قدرت پمپ Frac: انرژی هیدرولیک به مکانیکی برای شکست

چگونه یک پمپ شکست انرژی را به سیال پرفشار تبدیل می کند

در گسترش شکست هیدرولیک، قطار پمپ برای یک هدف وجود دارد: آن انرژی هیدرولیک را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند تا سیال شکستگی با فشار بالا را تحویل دهد با نرخ کنترل شده در عمل، این به معنای تبدیل نیروی شفت ورودی (از موتور دیزل یا موتور الکتریکی) به حرکت رفت و برگشتی است که سیال را در انتهای سیال پمپ .

مسیر انرژی از طریق پکیج پمپ

• پرایم موور قدرت چرخشی (اسب بخار یا کیلووات) را به جعبه دنده یا کاهنده دنده ارائه می دهد.
• پاور انتها چرخش را از طریق میل لنگ، میله های اتصال و سرهای متقاطع به حالت رفت و برگشتی تبدیل می کند.
• پیستون ها سیال را در انتهای سیال هدایت می کنند. شیرهای چک جریان یک طرفه را اعمال می کنند تا فشار بر روی سکته تخلیه ایجاد شود.
• آهن تخلیه، دمپنرها و منیفولدها سیال پرفشار را در چاه توزیع می کنند.

از آنجایی که انتهای سیال یک سیستم جابجایی مثبت است، جریان در درجه اول توسط جابجایی و سرعت تنظیم می شود، در حالی که فشار در درجه اول توسط محدودیت پایین دست (چاه و سوراخ ها) تنظیم می شود. تقاضای برق محصول این دو است.

اندازه گیری پمپ با محاسبات عملی و آماده برای میدان

مفیدترین گردش کار اندازه گیری این است: (1) تعیین نرخ و فشار مورد نیاز، (2) محاسبه توان هیدرولیک، و (3) محاسبه مجدد توان شفت مورد نیاز با استفاده از راندمان و حاشیه واقعی.

فرمول های اصلی مورد استفاده در کارهای فرک

مثال کار شده با اعداد در مقیاس فراکس واقعی

فرض کنید که مرحله 80 bbl/min در 10000 psi می‌خواند. نرخ تبدیل: 80 bbl/min × 42 = 3,360 gpm. سپس اسب بخار هیدرولیک HHP = (10000 × 3360) / 1714 ≈ است 19600 اسب بخار .

اگر بازده مکانیکی و حجمی ترکیبی 0.90 باشد (به عنوان مثال، 0.95 × 0.95)، قدرت شفت تخمینی 19600 / 0.90 ≈ است. 21800 اسب بخار . این مقدار محرک عملی است برای اینکه تعداد واحدهای پمپ باید آنلاین باشند و هر یک از آنها چقدر می‌تواند بدون گرم شدن بیش از حد یا افزایش سایش بارگیری شود.

در واقع چه چیزی "تبدیل" را در داخل یک پمپ فراک انجام می دهد

تبدیل توان ورودی به سیال تحت فشار در دو مجموعه با حالت های خرابی و استراتژی های نگهداری متفاوت اتفاق می افتد: پایان قدرت (مکانیک) و انتهای سیال (هیدرولیک فشار بالا).

پایان قدرت: مدیریت توان مکانیکی و حرارت

• میل لنگ، بلبرینگ ها و میله های اتصال چرخش را به حرکت خطی تبدیل می کنند.
• کیفیت روغن کاری و کنترل دما عوامل اصلی عمر بلبرینگ هستند.
• سرعت بیش از حد باعث افزایش بارهای اینرسی می شود. گشتاور بیش از حد استرس تماس را افزایش می دهد - هر دو می توانند عمر کار را کاهش دهند حتی اگر فشار "طبیعی" به نظر برسد.

انتهای سیال: ایجاد فشار، کنترل نشت و بقای فرسایش

• پیستون‌ها و بسته‌بندی مهر و موم متحرکی را ایجاد می‌کنند که اجازه می‌دهد فشار روی سکته تخلیه افزایش یابد.
• دریچه های مکش و تخلیه باید به طور قابل اعتماد در تعداد سیکل های بالا قرار گیرند. نشستن نامناسب باعث گرما، شستشو و موج‌های فشار می‌شود.
• مواد محرک و جامدات عمدتاً به سوپاپ ها، نشیمنگاه ها و پیچ های جریان داخلی حمله می کنند. فیلتراسیون و شیمی کنترل های عملیاتی هستند، نه افکار بعدی.

انتخاب تریپلکس در مقابل پنج پلکس برای سیال شکست فشار بالا

هر دو طرح سه‌گانه و پنج‌طبقه‌ای می‌توانند سیال شکستگی با فشار بالا را ارائه دهند، اما ضربان، بارگذاری اجزا، ردپا و دسترسی تعمیر و نگهداری را کاهش می‌دهند. انتخاب باید منعکس کننده پوشش نرخ فشار و تحمل سایت برای خرابی باشد.

تفاوت های عملی که در این زمینه اهمیت دارند

• صافی جریان: پیستون های بیشتر به طور کلی دامنه ضربان را کاهش می دهد، که می تواند لرزش آهن را کاهش دهد و پایداری ابزار دقیق را بهبود بخشد.
• بارگیری در هر پیستون: برای کل خروجی یکسان، پیستون های اضافی می توانند بار در هر پیستون را کاهش دهند و به طور بالقوه بسته بندی و عمر شیر را بهبود بخشند.
• الگوی نگهداری: اجزای انتهای سیال بیشتر می تواند به معنای مداخلات کوچک مکرر باشد، حتی اگر هر جزء تحت فشار کمتری باشد.

یک راه سازنده برای تصمیم گیری این است که نوار عملیاتی مورد انتظار (فشار در مقابل نرخ) را ترسیم کنید و سپس بپرسید: کدام پیکربندی تعداد ساعات صرف شده بالاتر از سطح بار را که در آن خرابی ها به طور تاریخی شتاب می گیرند به حداقل می رساند؟ حتی یک کاهش متوسط ​​در بارگذاری پیک پایدار می تواند کل ساعات تعمیر و نگهداری را در یک پد چند چاهی تغییر دهد.

اجتناب از کاویتاسیون و تلفات سمت مکش که باعث هدر رفتن قدرت می شود

اگر سمت مکش گرسنه باشد، پمپ نمی تواند به طور موثر انرژی مکانیکی را به انرژی هیدرولیک تبدیل کند - در عوض نیرو به عنوان لرزش، گرما و آسیب قطعات سوزانده می شود. در سرویس شکستگی، مشکلات مکش معمولاً به صورت نرخ ناپایدار، عملکرد پر سر و صدا، سایش سریع بسته بندی و فشار تخلیه نامنظم ظاهر می شود.

کنترل های عملیاتی که به طور مستقیم خطر کاویتاسیون را کاهش می دهد

1. لوله کشی مکش را کوتاه و بزرگ نگه دارید. زانوهای تیز را بلافاصله در بالادست پمپ به حداقل برسانید.
2. شرایط مکش مثبت را با استفاده از پمپ های تقویت کننده و مدیریت منظم مخزن، به ویژه در زمان تغییرات نرخ، حفظ کنید.
3. کیفیت سیال را کنترل کنید: گاز وارد شده و مواد جامد بیش از حد باعث افزایش تراکم پذیری و سایش، تشدید موج فشار و دیسترس دریچه می شود.
4. سرعت و فشار رمپ؛ تغییرات مرحله ای تلفات مکش گذرا را تقویت می کند و می تواند باعث ایجاد کاویتاسیون لحظه ای شود حتی زمانی که حالت پایدار قابل قبول به نظر می رسد.

غذای آماده عملی: اگر پایداری مکش بهبود یابد، همان پمپ اغلب همان هدف نرخ فشار را در ارتعاش کمتر و فرکانس تعمیر و نگهداری پایین‌تر ارائه می‌کند و به طور موثر تبدیل «قابل استفاده» ورودی مکانیکی به خروجی سیال پرفشار را بهبود می‌بخشد.

برنامه ریزی نگهداری با استفاده از تفکر چرخه محور

پمپ های Frac ماشین های چرخه بالا هستند. بسیاری از «شکست‌های اسرارآمیز» زمانی قابل پیش‌بینی می‌شوند که به صورت ضربه‌ها بیان شوند، نه ساعت‌ها. تبدیل زمان اجرا به چرخه همچنین به مقایسه مشاغل با سرعت‌ها و پروفایل‌های کار متفاوت کمک می‌کند.

مثال: تبدیل سرعت به چرخه های مکانیکی و سوپاپ

در 250 دور در دقیقه، یک پمپ رفت و برگشتی حدود 250 حرکت در دقیقه را در هر پیستون انجام می دهد. که برابر است با 15000 ضربه در ساعت و 360000 ضربه در روز . اگر چرخه‌های کاری چند روز طول بکشد، مواد مصرفی مانند بسته‌بندی و شیرها می‌توانند میلیون‌ها رویداد را به‌سرعت مشاهده کنند، به‌ویژه زمانی که محرک ساینده یا نوسانات فشار وجود داشته باشد.

اهداف بازرسی با تاثیر بالا

• روند نشتی بسته بندی: افزایش نشتی اغلب نشانگر اولیه امتیاز دهی پیستون یا تخریب بسته بندی است.
• وضعیت نشیمن سوپاپ: موج فشار مکرر یا گرما می تواند نشان دهنده عدم آب بندی دریچه باشد.
• دمای روغن پایانه برق و ضایعات: افزایش دما یا ریزدانه های فلزی نشان دهنده از دست دادن اصطکاک و مشکل بالقوه یاتاقان است.

عیب یابی: زمانی که راندمان تبدیل کاهش می یابد

هنگامی که پکیج پمپ دیگر به طور موثر ورودی مکانیکی را به خروجی سیال شکست فشار بالا تبدیل نمی کند، علائم معمولاً به صورت یکی از سه الگوی زیر ظاهر می شوند: (الف) توان بالاتر برای نرخ فشار یکسان، (ب) فشار ناپایدار در سرعت ثابت، یا (ج) افزایش دمای اجزا بدون تغییر عملیاتی آشکار.

نقشه تشخیصی سریع از علائم تا علل احتمالی

• قدرت افزایش می یابد، خروجی بدون تغییر: افزایش اصطکاک مکانیکی (مسئله روانکاری)، سفت شدن بیش از حد بسته بندی، یا ناهماهنگی در پیشرانه.
• فشار با سرعت ثابت نوسان می کند: نشت دریچه، گرسنگی مکش، حباب گاز، یا کاهش عملکرد دمپر.
• نرخ با همان سرعت کاهش می یابد: کاهش بازده حجمی ناشی از آسیب دریچه، لغزش بیش از حد، یا مسیرهای نشتی داخلی در انتهای سیال.

قانون میدان: اگر اهداف فشار و سرعت به اسب بخار بیشتری نسبت به کار قبلی در شرایط مشابه نیاز دارند، آن را به عنوان یک مشکل بازده تبدیل در نظر بگیرید و قبل از بارگیری سخت‌تر دستگاه، پایداری مکش، سوپاپ‌ها و بسته‌بندی را بررسی کنید.