Теоретические основы. Существующие методы регулирования работы НПС подразделяются на методы плавного и ступенчатого регулирования

Существующие методы регулирования работы НПС подразделяются на методы плавного и ступенчатого регулирования. К теоретически возможным методам плавного регулирования относятся: перепуск, дросселирование, изменение числа оборотов ротора насосов.

К методам ступенчатого регулирования относят: изменение числа работающих насосов НПС, изменение схемы соединения насосов на НПС, изменение числа ступеней у многоступенчатых насосов, замена роторов (рабочих колёс) насосов, изменение диаметра рабочего колеса насосов.

Метод регулирования перепуском состоит в перепуске части жидкости с выхода насоса вновь на его вход (рис. 4.1а). При этом происходит

изменение характеристики трубопроводной системы, на которую работает насос и изменяется месторасположение рабочей точки НПС. Это влечёт за собой изменение режима работы нефтепровода.

Рассмотрим данный случай подробнее. Допустим, в начальный момент НПС 1 работала без перепуска на нефтепровод 2 (рис. 4.1б). Рабочая точка системы занимает положение М, производительность нефтепровода равна Q₀.

Откроем задвижку на перепускном трубопроводе 3. Жидкость теперь движется не только по одному нефтепроводу 2, но и по перепускному трубопроводу 3. С гидравлической точки зрения это означает появление в системе дополнительного элемента – трубопровода 3. Теперь для нахождения рабочей точки системы необходимо первоначально найти суммарную H-Q характеристику трубопроводов 2 и 3.

Рис. 4.1. Изменение режимов работы НПС перепуском

Эти трубопроводы согласно рис. 4.1 соединены между собой параллельно. Поэтому для нахождения их суммарной характеристики следует сложить 2 и 3 путём сложения их абсцисс (Q) при одинаковых ординатах (H). В итоге получается кривая (2+3). Рабочей точкой системы при работе НПС с перепуском будет точка М_П.

Как видно, при работе с перепуском производительность НПС возрастает с Q₀ до Q_П. Посмотрим, какое количество жидкости при этом будет поступать в нефтепровод 2. Нефтепровод 2 расположен на выходе НПС и находится под напором станции, равным согласно М_П величине Н_П. При напоре Н_П нефтепровод 2 будет пропускать через себя, если следовать его H-Q характеристике, производительность Q₂, меньшую первоначальной Q₀, существовавшей при перекачке без перепуска.

Таким образом, при перекачке с перепуском производительность нефтепровода всегда только снижается.

Данный метод регулирования является неэкономичным, т.к. при его осуществлении производительность нефтепровода снижается, а производительность НПС, напротив, возрастает. Это вызывает перерасход энергии на единицу транспортируемой нефти.

Регулирование режима работы НПС дросселированием состоит в создании потоку искусственного сопротивления в виде сужения площади поперечного сечения потока в каком-либо его месте (сечении). Реализуется данный метод на узлах регулирования НПС с помощью управляемых со щита станции и автоматикой регуляторов давления или регулирующих заслонок.

Суть данного метода показана на рис. 4.2. При полностью открытом дроссельном органе D (заслонке, регуляторе и т.д.) рабочей точкой системы является точка М, производительность системы (нефтепровода) равна Q₀, гидропотери в ней Н₀.

Рис. 4.2. Изменение режимов работы НПС дросселированием

Если дроссельный орган D прикрыть, то его сопротивление увеличится, и к потерям напора в нефтепроводе, отображённом на рис. 4.2б, кривой 2, прибавляя потери напора в дроссельном органе. Общие потери напора в системе возрастут, им будет соответствовать кривая 2’. Рабочая точка системы и НПС переместится в положение М_д, производительность нефтепровода снизится до Q_д.

Интересно проследить как изменяется напор НПС при дросселировании. Согласно рис. 4.2б напор, развиваемый станцией при дросселировании, увеличивается до Н_д, потери же напора в нефтепроводе, напротив уменьшаются. При производительности Q_д они в соответствии с Н-Q характеристикой собственно нефтепровода 2 (без учёта дроссельного органа) составляют Н’_д Напор, соответствующий разности Н_д – Н’_д, развивается НПС не производительно, т.к. теряется на дроссельном органе.

