Выбор насосов и двигателей

Насосы, применяемые на нефтебазах, выбирают в зависимости от вязкости и давлении насыщенных паров перекачиваемой жидкости, необходимого напора и производительности. Количество устанавливаемых насосов зависит от необходимости одновременной перекачки нефтепродуктов нескольких сортов, общей производительности и напора.

Наибольшее распространение на нефтебазах получили поршневые и центробежные насосы.

Несмотря на ряд существенных недостатков (дороговизна, большие габаритные размеры, сложность эксплуатации и др.), поршневые насосы незаменимы при перекачке высоковязких нефтепродуктов и газожидкостных смесей. Во всех остальных случаях предпочтение следует отдавать центробежным насосам, как более дешевым, простым в обслуживании и компактным. Кроме того, центробежные насосы более быстроходны, что позволяет соединять их непосредственно с электродвигателем без редуктора. Существенным преимуществом центробежных насосов является их саморегулируемость. К недостаткам этих насосов по сравнению с поршневыми в первую очередь следует отнести более низкий к. п. д., меньшая высота всасывания, резкое снижение к. п. д. и производительности при перекачке нефтепродуктов повышенной вязкости.

На рис. 4.2 приведен нормальный ряд центробежных насосов, а на рис. 4.3, а, б — сводные графики наиболее часто применяемых поршневых и паровых насосов в условиях нефтебаз.

Рис.4.2

Рис.4.3. Сводный график насосов

а- поршневых приводных; б-паровых

Для правильного подбора насосов помимо расчетных данных: напора Н, производительности Q, мощности N и вязкости v (для бензинов и нефтей также давление насыщенных паров) необходимо построить характеристику трубопровода в координатах Q и Н, N. Характеристику трубопровода строят по уравнению напоров

(4.1)

Рис.4.4.Характеристика трубопровода при турбулентном режиме перекачки.

На рис. 4.4 представлена характеристика трубопровода при турбулентном режиме перекачки (при ламинарном режиме линия Q — Н — прямая). От точки О по оси Н откладывается величина Δz, затем задаются произвольными значениями Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ (в диапазоне возможных расходов) и для каждого расхода вычисляют h_τ. Величину Σh_м при турбулентном режиме вычисляют один раз и затем складывают с полученными значениями. Таким образом, кривая аb — есть линия сопротивлений трубопровода.

Потери напора на трение чаще всего определяют по формуле (2.23)

Если конечный пункт трубопровода, в который ведется перекачка, расположен ниже отмету начального участка трубопровода, величину Δz следует отложить от нулевой ординаты вниз.

Построение характеристик сложных трубопроводов, состоящих из нескольких последовательно соединенных участков, производится сложением их напоров при одинаковых расходах. Для этого предварительно строят характеристики отдельных последовательно включенных участков трубопровода.

Рис. 4.5. Построение суммарной гидравлической характеристики.

а— последовательно работающих трубопроводов; б — параллельно работающих трубопроводов.

Пример построения такой суммарной характеристики системы последовательно работающих трубопроводов показан на рис. 4.5, а. Кривая 1 представляет характеристику первого участка трубопровода, кривая 2 — характеристику второго участка и кривая 3 — характеристику третьего участка. Поскольку при последовательном сое­динении потери напора суммируются, сложим кривые 1, 2 и 3 по вертикали. Проведя ряд вертикальных линий при расходах Q₁ Q₂, Q₃ и сложив ординаты в точках пересечения каждой характеристики, получим точки т, п, s, представляющие собой напоры суммарной характеристики трех последовательно соединенных трубопроводов при принятых расходах, а кривая 4, проведенная через эти точки, и будет искомой характеристикой системы.

При параллельном соединении нескольких трубопроводов так же, как и в предыдущем случае, прежде всего следует построить характеристики отдельных участков системы. На рис. 4.5, б дан пример построения суммарной характеристики системы, состоящей из трех параллельно работающих трубопроводов (кривые 1', 2' 3'). Известно, что при параллельном соединении общий расход системы определяется как сумма расходов отдельных участков. Потери же напора в этих участках одинаковы и равны напору, теряемому во всей системе. Поэтому для построения «суммарной» характеристики необходимо провести несколько горизонтальных прямых, параллельных оси расходов, и сложить расходы при постоянных напорах в точках пересечения с характеристиками участков.

В результате получим точки тп', п', s', через которые можно провести кривую 4', являющуюся суммарной характеристикой системы трех параллельно соединенных трубопроводов.

В общем случае, когда система трубопроводов состоит из нескольких параллельно и последовательно соединенных участков, суммарная характеристика всего трубопровода находится на основании предыдущего примера последовательным сложением всех предварительно построенных характеристик отдельных участков. При этом вначале по горизонтали суммируются параллельно включенные участки, а затем их суммарная характеристика складывается по вертикали с характеристиками участков, включенных последовательно.

