Частотно-регулируемый электропривод магистрального насоса головной нефтеперекачивающей станции

2     Расчет и построение совмещенной характеристики трубопровода и насосных станций

 

2.1   Методика гидравлического расчета [10]

Расчетная плотность при  температуре Т=Т_Р определяется по формуле

 

,                                                                       (2.1)

 

где r₂₉₃ – плотность нефти при 293 К, кг/м³;

- температурная поправка, кг/(м³·К).

 

_.                                                              (2.2)

 

Расчетная кинематическая вязкость нефти определяется по формуле  Рейнольдса- Филонова:

 

,                                                     (2.3)

 

где u – коэффициент крутизны вискограммы, 1/К.

 

.                                                              (2.4)

 

Расчетная часовая производительность нефтепровода при r=r_Т определяется по формуле:

 

                                                           (2.5)

 

где  G_год. – годовая (массовая) производительность нефтепровода,          млн. т/год;

r  – расчетная плотность нефти, кг/м³;

N_р. – расчетное количестворабочих дней ;

k_нп – коэффициент неравномерности перекачки.

Фактическая средняя скорость течения нефти определяется по формуле

 

,                                                              (2.6)

 

где Q=Q_Ч/3600 – расчетная производительность перекачки, м³/с;

          D – внутренний диаметр, м.

Потери напора на трение в трубопроводе определяют по формуле    Дарси-Вейсбаха:

 

,                                                             (2.7)

 

где  L_р – расчетная длина нефтепровода, м;

l  – коэффициент гидравлического сопротивления.

Значения коэффициент  гидравлического сопротивления  зависят от режима течения жидкости и шероховатости внутренней поверхности  трубы. Режим течения жидкости характеризуется  безразмерным параметром Рейнольдса

 

.                                                              (2.8)

 

При значениях Re<2320 наблюдается  ламинарный режим течения жидкости.

 

                                                     (2.9)

 

Область турбулентного  течения подразделяется на три зоны:

Гидравлически гладкие  трубы  2320<Re<Re₁;

 

                                                              (2.10)

 

Зона смешанного трения   Re₁<Re<Re₂;

                                                   (2.11)

 

Квадратичное (шероховатое) трение Re> Re₂.

 

                                                    (2.12)

 

Значения переходных чисел  Рейнольдса Re₁ и Re₂  определяют по формулам:

 

,                                                              (2.13)

,                                                              (2.14)

 

где – относительная шероховатость трубы;

k_Э – эквивалентная (абсолютная) шероховатость стенки трубы. Для нефтепроводов после нескольких лет эксплуатации можно принять k_Э=0,2 мм.

Величина гидравлического  уклона:

 

 .                                                              (2.15)

Суммарные потери напора в  трубопроводе составляют:

 

,                                                  (2.16)

 

где 1,02 – коэффициент, учитывающий  надбавку на местные сопротивления  в линейной части нефтепровода;

Dz=z_К.-z_Н.  – разность геодезических отметок, м;

N_Э– число эксплуатационных участков;

h_ост. – остаточный напор в конце эксплуатационного участка,                  h_ост. =40 м [1].

 

2.2   Гидравлический расчет и построение совмещенной характеристики

        трубопровода и насосных станций

 

В расчете были приняты следующие исходные данные:

- характеристики  трубопровода:

а) диаметр D=514 мм;

б) длина L= 580,2 км;

в) разность геодезических отметок ;

г) шероховатость труб=0,2 мм;

д) остаточный напор h_ост.=40 м.

- характеристики перекачиваемой  жидкости (дизельное топливо):

а) вязкость ν=8·10^-6 м²/с;

б) плотность ρ=847 кг/м³.

 Характеристики насосов  построены с использованием паспортных  данных и представлены в таблице  3 и на рисунке 2.1.

Гидравлический расчет трубопровода выполнен с помощью пакета Microsoft Office Excel и сведен в таблицу 2.

