupling includes drive and driven half-couplings with permanent magnets connected with engine shaft and pump shaft, respectively. Between them protective screen and intermediate bearing support are installed. At that, the plant is additionally equipped with magnetic coupling cooling unit. Heat exchangers are used as this unit. One of them is installed on the pump side, and the other one is on the engine side. Heat exchanger on the pump side is equipped with a pumping stage for pumping of cooling liquid. Heat exchanger on engine side is equipped with pump stage for pumping of engine cooling oil. Each of the heat exchangers has a housing, inside of which an insulating partition is installed so that an annular gap is formed. On inner surface of heat exchanger housing on side of annular gap there are notches or spiral channels.

EFFECT: submersible pumping plant with magnetic coupling is proposed.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению, в частности к погружным нефтедобывающим насосным установкам с приводом от герметичного погружного электродвигателя для перекачивания скважинной жидкости.The invention relates to a pump engineering industry, in particular to submersible oil pumping units driven by a sealed submersible electric motor for pumping well fluid.

Известна установка погружного насоса, содержащая герметичный электродвигатель, магнитную муфту, и добывающий насос, причем внутренняя полость электродвигателя герметична и защищена от попадания внутрь пластовой жидкости, а крутящий момент от вала двигателя к валу насоса передается за счет взаимодействия между постоянными магнитами, закрепленными на ведущей и ведомой полумуфтах магнитной муфты, жестко связанных с валами двигателя и насоса, и разделенными защитным экраном (патент на ПМ №52124, опубл. 10.03.2006).It is known to install a submersible pump containing a sealed electric motor, a magnetic coupling, and a production pump, the internal cavity of the electric motor being sealed and protected from ingress of formation fluid, and the torque from the motor shaft to the pump shaft is transmitted due to the interaction between the permanent magnets fixed to the drive and driven half-couplings of a magnetic coupling, rigidly connected to the shafts of the motor and pump, and separated by a protective shield (patent for PM No. 52124, publ. 10.03.2006).

Накопление тепла в муфте при ее эксплуатации, обусловленное вязким трением в каналах между защитным экраном и полумуфтами, снижает надежность установки и является главным недостатком описанного аналога.The accumulation of heat in the coupling during its operation, due to viscous friction in the channels between the protective screen and the coupling halves, reduces the reliability of the installation and is the main disadvantage of the described analogue.

Наиболее близкой к заявляемой является установка погружного насоса, описанная в патенте US №6863124, Е21В 43/00, 166/64, опубл. 17.07.2003, имеющая в своем составе добывающий насос и погружной электродвигатель, связанные друг с другом посредством магнитной муфты, состоящей из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, прикрепленными к ротору двигателя и к ротору насоса соответственно, защитного экрана между ними, выполненного из немагнитного непроводящего материала, и промежуточной подшипниковой опоры, имеющей три промежуточных подшипника, концентричных друг другу и размещенных в одном и том же осевом положении. Поверхности сопряжения подшипников располагаются в узком зазоре между защитным экраном и магнитами. Зазор между ведущей полумуфтой и защитным экраном, изолирующий от окружающей среды внутреннюю полость двигателя, заполнен маслом двигателя. Зазор между защитным экраном и ведомой полумуфтой заполняется скважинной жидкостью во время работы установки.Closest to the claimed is the installation of a submersible pump, described in US patent No. 6863124, ЕВВ 43/00, 166/64, publ. 07/17/2003, which includes a production pump and a submersible motor connected to each other by means of a magnetic coupling, consisting of a driving and driven coupling half with permanent magnets attached to the motor rotor and to the pump rotor, respectively, a protective shield between them made of non-magnetic non-conductive material, and an intermediate bearing support having three intermediate bearings, concentric to each other and placed in the same axial position. The bearing mating surfaces are located in a narrow gap between the protective shield and the magnets. The gap between the drive coupling half and the protective shield, which isolates the internal cavity of the engine from the environment, is filled with engine oil. The gap between the shield and the driven coupling half is filled with the borehole fluid during installation operation.

