Влияние частоты вращения на кпд магистрального насоса

Шабанов В.А. Shabanov У.А.

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование предприятий» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Уфа

Шарипова С.Ф Sharipova S.F.

аспирант кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Уфа

Ахметгареев А.А. Ahmetgareev A.A.

магистрант кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Уфа

УДК 621.31; 62-83

ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ НА КПД МАГИСТРАЛЬНОГО НАСОСА

В настоящее время для регулирования режима работы магистральных нефтепроводов широко используется способ циклической перекачки. При циклической перекачке трубопровод работает поочередно с разным числом насосов, обеспечивая работу нефтепровода при двух разных циклически изменяющихся значениях производительности. В режиме циклической перекачки производительность трубопровода может отличаться от номинальной подачи насосов, при этом насосы работают не в оптимальном режиме, и их коэффициент полезного действия (КПД) снижается по сравнению с номинальным значением. При этом использование циклической перекачки приводит к дополнительным потерям мощности и дополнительному непроизводительному расходу электроэнергии. Наиболее экономичным способом регулирования режимов работы магистрального нефтепровода является регулирование частоты вращения насоса с помощью частотно-регулируемого электропривода. В статье рассмотрено влияние частоты вращения магистрального насоса на его КПД. Показано, что КПД регулируемого насоса является сложной функцией, зависящей от частоты вращения. Для исследования зависимости КПД насоса от частоты вращения рассмотрен технологический участок действующего нефтепровода. Показано, что характер изменения КПД при изменении частоты вращения зависит от режима работы нефтепровода. Установлено, что в зависимости от производительности нефтепровода все режимы перекачки можно разбить на три группы. В режимах перекачки 1-й группы с производительностью, близкой к номинальному значению, регулирование производительности трубопровода путем снижения частоты вращения насоса приводит к снижению его КПД и поэтому экономически не выгодно. В режимах перекачки 2-й группы с производительностью, существенно меньшей номинального значения, КПД регулируемого насоса во всем диапазоне частот вращения остается выше, чем у нерегулируемого. Использование частотно-регулируемого электропривода в этих случаях экономически выгодно. В режимах перекачки 3-й группы, производительность в которых занимает промежуточное положение между группами 1 и 2, КПД регулируемого насоса изменяется разнонаправленно и может быть как выше, так и ниже, чем при номинальной частоте вращения.

Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, магистральный насос, нефтепровод, коэффициент полезного действия, нефтеперекачивающая станция.

EFFECT OF SPEED ON THE EFFICIENCY OF THE MAIN PUMP

Currently, for regulating the mode of operation of the main pipelines method of cyclic pumping widely used. When cyclic pumping pipeline works alternately with different numbers of pumps, providing work of the pipeline at

two different values of the cyclically varying performance. In the cyclic pipeline pumping performance may differ from the nominal pump flow, with the pumps are not working optimally and their efficiency is reduced compared with the nominal value. The use of cyclic pumping lead to additional losses of power and additional unproductive consumption. The most economical way to control operating modes is the main oil pump speed control with frequency-adjustable electric drive. The paper considers the influence of the rotational speed of the main pump on its efficiency. It is shown that the efficiency of the variable pump is a complex function of the speed. To investigate the efficiency of the pump depending on the speed technological section of the pipeline are considered. It is shown that the behavior of efficiency when the frequency of rotation depends on the mode of operation of the pipeline. Found that depending on the performance of all modes oil pump can be divided into three groups. In the first group of the pumping mode with a performance approximate to the nominal value, the regulation of the pipeline capacity by reducing the speed of the pump reduces its efficiency, and therefore not economically viable. In the second group of the pumping mode with a performance much smaller than the nominal value of the variable pump efficiency throughout the speed range is higher than the unregulated. Using frequency-adjustable electric drive in these cases economically profitable. In modes pumping in the third group the performance of which is intermediate between the first and the second groups, the efficiency of the variable pump varies in different directions and may be either higher or lower than the rated speed.

Key words: frequency-adjustable electric drive, main pump, oil pipeline, efficiency, oil pumping station.

