8.4. Основные методы снижения волн давления на входе отключаемых станции

При получения зависимостей (8.44) и (8.48) использовались различные упрощения реальных процессов и явления, которые в настоящее время еще недостаточно изучены. Это обстоятельство вызывает необходимость проверки окончательных выражений.

Проверка (8.44) и (8.46) выполнялась на основе экспериментальных данных, полученных на действующей ПНПС, оборудованной тремя рабочими насосами типа НМ 10000-210 с приводом от электродвигателей СТД-8000. Станция располагалась на магистральном трубопроводе диаметром 1220 мм, по которому транспортировалась нефть плотностью 844 кг/м³.

При эксперименте определялось изменение давления Р на входе НС в различных режимах ее работы и при различных вариантах остановки агрегатов станции. Исследовалось три варианта остановки ПНПС:

I вариант - отключение одного насоса при одном первоначально работающем (Q_НС = 7575 м³/ч);

II вариант - отключение одного агрегата из двух работающих (Q_НС = 9149 м³/ч);

III вариант - отключение двух насосов из двух первоначально работающих (Q_НС = 9149 м³/ч).

Экспериментальные данные и результаты расчетов по формуле (8.46) приведены на рис.8.5. Сравнение теоретических и фактических данных показывает, что формула (8.46) обеспечивает расчетам достаточную для практики точность. Это дает основание считать(8.46) правильно отражающей реальные процессы, а используемые при ее выводе допущения и представления о природе рассматриваемого явления справедливыми.

Проведем анализ зависимостей (8.44) к (8.46) для выявления основных факторов, определяющих образование волн давления на входе станций при их отключении, и для разработки мероприятий по снижению волн давления.

Все входящие в (8.44) и (8.46) параметры в той или иной мере влияют на Р и интенсивность ее изменения во времени d(P)/dt. Наиболее существенную роль здесь играет, если следовать (8.21), (8,44) и (8.46), - D_z , J_Д, а_ЭС , Н_НС, схема соединения насосов на НС и характеристики трубопроводной системы.

Параметры Q_НС и Н_НС, относятся к объективно данным величинам, не подлежащим произвольному изменение в условиях эксплуатации станций.

Рис. 8.5. Сравнение расчётных данных с экспериментальными:

- экспериментальные значения

-------- - расчётные значения

По этой причине они не является реальным средством влияния на формирование волн давления и их из дальнейшего рассмотрения можно исключить.

Среди оставшихся параметров наиболее заметное место занимает J_Д. С увеличением J_Д уменьшается основная характеристика гидроудара d(P)/dt, отражающая его интенсивность. Поэтому увеличение момента инерции электродвигателей насосов относится к одному из возможных средств снижения силы гидроудара при остановке агрегатов и станций.

Однако практическое применение этот метод не навел ввиду сложности его реализации, требующей создания электродвигателей сложной конструкции и высокой стоимости.

Диаметр рабочего колеса насоса D₂ оказывает на параметры гидроудара не меньшее влияние, чем J_Д хотя и не так однозначно. Если следовать (8.21), (8.44), (8.46), то с увеличением D₂ интенсивность гидроудара в общем случае возрастает. Поэтому для уменьшения динамического воздействия ударной волны на оборудование и трубопроводы необходимо по возможности использовать насосы с как можно меньшим диаметром рабочего колеса. Этот вывод сравнительно легко реализуем в производственных условиях при наличии на НС комплекта сменных роторов насоса.

К числу чисто технических факторов, определяющих Р и d(P)/dt, помимо J_Д и D₂ относится коэффициент модности дискового трения К_o. Значимость данного коэффициента по сравнению с прочими рассмотренными параметрами не столь существенна. Это прослеживается из зависимости (8.21). Однако, несмотря на отмеченное, К_o вносит заметный вклад в характер формирования волн давления - интенсивность волн в первом приближении прямо пропорциональна К_о, что говорит о необходимости снижения К_о для создания более благоприятных условий работы оборудованию и трубопроводам.

Уменьшение численного значения К_о может быть достигнуто снижением шероховатости внешней поверхности дисков рабочих колес путем тщательной механической обработки поверхностей либо за счет покрытия их лакокрасочными материалами. Исследования [8] показывают, что обработка дисков колес до класса чистоты  7 и нанесение на диски эпоксидно-бакелитового лака уменьшают К_о на 21-24%.

Соответствующая обработка дисков позволяет получить вполне реальный эффект, о чем говорят результаты исследований [22], согласно которых остановка двух насосов НС с обработанными дисками колес не несет в себе опасности разрыва оборудования и трубопроводов, тогда как остановка этих же насосов без обработанных дисков требует обязательной защиты средств перекачки от гидроудара.

