Нефтеперекачивающих станций (НПС)

 

Оборудование нефтеперекачивающих станций условно разделяется на основное и вспомогательное. К основному оборудованию относятся насосы и их привод, а к вспомогательному - оборудование, необходимое для нормальной эксплуатации основного: системы энергоснабжения, смазки, отопления, вентиляции и т. д.

Насосом называется гидравлическая машина, в которой подводимая извне энергия (тепловая, электрическая, механическая) преобразуется в энергию потока жидкости.

Насосным агрегатом называют насос, двигатель и устройство для передачи мощности от двигателя к насосу, собранные в единый узел.

В основу классификации по принципу действия положены различия между насосами в механизме передачи подводимой извне энергии потоку жидкости, протекающей через них. По принципу действия насосы можно условно разделить на две группы: динамические и объемные.

В динамических насосах жидкость приобретает энергию в результате силового воздействия на нее рабочего органа в рабочей камере. К этой группе относят следующие насосы:

- лопастные (центробежные, диагональные и осевые), в которых постоянное силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывают обтекаемые ею лопасти вращающегося рабочего колеса (см., например, рис.3.1);

- вихревые, в которых постоянное силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывают вихри, срывающиеся с канавок вращающегося рабочего колеса (см. рис.3.2);

- струйные, в которых постоянное силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывает подводимая извне струя жидкости, пара или газа, обладающая высокой кинетической энергией (см. рис.3.3);

Рис. 3.1. Устройство центробежного насоса

 

Рис. 3.2. Конструктивные схемы вихревых насосов

Рис. 3.3. Струйный насос

 

- вибрационные, в которых силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывает клапан-поршень, совершающий высокочастотное возвратно-поступательное движение.

В объемных насосах жидкость приобретает энергию в результате воздействия на нее рабочего органа, периодически изменяющего объем рабочей камеры. К этой группе относят:

- поршневые и плунжерные, в которых периодическое силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывают поршень или плунжер (длина его цилиндрической части много больше его диаметра), совершающие возвратно- поступательное движение в рабочей камере (см. рис. 3.4);

- роторные, в которых периодическое силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывают поверхности шестерен или винтовых канавок, расположенных на периферии вращающегося ротора (см. рис.3.5).

Благодаря высокой экономичности, надежности, удобству в эксплуатации, малым габаритным размерам лопастные насосы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, том числе и в нефтяной. Классифицируют их по различным признакам: характеру движения жидкости в проточной части насоса, конструкции, назначению и т.д.

Рис. 3.4. Схема поршневого насоса

 

Рис. 3.5. Шестеренный насос с внешним зацеплением

 

Лопастные насосы подразделяют:

- по форме рабочего колеса - на центробежные, диагональные и осевые;

- по расположению вала насоса - на горизонтальные и наклонные;

- по числу рабочих колес - на одноступенчатые и многоступенчатые;

- по напору - на низконапорные (Н < 20 м), средненапорные (Н = 20-60 м) и высоконапорные (Н > 60 м);

- по роду перекачиваемой жидкости и назначению.

В нефтяной промышленности, в том числе и в транспорте нефти и нефтепродуктов, наиболее широкое распространение получили насосы центробежные, одноступенчатые с двусторонним входом жидкости к рабочему колесу.

Насосы магистральных нефтепроводов должны отвечать следующим требованиям:

- большие подачи при сравнительно высоких напорах;

- долговременность и надежность непрерывной работы;

- простота конструкции и технологического обслуживания;

- компактность;

- экономичность.

Такими качествами обладают центробежные насосы. Другие типы насосов для перекачки нефти по магистральным трубопроводам в настоящее время не применяются.

Общие технические условия на насосы для трубопроводов регламентируются ГОСТ 12124 - 80. Насосы центробежные нефтяные для магистральных трубопроводов. В нем определены параметры, размеры и технические требования к основным и подпорным насосам.

К основным насосам относят 13 типов насосов, а с учетом сменных роторов - 27 (см. таблицу 3.1).

