Tài liệu MÁY BƠM PISTON pptx

Máy bơm piston có những ưu việt riêng mà các máy bơm khác không có được, và được sử dụng rộng rãi trong khoan dầu khí: - Có thể bơm các dung dịch có trọng lượng riêng khác nhau; - Có thể

MÁY BƠM PISTON 1.1 Vai trò, cấu tạo, nguyên lý làm việc và phân loại

1.1.1 Vai trò của máy bơm piston trong công tác khoan dầu khí

Trong công tác khoan khai thác và khoan thăm dò máy bơm dung dịch khoan là bộ phận không thể tách rời và cũng như không thể thiếu được Máy bơm khoan có nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thi công giếng khoan Trong quá trình thi công giếng khoan, choòng khoan phá huỷ đất đá ở đáy giếng khoan, mùn khoan này phải được đưa lên bề mặt nhờ một loại nước rửa gọi là dung dịch khoan Để thực hiện quá trình trên, chúng ta phải sử dụng một loại thiết bị trong đó máy bơm khoan đóng vai trò quan trọng nhất Máy bơm khoan có công dụng bơm chất lỏng xuống xuống giếng khoan để làm mát, làm sạch choòng khoan, làm sạch đáy giếng khoan đưa mùn từ đáy giếng khoan lên và đặc biệt quan trọng là giúp cho quá trình khoan được dễ dàng

Để thực hiện bơm dung dịch khoan xuống đáy giếng khoan, máy bơm khoan thường sử dụng là máy bơm piston Máy bơm piston có những

ưu việt riêng mà các máy bơm khác không có được, và được sử dụng rộng rãi trong khoan dầu khí:

- Có thể bơm các dung dịch có trọng lượng riêng khác nhau;

- Có thể bơm được với áp suất lớn;

- Áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào nhau Đây là yếu tố quan trọng đáp ứng trong về yêu cầu về công nghệ khoan;

- Cấu tạo đơn giản, dễ thay thế, dễ sửa chữa và bảo dưỡng;

- Độ bền cao và dễ vận chuyển

1.1.2 Sơ đồ cấu tạo của máy bơm piston

2 9

Thể tích của buồng làm việc thay đổi tùy theo vị trí của piston trong quá trình chuyển động

Trong quá trình làm việc, piston chuyển động tính tiến qua lại trong

xi lanh Những điểm tận cùng bên phải và tận cùng bên trái của piston được gọi là điểm chết phải và điểm chết trái của piston

1.1.3 Nguyên lý làm việc của máy bơm piston

Xét trên hình vẽ 1.1, khi piston di chuyển từ vị trí B2 đến vị trí B1, thể tích buồng làm việc sẽ tăng dần, áp suất P trong đó giảm đi và nhỏ hơn

áp suất trên mặt thoáng của bình chứa chất lỏng Pa (P < Pa) Do đó chất lỏng từ bể chứa sẽ dâng lên đi vào ống hút, đi qua van hút vào khoang làm việc của bơm, trong lúc này van đẩy của bơm vẫn đang ở trạng thái đóng

Khi piston chuyển động từ vị trí B2 đến B1 thì máy bơm thực hiện quá trình hút và lúc piston dừng lại tại vị trí B1 thì quá trình hút sẽ kết thúc

Sau đó pison đổi chuyển động và đi ngược từ B1 đến B2 Thể tích buồng làm việc giảm dần, áp suất chất lỏng tăng lên, van hút đóng lại và van đẩy mở ra Chất lỏng được ép lên van đẩy và đi theo ống đẩy ra ngoài Quá trình này gọi là quá trình đẩy

Quá trình hút và đẩy của bơm được xen kẽ nhau Một quá trình hút

và đẩy kế tiếp nhau được gọi là một chu kỳ làm việc của máy bơm piston

1.1.4 Khả năng tự hút của máy bơm piston

Khác với máy bơm ly tâm, máy bơm pison không cần mồi (điền đầy chất lỏng) trước khi khởi động, mà bơm có khả năng tự hút

