Практическая работа №2 (вариант 4)

Практическая работа №2 (вариант 4)

Подпор основного оборудования НПС магистральных нефтепроводов

НПС короткого нефтепровода оснащена одним подпорным насосом и тремя основными насосами, работающими в режиме последовательного соединения.

Требуется выбрать наиболее экономичный режим работы станции при снижении объемов перекачки на короткий период на .

Основные насосы НМ 2500-230; подпорные насосы НПВ 2500-80; плотность перекачиваемой нефти ; величина снижения объемов перекачки . Характеристика трубопровода приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Характеристика линейной части нефтепровода

Q, м³/ч
Н, м

Решение

1. Сначала произведем математическое моделирование напорной характеристики основного и подпорного насоса. Снимаем с характеристик насосов (рис. 2.1, 2.2) два значения расхода и напора нефти, которые им соответствуют. Аналитическая модель напора , развиваемого насосами от часового расхода , имеет вид

(2.1)

где ‒ коэффициенты математической модели напорной характеристики насоса, рассчитываются по двум значениям расхода и напора по формулам

(2.2)

(2.3)

Используя формулы (2.2) и (2.3) выполняем расчет коэффициентов математической модели напорной характеристики (насосы с нижним ротором):

- подпорного насоса НПВ 3600-90 с диаметром рабочего колеса

(2.4)

- основного насоса НМ 2500-230 с диаметром рабочего колеса

(2.5)

2. Строим совмещенную H-Q характеристику НПС и линейной части. При этом характеристику НПС строим виде 4-х кривых по формуле

(2.6)

где ‒ количество последовательно соединенных основных насосов, которые пребывают в работе:

- ‒ характеристика подпорного насоса;

- ‒ суммарная характеристика подпорного насоса и одного основного насоса;

- ‒ суммарная характеристика подпорного насоса и двух основных насосов;

- ‒ суммарная характеристика подпорного насоса и трех основных насосов.

Покажем контрольный пример для расхода :

Аналогично расчеты выполняем для часовых расходов нефти, которые приведены в таблице 2.1 и полученные результаты сводим в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Результаты расчетов напорной характеристики главной НПС

при различном числе работающих основных насосов

Q_ч, м³/ч
, м	101,0	97,6	92,8	86,7	79,2	75,0
, м	373,0	362,7	348,2	329,6	306,9	294,0
, м	645,0	627,7	603,6	572,5	534,6	513,0
, м	917,0	892,8	859,0	815,4	762,2	732,0

Совмещенная характеристика НПС и линейной части нефтепровода приведена на рисунке 2.3.

С помощью совмещенной характеристики находим рабочую точку системы (точка А): ; .

При уменьшении производительности на процентов, новый расход нефти в системе будет равен

(2.7)

Рис. 2.1. Графическая характеристика подпорного насоса НПВ 2500-80

(вода 20 ^оС, n = 1480 об/мин)

Рис. 2.2. Графическая характеристика основного насоса НМ 2500-230

(вода 20 ^оС, n = 3000 об/мин)

Рис. 2.3. Совмещенная характеристика НПС

и линейного участка нефтепровода

Поскольку производительность нефтепровода при работе подпорного насоса и двух основных (см. рис. 2.3), что соответствует точке больше за необходимое значение расхода , то есть

то сначала выполняем регулирование режима работы нефтепровода на заданную производительность с помощью отключения одного основного насоса на НПС, то есть в работе будет два основных и один подпорный насос.

3. Выполняем расчет режимов работы участка магистрального нефтепровода, для обеспечения заданного расхода такими методами регулирования:

- дросселирование;

- байпасирование;

- обточка рабочего колеса насоса;

- изменения частоты вращения ротора насоса.

3.1. Метод дросселирования потока нефти на выходе с НПС.

В данном случае система будет работать в таком режиме:

- НПС с параметрами в точке С

- линейная часть трубопровода с параметрами в точке В (для определения величины потребного напора используем графическую характеристику трубопровода)

Это значит, что для обеспечения нового значения расхода на узле регулирования НПС в дроссельном органе нужно достичь потерь напора величиной, который составляет

По формулам (2.4) и (2.5) находим напор, создаваемый подпорным и основным насосом при уменьшенной производительности :

С графических характеристик насосов (рис 2.1, 2.2) находим соответствующие значения КПД для производительности :

Коэффициент полезного действия НПС находим по формуле для последовательного соединения насосов

(2.8)

и для двух последовательно работающих основных насосов ( ) с подпорным, получаем для метода дросселирования

Тогда величина потребляемой мощности НПС составляет

(2.9)

где ‒ плотность нефти, кг/м³;

‒ ускорение силы тяжести, м/с²;

‒ объемный расход, с которым работает НПС, м³/с;

‒ напор, развиваемый всеми работающими на НПС насосами, м;

‒ коэффициент полезного действия электродвигателей насосов, принимаем для основных и подпорного насоса одинаковым и равным .