Таблица 3.1. Характеристика магистральных нефтяных центробежных насосов

Показатель	НМ-125-550	НМ-180-500	НМ-250-475	НМ-360-460	НМ-500-300	НМ-710-280	НМ-1250-260	НМ-1800-240	НМ-2500-230	НМ-3600-230	НМ-5000-210	НМ-7000-210	НМ-10000-210
Подача, м^3/ч	125	180	250	360	500	710	1250	1800	2500	3600	5000	7000	10000
Напор, м	550	500	475	460	300	710	260	240	230	230	210	210	210
Допустимый кавитационный запас, не менее, м	4	5	6	8	12	14	20	25	32	40	42	52	65
КПД, не менее, %	68	70	72	76	78	80	80	83	86	87	88	89	89
Масса, не более, кг, насоса                              агрегата	950 - -	1950 - -	300 - -	3300   8272	3100  7510- -	3200 - -	3000- 10342 -	4300 - -	5350- 13024 -	5750- 15620 -	7050 - 17906 -	7300 -22320 -	11400 -29400 -
Диаметр рабочего колеса, м	-	-	-	0,3	0,3	-	0,43	-	0,43	0,45	0,45	0,475	0,495
Мощность насоса, кВт	-	-	-	483	435	-	960	-	1570	2230	2800	3870	5540
Мощность  двигателя, кВт	320		-	630	500	-	1250	-	2000	2500	3200	5000	6300

 

Насосы в таблице размещены в порядке возрастания подачи от 125 до 10000 м³/ч. Наибольшую подачу обеспечивает насос НМ 10000-210 (нефтяной магистральный), расшифровка обозначения которого читается так: «Насос магистральный с подачей 10000 м³/ч и напором 210 м».

Насосы с подачей до 1250 м³/ч являются секционными (многоступенчатыми) с рабочими колесами одностороннего входа. Насосы с подачей 1250 м³/ч включительно и выше – одноступенчатые спирального типа с двухсторонним подводом жидкости к рабочему колесу.

Насосы секционного типа имеют низкое значение допустимого кавитационного запаса, что иногда позволяет исключить применение подпорных насосов (когда достаточный подпор создается за счет уровня заполнения резервуаров, из которых ведется откачка).

Для магистральных насосов с подачей 2500 м³/ч и более разработаны сменные роторы с производительностью 0,5; 0,7 и 1,25 от номинальной Q_н.

Насос НМ 1250-260 имеет сменные роторы на подачу 0,7 и 1,25 Q_н. Все насосы нормального ряда НМ выпускаются в горизонтальном исполнении и имеют единую частоту вращения 3000 об/мин. При их разборке, ремонте и обслуживании не требуется отсоединения входного и выходного патрубков от корпуса насоса.

Схематично конструкция основного центробежного насоса для магистральных нефтепроводов представлена на рис. 3.6.

Основным элементом насоса является рабочее колесо 5, насаженное на шпонке на вал 2. Вал с рабочим колесом размещен в корпусе 3, где осуществляется подвод 7 и отвод 6 перекачиваемой жидкости. Для разделения области всасывания и области нагнетания используют щелевые уплотнения 4. Для предотвращения утечек в месте выхода вала из корпуса насоса применяют торцевые уплотнения 9. Основным подшипником является подшипник скольжения 10.

Рис. 3.6. Схема основного магистрального насоса

 

Разгрузку ротора от осевых усилий обеспечивает рабочее колесо с двусторонним входом. Остаточные осевые нагрузки воспринимаются радиально-упорным подшипником 1. Разгрузка торцевых уплотнений осуществляется с помощью труб 8, соединенных с камерами уплотнений, отделенными от входной полости насоса разделительными втулками 13. При помощи труб 12 осуществляют отвод утечек из камер сбора утечек. Насос соединяют с двигателем при помощи зубчатой муфты 11. Приемный и напорный патрубки расположены в нижней части корпуса и направлены горизонтально в противоположные стороны. Конструкция насосов обеспечивает надежную работу при их последовательном соединении. Система смазки насосов централизованная с принудительной подачей масла. Системы сбора утечек и разгрузки торцевых уплотнений герметизированы, закрытого типа.

Как правило, магистральные насосные агрегаты соединяют последовательно по схеме - 2-3 рабочих насоса плюс один резервный. Выбор схемы соединения подпорных насосов зависит от их номинальной подачи. Если она соответствует подаче магистральных насосов, то устанавливают один рабочий подпорный насос и один резервный. Если же подача магистральных насосов не обеспечивается подачей одного подпорного насоса, то применяют параллельное соединение двух рабочих подпорных насосов плюс один резервный. В этом случае номинальная подача подпорных насосов должна быть примерно в два раза меньше, чем магистральных. Суммарная подача работающих подпорных насосов должна соответствовать подаче магистрального насоса.