Thật vậy, nếu ta gọi Vo là thể tích khối không khí trong ống hút và buồng làm việc (khi piston ở B2) Nếu pison di chuyển đến B1 và B1B2 = S, thì không khí giãn ra với thể tích là Vo + F.S (F.S là thể tích của xi lanh) Khi đó áp suất không khí trong xi lanh là:

P = Pa

.

o o

V

Từ (1.1) ta thấy P < Pa Do đó chất lỏng từ bể chứa sẽ đi vào ống hút

và dâng lên theo độ cao được xác định như sau:

1.2 Ưu và nhược điểm của máy bơm piston

1.2.1 Ưu điểm

- Cấu tạo đơn giản, dễ thay thế, bảo dưỡng

- Có thể tạo ra áp suất lớn

- Có thể bơm được các dung dịch có trọng lượng riêng khác nhau

- Áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào nhau

- Máy bơm có độ bền cao

1.2.2 Nhược điểm

- Chuyển động của chất lỏng qua bơm không ổn định, do đó lưu lượng của bơm bị dao động

- Kết cấu của bơm cồng kềnh

1.3 Phân loại máy bơm piston

1.3.1 Theo phương pháp truyền lực

- Máy bơm truyền động bằng tay

- Máy bơm truyền có truyền động gián tiếp

- Máy bơm có truyền động trực tiếp

1.3.2 Theo cách bố trí xi lanh

- Máy bơm thẳng đứng

- Máy bơm nằm ngang

1.3.3 Theo cấu tạo của pison

- Máy bơm có piston dạng đĩa

- Máy bơm có piston dạng trục

1.3.4 Theo chất lỏng cần bơm

- Máy bơm dùng để bơm nước lã

- Máy bơm dùng để bơm axit

- Máy bơm dùng để bơm dung dịch

1.3.5 Theo cách tác dụng (số lần hút – đẩy sau 1 vòng quay của trục)

- Máy bơm tác dụng đơn

- Máy bơm tác dụng kép

- Máy bơm tác dụng ba

- Máy bơm tác dụng bốn…

1.3.6 Theo áp suất

- Máy bơm áp suất thấp (P < 10 at)

- Máy bơm áp suất trung bình (P = 10  20 at)

- Máy bơm áp suất cao (P > 20 at)

1.3.7 Theo lưu lượng

- Máy bơm lưu lượng thấp (Q < 15 m3 /h )

- Máy bơm lưu lượng trung bình (Q = 15 60 3

1.4 Lưu lượng của máy bơm piston

1.4.1 Lưu lượng lý thuyết trung bình

Thể tích làm việc của máy bơm tác dụng đơn là:

Gọi n là số vòng quay của trục bơm quay được trong một phút

a Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng đơn là:

.60

F S n

b Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng kép là:

(2 ) .60

F f S n

c Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng ba là:

3 .60

F S n

d Lưu lượng trung bình của máy bơm tác dụng bốn là:

2.(2 ) .60

F f S n

1.4.2 Lưu lượng trung bình thực

Lưu lượng trung bình thực của máy bơm piston bao giờ cũng nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết đã tính ở trên vì những lý do sau:

- Có không khí lọt vào bơm

- Bộ phận lót kín của bơm và các van không thể đảm bảo tuyệt đối kín khi bơm làm việc dẫn đến rò rỉ chất lỏng

- Sự đóng - mở chậm của van hút và van đẩy trong quá trình hút và đẩy kế tiếp nhau làm thất thoát chất lỏng

Vì vậy, lưu lượng trung bình thực của máy bơm piston được xác định theo công thức sau:

t

 là hiệu suất lưu lượng của máy bơm,

 = 0,85  0,90 ứng với máy bơm nhỏ (D < 150 mm),

 = 0,90  0,95 ứng với máy bơm vừa (D150300 mm),

 = 0,95  0,98 ứng với máy bơm lớn (D > 300 mm),

1.5 Cột áp của bơm piston

Hình 1.2 Sơ đồ tính toán cột áp Khả năng truyền năng lượng của bơm với dòng dung dịch được thể hiện bằng sự chênh lệch năng lượng đơn vị của dòng dung dịch ở hai mặt

cắt trước sau của máy bơm

Ta có năng lượng đơn vị tại mặt cắt (A - A):

