3.3 Методы регулирования режимов работы нпс

Регулирование работы НПС может осуществляться методами плавного и ступенчатого регулирования.

К методам плавного регулирования относятся:

1) байпасирование – перепуск части жидкости из напорной во всасывающую линии;

2) дросселирование;

3) изменение частоты вращения ротора насоса.

К методам ступенчатого регулирования относятся:

1) изменение числа работающих насосов или схемы их соединения;

2) применение сменных роторов или обточки рабочих колес, рассчитанных на номинальную подачу.

3.3.1 Методы ступенчатого регулирования

Наибольшее применение получил второй метод. После обточки рабочего колеса на станке изменяются напор, подача, КПД и потребляемая мощность. При этом

где D₀ и D – диаметр рабочего колеса до и после обточки, а Н₀, Q₀, Н и Q – соответствующие значения напора и подачи (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Изменение режима работы НПС обточкой рабочего колеса

После подстановки значений Н₀ и Q₀ в выражение для Q – H характеристики для необточенного колеса получим рабочую характеристику насоса с обточенным колесом

или (1)

Диаметр рабочего колеса после обточки, необходимый для обеспечения требуемых напора Н и подачи Q, можно найти из (1):

.

Диаметр колеса, необходимый для уменьшения напора на ∆Н при той же подаче Q₀, найдем, вычитая из исходной характеристики насоса выражение (1), в котором Q = Q₀:

. (2)

Из (2) находим диаметр колеса после обточки

После обточки снижается КПД насоса и увеличиваются энергозатраты на перекачку. Степень допустимой обточки колеса зависит от конструкции насоса, т.е. коэффициента быстроходности.

Для насосов малой быстроходности допустимая обточка в процентах от первоначального диаметра D₀ больше, чем для насосов с большим коэффициентом быстроходности. Рекомендуются следующие пределы допустимой обточки в зависимости от коэффициента быстроходности:

Коэффициент быстроходности, nS	Допустимая обточка, %	Снижение КПД насоса на 10% обточки колеса, %
60 – 120 120 – 170 170 – 220	20 – 15 15 – 11 11 ÷ 5	1 ÷ 1,5 1,5 ÷ 2,5 2,5 ÷ 3,5

Например, для насосов НМ 1250 – 260 и НМ 2500 – 230 допустима обточка до 20%, для НМ 3600 – 230 и НМ 5000 – 210 – до 15%, НМ 7000 – 210 – до 11%, а для НМ 10000 – 210 – до 7%. Отметим, что предпочтительней обточка рабочих колес подпорных насосов, которые, как правило, создают напор, значительно превышающий требуемый подпор основных насосов. При этом после пересчета Q – H характеристики подпорного насоса с обточенным рабочим колесом необходимо проверить правильность выбора насоса по развиваемому напору и всасывающей способности.

Применение обточки рабочих колес не дает эффекта при значительном снижении подачи, т.к. КПД насоса существенно снижается. В этом случае наиболее рациональным методом является использование сменного ротора, устанавливаемого в корпусе насоса, рассчитанного на номинальную подачу. При этом у рабочего колеса изменяется наружный и внутренний диаметр рабочего колеса (D₂ и D₀), ширина каналов рабочего колеса b₂ и угол наклона лопаток на выходе β₂.

КПД насоса со сменными роторами ниже, чем у насоса с основным колесом на оптимальном режиме на 2 ÷ 5% , но значительно выше КПД насоса с основным ротором на подачах 0,5Q_ном.. При этом обточка сменных роторов на пониженную подачу не допускается. Преимущество использования сменных колес заключается в том, что все другие узлы насоса остаются без изменения и при этом достигается нужное значение КПД.

Рассмотренный метод регулирования режима работы НПС является экономичным, т.к. при работе станции затрачивается только энергия, необходимая для получения требуемого режима перекачки. Недостатком метода является невозможность его выполнения без остановки насосов, поэтому его применяют в следующих случаях:

1) при проектировании расстановки станций по трассе магистрального нефтепровода;

2) при установившемся на длительное время режиме перекачки;

3) при учете сезонного изменения вязкости перекачиваемой жидкости и т.д.