Для нормальных условий эксплуатации магистральных центробежных насосов абсолютное давление нефтеперекачиваемой жидкости на входе должно превышать давление ее насыщенных паров. При нарушении этого условия начинается кавитация - явление образования в жидкости пузырьков пара или газа, что приводит к резкому ухудшению параметров работы насоса или даже полному срыву его работы. Кроме того, попадая впоследствии в зону более высоких давлений, пузырьки схлопываются, что приводит к интенсивной эрозии лопаток рабочего колеса. Поэтому для надежной и безотказной работы магистральных центробежных насосов требуется обеспечение необходимого подпора, который обычно создается вспомогательными подпорными насосами (на ГНПС), либо за счет напора, передаваемого от предыдущих НПС. Подпорные насосы должны иметь хорошую всасывающую способность, которая достигается благодаря сравнительно низкой частоте вращения вала и применению специальных предвключенных колес. Устанавливают подпорные насосы как можно ближе к резервуарному парку. Чтобы обеспечить заполнение насосов нефтью и уменьшить потери напора во всасывающей линии, подпорные насосы часто заглубляют.

В качестве подпорных насосов нормального ряда применяют насосы серии НМП(нефтяной магистральный подпорный) и серии НПВ(нефтяной подпорный вертикальный). Для вновь проектируемых магистральных нефтепроводов предпочтительней использовать вертикальные подпорные насосы.

Наибольшее распространение имеют насосы НМП - центробежные, горизонтальные, спиральные, одноступенчатые. Основные элементы насоса - корпус, ротор, торцевые уплотнения и подшипниковые опоры. Как и у основных насосов, приемный и напорный патрубки расположены в нижней части корпуса, имеющего горизонтальный разъем.

Также широко применяют на магистральных нефтепроводах вертикальные подпорные насосы ряда НПВ. Насосы данного ряда - центробежные вертикальные предназначены для установки на открытых площадках и могут работать при температурах от - 50 °С до +45 °С. Технические характеристики подпорных насосов всех типов приведены в таблице 3.2.

 

Таблица 3.2. Характеристики подпорных насосов

Показатель	14НДсН	НМП 2500-74	НМП 3600-78	НМП 5000-115	НПВ 1250-60	НПВ 2500-80	НПВ 3600-90	НПВ 5000-120
Подача, м^3/ч	1260	2500	3600	5000	1250	2500	3600	5000
Напор, м	37	74	78	115	60	80	90	120
КПД, %	87	72	83	85	78	83	84	85
Частота вращения вала, об/мин	960	1000	1000	1000	1500	1500	1500	1500
Наружный диметр, м	0,540	0,690	0,725	0,840	0,430	0,52	-	-
Допустимый кавита-ционный запас, м	5	3	3	3,5	2,2	3,2	4,8	5,0
Масса, кг	-	7775	7775	9321	11940	11870	1700	16700

 

На рис. 3.7 представлена конструкция насосного агрегата с насосом ряда НПВ.

Основное насосно-силовое оборудование перекачивающих станций имеет принудительную систему смазки. Технические характеристики насосов, применяемых в системах смазки и уплотнения насосных агрегатов, приведены в таблице 3.3.

Насосы серии Ш (РЗ) - горизонтальные, самовсасывающие, снабжены предохранительно-перепускным клапаном, поставляются комплектно с электродвигателями на чугунной плите или сварной раме.

Охлаждение уплотнений и подшипников основных насосов, подшипников промежуточного вала, маслоохладителя, подшипников и воздухоохладителя электродвигателя осуществляется холодной водой, подаваемой из градирни водяными насосами. Для системы охлаждения используют преимущественно консольные одноступенчатые насосы, а также вихревые самовсасывающие насосы типов ЦВС, ВСМ.

Для поддержания нормальной температуры масла в процессе эксплуатации (35-55 °С) применяют аппараты воздушного охлаждения масла. Воздух для охлаждения масла подается нагнетателем двустороннего всасывания Ц4-70, который смонтирован в одном корпусе с электродвигателем А02-32-4.