.2

VA; VB : Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt ( A - A), (B - B);

α: Hệ số điều chỉnh động năng

γ: Trọng lượng riêng của chất lỏng bơm

=> Độ chênh lệch năng lượng hai mặt cắt ( A - A), (B - B ) là:

l = lA – lB = + + (ZB - ZA) (1.12)

- Nếu l > 0: Thì chất lỏng được máy cung cấp cho năng lượng Hay

là máy thực hiện quá trình bơm, máy thuỷ lực gọi là máy bơm

- Nếu l < 0: chất lỏng truyền năng lượng cho máy thuỷ lực, máy gọi là động cơ thuỷ lực

Gọi H = lB - lA là cột áp của máy thuỷ lực (máy bơm) Ta có định nghĩa: Cột áp H của máy bơm là năng lượng đơn vị (tức năng lượng) trọng lượng chất lỏng của chất lỏng trao đổi được với máy thuỷ lực

t

tl l

H H

Q Q

Qt, Ql: Lưu lượng thực tế và lưu lượng lý thuyết

Như vậy, công suất trên trục của piston là công suất làm việc hay công suất chỉ báo (Nlv):

.

tl lv

tl V

N N

L S

B

x S

Hình 1.3 Quá trình chuyển động của piston

L: chiều dài thanh truyền, R: bán kính của tay quay, S: hành trình của piston, X: quãng đường chuyển động của piston từ vị trí điểm chết trái

: tốc độ góc của trục khuỷu,

: góc quay của tay quay từ điểm chết trái

Từ hình vẽ (1.2) ta thấy:

- Một vòng quay của trục khuỷu thì piston di chuyển được quãng đường là 2S

Vận tốc trung bình của piston sẽ là:

Ctb = 2

60

S n

= 2.2 .60

r n

= .15

Suy ra: x = r – r.cos = r.(1 - cos) (1.25)

* Phương trình vận tốc tức thời của piston là:

1.9 Lưu lượng tức thời của máy bơm piston

Ta có công thức xác định lưu lượng của máy bơm piston là:

.

Do F là tiết diện của ống hút (với quá trình hút) hoặc ống đẩy (với quá trình đẩy) là đại lượng không đổi và c là vận tốc tức thời của máy bơm tại một thời điểm bất kỳ, nên lưu lượng của máy bơm piston theo công thức (1.21) là lưu lượng tức thời

Thay giá trị c từ công thức (1.19) vào (1.21) ta có được:

O O

O

Qtb

360180

Gọi m là hệ số lưu lượng của máy bơm piston, m được xác định theo công thức:

max

tb

Q m Q

1.9.1 Lưu lượng của máy bơm tác dụng đơn

Hình 1.4 Đồ thị lưu lượng máy bơm tác dụng đơn

Q tb

Q tb2

Q tb1

O O

Q max

360 180

0

Trong bước đẩy, nửa đầu của bước kép lưu lượng chất lỏng thay đổi theo hình sin oa1a2 Ở bước hút không có chất lỏng bị đẩy ra và được biểu diễn bằng đoạn thẳng a2a3

Q max

Trong máy bơm tác dụng kép gồm 2 xi lanh tác dụng đơn, các chốt khuỷu được đặt lệch nhau 1 góc 180o Như vậy, nếu một piston thực hiện bước đẩy thì piston kia thực hiện bước hút Điều này cũng hoàn toàn đúng với bơm 1 xi lanh tác dụng kép

30

F r n

2 2 .2



1.9.3 Đồ thị lưu lượng của máy bơm tác dụng ba

Trong máy bơm tác dụng ba, ba xi lanh tác dụng đơn làm việc hoàn toàn như nhau, nhưng tay quay của chúng được đặt lệch nhau 1 góc là

