image

Территория Нефтегаз № 11 2016

Насосы. Компрессоры

01.11.2016 10:00 Исследование работы подпорных насосов на нефтеперекачивающих станциях
В статье анализируется работа подпорных насосов на нефтеперекачивающих станциях (НПС). Объясняется необходимость уделять особое внимание параллельной работе насосов большой мощности: в ряде случаев такие насосы работают с относительно малой подачей, что приводит к повышенной вибрации и тем самым снижает ресурсные характеристики насосов. Предлагается простая и доступная для персонала НПС методика определения подачи каждого из параллельно работающих насосов с использованием показателей, которые фиксируются на НПС. Одним из таких показателей является потребляемая мощность электродвигателей насосов. Представленная методика была проверена на НПС измерениями суммарных объемных расходов нефти и потребляемой электроэнергии каждым из параллельно работающих насосов НМП 3600-78М. Погрешность рассчитанных объемных расходов нефти и измеренных расходомерами не превышала 2 %.

Предлагается также вариант оптимизации параллельной работы насосов на НПС. Доказано, что оснащение одного из параллельно работающих насосов сменным ротором на уменьшенную подачу обеспечивает необходимые режимы перекачки различных объемов нефти и расширяет диапазоны работы насосов с минимальной вибрацией. Оба насоса работают с бльшими коэффициентами полезного действия (КПД), чем в случае двух одинаковых насосов, что способствует экономии энергопотребления.

Использование рекомендаций авторов статьи позволит избежать режимов работы насоса с повышенной вибрацией, что продлит его ресурс и позволит добиться экономии энергопотребления.
Ключевые слова: перекачка нефти, параллельная работа насосов, определение подачи насоса, отстройка от режимов работы с повышенной вибрацией, увеличение срока службы насоса, экономия энергопотребления.
Ссылка для цитирования: Коротков В.В., Панаиотти С.С., Шитохина О.Г. Исследование работы подпорных насосов на нефтеперекачивающих станциях // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 11. С. 92–96.
Открыть PDF


Параллельная работа насосов большой мощности на НПС заслуживает особого внимания. Это объясняется тем, что в ряде случаев насосы работают с относительно малой подачей, что приводит к повышенной вибрации и в итоге влияет на ресурсные характеристики насоса [1–3]. Такая ситуация характерна для потребителей, у которых подачу можно обеспечить одним насосом, но насосы работают параллельно для обеспечения полной подачи в случае внезапного отказа одного из них. К таким потребителям и относятся НПС, где насосы обеспечивают непрерывность технологического процесса.

Так, на НПС перед магистральными насосами, работающими, как правило, последовательно, на входе устанавливаются подкачивающие насосы, работающие параллельно. НПС проектируются и оснащаются насосами, которые в перспективе должны обеспечить 100 % расчетных объемов нефти. Как правило, это происходит через 2–3 года после запуска нефтепровода. До этого момента идет перекачка нефти в меньших объемах. Для того чтобы избежать неприятных последствий работы насосов в зоне малых подач и низких значений КПД, нормативные документы [2] устанавливают требования, в соответствии с которыми следует применять сменные роторы на меньшие подачи: 0,5 и 0,7 от Qном. При этом достигаются режимы работы насоса не только в зоне с минимальной вибрацией, но и в зоне высоких значений КПД, что обеспечивает минимальное энергопотребление. Однако, как показала практика, это не всегда удается реализовать, и в ряде случаев НПС вынуждены эксплуатировать насосы на границе рекомендованных значений подач.

 

Расчет подачи насоса по потребляемой мощности электродвигателя

На каждой НПС известен общий объем перекачиваемой нефти, который, как правило, делится поровну на каждый насос. Это некорректно. Однако есть показатель, который фиксируется на НПС на каждом насосе, что позволяет определить подачу, на которой работает конкретный насос, – это потребляемая мощность каждого электродвигателя.

Покажем на примере, как воспользоваться замеренными на НПС значениями потребляемой мощности электродвигателей для определения подачи каждого из насосов, работающих параллельно. Для этого используем характеристики насосов НМП 3600-78М [4].

Потребляемая насосом мощность определяется как

 

N = gQH/,                                (1)

 

где  – плотность перекачиваемой
жидкости, кг/м3; g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения; Q – подача, м3/с; H – напор, м;  – КПД насоса.

В паспорте насоса характеристика мощности приведена, как правило, при работе на воде с плотностью w = 1000 кг/м3. На нефтеперекачивающей станции насос работает на нефти с плотностью .

Поэтому потребляемая насосом мощность при работе на нефти

 

N =  Nw,                                              (2)

 

где  = /w – относительная плотность нефти; Nw – потребляемая насосом мощность при работе на воде.

На рис. 1 приведены совмещенные мощностные характеристики пяти насосов НМП 3600-78М, полученные при сдаточных испытаниях на стенде при их работе на воде.

Из графика видно, что зависимость потребляемой насосом мощности от подачи линейная. Там же показано уравнение прямой линии, аппроксимирующей эту зависимость:

 

Nw = 0,146Qw + 431,9.                      (3)

Мощность, потребляемую каждым насосом при работе на НПС, можно найти следующим образом. На НПС фиксируется потребляемая за 1 час электродвигателем каждого насоса электроэнергия Е, кВт.ч. Поскольку фиксация идет за 1 час, то мощность, потребляемая электродвигателем от сети Nэ (а она в течение часа меняется мало), будет численно равна E.

