Учебное пособие 2054
.pdf5.2. Построение характеристики нефтяного насоса
Характеристики нефтяного насоса представлены в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Справочные данные по насосу НМ 1250-260
Тип |
Н, |
Q, |
η, |
Н0, |
10-6b, |
а0, |
а |
b0 |
насоса |
м |
м3/ч |
% |
м |
ч2/м5 |
м |
|
|
НМ |
260 |
1250 |
80 |
216,4 |
40,9 |
0,092 |
0 |
0,76 |
1250-260 |
||||||||
10-2c0 |
10-4c1, |
10-8c2, |
b2, |
D0, |
D2, |
nS, |
ΔhДОПв, |
ν, |
|
ч/м3 |
ч2/м6 |
мм |
мм |
мм |
|
м |
мм2/с |
9,63 |
14,3 |
-69,6 |
26 |
353 |
418 |
62 |
20 |
150 |
Известны следующие исходные данные: t = 3 °C, ТНК = 317 К – температуры нефти и начала ее кипения соответственно; плотность нефти ρ=700 кг/м3, частота вращения вала n=3000 об/мин.
Необходимо построить характеристику насоса при работе на нефти с заданным коэффициентом кинематической вязкости ν.
Вычисляем число Рейнольдса по формуле (3.5):
ReН nD22 3000 4182 58241,3.
60 60 150
Определяем величину переходного числа Рейнольдса по формуле (3.6):
ReП 3,16 105 nS0,305 3,16 105 62 0,305 89744.
Определяем величину граничного числа Рейнольдса по формуле (3.7):
ReГР 0,224 105 nS0,384 0,224 105 620,384 109276.
Т.к. ReН ReП и ReН ReГР , то пересчет характеристики насоса с воды на перекачиваемую нефть необходим.
Для насоса двустороннего всасывания коэффициенты пересчета напора kН , подачи kQ и КПД k определяем по формулам (3.11), (3.12) и (3.13) соот-
ветственно:
kН 1 0,128lg ReП 1 0,128lg89744 0,976,
ReН 58241
kQ kН1,5 0,9761,5 0,964,
40
k 1 lg ReГР 1 0,346lg109276 0,905, ReН 58241
где - поправочный коэффициент, определяемый по формуле (3.14):
1,33nS0,326 1,3362S0,326 0,346.
Зная значения коэффициентов kН ,kQ ,k , рассчитываем значения аппрок-
симационных коэффициентов в формулах (3.1) и (3.3) при работе насоса на высоковязкой нефти через известные коэффициенты при работе насоса на воде (см. табл. 5.1) по формулам (3.15) - (3.19) соответственно:
a |
a |
|
|
|
|
kH |
|
0,092 |
0,976 |
0,093 м, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
kQ |
|
0,964 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
0 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
b |
b |
kH |
40,9 10 |
6 0,976 |
42,9 10 |
6 |
2 |
|
|
5 |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ч /м |
, |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
kQ2 |
|
|
|
|
|
0,9642 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
с0 |
k с0 0,905 0,0963 0,08715, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
с |
с |
|
|
k |
|
|
14,3 10 |
4 0,905 |
13,4 10 |
4 |
|
3 |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ч/м |
, |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,964 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
1 |
|
1 k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
с |
|
|
|
k |
|
69,6 10 |
8 0,905 |
67,78 10 |
8 |
|
2 6 |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ч /м |
. |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9642 |
|
|
||||||||||||||||||
2 |
|
2 kQ2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По известным параметрам работы насоса на воде Н,Q,η, (см. табл. 5.1) и с учетом полученных коэффициентов пересчета kН ,kQ ,k находим параметры
работы насоса на нефти по формулам (3.20) - (3.22) соответственно:
H0 kН H0 0,976 216,4 211,2 м,
Q kQQ 0,964 1250 1205 QНОМ м3/ч,
k 0,905 80 72,4 %.
Задаваясь коэффициентом Лейбензона m = 0,123, определяем границы рабочей зоны насоса по формулам (3.26)-(3.27):
Q1 0,8QНОМ 0,8 1205 964 м3/ч,
41
Q2 1,2QНОМ 1,2 1205 1446 м3/ч.
Определяем эмпирические коэффициенты А,Б, по формулам (3.24), (3.25):
Б 1446 964 0 42,9 10 6 1446 964 1,1 10 4 .
14462 0,123 9642 0,123
A 211,2 0 42,9 10 6 14462 1,1 10 4 14462 0,123 215 м.
Определяем значение напора Н при номинальной подаче QНОМ по форму-
ле (3.23):
ННОМ 215 1,1 10 4 12052 0,123 148,5 м.