В настоящее время основным способом регулирования режима работы магистральных нефтепроводов является подбор параметров и числа магистральных насосных агрегатов [1, 2]. В случае если подбором числа и параметров насосов невозможно установить требуемую производительность технологического участка, то используется циклическая перекачка. При циклической перекачке трубопровод работает поочередно с разным числом насосов, обеспечивая работу нефтепровода при двух разных циклически изменяющихся значениях производительности. Число насосов и время работы нефтепровода подбираются так, чтобы суммарная производительность за сутки при циклической перекачке была равна плановой. Как подбор числа насосов в пределах технологического участка, так и использование циклической перекачки приводят к дополнительным потерям мощности и дополнительному непроизводительному расходу электроэнергии. Обусловлено это тем, что и при подборе числа насосов, и в режиме циклической перекачки производительность трубопровода может отличаться от номинальной подачи насосов, при этом насосы работают не в оптимальном режиме и их коэффициент полезного действия (КПД) снижается по сравнению с номинальным значением. Наиболее экономичным способом регулирования режимов работы магистрального нефтепровода является регулирование частоты вращения насоса с помощью частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП) [3, 4, 5]. Раздельное влияние подачи и частоты вращения на КПД насоса известно [6]. Однако в условиях работы насоса на нефтеперекачивающей станции (НПС) эксплуатируемого технологического участка нефтепровода подача насоса и скорость его вращения

оказываются связанными уравнением баланса напоров, и зависимость его КПД от частоты вращения будет отличаться от теоретической. В статье исследуется влияние частоты вращения насоса на КПД в условиях работы насоса на НПС, когда перекачка нефти по технологическому участку нефтепровода ведется по системе «из насоса в насос».

При изменении частоты вращения зависимость КПД насоса от производительности трубопровода и от скорости вращения можно описать уравнением

[7, 8]

п = п -

1 н. 1 ном. 1 7 1 ном ' 47

где п - номинальный КПД;

у = Q/Q

ном.

- относительное значение подачи насоса;

V = ш/ш,

- относительная скорость вращения насоса; ю - частота вращения; юном - номинальная частота вращения.

При перекачке нефти по трубопроводу по системе «из насоса в насос» магистральные насосы на НПС соединяются последовательно. При этом скорость вращения насоса V и производительность нефтепровода Q связаны уравнением баланса напоров. Решение уравнения баланса напоров относительно производительности можно представить в виде: _

Q =

2-m

i=i

1,02 д + +

тт

;=1

где ап, Ьп, а Ь. - коэффициенты напорной характеристики подпорного и магистрального насосов; т - коэффициент режима; f - гидравлический уклон при единичном расходе; L - длина технологического участка нефтепровода; А? - разность геодезиче-

ских отметок; h - остаточный напор в конце тех' ост 1

нологического участка.

Если на НПС технологического участка установлено к ЧРЭП насоса, то уравнение (4) принимает вид [9]

е=

2-т

i=l

i-1

где ар и Ьр - коэффициенты напорной характеристики ьго регулируемого насоса; Ак и Вк - коэффициенты, выражения для которых зависят от суммарного числа регулируемых насосов на всех НПС технологического участка.

При п включенных насосах, из которых к регулируемых:

п-к

Bk=l,02JL +

^а,.-az-aqct;

" п-к

2-т

г=1

В случае последовательного соединения однотипных магистральных насосов минимум затрат энергии на перекачку будет обеспечиваться при одинаковых частотах вращения регулируемых магистральных насосов на всех насосных станциях [10]. Если на НПС технологического участка установлены однотипные насосы, то, подставляя значение подачи из выражения (5) в выражение (1) и принимая частоты вращения всех регулируемых насосов одинаковыми, получим:

н. 'Пн.м

1

бном

k-ар-у +4 к-Ьр+Вк

2-т

В уравнении (8) коэффициенты Ак и Вк определяются по уравнениям (6) и (7). Они не зависят от частоты вращения регулируемых насосов и определяются числом и коэффициентами напорных характеристик нерегулируемых насосов, а также па-

раметрами трубопровода. Поэтому в правой части уравнения (8) при заданной структуре трубопровода только одна переменная - частота вращения насосов. При этом уравнение (8) позволяет исследовать изменение КПД магистральных насосов в функции частоты вращения при любом режиме работы нефтепровода.

У области применения формулы (8) есть два ограничения. Во-первых, она справедлива только для диапазона изменения подач насоса, в котором его напорную характеристику можно аппроксимировать уравнением

Н = а - bQ 2-т.

Во-вторых, она справедлива только для рабочей области изменения частоты вращения насоса, в которой насос еще влияет на режим перекачки. При снижении частоты вращения ниже некоторого критического значения открывается обратный клапан в обвязке насоса, и весь поток жидкости в трубопроводе устремляется через обратный клапан в обход насоса. При этом насос «выключается» из режима перекачки. Частота вращения насоса, при которой это происходит, может быть найдена из уравнения [11]

v =

KQ

2-т

где ар и Ь^ - коэффициенты аппроксимации напорной характеристики регулируемого насоса; Q -производительность трубопровода после открытия обратного клапана и «выключения» регулируемого насоса из режима перекачки.

