Необходимость и методы регулирования работы НПС на магистральный трубопровод

К первой группе методов относятся: изменение коли­чества работающих насосов, изменение частоты вращения роторов, применение сменных роторов или обточки рабо­чих колес, ко второй - дросселирование, байпасирование, уменьшение гидравлического сопротивления трубопрово­дов (включением лупингов, введением в поток противо- турбулентных присадок или разбавителей и т.д.).

Характер изменения положения рабочей точки систе­мы «НПС - трубопровод» при использовании первой груп­пы методов регулирования представлен на рисунке ниже.

Совмещенная характеристика НПС и трубопровода при регулировании путем воздействия на характеристику станций (подпор условно не показан)

1 - характеристика трубопровода; 2 - характеристика НПС при трех работающих насосах (n=n_ном); 3 - характеристика НПС при трех работающих насосах после регулирования: а - уменьшением частоты вращения ротора (n<n_ном); б - применением сменных роторов меньшего диаметра; 4 - характеристика НПС при двух работающих насосах (n=n_ном); 5 - характеристика НПС при одном работающем насосе (n=n_ном)

Пусть точка А - рабочая точка системы до регули­рования. Ей соответствуют напор НПС, равный Н_А, и подача Q_A. Если отключить один из последовательно включенных насосов, то рабочей станет точка А₂ с па­раметрами Н_А2 и Q_A2. Отключив второй насос, рабочую точку системы можно перевести в точке A₃ с парамет­рами Н_А3 и Q_A3. Нетрудно видеть, что справедливо не­равенство Q_A3 < Q_A2 < Q_A. Если требуется обеспечить подачу Q_A2 < Q_A1 < Q_A, то это можно сделать либо из­менением числа оборотов ротора но отношению к но­минальной величине (n<n_ном), либо заменой одного из насосов резервным, у которого наружный диаметр ротора меньше.

Характер изменения положения рабочей точки сис­темы «НПС - трубопровод» при использовании второй группы методов регулирования представлен на рисун­ках ниже.

На рисунке ниже показано, что обеспечить подачу НПС, равную Q_Б < Q_А, можно как дросселированием (сделав рабочей точку Б), так и байпасированием (рабочая точка - точка Б₁).

Совмещенная характеристика НПС и трубопровода при регулировании дросселированием и байпасированием (подпор условно не показан)

1 - характеристика трубопровода до регулирования; 2 - характеристика НПС при трех работающих насосах (n=n_ном); 3 - характеристика трубопровода при дросселировании; 4 - характеристика трубопровода при байпасировании

На рисунке ниже показано, как изменяется положение рабочей точки системы «НПС - трубопровод» при умень­шении его гидравлического сопротивления.

Совмещенная характеристика НПС и трубопровода при регулировании уменьшением его гидравлического сопротивления (подпор условно не показан)

1 - характеристика трубопровода до регулирования; 2 - характеристика НПС при трех работающих насосах (n=n_ном); 3 - характеристика трубопровода после регулирования уменьшением его гидравлического сопротивления

Наилучшими являются те методы регулирования сис­темы «НПС - трубопровод», которые исключают дополни­тельные затраты энергии сверх той, которая необходима для преодоления сопротивления трубопровода при задан­ной производительности. К ним относятся:

• изменение частоты вращения роторов насосов;
• применение сменных роторов;
• обточка рабочих колес;
• изменение количества работающих насосов.

Изменение частоты вращения роторов насосов дос­тигается применением электродвигателей с регулируемым числом оборотов.

Теоретические основы данного метода исходят из фор­мул гидродинамического подобия центробежных насосов:

Q₁/Q₂ = n₁/n₂; H₁/H₂ = (n₁/n₂)²

где Q₁, Н₁ - подача и напор насоса при числе оборотов ротора n₁; Q₂, Н₂ - то же при числе оборотов ротора n₂.

Объединив формулы, можем записать

H₂ = H₁·(Q₂/Q₁)² = C·(Q₂)²

В качестве привода с регулируемым числом оборотов могут использоваться:

• тиристорные электроприводы переменного тока типа ПЧВН и ПЧВС на базе серийных синхронных элект­родвигателей;
• то же типа ЭТВА на базе асинхронных электродвига­телей с короткозамкнутым ротором;
• газовые турбины.

Их применение позволяет не только исключить пере­расход энергии на перекачку, но, кроме того:

• снизить переменные нагрузки на трубопровод и за­порную арматуру (клапаны, заслонки, задвижки), а следовательно, увеличить срок их службы;
• избежать в ряде случаев включения дополнительного насосного агрегата при необходимости увеличения производительности трубопровода (за счет увеличе­ния частоты вращения ротора работающих насосов).

