Обоснование энергосберегающих режимов работы нефтеперекачивающих центробежных насосов с регулируемым приводом

Самоленков, Сергей Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование энергосберегающих режимов работы нефтеперекачивающих центробежных насосов с регулируемым приводом
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Обоснование энергосберегающих режимов работы нефтеперекачивающих центробежных насосов с регулируемым приводом"

На правах рукописи

САМОЛЕНКОВ Сергей Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005551485

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреяадении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Кабанов Олег Васильевич

Официальные оппоненты:

Бажайкин Станислав Георгиевич доктор технических наук, профессор, ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов», заместитель генерального директора

Козачок Ольга Васильевна кандидат технических наук, ООО «НефтеГазоПровод-Строй», исполнительный директор

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Защита состоится 17 июня 2014 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.10 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 17 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ /Ц/ Уу^ Николаев Александр диссертационного совета пП ^у Константинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

В настоящее время в России уделяется большое внимание проблемам энергосбережения и повышения энергоэффективности. Основные положения энергетической политики государства закреплены в Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 года, и в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года». Согласно Стратегии основной целью государственной энергетической политики в сфере повышения энергетической эффективности экономики является рациональное использование энергетических ресурсов.

В магистральном транспорте нефти доля выплат за потребленную электроэнергию превышает 30 % эксплуатационных расходов. Поэтому уменьшение энергозатрат при транспорте нефти является актуальной задачей.

В ОАО «АК «Транснефть» разработаны и реализуются программы энергосбережения и инновационного развития, которые направлены на значительное улучшение основных показателей эффективности производственного процесса и существенную экономию энергетических ресурсов в процессе эксплуатации системы магистрального нефтепроводного транспорта.

Для повышения энергетической эффективности трубопроводного транспорта нефти центробежные насосы (ЦН) магистральных насосных агрегатов (МНА) нефтеперекачивающих станций (НПС) следует эксплуатировать на режимах, обеспечивающих минимум всех затрат, а из всех возможных методов регулирования применять наиболее экономичный для конкретных условий эксплуатации.

Цель диссертационной работы

Обоснование режимов работы нефтеперекачивающих насосов с регулируемым приводом, обеспечивающих снижение энергозатрат при трубопроводном транспорте нефти.

Основные задачи исследования

1. Выполнить анализ современного состояния теории и практики определения режимных параметров насосного оборудования нефтеперекачивающих станций.

2. Разработать новый метод управления магистральными насосными агрегатами, обеспечивающий энергосберегающий режим их эксплуатации и устройства для его реализации.

3. Разработать математические модели процессов работы системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод» с учетом изменения частоты вращения рабочих колес центробежных насосов.

4. Провести экспериментальные исследования гидромеханических параметров центробежного насоса, позволяющие выявить энергосберегающий режим работы и выполнить экспериментальную проверку алгоритма реализации нового метода управления.

5. Разработать инженерную методику расчета режимных параметров насосного оборудования НПС на стадии проектирования.

6. Разработать алгоритм выбора рационального режима работы нефтеперекачивающей станции в системе магистрального нефтепровода на стадии проектирования и на его основании выполнить анализ эффективности разработанного метода в сравнении с имеющимися методами регулирования системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод».

Идея работы

Энергосберегающие режимы работы нефтеперекачивающих насосов с регулируемым приводом определять путем совместного решения уравнений напорной характеристики насосов и линии рабочих режимов, обеспечивающих устойчивую работу системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод» с максимальным КПД, независимо от изменения внешних технологических факторов.

Научная новизна работы

режиму работы системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод» с максимальным КПД центробежного насоса.

2. Разработана математическая модель пуска и работы центробежных насосных агрегатов с учетом регулирования частоты вращения рабочего колеса.

Научные положения, выносимые на защиту

1. В пространстве режимных параметров определено соотношение между расходом, напором и частотой вращения рабочего колеса, обеспечивающее устойчивую работу насосного агрегата с максимальным коэффициентом полезного действия независимо от изменения нагрузки и реологических характеристик перекачиваемой среды.

2. Выбор энергосберегающего режима пуска и работы нефтеперекачивающих центробежных насосов с регулируемым приводом необходимо производить с использованием разработанной математической модели данных процессов.

Методика исследований

При проведении исследований и решении поставленных задач применялся комплексный подход, включающий теоретические и экспериментальные методы исследований: анализ факторов, уменьшающих энергозатраты, математическое описание режимов работы системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод», математическое моделирование в программной среде МаЛетайса 8.0 и БтиПпк (МаЙаЬ), создание физической модели, составление рандомизированных планов варьирования определяющих факторов, обработку полученных результатов методами математической статистики.

Достоверность научных положений подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с доверительной вероятностью не менее 0,95.

Теоретическая и практическая ценность работы

1. Разработан метод расчета режима работы насосного агрегата на основе максимизации КПД центробежного насоса.

