Вопросы для самоконтроля
Порядок приемки в эксплуатацию сооружений, оборудования и зданий.
Классификация технической документации.
Проектная и исполнительная документация.
Нормативная документация.
Оперативная документация.
Какую техническую документацию должна иметь ЛЭС магистрального газопровода?
Где хранится и как обновляется техническая документация?
Тема 1.2 Работа перекачивающих станций на трубопровод
Студент д о л ж е н:
з н а т ь: системы перекачки нефти, их преимущества и недостатки; построение характеристик насоса и трубопровода;
у м е т ь: строить совмещенную характеристику «насос-трубопровод» при различных режимах работы, производить расчет режима работы ПС.
Системы перекачки нефти: постанционная и транзитная (прием и откачка через резервуары, работа ПС с подключенными резервуарами, работа ПС без резервуаров по схеме "из насоса в насос").
Преимущества и недостатки указанных систем, их сравнительная технико - экономическая характеристика.
Пересчет характеристики центробежного насоса (ЦБН) с воды на вязкую жидкость.
Определение рабочих режимов ЦБН на изотермический и "горячий" трубопровод и при последовательной перекачке. Изменение режима работы ЦБН:
дросселирование и напорном трубопроводе;
перепуск части жидкости по обводной линии;
уменьшение наружного диаметра рабочего колеса;
изменение частоты вращения вала;
изменение схемы соединения насосов.
Выбор наиболее экономичного способа изменения режима работы ЦБН.
Практическое занятие № 1
Расчет режима работы ПС
Практическое занятие № 2
Пересчет характеристики насоса с воды на вязкую жидкость.
Практическое занятие № 3
Выбор двигателя для ЦБН.
Литература: [2], стр. 89 – 103.
Методические указания
В зависимости от схемы присоединения насосов и резервуаров промежуточных насосных станций можно осуществить различные системы перекачки нефти и нефтепродуктов по трубопроводам.
На рис. 1, а показана система перекачки через резервуары насосных станций, или постанционная система перекачки. Нефть принимается поочередно в один из резервуаров станции, подача на следующую станцию осуществляется из другого резервуара. При такой схеме перекачки можно замерить нефть, поступающую с предыдущей станции, и в то же время вести учет откачки на следующую станцию. При такой системе перекачки значительны потери от испарения, поэтому она не может быть рекомендована для перекачки светлых нефтепродуктов и сырых нефтей.
Вторая схема (рис. 1,б) иллюстрирует систему перекачки через один резервуар насосной станции. Не трудно видеть, что эта система не может быть использована для постанционного учета перекачки. Усиленное движение нефтепродукта в резервуаре способствует более интенсивному испарению легких фракций, т.е. резко увеличиваются потери от испарения. Эта схема, так же как и постанционная, не рекомендуется для перекачки нефти и светлых нефтепродуктов.
Более совершенна система перекачки с подключенным резервуаром (рис. 1, в). Если предыдущая станция подает нефти больше, чем откачивает последующая, то уровень в резервуаре будет повышаться. При синхронной работе станций уровень нефти в подключенной емкости остается неизменным. При наличии автоматических счетчиков эту систему перекачки можно рекомендовать для магистральных трубопроводов, оборудованных поршневыми насосами.
Резервуары промежуточных станций вовсе отключаются от магистрали при системе перекачки из насоса в насос (рис.1, г). Резервуары используют только для приема нефти из трубопровода во время аварии или ремонта. Эта система предусматривает полную синхронизацию перекачки и может с успехом применяться при оборудовании станции центробежными насосами.
