2.2. Совместная работа насосных станций и линейной части

Цель расчета: определение изменения рабочей точки системы «трубопровод – насосные станции (НС)» при снижении эффективности работы линейной части

Исходные данные:

1. Раскладка труб на исследуемом участке (по ведомости раскладки труб).

2. Температура, вязкость и плотность нефти на исследуемый период. Средние значения величин (по данным лабораторных анализов). Давление упругости её паров.

3. Производительность, начальные и конечные давления на участке в исследуемый период (по диспетчерским данным при стабильном режиме в течение не менее двух суток), количество работающих насосов.

4. Паспортные и технические характеристики насосно-силовых агрегатов (основных и подпорных).

Алгоритм решения задачи.

1. Определить эквивалентный диаметр участка и z.

2. Определить средне-расчётные величины вязкости, плотности нефти и давление упругости её паров.

3. Для интересуемого диапазона расходов определить режим течения нефти

4. Для каждого значения расхода определить полные потери напора

5.Определить коэффициент эффективности для исследуемого режима.

6. Пересчитать потери напора на расчётном участке, введя сомножитель Е^-1_i.

7. Построить полученные характеристики участков в осях Q-H.

8. Проверить изменение паспортных характеристик насосов при перекачке нефти с исследуемыми свойствами. Для этого при номинальном значении подачи Q₀ по известному диаметру рабочего колеса D₂ и ширине его лопаток на выходе в₂ рассчитывают число Рейнольдса для насоса

; .

При Re > 7·10³ коэффициенты пересчёта по расходу и напору равны единице, Re_Н > 5·10⁴ коэффициент пересчёта по КПД равен единице. При числах Re_Н менее указанных – коэффициенты пересчёта определяются по графику (см. Приложение) и паспортные характеристики насоса пересчитываются.

9. Построить суммарные характеристики НС с учётом количества работающих насосов и схемы их соединения (при последовательном соединении суммируются напоры при одинаковых значениях расхода, а при параллельном соединении суммируются расходы при одинаковых значениях напоров).

10. Выполнить анализ полученных рабочих точек системы.

11. Для аналитического расчёта координат рабочей точки необходимо учесть коэффициент эффективности работы линейной части и определить численные значения коэффициентов а и в с характеристики НС. Для определения коэффициентов а и в одного насоса снимают не менее двух пар координат с рабочей характеристики насоса в её рабочей зоне. Величину h_П можно включить в суммарную характеристику НПС, а значение h_К принимается в зависимости от назначения. Если напор передаётся, то h_К равна передаваемому напору. Если требуется обеспечить бескавитационный режим работы h_К = h.

Если перекачка ведется в резервуарный парк, то h_К = 20÷40 м.

Пример. Общие сведения: нефтепровод Тюмень-Юргамыш, участок НПС «Тюмень» – НПС «Исетск», нефть Шаимской группы месторождений.

Основное оборудование: 4 насосных агрегата типа НМ 1250-260, в том числе 2 агрегата со сменным ротором на 900 м³/ч с D₂ = 418 мм и 2 агрегата с основным ротором и D₂ = 440 мм и 2 подпорных агрегата типа 14 НДсН.

Исходные данные:

1. Раскладка труб на участке:

• основная нитка 530 8 длиной 6,989 км

530 7,5 длиной 96,384 км

• переходы: основная нитка 530 8 длиной 4,657 км

530 7,5 длиной 4,302 км

дополнительная нитка 530 8 длиной 1,522 км

530 7,5 длиной 7,437 км

• перепад геодезических отметок z = z₂ – z₁ = 123,5 – 76 = 47,5 м.

• длина участка 112,332 км

2. Свойства нефти даны в табл.

Таблица 1 - Свойства нефти

Показатель	Месяцы года
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Температура, oC Кинематическая вязкость, cCт Плотность, кг/м3	4,3 20,68 850	4,4 19,9 850	4,0 20,94 850	4,7 19,27 850	7,7 15,14 847	12,1 12,09 844	15,4 10,54 841,1	15,9 11,12 841	13,1 10,93 843	10,3 12,6 845	6,6 14,89 846	4,3 16,6 849,5
Давление упругости паров нефти PS = 66 кПа

3. Диспетчерские данные (среднемесячные при стабильных режимах работы) – производительность Q; давление в начале участка P₁, в конце участка – P₂; число работающих основных агрегатов k и диаметр рабочих колес D₂ (при одном рабочем подпорном насосе во всех режимах сведены в табл. 4.2).