2. Разработана математическая модель и программа на основе прикладного пакета БтиНпк (Ма^аЬ), позволяющая производить

расчеты процесса пуска и режима работы магистрального насосного агрегата на открытую и закрытую задвижку с учетом изменения частоты вращения рабочего колеса центробежного насоса.

3. Разработаны алгоритм и устройства управления центробежными насосными агрегатами для перекачки нефти и нефтепродуктов.

4. Предложена методика определения режимных параметров нефтеперекачивающей станции, обеспечивающих максимальный КПД центробежных насосов на стадии проектирования и выбора рационального режима работы нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода на основе расчета удельных энергетических затрат.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-ом Международном молодежном нефтегазовом форуме SPE на базе КазНТУ (г. Алма-Ата 16-17.04.2011), 5-ом Санкт-Петербургском конгрессе «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке» (г. Санкт-Петербург 24.1125.11.2011), 65-ой Международной научной студенческой конференции «Нефть и газ - 2011» (г. Москва 11.04-14.04.12), межрегиональном семинаре «Рассохинские чтения» (г. Ухта 3.02-4.02.2012), The University of Resources Resources Issues Freiberg: Technical University Bergakademie Freiberg (г. Фрайберг 06.14 - 06.15.2012). Получена серебряная медаль и диплом 9-ой Международной ярмарки инноваций SIIF-2013 (29.11-2.12.2013 г. Сеул, Республика Корея) за разработку «Энергосберегающая технология транспортировки нефти и нефтепродуктов».

Публикации

По теме диссертации опубликовано восемь научных работ, две из которых в изданиях, включенные в перечень научных изданий ВАК Минобрнауки России, получены четыре патента на изобретения.

Личный вклад соискателя

Автором разработан метод управления центробежным насосным агрегатом на основе максимизации КПД насоса; составлена

методика расчета на стадии проектирования трубопроводных систем; разработаны устройства, реализующие принцип управления на основе максимизации КПД центробежного насоса; получены патенты на способ и системы управления центробежным насосом. Составлена программа в среде Simulink (Matlab) для расчета основных гидромеханических параметров при процессе пуска магистрального насосного агрегата; получена формула расчета механического момента центробежного насоса на основе конструктивных параметров; составлен алгоритм рационального выбора метода регулирования системы «НПС-нефтепровод».

Реализация результатов работы

Разработанный метод, инженерная методика и устройства управления центробежными насосными агрегатами на основе максимизации КПД насоса могут быть использованы при проектировании и эксплуатации систем трубопроводного транспорта углеводородных продуктов, а также при расчетах насосных станций в учебном процессе. Созданная программа в среде Simulink (Matlab) для расчета основных гидромеханических параметров при пуске магистрального насосного агрегата может быть использована при анализе нестационарных процессов трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, изложена на 145 страницах текста, содержит 41 рисунок, 24 таблицы, список использованных источников из 112 наименований, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена суть исследования, обоснована актуальность диссертационной работы, определена цель, отражена идея, сформулированы основные задачи работы и защищаемые положения, выявлена научная новизна, теоретическая и практическая значимость.

В первой главе проводится сравнительный анализ теории и практики определения режимных параметров системы магистральных нефтепроводов.

Эксплуатация данных систем сопряжена с вопросами регулирования режимов их работы. Обобщены факторы и причины необходимости регулирования. Методы регулирования системы магистрального нефтепровода широко рассматриваются в работах по трубопроводному транспорту нефти и нефтепродуктов таких авторов, как: М.Д. Айзенштейн, Л.Г. Колпаков, П.И. Тугунов, A.A. Коршак, A.M. Нечваль.

Проведен анализ проблемы выбора режимов работы магистральных нефтепроводов. Отражены основные исследования в области поиска оптимальных режимов с использованием расчета удельных энергозатрат для каждого из способов, составлением технологических карт, поиска оптимальной величины обточки рабочих колес насосов, использованием метода динамического программирования.

Исследованиями в области разработки теории центробежных насосов занимались многие ученые, в частности, М.Д. Айзенштейн, А.Г. Колпаков, К. Пфлейдерер, Л.И. Степанов, А.К. Михайлов, L. Bachus. Выявлены основные гидромеханические характеристики, определяющие режимные параметры центробежных насосов.

Выявлены преимущества применения метода регулирования частоты вращения рабочего колеса насоса по сравнению с другими традиционными методами.

