Гидравлический расчет трубопровода и подбор центробежного насосного агрегата

1. Гидравлический расчет трубопровода и построение его характеристики.

2. Подбор насоса.

3. Пересчет характеристики магистрального насоса НМ 360−460 с воды на перекачиваемую жидкость методом Аитовой-Колпакова.

4. Построение совмещенной характеристики трубопровода и группы насосов.

5. Возможные варианты регулирования подачи насоса.

5.1 Дросселирование.

5.2 Регулирование воздействием на привод, изменением числа оборотов вала насоса.

5.3 Регулирование подачи обточкой рабочего колеса.

6. Проверка всасывающей способности.

7. Расчет щелевого уплотнения Список использованных источников литературы.

1. Гидравлический расчет трубопровода и построение его характеристики Определим диаметр трубопровода на нагнетательной линии, принимая скорость перекачиваемой жидкости V=3,5 м/с.

= = м Полученный диаметр нагнетательной линии не соответствует ГОСТу. Следовательно, принимаем ближайший, соответствующий ГОСТ 20 295–85.

d_н=219мм б=5мм;

d_н=219−2*5=209мм.

Т. к. диаметр на нагнетательной линии уменьшился, следовательно изменилась и скорость. Найдём действительную скорость жидкости в нагнетательной линии трубопровода.

=.

Найдем режим течения перекачиваемой жидкости.

=.

=.

=.

Т. к. Rе_н, Re_перI< Rе_н < Rе_перII, следовательно режим течения жидкости — турбулентный, в зоне смешанного трения. Находим коэффициент гидравлических сопротивлений по формуле Альтшуля Найдём потери напора по длине используя формулу Дарси-Вейсбаха.

= =379,77 м, где lн^прив = lн * К_приб = 7000*1,02=7140;

К_приб =1,02 — коэффициент привидения, учитывающий местные потери.

Как правило, всасывающий патрубок в отличии от нагнетательной линии делается больше по диаметру, учитывая это найдём диаметр трубопровода во всасывающей линии, скорость перекачиваемой жидкости примем V=2,5 м/с.

= = 0,225 м.

Полученный диаметр всасывающей линии не соответствует ГОСТу. Следовательно, принимаем ближайший, соответствующий ГОСТ 20 295–85.

d_в=273мм б=5мм;

d_в=273−5*2=263мм.

Тогда скорость перекачиваемой жидкости во всасывающей линии будет.

=.

Найдем режим течения жидкости.

=.

=.

=.

Т. к. Rе_в, Re_перI< Rе_в < Rе_перII, следовательно режим движения жидкости — турбулентный, в зоне смешанного трения. Находим коэффициент гидравлических сопротивлений по формуле Альтшуля Потери на всасывающей линии находим по формуле Дарси-Вейсбаха.

=,.

Найдём потребный напор насоса для осуществления процесса перекачки, в заданном режиме используя уравнение Бернулли Уравнение Бернулли для сечений 1−1 и 2−2:

Уравнение Бернулли для сечений 3−3 и 4−4:

Определяем потребный напор:

При Q_потреб=360 м³/ч, Н_потреб=400,69 м.

Аналогично рассчитываем потребный напор для различных значений Q, результаты заносим в таблицу 1.

Таблица 1.

На основе полученных данных строим характеристику трубопровода.

2. Подбор насоса По Q_потр и H_потр проводим подбор магистральных насосов. Выбрали 1 секционный насос серии НМ 360−460 с диаметром рабочего колеса 300 мм.

Насосы магистральных нефтепроводов соответствуют, в основном, ГОСТ 12 124–87 «Насосы центробежные нефтяные для магистральных трубопроводов» (типы и основные параметры). Стандарт распространяется на насосы основные, подпорные, а также насосы для откачки утечек. Он определяет 11 типов основных насосов, а с учетом сменных роторов — 20 типов. Основные насосы изготовляются на подачи от 125 до 12 500 м³/ч. При подачах до 750 м изготовляют секционные насосы с последовательным соединением колес (рисунок — 1).

Секционные магистральные насосы имеют подачу до 710 м³/ч. Согласно ГОСТ 12 124–87, предусмотрены пять типов секционных насосов: НМ 120−550, НМ 250−475, НМ З60−460, НМ 500−300 и НМ 710−280. Эти насосы многоступенчатые горизонтальные в однокорпусном секционном исполнении с рабочими колесами одностороннего входа.

Насос НМ 360−460 — четырех ступенчатый он состоит из ротора, крышек всасывания и напорной, секций, направляющих аппаратов, узлов уплотнения и подшипниковых опор.

Ротор насоса состоит из вала, рабочих колес, предвключенного колеса, разгрузочного диска и втулок.