Для метода дросселирования потока нефти на выходе НПС мощность, потребляемая насосами, составляет

3.2. Метод байпасирования (перепуска части нефти с линии нагнетания НПС в линию всасывания).

При перепускании части расхода нефти по байпасной линии НПС будет работать с такой подачей , при которой напор, развиваемый НПС, будет равен потерям напора в трубопроводе при необходимом расходе

Используя указанные выше рассуждения и формулу (2.6), находим расход нефти на НПС при осуществлении регулирования методом перепуска:

(2.10)

При этом расход нефти в байпасной линии будет равен

(2.11)

Рассчитываем напор, создаваемый подпорным и основным насосом при производительности :

С графических характеристик насосов находим соответствующие значения КПД для производительности :

Новое значение КПД главной НПС находим по формуле (2.8)

Потребляемой мощности НПС рассчитываем по формуле (2.9)

3.3. Метод обтачивания рабочего колеса насоса.

Необходимый напор, который должен создавать основной насос после обтачивания его рабочего колеса находим по формуле

(2.12)

где , ‒ соответственно напор, развиваемый подпорным насосом и всеми насосами НПС после обтачивания рабочих колес основных насосов при работе с уменьшенной производительностью .

Величина будет такой же, как и для полученного значения подпора при методе дросселирования, то есть . Напор, создаваемый НПС, будет равен полным потерям напора (согласно уравнению баланса напоров), то есть

Тогда необходимый напор основного насоса составляет

Находим отношение диаметров рабочего колеса основных насосов после и до обтачивания по формуле

(2.13)

То есть рабочее колесо основных насосов нужно обточить до диаметра

(2.14)

или в процентном соотношении обточить на величину

(2.15)

В данном случае НПС и линейная часть трубопровода будут работать с параметрами, которые соответствуют точке В.

Принимаем, что после обтачивания рабочего колеса КПД основных насосов уменьшится на величину и будет составлять

(2.16)

КПД подпорного насоса будет таким же, как и при методе дросселирования потока нефти, то есть .

По формулам (2.8) и (2.9) рассчитываем КПД главной НПС и потребляемую мощность всеми работающими насосами при использовании метода обтачивания рабочих колес:

3.4. Метод изменения частоты вращения ротора насоса.

В данном случае также НПС и линейная часть нефтепровода будут работать с параметрами, которые соответствуют точке В.

Уменьшенное число оборотов ротора основных насосов находим по формуле

(2.17)

где ‒ номинальная частота вращения ротора основного насоса, для центробежных насосов марки НМ 2500-230 ‒

В данном случае КПД насосов остаются прежними по сравнению с методом дросселирования потока нефти. Но при расчете КПД главной НПС нужно учесть КПД тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) переменного тока , с помощью которых и производится изменение количества оборотов ротора электродвигателя основных насосов. Поэтому принимаем , и по формуле (2.8) рассчитываем КПД главной НПС

Тогда потребляемая мощность насосными агрегатами НПС составит

Графически реализация режимов работы нефтепровода с помощью рассмотренных методов регулирования показана на рисунке 2.4.

Напорные характеристика НПС при использовании метода обтачивания и изменения частоты оборотов ротора насоса (см. рис. 2.4) построены по формуле ( ):

(2.18)

где ‒ коэффициент математической модели, который равен

(2.19)

Покажем контрольный пример для расхода :

Аналогично расчеты выполняем для часовых расходов нефти, которые приведены в таблицах 2.1, 2.2 и полученные результаты сводим в таблицу 2.3.

Таблица 2.3

Результаты расчетов напорной характеристики главной НПС

при реализации методов регулирования с помощью обтачивания рабочего

колеса и уменьшения частоты оборотов ротора основных насосов

Q_ч, м³/ч
( ), м	641,1	623,9	599,7	568,7	530,7	509,1

Рис. 2.4. Совмещенная характеристика НПС (последовательно соединенные подпорный и три основные насоса) и линейного участка нефтепровода

4. По проделанным расчетам можем сделать вывод, что наиболее экономичным методом обеспечения заданного расхода , будет метод обтачивания рабочего колеса основных насосов ( ). При этом данный метод экономичнее по сравнению с дросселированием на 0,6 %, с экономией 19 кВт мощности насосов НПС, с байпасированием на 0,7 % с экономией 21 кВт, и с методом уменьшения частоты оборотов ротора на 3,4 %, с экономией 112 кВт мощности. Также отметим, что на главной НПС будут работать один подпорный и два основных насоса.

Но на практике, с учетом того, что фактический расход (при работе двух основных и одного подпорного насоса) больше от необходимого (уменьшенного по условию задачи) только на 7 м³/ч, то применять регулирование режима работы нефтепровода нецелесообразно.