В результате анализа установлено, что в исследованиях уделено недостаточно внимания энергоэффективному режиму работы нефтеперекачивающих станций с точки зрения максимизации КПД центробежных насосов, вопросу изменения времени разгона магистрального насосного агрегата при процессе пуска для снижения механической нагрузки и выбору метода регулирования режима работы нефтепровода в зависимости от параметров, влияющих на энергозатраты. В связи с этим, встает вопрос о необходимости разработ-

ки нового метода управления магистральными насосными агрегатами, обеспечивающего энергосберегающий режим их эксплуатации и устройств для реализации метода. Для анализа вопроса времени пуска магистрального насосного агрегата необходимо разработать математические модели процессов работы системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод» с учетом изменения частоты вращения рабочих колес центробежных насосов. Провести экспериментальные исследования гидромеханических параметров центробежного насоса, позволяющие выявить энергосберегающий режим работы с максимальным КПД. Выполнить экспериментальную проверку реализации нового метода управления. Разработать инженерную методику расчета режимных параметров насосного оборудования НПС на стадии проектирования. Разработать методику выбора метода регулирования системы нефтеперекачивающей станции и магистрального нефтепровода на основе анализа удельных энергетических затрат.

Во второй главе приводятся теоретические исследования режимов работы основного насосного оборудования нефтеперекачивающих станций с магистральным нефтепроводом при регулировании изменением частоты вращения рабочих колес насосов.

Разработан новый метод управления магистральными насосными агрегатами, обеспечивающий энергосберегающий режим их эксплуатации при максимизации КПД центробежных насосов.

При изменении частоты вращения рабочего колеса уравнение характеристики Я- центробежных насосов НПС, с учетом теории подобия, без учета гидравлического режима перекачки будет:

Н = Л(п / п0 У —В()2, (1)

где Н - напор, развиваемый центробежным насосом, () -производительность центробежного насоса; А, В - коэффициенты, определяемые по паспортной характеристике насосов; п0 и п - номинальная и рабочая частота вращения рабочих колес центробежных насосов НПС соответственно.

Коэффициент полезного действия магистрального насоса определяется по паспортным характеристикам и может выражаться полиномом:

77 = с,е+с2(22+Сз<23, (2)

где С], с2, сз - коэффициенты, определяемые типом насоса. Для определения максимального КПД данное уравнение необходимо исследовать на экстремум, тогда производительность и напор магистрального насоса при максимальном КПД определятся из уравнений (1) и (2):

б„та* = (-с2 -л/с22 -Зс,с, )/(3с3), =А — В£)птзх,

Птах = С&1}тг\ + С2б7тах + С3 т ах >

где о и и - соответственно производительность и налетах /7тах А

пор в нефтепроводе при максимальном КПД центробежного насоса

Птах'

Используя законы подобия центробежных машин, строится линия максимальных значений КПД для выбранных насосов:

я=еЧтах/аи. (4)

Участок магистрального нефтепровода описывается уравнением баланса напоров:

К, + нст] = 1,02 • / ■ е2-"1 - Ьр + Лг + 1госп, (5)

где - подпор перед ^-ой НПС; Нигч - напор, развиваемый 7-ой НПС; ()р - расход нефти в нефтепроводе при определенном режиме; Ьр - расчетная длина нефтепровода; Аг - разность высотных отметок конца и начала нефтепровода; 1гост - остаточный напор в конце участка нефтепровода; / - гидравлический уклон при единичном расходе.

Совместное решение уравнений (4) и (5) дает значения расхода и напора для режима работы нефтепровода:

2 =е I Н Н"т ах</°

7 тах

где ¿0 = ^ + кост-}г„ и

Частота вращения рабочих колес центробежных насосов, при

использовании зависимостей (1) и (6), определится из выражения:

п = п0 ^о (Я, тах + ве;тах) /(А(Я,тах - ¿2<2Цт„)). (7)

Полученная зависимость позволяет получить значение частоты вращения рабочих колес ЦН, при котором обеспечивается работа НПС с максимальным КПД центробежных насосов при соответствующих характеристиках участка трубопровода и свойств перекачиваемой нефти. Значение частоты вращения из выражения (7) используется в качестве рабочей при эксплуатации магистрального насосного агрегата. В соответствии с приведенным математическим описанием разработан метод управления центробежными насосами, на который выдан патент на изобретение №2476728 «Способ управления турбоагрегатами для жидкостей и газов» от 27.02.13. На рисунке 1 представлена графическая интерпретация предложенного метода управления системы нефтепровод-НПС, где в точке А осуществляется работа нефтеперекачивающей станции с максимальным КПД центробежных насосов МНА НПС.

При изменении кинематической вязкости больше критического значения для определенной частоты вращения необходимо вводить поправочные коэффициенты на вязкость для значений подачи, напора и КПД в соответствии с алгоритмом пересчета характеристик насосных агрегатов с учетом вязкости нефти, регламентированным РД «Унифицированные технологические расчеты объектов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов».

^ б

Рисунок 1 - Совмещенная характеристика Я-£) нефтепровода и НПС при методе регулирования изменением частоты вращения рабочих колес центробежных насосов при максимизации КПД ЦН: 1 - характеристика нефтепровода; 2 - суммарная паспортная характеристика магистральных насосов; 3 - характеристика магистральных насосов при изменении частоты вращения рабочего колеса; 4 - характеристика магистральных насосов; 5 - линия максимальных КПД

Для реализации метода регулирования разработаны три варианта устройств.

