Определение требуемых характеристик насосных агрегатов по результатам гидравлического расчета

 

6.1.1 Определение требуемых характеристик насосных агрегатов производится в приведенной ниже последовательности.

6.1.2 Суммарный требуемый дифференциальный напор работающих основных насосов (H_нас) определяется по требуемому напору на станции за регуляторами (H_ст) с учетом потерь напора от первого насоса до выхода регуляторов (h_к) и за вычетом напора на входе первого насоса станции (h_подп):

, (6.1)

где: Н_ст – требуемый напор на выходе станции определяемый по результатам гидравлического расчета (см. п.5.1), м;

Н_нас – требуемый дифференциальный напор насосов станции, м;

h_к – гидравлические потери от первого насоса и до выхода регуляторов, м;

h_подп – напор на входе первого насоса станции по формуле (6.5), м.

6.1.2.1 Напор на входе первого насоса (h_подп) должен быть не менее величины, обеспечивающей бескавитационную работу насоса [3], [4]:

, (6.2)

где: h_{подп мин} – минимальное значение напора на входе первого насоса, м;

p₀ – абсолютное давление на поверхность жидкости (атмосферное давление), Па;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

p_s –давление насыщенных паров жидкости, Па;

w_в – скорость жидкости на входе в насос, м/с;

Δh_доп – допустимый кавитационный запас насоса, в пересчете на нефть (см. 6.2.2.1), м.

6.1.2.2 Атмосферное давление p₀ должно приниматься в зависимости от абсолютной высотной отметки насосов по формуле:

, (6.3)

где: z – абсолютная высотная отметка насосной станции над уровнем моря, м.

6.1.2.3 Значение давления насыщенных паров нефти p_s, соответствующее температуре перекачиваемой нефти вычисляется по формуле:

, (6.4)

где: p_SR – давление насыщенных паров по ГОСТ 1756, Па (температура нефти t₁ = 37,8 ºС, отношение объемов паровой и жидкой фаз V_п/V_ж = 4/1);

t – температура перекачиваемой нефти, ºС.

6.1.2.4 Допустимый кавитационный запас (h_доп) определяется по характеристике насоса, полученной на воде, с последующим пересчетом на реальные свойства нефти согласно 6.2.2.1.

6.1.3 Напор на входе первого насоса (h_подп) может включать дополнительный напор, передаваемый с предыдущей станции, или с перевальной точки.

6.1.4 Величина напора на входе первого насоса, с учетом потерь на входе станции связана с напором на входе станции формулой:

, (6.5)

где: Н_вх – напор на входе НПС, м;

h_вх – гидравлические потери на входе МНС до входа в первый насос, м.

6.1.5 Величина напора на входе первого насоса, в случае его получения с перевальной точки определяется по формуле:

, (6.6)

где: Δz – разность высотных отметок перевальной точки и МНС, м;

i – гидравлический уклон в трубопроводе при заданной производительности (см. формулу 5.34), м/км;

L – длина трубопровода от перевальной точки до МНС, км.

6.1.6 Гидравлические потери в технологических трубопроводах станции должны рассчитываться согласно формулам и графикам п. 5.6. Для оценочных расчетов можно принимать данные потери как: h_вх ≈ 15-25 м; h_к ≈ 20-30 м.

6.1.7 Из рассчитанного по формуле (6.1) требуемого суммарного дифференциального напора насосов станции рассчитывается требуемый дифференциальный напор одного насоса:

, (6.7)

где: n – число рабочих насосов станции.

6.1.8 Выбор типа применяемых насосов должен производиться в соответствии с заданной производительностью трубопровода так, чтобы рабочая подача насосов, соответствующая заданной пропускной способности трубопровода, превышала номинальную подачу насосов: Q_раб > Q_ном. Данное правило выбора насоса обеспечивает более широкую рабочую область (Q_раб – Q_мин) возможных производительностей работы нефтепровода в реальных условиях эксплуатации, как это показано на рисунке 6.1.