Таблица 2 - Гидравлический расчет трубопровода

Расход, Q, м3/ч	Скорость, W, м/с	Re	Re1	Re2	λ	hτ, м	i
250	0,334843	21513,7	25700	1285000	0,02613	168,522	0,00029
500	0,669686	43027,4	25700	1285000	0,02317	597,916	0,00103
750	1,004529	64541	25700	1285000	0,02144	1244,59	0,00215
984	1,317943	84677,9	25700	1285000	0,02044	2042,6	0,00352
1000	1,339373	86054,7	25700	1285000	0,02038	2103,86	0,00363
1250	1,674216	107568	25700	1285000	0,01966	3171,14	0,00547
1230	1,64742	105847	25700	1285000	0,01971	3078,17	0,00531
1500	2,009059	129082	25700	1285000	0,01914	4443,82	0,00766

 

В таблице 3 представлены результаты расчета характеристик трубопровода и перекачивающих станций.

Таблица 3 - Результаты расчета характеристик трубопровода и перекачивающих станций в режиме Q₁

Расход, Q, м3/ч	Напор насосов			Суммарная характеристика всех насосов (14НДсН+5*НМ 1250-260+4*НМ 1250-400)	Характерис- тика трубопровода
	14НДсН hп, м	НМ 1250-260 hм, м	НМ 1250-400 hм, м
0	54	319	580	3969	-127,8
250	53	312	540	3773	44,1
500	51	308	508	3623	482,1
750	48	298	495	3518	1141,7
1000	44	280	463	3296	2018,1
1250	39	260	400	2939	3106,8
1500	32	230	325	2482	4404,9

 

По данным таблицы 3 построена  совмещенная характеристика нефтепровода и перекачивающих станций для  режима с  производительностью Q₁ и показана на рисунке 2.2.

Рисунок 2.1 – Характеристики насосов

1 – характеристика  насоса типа НМ 1250-400; 2 – характеристика  насоса типа НМ 1250-260;  3 - характеристика  насоса типа 14НДсН; Q₁ – режим             с подачей1230 м³/ч и напором 402  м; Q₂ – режим с подачей 984 м³/ч                   и напором 462 м

Из рисунка 1.7 видно, что  при переходе на режим 0,8·Q₁ (уменьшение производительности до 984 м³/ч ) напор развиваемый станциями должен быть уменьшен до Н=1980 м, то есть на величину 3000-1980=1020 м. ЧРЭП предполагается устанавливать на насос марки НМ 1250-400. При отключении этого насоса в режиме Q₁ с рабочей точкой  А напор снижается на 400, поэтому если даже отключить этот насос, то не получим требуемого снижения напора      ΔH_ст.=1020 м, то есть напор нужно продолжать уменьшать.

Следовательно, либо ЧРЭП необходимо устанавливать не только на ЛПДС «Черкассы», но и на последующих станциях, либо необходимо сочетать ЧРЭП с отключением  других насосных агрегатов.

Для реализации такого режима возможно множество вариантов регулирования  с помощью изменения частоты  вращения вала насоса.  При этом  необходимо учитывать допустимые давления на входе и выходе НПС

Рисунок 2.2 – Совмещенная характеристика нефтепровода                         и перекачивающих станций

1 – суммарная характеристика  НПС; 2 - характеристика нефтепровода;

А – рабочая точка при  Q₁=1230 м³/ч; В – рабочая точка при Q₂=984 м³/ч.

 

2.3   Построение продольного профиля трассы МНПП «УЗН»

 

Для указанных выше режимов  с подачами Q₁=1230 м³/ч и Q₂=984 м³/ч построен продольный профиль трассы МНПП «УЗН» (Приложение А).

Расчетное значение гидравлического  уклона, соответствующее производительностям  Q₁ и Q₂, составляет соответственно i₁=0,00522 и i₂=0,00352 (таблица 2).

Напоры, развиваемые подпорными и магистральными насосами, при соответствующих  производительностях, определяются из рисунка 3 и равны:

 

- для Q₁  ,  ,

- для Q₂ , ,

 

Расчетные напоры станций  для режима Q₁:

 

- ЛПДС «Черкассы» H_ст=40+261+402=703 м;

- ЛПДС «Языково»  H_ст=261 м;

- ЛПДС «Субханкулово»  H_ст=261+402=663 м;

- ЛПДС «Тюрино» H_ст=261+402=663 м;

- ЛПДС «Георгиевка» H_ст=261+402=663 м.