Рисунок 1 - Системы перекачек:
a – постанционная; b – через резервуар; в – с подключенным резервуаром;
г – из насоса в насос; 1 – резервуар; 2 – насосная станция
Центробежный насос должен эксплуатироваться при максимальном к.п.д, т.е. при режиме с определенными значениями объемной подачи Q и напора Н. На практике насосы работают и при других режимах, с иными значениями Q и Н, поэтому возникает необходимость определения зависимости напора, подводимой мощности и к. п. д. Насоса от подачи при данной частоте вращения. Эти зависимости (рис.2) называют характеристиками насоса. При построении характеристики насоса подачу Q откладывают по оси абсцисс, а напор Н, потребляемую мощность N.потр. и к. п. д. Η – на отдельных масштабных шкалах по оси ординат. Для построения характеристики Q – Н принимают полный напор, который иногда называют дифференциальным или манометрическим. Обычно, кроме названных зависимостей, на график наносят также допустимый Δhдоп и критический Δhкр кавитационные запасы как функции подачи Q. Эти характеристики дает завод – изготовитель, и они обязательно приводятся в паспорте насоса, в каталогах и прейскурантах.
Характеристики центробежных насосов имеют большое практическое значение. Они позволяют подбирать насос для работы в заданных условиях, показывают возможные режимы его работы.
Режим работы центробежного насоса всегда следует рассматривать в связи с гидравлической характеристикой трубопровода. Наиболее целесообразно определять режим работы насоса графически – путем построения на одном чертеже и в одинаковом масштабе кривой
Q – Н насоса и кривой, характеризующей гидравлический режим (гидравлическая характеристика) трубопровода. Рабочий режим определяет точка пересечения обеих кривых.
Гидравлическая характеристика трубопровода представляет собой графическое изображение зависимости полного напора h, необходимого для перекачки жидкости по трубопроводу, от расхода Q.
Полный напор складывается из геодезической высоты hГ, напора hп, необходимого для преодоления гидравлических потерь, и напора hи, определяющего избыточное давление в концевом сечении трубопровода h = hГ + hп + hи.
Потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в трубопроводе зависят от расхода, а сумма hГ + hи определяет статический напор, который не зависит от расхода и может быть положительным (рис.3, а),отрицательным (рис.3, б) или равным нулю (рис.3 в).
Значения m, А, β указаны в таблице 1.
Таблица 1 – Значения m, А, β
Режим течения |
m |
А |
β |
Ламинарный |
1 |
64 |
128/π·g |
Турбулентный в зоне Блазиуса |
0,25 |
0,3164 |
0,242/g |
Турбулентный в зоне квадратичного закона трения |
0 |
λ |
8λ/(π2·g) |
Для горизонтального трубопровода (hст = 0, hи – пренебрежительно мало) гидравлическая характеристика представляет собой кривую, вершина которой проходит через начало координат (рис.3, г, кривая 3). Рабочий режим насоса определяется пересечением кривой 3 с кривой Q – Н (точки А3). Если кроме сопротивления трубопровода насос должен преодолеть высоту подъема hГ1, то гидравлическую характеристику трубопровода можно построить путем сложения статического напора hСТ1 с напорами, характеризующимися ординатами кривой 3 (кривая 1).
Если пункт С расположен ниже насосной станции, то полный напор насоса, необходимый для перемещения жидкости по трубопроводу, уменьшается на разность отметок указанных точек, т.е. при определенных расходах жидкость может перемещаться самотеком. Гидравлическую характеристику трубопровода строят путем вычитания из ординат кривой 3 величины hСТ2 (кривая 2). В свою очередь hСТ2 = hГ2 – hи. В обоих случаях режим работы насоса определяют точки пересечения кривых 1 и 2 с кривой Q – Н (точки А1 и А2).
Причинами изменения режима работы насоса могут быть смена перекачиваемой жидкости, влияние сезонных колебаний температуры жидкости, различная технология перекачки.
