Исследование кпд мн при чрэп одного из насосов технологического участка в.А. Шабанов, а.А. Ахметгареев (маэ02-11-01)

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г.Уфа)

В настоящее время основным способом регулирования режима работы магистральных нефтепроводов является подбор параметров и числа магистральных насосов (МН) [1, 2]. В случае, если подбором числа и параметров насосов невозможно установить требуемую производительность, то используется режим циклической перекачки. Как подбор числа МН, так и использование режима циклической перекачки приводят к дополнительным потерям мощности и дополнительному непроизводительному расходу электроэнергии. Обусловлено это тем, что при подборе числа насосов и в режиме циклической перекачки производительность трубопровода может отличаться от номинальной подачи насосов, при этом МН работают не в оптимальном режиме и их коэффициент полезного действия (КПД) снижается по сравнению с номинальным значением. Наиболее экономичным способом регулирования режимов работы магистрального нефтепровода является частотно-регулируемый электропривод (ЧРЭП) [3, 4, 5]. В статье исследуется КПД МН при использовании ЧРЭП на одном из МН технологического участка.

При изменении частоты вращения зависимость КПД насоса от производительности трубопровода и от скорости вращения можно описать уравнением [6]

, (1)

где η_ном - номинальный КПД; q = Q/Q_ном – относительное значение подачи насоса; ; ν = ω/ω_НОМ - относительная скорость вращения насоса; ω – частота вращения; ω_ном. - номинальная частота вращения..

При перекачке нефти по трубопроводам МН на нефтеперекачивающей станции (НПС) соединяются последовательно. При этом скорость вращения насоса ν и производительность нефтепровода Q, связаны уравнением баланса напоров. Решение уравнения баланса напоров относительно производительности можно представить в виде [6]:

(2)

где a_р и b_р – коэффициенты напорной характеристики регулируемого насоса;

; (3)

. (4)

где a_П, b_П, a_i, b_i – коэффициенты напорной характеристики подпорного и магистрального насосов; m – коэффициент режима; f – гидравлический уклон при единичном расходе; L – длина технологического участка нефтепровода; Δz – разность геодезических отметок; h_ост – остаточный напор в конце технологического участка.

Подставим полученное значение подачи насоса в выражение (1) для КПД, получим:

. (5)

Рассмотрим технологический участок нефтепровода, на головной станции которого в работе два подпорных наоса, а в режиме перекачки участвуют до восьми магистральных насосов (рисунок 1).

Рисунок 1 – Технологический участок трубопровода

В номинальном режиме включены восемь МН: по два на каждой из НПС. При восьми включенных МН производительность трубопровода соответствует номинальной подаче насосов. При этом КПД насосов равен номинальному значению. При снижении числа включенных насосов производительность трубопровода снижается, и КПД МН могут отличаться от номинальных значений. Исходные данные трубопровода: длина технологического участка L= 900 км; разность геодезических отметок Δz = –246 м; гидравлический уклон при единичной подаче f = 0,25*10^-10 1/(м³/ч)²; остаточный напор h_ост. = 40 м. Параметры магистральных и подпорных насосов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные по насосам

Марка насоса	Номинальные параметры			Коэффициенты характеристики насоса
	Подача,м3/ч	Напор, м	КПД, %
НМ 10000-210	10000	210	89	а=293,7; b=8,78·10-7, м/(м3/ч)2
НПВ 5000-120	5000	120	85	а=137,7; b=1,28·10-6, м/(м3/ч)2

Исследование 1. Рассматриваются режимы без ЧРЭП. Число работающих МН изменяется от восьми до трех. При всех режимах определяется производительность трубопровода Q по формуле

_{. (6)}

Затем определяются КПД всех МН по (1) при ν=1,0. Результаты расчетов сведены в таблицу 2 и показаны на рисунке 2. Цифрами на графике указано число включенных МН.

Таблица 2 – Результаты рассчетов

n	8	7	6	5	4	3
Q, м3/ч	10010,28	9585,99	9114,30	8584,67	7982,27	7285,02
КПД	0,890	0,888	0,883	0,872	0,854	0,824

Рисунок 2 – График зависимости КПД нерегулируемых МН от подачи

Исследование 2. Рассматриваются режимы с числом МН от трех до восьми c ЧРЭП одного из МН. Скорость вращения у регулируемого МН в относительных единицах изменяется от 0,5 до 1. При всех режимах определяется производительность трубопровода Q по (2) и КПД регулируемого МН по (5). Полученные результаты сведены в таблицы 3-8.