В соответствии с (8) КПД регулируемого насоса является сложной функцией от частоты вращения. Для исследования зависимости КПД насоса от частоты вращения рассмотрим технологический участок нефтепровода, на головной станции которого в работе два подпорных насоса марки НПВ 5000-120, а в режиме перекачки участвуют от трех до восьми магистральных насосных агрегата марки НМ 10000-210 (рис. 1).

Рис. 1. Технологический участок трубопровода

Исходные данные трубопровода: длина технологического участка L = 900 км; разность геодезических отметок Az = -246 м; гидравлический уклон

Исходные дан

при единичной подаче /= 0,25 10-10 1/(м3/ч)2; остаточный напор h = 40 м. Параметры магистральных и

А ост. А А А

подпорных насосов приведены в таблице 1.

Таблица 1

ые по насосам

Марка насоса Номинальные параметры Коэффициенты характеристики насоса

Подача, м3/ч Напор, м КПД, %

НМ 10000-210 10000 210 89 а=293,7;Ь=8,7810-7, м/(м3/ч)2

НПВ 5000-120 5000 120 85 а=137,7;Ь=1,2810-6, м/(м3/ч)2

При восьми включенных магистральных насосах по два на каждой НПС производительность трубопровода соответствует номинальной подаче насосов 10000 м3/ч. При этом КПД насосов равен номинальному значению 0,89. При снижении числа включенных насосов производительность трубопровода снижается, и КПД насосов становится

Производительность трубопровода и КПД

меньше номинального. Расчеты производительности трубопровода и КПД насосов при номинальной частоте вращения (у=1), выполненные по формулам (4) и (1), приведены в табл. 2 и на рис. 2. Цифрами на графике указано число включенных магистральных насосов.

Таблица 2

насосов при номинальной частоте вращения

п 8 7 6 5 4 3

Q, м3/ч 10010 9586 9114 8584 7982 7285

Ч 1,0 0,959 0,911 0,858 0,798 0,728

КПД 0,890 0,888 0,883 0,872 0,854 0,824

0.950

0.900

>1

0.850

0.800

0.750

- - - -

!

6

5 -

Л _

]

-

6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 ЮООО м7ч

--->0

Рис. 2. График зависимости КПД насосов от подачи при номинальной частоте вращения

При изменении частоты вращения производительность трубопровода Q определяется по выражению (5), а КПД регулируемого насоса по выражению (8). Результаты расчетов приведены в табл. 3.

На рис. 3 показаны графики изменения КПД регулируемого насоса в функции подачи и частоты вращения. Цифрами 1-8 обозначены графики изменения КПД при числе включенных насосов соответственно от 1 до 8. Цифрой 9 обозначен график изменения КПД при номинальной частоте вращения, приведенный на рис. 2. Точки 3-8 на рис. 2 соответствуют точкам 3н-8н на рис. 3. В точках 1н-8н частота вращения насосов равна номинальной. При снижении частоты вращения рабочая точка перемещается по кривым 1-8 в направлениях, указанных стрелкой. Все графики 1-8 построены при изменении частоты вращения от у=1,0 до у=0,5.

Из графиков на рис. 3 следует, что при восьми включенных насосах (кривая 8) КПД регулируемого насоса при снижении его скорости вращения снижается и остается ниже номинального значения во всем диапазоне регулирования от v=1,0 до v=0,5. Следовательно, в режимах перекачки с производительностью, близкой к номинальному значению, регулирование производительности трубопровода путем снижения частоты вращения насоса приводит к снижению КПД и поэтому экономически невыгодно.

Графики 5-1 расположены выше кривой 9. Это означает, что при числе включенных насосов 5 и менее КПД регулируемого во всем диапазоне частот вращения насоса остается выше, чем у нерегу-

Расчеты выполнены при одном регулируемом насосе и п-1 нерегулируемых, где п - суммарное число включенных магистральных насосов на НПС технологического участка.

лируемого. Это означает, что при производительности трубопровода 8600 м3/ч и менее использование ЧРЭП приводит к повышению эквивалентного КПД перекачки.