Первый из вышеназванных методов ступенчатого регулирования режима работы НПС имеет ряд существенных недостатков. Например, при уменьшении числа работающих насосов в соответствии с Q – H характеристикой трубопровода или при увеличении их числа для повышения производительности недогруженного нефтепровода требуется осуществлять подрегулирование режима работы станции с помощью неэкономного метода дросселирования. При изменении же схемы соединения насосы будут работать в режимах с низким КПД. Следовательно, данный метод регулирования является неэкономичным.

3.3.2 Методы плавного регулирования

Прогрессивным и экономичным методом, позволяющим полностью исключить обточку рабочих колес насосов, является изменение частоты вращения ротора.

Согласно теории подобия центробежных насосов параметры их работы при изменении частот вращения ротора связаны соотношениями:

и

где n₀ и n – частота вращения ротора при номинальной и измененной частоте вращения, а Н₀, Q₀, H и Q – соответствующие значения напора и подачи.

Рабочую Q – H характеристику насоса с измененной частотой вращения (рис. 3.5) можно получить по аналогии с Q – H характеристикой насоса с обточенным колесом в виде (рис. 3.5)

(1)

Рис. 3.5 Изменение режима работы НПС сменой числа оборотов ротора

Число оборотов n, необходимое для обеспечения требуемых напора Н и подачи Q, как следует из (1) равно

Число оборотов, необходимое для уменьшения напора на ∆Н при той же подаче Q₀, найдем, вычитая из исходной характеристики насоса выражение (1), в котором Q = Q₀:

(2)

Из (2) находим

Такое регулирование режима работы насоса и станции в целом является самым экономичным, т.к. при измененном режиме насосы потребляют столько энергии, сколько необходимо для перекачки заданного количества жидкости, а напор и подача станции соответствуют сопротивлению и пропускной способности нефтепровода.

Частоту вращения ротора насоса можно регулировать изменением частоты вращения вала приводного двигателя или используя муфты с переменным передаточным отношением (гидравлические и электромагнитные), устанавливаемые между двигателем и насосом.

В первом случае в качестве привода могут использоваться:

- газовые и паровые турбины;

- двигатели внутреннего сгорания (ДВС);

- электродвигатели постоянного тока;

- электродвигатели переменного тока с изменяющейся частотой вращения.

Турбины и ДВС наиболее удобны для регулирования частоты вращения ротора насоса, поскольку сами имеют регулируемую частоту вращения вала. Однако эти типы привода требуют больших затрат на здания и вспомогательные системы, чем электродвигатели.

Регулирование частоты вращения электродвигателей постоянного тока можно осуществлять различными методами (наиболее простой – введение реостата в цепь ротора двигателя), однако у них малый диапазон регулирования из – за ограничения с ростом мощности параметров двигателя по току, напряжению, а, следовательно и по мощности. Кроме того, предъявляются повышенные требования к обслуживанию таких двигателей.

Для регулирования частоты вращения электродвигателей переменного тока необходимо преобразование промышленного переменного тока частотой 50 Гц в переменный ток регулируемой частоты при одновременном изменении питающего напряжения. Технически регулирование выполняется тиристорными преобразователями частоты. При этом решается задача создания электропривода переменного тока, обладающего широким диапазоном регулирования, требуемыми моментными характеристиками и несравнимо большим коэффициентом предельности – произведенным мощности на номинальную частоту вращения.

Регулирование режима работы насосов и станции в целом изменением частоты вращения вала электродвигателей в настоящее время ограничено отсутствием двигателей большой мощности с регулируемой частотой вращения. К недостаткам, ограничивающим применение муфт для регулирования частоты вращения роторов насоса, можно отнести следующие:

1. небольшой диапазон регулирования;

2. уменьшение КПД насосной установки при увеличении пределов регулирования;

3. увеличение габаритов насосно – силового агрегата;

4. усложнение конструкции и снижение надежности агрегата.

