книги / Типовые расчёты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов
..pdfветствующий вариант. При округлении числа станций в большую сторону требуемая производительность трубопровода достигается при его работе на переменных режимах.
Если же заказчик настаивает на точном обеспечении проект ной производительности нефтепровода, то необходимо прибегнуть к регулированию либо характеристик станций, либо трубопровода, либо того и другого.
§5.2. Регулирование совместной работы насосных станций и нефтепровода
Регулирование совместной работы трубопровода и насосных станций осуществляется следующими методами:
1) изменением количества работающих насосов;
2 ) применением сменных роторов или обточки рабочих колес;
3)изменением частоты вращения вала насоса;
4)дросселированием;
5)байпасированием (перепуск части жидкости из напорной во всасывающую линию);
6 ) применением противотурбулентных присадок.
Регулирование работы нефтепровода изменением количества ра ботающих насосов применяется на действующих нефтепроводах и описано ниже.
Регулирование применением сменных роторов или обточкой ра бочих колес применяется при округлении числа насосных станций в большую сторону (п' > п ) . При этом напор каждой станции дол жен быть уменьшен с Нст до Н*т, величина которого находится по формуле
Уменьшение напора станций достигается применением рабо чих колес меньшего диаметра или их обточкой. Требуемый диаметр рабочего колеса находится по формуле
(5.34)
139
где |
h*H- необходимый напор одного насоса, h*H= Н ^ /ш мн. |
При |
а = 0 формула (5.34) принимает вид |
(5.35)
Для построения характеристики H - Q насоса с обточенным колесом используются следующие соотношения:
|
(5.36) |
где |
- соответственно напор и подача на заводской ха |
рактеристике насоса.
В зависимости от величины коэффициента быстроходности ns обточку колес можно выполнять в следующих пределах: при 60 < ns < 12 0 допускается обрезка колес до 2 0 %; при 1 2 0 ^ п5 < 2 0 0 - до 15 %; п р и 2 0 0 ^ n s < 3 0 0 - д о 10%.
На практике обточку всех рабочих колес не производят, а ре шают смешанную задачу: часть роторов насосов заменяют на смен ные, а часть обтачивают.
Пусть неизменными роторы остаются на п2 станциях, суммар ный напор всех насосов со сменными роторами равен Нш , а сум марный напор насосов с обточенными рабочими колесами равен
Н *. Легко показать, что в этом случае |
|
Н *+ Нм = (п , - п 2)-Н ет |
(5.37) |
Задача заключается в том, чтобы при заданном числе насосов, оставшихся на ( п '- п ,) - станциях, подобрать такую комбинацию включения сменных роторов, чтобы необходимая обточка была ми нимальной.
Изменение частоты вращения ротора —прогрессивный и эконо мичный метод регулирования, позволяющий полностью исключить обточку рабочих колес.
Согласно теории подобия центробежных насосов параметры их работы при изменении частоты вращения ротора связаны соотно шениями:
(5.38)
где |
H ,,Q , - напор и подача насоса при частоте n ^ ,; H2,Q 2 - то |
же при |
п ^ . |
Несложно показать, что коэффициенты в уравнении напорной характеристики насоса с измененной частотой вращения ротора равны
Н* = Н |
( n |
V |
= а |
1об2 ; ь* = ь- |
(5.39) |
|
■ |
и об2 |
а |
||||
|
V Поб1 J |
|
‘об1 |
|
||
При новом числе оборотов |
величина суммарного развива |
|||||
емого напора в уравнении баланса напоров имеет вид |
|
|||||
|
( „ |
\ |
2 |
( |
\ |
|
Н = п т мн Н„ |
П об2 |
+ aQ- |
П об2 - b Q 2 |
(5.40) |
||
|
1 П об1 ) |
|
1 Поб1 ) |
|
С учетом (5.40) уравнение (5.31) легко приводится к квадратно му, решением которого является искомая величина относительного изменения числа оборотов роторов насосов
-aQ + (aQ) 2 - 4Н0 |
H - N , (Н 2 - Н ,„ ) |
|
|
bQ2 - |
|
||
‘об2 _ |
п • т . |
• (5.41) |
|
2Н„ |
|||
■об1 |
|
Если регулирование осуществлять в пределах только одного эк сплуатационного участка, то в формуле (5.41) под п следует пони мать число насосных станций, на которых прибегли к регулирова
нию изменением числа оборотов ротора, а под Н - разность между полным напором, необходимым для ведения перекачки, и напором, развиваемым насосными станциями, на которых регулирования не производится.