Система управления центробежным насосным агрегатом предполагает регулирование по изменению КПД центробежного насоса во время эксплуатации заданием корректировочной частоты вращения в зависимости от разницы в максимальном и фактическом КПД. По данной системе получен патент на изобретение № 2493437 «Система управления турбоагрегатом» от 20.09.13.

Система автоматического управления центробежным насосным агрегатом предполагает автоматическое определение коэффициентов а0, а1, а2, Ль (12, си с2, с3. Регулирование происходит с учетом вида гидравлической характеристики напорного участка. Получен патент на изобретение № 2498116 «Система автоматического управления турбоагрегатом» от 10.11.13.

Система оптимального управления центробежным насосным агрегатом основана на регулировании по изменению напора в системе «насос-трубопровод». Получен патент на изобретение № 2498115 «Система оптимального управления турбоагрегатом» от 10.11.13.

Разработано математическое описание режимов работы магистральных насосных агрегатов, оборудованных синхронными электродвигателями с преобразователями частоты.

Для описания механической характеристики магистрального центробежного насоса, выведено уравнение момента в зависимости от конструктивных параметров:

мн = шнл1ех-{\~шн)к ,при ын <ш

- 2 „2 (8) м„ =Р8-/--/ _ Л2\пРи ЫИ

где к и со,.., - соответственно показатель степени и ОТНОСИЛА

тельная критическая угловая скорость вращения рабочего колеса, вычисляемые для определенного типа центробежного насоса;

со,, - со,

,1сон0 - относительная угловая скорость вращения рабочего колеса; мн=мн/ м„тах - относительный механический момент центро-

бежного насоса; дм =дм /М - относительный механический

нмех нмех нтах

момент центробежного насоса, определяемый начальными механическими сопротивлениями.

Приведено сравнение опытной механической характеристики с расчетной, полученной по формуле (8) (рисунок 2).

0,4 0.0

ы/шО

опытная, м-| закрытую опытная, ма открытую

-расчетная, на закрытую —расчетная, на открытую

Рисунок 2 - Механическая характеристика центробежного насоса типа НМ 10000210 при работе на закрытую и открытую напорную задвижку

Погрешность в рабочей зоне установившегося режима работы магистрального насосного агрегата при закрытой напорной задвижке составляет значение до 5,39 % и открытой до 4,82 %.

В случае пуска магистрального насосного агрегата на закрытую задвижку математическая модель работы агрегата будет представлена в следующем виде:

к, ■ ¿(¿„(О/Ж + ш00) = к2,

к, ■ ¿М„(г)/ А + М„(г) = к<(Ш0(1) - 5> (0), (9)

■ к5 ■ (г) /Л = Мн (0 - кьан (г),

Я„(г) = £7Й7„2(Г),

к4 = Рсом /Мн, р = М\ !{соэ^к), \2 г \г

где

к2=кр

кг -Т2,

къ=3„рсон!Мн

К =

Р8ао

к7=^ 1 Н

К =

Р8а о

Система уравнений (9) решается в среде системы компьютерной алгебры МаШетайса 8.0, которая позволяет решать системы с дифференциальными уравнениями.

В результате вычислений, получили данные о характере из-

менения гидромеханических параметров МНА, с центробежным насосом типа НМ 7000-210, представленные на рисунке 3.

Рисунок 3 - Графики зависимости N. А/, Рн, со, со0 в относительном виде от I, с, а - при= 0,7с, б - при кх = 1,3с

Имеется большой всплеск механического момента Мтах = 1Д97МТО1, при г = 0,68с, время переходного процесса а 4,5с (рисунок За). Для того чтобы уменьшить значение максимального момента на валу агрегата, необходимо увеличить £ =Т =1,3с, на практике это достигается применением частотно-регулируемого привода, при этом ликвидируются всплески, превышающие номинальное значение давления (рисунок 36).

В прикладном пакете БтиПпк (МаЙаЬ) была создана программа, моделирующая режим работы магистрального насосного агрегата при процессе пуска и регулировании частоты вращения рабочего колеса. Модель включает магистральный насосный агрегат, состоящий из синхронного электродвигателя СТД 5000-2 и нефтяного центробежного насоса НМ 7000-210.

После запуска модели, строятся графики зависимости расхода, давления, мощности центробежного насоса, угловой скорости вращения рабочего колеса и момента на валу ЦН от времени в относительном виде (рисунок 4) за режим приведения взята работа МНА в стационарном состоянии на закрытую задвижку.