6.1.9 Напор, создаваемый насосами при заданной подаче, определяют по их характеристикам, пересчитанным на реальные свойства перекачиваемой жидкости согласно формулам п. 6.2.2.

6.1.10 В случае если требуемый дифференциальный напор станции окажется меньше напора, создаваемого выбранными насосами, должна применяться обрезка рабочих колес насосов (см. 6.2.3), либо передача дополнительного напора на вход последующей станции при работе в режиме «из насоса в насос».

 

 

Рисунок 6.1 - Выбор типа насоса по условию соответствия рабочей зоны насоса и заданной производительности трубопровода

 

6.1.11 В случае если требуемый дифференциальный напор станции окажется больше напора, создаваемого выбранными насосами, недостающий напор, в некоторых случаях, может быть передан с предыдущей станции.

6.1.12 При передаче напора на вход НПС с предыдущей станции выполняется равенство:

, (6.8)

где: h_прд – напор, передаваемый на вход станции N со станции N-1, м.

6.1.13 Сумма напора непосредственно производимого НПС и передаваемого на ее вход с предыдущей станции характеризуется величиной, называемой полным напором станции:

(6.9)

6.1.14 Описанная процедура расчета должна проводиться последовательно для всех станций технологического участка. Для расчета и анализа, баланс напоров и потерь удобно представить в табличном виде, аналогичном показанному в таблице 6.1.

Методика определения дифференциального напора насосов с использованием табличной формы, аналогичной представленной в таблице 6.1, показана ниже на конкретном примере расчета (пример расчета № 2).

 

Таблица 6.1 - Пример расчета режимов работы НПС нефтепровода

№ п/п

Наименование НПС

Производительность, млн.т/год

Подача, м^3/час

Марка насоса

Дифференциальный напор, м

Количество работающих насосов, шт

Суммарный требуемыйдифф. напор работаю-щих насосов, м

Требуемая мощность электро двигателя НА, кВт

Давление на входе магистральной насос-ной *), м

Используемый напор, м

Полный напор, м

Требуемый напор на выходе станции, м

Дополнительно переда-ваемый напор, м

Давление за регуляторами

С колесом без обрезки

Требуемый, с обрезкой колеса

МПа

ат

НПС 1

50,0

НГПН 3600-120

5,51

56,2

НМ 7000-210 с ротором Q=1Qном

НПС 2

НМ 7000-210 с ротором Q=1,25Qном

5,67

57,8

НПС 3

НМ 7000-210 с ротором Q=1,25Qном

5,84

59,5

НПС 4

НМ 7000-210 с ротором Q=1,25Qном

5,88

59,9

НПС 5

НМ 7000-210 с ротором Q=1,25Qном

5,67

57,8

НПС 6

НМ 7000-210 с ротором Q=1,25Qном

5,85

59,6

НПС 7

НМ 7000-210 с ротором Q=1,25Qном

5,83

59,4

НПС 8

НМ 7000-210 с ротором Q=1,25Qном

5,81

59,2

НПС 9

НМ 7000-210 с ротором Q=1,25Qном

5,71

58,2

 

 

Пример расчета № 1

Определение требуемых характеристик насосов НПС1 при заданной расстановке НПС.

Исходные данные

Заданная пропускная способность трубопровода: G = 74 млн.т/год

Высотная отметка МНС1 над уровнем моря: z = 155 м

Высотная отметка МНС2 над уровнем моря: z = 227 м

Расстояние между станциями: L = 103 км

Годовой фонд рабочего времени: T = 350∙24 = 8400 часов

Внутренний диаметр трубопровода: d = 1,196 м

Коэффициент неравномерности перекачки: k = 1,07

Свойства нефти:

Температура: t = 26 ^oC

Кинематическая вязкость нефти: n = 2,5·10^-5 м²/с

Плотность нефти: ρ = 850 кг/м³

Давление насыщенных паров нефти по ГОСТ 1756-2000 при t = 37,8 ^oC: p_SR = 58000 Па