Пусть жидкость перекачивается по горизонтальному трубопроводу и кривая 1 (рис.4) – гидравлическая характеристика этого трубопровода, подсчитанная по средней годовой температуре на глубине его заложения. Характеристика насоса, соответствующая этой вязкости жидкости, - кривая 2. Точка А определяет режим работы насоса на данный трубопровод (НА, Q А) при вязкости перекачиваемой жидкости, подсчитанной по средней годовой температуре на глубине заложения трубопровода. В зимний период вязкость жидкости больше, поэтому рабочая точка переместится в положение А1 (пересечение гидравлических характеристик трубопровода – кривая 1' и насоса – кривая 2'). В летний период вязкость жидкости меньше и рабочая точка переместится в положение А2 (пересечение гидравлических характеристик трубопровода – кривая 1" и насоса – кривая 2"). Очевидно, правильно подобранным для данного трубопровода следует считать такой насос, у которого максимальные значения КПД (кривая 3) лежат в диапазоне расходов от QА1 до QА2. Эта зона называется рабочей.
Рисунок 2 - Характеристика центробежного насоса
Рисунок 3 - Совмещенные характеристики трубопровода и
центробежного насоса:
1 – характеристика трубопровода с подъемом на высоту hr1(a);
2 – характеристика трубопровода с уклоном на величину hr2 (б);
3 – характеристика горизонтального трубопровода (в);
4 – характеристика центробежного насоса
Рисунок 4 - Режим работы трубопровода при изменении
температуры перекачиваемой жидкости
Указанный метод определения рабочей точки достаточно прост, если рассматривается работа только одного насоса на один трубопровод постоянного диаметра. На практике для получения большого напора или расхода применяют несколько насосов. Трубопровод может состоять из нескольких участков различного диаметра, расположенных в местах с разными геодезическими отметками, или по пути следования потока осуществляется частичный сброс на эстакаду и т.п. В этих случаях построение гидравлической характеристики трубопровода, построение гидравлической характеристики насосов, соединенных параллельно или последовательно смотри дисциплину Конструкции и расчет трубопроводов и хранилищ.
Изменение условий перекачки нефтепродуктов (последовательная перекачка жидкостей различной вязкости, изменение расхода, временный выход из строя какой либо станции и т.п.) может привести к нарушению нормального режима работы нефтепродуктопровода; к кавитации на одних станциях и к чрезмерным напорам на других. Согласованная работа насосных станции (выравнивание пропускной способности участков трубопровода) достигается регулированием режима работы насосов.
Регулировать режим работы насоса путем изменения частоты вращения вала можно, если только в качестве привода используется двигатель внутреннего сгорания, паровая или газовая турбина или если между насосам и электродвигателем установлена магнитная или гидравлическая муфта.
Рисунок 5 - График изменения режима работы насоса дросселированием в напорном трубопроводе: 1 – характеристика насоса; 2 – характеристика трубопровода |
Рисунок 6 - График изменения режима работы насоса перепуском части жидкости по отводной линии: 1, 2 – то же, что на рис. 5
|
Изменение режима работы насоса дросселированием в напорном трубопроводе (рис.5, точка А) достигается прикрытием задвижки на напорном патрубке насоса. При этом можно получить любой режим работы насоса (Б, В), вплоть до полного прекращения подачи (Q = 0, точка Г). Насос создает соответствующие напоры и подачи, определяемые точками Б, В, Г. Режим работы трубопровода в этих случаях характеризуется точками k,ℓ. Отрезки Бk, Бℓ определяют напор, потерянный в задвижке, что влечет к снижению к.п.д. установки.
Изменять режим работы насоса с помощью задвижки на приемном трубопроводе не рекомендуется, т.к. это приводит к еще большему снижению к.п.д. и, возможно, к кавитации.
Рисунок 7 - График изменения режима работы насоса уменьшением наружного диаметра рабочего колеса: 1 – 3 характеристика насоса при диаметрах рабочего колеса D2, D2′ D2′; 4 – характеристика трубопровода |
Рисунок 8 - График регулирования режима работы насоса изменением частоты вращения вала: 1 – 3 – характеристика насоса при числах оборотов вала насоса n, n1,n2; 4 – характеристика трубопровода |
Изменение режима работы насоса перепуском части жидкости по обводной линии.
