6.Расчетная часть

Определение требуемых характеристик насосных агрегатов

Задание

Определить требуемые характеристики насосов НПС при заданной пропускной способности нефтепровода

Исходные данные

Заданная пропускная способность трубопровода G = 86 млн. т/год;

Коэффициент неравномерности перекачки: k = 1,07

Годовой фонд рабочего времени: T = 350∙24 = 8400 часов

Расстояние между НПС - КП: L = 100 км

Наружний диаметр: D_n = 1220 мм

Толщина стенки  = 14 мм

Гидравлические потери в трубопроводах НПС:

h_в = 15 м; h_к = 25м; h_вых = 5 м;

Разность геодезических отметок НПС, КП ∆z = -70 м;

Необходимый конечный напор hк=25 м

Свойства нефти:

- кинематическая вязкость нефти: = 1,5·10^-5 м²/с

- плотность нефти: ρ = 850 кг/м³

Допустимое рабочее давление на входе промежуточной НПС без РП :

Диаметр трубопровода наружный, мм	Марка насоса	Допустимое рабочее давление, МПа
1220	НМ 10000-210	0,8

Вариант	20
Нар. диам. Труб, мм	1220
Толщ. стенки,мм	14
Пропускная способность, млн.т/год	86
Разность геодез. отметок НПС, КП ∆z , м	-70

2.1 Определение требуемого напора на выходе нпс (Hст),

Гидравлический расчет магистрального нефтепровода при заданной пропускной способности трубопровода

Определяется расчётная часовая производительность нефтепровода:

, м³/ч

Q_р = (86 · 10⁹) / 350 · 24 · 850) · 1,07 = 12887,95 м³/ч

Определяется расчётная секундная производительность нефтепровода:

Q^с_р = Q_p / 3600, м³/с

Q^с_р = 12887,95 / 3600 = 3,57м³/с

Определяется скорость течения нефти, м/с при производительности, равной пропускной способности:

где Q^с_р – секундный расход, м³/с;

W- фактическая скорость течения нефти в трубопроводе

D - внутренний диаметр трубопровода, [м] .; D= D_н – 2

D_н - нар. диаметр труб, мм

 - толщина стенки труб, мм

W = (4 · 3,57) / (3,14 · 1,192 ²) = 3,2 м/с

D = 1220 – 2·14 = 1,192 мм

Определяется число Рейнольдса

Re = (3,2 · 1,192) / (1,5 · 10^-5) = 2,542· 10⁵=254200

где ν_р – расчетное значение кинематической вязкости, м²/с

Предельные значения ,и значенияприведены в таблице 1

Таблица 1

Наружный диаметр, мм
530	73 000	3 200 000	0,0130
720	100 000	4 500 000	0,0124
820	110 000	5 000 000	0,0123
920	115 000	5 500 000	0,0122
1020	120 000	6 000 000	0,0121
1220	125 000	6 800 000	0,0120

_{λ = 0,0120 + (1,7 / 254200°5) = 0,0153 (А4)}

Гидравлический уклон в заданных условиях составит:

где - коэффициент гидравлического сопротивления;

- ускорение силы тяжести (= 9,81 м/с₂).

i = 0,0153 · (1 / 1,192) · (3,2 ² / 2 · 9,81) = 0,0066

Суммарные потери в (требуемый напор на выходе НПС) будут равны

H_ст =i L + ∆z + hк

где ∆ z - разность геодезических отметок между конечной и начальной точками трубопровода, м

hк – необходимый конечный напор, м

L- длина трубопровода, м

H_ст = 0,0066 · 100000 + ( - 70) + 25 = 605 м

Суммарные потери в (требуемый напор НПС) не должны превышать допустимого рабочего давления на выходе НПС

Таблица 2

Производительность нефтепровода, Млн.т/год	Диаметр (наружный), Мм	Рабочее давление
		МПа	кгс/см^2
4-9	530	5,3-6,1	54-62
7-13	630	5,1-5,5	52-56
11-19	720	5,6-6,1	58-62
15-27	820	5,5-5,9	56-60
23-55	1020	5,3-5,9	54-60
41-90	1220	5,1-5,5	52-56

Определение суммарного требуемого дифференциального напора работающих основных насосов (H_нас)

Суммарный требуемый дифференциальный напор работающих основных насосов (H_нас) определяется по требуемому напору на станции за регуляторами (H_ст) с учетом потерь напора от первого насоса до выхода регуляторов (h_к) и за вычетом напора на входе первого насоса станции (h_подп):

+ h_вых,

где: Н_ст – требуемый напор на выходе станции определяемый по результатам гидравлического расчета, м;

Н_нас – требуемый дифференциальный напор насосов станции, м;

h_к – гидравлические потери от первого насоса и до выхода регуляторов, h_к ≈ 20-30 м;

h_{вых -} гидравлические потери от регуляторов и до выхода НПС, h_вых≈ 5-10 м;

h_подп – напор на входе первого насоса станции, м.