При процессе запуска имеются всплески механического момента и мощности на валу агрегата, которые составили соответственно Мтах = 1,087МйО„ при г = 2,018с и = 1,1167Л^„ при г = 2,145с Максимальное развиваемое давление центробежного насоса

(а)

(б)

рнтгх = 1,164РН при г = 2,249с. Время переходного процесса ?„„«5с (рисунок 4а). Для ликвидации всплесков можно увеличить время пуска магистрального насосного агрегата, при этом оно составляет

(а) (б)

Рисунок 4 - Графики зависимости N. М, Р„, со в относительном виде от г, с, а - при Гд = 5С, б - при т>} = 3,78с

В результате сравнения моделей по номинальным значениям при выходе агрегата на стационарный режим, можно сделать вывод о большей сходимости модели Ма11аЬ БппиПпк со стандартным расчетом, по причине меньшей относительной погрешности, которая составляет максимум 0,05 %. Максимальная погрешность расчетов по модели системы уравнений (9) 4,47 %. Созданное математическое описание и программный комплекс в БтиНпк (МаОаЬ) могут использоваться для расчета любых насосных систем, имеющими в своем составе асинхронный или синхронный электродвигатель и центробежный насос.

Применение метода регулирования частотой вращения рабочего колеса насоса позволяет произвести плавный пуск агрегата, который снижает механические нагрузки на вал и исключает резкие повышения давления в трубопроводе.

Определены факторы и зависимости функции удельных энергетических затрат для методов регулирования системы магистрального нефтепровода.

В третьей главе приводятся экспериментальные исследования гидромеханических характеристик центробежного насосного агрегата при различных режимах работы.

Целью проведения данных исследований является получение ряда характеристик КПД центробежного насоса при разных частотах вращения и выявление режимов работы с максимальным КПД центробежного насоса. Эксперименты проводились на стенде (рисунок 5).

мановакуумметр, 9 - входной патрубок, 10 - центробежный насос К 20/30, 11 - асинхронный электродвигатель АИР10082ПРУЗ, 12 - преобразователь частоты АШ\<аг 31Ни40М4, 13 -комплект измерительный К50, 14 - компрессор МКЗ, 15 - воздуховод

Для осуществления экспериментальных исследований составлен план проведения эксперимента.

Был проведен полный факторный эксперимент, по результатам которого строится регрессионная зависимость третьего порядка, описывающая характеристику КПД центробежного насоса при частоте вращения 3000 об/мин:

т] = 3,9656(2 + 0,0352(22 - 0,00412(23. (10)

Проведена проверка на адекватность полученной модели при помощи тестов Фишера, Стъюдента, анализа остатков.

Построены характеристики КПД центробежного насоса при разных частотах вращения рабочего колеса, на основании которых можно сделать вывод о сохранении максимума характеристики КПД-<2 как в сторону уменьшения, так и увеличения частоты

вращения рабочего колеса и возможности работы ЦН на режиме с максимальным КПД.

В четвертой главе предлагается инженерная методика определения режимных параметров нефтеперекачивающей станции обеспечивающих максимальный КПД центробежных насосов.

В соответствии с теорией, предлагаемая методика распространяется на все типы центробежных насосов и поэтому предлагаемые устройства могут применяться в насосных установках, оборудованных частотно-регулируемым приводом, различных технологических процессов: водоснабжение, водоотлив, перекачка по технологическим трубопроводам нефтебаз и нефтеперерабатывающих заводов.

На экспериментальном стенде реализован алгоритм управления центробежным насосным агрегатом при максимизации КПД (рисунки 6 и 7).

Э«п. «егжз насоса пр* 3000 об/»/

Теор. маслга при 3300 об/»/

Экся. из? «г трубопровода, псо*-ени<? ззггиж** 1

— Теоо.*

л трус-о я рс-всда,

«1

— ~ Теор. хгэ-*а насоса пр* 26С5 — пинл» мЗ^СИЬ'ЗЧьнг/* КПД

—^ Т*ор. хзз-чз трубопровода, по^сжечие 15 " 08 " Ос 21 23---т™.,,^«иагф»2870,б,',,»,

амз/ч

Рисунок 6 - Совмещенная характеристика центробежного насоса К 20/30 при изменении характеристики напорного участка трубопровода и разных частотах вращения рабочего колеса при максимизации КПД ЦН

-при 2605оС/мин - при 2870 об/мим

а мз/ч

Рисунок 7 - Характеристики КПД центробежного насоса К 20/30 при изменении характеристики напорного участка трубопровода и разных частотах вращения рабочего колеса

при максимизации КПД ЦН

В случае максимизации КПД ЦН, при значении 60,7 %, режим установится в точке В QB= 18,2 м3/ч и Нв= 17,3 л/ при п = 2605 об/мин. Разница в абсолютном значении КПД 2,9 %. При изменении гидравлической характеристики напорного трубопровода режим работы установки переходит в точку С Qc= 20,1 м3/ч и #с= 21 м при п = 2870 об/мин с сохранением КПД центробежного насоса на максимальном уровне.