120o

Hình 1.6 Đồ thị lưu lượng của máy bơm tác dụng ba

Q max

90 0

Ở những phần mà hai xi lanh có cùng bước đẩy thì ta phải dùng cách cộng đồ thị để tìm Q tổng cộng trên ống đẩy Cuối cùng ta được đường cong lưu lượng tổng cộng, có 6 lần cực đại sau mỗi vòng quay của trục khuỷu



1.9.4 Đồ thị lưu lượng của máy bơm tác dụng bốn

Người ta chế tạo máy bơm tác dụng bốn gồm 4 xi lanh tác dụng đơn, trục khuỷu của chúng đặt lệch nhau 1 góc 90o

, hoặc gồm 2 xi lanh tác dụng kép và tay quay của chúng đặt lệch nhau 90o

Hình 1.7 Đồ thị lưu lượng của máy bơm tác dụng bốn

Đường biểu diễn lưu lượng tổng cộng ở 4 buồng làm việc là tổng tung độ của đồ thị lưu lượng do 4 buồng làm việc sinh ra Nó đạt 4 lần cực đại sau mỗi vòng quay của trục khuỷu

Lưu lượng tức thời lớn nhất của máy bơm thể hiện bằng tung độ dc

và nó có độ lớn bằng tổng hai đoạn db và dc (db = dc), tương ứng với  =

45o

1, 41 .sin sin 45

tb

Q m Q



Đối với máy bơm tác dụng 4 gồm 2 xi lanh tác dụng kép thì mức độ không đồng đều của lưu lượng sẽ lớn hơn 1,11 tùy theo tỷ lệ đường kính cần và đường kính piston

* Nhận xét:

- Các máy bơm có số xi lanh lẻ thì hệ số ổn định lưu lượng nhỏ

- Các máy bơm có số xi lanh chẵn thì hệ số ổn định lưu lượng lớn

- Về mặt kinh tế kỹ thuật thì máy bơm gồm nhiều xi lanh tác dụng đơn sẽ cồng kềnh, phức tạp nên với máy bơm hiện nay thường sử dụng những loại sau:

+ Máy bơm tác dụng 3 gồm 3 xi lanh tác dụng đơn

+ Máy bơm 2 xi lanh tác dụng kép (tác dụng bốn)

- Xảy ra sự rung động khi làm việc, gây ra va đập thủy lực làm hư hỏng các bộ phận của máy bơm

- Trong trường hợp dùng nhiều bơm làm việc, có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng biên độ dao động của áp suất dẫn đến giảm độ bền của thiết bị

1.10.2 Biện pháp khắc phục chuyển động không ổn định của chất lỏng trong máy bơm piston

- Bình điều hòa hút (lắp trên ống hút)

- Bình điều hòa đẩy (lắp trên ống đẩy)

Do đó sẽ giảm được tổn thất năng lượng trong ống hút

Khi lắp bình điều hòa hút, ta có thể:

- Tăng chiều cao hút của máy bơm

- Giảm được dao động áp suất của máy bơm trong quá trình hút

Px Px

x

(Px < Pa)

Pa

Hình 1.8 Bình điều hòa hút Trong quá trình làm việc của máy bơm, một phần chất lỏng được tích lũy trong bình điều hòa Trên mặt thoáng của chất lỏng trong bình luôn

có màng ngăn chất lỏng với không khí có áp suất chân không Vì thế chất lỏng từ trong ông hút lên bình có thể xem như là một dòng chảy ổn định

Do đó sẽ giảm được tổn thất năng lượng trong ống hút

Khi lắp bình điều hòa hút, ta có thể:

- Tăng chiều cao hút của máy bơm

- Giảm được dao động áp suất của máy bơm trong quá trình hút

2 Bình điều hòa đẩy

Trong quá trình đẩy, một phần lưu lượng của máy bơm (phần lớn hơn lưu lượng trung bình) được tích lũy trong bình, mức chất lỏng trong bình dâng lên, nén không khí ở phần trên của bình và tạo ra áp suất lớn Khi van đẩy đóng, nhờ áp suất của khối không khí bị nén trong bình thì chất lỏng tiếp tục được đẩy ra ống đẩy, dao động lưu lượng và áp suất