При эксплуатации такой установки в магнитной муфте вследствие вязкого трения в слое жидкости между вращающейся и неподвижной стенками происходит значительный нагрев, тем больший, чем выше вязкость жидкости и частота вращения вала. Отсутствие охлаждения вызывает рост температуры внутри устройства и потерю магнитных свойств постоянных магнитов при достижении температуры Кюри. Кроме того, описанное расположение подшипников либо полностью перекрывает канал для потенциально возможной прокачки охлаждающей жидкости по зазору, либо подразумевает большую толщину зазора. В первом случае неизбежен перегрев муфты, ведущий к ограничению срока службы и надежности всей установки, во втором накладывается ограничение по передаваемому крутящему моменту, что приводит к снижению производительности.When such an installation is operated in a magnetic coupling, due to viscous friction in the fluid layer between the rotating and fixed walls, significant heating occurs, the greater the higher the viscosity of the fluid and the shaft speed. The lack of cooling causes an increase in temperature inside the device and a loss of magnetic properties of permanent magnets when the Curie temperature is reached. In addition, the described arrangement of bearings either completely blocks the channel for the potential for pumping coolant through the gap, or implies a large thickness of the gap. In the first case, overheating of the coupling is inevitable, leading to a limitation of the service life and reliability of the entire installation; in the second, a limitation on transmitted torque is imposed, which leads to a decrease in performance.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности охлаждения магнитов как ведущей, так и ведомой полумуфт.The technical task of the invention is to increase the cooling efficiency of the magnets of both the leading and the driven coupling halves.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке погружного насоса, содержащей двигатель и насос, соединенные магнитной муфтой, включающей ведущую и ведомую полумуфты с постоянными магнитами, каждая из которых (полумуфт) связана с валом двигателя и валом насоса соответственно, защитный экран между ними и промежуточную подшипниковую опору, согласно изобретению, она дополнительно снабжена устройством охлаждения магнитной муфты, в качестве которого применены теплообменники, один из которых установлен со стороны насоса, а другой - со стороны двигателя.The specified technical result is achieved by the fact that in the installation of a submersible pump containing a motor and a pump connected by a magnetic coupling, including a driving and driven half-coupling with permanent magnets, each of which (half-coupling) is connected to the motor shaft and pump shaft, respectively, a protective shield between them and the intermediate bearing support, according to the invention, it is additionally equipped with a magnetic coupling cooling device, which is used as heat exchangers, one of which is installed on the pump side, and the other is from the engine side.

В частных вариантах исполнения в теплообменнике между корпусом и размещенной в нем изоляционной перегородкой имеется кольцевой зазор заданной высоты, в котором теплоотвод от нагретой жидкости будет осуществляться через корпус в окружающую среду (в скважинную жидкость). При этом на внутренней поверхности корпуса теплообменника, ограничивающей кольцевой зазор, могут быть выполнены насечки, увеличивающие поверхность контакта между горячим маслом и корпусом, либо спиралевидные каналы определенной длины, которые увеличивают время прохождения горячей жидкости по теплообменнику.In private embodiments, in the heat exchanger between the casing and the insulating partition placed inside it, there is an annular gap of a given height, in which the heat from the heated fluid will be removed through the casing to the environment (into the borehole fluid). At the same time, notches can be made on the inner surface of the heat exchanger casing, which limits the annular gap, increasing the contact surface between the hot oil and the casing, or spiral channels of a certain length, which increase the time it takes for the hot liquid to pass through the heat exchanger.

Применение устройства охлаждения магнитной муфты в виде теплообменников позволит избежать перегрева магнитов, вызванного выделением значительного количества тепла при вращении полумуфт в результате вязкого трения в жидкостях, заполняющих зазоры по разные стороны от защитного экрана. Устройство обеспечивает понижение температуры охлаждающих жидкостей за счет рассеивания тепла в скважинную жидкость через корпус теплообменников.The use of a magnetic coupling cooling device in the form of heat exchangers will avoid overheating of the magnets caused by the release of a significant amount of heat during the rotation of the coupling as a result of viscous friction in liquids filling the gaps on opposite sides of the protective screen. The device provides a decrease in the temperature of coolants due to heat dissipation into the well fluid through the housing of the heat exchangers.

