Справочные данные по насосам типа НМ

Типоразмер насоса	Коэффициенты в формуле (9)	Параметры насоса, мм
10^-2∙ С0в	10^-4∙ С1в, ч/м^2	10^-8∙ С2в, ч^2/м^6	Диаметр патрубка (условный проход)	Диаметр рабочего колеса, DК	Ширина лопаток рабочего колеса
входного Dвх	выходного Dвых
Насосы секционные многоступенчатые
НМ 500-300	6,00		-352			300*

 

Находим коэффициенты h_мв и в_мв

 

где Q₁ = Q_Л = 375

и Q₂ = Q_П=562,5,

а соответствующие этим значениям напоры Н₁ и Н₂, взятые с заводской напорной характеристики Н=F(Q), приведены в табл. 9.

Правильность вычисления коэффициентов оцениваем с помощью погрешности

 

, (15)

 

которая не должна превышать допустимой (5%), где

 

== 407 – 4,27*10^-4*500² = 300,3 м³/ч

 

Тогда напор, развиваемый насосом на воде в оптимальном режиме будет равен = = 407 – 4,27*10^-4*468,75² = 313,3 м³/ч

 

Таблица 9

Напоры Н₁ = F (Q₁) и H₂ = F (Q₂), соответствующие левой и правой границам рабочей области (Q –H) – характеристики насосов (Q₁=Q_Л£ Q £ Q₂ =Q_П)

 

Типоразмер насоса	Диаметр рабочего колеса DK, мм	Напоры (в м), соотв. подачам Q1 и Q2
Н1 = F (Q1)	H2 = F (Q2)
Насосы секционные
НМ 500-300

 

После выбора магистрального насоса типа НМ выбираем подпорный насос.

Главной задачей подпорного насоса является взять нефть из резервуара и подать её на вход основного насоса, перекачивающего нефть (или нефтепродукты) по трубопроводу. С помощью подпорных насосов создается избыточное давление (подпор) на входе в основные насосы станции, которое обеспечивает их бескавитационную работу, поскольку разности высотных отметок остаточного уровня взлива нефти в резервуаре (оси приёмо-раздаточного патрубка резервуара) и оси входного патрубка основного насоса не хватает, чтобы преодолеть довольно значительный кавитационный запас последнего, составляющий (см. табл. 7) от 20 м (2,0 атм) для насосов НМ 1250-260 до 87 м (8,7 атм) для насосов НМ 10000-210.

Подпорные же насосы, применяемые для создания такого давления, требуют гораздо меньших значений давления на входе. Необходимый кавитационный запас для подпорных насосов находится в пределах от 0,22 (2,2) до 0,5 атм (5 м) (см. табл. 10) и может быть обеспечен за счёт разницы высотных отметок уровня взлива «местного» остатка в резервуаре и оси входного патрубка насоса.

В отличии от основных магистральных насосов на перекачивающих станциях подпорные насосы соединяют как правило параллельно (расходы нефти в насосах суммируются, а напор, создаваемый каждым насосом, остается одним и тем же), для того чтобы обеспечит требуемый подпор при меньшей подаче в каждом из отдельно взятых насосов. Ведь, как известно, при параллельном соединении насосов общий поток жидкости разделяется на части, составляющие подачи этих насосов. Поэтому стремятся, чтобы либо производительность одного насоса, либо производительность нескольких (двух или трех) параллельно соединенных насосов была равна производительности (подаче) основного магистрального насоса. Наиболее распространённая схема соединения подпорных насосов – два работающих и один резервный.

Принимаем 2 подпорных насоса НПВ 300-60 + 1 резервный.

Выбрав магистральный (НМ, см. табл.9) и подпорный (НМП*, НДвН, НДсН* или НПВ, см. табл. 10, в зависимости от величины номинальной подачи основного насоса) насосы, необходимо оценить целесообразность пересчёта паспортных характеристик основных и подпорных насосов (напора, подачи, допустимого кавитационного запаса, к.п.д., мощности), приведённых заводом-изготовителем для воды (r_в = 1000 кг/м³, m_в = 1 м Па × с = 10^-3 Па × с и n_в = 1 с Ст = 10^-2Ст= 1 мм²/с = 10^-6 м²/с при t_ст = 20⁰С), в случае отклонения свойств транспортируемой жидкости (r_t, m_t и n_t при t = t _п.н) от свойств воды.

