Тема лекции 3. Основные понятия. Насосы

Оборудование НПС делится на основное и вспомогательное. К основным относится насосы и их приводы, а к вспомогательным - системы водоснабжений, маслоснабжении, электроснабжений, теплоснабжений, канализаций и вентиляций.

Для перекачки нефти и нефтепродуктов используются поршневые и центробежные насосы. К магистральным насосом предъявляются следующие требования: сравнительно высокие напори, большие подачи, экономичность работы, договременность и надежность нормальной непрерывной работы, компактность, простота конструкций и технологического обслуживания. Этим требованием удовлетворяет в основном, центробежные насосы, поэтому поршневые насосы редько применяются. Для безкавитационной работы основного насоса необходим определенный напор на его входе (подпор). Подпор создается либо подпорным насосом (на ГНПС), либо за счет остаточного (неиспользованного) напора предыдущей станции (на промежуточной НПС). Подачи основных (их называют также и магистральными) и подпорных насосов должны быть одинаковыми. Всасывающие способности подпорных насосов бывают очень высокими, но их напори малы из - за малой частоты вращения вала. Подпорных насосов размещает как можно ближе к резервуарам, по возможности углубляет площадку их местоположения (в этом случае потери напора во всасывающей линии уменьшается). Российская промышленность выпускает насосы серии НМ. Насосы НМ- центробежные, одноступенчатые, горизонтальные и спирального типа. Патрубки насосов расположены в нижней части корпуса и направлены в разные стороны. Рабочее колесо насоса с двухсторонным входом. Типоразмер насосов НМ, например НМ 2500-230 означает: Н-насос, М-магистральный, 2500 - подача при наиболее экономичной работе (м³/час), а 230- соответствующий дифференциальный напор (м). Обычно насосных агрегатов соединяют последовательно. Напор НПС с насосами с подачей до 360 м³/час включительно, создается двумя последовательно работающими агрегатами, а если подача насосов НПС больше 360 м³/час - тремя последовательно работающими агрегатами. В качестве подпорных насосов применяют насосы серии НПМ. Типоразмер насосов НПМ, например НПМ 2500-74 означает: Н-насос, П-подпорный, М-магистральный, 2500 - подача при наиболее экономичной работе (м³/час), а 76 - соответствующий дифференциальный напор (м). Иногда в качестве подпорных насосов применяют вертикальные насосы серии НПВ. Приводы насосов бывают газотурбинными, дизельными и электродвигательными (самые широко применяемые). Насосы соединяются и паралельно, и последовательно. Обычно в НПС 3 насоса соединяются последовательно.

При описании НПС и насосов вместе рабочего давления используется понятие напора. При движении жидкости по трубопроводу ее давление непрерывно уменьшается (в основном из-за сопротивления, а также из-за изменения высоты). Подъем жидкости по вертикальному трубопроводу (или в пьезометре) под действием давления называется напором и обозначается через букв Н, или h:

, (27)

здесь P - давление, ρ- плотность жидкости, g=9,81м/с², [h]=м, [P]=МПа, Па, атм (1МПа≈10атм), [ρ]=кг/м³. Напор можно считать давлением, измеренной через метр. Передача давлений через напор помогает решить гидравлическую задачу удобным и наглядным образом.

Масса жидкости, проходящая через поперечное сечение трубопровода за единицу времени называется массовым расходом жидкости (массовая пропускная способность трубопровода). Массовый расход жидкости G есть величина постоянная для всего сечения трубопровода. Единица измерения [G]= кг/с. Объем жидкости, проходящий через поперечное сечение трубопровода за единицу времени называется объемным расходом жидкости Q (или пропускная способность трубопровода). Объемный расход жидкости Q также есть величина постоянная для всего сечения трубопровода. Единица измерения в системе СИ [Q]=м³ /с. В практике используют годовой Q_год и суточный Q_сут коммерческие расходы. Их единицы измерения [Q_год]= млрд.м³ /год и [Q_сут]= млн.м³/сут. Зная, что 1млрд=10⁹, 1млн=10⁶, 1сут=24·3600=86400с, 1год=365сут= 365·86400= =31536000с, их легко переводить друг в друга. Связь между массовым и коммерческим расходом:

, (28)

где ρ- плотность жидкости.

Массовый и объемный расходы жидкостей есть величины постоянные для всех сечений трубопровода. В практике часто использует часовой объемный расход Q_ч. Его единица измерения [Q_ч] = м³ /час.

Объем жидкости, перекачиваемым насосом за единицу времени называется подачей насоса Q. Таким образом, объемный расход нефти, подача насоса и пропускная способность выходного трубопровода из насоса есть одинаковые величины. Только понятие объемного расхода относится к жидкости, пропускная способность - к трубопроводу, а подача - к насосным агрегатам. Иногда вместе пропускного способности трубопровода говорит о его производительности.