Ведущую полумуфту со стороны двигателя омывает масло, прокачиваемое по замкнутому контуру электродвигатель - теплообменник - муфта. Ведомая полумуфта охлаждается водой, прокачиваемой по замкнутому контуру муфта - теплообменник.The leading coupling half from the engine side is washed by oil, pumped in a closed circuit by an electric motor - heat exchanger - coupling. The driven coupling half is cooled by water pumped along a closed circuit. The coupling is a heat exchanger.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема заявляемой установки с магнитной муфтой и теплообменниками, на фиг. 2 - теплообменник ведомой полумуфты, на фиг. 3 - теплообменник ведущей полумуфты, на фиг. 4 и 5 представлены варианты внутренней поверхности корпуса теплообменника.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of the inventive installation with a magnetic coupling and heat exchangers, FIG. 2 - heat exchanger driven half coupling, in FIG. 3 - heat exchanger leading coupling half, in FIG. 4 and 5 show variants of the inner surface of the heat exchanger body.

Установка погружного насоса (фиг. 1) содержит погружной электродвигатель 1 и добывающий насос 2 с входным модулем 3, соединенные друг с другом посредством магнитной муфты 4. Установка снабжена устройством охлаждения в виде теплообменника 5, расположенного ниже добывающего насоса 2, и теплообменника 6, установленного над электродвигателем 1.The submersible pump installation (Fig. 1) contains a submersible motor 1 and a production pump 2 with an input module 3 connected to each other by means of a magnetic coupling 4. The installation is equipped with a cooling device in the form of a heat exchanger 5 located below the production pump 2 and a heat exchanger 6 installed above the electric motor 1.

Магнитная муфта 4 состоит из двух полумуфт с постоянными магнитами: ведомой полумуфты 7 (фиг. 2), насаженной на вал 8 насоса 2 и ведущей полумуфты 9, закрепленной на валу 10 электродвигателя 1 (фиг. 3), между которыми размещен защитный экран 11, корпуса 12 (фиг. 2, 3).The magnetic coupling 4 consists of two coupling halves with permanent magnets: the driven coupling half 7 (Fig. 2), mounted on the shaft 8 of the pump 2 and the drive coupling half 9, mounted on the shaft 10 of the motor 1 (Fig. 3), between which is placed a protective shield 11, housing 12 (Fig. 2, 3).

Теплообменник 5 гидравлически связан с ведомой полумуфтой 7 и содержит цилиндрический корпус 13, внутри которого с образованием кольцевого зазора размещена изоляционная перегородка 14 (фиг. 2). Теплообменник 5 снабжен насосной ступенью 15, установленной в верхней части, вращающейся на валу 8 и обеспечивающей прокачку жидкости по замкнутому контуру муфта 4 - теплообменник 5. Контур муфта 4 - теплообменник 5 включает в себя полость между валом 8 и изоляционной перегородкой 14 и полость внутри вала 8, которые соединены отверстием 16, а также зазор между ведомой полумуфтой 7 и защитным экраном 11 и полость между изоляционной перегородкой 14 и корпусом теплообменника 13, которые соединены отверстиями в стыковочном модуле 17.The heat exchanger 5 is hydraulically connected to the driven coupling half 7 and contains a cylindrical body 13, inside of which an insulating partition 14 is placed with the formation of an annular gap (Fig. 2). The heat exchanger 5 is equipped with a pump stage 15 mounted in the upper part, rotating on the shaft 8 and providing fluid pumping in a closed circuit; coupling 4 - heat exchanger 5. Circuit coupling 4 - heat exchanger 5 includes a cavity between shaft 8 and insulating partition 14 and a cavity inside the shaft 8, which are connected by a hole 16, as well as the gap between the driven coupling half 7 and the protective screen 11 and the cavity between the insulating partition 14 and the heat exchanger body 13, which are connected by holes in the docking module 17.