Рабочее колесо литое, одностороннего входа. Направляющий аппарат — литой. Для обеспечения бескавитационной работы насоса устанавливается литое предвключенное колесо.

Осевое усилие ротора уравновешено разгрузочным диском. Концевые уплотнения ротора — механические торцевые. Опоры ротора — подшипники скольжения с кольцевой смазкой и водяным охлаждением.

Крышки всасывания и напорная стягивается стяжными шпильками, образуя вместе с секциями корпус насоса.

Насос и электродвигатель, соединенные зубчатой муфтой, устанавливают на отдельных фундаментных рамах.

Направление вращения вала — по часовой стрелке, если смотреть со стороны электродвигателя. Для расширения области применения насосов допускается уменьшение подачи и напора в пределах рабочей зоны, указанной на характеристике насоса.

1 — зубчатая муфта, 2 — вал, 3 — подшипник скольжения, 4 — торцевое уплотнение, 5 — крышка всасывания, 6 — уплотнительная втулка, 7 — предвключенное колесо, 8 — уплотнительное кольцо, 9 — секция, 10 — рабочее колесо, 11- направляющий аппарат, 12- уплотнительное кольцо, 13 — напорная крышка, 14 — пята насоса, 15 — разгрузочный диск, 16 — разгрузочная втулка, 17 — корпус концевого уплотнения, 18 — устройство отжима ротора Рисунок 1 — Нефтяной магистральный секционный насос.

Характеристика насоса НМ 360−460 (n=2970 об/мин; D₂=300 мм).

Таблица 2.

Схема расположения насосов.

3. Пересчёт характеристики магистрального насоса НМ360−460 с воды на перекачиваемую жидкость методом Аитовой — Колпакова где n_s — коэффициент быстроходности;

j — число ступней, j=4;

i — одно или двухстороннего действия, i=1;

Re_пер=.

Так как Re_х > Re_пер наступает автомодельный режим и пересчеты характеристик по напору и подачи не требуется, следовательно: Н_н = Н_в и.

Q_н = Q_в.

Но с изменением вязкости жидкости меняются дисковые потери, что ведёт к изменению КПД и мощности насоса.

Пересчет к.п.д. с воды на перекачиваемую жидкость где з_в — к.п.д на воде;

з_н — к.п.д. на перекачиваемую жидкость;

A — коэффициент связанный с дисковыми потерями, определяемый коэффициентом быстроходности n_s и рассчитываемый с учетом вязкости нефти, n_s = 97,62 => A = 1000;

б — коэффициент связанный с гидравлическими потерями, зависящий от числа Re и определяется по графику б = 0,04;

Re_в, Re_н — числа Рейнольдса, определяемые по воде и вязкой жидкости.

Число Re_в при перекачке воды равно:

Пересчет мощности с воды на перекачиваемую жидкость Расчетные данные заносим в таблицу 3.

Таблица 3.

4. Построение совмещенной характеристики трубопровода и группы насосов.

5. Возможные варианты регулирования подачи.

5.1 Дросселирование Метод дросселирования на практике применяется сравнительно часто, хотя и не является экономичным. Он основан на частичном перекрытии потока нефти на выходе из насосной станции, т. е. на введении дополнительного гидравлического сопротивления. При этом рабочая точка смещается в сторону уменьшения расхода.

Высота изменения характеристики трубопровода равна.

h_др=Н_с-Н_В=444,87−400,69=44,18 м.

Оценка эффективности з_н=76,5% при Q=360 м³/ч.

>Дз_доп=2%,.

следовательно дросселирование не приемлемо.

5.2 Регулирование воздействием на привод, изменением числа оборотов вала насоса Изменение частоты вращения вала — прогрессивный и экономичный метод регулирования, позволяющий полностью исключить обточку рабочих колес.

Согласно теории подобия центробежных насосов параметры их работы при измени частоты вращения вала связаны соотношениями:

=.

Строим параболу подобия Н=СQ².

Таблица 4.

Парабола пересекает напорную характеристику насоса в точке К, Q при n, Q при n.

Из выражений приведённых выше найдём число оборотов вала центробежного насоса в минуту n:

n==2801,66.

По формулам и пересчитаем напорную характеристику НМ при числе оборотов в минуту n=2970 об/мин.

Данный метод регулирования является самым эффективным, так как при изменении числа оборотов вала насоса, КПД насоса при этом не меняется.

1).

2).

3).

4).

5).

6).

7).

1).

2).

3).

4).

5).

6).

).

Результаты заносим в таблицу 5.

Таблица 5.