Понятно, что с увеличением подачи насоса уменьшается развиваемый ею напор. Зависимость развиваемого насосом (i-насоса) напора от его подачи называется напорной (рабочей) характеристикой насоса:

H_i= H_i (Q). (29)

Таким же образом определяется напорная (рабочая) характеристика насосной станции. Эта характеристика зависит от напорных характеристик всех насосов станции и от типа их соединения. Если в НПС несколько насосы соединены последовательно, то развиваемые им напоры слагаются (например, для 3-х насосов): H_ст(Q)= H₁ (Q)+ H₂ (Q)+ H₃ (Q). Если насосы одинаковые, то H_ст(Q)= =3H₁ (Q). Если надо увеличить подачу НПС, то насосов соединяют параллельно. В этом случае (например, для 3-х насосов): H_ст(Q)= H₁ (Q₁) = H₂ (Q₂) = H₃ (Q₃) и Q= Q₁+Q₂+Q₃. Если насосы одинаковые, то Q= 3Q₁ и H_ст(Q)= H₁ (Q / 3). Такими же образами, если п одинаковые насосы соединены последовательно, то H_ст(Q)= пH₁ (Q), а если паралельно, то H_ст(Q)= H₁ (Q /п). В общем случае напорные характеристики НПС находится графическим, или аналитическим методами. Суммарные напорные характеристики всех НПС трубопровода определяется суммой всех напоров, развиваемых всеми НПС. Напорная характеристика насоса обычно задается в виде графика, или в виде выражений. Характеристики центробежных насосов приводятся в спе­циальных каталогах. Они представляет собой зависимость напора (Н), потребляемой мощности (N), к.п.д. (η) и допустимого кавитационного запаса (Δh_доп) от подачи (Q) насоса.

Для насосов серии НМ напорные характеристики имеет вид:

H=H₀ - bQ², (45)

Марка основного (магистрального) насоса подбирается по среднему значению часового расхода Q_ч.ср. При этом должно выполняться следующее условие:

0,8Q_ном ≤ Q_ч.ср ≤ 1,2Q_ном, (46)

где Q_ном - для номинальная подача выбранного магистрального насоса (например для насоса НМ 2500-230 номинальная подача Q_ном =2500 м³/час, то есть должно выполняться условие: 2000≤ Q_ч.ср ≤ 3000; здесь 2000=0,8∙2500 и 3000=1,2∙2500). При этом напор, развиваемый магистральным насосом при Q_ч, равен h_мн=H₀-bQ_ч². Напор, развиваемый подпорным насосом при Q_ч, равный H₂=H₀₂-b₂Q_ч², должен быть большим, чем допустимый кавитационный запас. Подпорный насос обычно подбирается с такой же номинальной подачей, что и выбранный магистральный насос. Тогда напор подпорного насоса автоматически получается большим, чем допустимый кавитационный запас.

Зависимость суммарного напора, развиваемых всеми (магистральными и подпорными) насосами всех станции трубопровода от подачи (от пропускной способности трубопровода) называется напорной (рабочей) характеристикой насосных станций. Напорная (рабочая) характеристика насосных станций получается в аналитическом виде следующим образом. Напоры основного (магистрального) и подпорного насосов при произвольной подачи Q_ч соответственно равны:

, , (66)

где H₀ и b – параметры магистрального, H₀₂ и b₂ - параметры подпорного насосов, которые находятся из таблицы. Тогда напор, развиваемый всеми насосами трубопровода при подаче Q_ч равен:

H_нпс(m_н, Q_ч)= m_нh_мн(Q_ч)+ п_э H₂(Q_ч). (67)

Здесь m_н - количество основных насосов, п_э - количество подпорных насосов. Если количество насосных станций п, то количество основных насосов может быть равно: m_н=3п (когда в каждой станции работают по 3 насосов), m_н=3п-1 (когда в каждой станции, кроме последней, работают по 3 насосов, а в последней работают 2 насосы) и m_н=3п-2 (когда в каждой станции, кроме 2 последних, работают по 3 насосов, а в 2 последних станциях работают по 2 насосов). Подпорные насосы используются в конечных пунктах эксплуатационных участков, поэтому их количество равно количеству эксплуатационных участков п_э. Выражения (65) и (66) есть напорная (рабочая) характеристика насосных станций.

Основная литература: 1 осн. [111-116], 2 осн. [43-49], 3 осн. [66-71],

4 осн. [57-130]

Дополнительная литература: 2 доп. [321-326]

Контрольные вопросы:

1. Что означает типоразмер насосов НМ, например НМ 2500-230?

2. Что означает понятие напора?

3. Что означает понятие «напорная (рабочая) характеристика насоса»?