Для создания напора при прокачке масла через теплообменник 6, связанный с ведущей полумуфтой 9, в нижней части электродвигателя 1 установлена вторая насосная ступень 15 (фиг. 3), насаженная на вал 10. Прокачка трансформаторного масла осуществляется по контуру муфта 4 - теплообменник 6 - двигатель 1, который состоит из зазора между ротором 18, вращающимся на валу 10, и статором 19 электродвигателя 1, полости теплообменника 6, зазора между ведущей полумуфтой 9 и корпусом магнитной муфты 12, зазора между ведущей полумуфтой 9 и защитным экраном 11, а также полости внутри вала 10.To create a pressure when pumping oil through a heat exchanger 6 connected to the leading coupling half 9, a second pump stage 15 is installed in the lower part of the motor 1 (Fig. 3), mounted on the shaft 10. The transformer oil is pumped along the contour of the coupling 4 - heat exchanger 6 - engine 1, which consists of a gap between the rotor 18 rotating on the shaft 10 and the stator 19 of the electric motor 1, the cavity of the heat exchanger 6, the gap between the driving coupling half 9 and the housing of the magnetic coupling 12, the clearance between the driving coupling half 9 and the protective screen 11, as well as the floor STI inside the shaft 10.

Внутренняя поверхность корпуса теплообменника 13 может быть гладкой (фиг. 2, 3), с насечками (фиг. 4) или со спиралевидными канавками (фиг. 5).The inner surface of the housing of the heat exchanger 13 may be smooth (Fig. 2, 3), with notches (Fig. 4) or with spiral grooves (Fig. 5).

Установка погружного насоса работает следующим образом.Installation of a submersible pump operates as follows.

При включении электродвигателя 1 связанная с валом 10 электродвигателя 1 ведущая полумуфта 9 приводится во вращение. Постоянные магниты, закрепленные на ведущей полумуфте 9, создают вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с постоянными магнитами, расположенными в ведомой полумуфте 7. При этом ведомая полумуфта 7, связанная с валом 8 добывающего насоса 2, вовлекается во вращательное движение. Таким образом, осуществляется передача крутящего момента с ведущей полумуфты 9 на ведомую 7 без механического контакта между ними, в результате насос 2 приводится в действие и начинает качать скважинную жидкость.When you turn on the motor 1 connected to the shaft 10 of the motor 1, the leading coupling half 9 is driven into rotation. Permanent magnets mounted on the leading coupling half 9 create a rotating magnetic field interacting with the permanent magnets located in the driven coupling half 7. In this case, the driven coupling coupling 7 connected to the shaft 8 of the production pump 2 is involved in rotational motion. Thus, the transmission of torque from the leading coupling half 9 to the driven 7 without mechanical contact between them, as a result, the pump 2 is driven and starts to pump the well fluid.

Одновременно вал 8 также приводит во вращение насосную ступень 15, обеспечивающую прокачку жидкости по замкнутому контуру муфта 4 - теплообменник 5 (фиг. 2). Жидкость, заполняющая контур муфта 4 - теплообменник 5, выходит из насосной ступени 15, проходит между валом 8 и изоляционной перегородкой 14, попадает в отверстие 16 и движется внутри вала 8. Далее жидкость после выхода из вала 8 поворачивает и, поднимаясь вверх по зазору между ведомой полумуфтой 7 и защитным экраном 11, нагревается вследствие вязкого трения. Затем через отверстия в стыковочном модуле 17 жидкость попадает в полость между изоляционной перегородкой 14 и корпусом теплообменника 13, где происходит охлаждение жидкости за счет отдачи тепла в окружающую среду через корпус. Во избежание полного израсходования жидкости в теплообменнике 5 из-за утечек, предлагается периодически проводить ее пополнение с поверхности через трубку 20.At the same time, the shaft 8 also drives the pump stage 15, which provides fluid pumping in a closed circuit, the coupling 4 - heat exchanger 5 (Fig. 2). The fluid filling the circuit of the coupling 4 - the heat exchanger 5, leaves the pump stage 15, passes between the shaft 8 and the insulating partition 14, enters the hole 16 and moves inside the shaft 8. Then, after exiting the shaft 8, it turns and, rising up the gap between driven half coupling 7 and the protective screen 11, is heated due to viscous friction. Then, through the holes in the docking module 17, the liquid enters the cavity between the insulating partition 14 and the heat exchanger body 13, where the liquid is cooled by heat transfer to the environment through the body. In order to avoid the complete consumption of liquid in the heat exchanger 5 due to leaks, it is proposed to periodically replenish it from the surface through the tube 20.