 

 

 

 

При транспортировке маловязких нефтей и нефтепродуктов вышеперечисленные характеристики изменений не претерпевают. Однако с ростом кинематической вязкости перекачиваемой жидкости они ухудшаются (снижаются).

Пересчёт характеристик необходим, если кинематическая вязкость транспортируемой жидкости n_t при заданной температуре перекачки t = t _п.н попадает на интервал:

n _п < n_t £ n _доп ,

 

где n _п – критическое значение вязкости (в м² / с) перекачиваемой жидкости, при превышении которой необходим пересчёт напора и подачи НМ;

n _доп - максимально-допустимая вязкость жидкости, при которой центробежный насос ещё способен вести перекачку без предварительной подготовки жидкости (например, без предварительного её подогрева: для центробежных нефтяных насосов серии НМ n _доп = 3Ст = 3×10^-4 м²/с).

Кинематическая вязкость n_t находится по формуле

 

n_t =m_t /r_t = 0,13/764 = 1,72*10^-4,

 

где r_t и m_t – соответственно плотность (в кг/м³) и динамическая вязкость (в Па× с) перекачиваемой жидкости при t = t _П.Н., которая находится по известной формуле Рейнольдса-Филонова:

 

= 75*10^-3*е ^{-0,025*(-2,5-20)} = 0,13

при -5°С £ t _П.Н. £ 80°С,

где b = коэффициент крутизны вискосограммы (b = 0,02 – 0,03, где нижний предел соответствует высоким температурам, а верхний – низким, в наших расчётах принимаем b = 0,025).

Чтобы вычислить значение n_П, определяющее необходимость пересчёта коэффициентов в напорной характеристике насоса, необходимо найти число Re_H, называемое числом Рейнольдса в насосе, и сравнить его с переходным числом Рейнольдса Re_П:

 

= 3000*0,3²/1,72*10^-4*60 = 26119

 

где и n_t – соответственно характерная скорость схода жидкости с лопаток рабочего колеса насоса (в м/с) и кинематическая вязкость перекачиваемой жидкости (в м² / с) D_K и n – соответственно диаметр (в м) и число оборотов (в с^-1) рабочего колеса насоса.

Параметр Re_H учитывает влияние вязкости перекачиваемой жидкости на значение потерь энергии внутри самого насоса, т.е. на значение силы трения t = f (Re_H, Q) слоев жидкости в рабочих каналах насоса. В результате исследований уставлено (см. рис.2):

1. При весьма больших числах Re_H (а именно, при Re_H ³ Re_П , где Re_П – так называемое переходное число Re_П Рейнольдса для насоса данной конструкции) сила трения t перестает зависеть от числа Re_П, а зависит только от подачи Q.

Следовательно при Re_H ³ Re_П, когда t = f (Re_H, Q) = f (Q) × (Q – H) – характеристика насоса не зависит от вязкости n_t перекачиваемой жидкости, а зависит только от диаметра и угловой скорости вращения рабочего колеса.

Т.о. если Re_Н ³ Re_П (n_t £ n_П), то в пересчёте (Q – H) - характеристики с воды на вязкую жидкость нет необходимости (коэффициенты , , не пересчитываются, т.к. соответствующие коэффициенты пересчёта К_Н и К_Q = 1, см. рис.2).

2. Однако если Re_Н < Re_П (n_t > n_П) характеристики центробежного нагнетателя, построенные на воде (n_в = 1с Ст), отличаются от характеристик нагнетателя, работающего на более вязкой жидкости (т.е. коэффициенты пересчитываются, так как К_Н и К_Q < 1, см. рис. 2).

