Đề tài Nghiên cứu máy bơm FMC Khắc phục sự chuyển động không ổn định của chất lỏng

MỞ ĐẦU Trong nền kinh tế nước ta hiện nay, dầu khí là một ngành công nghiệp mũi nhọn của ngành công nghiệp nước nhà đưa lại nguồn thu nhập ngân sách đáng kể cho đắt nước. Đảng và chính phủ quan tâm sâu sắc đến tiềm dầu khí to lớn đó, phấn đấu để tiến tới làm chủ kỹ thuật, công nghệ tiên tiến xây dựng một ngành công nghiệp dầu khí hiện đại toàn diện. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác nguồn năng lượng tự nhiên giảm dần do dó cần phải có các biện pháp nhằm khôi phục và duy trì áp suất vỉa. Có nhiều biện pháp nhân tạo như: ép khí, ép nước, ép dung dịch polime. Mỗi biện pháp có những ưu nhược điểm khác nhau nhưng có một mục đích chung là duy chì áp suất vỉa. Đi đối với các biện pháp và các thiết bị chuyên dụng phục cho mục đích duy trì áp suất vỉa. Hiện nay, bơm ép để duy trì áp suất đang cho kết quả tốt nhất. Với mục đích đảm bảo an toàn sử dụng cho người và thiết bị, đồng thời nâng cao khả năng làm việc của toàn hệ thống máy bơm. Qua quá trình học tập trên ghế nhà trường và thời gian thực tập tại Xí Nghiệp Liên Doanh Vietsovpetro, đặc biệt là sự giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Nguyễn Văn Giáp, em đã chọn đề tài tốt nghiệp: "Nghiên cứu máy bơm FMC. Khắc phục sự chuyển động không ổn định của chất lỏng" Do kiến thức thực tế và khả năng ngoại ngữ còn kém nên đồ án của em sẽ ko tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự bổ sung, giúp đỡ từ các thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin cảm ơn các thầy, các cô trong bộ môn Thiết Bị Dầu Khí và Công Trình, đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Giáp đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đồ án này. Hà Nội, tháng 5, năm 2011. Sinh viên Nguyễn Đức Truyền CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG BƠM ÉP VỈA TẠI VIETSOVPETRO 1.1. Mục đích, yêu cầu của công tác bơm ép vỉa. 1.1.1. Mục đích. - Khi khai thác dầu mỏ ở giai đoạn tự phun, kéo theo sự giảm áp suất và năng lượng vỉa, mặc dù năng lượng dự trữ của vỉa lớn. Thời gian này dài hay ngắn tùy thuộc rất nhiều vào năng lượng của vỉa và chế độ khai thác. - Trong quá trình khai thác ở chế độ tự phun áp suất vỉa giảm nhanh, nếu tiếp tục chế độ khai thác tự phun thì chỉ một thời gian không lâu lượng dầu khai thác không đáng kể vì sự suy giảm áp suất vỉa dưới áp suất bão hòa. Việc duy trì áp suất vỉa là rất cần thiết để đảm bảo chế độ khai thác ổn định lâu dài, nâng cao hệ số thu hồi dầu, nhằm tăng sản lượng khai thác.v.v. 1.1.2. Yêu cầu Những yêu cầu công nghệ đối với máy bơm ép vỉa: - Do độ sâu của giếng bơm ép là rất lớn nên cần có áp suất lớn cũng như đạt được độ ổn định trong quá trình bơm ép - Đáp ứng được yêu cầu của quá trình bơm ép - Có mối liên kết lắp đặt hợp lý với các thiết bị trên giàn Ngoài những yêu cầu về máy bơm ép thì chất lượng nước bơm ép xuống vỉa cũng có những yêu cầu nhất định: Bảng 1.