5.3 Регулирование подачи обточкой рабочего колеса Обточка рабочих колес по наружному диаметру широко применяется в трубопроводном транспорте нефти. Этот способ может быть эффективно использован при установившемся на длительное время режиме перекачки. Следует отметить, что уменьшение диаметра рабочего колеса сверх допустимых пределов приводит к нарушению нормальной гидродинамики потока в рабочих органах насоса и значительному снижению к.п.д.

Строим параболу обточки Н_В=a_BQ².

Строим параболу обточки для подач.

Q₁ = 320 м³/ч, Q₂ = 360 м³/ч, Q₃ = 400 м³/ч Н ₁= 320² * 0,3 092 = 316,59 м;

H₂ = 360² * 0,3 092 = 400,69 м;

H₃ = 400² * 0,3 092 = 494,67 м.

Эта парабола пересекает напорную характеристику насоса в точке К с подачей Q_К = 378,57 м³/ч. Тогда диаметр обточенного колеса будет Строим новую напорную характеристику насоса:

1).

2).

3) ;

4) ;

5) ;

6) ;

7).

Результаты заносим в таблицу 6.

Таблица 6.

При 60s<120 допускается обточка рабочих колес до 20%. В нашем случае n_s=97,62 и д=5,6% - условие выполняется, следовательно, регулирование подачи путем обточки рабочего колеса приемлемо.

6. Проверка всасывающей способности Определим запас энергии на входе в насос, используя уравнение Бернулли.

.

Располагаемый кавитационный запас.

=.

Расчёт показал, что располагаемый кавитационный запас больше допустимого (для насоса НМ360−460 h_доп =4 м) в этом случае в насосе кавитация не возникает, подпорный насос не нужен.

7. Расчет щелевого уплотнения Наиболее широко распространенный вид бесконтактного уплотнения в центробежных насосах — щелевое уплотнение. Оно ставится у входа в насос, между колесом и корпусом, для уменьшения перетока жидкости между областями высокого и низкого давления В корпусе насоса 1 фиксируется неподвижно втулка 3 с буртиком, которая по диаметру Д₁ плотно прилегает к корпусу. Между втулкой и выточкой колеса 2 по техническим требованиям устанавливается малый зазор д в пределах 0,3…0,4 мм, который обеспечивает колебания вала в пределах зазоров подшипников без заедания колеса о корпус. Отношение длины выточки к ее диаметру находится в пределах 0,12…0,15.

Определим утечки через щелевое уплотнение насоса на оптимальном режиме, если известно, что диаметр щели D=90 мм, д₁=0,25 мм, д₂=0,6 мм, н=0,18^.10^-4м²/с Расход через коническую щель примерно равен расходу через цилиндрическую с зазором Выполним расчет в первом приближении.

Перепад напора на щели Скорость.

Число Рейнольдса.

Так как 3753,2>1900, то режим турбулентный Коэффициент Дарси вычисляется по формуле Блазиуса (для турбулентного режима) Коэффициент расхода Скорость в щели Утечки.

Второе приближение Число Рейнольдса.

Коэффициент Дарси.

Коэффициент расхода.

Скорость в щели Утечки Повторяя аналогичные вычисления для последующих приближений, соответственно получим следующий ряд расходов: 19,42 м³/ч; 19,37 м³/ч. Как видно, второе и третье приближение отличаются друг от друга не более чем на 1%, а потому расчёты можно закончить. Таким образом, утечки при указанных условиях на две стороны составят 38,74 м³/ч, что соответствует объёмному к.п.д.

магистральный насос трубопровод всасывающий.

При этом скорость в щели составляет величину V =44,81 м/с.

В процессе эксплуатации насосов и щелевых уплотнений последние изнашиваются, зазор возрастает, что увеличивает утечки. Возрастание этих утечек со временем — одна из причин снижения к.п.д. насоса.

Список использованных источников

.

1 П. И. Тугунов, В. Ф. Новоселов, А. А. Коршак, А. М. Шаммазов, Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов, Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2002.

2 Л. Г. Колпаков, Эксплуатация магистральных насосов, Уфа: УГНТУ, 1993.

3 А. М. Нечваль, Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов, Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2001.

4 А. А. Коршак, А. М. Нечваль, Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа, Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2005.

5 Альбом основного и вспомогательного оборудования насосных и компрессорных станций нефтегазопроводов, Уфа: УГНТУ, 2004.

6 Каталог нефтяные магистральные и подпорные насосы, Москва: ЦИНТИхимнефтемаш, 1973.

7 С. М. Вайншток, Г. Г. Васильев, Г. Е. Коробков, А. А. Коршак, М. В. Лурье, А. Д. Прохоров, А. М. Шаммазов, Трубопроводный транспорт нефти, Москва: Недра, 2002.