Снижение шероховатости дисков удобнее проводить с помощью. лакокрасочных покрытий, которые сравнительно легко наносятся на внешние поверхности рабочих колес в обычных производственных условиях. Недостатком таких покрытий является относительно быстрое разрушение их в процессе эксплуатации насосов и потребность в периодическом восстановлении покрытий.

Особый интерес представляет анализ влияния на интенсивность волн давления схемы соединения насосов на станциях. Здесь следует отметить, что схемы соединения насосов находятся, как правило, в неразрывной связи с характеристиками трубопроводной системы. Причина такой связи раскрыта в разделе 7.

По отмеченным обстоятельствам рассмотрим три возможных варианта работы станции:

- последовательная работа трех насосов на один нефтепровод;

- параллельная работа двух насосов на два параллельных нефтепровода;

- параллельно-последовательная работа четырех насосов НС, включая резервный, на два параллельных нефтепровода.

Рассмотрение этих вариантов проведем с помощью зависимости (8.46) и выполненных на ее основе расчетов, результаты которых приведены на рис.8.6 [25].

Из рисунка видно, что наибольшую опасность с точки зрения гидроудара представляет остановка НПО при ее работе по третьему варианту. В этом случае наблюдается наибольшая интенсивность нарастания давления на входе отключаемой станции. Меньшую опасность представляет работа станции двумя параллельно соединенными насосами на два нефтепровода.

Таким образом, для снижения опасности нарушения герметичности технологического оборудования и трубопроводов при аварийном режиме работы НПС необходимо по возможности прибегать к перекачке двумя параллельно соединенными насосами, а не четырьмя. Практическая реализация данных мер предосторожности легко осуществима без какого-либо дополнительного переоснащения станций. Единственным ограничением в этом случае является допустимость снижения производительности НПС, так как переход от третьего варианта ко второму связан с уменьшением производительности станций.

В только что приведенном анализе учитывались не все технические характеристики трубопроводной системы. Вне рассмотрения остались такие параметры данной системы, как: диаметр труб, толщина стенок труб, количество ниток магистралей.

Дополнительный анализ влияния этих параметров на формирование волн давления, проведенный так же, как и в предыдущем случае на основе (8.46) и расчетов, выполненных для возможных сочетаний перечисленных параметров, показывает следующее (см. рис.8.7)

- с увеличением числа ниток нефтепровода с одной до двух степень превышения давления на входе отключаемой НПС уменьшается;

- в нефтепроводе, состоящем из двух одинаковых ниток, скачок давления на входе отключаемой НПС примерно на 30% ниже, чем у однониточного нефтепровода;

- с увеличением в двухниточном нефтепроводе различия ниток по диаметру скачок давления на входе отключаемой НПС уменьшается, но менее существенно, чем при увеличении числа ниток с одной до двух.

По результатам данного анализа можно - сделать следующие практические выводы.

Во-первых, если при проектировании новых нефтепроводов, а также расширении или реконструкции действующих магистралей равнозначными оказываются однониточный и двухниточный варианты

Рис. 8.6.Изменение давления на входе НПС при отключении:

1 – трёх последовательно соединённых насосов;

2 – двух параллельно соединённых насосов;

3 – четырёх параллельно-последовательных насосов

или вариант с лупингами достаточной протяженности (несколько десятков километров на каждом перегоне между НПС), то предпочтение следует отдавать двухниточному варианту или варианту с лупингом. В этом случае нефтепровод может нормально эксплуатироваться либо при существенно меньших масштабах защиты его от гидроудара, либо без такой защиты.

Во-вторых, при двухниточном варианте нефтепровода или варианте с лупингами с точки зрения защиты нефтепровода от гидроудара достаточно использовать нитки одинакового диаметра или лупинги с диаметрами, равными диаметру основной магистрали. При таком подходе будут в достаточной мере использованы преимущества двухниточного варианта по снижение силы гидравлического удара и, одновременно, не будут создаваться условия для засорения нефтепровода, что наблюдается при параллельной работе трубопроводов различного диаметра.

Рис. 8.7. Изменение давления на входе отключаемой НПС в зависимости от характеристики линейной части нефтепровода:

1 – максимальная толщина стенки труб по сортаменту;

2 – минимальная толщина стенки труб по сортаменту

В-третьих, если в процессе эксплуатации НПС часто приходится менять режим его работы, поочередно ведя перекачку либо по одной нитке, либо - по двум, то для обеспечения достаточного уровня защиты трубопроводов и оборудования от гидравлического удара настройку системы сглаживания волн давления (см. раздел 8.5) необходимо проводить на худший режим работы НПС, то есть когда станция работает на одну нитку.

Общий итог анализа возможных способов снижения волн давления на входе останавливающихся НПС показывает, что ни один из рассмотренных методов не дает достаточно полной защиты оборудования и трубопроводов от гидроудара, а лишь ослабляет негативное воздействие ударной волны. По этой причине разработано специальное средство гашения ударной волны в виде системы сглаживания волн давления.