Таким образом, при дросселировании производительность нефтепровода всегда только уменьшается. Данный метод регулирования также неэкономичен, т.к. НПС непроизводительно развивает излишний напор, что делает дороже транспорт нефти в связи с перерасходом энергии.

При регулировании режима работы НПС изменением числа оборотов ротора насосов происходит изменение Н-Q характеристик насосов, как это показано на рис. 4.3. С увеличением числа оборотов характеристика смещается вправо и вверх в соответствии с зависимостями

; .

Как видно из рисунка, при данном методе регулирования насос развивает напор и подачу, строго соответствующие сопротивлению и пропускной способности нефтепровода. Поэтому при данном методе не наблюдается излишний расход энергии. Это самый экономичный метод регулирования.

Рис. 4.3. Регулирование режимов работы НПС изменением

числа оборотов ротора

Из всех рассмотренных методов плавного регулирования на НПС практически используется только метод дросселирования. Перепуск не находит применения потому, что при пологопадающих Н-Q характеристиках насосов он менее экономичен, чем дросселирование, а насосы НПС как раз имеют пологопадающие характеристики. Регулирование изменением частоты вращения роторов насосов не используется в связи с отсутствием мощных электродвигателей с регулируемой частотой вращения роторов.

Методы ступенчатого регулирования имеют в своём большинстве один общий недостаток – режим работы НПС и нефтепровода при их осуществлении изменяется ступенчато, что не всегда отвечает необходимой степени изменения режима работы и часто требует подрегулирования с помощью неэкономичного метода дросселирования. Поэтому экономичные в своей основе методы ступенчатого регулирования не всегда обеспечивают транспорту нефти минимально возможные энергозатраты.

Исключение из рассматриваемых методов составляет метод регулирования изменением диаметра рабочего колеса.

Диаметры рабочих колёс центробежных насосов НМ, НПВ и НМП могут быть изменены обточкой колёс на станке. Обточка в пределах 10% практически не приводит к снижению К.П.Д. насосов, Н-Q характеристика же насоса при этом изменяется подобно тому, как это происходит при изменении числа оборотов ротора насоса (см. рис. 4.3, 4.4)

; , (4.10)

где Н₀ и Q₀ – напор и подача насоса при диаметре рабочего колеса, равном Д₀; Н и Q – напор и подача насоса при диаметре рабочего колеса, равном Д.

Рис. 4.4. Регулирование режимов работы НПС изменением

диаметра рабочего колеса

Если известны требуемые от насоса напор Н и подача Q, то необходимый диаметр рабочего колеса Д, может быть рассчитан по формуле, получение которой рассмотрим ниже.

Запишем H-Q характеристику центробежного насоса для исходного необточенного рабочего колеса

Н₀ = а - b×Q₀², (4.11)

где Н₀ и Q₀ – напор и подача насоса, соответствующие диаметру Д₀ необточенного колеса и определяемые по рабочей точке насоса М (рис. 4.4).

Подставим в (4.11) вместо Н₀ и Q₀ их значения, полученные из (4.10) и будем иметь:

, (4.12)

где H и Q – требуемые от насоса напор и подача; Д – отвечающий им диаметр колеса.

Теперь поделим обе части уравнения (4.12) на и полученное выражение решим относительно

. (4.13)

Если рассчитанное по (4.13) значение Д будет отличаться от Д₀ не более чем на 10%, то обточка колеса обеспечит насосу и НПС необходимый режим работы при минимальных энергозатратах на транспорт нефти.

Экономичность работы НПС в условиях их эксплуатации определяется главным образом энергозатратами, то есть расходом мощности.

Мощность, потребляемая НПС в целом (всеми ее насосно-силовыми агрегатами) рассчитывается по формуле

, (4.14)

где Н и Q – напор и производительность станции, определяемые по ее рабочей точке; η_нпс – К.П.Д. НПС,

При последовательном соединении насосов, что имеет место на НПС магистральных нефтепроводов,

(4.15)

где H_i и η_i – напор и К.П.Д. i-того насоса станции