3375

В прил. 2 и 8 представлены коэффициенты, используемые в формулах (3.1) – (3.3) для нефтяных насосов типа НМ и НПВ, а также их основные характеристики.

3.1. Пересчет характеристик насоса с воды на нефть

Паспортные характеристики насосов получают на заводах - изготовителях при работе на чистой воде с температурой не выше 322 К и плотностью 988 кг/м3. Сырая нефть, нефтепродукты имеют плотность меньше 1000 кг/м3, но при этом их вязкость значительно выше (иногда в десятки раз), чем у воды. При перекачке центробежным насосом жидкости, имеющей вязкость, большую вязкости воды, характеристики насоса существенно изменяются в зависимости от величины вязкости перекачиваемой жидкости [4].

Полезная мощность и потери мощности (за исключением механических потерь в сальниках и опорах) изменяются с изменением плотности перекачиваемой жидкости. С уменьшением плотности жидкости снижается полезная мощность и растет доля механических потерь вследствие чего снижается КПД насоса. С увеличением плотности, наоборот, увеличивается полезная мощность, КПД и доля потерь. Характеристика насоса Q-H (подача – напор) не изменяется в зависимости от плотности перекачиваемой жидкости. Давление, создаваемое насосом, изменяется прямо пропорционально изменению плотности жидкости.

Изменение вязкости оказывает значительно большее влияние на характеристику насоса, чем плотности. Изменение вязкости в основном влияет на дисковые потери и гидравлические сопротивления потоку жидкости в каналах насоса. Их изменение оказывает значительно большее влияние на потребную для привода насоса мощность, чем изменение плотности жидкости и объемных потерь. Поэтому при перекачке вязких сырых нефтей и нефтепродуктов потери мощности резко возрастают, а КПД насоса снижается. При этом уменьшаются напор и подача жидкости (рис. 3.1). Напор при нулевой подаче остается примерно на том уровне, на котором он был при перекачке воды. Поэтому кривая Q-H с повышением вязкости становится круче.

Пересчет характеристик насосов с условий перекачки воды на перекачку другой, более вязкой жидкости основан на экспериментальных данных, т.к. теоретическое решение этого вопроса невозможно из-за сложности и недостаточной изученности явлений, происходящих в насосах. В настоящее время существует более 20 методов пересчета характеристик центробежных насосов. Значительный вклад в методологию внесли Д.Я. Суханов, Р.И. Шишенко, М.Д. Айзенштейн и ряд других авторов.

20

4) законы подобия сохраняют свое действие для случая перекачки жидкости любой вязкости; вместе с тем результаты пересчета будут занижены при переходе от меньших чисел оборотов к большим, так как число Re возрастет

зультаты будут завышены в сравнении с опытными данными.

Ввиду того что потери на дисковое трение увеличиваются при заданном напоре и, следовательно, заданной окружной скорости в значительно большей степени с увеличением диаметра, чем с возрастанием числа оборотов насоса, при перекачке вязких жидкостей для увеличения КПД необходимо стремиться к увеличению числа оборотов, т.е. применять насосы с большим коэффициентом быстроходности. Поэтому для центробежных насосов, перекачивающих вязкие жидкости, рекомендуется коэффициент быстроходности не ниже ns=85. Так как утечки через уплотнения в центробежных насосах, перекачивающих вязкие жидкости, незначительны, то длину уплотнительных колец целесообразно уменьшить для уменьшения потерь на трение; с этой же целью желательно и диски рабочих колес выполнять более тонкими.

Сувеличением вязкости всасывающая способность насоса ухудшается. Однако в настоящее время нет достаточных экспериментальных данных для вывода зависимости между допустимой высотой всасывания при работе насоса на воде и при перекачке им вязких жидкостей.

Сучетом вышеизложенного при использовании центробежных насосов можно сделать следующие выводы.

1. При перекачке вязких жидкостей снижаются производительность, напор

иКПД насоса и увеличивается потребляемая мощность.

2.При перекачке жидкостей с малой вязкостью КПД насоса снижается главным образом вследствие увеличения потерь па дисковое трение. Указанное влияние вязкости на снижение Q, Н и η в меньшей степени сказывается на насосах большей производительности.

3.При одинаковых числах оборотов и удельной быстроходности насос, имеющий максимальный КПД для воды, даст лучшие показатели и при перекачке вязких жидкостей.

4.При больших вязкостях и сравнительно небольшой производительности вследствие низкого КПД насоса происходит выделение тепла и температура жидкости в насосе повышается. С нагревом жидкости уменьшается ее вязкость, вследствие этого несколько уменьшаются и потери в насосе.

5.Ввиду того что потери на дисковое трение при заданной окружной скорости увеличиваются в гораздо больший степени с увеличением внешнего диаметра рабочего колеса, чем с увеличением числа оборотов насоса, при перекачке вязких жидкостей для увеличения КПД необходимо стремиться к увеличению числа оборотов и применять насосы с возможно большей удельной быстроходностью.