При открытии задвижки на обводной линии напорный патрубок соединяется с всасывающим, что приводит к уменьшению сопротивления перед насосом, и режим его работы перемещается из точки А в точку В (рис.6). Насос подает Qв жидкости при напоре НБ. Пересечение горизонтали, проходящей через точку В, с кривой характеристики трубопровода (точка Б) определяет режим работы трубопровода (расход QБ при напоре НБ). Величина ΔQ = QВ – QБ определяет количество жидкости, постоянно циркулирующее по обводной линии, и степень неэкономичности этого метода.
Изменение режима работы насоса уменьшением наружного диаметра рабочего колеса.
Пересечение характеристик Н – Q (рис.7), с кривой характеристики трубопровода определяет новые режимы (Б, В и т. д.) с соответствующими значениями расходов и напоров.
Такой способ регулирования выгоднее рассмотренных выше, т.к. затрачивается только энергия, необходимая для получения данного режима.
Наружный диаметр рабочих колес уменьшают, обтачивая их в соответствии с универсальной характеристикой. Диаметр обточенного колеса D2* определяют по формуле
Недостаток такого изменения режима работы насоса – невозможность его выполнения без остановки насоса.
Изменение режима работы насоса сменой частоты вращения вала. Характеристики Н – Q.
При заданной частоте вращения вала п > п1 > п2 (кривые 1 – 3) получают по формулам законов гидравлического подобия. Пересечение кривых (рис.8, точки Б, В) с кривой 4 характеристики трубопровода определяет новые режимы с соответствующими значениями расходов и напоров. Такое изменение режимов насосных агрегатов или насосной станции в целом наиболее экономично, т.к. при измененном режиме насосы потребляют столько энергии, сколько необходимо для перекачки заданного количества жидкости. Практические возможности этого способа весьма ограничены.
При совместной работе нескольких насосов на данный трубопровод режим перекачки можно изменить, переключая центробежные насосы с последовательного соединения на параллельное, и наоборот. Этот способ также неэкономичен, ибо при переходе от одной схемы к другой насосы попадают в режимы с низкими значениями к.п.д.
При совместной работе нескольких насосов по последовательной или параллельной схеме соединения режим перекачки путем дросселирования или перепуска жидкости по обводной линии может быть изменен с помощью задвижки, установленной на выходе из станции или находящейся между агрегатами. Такое же регулирование режима может быть осуществлено изменением частоты вращения вала одного или всех агрегатов станции, а также путем обточки колеса одного или всех насосов станции. В каждом конкретном случае необходимо анализировать все возможные методы изменения режима перекачки и выбирать наиболее экономичный для заданных условий и оборудования.
Пересчет характеристики ЦБН с воды на вязкую жидкость смотри в методических указаниях для решения контрольной задачи.
Продукты нефтепереработки – бензины, дизельные топлива, керосины и т. д. – перекачиваются потребителям по трубопроводам. В некоторых случаях объемы отдельно взятых нефтепродуктов, транспортируемые потребителям в одном направлении, относительно малы, что приводит к необходимости сооружать трубопроводы малого диаметра для разных нефтепродуктов, а это экономически не выгодно. Поэтому сооружают один трубопровод большого диаметра в выбранном направлении и по нему последовательно перекачивают различные нефтепродукты.
При осуществлении последовательной перекачки нефтей и нефтепродуктов эксплуатационный персонал не должен допускать значительного их смешения в пути.
Применение последовательной перекачки увеличивает коэффициент использования магистральных трубопроводов, снижает себестоимость перекачки, позволяет разгрузить железнодорожный транспорт от нефтеперевозок.
По группам нефтепродукты группируют руководствуясь ГОСТ 1510 – 60.
