Методы регулирования режимов работы НПС

Методы ступенчатого регулирования имеют в своём большинстве один общий недостаток – режим работы НПС и трубопровода при их осуществлении изменяется ступенчато, что не всегда отвечает необходимой степени изменения режима работы и часто требует подрегулирования с помощью неэкономичного метода дросселирования. Поэтому экономичные в своей основе методы ступенчатого регулирования не всегда обеспечивают транспорту нефти/нефтепродуктов минимально возможные энергозатраты.

Исключение из рассматриваемых методов составляет способ регулирования изменением диаметра рабочего колеса.

Диаметры рабочих колёс центробежных насосов НМ, НПВ и НМП могут быть изменены обточкой колёс на станке. Обточка в пределах 10% практически не приводит к снижению К.П.Д. насосов, Н-Q характеристика же насоса при этом изменяется подобно тому, как это происходит при изменении числа оборотов ротора насоса (Рисунок 7.13).

 

Рисунок 7.13 – Изменение режима работы НПС изменением диаметра рабочего колеса

 

            (2)

где Н₀ и Q₀ – напор и подача насоса при диаметре рабочего колеса, равном Д₀; Н и Q – напор и подача насоса при диаметре рабочего колеса, равном Д.

Если известны требуемые от насоса напор Н и подача Q, то необходимый диаметр рабочего колеса Д может быть рассчитан по формуле, получение которой рассмотрим ниже.

Ранее отмечалось, что H-Q характеристика центробежного насоса может быть аппроксимирована зависимостью (1). Запишем (1) для исходного необточенного рабочего колеса

Н₀ = а - b×Q₀² (3)

где Н₀ и Q₀ – напор и подача насоса, соответствующие диаметру Д₀ необточенного колеса и определяемые по рабочей точке насоса М (рисунок 6.13).

Подставим в (2) вместо Н₀ и Q₀ их значения, полученные из (3) и будем иметь:

,

где H и Q – требуемые от насоса напор и подача; Д – отвечающий им диаметр колеса.

Теперь поделим обе части уравнения на  и полученное выражение решим относительно

.

Если рассчитанное значение Д будет отличаться от Д₀ не более чем на 10%, то обточка колеса обеспечит насосу и НПС необходимый режим работы при минимальных энергозатратах на транспортировку нефти/нефтепродуктов.

 

Также к способам регулирования режимов работы МТ можно отнести перекачку нефти/нефтепродуктов с применением противотурбулентных присадок. Эффект применения противотурбулентных присадок (ПТП) заключается в снижении гидродинамического сопротивления течения жидких углеводородов в трубопроводах, и как следствие увеличения пропускной способности трубопроводной системы. К достоинствам данного метода относятся низкие капитальные затраты, оперативность управления пропускной способностью трубопровода, отсутствует необходимость строительства новых перекачивающих станций и лупингов. Помимо увеличения пропускной способности магистрального трубопровода, применение ПТП также позволяет снизить энергозатраты на транспортировку нефти/нефтепродуктов, что повышает энергоэффективность работы трубопроводной системы. Применение таких присадок особенно актуально в силу удаленности нефтяных месторождений от рынка потребителей углеводородного сырья и нефтяных терминалов.

Гидравлический уклон

Профиль трассы трубопровода представляет собой изображение проекции трассы трубопровода на вертикальную поверхность, проходящую через её ось.

Высотные отметки профиля трассы относительно уровня моря необходимы при расчетах и построении линии гидравлического уклона.

В основе гидравлических расчетов участка трубопровода, по которому осуществляется перекачка нефти лежит уравнение Бернулли:

в котором p₁, p₂ – давление в сечениях х₁, х₂ трубопровода, соответственно; z₁, z₂ – высотные отметки этих сечений (профиля ЛЧ МТ) над уровнем моря, а h_1-2 – потери напора на участке [х₁, х₂] трубопровода.

Отношение p/rg называется пьезометрическим напором, а величина z геометрическим напором, а величина z – геометрическим напором в сечении х трубопровода. Обе величины измеряются в метрах.

Прямая АБ (на рисунке 7.14), представляющая зависимость полного напора Н от координаты х вдоль оси трубопровода, H(x)=z(x)+p(x)/ρg, называется линией гидравлического уклона. Абсолютное значение тангенса угла α ее наклона к горизонтали называется гидравлическим уклоном:

Гидравлический уклон – это безразмерная величина, характеризующая быстроту падения напора в рассматриваемом трубопровода. Гидравлический уклон для данного трубопровода зависит от расхода Q перекачки, при этом, чем больше Q, тем быстрее уменьшается напор, тем больше значение гидравлического уклона i.

Соответственно видим из формулы, что гидравлический уклон можно регулировать изменением диаметра трубопровода или скорости перекачки нефти.

Потери напора в трубопроводе зависят:

- от диаметра трубопровода (увеличение диаметра – снижение потери напора),

- от длины трубопровода (увеличение длины участка – увеличение потери напора),

- от физико-химических, реологических свойств нефти (увеличение вязкости – увеличение потери напора),

- от числа поворотов трубопровода (увеличение числа поворотов – увеличение потери напора),

- от шероховатости стенки трубопровода (увеличение шероховатости – увеличение потери напора),

- от профиля трассы (потери напора увеличиваются с крутизной подъема профиля трубопровода),

- от скорости движения нефти (увеличение скорости движения – увеличение потери напора),

- от производительности трубопровода (увеличение производительности – увеличение потери напора).

 

Рисунок 7.14 – Гидравлический уклон

 

Физический смысл гидравлического уклона – потеря напора на трение, отнесенное к единице длины трубопровода, а тангенс угла наклона – геометрический смысл.

Таким образом, величина I дает падение напора в метрах на 1 м пути, таким образом умножив i на 1000 получается падение напора в метрах на 1 км пути. Так, например, гидравлический уклон i = 0,003 означает падение напора 3м на 1 км пути, а = 0,00075 – падение напора 0,75м на 1 км пути.

 

Потери напора h_1-2 на участке 1-2 трубопровода состоят из двух частей:

h_1-2=h_t + h_м.

Первая из них называется потерей напора на трение, (она выражает потери напора механической энергии за счет сил внутреннего трения слоев вязкой нефти друг о друга), вторая – потерей напора на преодоление местных сопротивлений (сужений, поворотов, задвижек и т.п.).

Потери напора h_t (м) на трение рассчитывают по формуле

Называется формулой Дарси-Вейсбаха.

В этой формуле:

u – средняя скорость перекачки (u = 4Q/pd²);

d – внутренний диаметр трубопровода;

L_1-2 = х₁ – х₂ – длина участка трубопровода между рассматриваемыми сечениями х₁ и х₂;

l - коэффициент гидравлического сопротивления.

Потери напора h_м (м) на преодоление местных сопротивлений рассчитывается по формуле

В которой - коэффициенты местных сопротивлений, а суммирование осуществляется по всем сопротивлениям, имеющимся на участке 1-2.

Иногда наличие местных сопротивлений в магистральном трубопроводе учитывают огрублено, полагая, что потери напора на местные сопротивлениях составляют примерно 2% от потерь напора на трение, т.е. принимают, что h_м =0,02h_t. В этом случае полные потери напора h_1-2

На участке трубопровода между сечениями х₁ и х₂ вычисляются по формуле:

Если учесть, что коэффициент l гидравлического сопротивления зависит (через число Рейнольдса) от скорости перекачки и, значит, от пропускной способности трубопровода, то уравнение Бернулли с учетом формул, записаное в форме

является соотношением перекачки, а, следовательно, и с ее расходом Q = upd²/ 4.