По результатам гидравлического расчета (по формулам п.5.6) гидравлические потери в трубопроводах станций:

h_в = 15 м;

h_к = 25 м;

h_вых = 5 м;

Расчет

1) Часовая производительность трубопровода по формуле 5.3 составит:

м³/ч

2) Выбор типа применяемых насосов производится в соответствии с заданной производительностью трубопровода так, чтобы максимальная рабочая подача насосов Q_раб превышала номинальную подачу Q_ном. Для заданной подачи Q_раб = 10350 м³/ч требуемым условиям наиболее соответствует насос НМ10000-210 с номинальной подачей Q_ном = 10000 м³/ч.

3) Для заданных исходных данных и выбранного типа применяемых насосов согласно формуле (6.2) выполняется расчет минимального напора на входе первого насоса для обеспечения его бескавитационной работы. Для выбранного типа насоса, с учетом исходных данных, определяется:

а) Величина допустимого кавитационного запаса насоса для заданных свойств нефти (см. п. 6.2.1): h_доп = 60,7 м.

б) Паспортный диаметр входного патрубка насоса: d₁ = 0,99 м.

в) Скорость нефти на входе в насос (см. формулы п. 5.6):

г) Величина атмосферного давления на уровне расположения насосов, согласно формуле (6.3) составляет:

д) Величина давления насыщенных паров нефти при заданной температуре, согласно формуле 6.4 составляет:

.

е) Рассчитывается величина минимального напора на входе первого насоса для обеспечения его бескавитационной работы по формуле (6.2):

4) Скорость движения нефти в трубопроводе (см. формулы п.5.6) составит:

5) Параметр Рейнольдса (см. формулы п.5.6) составит:

6) Коэффициент гидравлического сопротивления (см. формулы п. 5.6) в соответствии с рассчитанным числом Рейнольдса составит:

7) Гидравлический уклон (см. формулы п.5.6) в заданных условиях составит:

8) Требуемый напор МНС1 согласно формулам раздела 5 составит:

9) Требуемый дифференциальный напор насосов согласно формуле 6.1 составит:

10) Согласно характеристике насоса НМ10000-210 напор одного насоса при заданной подаче составит: H_нас1(Q=10350м³/ч) = 207м. Следовательно, для обеспечения требуемого напора на выходе НПС наиболее близкое целое число последовательно включенных насосов n = 3.

11) С учетом проведенных выше расчетов и оценок, требуемый дифференциальный напор одного насоса согласно формуле (6.7) составит:

12) Поскольку требуемый дифференциальный напор одного насоса меньше напора, создаваемого выбранными насосами при заданной подаче, передача дополнительного напора с предыдущей НПС не требуется.

13) Поскольку требуемый дифференциальный напор одного насоса меньше напора, создаваемого выбранными насосами при заданной подаче, во избежание непроизводительных затрат на гашение избыточного напора (17 метров), должна применяться обрезка рабочих колес насосов (см. расчет п. 6.2.3). При расчете степени обрезки колес, следует выполнять проверку непревышения максимально допустимой степени обрезки для заданного насоса (см. также расчет п. 6.2.3). Кроме того, в том случае, если расчет для следующей станции выявит для нее потребность в дополнительном напоре, избыточной напор (17 метров) может быть передан на вход следующей станции, при этом необходимо учесть дополнительные металлозатраты на линейной части между станциями.

Пример расчета № 2

Определение требуемых характеристик насосов НПС1-НПС9 по результатам гидравлического расчета (см. п. 5.1).

Исходные данные

Заданная пропускная способность трубопровода: G = 50 млн.т/год

Кинематическая вязкость нефти: n = 1,7·10^-5 м²/с

Плотность нефти: ρ = 865 кг/м³

Гидравлические потери в трубопроводах станций (по результатам гидравлического расчета см. 1.1.6): h_вх = 20м (9м для НПС1); h_вх = 9м; h_к = 25м; h_вых = 5м (13 м для НПС4)

Коэффициент неравномерности перекачки: k = 1,07

Расчет

Расчет строится с использованием таблицы, аналогичной показанной в таблице 6.1, и состоит из следующей последовательности действий (в электронной версии данной таблицы часть данных может рассчитываться автоматически):

1) Для всех НПС заполняются графы (1), (2) фактическими данными.