Следует иметь в виду, что в тех случаях, когда участки трубопровода находятся на разных отметках, при суммировании характеристик необходимо учитывать разность высот между начальной и конечной точками участков.

Для определения пригодности того или иного насоса построенную характеристику трубопровода совмещают с заводской характеристикой насоса. Точка К пересечения характеристик Q — Н трубопровода и насоса и будет рабочей точкой, определяющей фактический расход Q_ф и напор Н_ф, а также мощность N_ф и к. п. д. η_ф. На рис. 4.6 показан пример наложения характеристик трубопровода и насоса.

Рис 4.6: Совмещенная гидравлическая характеристика трубопровода и центробежного насоса.

В этом примере фактический расход обеспечивается при к. п. д. насоса, близком к максимальному — это основное условие правильного подбора центробежных насосов. Заводские характеристики насосов обычно даются при их работе на воде, поэтому при перекачке вязких нефтепродуктов «водяные» характеристики следует пересчитать на «нефтяные».

В условиях работы трубопроводов нефтебаз с резко изменяющимися расходами, при сохранении постоянства напора, целесообразно применять насосы .с «пологими» характеристиками Q — Н. Крутизна таких характеристик у должна быть не более 0,1:

(4.2)

где Н_о — напор, развиваемый насосом при закрытой задвижке; H_ηmax — напор, развиваемый насосом при максимальном значении к. п. д.

При постоянном расходе, но при резком колебании напора в трубопроводе целесообразнее применять насосы с крутопадающей характеристикой (у » 0,1).

Для увеличения производительности насосных станций центробежные насосы включают параллельно, а для получения больших напоров их включают последовательно. Результирующие характеристики насосных станций при параллельной и последовательной их работе строят так же, как и для трубопроводов.

Работу центробежных насосов чаще всего регулируют прикрытием задвижки на нагнетательной линии. При таком регулировании к. п. д. насоса снижается.

Производительность поршневых насосов регулируется при помощи обводной линии, по которой часть нефтепродукта перепускается из нагнетательной: во всасывающую трубу. Реже применяется регулирование изменением числа; оборотов, так как двигатели или совсем не допускают изменения числа оборотов (например, электродвигатели), или допускают в небольших пределах.

Работа поршневых паровых прямодействующих насосов регулируется: изменением числа ходов за счет увеличения или уменьшения подачи пара с помощью паровпускного вентиля.

Наибольшее распространение в качестве двигателей для насосов получили электродвигатели переменного тока во взрывозащищенном исполнении. В зависимости от способа обеспечения взрывозащищенности электродвигатели могут иметь следующие исполнения.

Взрывонепроницаемое исполнение (маркировочный индекс В), в котором оболочка электродвигателя может выдержать максимальное давление внутреннего взрыва газовоздушных смесей без ее повреждения. Взрывонепроницаемость электродвигателя обеспечивается охлаждением продуктов взрыва до такой степени, при которой исключается воспламенение взрывоопасной смеси, находящейся вне оболочки машины.

Исполнение при повышенной надежности взрыва (маркировочный индекс Н), при котором электродвигатель должен быть изготовлен таким образом, чтобы исключалась возможность возникновения искры и электрической дуги или нагрева до опасных температур в местах, где они не должны быть при нормальной работе, а также при пусковом режиме или при режиме короткого замыкания. Если электродвигатель имеет нормальные, но искрящие части, то он должен быть заключен в оболочку и иметь любое другое взрывоопасное исполнение. При этом ни на одной из частей электродвигателя, которые могут прийти в соприкосновение со взрывоопасной смесью, ни при каких условиях нормальной работы температура не должна быть выше указанной в правилах изготовления взрывозащищенного и рудничного электрооборудования (ПИВРЭ).

Маслонаполненное (маркировочный индекс М), в котором все нормально искрящие и неискрящие токоведущие части погружены в масло, таким образом, исключается возможность соприкосновения между частями двигателя и взрывоопасными смесями газов.

Исполнение, по которому электродвигатель продувается под избыточным давлением (маркировочный индекс П). В этом случае электродвигатель заключают в плотно закрытые оболочки, продуваемые чистым воздухом. Внутри оболочки электродвигателя во время его работы поддерживается избыточное давление, предотвращающее засасывание в нее взрывоопасных газовых смесей. Выбор конкретного электродвигателя производится по существующим каталогам с учетом фактических условий его эксплуатации и в соответствии с правилами ПИВРЭ.

Электродвигатели могут быть синхронные и асинхронные.

Синхронными называются такие электродвигатели, число оборотов ротора (n) которых, определяется выражением

(4.3)

где с — число периодов тока в секунду, иначе частота тока (стандартная частота тока в Советском Союзе с = 50 пер./с); р - число пар полюсов электродвигателя.