Напор на входе первого насоса (h_подп) должен быть не менее величины, обеспечивающей бескавитационную работу насоса:

Величина напора на входе первого насоса, с учетом потерь на входе станции связана с напором на входе станции формулой:

,

где: Н_вх – напор на входе НПС, м;

h_вх – гидравлические потери от входа НПС до входа в первый насос

Напор на входе НПС определяется по допустимому рабочему давлению на входе

Н_вх = p /_н٠g

Р - допустимое рабочее давление на входе, Па

- плотность перекачиваемой нефти

Н_вх = 0,8 /850_٠9,81 = 800000/850_٠9,81 =95,94 м

Н_подп = 95,94– 15 = 80,94 м

Н_нас = 605 + 25 – 80,94+ 7 = 556,06 м

Выбор применяемых насосов

Выбор применяемых насосов производится в соответствии с расчётной часовой произ- водительностью нефтепровода, марки насоса и размером ротора насоса в соответствии с Порядком определения требуемых характеристик насосных агрегатов.

Напор, создаваемый насосами при заданной подаче, определяют по их характеристикам графически или аналитически.

Напорная характеристика центробежных насосов магистральных нефтепроводов (зависимость напора Н от подачи Q) имеет вид полого падающей кривой (рис. 6.1) и аналитически может быть представлена выражением

(1.12)

где a, b, – постоянные коэффициенты (табл. 4)

Выбирается насос НМ 10000-210 с ротором 1,25Q_h

Н = 364,5– 9,494710^-7 · 12887,95² =206.9 м

Определяется количество работающих последовательно насосов путем деления суммарного требуемый дифференциальный напор работающих основных насосов (H_нпс) на напор выбранного насоса при подаче равной часовой производительности нефтепровода H_нас1

n = H_нпс / H_нас1.

n = 556,06 / 206.9 =3

Определяется требуемый дифференциальный напор одного насоса.

H_{нас1треб} = H_нпс / n

H_{нас1треб} = 556,06 / 3 = 185,3

Определяется величина необходимого снижения напора ΔH при заданной подаче (производительности трубопровода).

ΔH = H_нас1.- H_{нас1треб} или ΔH = H_нпс.- H_{нпс треб}

ΔH = 206.9 – 185,3= 21.6 м

Определяется величина коэффициента быстроходности для выбранного насоса по таблице 6.

Определяется показатель степени r для выбранного насоса по таблице 3.

Таблица 3 - Основные параметры магистральных насосов серии НМ

Марка насоса	Ротор	Диапазон изменения подачи насоса, м^3/ч	Номинальные параметры
			Подача, м^3/ч	Напор, м	Доп. Кавит. запас, м	К.П.Д.,%
НМ 1250-260	0,7·Qн	650 – 1150	900	260	16	82
	1,0·Qн	820 – 1320	1250		20	82
	1,25·Qн	1100 – 1800	1565		30	80
НМ 2500-230	0,5·Qн	900 – 2100	1250	230	24	80
	0,7·Qн	1300 – 2500	1800		26	82
	1,0·Qн	1700 – 2900	2500		32	85
	1,25·Qн	2400 – 3300	3150		48	85
НМ 3600-230	0,5·Qн	1300 – 2600	1800	230	33	82
	0,7·Qн	1600 – 2900	2500		37	85
	1,0·Qн	2700 – 3900	3600		40	87
	1,25·Qн	3600 – 5000	4500		45	84
НМ 7000-210	0,5·Qн	2600 – 4800	3500	210	50	80
	0,7·Qн	3500 – 5400	5000		50	84
	1,0·Qн	4500 – 8000	7000		60	89
	1,25·Qн	7000 – 9500	8750		70	88
НМ 10000-210	0,5·Qн	4000 – 6500	5000	210	42	80
	0,7·Qн	5500 – 8000	7000		50	85
	1,0·Qн	8000 – 11000	10000		70	84
	1,25·Qн	10000 – 13000	12500		80	88