В случае регулируемого электропривода к этим дос­тоинствам добавятся:

• ограничение пусковых токов электродвигателей ве­личиной не более I_ном (при нерегулируемом приводе они могут составлять до 7I_ном);
• исключение перегрузки питающих электросетей и трансформаторных подстанций в период пуска насос­ных агрегатов;
• увеличение срока службы электродвигателей за счет снижения динамических нагрузок.

Производство электродвигателей с регулируемой час­тотой вращения освоено многими ведущими фирмами Европы, США и Японии. Основные области их примене­ния - насосы на тепловых электростанциях, в химиче­ской промышленности, в водоснабжении. В России, к со­жалению, производство надежных, экономичных и про­стых в обслуживании регулируемых электродвигателей пока не освоено.

Другим перспективным видом регулируемого приво­да являются газовые турбины. В обозримой перспективе прирост добычи нефти в нашей стране будет обеспечи­ваться за счет освоения новых месторождений Восточ­ной Сибири, Крайнего Севера, а также шельфа Северно­го Ледовитого и Тихого океанов. Электроснабжение в этих регионах развито недостаточно, но имеются значитель­ные ресурсы газа, который можно использовать в каче­стве энергоносителя.

За рубежом в качестве силового привода насосов ма­гистральных трубопроводов чаще всего используются газотурбинные двигатели (ГТД) со свободной турбиной, созданные на базе авиационных двигателей. Они отлича­ются малой массой, компактностью, простотой конструк­ции, обслуживания и ремонта, высокой надежностью, работоспособны в любых климатических условиях, име­ют высокий уровень автоматизации.

Насосные установки на базе ГТД малокапиталоемки, мобильны, легки в монтаже, могут поставляться в блоч­но-комплектном исполнении.

Использование газотурбинного привода позволило со­кратить сроки строительства и уменьшить эксплуатацион­ные затраты на Трансаляскинском и Трансканадском неф­тепроводах, где ГТД авиационного типа приспособлены для работы как на газообразном, так и на жидком топливе. Любопытно, что последнее получается из перекачиваемой нефти путем ее перегонки в автоматическом режиме.

В отечественном нефтепроводном транспорте газотур­бинные насосные установки ПГНУ-2 успешно использо­вались для увеличения производительности нефтепрово­да Салават - Орск. Газотурбинный привод имеют насосы ряда НПС на нефтепроводе Тенгиз - Новороссийск.

Применение сменных роторов. Согласно ГОСТ 12124 для работы на режимах, отличающихся от номинальных, магистральные нефтяные насосы снабжаются роторами, рассчитанными на подачи 0,5·Q_ном и 0,7·Q_ном. КПД насо­сов со сменными роторами несколько меньше, чем при номинальных режимах работы насоса с основным рото­ром, но выше, чем при применении основного ротора на малых подачах. Чтобы убедиться в этом, достаточно срав­нить величины КПД, приведенные в таблице ниже.

Номинальные параметры центробежных насосов со сменными роторами

Обточка рабочих колес. Данный метод регулирова­ния предшествовал применению сменных роторов. Он обеспечивает более широкую область регулирования по­дачи насосов.

При обточке рабочего колеса по наружному диаметру область работы насоса смещается в сторону меньших по­дач и напоров. Это позволяет заранее подготовить насо­сы, хотя и одного типоразмера, но с разными характери­стиками (что необходимо для выбора наименее энергоем­ких режимов перекачки).

В основе расчета требуемого наружного диаметра ра­бочего колеса D'₂ лежат формулы гидродинамического подобия центробежных насосов:

Q/Q' = D₂/D'₂; H/H' = (D₂/D'₂)²,

где Н, Q - напор и подача насоса при наружном диамет­ре рабочего колеса D₂; Н'₂, Q' - то же при наружном диаметре рабочего колеса D'₂.

Объединяя формулы выше, получаем:

H/H' = (Q/Q')²,

откуда следует, что гидравлически подобные режимы работы насоса при обточке рабочего колеса также лежат на параболе. Соответственно, расчет напора Н', соответ­ствующего подаче Q', выполняется аналогично регули­рованию изменением числа оборотов ротора.

Требуемый диаметр рабочего колеса после обточки составит

D'₂ = D₂·√(H/H').

Следует подчеркнуть, что, хотя при обточке площадь сечения каналов рабочего колеса практически не изме­няется, план скоростей потока жидкости на выходе из него претерпевает изменения. Соответственно, изменяет­ся и КПД насоса. Поэтому при обточке следует руковод­ствоваться рекомендациями, приведенными в таблице ниже.

Рекомендуемые пределы обточки в зависимости от коэффициента быстроходности