Для построения зависимости Н=f(Q), задаемся дополнительными значе-
ниями |
подачи |
Q: |
Q 0,675Q |
НОМ |
0,675 1205 813,4 |
м3/ч, |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
Q 1,3Q |
НОМ |
1,3 1205 1566,5 |
м3/ч. Проводим расчет по формуле (3.23) че- |
||||
3 |
|
|
|
|
|
|
тыре раза при значениях подачи: Q0, Q1, Q2, Q3:
Н0 215 1,1 10 4 813,42 0,123 183,08 м.
Н1 215 1,1 10 4 9642 0,123 171,1 м.
Н2 215 1,1 10 4 14462 0,123 121 м.
Н3 215 1,1 10 4 1566,52 0,123 105,8 м.
Врезультате получим пять значений напоров при соответствующих подачах, представленных в табл. 5.2.
|
|
|
Значения функции Н=f(Q) |
|
|
Таблица 5.2 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напор, Н, м |
|
183,08 |
171,1 |
148,5 |
|
121 |
|
105,8 |
|
|
Подача Q, м3/ч |
|
813,4 |
964 |
1205 |
|
1446 |
|
1566,5 |
|
По данным табл. 5.2 |
строится графическая зависимость |
Н=f(Q), пред- |
ставленная на рис. 5.1.
42
Н, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
190 |
|
|
|
|
|
|
|
|
180 |
|
|
|
|
|
|
|
|
170 |
|
|
|
|
|
|
|
|
160 |
|
|
|
|
|
|
|
|
150 |
|
|
|
|
|
|
|
|
140 |
|
|
|
|
|
|
|
|
130 |
|
|
|
|
|
|
|
|
120 |
|
|
|
|
|
|
|
|
110 |
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
1600Q, м3/ч |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
1400 |
1500 |
|
|
|
Рис. 5.1. Напорная характеристика насоса |
|
|
Используя формулу (3.3), определяем пять значений КПД η при соответствующих Q, полученные значения заносим в табл. 5.3, и строим зависимость
η=f(Q).
Значения КПД η при соответствующих Q:
0 0,08715 13,4 10 4 813,4 67,78 10 8 813,42 0,729,
1 0,08715 13,4 10 4 964 67,78 10 8 9642 0,749,
0,08715 13,4 10 4 1205 67,78 10 8 12052 0,718,
НОМ
2 0,08715 13,4 10 4 1446 67,78 10 8 14462 0,608,
3 0,08715 13,4 10 4 1566,5 67,78 10 8 1566,52 0,523.
Полученные значения заносим в табл. 5.3.
Таблица 5.3.
Значения функции Н=f(Q)
КПД η |
0,729 |
0,749 |
0,718 |
0,608 |
0,523 |
Подача Q, м3/ч |
813,4 |
964 |
1205 |
1446 |
1566,5 |
На рис. 5.2 представлена графическая зависимость КПД η от подачи Q.
43
η |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,75 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,65 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,55 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
1600Q, м3/ч |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
1400 |
1500 |
|
|
|
|
Рис. 5.2. Характеристика КПД насоса |
|
|
Находим скорость жидкости во всасывающем патрубке насоса ВХ , м/с, по формуле (3.29):
|
ВХ |
|
4Q |
|
4 1205 |
3,42м/с. |
|
3600 D2 |
3600 3,14 0,3532 |
||||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
0 |
|
|
|
Для нефти давление насыщенных паров находим по формуле (3.30):
5 |
|
|
|
|
|
|
Т |
НК |
5 |
|
|
|
317 |
|
|
||
PS 10 |
exp |
10,53 |
1 |
|
|
10 |
|
exp |
10,53 |
1 |
|
|
20924,7 Па. |
||||
|
|
|
3 273 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|||||
Находим напор, соответствующий давлению РS, по формуле (3.31) |
|||||||||||||||||
|
|
h |
|
PS |
|
20924,7 |
|
3,05м нефтяного столба. |
|||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
S |
|
|
g |
|
|
700 9,81 |
|
|
|
|
|
|
|
Находим значение числа Рейнольдса на входе в насос по формуле (3.32):
Re |
ВХ D0 |
|
3,42 0,353 |
|
8048,4. |
|
|
150 10 6 |
|||||
|
|
|
Определяем значение коэффициента сопротивления на входе в насос ВХ по формуле (3.33):
ВХ 16 13,1 lgRe 2,75 0,354 16 13,1 lg8048,4 2,75 0,354 2,21.