Рисунок 6.1 - Выбор типа насоса по условию соответствия рабочей зоны насоса и заданной производительности трубопровода

Таблица 4 - Коэффициенты Q-H характеристики нефтяных магистральных насосов серии НМ

Марка насоса	Ротор	Диаметр рабочего колеса D2, мм	Коэффициенты Q-H характеристики насоса
НМ 1250-260	0,7QН	418	a= 284,9 b= 3,635410^-5
	1,0QН	460	a= 317,0 b= 3,710910^-5
		418	a= 291,9 b= 3,904310^-5
		395	a= 268,9 b= 4,254010^-5
	1,25QН	450	a= 322,0 b= 2,174910^-5
НМ 2500-230	0,5QН	425	a= 246,6 b= 1,685610^-5
	0,7QН	405	a= 248,0 b= 7,333810^-6
	1,0QН	440	a= 279,6 b= 8,025610^-6
		405	a= 258,7 b= 8,564110^-6
		385	a= 236,4 b= 8,560410^-6
	1,25QН	445	a= 279,2 b= 5,298510^-6
НМ 3600-230	0,5QН	450	a= 273,4 b= 1,480410^-7
	0,7QН	430	a= 282,4 b= 8,422110^-6
	1,0QН	460	a=305,4 b=5,596010^-6
		425	a=274,1 b=5,587910^-6
		415	a=247,2 b=5,483410^-6
	1,25QН	470	a=324,0 b=5,227710^-6
НМ 7000-210	0,5QН	450	a=245,9 b=3,767410^-6
	0,7QН	475	a=282,2 b=3,098010^-6
	1,0QН	475	a=295,1 b=1,875210^-6
		450	a=262,5 b=1,817310^-6
		430	a=240,9 b=1,987310^-6
	1,25QН	490	a=323,3 b=1,479510^-6
НМ 10000-210	0,5QН	475/455	a=265,0 b=2,056010^-6
	0,7QН	506/486	a=304,8 b=2,144310^-6
	1,0QН	505/495	a=293,7 b=8,781710^-7
		485/475	a=280,1 b=8,754910^-7
		470/460	a=264,5 b=8,630210^-7
	1,25QН	530	a=364,5 b=9,494710^-7
		520	a=358,5 b=9,647010^-7
		515	a=345,1 b=9,983910^-7

Расчет обрезки колеса, если известно что до обрезки насос при заданной подаче развивал напор Н, а требуется напор H₁ при той же подаче.

Допустимая степень обрезки рабочего колеса определяется заводом изготовителем. Ориентировочно для насосов с номинальной подачей до 2500 м³/ч включительно, максимальная обрезка рабочего колеса составляет 20%. Для насосов с номинальной подачей более 2500 м³/ч, максимальная обрезка рабочего колеса составляет ориентировочно 10%.

В пределах рабочей зоны насоса, степень обрезки колеса может быть приближенно рассчитана с применением формулы:

(6.40)

где: H , H₁ – напор насоса до и после обточки рабочего колеса соответственно, м;

D, D₁ – диаметр рабочего колеса насоса до и после обточки соответственно, м;

L, r – показатели, принимаемые для каждого типа насоса в соответствии с коэффициентом быстроходности согласно таблице 5.

D₁ / 1,192 = (206.9 / 185,3)^1/2,35

D₁ / 1,192 = 1.04

D₁ = 1192 · 1.04 = 1239.6

Определяется относительная величина обрезки рабочего колеса

(1192 – 1239.6) · 100% / 1192 = 4 %

Таблица 5 – Зависимость показателей степени L, r от коэффициента быстроходности
Коэффициент быстроходности насоса	Снижение в % к.п.д. η насоса на каждые 10% обточки	Показатель L в формуле 6.36	Показатель r в формуле 6.37
70 - 125	1,0 – 1,5	1	2
125 - 175	1,5 – 2,5	1,3	2,2
< 175	2,5 – 3,5	1,85	2,35

Значения коэффициента быстроходности и некоторых других параметров для типовых насосов приведено в таблице 6

Таблица 6 – Характеристики типовых насосов

Типоразмер насоса	Ротор	Коэффициент быстроходности	Ширина лопаток раб. Колеса, мм	Диаметр входного патрубка, мм	Наружный диаметр раб. колеса, мм
НМ1250-260	0,7	62	26	353	418
	1	71			460
	1,25	79			450
НМ2500-230	0,5	77	26	512	425
	0,7	93			405
	1	109			440
	1,25	123			450
НМ3600-230	0,5	93	29	512	450
	0,7	109			430
	1	131			460
	1,25	147			470
НМ7000-230	0,5	138	52	610	450
	0,7	165			475
	1	196			475
	1,25	219			490
НМ10000-230	0,5	165	58	990	465
	0,7	196			496
	1	234			500
	1,25	262			530

При расчете степени обрезки колес, следует выполнять проверку непревышения максимально допустимой степени обрезки для заданного насоса.