Px x

P > P a

trong ống đẩy sẽ giảm, dòng chảy của chất lỏng trong ống đẩy sẽ điều hòa

và ổn định hơn

Hình 1.9 Bình điều hòa đẩy

Sử dụng bình điều hòa đẩy có tác dụng làm giảm lực quán tính trong ống đẩy của máy bơm, do đó sẽ giảm tổn thất lưu lượng và áp suất trên ống đẩy

* Chú ý:

- Bình điều hòa càng đặt sát máy bơm thì càng có lợi

- Trong trường hợp ống hút ngắn thì không cần lắp bình điều hòa hút

- Bình điều hòa đẩy dùng trong mọi trường hợp

3 Tính chọn bình điều hòa

Kích thước của bình điều hòa được xác định dựa trên giá trị lớn nhất của mức độ không ổn định áp suất Trong bình điều hòa vì có sự thay đổi mực chất lỏng làm cho không khí trong bình bị nén và nở đồng thời sẽ làm thay đổi áp suất của không khí

Áp suất trung bình của không khí trong bình điều hòa là:

Thay (1.25) và (1.26) vào công thức (1.24) ta có được:

* Bây giờ ta sẽ đi xác định giá trị V

Ta xét cho trường hợp máy bơm piston tác dụng đơn 1 xi lanh Đồ thị lưu lượng của nó có dạng như sau:

Phần diện tích 1a2 là phần lưu lượng dư

Khi đó phân tố thể tích chất lỏng đi vào bình như sau:

sin

b b

H h

d H

Pa

- Với máy bơm tác dụng kép 1 xi lanh: V = 0,21.FS

- Với máy bơm tác dụng kép 2 xi lanh tác dụng đơn: V = 0,042.FS

- Với máy bơm tác dụng ba gồm 3 xi lanh tác dụng đơn: V = 0,009.FS

Dựa vào kết quả V tính được ở trên và giá trị  trong khoảng giới hạn 0,0250,05 ta sẽ xác định được lượng khí cần nạp vào bình cho từng loại máy bơm cụ thể:

tb

V V

 : là cột áp trong xi lanh khi hút (m);

Pa: áp suất mặt thoáng (at);

Hh: chiều cao hút của máy bơm (m);

C: tốc độ chuyển động của piston (m/s);

F c v

* Biện pháp để tăng khả năng hút của máy bơm piston:

- Tăng áp suất mặt thoáng bằng cách cho chất lỏng vào bình kín

- Giảm chiều cao hút

- Giảm các yếu tố gây tổn thất (chiều dài ống hút, van, cút nối,…)

1.12 Quá trình đẩy của máy bơm piston

Ta gọi Pđ là áp suất trong xi lanh ở quá trình đẩy Khi đó P đ

 là cột áp tương ứng với Pđ và nó bằng tổng các cột áp sau:

- Cột áp để chất lỏng đi qua van đẩy (H’v)

- Cột áp để nâng chất lỏng lên tới chiều cao đẩy (Hđ)

- Cột áp để thắng tất cả các lực cản trong ống đẩy (Hod)

- Cột áp để cân bằng lực quán tính (Hqt)

- Cột áp để thắng áp suất trước cửa ra của ống đẩy (Pod)

> n12

n

RG

Q

CA

1.13 Đường đặc tính của máy bơm piston

1.13.1 Đường đặc tính cơ bản H = f(Q) với hai số vòng quay làm việc khác nhau n 1 và n 2 (n 1 > n 2 )

Hình 1.9 Đường đặc tính lý thuyết Theo lý thuyết thì đường đặc tính lý thuyết của máy bơm là AB (n1)

và CD (n2) do H và Q không phụ thuộc vào nhau

Thực tế khi áp suất tăng thì sẽ có tổn thất lưu lượng do chất lỏng rò

rỉ qua bộ phận làm kín hoặc van an toàn mở để xả bớt chất lỏng về bể hút khi áp suất buồng làm việc quá cao, điều này làm cho lưu lượng thực của máy bơm bị giảm Vì vậy đường đặc tính có đoạn AG và CR