Коэффициенты пересчёта К_Н, К_Q и K_h, как показывают исследования, могут быть приняты постоянными в диапозоне Q = (0,8 ¸1,2) Q _опт (здесь Q _опт – оптимальная подача насоса).

Т.о. согласно рис.2 пересчет характеристики Н = F (Q) c воды на вязкую нефть необходим в том случае, если когда величина Re_Н не превышает величину переходного числа Рейнольдса Re_П, вычисляемого по формуле

= 3,16*10⁵*121^-0,305 = 73194

где n_S - коэффициент быстроходности насоса на режиме максимального к.п.д., являющийся индивидуальной характеристикой насоса

 

где n – число оборотов ротора (рабочего колеса) насоса, об / мин;

Q _{В. опт}, Н_{В .опт} = h_{B .} – b_B - подача (м³ / ч) и напор (м)насоса при работе на воде с максимальным к.п.д;

n_K = 3

n_BC = 1 - число соответственно последовательно установленных рабочих колёс (ступеней насоса) и сторон всасывания рабочего колеса (Н_{В .опт} / n_K - напор создаваемый одной ступенью, Q _{В. опт} / n_BC - расход, приходящийся на одну сторону рабочего колеса).

 

Рис. 2. Зависимости коэффициентов пересчёта К_Н, К_Q и K_h от числа Рейнольдса

в насосе Re_Н

 

У нас , для вычисления коэффициентов пересчёта напора К_Н, подачи и к.п.д. К_h насоса с воды на вязкую нефть используются следующие формулы:

 

 

где Re_гр – граничное число Рейнольдса (см. рис. 2); а_h - поправочный коэффициент.

Величины Re_гр и а_h, так же как и Re_П являются функцией от n_S

 

Re_гр» 0,224×10⁵× = 0,224*10⁵*121^0,384 = 141250;

 

а_h»1,33× = 1,33*121^-0,326 = 0,279.

 

Зная К_Н, , К_h, можно рассчитать величины аппроксимационных коэффициентов h_мn, а_мn, b_мn, c_0n, c_1n, c_2n в формулах

 

H_мn = h_мn + а_мn × Q - b_мn × Q² (или H_мn = h_мn - b_мn × Q² при а_мn = 0)

и

 

h_мn = c_0n + c_1n × Q + c_2n × Q²

 

при работе насоса на высоковязкой нефти (индекс “ n ”) через известные коэффициенты при работе насоса на воде (индекс “ В ”):

= 0,943*407 = 383,7;

;

;

 

= 0,796*0,06 = 4,77*10^-2;

;

.

 

Т.о. оптимальная подача насоса по нефти:

Q_vопт = = – 2,87*10^-3/2*(–3,34*10^-6) = 429,1 м³/ч

Оптимальный К.П.Д. насоса по нефти:

= 4,77*10^-2 + 2,87*10^-3*429,1 +

+ (–3,34*10^-6)*429,1²= 0,663

Оптимальный напор насоса по нефти:

= 383,7 – 4,8*10^-4*429,1² = 295,3 м.

 

В результате единых расчётов мы можем сравнить между собой три режима работы насоса:

1) номинальный режим на воде (с к.п.д. h_О.Н) – НМ Q_O.H - H_O.H, где Q_O.H и H_O.H - номинальные подачи (с основным рабочим колесом) и напор насоса указываются в самом обозначении данной марки насоса (например, запись НМ 1250-260 означает, что Q_O.H = 1250 м³/ч и H_O.H = 260 м);

2) оптимальный режим (с максимальным к.п.д. h_Вmax) на воде НМ Q_{В опт} – H_{В опт};

3)оптимальный режим (с максимальным к.п.д. h_{n max}) на высоковязкой жидкости НМ Q_{n опт} – H_{n опт}.

Для магистрального насоса

	Подача, м^3/ч	Напор, м.	КПД, %
Номинальный режим
Оптимальный на воде	468,75	313,3
Оптимальный на нефти	429,1	295,3	66,3

 

Аналогично пересчитываем коэффициенты для подпорного насоса:

По табл. 10 для насоса НПВ 300 – 60:

Q_ОН = 300 м³/ч.