При перекачке нефти и нефтепродуктов по магистральным трубопроводам могут иметь место утечки через концевые уплотнения вала насоса и линии разгрузки концевых уплотнений, которые поступают на прием подпорных насосов или в резервуары утечек. Периодически из резервуара утечек нефть или нефтепродукт закачивают насосами во всасывающую линию магистрального трубопровода. Для откачки утечек нефти и нефтепродуктов используют центробежные насосы 4НК-5х1 и 6НК-9х1, многоступенчатые центробежные насосы ЦНСН-60-330 и другие высоконапорные насосы.

1 и 3 - предвключенные колеса; 2 - рабочее колесо; 4 и 18 - подшипники скольжения; 5 и 12 - напорные секции; 6 - втулочно-пальцевая муфта; 7 - сдвоенные радиально-упорные шарикоподшипники; 9 - напорная крышка; 10 - кольцевые уплотнения ротора; 11 - стакан; 13 - вал; 14 и 17 - подводы; 15 - переводной канал; 16 - спиральный корпус

Рис. 3.7. Конструкция насосного агрегата с насосом ряда НПВ

 

Таблица 3.3. Технические характеристики насосов, применяемых в системах смазки и уплотнения

Марка насоса	Подача, м^3/ч	Давление нагнетания, МПа (кгс/см^2)	Число оборотов в минуту	Вакууметрическая высота всасывания, м	КПД насоса, %	Мощность, кВт
РЗ-За	1,1	1,45(14,5)	1450	5	45	1,1
РЗ-4,5	3,3	0,33 (3,3)	1450	3	38	1,1
РЗ-7,5	5,0	0,33 (3,3)	1450	5	42	1,1
РЗ-ЗО	18	0,36 (3,6)	1000	6,5	62	4,0
РЗ-60	38	0,28 (2,8)	990	5	—	10,5
Ш 2-25	1,4	1,6(16)	970	5	48	1,3
Ш 5-25	3,6	0,4 (4)	970	5	—	1,1
Ш 8-25	5,8	0,25 (2,5)	950	5	40	1,1
Ш 20-25 9/6	9	0,6 (6)	950	5	43	4
Ш 40-6 18/6	18	0,6 (6)	970	5	40	7,5
Ш80-6 36/6	36	0,6 (6)	1000	5	40	10-17
Ш 120-16 58/6	58	0,6 (6)	1000	5	40	12,5-22

 

Кроме того, в систему сглаживания волн давления на НПС, помимо прочего оборудования, также входит насосная установка с насосом электрического типа.

В качестве привода для магистральных и подпорных насосов широкое распространение получили асинхронные и синхронные электродвигатели.

В зависимости от исполнения электродвигателей они устанавливаются либо в одном зале с насосами, либо в помещении, отделенном от насосного зала противопожарной стеной.

 

Практическое занятие № 4.

4.1. Конструкция и компоновка насосного цеха

 

Одно из основных требований при компоновке насосного цеха - это обеспечение нормальной работы основного и вспомогательного оборудования при наименьших размерах цеха. Кроме того, должно быть обеспечено выполнение ремонтных работ без остановки перекачки.

Основные помещения насосного цеха: насосный зал и зал электродвигателей. Их оборудуют грузоподъемными механизмами - мостовыми кранами. Грузоподъемность кранов определяется максимальным весом установленного оборудования.

На рисунках 4.1 и 4.2 приведена компоновка насосного цеха. На общем фундаменте смонтированы насосы и электродвигатели. Для уменьшения габаритов насосного цеха и обеспечения безопасной работы часть оборудования размещают за пределами насосного цеха (задвижки, обратные клапаны, коллекторы).

1 - насос с электродвигателем; 2 - задвижка с электроприводом;

3 – клапан обратный; 4 - кран мостовой ручной двухбалочный;

5 - кран ручной мостовой однобалочный; 6 - всасывающий трубопровод

Рисунок 4.1. Насосный цех, оборудованный насосными агрегатами НМ 3600-230

 

Рисунок 4.2. План насосного цеха, оборудованного насосными агрегатами НМ-3600-230

Несущую основу стен составляют железобетонные колонны высотой 8 - 12 м. Они же являются вертикальной основой каркаса всего здания. Продольный шаг колонн составляет 6 м, поперечный - кратный 3 м. Стены выполнены из панелей, а огнестойкая перегородка - из кирпича. При проектировании каналов для обвязочных и вспомогательных трубопроводов применяют канальную и бесканальную системы укладки трубопроводов. Канальную систему применяют для трубопроводов диаметром до 0,5 м, бесканальную - для трубопроводов больших диаметров.