Таблица 2- Диспетчерские данные при стабильных режимах работы

Обозначение	Месяцы года
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Q, м3/ч м3/с	853,66 0,2371	696,02 0,1993	695,52 0,1932	838,8 0,2330	839,2 0,2331	852,5 0,2368	676,8 0,1880	673,9 0,1872	831,6 0,2310	696,5 0,1935	850,0 0,2361	680,4 0,1890
Р1, кгс/см2	50,0	30,0	29,0	50,0	50,0	50,0	27,0	27,0	48,0	29,0	50,0	29,0
Р2, кгс/см2	16,0	5,0	4,5	18,0	18,0	18,0	4,0	4,0	16,0	5,5	18,0	5,5
к	2	1	1	2	2	2	1	1	2	1	2	1
D2, мм	440 418	440	440	440 418	440 418	440 418	418	418	418 418	440	440 418	440

4. Для расчета необходимы характеристика насосов.

Решение задачи:

1. Определяем эквивалентный диаметр участка (для зоны смешанного трения турбулентного режима, m = 0,123)

а) эквивалентный диаметр для двухниточных переходов, длина перехода (4,657 + 4,302) = 8,959 км

б) эквивалентный диаметр участка

2. Смотри табл. 1.

3. Задаёмся значениями расхода от 0,18 до 0,25 м³/с с шагом 0,01 м³/с. Эквивалентная шероховатость труб принимаем 0,2 мм. Выполним расчёты для первого месяца года

;

;

;

Т.к. режим турбулентный, зона Блазиуса (m = 0,25; = 0,0246); зона смешанного трения (m = 0,123; )

Расчёты для остальных значений расхода сведены в табл. 4.3.

4. м;

м.

Остальные расчёты сведены в табл. 3.

5. м/мк.

Для этого же режима

м/мк;

6. м.

Остальные расчёты сведены в табл. 3.

Таблица 3 - Результаты расчёта

Q,	648 0,18	684 0,19	720 0,20	756 0,21	792 0,22	828 0,23	864 0,24	900 0,25
	2,12	2,24	2,36	2,48	2,59	2,72	2,84	2,95
m	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,123	0,123	0,123
,	0,0246					6,9718·10-3
, м	256,4	277,1	298,7	321,03	344,2	370,0	396,7	424,5
, м	267,4	289,2	311,9	335,45	359,9	386,9	415,1	444,4

7. Построение характеристик Q-H участка при Е = 1 и Е = 0,95 выполнено на графике.

8. Для основного рабочего насоса D₂ = 440 мм, в₂ = 26 мм, Q₀ = 1250 м₃/ч, по ф.(4.109)

Т.к. , то все коэффициенты пересчёта равны единице (5) и паспортные характеристики насоса не изменяются.

9. Для построения суммарной характеристики НС определим напор, развиваемый насосом при различных расходах (из табл. 3) по рабочей характеристике насоса. Зная по режиму работы для исследуемого периода (табл. 2), что в работе последовательно включены два основных насоса с D₂ = 440 мм и D₂ = 418 мм и один подпорный, просуммируем напоры при одном и том же значении расхода. Данные расчётов сведем в табл. 4 и используем для построения графиков на рис. 1.

Таблица 4 - Данные для построения характеристики НС

Q,	0,18	0,19	0,20	0,21	0,22	0,23	0,24	0,25
Напор подпорного насоса, м	44,5	44,0	43,7	43,3	43,0	42,7	42,3	42,0
Напор основно-го насоса с D2 = 440 мм, м	302,0	300,0	297,7	295,4	293,0	290,7	286,4	286,0
Напор основного насоса с D2 = 418 мм, м	270,5	268,8	267,0	265,2	263,0	260,7	258,5	256,3
Суммарный напор, м	617,0	612,8	608,4	603,9	599,3	594,1	589,3	584,3

10. При анализе совмещенного графика Q-H можно выбрать рациональные режимы работы НПС по расходу, передаваемому или дросселируемому напору, по количеству рабочих насосов и диаметру рабочих колес. На графике так же видно изменение режима работы при снижении эффективности работы участка.

11. Для насоса с D₂ = 440 мм

;

м.

Для насоса с D₂ = 418 мм

;

м.

для подпорного насоса

;

м.

для суммарной характеристики НС

; м.

Координаты рабочей точки определены из условия передаваемого напора 16 атм (188,24 м) и Е = 0,95

Погрешность расчёта составила 0,34%.

Погрешность расчёта составила 0,4 %.

Таким образом, прогнозируемый режим можно рассчитать аналитически.

Изменение основных технологических параметров перекачки

при снижении эффективности работы линейной части

Снижение эффективности работы линейной части приводит к росту непроизводительных затрат энергии на перекачку нефти и к снижению пропускной способности нефтепровода. Используя данные примера расчёта за январь месяц определим изменение диаметра Д, производительности Q и потребляемой на перекачку мощности N при снижении коэффициента гидравлической эффективности работы линейной части Е до 0,95.