Экспериментально подтверждена возможность

использования метода максимизации КПД центробежного насоса при частотном регулировании, выявлен эффект снижения потребления электрической энергии.

Для выбора метода регулирования режима работы магистрального нефтепровода по величине затраченной энергии при эксплуатации разработан алгоритм выбора рационального режима работы нефтеперекачивающей станции в системе магистрального нефтепровода на стадии проектирования. Приведен пример расчета удельных энергетических затрат на 1 т нефти для ряда методов регулирования, который показал эффективность метода регулирования изменением частоты вращения рабочих колес МНА НПС с учетом максимизации КПД ЦН МНА, эффект составил 19,51 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате проведения диссертационных исследований были решены следующие задачи:

1. На основании анализа современного состояния теории и практики определения режимных параметров насосного оборудования НПС выявлена недостаточность проработки вопроса максимизации КПД ЦН, вопроса регулирования процесса пуска МНА и выбора метода регулирования режима работы нефтепровода в зависимости от параметров, влияющих на энергозатраты.

2. Разработан новый метод управления магистральными насосными агрегатами, обеспечивающий энергосберегающий режим эксплуатации с максимальным КПД ЦН МНА, и три варианта устройств для реализации метода, которые непрерывно осуществляют процесс максимизации КПД путем постоянной корректировки час-

тоты вращения по изменению КПД ЦН, по виду гидравлической характеристики или по изменению напора соответственно.

3. Разработана математическая модель процессов работы системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод», позволяющая рассчитывать режимы работы в условиях изменения частоты вращения рабочих колес центробежных насосов. Составлена математическая модель работы МНА в программной среде МаНаЬ (БтиНпк). По двум моделям рассчитаны гидромеханические параметры ЦН МНА в процессе пуска на закрытую задвижку и определены значения регулирующих коэффициентов и времени разгона для осуществления плавного пуска.

4. На экспериментальном стенде проведен анализ гидромеханических параметров насосного агрегата, с точностью до 5 %, на основании которых были построены регрессионные модели напорной характеристики и характеристики КПД ЦН. Анализ последней выявил независимость ее максимума от частоты вращения, подтверждена возможность использования метода максимизации КПД ЦН при частотном регулировании.

5. Разработана методика расчета режимных параметров насосного оборудования НПС на стадии проектирования, позволяющая определять параметры режима работы в условиях применения метода регулирования частоты вращения рабочего колеса при максимизации КПД центробежного насоса.

6. Разработан алгоритм выбора рационального режима работы нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода на стадии проектирования, который позволяет учесть основные факторы, влияющие на уровень энергетических затрат при эксплуатации системы магистрального нефтепровода и сравнить величины удельных энергозатрат по каждому из методов регулирования. Проведен сравнительный анализ эффективности применения метода регулирования изменением частоты вращения рабочих колес МНА НПС с учетом максимизации КПД ЦН МНА с рядом традиционных методов, эффект снижения затраченной мощности составил 19,51 %.

Наиболее значимые работы по теме диссертации:

В изданиях из перечня, рекомендованных ВАК Минобрнауки

России

1. Самоленков C.B. Исследование способов энергосбережения при транспорте нефти / C.B. Самоленков, О.В. Кабанов // Записки Горного института. - 2012. - Т. 195.-е. 81-84.

2. Самоленков C.B. Моделирование процесса пуска магистрального насосного агрегата на закрытую задвижку / C.B. Самоленков // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2013. - № 2 - с. 32-37

Патенты на изобретения:

1 • Пат. 2476728 Российская Федерация, МПК F04D15/00. Способ управления турбоагрегатами для перекачки жидкостей и газов / Кабанов О.В., Самоленков C.B., Дедовский Г.Н.; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный университет» - № 2011126578/06; заявл. 28.06.2011; опубл. 27.02.2013, - 5 е.: ил.

2. Пат. 2493437 Российская Федерация, МПК F04D15/00 F04D27/00 Система управления турбоагрегатом / Кабанов О.В., Самоленков C.B.; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» - № 2012129646/06; заявл. 12.07.2012; опубл 20.09.2013,-9 е.: ил.

3. Пат. 2498115 Российская Федерация, МПК F04D15/00 F04D27/00 Система оптимального управления турбоагрегатом / Кабанов О.В., Самоленков C.B.; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» - № 2012142803/06; заявл. 08.10.2012; опубл. 10.11.2013,-8 е.: ил.

4. Пат. 2498116 Российская Федерация, МПК F04D15/00 F04D27/00 Система автоматического управления турбоагрегатом / Кабанов О.В., Самоленков C.B.; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» - № 2012142804/06; заявл 08.10.2012; опубл. 10.11.2013, - 9 е.: ил.