Применение противотурбулентных присадок - эффективный метод уменьшения гидравлического сопротивления трубопроводов за счет гашения турбулентных пульсаций. Введение присадки в поток приво дит к тому, что изменяется величина коэффициента А0 в выражении для так называемого универсального закона сопротивления
— = 0 ,88'ln(A o Re л /^ )-3 ,7 4 5 , |
(5.42) |
||
А. |
' |
' |
|
где X - коэффициент гидравлического сопротивления при числе Рейнольдса Re; А0 -числовой коэффициент, при отсутствии при садки А0 = 28.
141
При обработке противотурбулентной присадкой величина ко эффициента А 0 увеличивается. Зависимость А0 от концентрации присадки 0 П (г/т) является эмпирической и задается либо таблич но, либо в виде функции. Так, для присадки «CDR-102» американс кой фирмы «Dupon — Conoco»
А(9) = 1,48 -0l'2< |
(5.43) |
а для присадки «NECCAD-547» финской фирмы «Neste»
А (0) = 0,407 -О'-29 |
(5.44) |
При прохождении через насосы противотурбулентные присадки разрушаются. Поэтому применять их необходимо на перегоне, об служиваемом последней насосной станцией.
Для того чтобы обеспечить плановую производительность пере качки количеством насосных станций меньшим, чем расчетное (п" < п ) , необходимо, чтобы на последнем перегоне коэффициент гидравлического сопротивления был равен (с учетом, что для маги стральных трубопроводов обычно в формуле (3.1) а= 0)
|
Х = Х ~ — |
|
- X |
(5.45) |
|
|
|
U |
|
|
где X - коэффициент гидравлического сопротивления при пе |
|||
рекачке нефти с расходом Q |
без применения присадки; |
А,0 - то же |
||
при |
расходе Q0, соответствующем работе п" |
насосных станций; |
||
у - |
требуемое увеличение расхода п" насосных станций, |
%= Q /Q 0 \ |
||
Z n - |
длина последнего перегона, на котором осуществляется пере |
|||
качка нефти, обработанной присадкой. |
|
|
||
|
Требуемая величина коэффициента А 0 (0) |
при известном зна |
||
чении А,п определяется как |
|
|
|
|
|
Л(9) = |
"1 + 3,745У С |
(5.46) |
|
|
ехр |
|
||
|
|
< 0,88,jx^ |
J |
|
По известной величине А (0) из формул (5.43) или (5.44) можно найти искомую концентрацию присадки, обеспечивающую выпол нение заданного объема перекачки меньшим, чем расчетное, чис лом насосных станций.
142
§ 5.3. Расстановка насосных станций по трассе нефтепровода
Размещение насосных станций на трассе неф тепровода производится графическими построениями на сжатом профиле трассы при известных значениях следующих параметров:
1) гидравлического уклона для основной магистрали /;
2 ) гидравлического уклона для участков с лупингами (вставка ми) /л (/„);
3) напоров, развиваемых основными насосами каждой насосной
станции { н с т /} ;
4)величины подпора на входе в основные насосы головной и промежуточных насосных станций Н 2;
5)остаточного напора на входе в конечные пункты эксплуата ционных участков и нефтепровода в целом Н кп.
Рассмотрим суть графического метода расстановки станций на примерах.
Схема графических построений при расстановке насосных стан ций по трассе нефтепровода постоянного диаметра без лупингов (вста вок) представлена на рис. 5.1.