H_ОН = 60 м.

n = 2975 об/мин.

η = 75%

D_К = 0,24 м.

h_ОВ = 78,5 м.

a_ПВ = 0

b_ПВ = 199*10^-6 ч²/м⁵.

C_0В = 1*10^-2

C_1В = 47*10^-4 ч²/м³.

C_2В = -751*10^-8 ч²/м⁶.

 

Оптимальная подача насоса:

= – 47*10^-4/2*(–751*10^-8) = 312,9 м³/ч

 

при которой максимальный К.П.Д. на воде равен = 1*10^-2 + 47*10^-4*312,9 +

+ (–751*10^-8)*312,9²= 0,75

 

Оптимальный напор насоса по воде:

= 78,5 – 1,99*10^-4*312,9² = 59 м³/ч

Кинематическая вязкость n_t такая же как для магистрального насоса

 

n_t =m_t /r_t = 1,72*10^-4,

 

Число Рейнольдса в насосе Re_П:

= 2975*0,24²/1,72*10^-4*60 = 16577

Переходное число Рейнольдса Re_П

= 3,16*10⁵*106,3^-0,305 = 76133

 

 

Re_гр» 0,224×10⁵× = 0,224*10⁵*106,3^0,384 = 134420;

 

а_h»1,33× = 1,33*106,3^-0,326 = 0,291

Коэффициенты пересчета с воды на вязкую нефть:

 

 

= 0,915*78,5 = 71,8;

;

;

 

= 0,736*0,01 = 7,36*10^-3;

;

.

 

Т.о. оптимальная подача подпорного насоса по нефти:

Q_vопт = = – 3,95*10^-3/2*(–7,21*10^-6) = 274 м³/ч

Оптимальный К.П.Д. подпорного насоса по нефти:

= 7,36*10^-3 + 3,95*10^-3*274 +

+ (–7,21*10^-6)*274²= 0,549

Оптимальный напор подпорного насоса по нефти:

= 71,8 – 2,38*10^-4*274² = 54 м.

 

Для подпорного насоса

	Подача, м^3/ч	Напор, м.	КПД, %
Номинальный режим
Оптимальный на воде	312,9
Оптимальный на нефти			54,9

 

После пересчёта характеристик основных нефтяных насосов серии НМ с воды на вязкую нефть следует рассчитать минимально-допустимое давление (подпор) на входе в первый из числа последовательно включаемых магистральных насосов насосно-перекачивающих станций (НПС). Особенно важен данный расчёт для насосных станций, осуществляющих перекачку по системе “из насоса в насос”, когда необходимый подпор на входе в очередную промежуточную НПС (ПНПС) эксплуатационного участка создается за счёт остаточного напора от предыдущей НПС.

Для нормальной (безкавитационной) работы основного насоса необходимо, чтобы минимальный подпор на входе в него h_вх превышал бы напор h_S, соответствующий давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости P_S, на величину, равную разности допустимого кавитационного запаса и скоростного напора на входе в насос h_ck,

 

или

,

 

где и - минимальное давление на входе в насос (в Па) и соответствующий ему подпор (в метрах нефтяного столба); и h_s давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости:

 

= 17238/(764*9,8) = 2,3 м.

 

при температуре t = t _П.Н (Па) и соответствующий ему напор (м); и h_СК -допустимый кавитационный запас и скоростной напор на входе насос, м;

= 1,69²/(2*9,8) = 0,15 м.

V_вс.п – скорость жидкости во всасывающем патрубке основного насоса, м/с.

= 4*429,1/(3,14*0,3²) = 1,69 м/с

 

где S_пр.вс, – площадь проходного сечения (м²)

D_вс.п = 0,3 – внутренний диаметр всасывающего (приёмного) патрубка насоса (м, см. таблица 2).

Давление насыщенных паров перекачиваемой нефти (в Па) может быть найдено по следующей зависимости

 

=

= 101325*exp{10.,53*(1-316/270,5)} = 17238 Па

 

где Т_П.Н = t_П.Н + 273 = –2,5+273 = 270,5 – температура перекачиваемой нефти

Т_Н.К = 316 – температура начала её кипения (в ° К),

Допустимый кавитационный запас насоса при перекачке нефти и нефтепродуктов вычисляется по формуле

 

= 4,5 – 1,1*(0,69 – 0,63) = 4,44

,

где = 4,5 м. - допустимый кавитационный запас основного насоса при работе на воде в номинальном режиме (см.табл. 7);

k_h = 1,1– коэффициент запаса;

, - поправки соответственно на температуру и вязкость перекачиваемой жидкости (в м).

 

= 4,471*2,3^0,45 = 0,69

 

= 4,35*1,69²/(2*9,8) = 0,63

 

где - напор, соответствующий давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости, м; x_вх – коэффициент местного сопротивления на входе в основной насос, вычисляемый по формуле:

 

= 16 – 13,1*(lg2937 – 2,75)^0,354=4,35

 

Для основного насоса число Рейнольдса на входе в насос Re _вх рассчитываются по диаметру всасывающего патрубка насоса D_вс.п.

 

= 1,69*0,3/1,72*10^-4 = 2937

 

= 2,3 + (4,44 – 0,15) = 6,6 м.

Р_вх = h_вх × r_t × g = 6,6*764*9,8 = 49399 Па

 

После определения минимального подпора h_вх на входе в первый по счёту основной магистральный насос НПС и соответствующего ему давления Р_вх = h_вх × r_t × g, необходимо убедиться, рабочее давление на выходе из НПС Р_раб при последовательном включении в ней нескольких однотипных насосов серии НМ не превысит допустимого Р_{доп .}, указанного в табл. 2. В противном случае следует пересчитать диаметры рабочих колёс, выбранных ранее основного и подпорного насосов.

 

Р_раб = Н_НС ×r_tg = (H_вх + m_МН_Мn) × r_tg = (6,6 + 3*263,6)*764*9,8 =

= 5,97 МПа £ P_доп = 6,4 МПа

 

где Н_НС = H_вх + m_МН_Мn - суммарный напор, на выходе из насосной станции (НС); m_М – число последовательно включаемых на каждой НПС основных магистральных насосов. (Как правило, напор на выходе НС, оснащенной насосами с подачей до 360 м³ / ч включительно, создается не более двумя последовательно работающими агрегатами. Для насосов с подачей 500 м³ / ч и выше (см. табл. 7) последовательно включают не более трех насосных агрегатов при одном резервном);

= 383,7 – 4,8*10^-4*500,2² = 263,6 - напор, создаваемый одним магистральным насосом при плановом режиме перекачки с расходом Q = Q_ч = 500,2 м³/ч;

Q_ч – часовой расход в трубопроводе (в м³ / ч);

H_вх – подпор на входе в первый по счету магистральный насос НПС, равный – h_вх при перекачке по схеме “из насоса в насос”;

- напору, создаваемому одним, либо несколькими параллельно соединёнными подпорными насосами (в том случае, если таковые необходимы) при наличии на НПС резервуарного парка (резервуары ГНПС, принимающие нефть с нефтепромыслов; резервуары ПНПС, расположенных на границах эксплуатационных участков; резервуары ПНПС, принимающие нефть с нефтепромыслов, расположенных по пути следования трассы МНП). При этом должно выполняться условие

 

= 71,8 – 2,38*10^-4*250,1² = 57 > 6,6 - напор, создаваемый одним подпорным насосом при плановом режиме перекачки с расходом

Q = Q_ч = 500,2/2 = 250,1 м³/ч (т.к. 2 параллельно соединенных подпорных насоса);

 

2. Для насосов с подачами от 1250 м³/ч и более возможны как установка одного подпорного насоса, так и параллельное включение нескольких подпорных насосов. Тогда согласно (48) получим (m_M =3):

,

 

 

Н_нс = ({57+3*(383.7-4.8*10^-4*500.2²)}*764*9,8)/1000000 = 6,35 < 6,4 МПа