Таблица 3 - Включены 8 МН

v	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Q, м3/ч	9589,52	9652,36	9726,12	9810,54	9905,36	10010,28
КПД	0,843	0,847	0,858	0,871	0,884	0,890

Таблица 4 - Включены 7 МН

v	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Q, м3/ч	9132,54	9200,43	9280,02	9371,04	9473,14	9585,99
КПД	0,852	0,857	0,867	0,879	0,888	0,888

Таблица 5 - Включены 6 МН

v	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Q, м3/ч	8621,35	8695,37	8782,06	8881,05	8991,94	9114,30
КПД	0,861	0,867	0,876	0,886	0,890	0,883

Таблица 6 - Включены 5 МН

v	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Q, м3/ч	8042,62	8124,35	8219,91	8328,83	8450,59	8584,67
КПД	0,869	0,876	0,884	0,889	0,888	0,872

Таблица 7 - Включены 4 МН

v	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Q, м3/ч	7376,85	7468,68	7575,78	7697,54	7833,27	7982,27
КПД	0,877	0,883	0,889	0,889	0,880	0,854

Таблица 8 - Включены 3 МН

v	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Q, м3/ч	6593,21	6699,09	6822,12	6961,42	7116,04	7285,02
КПД	0,884	0,888	0,890	0,884	0,864	0,824

На рисунках 3 показаны графики изменения КПД регулируемого МН при восьми, пяти и трех включенных МН. Из графиков на рисунке 3 следует, что при восьми включенных МН КПД регулируемого насоса при снижении его скорости вращения снижается. При пяти и трех включенных МН КПД при снижении скорости вращения сначала растет, а затем начинает снижаться.

Рисунок 3 – Графики зависимости КПД=f(Q) при восьми (а), пяти (б)

и трех (в)включенных МН

На рисунке 4 приведены совмещенные графики зависимости КПД регулируемого МН, построенные по данным таблиц 3-8.

Рисунок 4 –Совмещенные характеристики КПД=f(Q) при разном числе МН

Из рисунка 4 видно, что при снижении числа включенных МН значение производительности трубопровода, при которой регулируемый насос имеет максимальный КПД, снижается.

Выводы.

1. При нерегулируемом приводе КПД насоса снижается по мере снижения числа включенных МН. При ЧРЭП КПД насоса по мере снижения числа включенных МН может как снижаться, так и возрастать.

2. При снижении числа включенных МН значение производительности трубопровода, при которой регулируемый насос имеет максимальный КПД, снижается.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Коршак А.А., Нечваль А.М. Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа: учеб. для вузов. Уфа.: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2001.- 571 с.

2 Гумеров А,Г., Гумеров Р.М., Акбердин А.С. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций. М.: ООО «Недра – Бизнесцентр», 2001.- 475 с.

3 Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Достоинства и перспективы использования частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на НПС. // Управление качеством в нефтегазовом комплексе, 2011. Т. 2. - С. 63-66.

4 Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Перспективы использования частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на НПС. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010.- 63 с.

5 Шабанов В.А., Кабаргина О.В., Павлова З.Х. Оценка эффективности частотного регулирования магистральных насосов по эквивалентному коэффициенту полезного действия // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2011. №6. С. 24-29. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_8.pdf

6 Шабанов В.А., Ахметгареев А.А. К вопросу о выборе оптимального режима работы магистрального насоса при частотно-регулируемом приводе // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2012. № 3. С. 7-10.

УДК 621.313

ОПТИМИЗАЦИЯ ЧИСЛА И МЕСТ УСТАНОВКИ

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

МАГИСТРАЛЬНЫХ НАСОСОВ НА ТРАССЕ НЕФТЕПРОВОДА

О.В. Бондаренко, В.А. Шабанов

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г.Уфа)

Частотное регулирование скорости вращения магистральных насосов (МН) с помощью частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП) является наиболее перспективным плавным и экономичным способом регулирование режима работы технологического участка нефтепровода. Снижение потерь мощности при ЧРЭП достигается за счет повышения КПД МН и электродвигателей. Внедрение частотно-регулируемого электропривода МН на нефтеперекачивающих станциях (НПС) требует больших капитальных вложений, связанных с высокой стоимостью высоковольтных мощных ЧРЭП. Поэтому важно определить какое число ЧРЭП минимально необходимо для обеспечения всех режимов работы технологического участка. Эту задачу нужно решать одновременно с определением мест установки ЧРЭП МН на трассе технологического участка. При этом число ЧРЭП МН технологического участка должно быть таким, чтобы обеспечивалось плавное регулирование производительности нефтепровода в заданном диапазоне, и чтобы при этом КПД МН и электродвигателей были высокими.