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với nước bơm ép ở mỏ Bạch Hổ. Hiệu suất lọc các tạp chất cơ học có đường kính > 2 μm  98%   Hiệu suất lọc các tạp chất cơ học có đường kính > 1 μm  96%   Các tạp chất cơ học (tổng hàm lượng các chất rắn lơ lửng)  < 3 mg/l   Hàm lượng oxi hòa tan - Sau khi xử lý cơ học - Sau khi xử lý hóa chất  < 0,050 mg/l < 0,015 mg/l   Độ ăn mòn  0,1 mm/năm   Hàm lượng vi khuẩn khử sunfat  Không có   Độ pH  4,5 – 8,2   1.2. Các phương pháp duy trì áp suất vỉa bằng bơm ép Thông thường các phương pháp tác động lên vỉa dầu nhằm đạt được hai mục đích là duy trì áp suất vỉa và nâng cao hệ số thu hồi dầu toàn mỏ. Các phương pháp tác động lên vỉa chủ yếu được phân ra: + Phương pháp bơm ép nước vào vỉa. - Bơm ép nước bên ngoài vùng vải chứa dầu; - Bơm ép nước xung quanh, gần vùng vỉa chứa dầu; - Bơm ép nước bên trong vùng vỉa chứa dầu; + Phương pháp bơm ép khí vào vỉa. + Phương pháp bơm hỗn hợp khí, nước vào vỉa. Cơ sở lựa chọn phương pháp ép vỉa dựa trên chỉ tiêu kinh tế và chỉ tiêu kỹ thuật, đồng thời kết hợp với việc dựa trên cấu trúc địa chất vùng, trữ lượng địa chất, công nghệ khai thác, chế độ khai thác và một số điều kiện khác. Như ta biết hệ số thu hồi dầu lớn nhất là khi vỉa làm việc ở chế độ áp lực nước tự nhiên, nhưng năng lượng này bị giảm dần khi khai thác. Như vậy người ta phải bù vào năng lượng đã bị mất là bơm ép nước, phương pháp này xí nghiệp liên doanh đang sử dụng rộng rãi cho cả mỏ. Nó đáp ứng được yêu cầu và chỉ tiêu kỹ thuật nhưng lại là phương pháp rẻ tiền thích hợp trong công nghiệp khai thác dầu trên biển. 1.2.1. Bơm ép nước bên ngoài vùng vỉa chứa dầu. Ở quá trình bơm ép nước này, người ta bơm ép nước vào vỉa qua những giếng bơm ép được phân bố ở bên ngoài vùng vỉa chứa dầu và cách chu tuyến vùng chứa dầu khoảng 300 – 8000m để tạo nên tác động đồng đều lên vỉa, ngăn ngừa sự tạo thành lưới nước trong vỉa và chảy rò của nước vào giếng khai thác. Những vỉa được tạo thành từ đất đá đồng nhất và có độ thẩm thấu tốt, không có những phá hủy kiến tạo là những vỉa có hiệu quả cao khi sử dụng bơm ép nước bên ngoài vùng chứa dầu. Việc bơm ép nước từ bên ngoài vùng chứa dầu ở những vỉa dầu thành tạo đá vôi thì không phải bao giờ cũng cho kết quả tốt được bởi vì ở những vỉa này có khe rãnh lớn ảnh hưởng tới việc lưu thông của nước.