РИЦ Горного университета. 16.04.2014. 3.285. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Самоленков, Сергей Викторович, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» 04201459881

На правах рукописи

Самоленков Сергей Викторович

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент О.В. Кабанов

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ......................................................................................................15

1.1 Определение причин изменения технологических режимных параметров магистральных нефтепроводов..........................................................................15

1.2 Критический анализ имеющихся методов регулирования режимов работы систем магистральных нефтепроводов и проблема их выбора........18

1.3 Основные параметры и характеристики магистральных центробежных насосов..................................................................................................................28

1.4 Современные математические модели нестационарных процессов в нефтепроводах.....................................................................................................36

1.5 Анализ процессов пуска и остановки магистральных насосных агрегатов...............................................................................................................39

1.6 Постановка задач исследований..................................................................41

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ.......................................................43

2.1 Выявление гидромеханических факторов системы магистрального нефтепровода, определяющие мощность центробежных насосов, затраченную на перекачку нефти......................................................................43

2.2 Обоснование метода управления магистральным насосным агрегатом изменением частоты вращения рабочего колеса при максимизации КПД центробежного насоса........................................................................................46

2.3 Устройства, максимизирующие КПД центробежного насоса.................53

2.3.1 Система управления центробежным насосным агрегатом..........53

2.3.2 Система автоматического управления центробежным насосным агрегатом....................................................................................................59

2.3.3 Система оптимального управления центробежным насосным

агрегатом....................................................................................................62

2.4 Построение математической модели режима работы нефтеперекачивающих станций в системе магистрального нефтепровода с учетом метода регулирования частотой вращения.........................................65

2.5 Моделирование процесса пуска магистрального насосного агрегата на закрытую задвижку.............................................................................................75

2.6 Анализ эффективности применения методов регулирования режимов работы магистрального нефтепровода.............................................................85

2.7 Выводы по второй главе...............................................................................91

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ МАКСИМАЛЬНЫЙ КПД.................................................................................................................................93

3.1 Разработка экспериментальной установки для анализа гидромеханических характеристик центробежных насосных агрегатов......93

3.2 Планирование проведения экспериментов.................................................98

3.3 Проведение экспериментальных исследований гидромеханических параметров работы центробежного насоса....................................................102

3.3.1 Снятие и обработка экспериментальных данных.......................102

3.3.2 Построение напорной характеристики центробежного

насоса.......................................................................................................105

3.3.3 Построение характеристики КПД центробежного агрегата.....111

3.4 Выводы по третьей главе...........................................................................115

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩЕЙ СТАНЦИИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ МАКСИМАЛЬНЫЙ КПД ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.........................................................................116

4.1 Определение входных данных методики.................................................116

4.2 Определение характеристик нефтепровода и типов центробежных насосов................................................................................................................117

4.3 Определение режимных параметров нефтепровода с максимальным КПД центробежных насосов............................................................................118

4.4 Реализация разработанной методики на экспериментальном стенде ... 119

4.5 Выбор рационального режима работы нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода на основе расчета удельных энергозатрат.......................................................................................................121

4.6 Выводы по четвертой главе.......................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ А.......................................................................................................138

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований

В настоящее время в России уделяется большое внимание проблемам энергосбережения и повышения энергоэффективности. Основные положения энергетической политики государства закреплены в Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 года [58], и в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» [104]. Согласно Стратегии основной целью государственной энергетической политики в сфере повышения энергетической эффективности экономики является рациональное использование энергетических ресурсов.

В магистральном транспорте нефти доля выплат за потребленную электроэнергию превышает 30% эксплуатационных расходов [15]. Поэтому уменьшение энергозатрат при транспорте нефти является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является обоснование режимов работы нефтеперекачивающих насосов с регулируемым приводом, обеспечивающих снижение энергозатрат при трубопроводном транспорте нефти.

Основные задачи исследования:

6. Разработать алгоритм выбора рационального режима работы нефтеперекачивающей станции в системе магистрального нефтепровода на стадии проектирования и на основании его выполнить анализ эффективности разработанного метода в сравнении с имеющимися методами регулирования системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод».

Идея работы

Энергосберегающие режимы работы нефтеперекачивающих насосов с регулируемым приводом определять путем совместного решения уравнений напорной характеристики насосов и линии рабочих режимов, обеспечивающих устойчивую работу системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод» с максимальным КПД, не зависимо от изменения внешних технологических факторов.

Научная новизна работы:

1. Получены новые функциональные зависимости между давлением, частотой вращения рабочего колеса магистрального насоса, подачей и конструктивными параметрами, соответствующие режиму работы системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод» с максимальным КПД центробежного насоса.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В пространстве режимных параметров определено соотношение между расходом, напором и частотой вращения рабочего колеса, обеспечивающее устойчивую работу насосного агрегата с максимальным коэффициентом полезного действия не зависимо от изменения нагрузки и реологических характеристик перекачиваемой среды.