Один из основных недостатков последовательной перекачки разносортных нефтей или нефтепродуктов по магистральному трубопроводу – образование смеси. Для уменьшения объема смеси в практике эксплуатации применяют мероприятия, которые могут быть разделены на две группы. К первой группе относятся мероприятия, связанные в основном с режимом перекачки. Ко второй группе относятся различные разделители между двумя перекачиваемыми нефтепродуктами.
В процессе последовательной перекачки периодически изменяется режим работы трубопровода при смене перекачиваемых нефтепродуктов с различной вязкостью, что может привести к кавитации насосов на одних станциях и к чрезмерным напорам на других. Для согласования работы насосных станций и обеспечения требуемого подпора у насосов, обеспечивающих устойчивость их работы, применяют различные методы регулирования режима работы насосов как при постоянной частоте их вращения, так и путем ее изменения. Регулирование при постоянной частоте вращения выполняется в основном путем дросселирования в напорном трубопроводе, а также путем перепуска жидкости по обводной линии (байпасу), уменьшением наружного диаметра рабочего колеса насоса и изменением схемы соединения насосов.
Дросселирование осуществляется путем прикрытия задвижки на напорном патрубке насоса, при этом изменение режима работы напорного трубопровода характеризуется графиком. Q - Н приведенным на рис.2. Дросселированием можно регулировать работу насоса в широких пределах, при этом соответствующие напоры и расходы определяются точками Б и В, а режим работы трубопровода точками Г и Д. Величина напора, потерянного в задвижке, соответствует отрезкам БГ и ВД.
Перепуск части жидкости создается открытием задвижки на обводной линии, соединяющей напорный патрубок со всасывающим. В этом случае уменьшается сопротивление перед насосами и соответственно изменяется режим его работы.
Уменьшение наружного диаметра колеса насоса, осуществляемое обточкой в соответствии с универсальной характеристикой насоса, также позволяет регулировать режим работы трубопровода, однако при этом необходимо заменить рабочие колеса.
Изменение схемы работы насосов заключается в переключении работающих насосов с последовательного соединения на параллельное, и наоборот.
Регулирование режима работы насосов путем изменения частоты вращения применяют в тех случаях, когда между насосами и электродвигателем установлена магнитная или гидравлическая муфта.
Наиболее экономичный и удобный в эксплуатации способ регулирования выбирают в каждом конкретном случае в зависимости от условий работы трубопровода.
В настоящее время наиболее распространенный способ трубопроводного транспорта вязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов – перекачка их с подогревом (горячая перекачка). Существует несколько вариантов перекачки высокопарафинистых и вязких нефтей с подогревом: с путевым подогревом по нефтебазовым трубопроводам, с электроподогревом (индукционный нагрев; прямой электроподогрев трубы; нагрев с помощью кабелей или нагревательных лент).
При горячей перекачке нефть или нефтепродукт нагревают в печах (теплообменниках) на головном пункте трубопровода и насосами закачивают в магистраль. Подогрев осуществляется на промежуточных подогревательных пунктах (тепловых станциях).
На рис.9 показан график изменения температуры нефти или нефтепродукта по длине трубопровода.
Из графика видно, что падение температуры на начальном участке трубопровода интенсивнее, чем на конечных участках. Объясняется это тем, что температура нефти на начальном участке более высокая и, следовательно, имеются большие тепловые потери по сравнению с тепловыми потерями на конечном участке, по которому движется нефть с более низкой температурой. Перекачка подогретых нефтей и нефтепродуктов по трубопроводам условно называется « горячей » перекачкой, а трубопроводы в этом случае называют « горячими » трубопроводами.
Рисунок 9 - График изменения температуры нефтепродукта по длине
трубопровода
Характеристика Q – Н «горячего» трубопровода (рис.10) представляет собой графическую зависимость между напором Н и подачей Q . Прямая 1 соответствует напорной характеристике трубопровода при ламинарном режиме перекачки данного нефтепродукта при постоянной температуре То, равной температуре окружающей среды. Кривая 2 – напорная характеристика изотермического трубопровода при перекачке данного нефтепродукта при постоянной начальной температуре Тн . В действительности температура нефтепродукта по длине трубопровода изменяется от Тн до Тк ≥ То. Следовательно, фактическая характеристика «горячего» трубопровода должна располагаться между линиями 1 и 2.