2) Графа (15) передаваемого напора на вход следующей станции предварительно заполняется нулевыми значениями.

3) Заполняется графа (3) фактическими данными.

4) Рассчитывается по формуле (5.3) часовая производительность трубопровода и заполняется графа (4) таблицы:

м³/ч

5) Производится выбор применяемого типа насосов (в заданном случае решено было выбрать насосы НМ7000-210) и заполняется графа (5). (Действия 5-16 выполняются для каждой НПС в таблице).

6) По характеристике выбранных насосов с проверкой влияния вязкости заданной нефти (см. 6.2.2) рассчитывается напор одного насоса при рассчитанной подаче и заполняется графа (6).

7) По результатам гидравлического расчета (см. 5.1) заполняется графа (14) - требуемый напор на выходе НПС.

В верхнюю часть графы (11) вносится рассчитанное по формуле (6.8) давление на входе НПС - сумма рассчитанного из формулы (6.5) с учетом формулы (6.2) минимального напора на входе НПС и передаваемого напора со станции N-1 (графа (15) для станции N-1). Для выбранного типа насоса, с учетом исходных данных, определяется:

а) Величина допустимого кавитационного запаса насоса для заданных свойств нефти (см. пример расчета п.6.2.2.1): h_доп = 65,54 м.

б) Паспортный диаметр входного патрубка насоса: d₁ = 0,61 м.

в) Скорость нефти на входе в насос:

г) Величина атмосферного давления на уровне расположения насосов, согласно формуле (6.3) составляет:

д) Величина давления насыщенных паров нефти при заданной температуре, согласно формуле (6.4) составляет:

Па

е) Рассчитывается величина минимального напора на входе первого насоса для обеспечения его бескавитационной работы по формуле (6.2):

8) В нижнюю часть графы 11 вносится напор на входе первого насоса - разность верхнего значения графы 11 и суммарных гидравлических потерь на входе станции N и выходе станции N-1.

9) Заполняется графа 12 - используемый напор, которая предназначена для наглядного учета потерь в коллекторе. В графу 12 заносится значение нижней части графы (11) за вычетом потерь в коллекторе НПС.

10) В графу 13 заносится значение рассчитываемого по формуле (6.9) полного напора НПС, т.е. сумма граф 14 и 15.

11) Из полученного значения полного напора рассчитывается давление за регуляторами и заполняются графы 16 и 17 таблицы. Это позволяет одновременно с расчетом проверять не превышение существующих ограничений по допустимому давлению на выходе станций.

12) В графу 9 заносится рассчитываемый по формуле (6.1) суммарный дифференциальный напор насосов НПС, т.е. разность граф 13 и 12.

13) Графа 8 числа работающих насосов заполняется так, чтобы рассчитываемый по формуле (6.7) и заносимый одновременно в графу 7 требуемый дифференциальный напор одного насоса несколько превышал, но был максимально близок к полученному по характеристике (графа 6).

14) В графу 10 согласно формуле (6.38) заносится требуемая для обеспечения соответствующих характеристик мощность электродвигателей приводов насосов. Это позволяет одновременно с расчетом проверять не превышение существующих ограничений по мощности. (В данном случае принято КПД насосного агрегата η = 0,86, коэффициент запаса по мощности k = 1,1).

15) Изменением значений графы 15 (и в некоторых случаях графы 8) с соответствующим пересчетом связанных ячеек таблицы, производится подбор таким образом, чтобы разности граф 6 и 7 имели минимально возможное количество типовых значений (определяющих обрезку колес). Этим достигается максимальная унификация используемых роторов насосов. (В приведенном примере этим обусловлена передача дополнительного напора на вход станций № 3,6,7,8).