В асинхронных электродвигателях число оборотов ротора всегда меньше скорости вращения магнитного поля, т. е. число оборотов асинхронно этой скорости. Степень отставания ротора асинхронного электродвигателя характеризуется так называемым скольжением, которое представляет собой выраженную в процентах разность скоростей вращения магнитного поля и ротора. Скольжение в асинхронных электродвигателях, работающих под нагрузкой, составляет 3—7%.

Мощность на валу асинхронного электродвигателя трехфазного тока определяется по формуле

(4.4)

где I — сила тока в каждом проводе, подводящем ток к электродвигателю; U — напряжение на зажимах электродвигателя; η_м — к. п. д. электродвигателя; cos φ — коэффициент мощности (коэффициент сдвига фаз) электродвигателя, который падает с уменьшением нагрузки.

Вследствие уменьшения коэффициента мощности при снижении нагрузки по сравнению с нормальной необходимо определять мощность электродвигателя на основании точного расчета.

Асинхронные электродвигатели бывают с короткозамкнутым или с фазовым ротором. В короткозамкнутых электродвигателях обмотка ротора замкнута внутри и не выводится наружу. Фазовый ротор имеет обмотку, соединяющуюся с наружным пусковым реостатом через три контактных кольца и скользящие по ним щетки.

При короткозамкнутом роторе электродвигатель начинает вращаться немедленно по замыкании сети статора (включением рубильника). При этом величина пускового тока в 5—6 рае превышает нормальную. При включении электродвигателей с фазовым ротором в цепь ротора вводится дополнительное сопротивление (реостат), благодаря чему увеличивается пусковой момент -электродвигателя и уменьшается сила пускового тока. Сопротивление реостата после включения постепенно уменьшается и по достижении нормального числа оборотов двигателя выводится полностью, обмотки закорачиваются, и двигатель продолжает работать уже как короткозамкнутый.

Несмотря на некоторые существенные недостатки, асинхронные электродвигатели благодаря простоте эксплуатации, компактности и дешевизне получили широкое распространение в насосных установках малой и средней мощностей.

В насосных станциях большой мощности целесообразнее применять синхронные электродвигатели, обладающие следующими преимуществами, которых нет у асинхронных электродвигателей, а именно: 1) постоянство числа оборо­тов, не зависящее от нагрузки при неизменной частоте тока; 2) высокий коэффициент мощности, который может изменяться в широких пределах. Благодаря этому синхронный электродвигатель может улучшить общий cos φ в сети (если заставить его работать с опережающим cos φ).

Электродвигатели не допускают длительной перегрузки, поэтому они должны обладать запасом мощности в размере 5—10% для крупных двигателей, 10—30% для средних (мощностью от 1,5 до 7,5 кВт) и до 75% для электродвигателей малой мощности (менее 1,5 кВт).

На нефтебазах, где нет электроэнергии и водяного пара, для привода насосов используются двигатели внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия таких насосных установок колеблется от 0,15 до 0,30. Применяются двигатели внутреннего сгорания типа РМЕ мощностью 14—37 кВт и с числом оборотов 340—430 об/мин и двигатели типа Д и ДК мощностью 15—150 кВт с числом оборотов от 300 до 650 об/мин (меньшее число оборотов относится к двигателям большей мощности).

Наиболее распространенным типом паровых двигателей являются паровые машины, работающие без расширения пара и спаренные с поршневыми насосами (прямодействующие паровые насосы). Коэффициент полезного действия прямодействующих паровых насосов составляет лишь около 3%. Поэтому эти агрегаты выгодны только при использовании выхлопного пара. В настоящее время на крупных перевалочных нефтебазах в качестве паровых двигателей насосов используются паровые турбины ОР-300 мощностью 220 кВт и 3000 об/мин, давлением пара на входе 0,9 МПа и на выходе 0,3 МПа, паровые турбины ПТ-40 мощностью 7,3—29,4 кВт и 3000 об/мин, давлением пара на входе 0,8 МПа и на выходе 0,2 МПа и тур­бины ПТ-1 мощностью 44—58,8 кВт и 2970 об/мин, давлением пара на входе 1 МПа и на выходе 0,15 МПа. Мощности паровых турбин ПТ-40 и ПТ-1 изменяются в зависимости от числа сопел.

Центробежные насосы с приводом от паровых турбин значительно экономичнее прямодействующих паровых насосов и в перспективе должны получить широкое применение особенно на нефтебазах, оперирующих с вязкими и застывающими нефтепродуктами, требующими подогрева. В этом случае котельные вырабатывают пар как для силовых, так и для технологических нужд, причем выхлопной пар насосов и турбин полностью используется для подогрева.