Порядок определения требуемых характеристик насосных агрегатов

1. Определяется часовая и секундная производительность нефтепровода по формулам 10 и 11

2. Рассчитывается скорость течения нефти при этой производительности по формуле 12

3. Определяется число Рейнольдса по формуле 13

4. Определяется коэффициент гидравлического сопротивления в соответствии с рассчитанным числом Рейнольдса по формулам А3 или А4

5. Рассчитывается гидравлический уклон в заданных условиях по формуле 3.14

6. Определяется требуемый напор на выходе НПС по формуле 3.15

7. Определяется требуемое давление на выходе НПС по формуле P = H٠_н٠g

Давление на выходе НПС сравнивается с табличным Таблицы 2. Давление на выходе НПС не должны превышать допустимого рабочего давления на выходе НПС

8. Рассчитывается напор на входе НПС по допустимому рабочему давлению на входе по формуле 6.6

9. Определяется величина напора на входе первого насоса, с учетом потерь на входе станции по формуле 6.5

10. Рассчитывается суммарный требуемый дифференциальный напор работающих основных насосов (H_{нпс треб}) по формуле 6.1

11. По часовой производительности нефтепровода и диапазону изменения подачи насоса таблицы 3 определяется тип насоса и тип ротора

12. Используя коэффициенты Q-H характеристики насоса таблицы 4 и формулу зависимости напора (Н) от подачи (Q) насоса Н = a – b Q² ,

рассчитывается напор выбранного насоса при подаче равной часовой производительности нефтепровода H_нас1

13. Определяется количество работающих последовательно насосов путем деления суммарного требуемый дифференциальный напор работающих основных насосов (H_нпс) на напор выбранного насоса при подаче равной часовой производительности нефтепровода H_нас1.

n = H_нпс / H_нас1.

Полученное число последовательно включенных насосов округлить ло наиболее близкого целого числа, но не более n = 3.

Если в характеристиках насосов одного типа и подачи имеется несколько диаметров ротора, то необходимо рассчитать напоры насосов с разными диаметрами роторов насоса при заданной подаче и выбрать наиболее оптимальный, где необходимая величина обточки колес будет минимальной

В зависимости от величины необходимого снижения напора ΔH должна применяться обрезка рабочих колес одного, двух или трех насосов.

14. С учетом проведенных выше расчетов и оценок, определяется требуемый дифференциальный напор одного насоса H_{нас1треб} = H_нпс / n

15. Определяется величина необходимого снижения напора ΔH при заданной подаче (производительности трубопровода). ΔH = H_нас1.- H_{нас1треб} или ΔH = H_нпс.- H_{нпс треб}

16. Определяется величина коэффициента быстроходности для выбранного насоса по таблице 6.

17. Определяется показатель степени r для выбранного насоса по таблице 5.

18. Рассчитывается требуемое значение диаметра обрезанного рабочего колеса по формуле 6.40.

19. Проверяем выполнение условие не превышения максимальной обрезки рабочего колеса:

Определяется относительная величина обрезки рабочего колеса (D - D₁ ) х 100%/ D и сравнивается с допустимой величиной.

Список литературы и НТД рекомендуемой для выполнения курсового проекта

1. РД- 91.020.00-КТН-335-06 Нормы проектирования НПС

2. ОТТ-16.01-74.20.11-КТН-059-05 Типовые технические решения по проектированию НПС.

3. ГОСТ Р 53675-2009 Насосы нефтяные для магистральных трубопроводов

4. ГОСТ 12124—87 Насосы центробежные нефтяные для магистральных трубопроводов

5. Учебное пособие по дисциплине «Насосы и перекачивающие станции». Требования к нефтеперекачивающим станциям магистральных нефтепроводов

6. Учебное пособие по дисциплине « Насосы и перекачивающие станции ». Техническое обслуживание и ремонт оборудования и сооружений нефтеперекачивающих станций

7. Учебно - методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине « Насосы и перекачивающие станции »