22

6.При перекачке вязких жидкостей центробежные насосы следует применять в диапазоне удельной быстроходности ns = 85÷100.

7.Использование насосов с ns>100 сопровождается значительным увеличением числа ступеней в насосе, а следовательно, и соответствующим усложнением конструкции отливок корпуса насоса. Использование насосов с ns<85 влечет увеличение внешнего диаметра рабочих колес со значительным увеличением затрачиваемой мощности на преодоление дискового трения.

8.Допустимая предельная вязкость жидкости при перекачке вязких нефтепродуктов зависит от размера насоса. Насосы большего размера, т.е. большей производительности, позволяют вести перекачку жидкостей большей вязкости.

9.При небольших величинах вязкости жидкости напор может несколько возрасти по сравнению с напором насоса, перекачивающего воду, вследствие возможного уменьшения поджатия потока и частично из-за нарастания напора под влиянием увеличения трения дисков рабочих колес.

10.Для некоторых насосов с рабочим колесом с полным внешним диаметром напор при Q=0 не зависит от вязкости, но для колес с обточенным внешним диаметром при Q=0 с увеличением вязкости напор уменьшается по сравнению с напором при перекачке воды.

11.При пересчете характеристики насоса, перекачивающего вязкие жидкости, с меньших оборотов на большие результаты пересчета будут занижены в сравнении с опытными данными. Это происходит вследствие того, что число Re при больших оборотах насоса будет больше числа Re при меньших оборотах и, следовательно, величины коэффициентов kQ,kH ,k также будут больше при

больших числах оборотов. При пересчете с больших оборотов на меньшие результаты пересчета будут завышены в сравнении с опытными данными.

12.С увеличением вязкости всасывающая способность насоса ухудшается.

3.1.1.Расчет вспомогательных коэффициентов

Зная конкретную марку насоса, по прил. 2 можно определить необходимые справочные коэффициенты и характеристики: Н, Q, η, Н0, b, а0, а , b0, c0, c1, c2, b2, D0, D2, nS, n.

Вычисляем число Рейнольдса ReН по формуле

где n – число оборотов ротора насоса, об/мин; D2 – выходной диаметр рабочего колеса, мм; ν – коэффициент кинематической вязкости, мм2/с.

Определяем величину переходного числа Рейнольдса ReП по формуле

23

где nS – коэффициент быстроходности насоса.

Определяем величину граничного числа Рейнольдса по формуле

Если выполняются неравенства ReН ReП и ReН ReГР , то пересчет характеристики насоса с воды на перекачиваемую нефть необходим.

Кроме того, следует определить коэффициенты пересчета напора kН , по-

дачи kQ и КПД k , которые различны для насосов с односторонним и двухсто-

ронним входом жидкости в рабочее колесо.

По характеру изменения коэффициентов kН ,kQ ,k для центробежных на-

сосов с рабочим колесом одностороннего входа жидкости существуют три зоны с различными законами гидравлического сопротивления:

Для центробежных насосов с рабочим колесом двухстороннего входа жидкости коэффициенты пересчета напора kН , подачи kQ и КПД k определяются

по формулам:

24

Зная коэффициенты kН ,kQ ,k , рассчитываем значения аппроксимацион-

ных коэффициентов в формулах (3.1) и (3.3) при работе насоса на высоковязкой нефти (для отличия введем индекс ν) через известные коэффициенты при работе насоса на воде:

3.1.2. Расчет характеристик Н=f(Q) и η=f(Q)

По известным параметрам работы насоса на воде Н,Q,η, с учетом полученных коэффициентов пересчета kН ,kQ ,k , находим параметры работы насоса на

нефти по формулам:

Для аналитического решения ряда задач трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов часто используется описание напорной характеристики центробежных насосов в виде

где m – коэффициент Лейбензона, характеризующий режим движения (ламинарный m = 1, турбулентный: зона Блазиуса m = 0,25, смешанного трения m = 0,123, квадратичного сопротивления m = 0); А,Б – эмпирические коэффициенты, определяемые по формулам:

25

a,b – эмпирические коэффициенты.

Для построения зависимости Н=f(Q) необходимо принять коэффициент m, задаться значениями подачи Q: Q0 0,675QНОМ , Q1 0,8QНОМ ,QНОМ , Q2 1,2QНОМ , Q3 1,3QНОМ , и провести расчет по формуле (3.23) 5 раз. В результате получим пять значений напоров при соответствующих подачах, по которым строится графическая зависимость Н=f(Q).

Аналогично с использованием формулы (3.3) определяется пять значений КПД η при соответствующих Q и строится зависимость η = f(Q).