1.Изменение эффективного диаметра Д_эф по сравнению с эквивалентным Д_экв составит:

2.Изменение фактической производительности Q_ф в сравнении с теоретической Q_m составит:

Рис. 1 Совмещенный график Q-H

1 – характеристика насоса с диаметром рабочего колеса D2=418 мм;

2 – характеристика насоса с диаметром рабочего колеса D2=440 мм;

3 – суммарная характеристика насосов, при построении которой учтено их последовательное соединение;

4 – характеристика трубопровода при различных значениях Е

3.Изменение мощности, требуемой на перекачку нефти N_ф по сравнению с теоретической N_m – при работе на чистую трубу, составит:

Данный пример расчёта показывает достаточную информативность коэффициента гидравлической эффективности работы линейной части.

3.3. Определение оптимальной периодичности очистки

Методически определение оптимальной периодичности очистки МН производится аналогично тому, как это делается на МГ ( раздел 2.6).

Периодическая очистка увеличивает затраты на обслуживание МН и сокращает затраты электроэнергии на транспорт нефти. При плановой производительности нефтепровода, оптимальной периодичности пропуска очистных устройств будет соответствовать минимум суммы затрат на очистку труб и на транспорт нефти S_O:

S_O = A_E C_E + nC_O , (66)

где A_E - годовые затраты электроэнергии на транспорт нефти, кВт час;

C_E - стоимость электроэнергии, руб/(кВт час);

C_O - стоимость одной очистки, руб;

n - количество очисток в году.

Годовой расход электроэнергии во многом зависит от оптимальности регулирования работы МН. Максимальный эффект от очистки может быть получен при регулировании отключением насосов, переключением насосов с различными диаметрами рабочих колес и при работе с переменной производительностью. После очистки МН будет иметь максимальную пропускную способность, превышающую плановую производительность. В дальнейшем, по мере засорения пропускная способность постепенно снижается и может стать меньше плановой производительности. Отключением и переключением насосов необходимо добиться производительности МН, не намного превышающей плановую. Продолжительность работы при установленной схеме определяется из условия равенства средней производительности для данного периода плановой. Затем включением или переключением насосов вновь повышается производительность выше плановой и так далее. В результате такого регулирования будет обеспечена работа МН в межочистной период с плановой производительностью при максимальном кпд регулирования. Регулирование работы МН дросселированием может свести на нет эффект от очистки.

Необходимое количество насосов определяется из уравнения баланса напоров (8), при этом потери напора на трение определяются с учетом засорения участка:

h_i = E_ih , (67)

где E_i - средняя эффективность работы участка в i- ом периоде,

E_i = 0,5(E_1i + E_2i) , (68)

где E_1i и E_2i - эффективность работы участка в начале и в конце i-го периода, принимаемые на основании исследования изменения Е в межочистной период.

В общем случае, эффективность работы участка в процессе эксплуатации экспоненциально снижается от начальной E₀ после очистки до минимального значения. Дальнейшее изменение Е зависит от причин засорения участка, температуры нефти (сезона) и производительности.

Если снижение эффективности связано со скоплениями воды, то с понижением температуры и повышением производительности будет происходить частичный вынос воды, и Е будет стремиться к новому, более высокому значению.

При запарафинивании участка повышение эффективности связано с повышением температуры, что приводит к повышению растворимости парафина в нефти и, как следствие, к отмыву части отложений.

Так как все процессы засорения участка идут медленно, возможно интерпретировать изменение Е линейной зависимостью

E = E₀ - a , (69)

где a - коэффициент, характеризующий скорость изменения Е, 1/час.

Величину a можно определить, зная два значение Е:

a = (E₀ - E) / , (70)

где E - известное значение эффективности по прошествии часов после пропуска очистного устройства.

В этом случае A_E определяется зависимостью

, (71)

где N_i - мощность, потребляемая электродвигателем i-го насоса, кВт;

- продолжительность i-го периода работы МН, час;

r - количество работающих насосов на МН.

Мощность, потребляемая электродвигателем,

, (72)

где N_i - мощность, потребляемая электродвигателем, Вт;

- кпд насоса;

- механический кпд;

- кпд электродвигателя.

Правилами технической эксплуатации МН рекомендуется производить очистку при снижении производительности на 3% , чему соответствует минимальное значение E_min= 0,95.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ:

1. Изучить материалы теоретического раздела;

2. Выполнить комплекс расчетов согласно полученному заданию.

4.ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3

Оценка пропускной способности нефтепровода

Цель практической работы: получение навыков оценки пропускной способности нефтепровода в соответствии с условиями транспортировки.

Задачи практической работы:

1. Изучить теоретические основы, методику оценки;

2. Выполнить расчет согласно методике;

3. Оценить особенности эксплуатации нефтепровода согласно полученным результатам.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