44
Определяем поправки на температуру и вязкость перекачиваемой жидкости по формуле (3.35) и (3.36) соответственно:
h |
0,471h0,45 |
0,471 3,050,45 0,778 м, |
|||||
t |
|
|
S |
|
|
|
|
h |
|
|
2 |
|
3,422 |
|
|
|
ВХ |
ВХ |
2,21 |
|
1,317 м. |
||
|
|
||||||
|
|
2g |
|
2 9,81 |
Принимая коэффициент запаса kh =1,1, определяем допустимый кавитационный запас насоса при перекачке нефти по формуле (3.36):
hДОП hДОПв kh ht h 20 1,1 0,778 1,317 20,59 м,
Определяем минимальное давление на входе по формуле (3.28):
Р Р |
g h |
|
|
2 |
|
|
|||
ДОП |
|
ВХ |
|
|
|
||||
|
|
|
|||||||
ВХ |
S |
|
|
2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
700 3,422 |
||
20924,7 700 9,81 20,59 |
|
158222,5 Па. |
|||||||
2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Зная величину hДОП |
при работе на нефти, рассчитываем значения hДОП |
||||||||
для заданных значений подачи насоса Q по формуле (3.2). |
|||||||||
При значениях Q QНОМ значение hДОП |
постоянно и равно 20,59 м. При |
||||||||
значениях Q QНОМ производим расчет: |
|
|
hДОП2 0,093 14460,76 23,45м,
hДОП3 0,093 1566,50,76 24,92м.
Полученные значения сводим в табл. 5.4.
Таблица 5.4.
Значения функции hДОП =f(Q)
hДОП , м |
20,59 |
20,59 |
20,59 |
23,45 |
24,92 |
|
|
|
|
|
|
Подача Q, м3/ч |
813,4 |
964 |
1205 |
1446 |
1566,5 |
На рис. 5.3 представлена графическая зависимость hДОП от подачи Q, яв-
ляющаяся характеристикой допустимого кавитационного запаса насоса.
45
hДОП ,м |
|
|
|
|
|
|
|
|
25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
24 |
|
|
|
|
|
|
|
|
23 |
|
|
|
|
|
|
|
|
22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
1600 Q, м3/ч |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
1400 |
1500 |
|
|
|
Рис. 5.3. Графическая зависимость hДОП от подачи Q |
|
Используя зависимость (3.37) находим значения мощности при соответствующих Q, H, η:
N0 10 3 813,4 700 9,81 183,08 431,94 кВт, 3600 0,729 0,93 0,97
N1 3,02 10 6 964 700 171,1 465,5 кВт, 0,749
NНОМ 3,02 10 6 1205 700 148,5 526,8 кВт, 0,718
N2 3,02 10 6 1446 700 121 608,35 кВт, 0,608
N3 3,02 10 6 1566,5 700 105,8 669,9 кВт. 0,523
Полученные значения мощностей сводим в табл. 5.5.
Таблица 5.5
Значения функции N=f(Q).
N, кВт |
431,94 |
465,5 |
526,8 |
608,35 |
669,9 |
Подача Q, м3/ч |
813,4 |
964 |
1205 |
1446 |
1566,5 |
На рис. 5.4 представлена графическая зависимость мощности от подачи насоса.
46
N, кВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
650 |
|
|
|
|
|
|
|
|
600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
550 |
|
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
450 |
|
|
|
|
|
|
|
|
400 |
|
|
|
|
|
|
|
1600Q, м3/ч |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
1400 |
1500 |
|
|
Рис. 5.4. Графическая зависимость мощности насоса от подачи |
|
Составляем итоговую таблицу зависимости основных характеристик насоса от подачи (табл. 5.6)
Таблица 5.6 Итоговая таблица для построения характеристики насоса
Мощность N, кВт |
431,94 |
465,5 |
526,8 |
608,35 |
669,9 |
hДОП , м |
20,59 |
20,59 |
20,59 |
23,45 |
24,92 |
|
|
|
|
|
|
КПД η |
0,729 |
0,749 |
0,718 |
0,608 |
0,523 |
Напор, Н,м |
183,08 |
171,1 |
148,5 |
121 |
105,8 |
Подача Q, м3/ч |
813,4 |
964 |
1205 |
1446 |
1566,5 |
По данным табл. 5.6 строим характеристику насоса (пример построения представлен в прил. 3).
Находим оптимальное значение подачи насоса QОПТ по формуле (3.38)
Q |
с |
|
13,4 10 4 |
988,5 м3/ч. |
1 |
|
|||
|
2 67,78 10 8 |
|||
ОПТ |
2c2 |
|
|
|
|
|
|
На перекачивающих станциях, имеющих резервуарный парк, подпорные насосы для основных насосов с подачами 1250 м3/ч и более подбираются по условию равенства номинальных подач (подача одного подпорного насоса или нескольких, установленных параллельно, должна быть равна подаче основного магистрального насоса).