Построение начинаем с того, что в начале нефтепровода (точка А) с учетом вертикального масштаба откладываем напор Нст1,
Рис. 5.1. Расстановка насосных станций по трассе нефтепроводапостоянного диаметра без лупингов и вставок
143
развиваемый основными насосами первой насосной станции. Затем вычисляем длину перегона, на который хватило бы напора Н ст1 при условии, что нефтепровод был бы горизонтальным
^ i = H cr i / ( 1»0 2 i) . |
(5 -4 7 ) |
и откладываем ее от начала нефтепровода с учетом горизон тального масштаба. Соединив полученные точки, получаем ли нию гидравлического уклона в трубопроводе постоянного диаметра без лупингов и вставок. Точка пересечения данной линии с про филем (т. М) соответствует месту расположения второй насосной станции.
Откладываем в т. М напор Нст2, из полученной точки проводим линию гидравлического уклона параллельно предыдущей и получа ем при пересечении ее с профилем точку размещения следующей насосной станции (т. N).
Построения для последней насосной станции выполняются в качестве проверки. В точке N по вертикали в масштабе откладываем сумму напора последней станции Нст3 и разности Н2 - Нкп. Если все расчеты и построения выполнены верно, то линия гидравлического уклона, проведенная из полученной точки, должна прийти точно в конечную точку нефтепровода.
Величины располагаемого напора в трубопроводе найдем, доба вив к изменению собственного напора станций по длине величину подпора Н2.
При наличии лупингов (вставок) задача расстановки насосных станций по трассе усложняется, т.к. необходимо распределить об щую длину лупингов (вставок) по перегонам между станциями.
Для ее решения предлагается следующий алгоритм. Местоположение насосных станций в определенной степени
предопределено. Во-первых, в силу однотипности применяемого оборудования протяженность перегонов между станциями различа ется не очень сильно. Во-вторых, расположение станций обычно привязано к населенным пунктам. В-третьих, на трассе существуют участки, где насосные станции заведомо не могут быть размещены (болотистая местность, заповедники и т.п.).
Предположим, что расположение насосных станций предопре делено по последней причине (участки, запрещенные для их разме щения, на рис. 5.2 заштрихованы). Первым делом строим линию гидравлического уклона для участка трубопровода с лупингом. Для этого вычисляем потери напора на участке длиной £\ равные l,0 2 in-c*, откладываем их в вертикальном масштабе в т. А, после чего через концы отрезков проводим искомую линию.
144
§5.4. Расчет нефтепровода при заданном расположении насосных станций
В соответствии с «Нормами технологического проектирования» насосные станции (НС) целесообразно размещать вблизи населенных пунктов, источников энерго- и водоснабжения, существующей сети автомобильных и железных дорог. Определен ные требования предъявляются и к площадкам НС (несущая спо собность грунта, расположение относительно водоемов, населенных пунктов и т.д.). Поэтому нередко при проектировании вместо рас становки НС на профиле трассы приходится решать обратную задачу: проверять соответствие напоров и подпоров станций их допустимым значениям, когда местоположение станций предопределено.
Расчет нефтепроводов при заданном расположении НС выпол няется и с целью выявления возможных режимов перекачки на дей ствующем трубопроводе.
Производительность нефтепровода в пределах эксплуатаци онного участка с числом НС равным п, может быть вычислена по формуле
{ |
"I |
^2-1 |
|
а П + /7 J А 1 —A z -H КП |
|
____ Ы____________ |
(5.48) |
|
Q = |
|
|
|
b . + f L + ^ B , |
|
Ч |
i=l |
/ |
где А;, Б; - коэффициенты в уравнении вида (3.6), описывающем напорную характеристику i - той НС; ап, Ьп - коэффициенты в урав нении вида (3.6), описывающем суммарный напор подпорных насо сов головной НС; f - гидравлический уклон при единичном расходе
f = l,0 2 p - ^ - . |
(5.49) |
а |
|
Величины А;,Б ;,а п,Ь п вычисляются в зависимости от схемы соединения насосов на НС, режима течения нефти и с учетом воз можного различия используемых в однотипных насосах роторов.