Регулирование режима работы НПС методом байпасирования заключается в перепуске части потока нефти из напорной линии насоса по обводному трубопроводу (байпасу) в линию всасывания. В результате уменьшается сопротивление после насоса, режим его работы перемещается из точки А в точку В и насос имеет подачу Q_В при напоре Н_Б (рис. 3.6).

1 – характеристика насоса;

2 – характеристика нефтепровода;

3 – суммарная характеристика

нефтепровода и байпаса.

Рис. 3.6 Изменение режима работы

НПС перепуском

Пересечение горизонтали, проходящей через точку В, с кривой характеристики трубопровода (т. Б) определяет режим работы трубопровода: расход Q_Б при напоре Н_Б. Очевидно, что при перекачке с перепуском производительность нефтепровода снижается. Величина определяет объем жидкости, постоянно циркулирующей по обводной линии, и характеризует потери энергии при регулировании перепуском. Эта величина зависит от степени открытости задвижки на байпасе.

Т.о. данный метод регулирования является неэкономичным, т.к. производительность нефтепровода снижается (Q_Б < Q_А), а производительность станции, наоборот, возрастает (Q_В > Q_А), что вызывает перерасход энергии на единицу транспортируемой нефти. Этот перерасход при крутопадающих характеристиках насосов меньше, чем при пологих характеристиках, т.к. для одинакового уменьшения напора потребуется меньший перепуск жидкости по байпасу и потребляемая насосом мощность также будет меньше.

Чтобы определить расход жидкости по байпасу, при котором напор насоса уменьшится на величину ∆Н, а подача Q₀ останется прежней, запишем исходную характеристику насоса

(1)

и характеристику насоса с перепуском жидкости q

или (2)

Вычтем из (1) выражение (2):

или

. (3)

Решая (3), получим

Наиболее простым и часто применяемым методом регулирования режима работы НПС является уменьшение площади проходного сечения напорного трубопровода и создание дополнительного сопротивления потоку жидкости. Это достигается прикрытием регулирующего органа – регулятора или задвижки. При этом в результате увеличения гидравлического сопротивления в напорной линии рабочая точка насоса смещается из точки А в точку В и насос начинает работать с меньшей подачей Q_Б и большим напором Н_В, а давление после регулирующего органа снижается (рис. 3.7).

1 – характеристика насоса;

2 – характеристика нефтепровода,

при полностью открытой задвижке;

3 – характеристика нефтепровода

при прикрытой задвижке.

Рис. 3.7 Изменение режима работы

дросселированием

При регулировании дросселированием насос развивает напор, равный сумме напора, затрачиваемого на перекачку при полностью открытой задвижке Н_Б, и потерь напора в регулирующем органе (Н_В – Н_Б).

Таким оразом данный метод регулирования также является неэкономичным, т.к. производительность нефтепровода снижается Q_Б < Q_А, а станция развивает излишний напор по сравнению с необходимым при перекачке, что приводит к перерасходу энергии на единицу транспортируемой нефти. Этот перерасход при пологих характеристиках насосов меньше, чем при крутопадающих характеристиках, т.к. одинаковая подача насоса будет обеспечиваться при меньшем возрастании напора и меньшей потребляемой мощности. В связи с этим дросселирование является более эффективным методом регулирования, чем байпасирование, т.к. характеристики магистральных насосов пологие.

Потери напора при дросселировании зависят от степени закрытия регулирующего органа и можно получить любой режим работы насоса вплоть до нулевой подачи. Чтобы определить потери напора ∆Н, соответствующие требуемому значению Q₀ запишем исходную характеристику насоса и найдем напор Н в трубопроводе при подаче Q₀:

Тогда и, зная потери напора ∆Н, можно найти требуемый коэффициент сопротивления задвижки:

где - скорость потока после задвижки, соответствующая требуемой подаче.

Необходимая степень прикрытия задвижки определяется по графику.

Достоинством этого метода регулирования является то, что процесс дросселирования легко поддается автоматизации и дистанционному управлению и не требует установки специального дополнительного оборудования.