Для магистрального насоса НМ 1250-260 выбираем по табл. П.8.1 прил. 8 подпорный насос НПВ 1250-60, параметры которого представлены в табл. 5.7.
47
Таблица 5.7
Справочные данные по насосу НПВ 1250-60
Типора- |
Н0,м |
10-6b, |
а0, |
10 |
-2 |
с0 |
10-4с1, |
10-8с2, |
Двх, |
Д2, |
nS |
n, |
η,% |
ΔhДОПв, |
N, |
змер |
ч2/м5 |
м |
|
ч/м3 |
ч2/м6 |
мм |
мм |
об/мин |
|
м |
кВт |
||||
насоса |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НПВ |
59,9 |
8,9 |
2,3 |
17,2 |
8 |
-24 |
800 |
475 |
127 |
1500 |
76 |
2,2 |
400 |
||
1250-60 |
Определяем подачу подпорного насоса в оптимальном режиме по формуле (3.38):
Q |
с |
8 10 4 |
1666,7 м3/ч. |
|
1 |
|
|
||
|
2 24 10 8 |
|||
ОПТ |
2c2 |
|
||
|
|
Находим оптимальный КПД по формуле (3.3):
ОПТ c0 c1Q c2Q2 17,2 10 2 8 10 4 1666,7 24 10 8 1666,72 0,839.
С учетом того, что коэффициент а = 0, находим напор подпорного насоса в оптимальном режиме по формуле (3.1)
HОПТ H0 aQ bQ2 59,9 8,9 10 6 1666,72 31,2 м.
Находим значение напора подпорного насоса при номинальной подаче
1250 м3/ч по формуле (3.1):
H H0 aQ bQ2 59,9 8,9 10 6 12502 46 м.
Принимаем к установке два подпорных насоса, основной и резервный, устанавливаемые параллельно.
5.3. Расчет системы маслоснабжения
Исходными данными являются: плотность масла при температуре 293 К ρ = 875 кг/м3; температуры масла на входе t1М =25 ºС и выходе t2М =65 ºС из подшипников, ºС; мощность двигателя NДВ=1250 кВт; КПД подшипников ηП = 0,99. Рассчитать систему маслоснабжения.
Определяем энтальпию масла до и после подшипников при известных температурах t1М и t2М по формуле (4.1) и (4.2):
i |
|
0,0536 |
t |
t |
995 , |
0,0536 |
|
25 25 995 46,21 кД/кг, |
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
1М |
|
|
1М |
1М |
875 |
|
|
48
i |
М |
|
0,0536 |
t |
2М |
t |
М |
995 |
0,0536 |
|
65 65 995 124,85 кД/кг. |
|||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
2 |
|
|
|
2 |
875 |
|
|
Принимая количество работающих насосных агрегатов nА = 4, необходимый расход масла находим из уравнения теплового баланса по формуле (4.3):
GМ nАN |
|
1 |
П |
|
4 1250 |
|
1 0,99 |
|
0,636 кг/с. |
|
ДВ |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
124,85 46,21 |
||||||||
|
i2М i1М |
|
|
|
|
Определяем подачу маслонасоса по формуле (4.4):
QМ 3600GМ 3600 0,636 2,62 м3/ч.
875
По полученному значению подачи маслонасоса QМ и с учетом допустимого давления в маслосистеме (не более 0,4 МПа) по рис. П.4 выбираем тип насоса и из табл. П.4, выписываем тип насосного агрегата и заносим его характеристики в табл. 5.8.
|
Характеристики масляного насоса |
|
Таблица 5.8 |
||||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип |
Тип |
Q, |
H, |
N, |
m, |
hвак, |
|
n, |
|
насоса |
агрегата |
м3/ч |
МПа |
кВт |
кг |
м |
|
об/мин |
|
НМШ5-25 |
НМШ5-25-4,0/4-5 |
4 |
0,4 |
1,5 |
46,7 |
5 |
|
1450 |
|
К установке принимаем два насоса, один из которых резервный.
Находим массовый расход масла в системе с учетом принятого насоса по формуле (4.10):
G |
Q |
|
875 4 |
0,972 кг/с. |
3600 |
|
|||
|
3600 |
|
Количество тепла, которое необходимо отвести от масла, находим по фор-
муле (4.11):
Q G i2М i1М 0,972 124,85 46,21 76,46 кВт.
Принимая давление воздуха, идущего в систему охлаждения, равным нормальному атмосферному (101325 Па) находим плотность по формуле (4.12)
|
|
|
|
ТН |
1,293 |
273 |
1,205кг/м3, |
|
В |
Н ТВ |
20 273 |
||||||
|
|
|
|
49