Задача минимизации числа ЧРЭП и мест их установки является оптимизационной и содержит нелинейные ограничения. Одним из самых простых и распространенных методов оптимизации является метод перебора возможных вариантов. Недостаток такого метода – большое число вариантов, которое быстро растет с увеличением числа МН, принимающих участие в перекачке [1]. Каждый вариант в данном случае представляет собой множество регулируемых и нерегулируемых МН технологического участка с указанием принадлежности их к конкретным НПС. Число вариантов можно сократить, если использовать упорядоченные или квазиупорядоченные [2] множества расположения МН. В качестве критерия квазиупорядочения множеств целесообразно принять допустимый диапазон регулирования частоты вращения МН [3].

Число множеств регулируемых и нерегулируемых МН технологического участка можно упорядочить по разным критериям. Во-первых, регулируемые насосы ранжировать по величине допустимого диапазона регулирования частоты вращения. При этом выбор места установки и числа ЧРЭП МН целесообразно начинать с НПС и насоса, у которых больше допустимый диапазон регулирования частоты вращения МН. Во-вторых, множества МН можно упорядочить по объему перекачанной нефти за время использования каждого из множеств (режимов). Возможны и другие критерии ранжирования исследуемых множеств МН. В статье рассматривается оптимизация при упорядочении множеств МН по величине допустимого диапазона регулирования частоты вращения. Целью оптимизации является формирование массива режимов перекачки с частотным регулированием, которые выгоднее режимов без использования ЧРЭП по одному из энергетических критериев [4].

Алгоритм оптимизация числа ЧРЭП и мест их установки при этом будет следующий (рисунок 1).

1 Исходными данными к задаче об определении мест установки и частоты вращения регулируемых электроприводов магистральных насосов проектируемого нефтепровода являются:

а) характеристики нефтепровода: высотные отметки трассы нефтепровода; длины линейных участков; диаметр нефтепровода; остаточный напор в конце технологического участка; шероховатость труб; высоты и расстояния до предыдущей станции возможных перевальных точек с указанием номера НПС; значения минимально допустимого подпора на входе каждой из НПС и максимального напора на выходе НПС;

б) характеристики перекачиваемой жидкости: вязкость; плотность;

в) производительность Q₁, Q₂ …Q_k и число насосов в режимах 1, 2, …k, в которых наиболее часто работает нефтепровод

Q=[Q₁, Q₂ …Q_k],

г) характеристики насосов: коэффициенты аппроксимированной напорной характеристики; номинальные значения КПД, подачи и частоты вращения;

д) КПД преобразователя частоты (ПЧ) и электродвигателя.

2 В блоке 4 производится расчет допустимых частот вращения ν_доп.ijj-того МН на i-той НПС при каждом из k режимов перекачки

, (1)

где i – номер НПС, i=1…N_n; j – номер насоса, j=1…N_m; ν_доп.1ij – частота вращения, при которой подпор на входе i+1 –й НПС снижается до минимально допустимого значения; ν_доп.2ij – частота вращения, при которой напор в месте расположения перевальной точки после i-й НПС снижается до минимально допустимого значения; ν_доп.3ij - частота вращения, при которой происходит открытие обратного клапана в обвязке j-го МН.

Рисунок 1 - Алгоритм оптимизация числа ЧРЭП и мест их установки

Значения ν_доп.1ij; ν_доп.2ij и ν_доп.3ij – определяются по выражениям:

(2)

(3)

(4)

где a_,b – коэффициенты напорной характеристики регулируемых насосов; N_m – число всех работающих насосов; H_доп. – минимально допустимый подпор на входе следующей НПС; H_{i. i+1}, - потери напора между i-й и i +1 –й станциями; H_нрi– напор нерегулируемых насосов на данной НПС; m_p –число регулируемых насосов; H_П – минимально допустимый напор в вместе расположения возможной перевальной точки; H_i,l– потери напора на участке от i-той НПС до места расположения возможной перевальной точки; Δz - разность геодезических отметок.

В результате расчетов по выражениям (2) – (4) для каждого из насосов каждой из НПС будет найдено 3k значений минимально допустимых частот вращения.

3 В блоке 5 производится ранжирование МН в порядке убывания допустимых частот вращения . Регулирование начинается с той НПС, у которой допустимая частота вращения больше.