Методика исследований

При проведении исследований и решении поставленных задач применялся комплексный подход, включающий теоретические и экспериментальные методы исследований: анализ факторов, уменьшающих энергозатраты, математическое описание режимов работы системы «насосное оборудование - магистральный трубопровод», математическое моделирование в программной среде МаШета^са 8.0 и 81тиНпк (МаНаЬ), создание физической модели, составление рандомизированных планов варьирования определяющих факторов, обработку полученных результатов методами математической статистики. Достоверность научных положений подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований с данными экспериментов.

Теоретическая и практическая ценность работы:

2. Разработана математическая модель и программа на основе прикладного пакета Simulink (Matlab), позволяющая производить расчеты процесса пуска и режима работы магистрального насосного агрегата на открытую и закрытую задвижку с учетом изменения частоты вращения рабочего колеса центробежного насоса.

4. Предложена инженерная методика определения режимных параметров нефтеперекачивающей станции обеспечивающих максимальный КПД центробежных насосов на стадии проектирования и выбора рационального режима работы нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода на основе расчета удельных энергетических затрат.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-ом Международном молодежном нефтегазовом форуме SPE на базе КазНТУ (г. Алма-Ата 16-17.04.2011), 5-ом Санкт-Петербургском конгрессе «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке» (г. Санкт-Петербург 24.11-25.11.2011), 65-ой Международной научной студенческой конференции «Нефть и газ — 2011» (11.04-14.04.12), межрегиональном семинаре «Рассохинские чтения» (г. Ухта 3.02-4.02.2012), The University of Resources Resources Issues Freiberg: Technical University Bergakademie Freiberg (г. Фрайберг 06.14 - 06.15.2012). Получена серебряная медаль и диплом 9-ой Международной ярмарки инноваций SIIF-2013 (29.11-2.12.2013 г. Сеул, Республика Корея) за разработку «Энергосберегающая технология транспортировки нефти и нефтепродуктов».

Публикации

Личный вклад соискателя

Автором разработан метод управления центробежным насосным агрегатом на основе максимизации КПД насоса; составлена методика расчета на стадии проектирования трубопроводных систем; разработаны устройства, реализующие принцип управления на основе максимизации КПД центробежного насоса; - получены патенты на способ и системы управления центробежным насосом. Составлена программа в среде Simulink (Matlab) для расчета основных гидромеханических параметров при процессе пуска магистрального насосного агрегата; получена формула расчета механического момента центробежного насоса на основе конструктивных параметров; составлен алгоритм рационального выбора метода регулирования системы «НПС-нефтепровод».

Реализация результатов работы

Объем работы

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доценту к.т.н. Кабанову О.В., сотрудникам кафедр ТХНГ, ГТМ и ЭЭЭ Национального минерально-сырьевого университета «Горный» за помощь и консультации в подготовке диссертационной работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В первой главе проводится сравнительный анализ теории и практики определения режимных параметров системы магистральных нефтепроводов, теоретических основ магистральных насосных агрегатов и особенностей практического применения в трубопроводном транспорте нефти.

Эксплуатация данных систем сопряжена с вопросами регулирования их режимов работы. Обобщены факторы и причины необходимости регулирования.

Методы регулирования системы магистрального нефтепровода широко рассматриваются в литературе по трубопроводному транспорту нефти и нефтепродуктов. Стоит отметить некоторых авторов, которые освещают данные методы в своих работах: М.Д. Айзенштейн, Л.Г. Колпаков, П.И. Тугунов, A.A. Коршак, A.M. Нечваль.

Проведен анализ проблемы выбора режимов работы магистральных нефтепроводов. Отражены основные исследования в области поиска оптимальных режимов с использованием расчета удельных энергозатрат для каждого из методов, составлением технологических карт, поиска оптимальной величины обточки рабочих колес насосов, использованием метода динамического программирования.

гидромеханические характеристики, определяющие режимные параметры центробежных насосов. Приведены разработки в области определения и мониторинга фактического КПД магистральных насосных агрегатов.

Проанализированы исследования в области нестационарных режимов работы магистральных насосных агрегатов. Среди работ, посвященных данному вопросу можно выделить труды следующих авторов: Н.Е. Жуковский, И.А. Чарный, Д.А. Фокс, М.В. Лурье, Л.В. Полянская, Е.В. Вязунов, А.Э. Роттэ, В.Г. Мусаев. Особое внимание, в рамках текущих исследований, представляет вопрос процесса пуска насосных агрегатов в условиях регулирования частотой вращения рабочего колеса. Расчеты таких режимов представляют трудную задачу, связанную с решением дифференциальных уравнений в частных производных.

В результате анализ�

Информация о работе

Самоленков, Сергей Викторович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2014
ВАК 25.00.19

Диссертация

Обоснование энергосберегающих режимов работы нефтеперекачивающих центробежных насосов с регулируемым приводом - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы