Разработка методологии проектирования насосно-эжекторных установок с расширенным использованием численных экспериментов

НАСОСЫ I

Ю.А. Сазонов, к.т.н. РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНЫХ УСТАНОВОК С РАСШИРЕННЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В статье рассматриваются вопросы разработки современной методологии проектирования насосного оборудования, когда существенно расширяется область применения численных экспериментов. Математические модели позволяют ускорить разработку и внедрение новой техники и энергосберегающих технологий.

К числу актуальных вопросов относится разработка энергосберегающих технологий. В затратах энергии на добычу, сбор и подготовку нефти и газа значительная доля энергии приходится на насосное оборудование. Для добычи и перекачки газожидкостных смесей и для утилизации газа, помимо объемных и динамических машин, используют насосно-эжекторные установки различных исполнений.Современные компьютерные технологии способствуют экономии финансовых и материальных ресурсов, так как позволяют повысить эффективность работ, связанных с проектированием насосных установок и с подбором оборудования для конкретных условий эксплуатации. В связи с этим разработка методологии проектирования и совершенствование математических моделей насосно-эжекторных установок является актуальной задачей.

В практическом плане наибольший интерес представляет сочетание эжектора с многоступенчатым лопастным насосом. При моделировании устанавливают взаимосвязь характеристики эжектора с характеристикой силового насоса, подающего рабочую жидкость в сопло эжектора. В рабочей жидкости в ряде случаев может присутствовать газ. В качестве перекачиваемой среды, в общем случае, рассматривают газо-

жидкостную смесь. Параметр входное газосодержание - р определяют делением объемного расхода газа на объемный расход газожидкостной смеси по условиям на входе эжектора. Поскольку газосодержание р может меняться в широком диапазоне, от 0 до 1, математическая модель насосно-эжекторной установки была разбита на несколько взаимосвязанных блоков-моделей: модель-1 жидкостно-жидкостного эжектора (или струйного насоса) [1]; модель-2 жидкостно-газового эжектора [2]; модель-3 газо-газового эжектора; модель-4 лопастного насоса для жидкостей [3]; модель-5 многоступенчатого лопастного насоса для газожидкостных смесей [4]. На основе моделей 1 и 2 для жидкостно-жидкостного эжектора и жидкостно-газового эжектора разработана модель-6 для условий перекачки газожидкостных смесей при подаче в сопло эжектора рабочей жидкости. Каждая из моделей позволяет решать гидродинамические задачи: прямые и обратные. Таким образом, шесть моделей, с учетом прямой и обратной задачи, позволяют решать 12 типов задач и моделировать различные условия эксплуатации насосно-эжекторной установки для различных вариантов компоновок эжектора и силового насоса. Модель-3 в данном случае выполняет преимуще-

ственно вспомогательную роль, при расчете параметров газа и при сравнении различных вариантов насосных и компрессорных установок. Каждая из разработанных моделей может быть использована автономно при расчете струйного аппарата или же лопастной машины (насоса или вентилятора).

В основу математических моделей заложены известные уравнения гидродинамики и газовой динамики: уравнение неразрывности, уравнение энергии, уравнение количества движения, уравнение моментов количества движения [5]. Основные теоретические разработки и экспериментальные исследования по струйной технике и лопастным насосам выполнены на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.

При использовании модели-6 рассматриваются условия течения газожидкостной смеси, когда скачок давления происходит в пределах цилиндрической камеры смешения. Варианты эжекторов с разрывными гистерезисными характеристиками [6] в данном случае не представлены, как и эжекторы с короткой камерой смешения, поскольку рабочие процессы в этих машинах имеют ряд особенностей, требующих отдельного и более детального рассмотрения.

Р4= 1.238 МПэ

/

Ог “Он 01

-

О 0,1 0,2 0.3 0,4 0.5 0,6 0,7 0.8 0.9 1

Г МО содержание

Рис. 1. Расчетные зависимости объемного расхода газожидкостной смеси Q1, жидкости Qж и газа Qг

Если газосодержание р на входе эжектора принимает предельное значение 0, то эжектор переходит в режим работы струйного насоса. Если газосодержание Р на входе эжектора принимает предельное значение 1, то эжектор переходит в режим работы жидкостно-газового эжектора. Для расчета характеристик струйного насоса используют модель-1, а для расчета жидкостно-газового эжектора, соответственно, модель-2. Научный и практический интерес представляет вопрос о возможности применения отмеченных математических моделей 1 и 2 при расчете характеристики эжектора для газожидкостной смеси, с произвольным газосодержани-ем от 0 до 1. Если предельные режимы работы эжектора изучены достаточно подробно, то работа эжектора на газожидкостных смесях нуждается в более глубоком изучении. При разработке математической модели для произвольных значений газосодержания, как часто бывает при моделировании, количество неизвестных параметров превышает количество уравнений. В таких случаях разрабатывают гипотезу, чтобы замкнуть систему уравнений. Для данной задачи рассмотрены следующие режимы работы эжектора. Давление газожидкостной смеси на входе эжектора постоянное Р^ійет, давление рабочей жидкости на входе эжектора постоянное Рл=ійет, давление газожидкостной смеси на выходе эжектора постоянное Р4=ійет. При этом рассматриваем изменение объемного расхода газожидкостной смеси на входе эжектора 01 в зависимости от значения газосодержания р. Для данных условий модели 1 и 2 позволяют определить два предельных значения: б1и для р=0 и ()и для Р=1 . Соответственно можно рассчитать и два предельных значения КПД: \[а для Р=0 и ц, для р=1. Таким образом, при изменении газосодержания р, от 0 до

1, КПД соответственно будет меняться в диапазоне от ц,, до цв. Формулируем новую гипотезу: при постоянстве давлений Р„ , Р! , Р4 на координатной плоскости ч\-Ох расчетные точки для всех значений газосодержания р ложатся на одну и ту же прямую линию. По мере сбора и обработки экспериментальных данных формулировка гипотезы, естественно, может и будет уточняться.