Вторая насосная ступень 15 в нижней части двигателя 1, насаженная на вал 10 и обеспечивающая прокачку масла по контуру муфта 4 - теплообменник 6 - двигатель 1, приводится во вращение одновременно при запуске двигателя 1. В теплообменник ведущей полумуфты 6 горячее масло попадает после нагревания в зазоре между ротором 18 и статором 19 погружного электродвигателя 1 (фиг. 3). Благодаря торцевым уплотнениям 21 масло через отверстия стыковочного модуля 17 оказывается в полости теплообменника, где происходит его охлаждение за счет передачи тепла в окружающую среду через корпус теплообменника 13. Наличие на внутренней поверхности корпуса теплообменника 13 насечек (фиг. 4) или спиралевидных канавок (фиг. 5) улучшает (интенсифицирует) теплообмен, в первом случае за счет увеличения поверхности контакта между горячим маслом и корпусом, во втором - из-за увеличения времени прохождения горячей жидкости по теплообменнику. Далее после теплообменника масло проходит вдоль ведущей полумуфты 9 и через внутреннюю полость вала 10 электродвигателя 1 возвращается обратно.The second pump stage 15 in the lower part of the engine 1, mounted on the shaft 10 and providing oil pumping along the contour of the coupling 4 - heat exchanger 6 - engine 1, is driven at the same time when starting the engine 1. Hot oil enters the heat exchanger of the driving coupling half 6 after heating in the gap between the rotor 18 and the stator 19 of the submersible motor 1 (Fig. 3). Thanks to the mechanical seals 21, the oil through the holes of the docking module 17 is in the cavity of the heat exchanger, where it is cooled by heat transfer to the environment through the housing of the heat exchanger 13. The presence of notches on the inner surface of the heat exchanger 13 (Fig. 4) or spiral grooves (Fig. 5) improves (intensifies) the heat transfer, in the first case due to the increase in the contact surface between the hot oil and the body, in the second - due to the increase in the time of passage of the hot liquid through the heat exchanger. Then, after the heat exchanger, the oil passes along the leading coupling half 9 and returns through the internal cavity of the shaft 10 of the motor 1.

Таким образом, включение в состав установки погружного насоса теплообменников между электродвигателем и магнитной муфтой, а также между магнитной муфтой и насосом, позволяет добиться эффективного охлаждения магнитов и, как следствие, увеличить надежность всей установки.Thus, the inclusion of heat exchangers between the electric motor and the magnetic coupling, as well as between the magnetic coupling and the pump, as part of the submersible pump installation, allows achieving effective cooling of the magnets and, as a result, increasing the reliability of the entire installation.

Claims

Installation of a submersible pump with a magnetic coupling, comprising a motor and a pump connected by a magnetic coupling, including a driving and driven half coupling with permanent magnets, connected with the motor shaft and the pump shaft, respectively, a protective shield between them and an intermediate bearing support, characterized in that it additionally equipped with a magnetic clutch cooling device, which is equipped with heat exchangers, one of which is installed on the pump side and the other on the motor side, the heat exchanger on the pump side equipped with a pump stage for pumping coolant, and the heat exchanger on the engine side is equipped with a pump stage for pumping engine coolant, each of the heat exchangers has a housing inside which an insulating partition is placed to form an annular gap, and are made on the inner surface of the heat exchanger body from the ring gap notches or spiral channels.