 Hình 1.1.Sơ đồ phân bố các giếng bơm ép bên ngoài vùng vỉa chứa dầu. Khi khai thác dầu có độ nhớt cao, quá trình bơm vào vỉa có thể đạt được hiệu quả rất thấp, vì rằng độ nhớt của nước nhỏ so với độ nhớt của dầu, khi đó nước chuyển động trong vỉa sẽ lách qua dầu đến các giếng khai thác làm cho các giếng này bị ngập nước. Thực tế cho thấy, áp suất cao ở trên đáy các giếng bơm ép chỉ có tác động mạnh lên 2-3 dãy giếng khai thác gần nhất. Vì vậy ở giai đoạn đầu khi khai thác các mỏ dầu lớn có sử sụng bơm ép bên ngoài vùng chứa dầu người ta chỉ khoan 3-4 dãy giếng khai thác ngoài cùng, còn vùng trung tâm vỉa không khoan. Làm như vậy sẽ đạt được hiệu quả tốt nhất, vì các giếng ở dãy bên trong không những không cho thêm lượng dầu khai thác được bao nhiêu mà còn lấu dầu từ giếng đó dẫn đến việc giảm áp suất vùng trung tâm vỉa. Cho nên để đạt được hiệu quả cao khi khai thác vỉa nhờ bơm ép nước bên ngoài vùng chứa dầu, người ta khoan đồng thời ở những vỉa chỉ đủ phân bố 3-4 dãy giếng khai thác và một dãy giếng bơm ép. Khoảng cách hợp lý giữa các dãy từ 500-800m và chọn nhưng vỉa có chiều rộng lớn hơn 6km. Bơm ép nước bên ngoài vùng vỉa chứa dầu có một số nhược điểm sau: - Chi phí năng lượng để bơm ép lớn để chất lỏng bơm ép thắng được sức cản trở chảy thấm trong vùng giữa chu tuyến vùng chứa dầu và tuyến phân bố của các giếng bơm ép; - Tác động chậm lên vỉa dầu do tuyến phân bố của các giếng bơm ép nằm cách xa chu tuyến vùng vỉa chứa dầu; - Tăng lưu lượng bơm ép do bị mất nước trong vùng ngoài của vỉa chứa dầu. 1.2.2. Bơm ép nước xung quanh , gần vùng vỉa chứa dầu. Để tăng cường tác động của bơm ép nước lên vỉa dầu, các giếng bơm ép nên được phân bố trực tiếp gần chu tuyến vùng vỉa chứa dầu hoặc có thể phân bố giữa chu tuyến ngoài và chu tuyến trong của vùng vỉa chứa dầu. Bơm ép nước xung quanh gần vùng vỉa chứa dầu được áp dụng khi: Mối liên hệ thủy – động lực giữa vỉa dầu với vùng ngoài kém; Kích thước của vỉa dầu tương đối nhỏ (so với vỉa được áp dụng để bơm ép bên ngoài vùng vỉa chứa dầu); Để tăng cường quá trình khai thác dầu ,nghĩa là mức cản trở quá trình chảy thấm của chất lỏng giữa quá trình bơm ép và giếng khai thác giảm nhờ khoảng cách giữa chúng gần hơn. Mặt khác sự tạo tành “các lưới nước” trong vỉa và chảy rò của nước vào các giếng khai thác tăng lên khi tiến hành bơm ép nước xung quanh vùng vỉa chứa dầu. Vì vậy trong quá trình khai thác cần phải điều chỉnh cẩn thận lưu lượng nước bơm ép. Theo quan điểm về năng lượng, bơm ép nước xung quanh, gần vùng vỉa chứa dầu có hiệu quả kinh tế cao hơn so với bơm ép nước bên ngoài vùng vỉa chứa dầu, kể cả khi độ thủy dẫn của vùng ngoài vỉa chứa dầu tốt và mức độ mất chất lỏng bơm ép là ko đáng kể. 1.2.3. Bơm ép nước bên trong vùng vỉa chứa dầu Người ta tác động lên vỉa hệ thống bơm ép được phân bố dọc theo các sơ đồ khác nhau trong vùng vỉa chứa dầu. Hệ thống này có ảnh hưởng mạnh mẽ trực tiếp lên vỉa dầu cho phép tăng nhịp độ giảm thời gian khai thác mỏ dầu. Việc lựa chọn sơ đồ phân bố các giếng bơm ép bên trong vùng vỉa chứa dầu được xác định theo điều kiện địa chất cụ thể, vốn đầu tư và thời hạn khai thác mỏ mang lại hiệu quả kinh tế nhất.