Помещение насосного цеха разделяют воздухонепроницаемой огнестойкой (брандмауэрной) перегородкой на два отдельных зала с отдельными входами и выходами. В первом зале устанавливают основные насосы типа НМ, блок откачки утечек, мостовой кран ручной во взрывоопасном исполнении, грузоподъемностью 10 т. Во втором зале с нормальной средой для привода насосов устанавливают синхронные электродвигатели нормального исполнения типа СТД, со встроенными водяными воздухоохладителями и замкнутым циклом вентиляции воздуха, блок централизованной маслосистемы с аккумулирующим баком и мостовой ручной кран в нормальном исполнении грузоподъемностью 25 т.

Насосные агрегаты связывают трубопроводами-отводами изогнутой формы, которые соединяют их приемные и напорные патрубки через общий коллектор наружной установки. Трубопроводы укладывают в грунте и присоединяют к насосам сваркой. В общем укрытии прокладывают трубопроводные коммуникации вспомогательных систем, а также сооружают площадки для обслуживания оборудования с соответствующими ограждениями и лестницами. При проходе трубопроводов через разделительную стенку используют специальные герметизирующие сальники.

Магистральные насосные агрегаты и электродвигатели соединяют между собой без промежуточного вала и устанавливают на общих фундаментах с металлическими опорными рамами. Соединение осуществляют через специальное отверстие в герметизирующей камере фрамуги разделительной стенки. К этому отверстию в камере, в соответствии с требованиями техники безопасности, по специальной системе вентиляции подают чистый воздух для создания упругой пневмозащиты между залами насосов и электродвигателей, препятствующей проникновению нефтяных паров из насосного зала в электрозал.

Давление воздуха в камере перед отверстием должно составлять 25 - 30 мм водного столба, расход воздуха на одну камеру - 20 м³/ч.

Указанные параметры в системе вентиляции беспромвальных соединений всех насосных агрегатов необходимо поддерживать постоянно, независимо от того, ведется перекачка данным насосом или он находится в резерве. Если в качестве привода насосов используют взрывозащищенные электродвигатели, то насосные агрегаты устанавливают в общем зале. Электропривод выбирают по результатам технико-экономического обоснования.

Центровка насосных агрегатов при их монтаже осуществляется обычным путем, подцентровка в процессе эксплуатации - перемещением электродвигателей при помощи специальных приспособлений и грузоподъемных устройств.

Блок откачки утечек, блок очистки и охлаждения масла размещают на специальных металлических рамах на соответствующих отметках. Такое размещение связано, прежде всего, с необходимостью технологических процессов (самотечный слив масел от подшипников двигателей и насосов до баков маслосистемы, самотечный сбор утечек).

Трубопроводные коммуникации прокладывают в грунте на опорах. Для обеспечения обслуживания трубопроводных коммуникаций вспомогательных систем во время эксплуатации в местах прокладки трубопроводов предусмотрены съемные плиты покрытия. Все трубопроводные коммуникации должны быть гидравлически испытаны на давление 1,25 р_раб. Компоновку оборудования, соотношение отметок и трубопроводную обвязку в основном укрытии и вне его принимают исходя из обеспечения следующих требований, определяемых расчетными параметрами используемых насосов:

1) самотечный отвод утечек от торцевых уплотнений из картера основных насосов в сборник утечек по закрытой (герметичной) схеме;

2) подача под напором погружными насосами нефти из сборников утечек и нефтесодержащих стоков в сборник нефти ударной волны и разгрузки;

3) откачка нефти насосами блока откачки утечек из сборника нефти ударной волны и разгрузки во всасывающий трубопровод магистральных насосов;

4) подача заданного количества масла к подшипникам насосов и электродвигателей и самотечное отведение его от подшипников в баки централизованной маслосистемы;

5) подача воды для охлаждения циркулирующего внутри электродвигателей воздуха;

6) подача воды для охлаждения масла централизованной маслосистемы в маслоохладителях;

7) создание упругой пневмозавесы в отверстии герметизирующей фрамуги при беспромвальном соединении насосов и электродвигателей.