3.2. Расчет необходимого давления на входе в насос

Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы минимальное давление на входе в него Рвх превышало давление насыщенных паров перекачиваемой среды РS на величину, соответствующую разности допустимого кавитационного запаса hДОП и скоростного напора на входе в насос:

где ВХ - скорость жидкости во всасывающем патрубке насоса, м/с, определяемая по формуле

где Т,ТНК – температура нефти и начала ее кипения соответственно, К.

26

Находимый напор hS , измеряемый в метрах нефтяного столба, соответствующий давлению РS, определяется по формуле

Коэффициент сопротивления на входе в насос ВХ определяется в зависимости от числа Рейнольдса:

hДОПв - дополнительный кавитационный запас насоса при работе на воде, м.

Определяем минимальное давление на входе РВХ , Па, по формуле (3.28):

27

3.3. Расчет характеристики Δhдоп=f(Q), N=f(Q). Построение характеристики насоса

Получив в предыдущем пункте значение hДОП при работе на нефти, рас-

считываем значения hДОП для заданных значений подачи насоса Q0 ,

Q1 ,QНОМ ,Q2 , Q3 по формуле (3.2) (табл. 5.4). По полученным значениям стро-

ится зависимость hДОП =f(Q) (рис. 5.3).

Мощность N, кВт, потребляемая насосом, определяется по формуле

где МЕХ - КПД механической передачи (принимаем 0,93); ЭЛ - электрический КПД (принимаем 0,97).

Используя зависимость (3.37) и полученные ранее значения H,η при соответствующих Q, находим пять значений мощности. По полученным значениям строится зависимость N = f(Q).

По результатам расчетов составляется итоговая таблица (табл. 5.6), в которую заносятся значения N, hДОП , КПД η, Н при соответствующих Q. По данным полученной таблицы строится характеристика насоса с нанесением рабочей зоны насоса и оптимальной подачи QОПТ , при которой наблюдается максимальный КПД.

где с1 ,c2 - значения коэффициентов, рассчитанные по формулам (3.18) и (3.19) соответственно.

3.4. Выбор подпорных насосов

Главной задачей подпорного насоса является взятие нефти из резервуара и подача её на вход основного насоса, перекачивающего нефть (или нефтепродукты) по трубопроводу. С помощью подпорных насосов создается избыточное давление (подпор) на входе в основные насосы станции, которое обеспечивает их бескавитационную работу. Разности высотных отметок остаточного уровня взлива нефти в резервуаре (оси приёмо-раздаточного патрубка резервуара) и оси входного патрубка основного насоса не хватает, чтобы преодолеть довольно значительный кавитационный запас последнего, составляющий от 20 м

28

(2,0атм) для насосов НМ 1250-260 до 87 м (8,7 атм) для насосов НМ 10000-210. Подпорные насосы, применяемые для создания такого давления, требуют гораздо меньших значений давления на входе. Необходимый кавитационный запас для подпорных насосов находится в пределах от 0,22 атм (2,2 м) до 0,5 атм (5 м) и может быть обеспечен за счёт разницы высотных отметок уровня взлива остатка в резервуаре и оси входного патрубка насоса [10].

Характеристика подпорных насосов выражается так же, как и основных магистральных, по уравнениям (3.1) – (3.3). Справочные коэффициенты, необходимые для расчета характеристики насосов НПВ, представлены в прил. 8.

В отличие от основных магистральных насосов на перекачивающих станциях подпорные насосы соединяют, как правило, параллельно (расходы нефти в насосах суммируются, а напор, создаваемый каждым насосом, остается одним и тем же), для того чтобы обеспечить требуемый подпор при меньшей подаче в каждом из отдельно взятых насосов. Ведь при параллельном соединении насосов общий поток жидкости разделяется на части, составляющие подачи этих насосов. Поэтому стремятся, чтобы либо производительность одного насоса, либо производительность нескольких (двух или трех) параллельно соединенных насосов была равна производительности (подаче) основного магистрального насоса. Наиболее распространённая схема соединения подпорных насосов – два работающих и один резервный.

4. Расчет системы маслоснабжения насосных агрегатов

Система маслоснабжения (рис. 4.1) предназначена для принудительной смазки и охлаждения подшипников скольжения и качения магистральных насосных агрегатов, работающих в системе нефтеперекачивающей станции

(НПС).

В качестве смазки подшипников применяется турбинное масло, изготовленное из сернистых парафинистых нефтей глубокой селекативной очистки и содержащее специальные присадки, улучшающие антиокислительные, антикоррозийные и эмульгирующие свойства. Значения основных технических показателей широко распространенного в системах смазки турбинного масла ТП-22С, представлены в табл. 4.1.

Во время эксплуатации в маслах постепенно накапливаются разнообразные примеси, химический состав нарушается, свойства изменяются. Появляется риск выхода из строя оборудования или даже его поломки. Необходимо регулярно контролировать состояние масла и осуществлять своевременную очистку.

29