В области малых расходов нефтепродукт в трубопроводе быстро охлаждается до температур, близких к То , и на большей части длины трубопровода вязкость его практически остается постоянной, близкой к υо . С увеличением расхода длина подогретого участка становится все больше, что приводит к росту средней температуры и снижению потерь на трение. Следовательно, с увеличением расхода фактическая характеристика будет отклоняться вправо от прямой 1. Такой характер увеличения Н с увеличением Q (потери на трение растут) будет В области малых расходов нефтепродукт в трубопроводе быстро охлаждается до температур, близких к То , и на большей части длины трубопровода вязкость его практически остается постоянной, близкой к υо . С увеличением расхода длина подогретого участка становится все больше, что приводит к росту средней температуры и снижению потерь на трение. Следовательно, с увеличением расхода фактическая характеристика будет отклоняться вправо от прямой 1. Такой характер увеличения Н с увеличением Q (потери на трение растут) будет продолжаться до точки К. Начиная с точки К увеличение расхода будет приводить к уменьшению потерь на трение.
Рисунок 10 - Характеристика «горячего» трубопровода
Это объясняется тем, что увеличение Q ведет к повышению температуры (средней) в трубопроводе и, следовательно, к снижению вязкости нефти, влияние которой сказывается в большей степени, чем увеличение Q на значение потерь на трение. Такое положение будет сохраняться до тех пор, пока увеличение средней температуры нефти не перестанет заметно влиять на изменение вязкости.
Начиная от точки Б напорной характеристики трубопровода 3, с увеличением расхода нефти потери на трение будут увеличиваться и асимптотически приближаться к кривой 2. Необходимо отметить, что на кривой 3 отсутствует скачок перехода из турбулентного режима в ламинарный, что объясняется постепенным переходом одного режима в другой по длине трубопровода в зависимости от падения температуры и соответствующего увеличения вязкости.
Двумя вертикальными линиями, проведенными через точки К и Б, характеристика «горячего» трубопровода разбивается на три зоны: Ι,ІІ и ІІІ. Зона ІІ характеристики от точки К до точки Б является зоной неустойчивой работы неизотермического трубопровода, т.к. при незначительном понижении температуры или расхода потери напора резко возрастают и могут превысить максимальный напор насосов (точка а). В этом случае расход перекачиваемой жидкости резко падает и переходит на участок кривой ОК, что эквивалентно практическому «замораживанию» трубопровода. По этой причине зона / характеристики также является нерабочей из-за малых подач и больших затрат энергии на перекачку. Рабочей является только зона ІІІ характеристики.
На этот же график наносят суммарные характеристики всех насосных станций трубопровода. Если суммарная характеристика насосных станций проходит выше точки К (кривая 5), то перекачка нефти по трубопроводу будет осуществляться при любых расходах (от 0 до Qм). Если суммарная характеристика насосных станций пересекается с характеристикой трубопровода (точки а, б, п), что наиболее характерно, то рабочей является зона ІІІ. Если позволяет прочность трубы и оборудования (которая обеспечивается во всех случаях эксплуатации трубопровода), то на насосных станциях устанавливают дополнительные насосы для преодоления сопротивлений в диапазоне малых расходов и пусковой период.
Пересечение суммарной характеристики насосных станций и трубопровода (точки п или М) дает рабочую точку, определяющую параметры системы (Qм, Нм или Qп, Нп). Оптимальные параметры насосов (подбор насосов) «для горячих» магистральных трубопроводов должны соответствовать зоне ІІІ характеристики. При эксплуатации «горячих» трубопроводов имеет место, как правило, турбулентный режим перекачки, т. к. при ламинарном режиме очень малы расходы.