 

Расчетные напоры станций  для режима Q₂:

 

- ЛПДС «Черкассы» H_ст=45+281+464=790 м;

- ЛПДС «Языково»   H_ст=281 м;

- ЛПДС «Субханкулово»  H_ст=281+464=745 м;

- ЛПДС «Тюрино» H_ст=281+464=745 м;

- ЛПДС «Георгиевка» H_ст=281+464=745 м.

 

Выполнено построение гидравлического  треугольника для производительности Q₁. За горизонтальный катет принят отрезок ab, равный l=100км, который отложен в масштабе длин (Приложение А) . Вертикальный катет ac гидравлического треугольника, равный

1,02·i₁·l=1,02·0,00531·100000=541,6200 м, отложен перпендикулярно отрезку ab в масштабе высот. Гипотенуза треугольника bc соответствует положению линии гидравлического уклона в принятых масштабах построений. Аналогично построен гидравлический треугольник для производительности Q₂,

 

ac^/=1,02·i₂·l=1,02·0,00352·100000=359,0400 м.

 

Из продольного профиля  трассы видно, что при режиме Q₂=984 м³/ч напор на выходе станций будет превышать допустимый Н_max (начиная             со станции Субханкулово и далее), что является недопустимым и может привести к нарушению работы трубопровода и даже к аварийным последствиям. 

Следовательно, необходимо уменьшать напор путем регулирования, а для этого необходимо устанавливать  ЧРЭП не только на ЛПДС «Черкассы», но и на последующих станциях.

Если исходить из того, что  перед каждой станцией необходимый  подпор H_min=35 м, то при построении опираемся на то, что перед каждой последующей станцией будет H_подп.=40 м. Тогда линия гидравлического уклона строится именно из этой точки (H_подп.=40 м). В этом случаем регулировать нужно практически на всех станциях, причем напор, который необходимо снизить, достаточно велик, поэтому целесообразнее производить регулирование не только ЧРЭП, но и отключением насосов. Режим с использованием ЧРЭП и отключением насосов представлен на продольном профиле трассы 2 (Приложение Б).

В дальнейшем рассмотрен именно второй вариант, то есть с использованием ЧРЭП на ЛПДС «Черкассы» и «Георгиевка», а также с отключением насосов.

Из продольного профиля  трассы 2 видно, что для режима Q₂ целесообразно отключить станцию «Языково» , тогда линия гидравлического уклона строится исходя из того, что подпор перед станцией «Субханкулово» H_подп=40 м, тогда напор станции «Черкассы» должен равняться H_ст.=578,2 м     (из продольного профиля трассы - 2). Фактический напор без регулирования на ЛПДС «Черкассы» равен 790 м, и его нужно снизить на величину         ΔН=211,8 м.

На ЛПДС «Субханкулово» насосы не отключаем, то есть работают насосы типа НМ 1250-260 и НМ 1250-400.

На ЛПДС «Тюрино» отключен насос марки НМ 1250-400, в работе остается насос типа НМ 1250-260. Требуемый  напор станции «Георгиевка» определяется исходя из того, что остаточный напор  на ЛПДС «Прибой» должен быть H_ост.=40 м. Тогда из продольного профиля трассы – 2 видно, что напор станции «Георгиевка»        H_ст.т.=345,5 м.

Получается следующая  комбинация включения и отключения насосов, а также, какие из них  подвергаются регулированию.

 Таблица 4 – Комбинация  включенных и регулируемых насосов.

Название ЛПДС	Включенные насосы
Черкассы	НМ 1250-260; НМ 1250-400 (регул.)
Языково	Отключена
Субханкулово	НМ 1250-260; НМ 1250-400
Тюрино	НМ 1250-260
Гергиевка	НМ 1250-400 (регул.)

 

Далее определяется  частота  вращения вала насоса на ЛПДС «Черкассы» и «Языково», и пересчитывается  его характеристика на новое число      оборотов [11].

Метод изменения частоты  вращения основан на теории подобия:

 

; ,                                                                                             (2.17)