4 В блоках 6-8 производится формирование квазиупорядоченных множеств путем организации циклов по значениям числа НПС и числа МН.

5 В блоке 10 формируется целевая функция и производится оптимизация режима работы для каждого из упорядоченных множеств. В качестве критерия оптимальности множества (режима работы технологического участка) принят минимум потерь мощности [5]. Управляемыми переменными являются частоты вращения регулируемых МН.

При оптимизации частот вращения ЧРЭП МН на каждом шаге должен соблюдаться баланс напоров, при этом должно соблюдаться условие:

, (5)

где А_iи В_i – коэффициенты уравнения баланса напоров для заданного режима

; (6)

. (7)

f - гидравлический уклон; L – длина технологического участка нефтепровода; a_п и b_п – коэффициенты аппроксимированной напорной характеристики подпорного насоса; h_ост.- остаточный напор.

6. В блоке 11 формируется целевая функция и в блоке 12 проверяется критерий целесообразности режима по сравнению с циклической перекачкой. В качестве целевой функции удобно принять эквивалентный КПД перекачки:

(8)

где Н_ТР - потери напора в трубопроводе; Н_р - напор, развиваемый нерегулируемым насосом; Н_р - напор, развиваемый регулируемым насосом; η_нас. – КПД насоса; η_ЭД – КПД электродвигателя; η_ПЧ – КПД преобразователя частоты [6].

Найденное значение эквивалентного КПД перекачки при частотном регулировании сравнивается с эквивалентным КПД при циклической перекачке

, (9)

где

и ,

Т₁ и Т₂ – время работы на режимах с производительностями Q1 и Q2 соответственно [6].

Если

(10)

то, режим с частотным регулированием выгоднее циклической перекачки. Множество МН с частотным регулированием запоминается в массиве режимов с частотным регулированием, которые выгоднее режимов без использования ЧРЭП.

Аналогичные расчеты в цикле выполняются для всех других множеств МН (режимов перекачки).

7 Для каждого режима с ЧРЭП запоминается число регулируемых насосов на каждой НПС и формируется матрица

, (12)

где k-номер режима; p –число режимов; m_pk1 – минимально необходимое число ЧРЭП на первой НПС1; m_pk2 –на второй НПС и т.д.

. В матрице (12) число столбцов равно числу НПС N_n, а число строк числу режимов р.

В матрице (12) указывается найденное минимальное число ЧРЭП на каждой НПС для каждого отдельно взятого режима Q.После чего нам необходимо из числа ЧРЭП на каждой НПС выбрать наибольшее (это выполняется в блоке 15). Оно и будет минимально необходимым для обеспечения всего диапазона производительностей.

Выводы

1 Для определения минимального числа ЧРЭП, необходимо предварительно сформировать массив, обеспечивающих все плановые производительности трубопровода. Каждый из режимов массива оптимизируется по одному из энергетических критериев путем выбора оптимальной частоты вращения регулируемых МН.

2 Разработан алгоритм определения минимального числа и мест установки ЧРЭП с использованием упорядочения множеств МН по величине допустимого диапазона регулирования частоты вращения. Результатом оптимизации является формирование массива режимов перекачки с частотным регулированием, которые выгоднее режимов без использования ЧРЭП по эквивалентному КПД перекачки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Васильковский В.В. Частотно-регулируемый электропривод насосных агрегатов в нефтепродуктопроводном транспорте // НТИС "Нефтепереработка и нефтехимия". - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1989, №6. - с. 36-38.

2 Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. – М.: Наука, 1986 – 544 с.

3 Шабанов В.А., Бондаренко О.В. Методика определения минимально необходимого числа и мест установки частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосов//Инновационные направления развития электропривода, электротехнологий и электрооборудования. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013.

4 Шабанов В.А., Бондаренко О.В. Целевые функции и критерии оптимизации перекачки нефти по нефтепроводам при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2012. №4. С. 10-17. URL:http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_12.pdf

5 Минниахметов Р.У., Бондаренко О.В. Определение оптимального режима работы эксплуатационного участка магистрального нефтепровода //Инновационные направления развития электропривода, электротехнологий и электрооборудования: межвуз. сб. науч. тр. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012. С.112-119.

6 Шабанов В.А., Кабаргина О.В., Павлова З.Х. Оценка эффективности частотного регулирования магистральных насосов по эквивалентному коэффициенту полезного действия // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2011. №6. С. 24-29. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_8.pdf

УДК 621.313