В пределах эксплуатационного участка фактические подпор и напор НС № С вычисляются по формулам:
ЛН. = а . + 1 > , |
- Aze - Q ’-" (в . + ЗГБ, + |
(5.50) |
|
1*1 |
Ч |
i«l |
i-1 J |
146
|
Нс = ЛНС+ Ас - BcQ2_m, |
где |
Azc - разность геодезических отметок С — той и головной |
НС; |
- длина перегона между i -т о й и (i +1) —ой НС. |
Найденные величины ДНСи Нс должны удовлетворять условиям:
AHj > AHmini; Н *<Н сттаХ1, |
(5.51) |
где AHmini, H ^ ^ j - разрешенные значения соответственно ми нимального подпора на входе и максимального напора на выходе i -т о й НС.
Если не выполняется первое из неравенств (5.51), то необходи мо принять меры по уменьшению гидравлического сопротивления отдельных перегонов (прокладкой лупингов, применением противотурбулентных присадок и т.д.). При невыполнении второго из нера венств (5.51) необходимо уменьшить напоры НС (отключением час ти насосов, применением сменных роторов, дросселированием и т.д.).
Для конечного пункта величина необходимого остаточного на пора по уравнению (5.50) обеспечивается автоматически - в соот ветствии с уравнением баланса напоров.
§5.5. Выбор рациональных режимов эксплуатации магистрального нефтепровода
Несмотря на существование множества возмож ных режимов эксплуатации нефтепроводов, использовать необходи мо те из них, при которых удельные затраты электроэнергии на пе рекачку 1 тонны нефти будут наименьшими.
Для j -т о го режима работы нефтепровода величина удельных энергозатрат рассчитывается по формуле
(
Еуд; - |
^ narpjn ^ j^ n o r p ij |
(5.52) |
P Q J |
i=l |
|
где N n0Tpjn - мощность, потребляемая электродвигателями под порных насосов головной НС при работе на j - том режиме; N nOTpij -т о же для электродвигателей магистральных насосов i - т о й НС; nHj-общ ее число работающих основных насосов на станциях при j -то м режиме.
Величина мощности, потребляемой электродвигателем насоса при работе на j - том режиме, определяется по выражению
147
^ |
_ |
P 8 H Hj Q HJ |
|
|
(5.53) |
|
nOTPJ |
Л^Л^Лмех |
где H Hj, QHj, r|Hj - соответственно напор, подача и к.п.д. рассмат |
||
риваемого насоса при работе на |
j - том режиме; T|3Jlj -к .п .д . элект |
родвигателя при рассматриваемом режиме; г|мех-к .п .д . механичес кой передачи, для механической муфты можно принять г|мех =0,99.
К.п.д. насоса вычисляется по формуле (3.3). К.п.д. электродви гателя наиболее точно может быть найден по характеристике после
днего. Если таких данных нет, то т ц |
находится с учетом потери |
|
мощности электродвигателя по формуле |
|
|
Лэл; 1+ |
|
(5.54) |
2 л „ о А |
|
|
где Лном -к .п .д . электродвигателя |
при |
номинальной нагрузке, |
Л„ом = 0,96...0,98; к 3 - коэф ф ициент |
его |
загрузки, k 3 = N H/N H0M; |
N H- мощность на валу электродвигателя (определяется по формуле (5.53) без учета TI^ ); N H0Mноминальная мощность электродвигателя.
Найденные для всех возможных режимов работы нефтепровода величины E yjlj наносятся на график в зависимости от Qj} и через минимальные значения Еуд при Qj = const строится огибающая ли ния. Тем самым выявляется множество рациональных режимов экс плуатации нефтепровода.
Дальнейшие расчеты выполняются следующим образом. Пусть за дан плановый объем перекачки в течение некоторого времени . Следовательно, средняя производительность перекачки в течение пла новою периода времени составит Q = /т ^ . Поскольку, как правило, найденная величина Q не совпадает ни с одним из рациональных режи мов, то обеспечить плановый объем перекачки возможно только при циклической перекачке на двух режимах, удовлетворяющих условию
Q , < Q < Q 2 > |
(5.55) |
где Q ,,Q 2 - производительность трубопровода при ближайших рациональных режимах перекачки соответственно слева и справа от величины Q .
Продолжительность работы нефтепровода на каждом из этих
режимов составляет |
|
|
|
|
т = х |
Q a z Q . т |
=х |
Q _I QL |
(5.56) |
1 |
“ Q 2 - Q I ’ |
2 |
пл Q 2 —Q , * |
|
148