При числе насосов 6 и 7 КПД регулируемого насоса сначала повышается при снижении частоты вращения, а затем начинает снижаться и при некоторой частоте вращения V становится ниже, чем

А А пред

КПД при номинальной частоте вращения. Это означает, что область использования частотного регулирования ограничено диапазоном от v=1,0 до V д. При v<v пред КПД регулируемого насоса становится ниже, чем КПД нерегулируемого, и использование ЧРЭП становится невыгодным.

Выводы

1. По характеру изменения КПД регулируемого насоса в функции частоты вращения все режимы перекачки можно разбить на три группы. В режимах перекачки 1-й группы с производительностью, близкой к номинальному значению, регулирование производительности трубопровода путем снижения частоты вращения насоса приводит к снижению его КПД, и поэтому экономически невыгодно.

2. В режимах перекачки 2-й группы с производительностью, существенно меньшей номинального значения (в рассмотренном примере при производительности трубопровода 8600 м3/ч и менее),

Таблица 3

КПД насоса при снижении частоты вращения

Число включенных насосов q и КПД при частоте вращения v

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

8 q 0,959 0,962 0,972 0,981 0,990 1,0

кпд 0,843 0,847 0,858 0,871 0,884 0,890

7 q 0,913 0,920 0,928 0,937 0,947 0,958

кпд 0,852 0,857 0,867 0,879 0,888 0,888

6 q 0,862 0,869 0,878 0,888 0,899 0,911

кпд 0,861 0,867 0,876 0,886 0,890 0,883

5 q 0,804 0,812 0,822 0,833 0,845 0,858

кпд 0,869 0,876 0,884 0,889 0,888 0,872

4 q 0,738 0,747 0,758 0,770 0,783 0,798

кпд 0,877 0,883 0,889 0,889 0,880 0,854

3 q 0,659 0,670 0,682 0,696 0,712 0,728

кпд 0,884 0,888 0,890 0,884 0,864 0,824

о.эьо

0.900

0,8 SO

0.300

0.750

Рис. 3. Графики КПД = f(Q, V) при разном числе насосов

КПД регулируемого насоса во всем диапазоне частот вращения остается выше, чем у нерегулируемого. Это означает, что использование ЧРЭП в этих случаях экономически выгодно, так как приводит к повышению эквивалентного КПД перекачки.

3. В режимах перекачки 3-й группы, производительность в которых занимает промежуточное положение между группами 1 и 2 (в рассмотренном примере при числе насосов 6 и 7), КПД регулируемого насоса сначала повышается, а затем начинает снижаться, и при некоторой частоте вращения v становится ниже, чем КПД при номинальной частоте вращения. Это означает, что область использования частотного регулирования оганичена диапазоном от v=1,0 до V .

' пред

Список литературы

1. Коршак А.А. Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа: учеб. для вузов [Текст] / А.А. Коршак, А.М. Нечваль. - Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2001. - 571 с.

2. Гумеров А.Г. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций [Текст] / А.Г. Гумеров, Р.М. Гумеров, А.С. Акбердин. - М.: ООО «Недра - Бизнес-центр», 2001. - 475 с.

3. Шабанов В.А. Достоинства и перспективы использования частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на НПС [Текст] /

B.А. Шабанов, О.В. Кабаргина // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. - 2011. - Т. 2. -

C. 63-66.

4. Шабанов В.А. Критерии эффективности

частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на нефтеперекачивающих станциях [Текст] / В.А. Шабанов, С.Ф. Шарипова // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - № 1. - Т. 9. - С. 38-43.

5. Шабанов В.А. Оценка эффективности частотного регулирования магистральных насосов по эквивалентному коэффициенту полезного действия [Электронный ресурс] / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина, З.Х. Павлова // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2011. - № 6. - С. 24-29. - URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/ Shabanov_8. pdf.

6. Нечваль А.М. Основные задачи при проектировании и эксплуатации магистральных нефтепроводов: учебное пособие [Текст] / А.М. Нечваль. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - 81 с.

7. Гришин А.П. Коэффициент полезного действия частотно-регулируемого электронасоса [Текст] / А.П. Гришин, В.А. Гришин // Научные труды. - Том 89. - М.: ВИЭСХ, 2004. - С. 118-127.

8. Шабанов В.А. К вопросу о выборе оптимального режима работы магистрального насоса при частотно-регулируемом приводе [Текст] / В.А. Шабанов, А.А. Ахметгареев // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. -2012. - № 3. - С. 7-10.