Уравнение отмеченной прямой линии составляют по координатам двух характерных точек - («21в, ц„) и (би, П«):

Уравнение (1) позволяет установить зависимость ^ от газосодержания р и давления Р4:

где:

А=

Д=

С=Ч.-йиВ

Для принятых условий постоянства давлений по формулам (2-5) рассчитывают

0^ в зависимости от газосодержания р. Пример графического представления результатов расчета показан на рис. 1. Подобные расчеты выполняют для нескольких значений давления Р4 . Для каждого значения Р4 в уравнение (1) вносятся соответствующие изменения, поскольку меняются координаты точек Шіа'Ча) и (Єі.,Л.). По расчетным данным строят характеристики эжектора для различных значений газосодержания $=і<1ет. На рис. 2 представлены расчетные характеристики эжектора для нескольких значений газосодержания.

В представленном примере в качестве базовых характеристик были использованы две расчетные характеристики для двух предельных значений газосо-

Рис. 2. Расчетные характеристики эжектора для различных значений входного газосодержания

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ насосы \\ 27

насосы

/

Рис. 3. Ступень высоконапорного насоса

держания 0 и 1. Разработанный метод расчета универсален и может применяться также в случаях, когда одна или две характеристики получены экспериментальным путем при перекачке газожидкостных смесей. В общем случае в качестве базовых характеристик используют характеристики «(?г а-Р4» и «йи-Р4» (расчетные или экспери-

ментальные) для двух определенных значений газосодержания р„ и р, , из диапазона от О до 1. Таким образом, при использовании представленной методики объем физических экспериментов может быть уменьшен, а значительную часть информации, о режимах работы эжектора, можно получить при выполнении численных экспериментов.

Рис. 4. Характеристики высоконапорного насоса длиной 1 м

На основе математической модели-4 разработан высоконапорный насос группы ЭЦН5 с колесом открытого типа. Насос может быть использован автономно или в качестве силового насоса для насосно-эжекторной установки. Одно из исполнений насо-, са представлено на рис. 3. На кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина выполнены стендовые испытания экспериментальных ступеней различного исполнения. В качестве модельной среды использовали техническую воду. Частота вращения вала насоса 2910 об/мин. На рис. 4 представлены обработанные результаты испытаний для насоса длиной 1 м. Учитывая кратное снижение массы рабочего колеса, открывается перспектива дальнейшего повышения напора насоса за счет увеличения частоты вращения вала, при отсутствии серьезных проблем с балансировкой ротора.

По результатам выполненных работ можно сделать следующие основные выводы. Учитывая большое разнообразие условий эксплуатации эжекторов и лопастных насосов, работающих раздельно или в общей системе, оказалось оправданным разделение комплексной методики расчета на блоки. В этом случае каждый блок может быть использован также автономно, при выполнении разнообразных проектных работ или же при подборе насосного оборудования. Разработаны математические модели, позволяющие сократить затраты времени и финансов на проектные и доводочные работы за счет более широкого применения численных экспериментов при решении прямых и обратных гидродинамических задач.

Литература:

1. Сазонов Ю.А., Сазонова Р.В. Расчеты струйных насосов. Учебное пособие. М.: ГАНГ, 1997. 52 с.

2. Елисеев В.Н., Сазонова Р.В. Расчет рабочих характеристик жидкоструйного компрессора с учетом параметров силового насоса // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 1996. №12. С. 22-24.

3. Сазонов Ю.А. Варианты преобразований уравнения Эйлера и математическая модель первого уровня для центробежного насоса // Бурение и нефть. 2008. №10. С. 33-35.

4. Сазонов Ю.А. Компьютерные технологии для разработки лопастных насосов // Нефть, газ и бизнес. 2008. №11. С. 68-71.

5. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч.1 // М.: Наука. 1991. 600 с.

6. Городивский А. В. Повышение эффективности насосно-эжекторных установок для утилизации нефтяных газов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: ВНИИГАЗ. 1986. 21 с.

BE >THINK> INNOVATE >

Дозировочные насосы и установки

ОгипсИовАІІсІоз

У высокая точность дозирования

У широкая номенклатура опций и принадлежностей

> интеграция в автоматизированные системы управления

У соответствие всем современным нормам и требованиям

У многообразие вариантов исполнения

У полный набор функций для контроля и управления процессом дозирования

У наличие необходимых сертификатов и разрешений

У разработка индивидуальных решений по условиям заказчика

Представительство ООО «Грундфос» в г. Москва:

Тел.:

На правах рекламы. Товар сертифицирован.

www.grundfos.ru www.grundfosalldos.com

GRUNDFOS >\

ALLDOS