Мощность, потребляемая электродвигателем насоса при объемной подаче нефти Q на станции, равна:

 

Nэ =  (0,146Q + 431,9)/э,                    (4)

 

поэтому подача насоса:

 

Q = (Nээ/ – 431,9)/0,146.                    (5)

 

Для расчетов по этой формуле можно принять э = 0,95,  = 0,85.

Более точный пересчет характеристик насоса на нефть с некоторой вязкостью можно выполнить по методике, приведенной в [5].

Представленная методика многократно проверена по результатам измерений на НПС суммарных объемных расходов нефти и потребляемой электроэнергии каждым из параллельно работающих насосов НМП 3600-78М. По одной из НПС погрешность рассчитанных объемных расходов нефти и измеренных расходомерами не превышала 2 %.

Это позволяет рекомендовать использование предлагаемого способа для контроля подачи насоса и для выявления работы насоса в нежелательной зоне НПС, не имеющих расходомеров для каждого насоса.

 

Оптимизация параллельной работы насосов на НПС

Как уже упоминалось, по нормативным документам [2] рекомендуется применять сменные роторы, если предполагается длительная работа на режимах малых подач. Однако в некоторых случаях режимы работы насосов на НПС таковы, что применение сменных роторов не может обеспечить требуемые режимы перекачки. В этом случае представляют интерес возможные режимы параллельной работы насосов, имеющих отличающиеся характеристики. При параллельной работе насосов давление в точке слияния потоков одинаковое для обоих насосов. Поэтому подачи насосов складываются при постоянном напоре. Это будет справедливо в случае, если трубопроводы от фланца нагнетания насоса до точки слияния потоков имеют незначительные сопротивления, которые вносят незначительные коррективы в напорные характеристики.

Рассмотрим конкретный пример. На рис. 2 приведены характеристики насоса НМП 3600-78 и такого же насоса со сменным ротором на подачу 2400 м3/ч (НМП 2400-78).

Аппроксимируем напорные характеристики уравнениями, чтобы можно было оперировать суммарной характеристикой двух насосов аналитически.

Напорная характеристика насоса НМП 3600-78 выражается уравнением:

 

H = 97 – 0,0032Q – 6.10-7Q2,

 

а насоса НМП 2400-78 – уравнением:

 

H = 115 – 0,031Q – 9.10-7Q2.

Для удобства анализа параллельной работы насосов выполним сложение этих характеристик, для чего воспользуемся их представлением в виде зависимости подачи от напора (рис. 3). Построенные линии тренда для этих данных описываются следующими выражениями:

для насоса НМП 3600-78

Q = –2,3411H2 + 235,39H – 595,39;

 

для насоса НМП 2400-78

 

Q = –0,372H2 + 2,9936H – 4544,7.

На рис. 4 приведены напорные характеристики этих насосов и суммарная характеристика, полученная сложением. Сложение подач выполнялось аналитически при постоянных напорах с использованием выражений, полученных при аппроксимации характеристик, приведенных на рис. 3.

В соответствии с [1] предпочтительный по подаче диапазон работы насоса НМП 3600-78 составляет Q = 2400K 4300 м3/ч, а насоса НМП 2400-78 – Q =1680K 2880 м3/ч.

Если необходимо перекачивать суммарное количество нефти, например 4400 м3/ч, то при работе двух насосов НМП 3600-78 подача каждого из них в идеальном случае, что на практике бывает весьма редко, составит 2200 м3/ч, т. е. они работают в соответствии с [1] за пределами предпочтительного диапазона. В случае параллельной работы насосов с основным и сменным ротором, как видно из рис. 4, оба насоса будут работать в предпочтительном по подаче диапазоне: НМП 3600-78 – на подаче 2400 м3/ч, а НМП 2400-78 – на подаче 2030 м3/ч.

Таким образом, оснащение одного из подпорных насосов сменным ротором на уменьшенную подачу обеспечивает необходимые режимы перекачки различных объемов нефти и расширяет диапазоны их работы с минимальной вибрацией, а также способствует экономии энергопотребления, так как оба насоса работают с бльшими значениями КПД, чем в случае двух одинаковых насосов. Такой способ регулирования работы НПС следует рекомендовать для внесения в нормативные документы, которыми руководствуется обслуживающий персонал нефтеперекачивающих станций.

 

Выводы

1. Разработана простая и доступная для персонала НПС методика определения объемного расхода нефти, перекачиваемой каждым из параллельно работающих насосов, по его паспортной мощностной характеристике и замерам потребляемой за 1 час электродвигателем насоса электроэнергии. При использовании конкретной мощностной характеристики каждого установленного на НПС насоса погрешность определения расхода по нагрузке двигателя будет составлять менее 2 %.

2. Методика может быть рекомендована и адаптирована для любых насосов, установленных на НПС.

3. Методика может быть рекомендована не только для насосов НПС, но и для насосов, установленных в любых системах, где нет непосредственного измерения расхода перекачиваемой жидкости.

4. Оснащение одного из подпорных насосов сменным ротором на уменьшенную подачу обеспечивает необходимые режимы перекачки различных объемных расходов нефти и расширяет диапазоны работы насосов с минимальной вибрацией, а также способствует экономии энергопотребления.



← Назад к списку


im - научные статьи.