9. Шабанов В.А. Исследование КПД МН при ЧРЭП одного из насосов технологического участка [Текст] / В.А. Шабанов, А.А. Ахметгареев // Сборник научных трудов I Международной (IV Всероссийской) научно-технической конферен-

ции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий». - Уфа: Нефтегазовое дело, 2013. - С. 99-108.

10. Гольянов А.И. О распределении напоров насосных перекачивающих станций, оборудованных насосными агрегатами с частотно-регулируемым приводом [Текст] / А.И. Гольянов, Д.А. Михайлов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2011. - № 1. - С. 6-9.

11. Шабанов В.А. Определение нижней границы диапазона частотного регулирования электродвигателей магистральных насосов [Электронный ресурс] / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2010. - № 2. - URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/ Shabanov_3.pdf - 8 с.

References

1. Korshak A.A. Truboprovodnyj transport nefti, nefteproduktov i gaza: ucheb. dlja vuzov [Tekst] / A.A. Korshak, A.M. Nechval'. - Ufa: OOO «DizajnPoHgrafServis», 2001. - 571 s.

2. Gumerov A.G. Jekspluatacija oborudovanija nefteperekachivajushhih stancij [Tekst] / A.G. Gumerov, R.M. Gumerov, A.S. Akberdin. - M.: OOO «Nedra -Biznes-centr», 2001. - 475 s.

3. Shabanov V.A. Dostoinstva i perspektivy ispol'zovanija chastotno-reguliruemogo jelektro-privoda magistral'nyh nasosov na NPS [Tekst] / V.A. Shabanov, O.V. Kabargina// Upravlenie kachestvom v neftegazovom komplekse. - 2011. - T. 2. - S. 63-66.

4. Shabanov V.A. Kriterii jeffektivnosti chas-totno-reguliruemogo jelektroprivoda magistral'nyh nasosov na nefteperekachivajushhih stancijah [Tekst] / V.A. Shabanov, S.F. Sharipova // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2013. - № 1.-T. 9. - S. 38-43.

5. Shabanov V.A. Ocenkajeffektivnosti chastotno-

go regulirovanija magistral'nyh nasosov po jekvivalent-nomu kojefficientu poleznogo dejstvija [Jelektronnyj resurs] / V.A. Shabanov, O.V. Kabargina, Z.H. Pavlova // Jelektronnyj nauchnyj zhurnal "Neftegazovoe delo". -2011. - № 6. - S. 24-29. - URL: http://www.ogbus.ru/ authors/Shabanov/Shabanov_8. pdf.

6. Nechval' A.M. Osnovnye zadachi pri proektirovanii i jekspluatacii magistral'nyh nefteprovodov: uchebnoe posobie [Tekst] / A.M. Nechval'. - Ufa: Izd-vo UGNTU, 2005. - 81 s.

7. Grishin A.P. Kojefficient poleznogo dejstvija chastotno-reguliruemogo jelektronasosa [Tekst] / A.P. Grishin, V.A. Grishin // Nauchnye trudy. Tom 89. -M.: VIJeSH, 2004. - S. 118-127.

8. Shabanov V.A. K voprosu o vybore optimal'nogo rezhima raboty magistral'nogo nasosa pri chastotno-reguliruemom privode [Tekst] / V.A. Shabanov, A.A. Ahmetgareev // Transport i hranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ja. - 2012. - № 3. - S. 7-10.

9. Shabanov V.A. Issledovanie KPD MN pri ChRJeP odnogo iz nasosov tehnologicheskogo uchastka [Tekst] / V.A. Shabanov, A.A. Ahmetgareev // Sbornik nauchnyh trudov I Mezhdunarodnoj (IV Vserossijskoj) nauchno-tehnicheskoj konferencii «Jelektroprivod, jelektrotehnologii i jelektrooborudovanie predprijatij». -Ufa: Neftegazovoe delo, 2013. - S. 99-108.

10. Goljanov A.I. O raspredelenii naporov nasosnyh perekachivajushhih stancij, oborudovannyh nasosnymi agregatami s chastotno-reguliruemym privodom [Tekst] / A.I. Gol'janov, D.A. Mihajlov // Transport i hranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ja. - 2011. - № 1. - S. 6-9.

11. Shabanov V.A. Opredelenie nizhnej granicy diapazona chastotnogo regulirovanija jelektrodvigatelej magistral'nyh nasosov [Jelektronnyj resurs] / V.A. Sha-banov, O.V. Kabargina // Jelektronnyj nauchnyj zhurnal «Neftegazovoe delo». - 2010. - № 2. - URL: http:// www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_3.pdf - 8 s.