 Hình 1.2 sơ đồ bơm ép bên trong vùng vỉa chứa dầu. Để đẩy dầu ổn định và đạt hiệu quả kinh tế hơn, không nhất thiết người ta phải bơm ép đồng thời ở tất cả các giếng bơm ép, mà chỉ bơm ở giếng nằm giữa, còn các giếng bơm ép xung quanh trước hết làm nhiệm vụ khai thác (khai thác tăng cường), các giếng này sau khi bị ngậm bởi nước bơm ép người ta sử dụng chung làm giếng bơm ép. Khi khai thác những vỉa dầu không có chế độ làm việc áp lực nào và không duy trì áp suất vỉa thì dự trữ năng lượng ban đầu sẽ nhanh chóng giảm đi,vì thế lưu lượng khai thác sẽ giảm tới mức thấp nhất trong vỉa còn tồn đọng một lượng dầu lớn. Để tăng lượng dầu khai thác ở các giếng đã cạn này và tăng hệ số cho dầu tổng thể của vỉa người ta sử dụng phương pháp khai thác thứ cấp. Ở phương pháp khai thác thứ cấp, người ta đẩy dầu còn lại trong vỉa bằng cách bơm ép nước (hoặc khí) đều khắp xuống vỉa với mục đích phục hồi năng lượng vỉa đã bị cạn (bơm ép nước hoặc ép khí trên toàn diện tích bề mặt). Khi đó các giếng bơm ép phân bố trực tiếp trong vùng dầu giữa các giếng bơm ép và các giếng khai thác. Điều kiện sử dụng phương pháp khai thác thứ cấp có hiệu quả tốt là : Trong vỉa còn lại lượng dầu đáng kể Vỉa thoải và không có những đường nứt lẻ kiến tạo lớn; Đồng nhất thành phần đất đá và khả năng thẩm thấu của vỉa tốt; Dầu có độ nhớt không lớn; Vỉa sản phẩm không dày. Bơm ép nước đều khắp bề mặt diện tích vỉa dầu là là hệ thống tác động lên vỉa mạnh nó đảm bảo cường độ khai thác mỏ cao nhất. Ở hệ thống này các giếng bơm ép và khai thác được phân bố theo các block hình học cân xứng dạng mạng lưới năm điểm, bảy điểm hoặc chín điểm.
 Hình 1.3 Sơ đồ phân bố giến trong quá trình bơm ép nước lên trên toàn bộ bề mặt diện tích vỉa dầu 1.3. Những kết quả đã đạt được và những vấn đề cần giải quyết Nhận thấy rằng ở sơ đồ phân bố chín điểm, tỷ số tổng số lượng các giếng bơm ép trên giếng khai thác lớn nhất so với các sơ đồ phân bố khác, mặt khác giếng bơm ép không cho sản phẩm khai thác, sơ đồ phân bố chín điểm có thể có hiệu quả tốt Bơm ép nước đều khắp trên bề mặt diện tích nên hiệu quả kinh tế hơn cả. Hơn nữa cường độ tác động lên vỉa theo sơ đồ này nhỏ hơn so với các sơ đồ phân bố giếng khai thác nên xác suất sự tạo thành lưỡi nước trong vỉa dầu chuyển động đồng đều và ổn định hơn đến các giếng khai thác. Thông thường, phương pháp bơm ép nước đều khắp trên diện tích vỉa dầu được áp dụng trong các giai đoạn khai thác cuối cùng của mỏ. Tuy nhiên, bơm ép nước đều khắp trên diện tích vỉa dầu có thể mang lại hiệu quả nếu được áp dụng ở những giai đoạn ban đầu khai thác mỏ khi đã được nghiên cứu tốt. Hiện nay khai thác dầu bằng phương pháp thứ cấp phổ biến nhất là bơm ép nước bề mặt diện tích, nó mang lại hệ số cho dầu lớn hơn cả. Bởi vì mật độ của nước lớn hơn của mật độ của dầu nên luôn có xu hướng đi xuống phía dưới của vỉa, mà ở trong vỉa đã cạn thì lượng dầu còn lại ở phía dưới của vỉa bao giờ cũng lớn hơn phía trên. Ngoài ra nước chuyển động dọc theo vỉa và nó sẽ chứa đầy những khe lỗ đất đá giải phóng được lượng dầu còn còn dính chặt trong đất đá do lực liên kết phân tử 1.4 Hệ thống bơm ép nước tại mỏ Bạch Hổ
Hình 1.4 Sơ đồ bơm ép và duy trì áp suất vỉa trên giàn MSP7 1.4.1. Nguồn nước bơm ép. Nước bơm ép tại mỏ Bạch Hổ là nước biển lấy từ độ sâu 18 – 30m có các tính chất hóa lý sau: Bảng 1.2 Tính chất hóa lý của nguồn nước bơm ép. Chỉ tiêu phân tích  Kết quả phân tích   Tỷ trọng  1,025   PH  8,6 – 8,7   Độ dẫn điện ( μ cm-1)  49,3   Cl ( mg/l )  18612 - 19033   Sunfat ( mg/l )  2608 – 2663  
( mg/l )  124  
( mg/l )  0  
( mg/l )  0   Na ( mg/l )  10800   K ( mg/l )  550 - 565   Ca ( mg/l )  381 – 401   Mg ( mg/l )  1239 - 1288   Ba ( mg/l )  6,1  
( mg/l )  5,8  
( mg/l )  0,03 – 0,52   Các hạt chất rắn lơ lửng (mg/l)  3,7 – 7,0   Khí hòa tan
( mg/l )
( mg/l )
( mg/l )  6,5 – 7 0 0   Chất rắn hòa tan (g/l)  33 – 35   Vi khuẩn ưa khí và kỵ khí(con/ml)  100 – 1000   Vi khuẩn khử sunfat(con/ml)  10 – 100   1.4.2 Giới thiệu chung về hệ thống bơm ép nước vỉa. Trong hệ thống thu gom xử lý bơm piston đóng vai trò rất quan trọng, đặc điểm của nó là có thể tạo được áp suất cao phục vụ cho các quá trình công nghệ cần sử dụng áp suất cao. Trong công nghệ khoan nó dùng để bơm dung dịch khoan, bơm trám xi măng, thử áp lực đầu giếng, thử áp lực các đường ống công nghệ.Trong khai thác bơm dùng để ép nước vào vỉa, khi cần thiết có thể tham gia vào công tác vận chuyển dầu …và nhiều công đoạn khác. Đối với công tác ép vỉa thời gian đầu thử nghiệm, nó đóng vai trò rất quan trọng, sau đó được thay thế bằng các trạm bơm cố định PPĐ với công suất lớn đạt 40.000 M3/ngày. Với trạm bơm piston FMC và ADENA đặt tại dàn MSP7 được hoạt động dùng cho công tác ép vỉa từ năm 2004 đến nay, với năng suất trung bình đạt gần 500 M3/ngày. Hiện nay, tại vùng mỏ Bạch Hổ tồn tại hai hệ thống xử lý nước bơm để duy trì áp suất: - Hệ thống xử lý nước bơm ép trên các giàn cố định. - Hệ thông xử lý nước trên Module ép vỉa chuyên dụng đặt trên các giàn MSP1, MSP2.....MSP10 chúng được hoạt động liên tục để duy trì áp suất vỉa. Bên cạch đó, các Module ép vỉa chuyên dụng xử lý nước triệt để và đảm bảo các đặc tính kỹ thuật khi bơm ép vào vỉa. Module ép vỉa chuyên dụng hiện nay áp dụng ở các giàn khoan MSP2, MSP8 và MSP9 . . . 1.4.2.1 Hệ thống xử lý nước bơm ép trên các giàn cố định. a. Giới thiệu chung: Các bộ phận chính của hệ thống xử lý nước trên các giàn cố định mỏ Bạch Hổ - Máy bơm ngầm ( Bơm hút nước biển ). - Bơm tăng áp. - Bình xử lý hóa phẩm khử oxy. - Máy bơm piston hoặc bơm chìm ép nước.
 b. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị: - Máy bơm hút nước biển: Là máy bơm chìm nhiều tầng được thả xuống biển ở độ sâu 15 – 30m. Công suất làm việc: N = 30 – 60 (kw). Áp suất làm việc: P = 6 – 8 (at). Lưu lượng: Q = 120 – 350 (m3/h). - Máy bơm tăng áp: Là loại máy bơm ly tâm chìm nhiều tầng. Công suất làm việc: N = 100 – 160 (kw). Áp suất làm việc: P = 30 (at). Lưu lượng: Q = 100 (m3/h). - Bình xử lý hóa phẩm khử oxy: Thể tích phụ thuộc vào lưu lượng nước đi qua Thời gian xảy ra phản ứng khử oxy tử: (3.3 – 4) phút. Áp suất làm việc từ: (4 – 7) at. - Máy bơm chính: Bơm piston: FMC Q1616AB. Áp suất làm việc: P = 220 (at). Lưu lượng: Q = 500 (m3/ngày). Bơm chìm: L UESPK 16-2000-1400 (Nga). Áp suất làm việc: P = 140 (at). Lưu lượng: Q = 2000 (m3/ngày). c. Tình trạng sử dụng các thiết bị bơm ép trên giàn khoan cố định: Một vấn đề đáng chú ý nhất ở đây là tình trạng sử dụng lưu lượng. Mật độ sử dụng lưu lượng rất thấp làm tổn hao năng lượng lớn trong quá trình bơm ép. Trường hợp này do các nguyên nhân sau: - Nước không được xử lý tốt. - Vùng cận đáy giếng bị nhiễm bẩn. - Cấu trúc: thiết bị lòng giếng bơm ép không phù hợp, sự khác nhau giữa độ tiếp xúc nhánh của giếng và công suất thiết bị. . . Biện pháp nâng cao hiệu quả bơm ép. - Thay thế thiết bị lòng giếng bằng thiết bị mới phù hợp. - Xử lý vùng cận đáy giếng, thiết bị xử lý nước, tăng cường độ tiếp cận giếng - Thay thế thiết bị máy bơm có lưu lượng phù hợp với độ tiếp cận giếng. d. Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Máy bơm điện ly tâm ngầm hút nước biển và đẩy đến bình xử lý hóa phẩm khử oxy. Trong một số trường hợp cần sử dụng bơm tăng áp để tăng áp suất dòng chảy đẩy nước bơm ép đi đến hệ thống. Sau đó dòng chảy đi đến máy bơm ép chính bơm ép xuống biển theo hai đường. Trước khi nước biển dẫn đén bơm piston, bơm chất ức chế dễ ăn mòn hòa lẫn với nước qua máy bơm ép bơm thêm hóa phẩm diệt khuẩn vào dòng nước. Nước biển sau khi qua quá trình xử lý được bơm ép xuống vỉa nhờ máy bơm ép chính. 1.4.2.2 Các phương pháp xử lý đối với nước bơm ép. Bảng 1.3. Phương pháp xử lý nước bơm ép. Nguyên nhân  Tác hại  Xử lý cơ học  Xử lý hóa học   Vi sinh  Ăn mòn Tắc nghẽn vỉa Chua hóa vỉa  Phin lọc tinh  Hypocorit Chất diệt khuẩn   Chất rắn lơ lửng  Ăn mòn Tắc nghẽn vỉa  Phin lọc thô Phin lọc tinh  Polyectrolyte Chất keo tụ Hypocorit   Oxy hòa tan  Ăn mòn Tắc nghẽn vỉa  Tháp chân không  Chất khử oxy Chất chống tạo bọt   Ăn mòn  Ăn mòn  Tháp chân không  Chất chống ăn mòn Chất diệt khuẩn   Sa lắng  Tắc nghẽn vỉa   Chất chống sa lắng   CHƯƠNG 2 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BƠM PISTON FMC 2.1. Lý thuyết cơ bản của máy bơm piston 2.1.1. Tổng quan về máy bơm piston và việc phân loại chúng Máy bơm piston được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Nó được sử dụng để bơm nước lã, bơm dung dịch, bơm hoá chất… và phục vụ cho nhiều mục đích khác. Nhất là chúng được dùng rất nhiều trong công tác khoan dầu khí hiện nay, chúng được dùng để bơm dung dịch khoan xuống giếng khoan, dung dịch này có các tác dụng: - Làm mát dung cụ khoan - Gia cố thành giếng khoan - Làm sạch giếng khoan - Khống chế chất lỏng từ vỉa Máy bơm piston có thể tạo ra áp suất và lưu lượng không phụ thuộc vào nhau. Đây là yếu tố quan trọng để đáp ứng yêu cầu về công nghệ khoan. Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, lắp ráp, độ bền cao và dễ thay thế 2.1.2. Phân loại máy bơm piston * Phân loại theo cách bố trí xylanh: - Bơm thẳng đứng - Bơm nằm ngang * Phân loại theo các tác dụng: - Bơm tác dụng đơn - Bơm tác dụng kép: + Bơm 1: xylanh tác dụng kép + Bơm 2: xylanh tác dụng đơn - Bơm tác dụng ba: ghép 3 xylanh tác dụng đơn - Bơm tác dụng bốn: + Hai xylanh tác dụng kép + Bốn xylanh tác dụng đơn - Bơm tác dụng năm: ghép năm xi lanh tác dụng đơn * Phân loại theo cấu tạo của piston: - Bơm piston đĩa - Bơm piston trụ * Phân loại theo lưu lượng: - Bơm lưu lượng nhỏ: Q<15 m3 /h - Bơm lưu lượng trung bình: Q=15÷60 m3 /h - Bơm lưu lượng lớn: Q=60 m3 /h * Phân loại theo áp suất: - Bơm có áp suất thấp: P<10 at - Bơm có áp suất trung bình: P<10÷20 at - Bơm có áp suất cao: P<20 at 2.1.3. Nguyên lý làm việc của bơm Bơm piston là một máy thuỷ lực, trong đó năng lượng cơ học của động cơ truyền cho chất lỏng nhờ một quả nén (gọi là piston) chuyển động tịnh tiến qua lại trong xylanh. Ta xét cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm piston tác dụng đơn và bơm piston tác dụng kép. 2.1.3.1. Bơm piston tác dụng đơn
Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo của máy bơm piston tác dụng đơn 1. Xilanh  8. Ống hút   2. Cần piston  9. Bể hút   3. Piston  10. Con trượt   4. Hộp van  11. Thanh truyền   5. Ống đẩy  12. Tay quay   6. Van đẩy  13. Trục khuỷu   7. Van hút    Trong quá trình làm việc, trục khuỷu (13) quy, truyền chuyển động khứ hồi cho piston (3) qua thống con trượt (10), tay quay (12) và thanh truyền (11). Piston chuyển động tịnh tiến qua lại trong xylanh. Khoảng không gian giữa mặt đầu của piston và các van là khoang làm việc của máy bơm. Thể tích khoang làm việc này thay đổi phụ thuộc vào vị trí của piston. Những điểm tận cùng bên phải và bên trái của piston gọi là điểm chết phải (điểm A) và điểm chết trái (điểm B). Khoảng cách từ điểm chết phải đến điểm chết trái gọi là hành trình của piston, ký hiệu là S; S=2R, R: bán kính tay quay của trục khuỷu. Khi piston chuyển động từ A sang B, van hút (7) đóng lại, van đẩu (6) mở ra, chất lỏng bị đẩy ra ngoài. Ngược lại, khi piston chuyển động từ B sang A, áp suất trong ống hút giảm. Lúc này van hút (7) mở, van đẩy (6) đóng, chất lỏng từ bể chứa (9) được hút đầy vào khoang làm việc của máy bơm.Quá trình cứ lặp đi lặp lại như vậy. Sau mỗi vòng quay của trục khuỷu, bơm thực hiện một quá trình hút và một quá trình đẩy. 2.1.3.2. Bơm piston tác dụng kép Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo máy bơm piston tác dụng kép 1.  Xilanh  8.  Ống hút   2.  Cần piston  9.  Bể hút   3.  piston  10.  Con trượt   4.  Hộp van  11.  Thanh truyền   5.  Ống đẩy  12.  Tay quay   6.  Van đẩy  13.  Trục khuỷu   7.  Van hút     Nhờ có hệ thống tay quay- thanh truyền, chuyển động của động cơ sẽ được biến thành chuyển động tịnh tiến của piston trong xylanh với hành trình S=2R. Hai điểm B1, B2 ứng với hai vị trí biên của tay quay. Khi piston đi từ B1 đến B2 thì khoang B1 thực hiện quá trình hút, khoang B2 thực hiện quá trình đẩy. Khi đó khoang thể tích B1 tăng lên, áp suất giảm dần và nhỏ hơn áp suất mặt thoáng Pa, do đó chất lỏng từ bể chứa qua van hút (6) vào buồng làm việc B1, trong khi đó van (4) đóng lại. Còn bên khoang B2 thì thể tích buồng làm việc giảm, áp suất tăng lên, van (6) đóng lại và van (4) mở ra, chất lỏng sẽ được đẩy qua van đẩy (4) và ống xả (7). Khi piston tới B2 thì khoang B1 kết thúc quá trình hút, khoang B2 kết thúc quá trình đẩy. Quá trình ngược lại, khi piston đi từ B2 đến B1 thì khoang B2 thực hiện quá trình hút, khoang B1 thực hiện quá trình đẩy. Như vậy, mỗi vòng quay của trục chính thì bơm thực hiện được hai lần hút và hai lần đẩy( hai chu kỳ hay còn gọi là tác dụng kép). Nếu tay quay tiếp tục quay thì bơm lặp lại quá trình hút và đẩy như cũ. 2.1.4. Các thông số cơ bản của máy bơm piston Các thông số cơ bản là các thông số biểu thị khả năng làm việc và đặc tính của bơm: - Cột áp (áp suất): H (m cột nước) - Lưu lượng : Q (l/s) - Công suất : N (ml) - Hiệu suất : η - Cột áp (H) Ở đây ta dùng khái niệm “Năng lượng đơn vị”. Năng lượng đơn vị là năng lượng của một đơn vị trọng lượng chất lỏng. 2.4.1.1. Cột áp Cột áp của máy bơm là năng lượng đơn vị của dòng chảy trao đổi với bơm. Nó được tính bằng sự chênh lệch năng lượng đơn vị của dòng chảy ở mặt trước và mặt sau của máy bơm. H = (eBA = eB - eA (2.1)
Hình 2.3. Sơ đồ tính toán cột áp của bơm Ta xét 2 mặt cắt (hình 2.3): mặt trước A-A và mặt sau B-B của bơm: Ta gọi: eA và eB: Năng lượng đơn vị ở mặt cắt A-A và B-B; ZA và ZB: Độ cao của mặt cắt đến mặt nước; PA, VA và PB, VB: Áp suất và tốc độ của dòng chảy ở 2 mặt cắt. Ta có:
(2.2)
(2.3) Trong đó: g : Gia tốc trọng trường; γ : Trọng lượng riêng của chất lỏng; (A, (B : Hệ số điều chỉnh động năng. Thay công thức (3.2) và (3.3) vào (3.1), ta được:
(2.4) Nhận thấy: (eBA > 0: Máy bơm cung cấp năng lượng cho chất lỏng; (eBA < 0: Chất lỏng cung cấp năng lượng cho máy thuỷ lực; (eBA = H, gọi là cột áp. Đơn vị là mét cột nước. Thành phần
là thế năng đơn vị, được gọi là cột áp tĩnh. Ký hiệu là Ht. Thành phần
là động năng đơn vị, được gọi là cột áp động. Ký hiệu là Hđ. Như vậy H = Ht + Hđ (2.5) 2.1.4.2. Lưu lượng Lưu lượng là lượng chất lỏng chảy qua máy bơm trong một đơn vị thời gian. Đơn vị tính có thể là: lít/giây (l/s); lít/phút (l/ph); mét khối/giờ (m3/h). Máy bơm có i xylanh tác dụng đơn
(l/s) (2.6) Máy bơm có i xylanh tác dụng kép
(l/s) (2.7) Trong đó: F: tiết diện xylanh; S: khoảng dịch chuyển của piston; i: số xylanh; n: số hành trình kép; a: hệ số kể đến ảnh hưởng của cần piston:
f: tiết diện cần piston. Với bơm tác dụng đơn thì: a=1. 2.1.4.3. Công suất Công suất của động cơ (Nđc) chi phí cho quá trình bơm làm việc bao gồm các thành phần sau: Chi phí công suất để nâng một lưu lượng Q lên độ cao H trong 1 đơn vị thời gian được gọi là công suất thuỷ lực hay công suất có ích (Ntl);
(2.8) Công suất thuỷ lực chính là cơ năng mà chất lỏng trao đổi với bơm trong 1 đơn vị thời gian. Chi phí công suất để thắng các tổn hao thuỷ lực, tổn hao thể tích, tổn hao cơ khí, được đánh giá bằng hệ số (tl, (V vµ (c. Tổn hao thuỷ lực (tl: bao gồm chi phí để thắng các sức cản thuỷ lực do ma sát với thành ống và các tổn hao cục bộ do thay đổi tốc độ dòng chảy khi chất lỏng chuyển động từ bể chứa đến ống đẩy. Ngoài ra còn để thắng lực quán tính của van.
(2.9) Ht, Hl : cột áp thực tế và cột áp lý thuyết. Tổn hao thể tích (V : được xác định bằng hệ số hút đầy: