ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ

16.12.2011

Магистральные центробежные насосы — мощные энергоем­кие машины, поэтому эффективная экономичная эксплуата­ция их — весьма важная задача обслуживающего персонала. Необходимо также поддерживать высокую надежность этих машин, что значительно снижает расходы на ремонт и эксплу­атацию.

Экономичность работы насосного оборудования определяется значением КПД в процессе эксплуатации. В связи с этим при эксплуатации необходимо осуществлять анализ фактических напорных и энергетических характеристик насосов и разраба­тывать мероприятия по их улучшению.

Проведенные промышленные испытания и опыт эксплуата­ции магистральных насосов показывают, что эти насосы не уступают лучшим зарубежным образцам. Однако фактические показатели работы насосных агрегатов при перекачке нефтей показывают, что КПД их в среднем ниже на 6 %, а развивае­мый напор — на 9… 10 % по сравнению с паспортными.

Это снижение приводит к значительному экономическому ущербу. Для иллюстрации приведем пример: определим ущерб от снижения КПД насоса НМ 10000-210 по сравнению с пас­портом на 5 % в оптимальном режиме при перекачке нефти с плотностью 860 кг/м3. В указанном режиме КПД насоса 0,89, а двигателя 0,97.

Затраты мощности двигателя составят, если он работает в соответствии с паспортными данными, 5700 кВт. Пять процен­тов от этой величины составляют 285 кВт. При годовой работе насоса (8400 ч) потери электроэнергии составят 2394 тыс. кВт ч.

Этот простой пример четко иллюстрирует важность меро­приятий по повышению экономичности работы насосов.

Основными причинами снижения КПД магистральных на­сосов типа НМ при работе на нефтях по сравнению с пас­портными являются:

причины, связанные с отклонениями в размерах машины при ее изготовлении;

увеличение объемных потерь в щелевых уплотнениях из-за увеличения зазоров в уплотнительных кольцах сверх норма­тивных;

увеличение уровня вибрации насоса в результате некачест­венной сборки, монтажа, возникающих дефектов или кавита­ции в насосе;

изменение диаметра рабочего колеса путем обточки, откло­нение его фактических размеров от проектных, погрешности при его монтаже в насос (несимметричность расположения относительно улитки; смещение выходных кромок половинок рабочих колес относительно друг друга, неравенство щелевых зазоров уплотнения колеса и др.);

влияние вязкости перекачиваемой нефти;

содержание свободного газа в перекачиваемой жидкости;

недостаточный подпор для первого по потоку насосного аг­регата;

работа насосов на нестационарных режимах, зависимость работы насоса от его положения по потоку, влияние схемы подвода жидкости к насосу и другие причины.

Для иллюстрации изложенного остановимся коротко на причинах, снижающих КПД насосов, типа НМ 10 000-210 с ротором.

Снижение КПД, связанное с отклонениями геометрических размеров насоса при его изготовлении и сборке

Отметим, что параметрические испытания магистральных насосов типа НМ, изготовленных Сумским насосным заводом согласно ГОСТ 6134-71, проводятся на холодной воде, при числе оборотов 25 с"1. Для снятия рабочих характеристик испытуемый насос тщательно готовится. При этом проверяют­ся соответствие требованиям документации всех геометричес­ких размеров и допусков как рабочего колеса, так и корпуса насоса.

В случае отклонения рабочих характеристик испытуемого насоса от характеристик по ТУ его доводят. Под доводкой по­нимается вскрытие насоса, проверка и устранение отклонений геометрических размеров, устранение шероховатостей, неров­ностей во внутренних полостях рабочего колеса и корпуса на­соса и т.д.

Необходимо отметить, что параметрическим испытаниям подвергаются согласно ГОСТ 6134-71 выборочные и доведен­ные насосы из данной серии. Все остальные насосы согласно этому стандарту должны подвергаться испытаниям на соответ­ствие создаваемому напору в диапазоне подач, соответствую­щих рабочей зоне.

Случайные отклонения размеров и формы деталей насос­ных агрегатов, связанные с технологией их изготовления и качеством обработки поверхностей (дефекты при литье, несо­ответствие геометрии проточной части чертежам, изменения толщин лопаток, входных и выходных диаметров, зазоров в уплотнениях, повышенная шероховатость и наплывы в про­точной части и т.д.), приводят к несоответствию фактических характеристик паспортным. Различия между паспортными и индивидуальными характеристиками, а также между характе­ристиками насосов одной серии, корпуса и колеса которых считаются идентичными, но отливаются в разное время, могут быть значительными.

Выполненными исследованиями парка насосов было уста­новлено, что разброс из-за небольших случайных отклонений в размерах десяти однотипных насосов составил по мощности от 7,5 до 30 %, по напору в номинальной точке до 7 % и до 13 % при нулевой подаче. При обследовании во ВНИИАЭН двух серийно изготовленных насосов НМ 3600—230 № 211 и № 213 установили, что на поверхности проточной части име­лись шероховатости и волнистости высотой до 3 мм, а в крышке под языком и в отводящем канале — пригар высотой до 5 мм и местный наплыв на языке размером 5x7x15 мм.

Были отмечены значительные деформации спирали отвода. Расчетное сечение спирали отвода зажато до 7 % (рис. 12.1) за счет утолщения языка. Местное несовпадение контуров ка­налов крышки и корпуса составило 3-5 мм. Вследствие этого индивидуальные характеристики насосных агрегатов измени­лись по сравнению с паспортными (табл. 12.1). Видно, что

Рис. 12.1. Пример деформа­ции спирали отвода

фактические оптимальные режимы значительно не соответст­вуют расчетным.

Естественно, геометрические отклонения влияют на харак­теристики насоса во всей области подач. На величину отличия фактических параметров насосов от паспортных влияет то, что условия измерения параметров на НПС отличаются от пред­писываемых ГОСТ 6134—71. Нерациональность измерения по­дачи на каждой НПС, отсутствие требуемых ГОСТом прямых участков при определении давления (хотя, в этом случае, можно рекомендовать получение паспортных характеристик при подводе нефти, как в условиях эксплуатации, согласно примечанию к п. 2.14 ГОСТ 6134—71), измерение давления только на нагнетательной линии насоса, неточность расположения точки отбора давления приводят к дополнительному ис­кажению индивидуальных характеристик насоса.

Рассмотрим подробное влияние отклонений некоторых гео­метрических параметров на характеристики насоса. В рабочей зоне работы насосного агрегата наибольшее влияние оказыва­ют: наружный диаметр колеса D2, ширина выходного канала Q2, угол выхода лопатки р2, толщина лопатки на выходе 62, расстояние между рабочим колесом и языком спирали и форма языка, площади сечения спирали отвода.

При частичных расходах также оказывают значимое влия­ние на характеристики входной диаметр колеса, толщины по­крывного и основного дисков, зазор в уплотнении, форма вхо­да лопастей рабочего колеса, смещение оси колеса и отвода и Ú.‰.

Однако при подачах, меньше номинальной, доминирующим становится влияние противотока и закрутки потока, которые распространяются далеко в область всасывания, повышая дав­ление на периферии сечения и снижая тем самым значение измеряемого напора. Сложный и недостаточно изученный ха­рактер потока на входе в колесо при частичных подачах и трудность одновременного учета всех возможных отклонений геометрических параметров не позволяют прогнозировать из­менение характеристик насоса в этой области. При неточном литье относительное изменение толщины лопаток может достигать ±20 %, что приводит к изменению величины (AQ/Q)62 на ±1,5 %.

При отклонениях средней толщины лопаток на входе 6t на­блюдается относительное изменение производительности того же порядка.

Большой интерес для изучения представляет влияние зазо­ра между рабочим колесом центробежного насоса и языком спирального отвода, а также формы языка на параметры цент­робежного насоса.

Величина зазора между колесом и отводом должна быть оп­тимальной. Реальный поток, ориентируясь в области языка, "приспосабливается" к обтеканию с минимальными потерями. В момент прохождения концов лопастей колеса мимо языка спирали возникают гидравлические удары и пульсации давле­ния, энергия которых для насосов с большим коэффициентом быстроходности ns довольно значительна. Если величина за­зора мала, то местное ударное понижение давления до уровня, меньшего давления паров, может привести к локальной кавитационной эрозии, насос работает с шумом и повышенной ви­брацией. Увеличение зазора путем обточки языка уменьшает интенсивность пульсаций. Кроме того, по некоторым исследо­ваниям обточка аналогична подрезке выходных концов лопаток колеса: уменьшается крутизна напорной характеристики насоса, повышается напор при большей производительности. При нулевой подаче напор остается неизменным, максимальный КПД повышается и смещается в сторону больших подач (рис. 12.2). При чрезмерном увеличении зазора растут объемные потери, следовательно, снижается КПД.

Толщина языка своеобразно влияет на характеристики по­тока в спиральном отводе. Поток, поступающий со стороны рабочего колеса к языку, в так называемую "точку торможе­ния", замедляется и часть его даже вытесняется назад в сторо­ну колеса, из-за чего окружная симметрия потока за колесом нарушается даже для расчетной подачи. Однако при неизмен­ном диаметре основной окружности спирального отвода макси­мальный КПД и оптимальная величина подачи остаются по­стоянными вплоть до значительных толщин языка, что под­тверждает теорию об ориентировке, приспосабливаемости по­тока в точке торможения, о его малой реакции на имеющееся существенное нарушение окружной симметрии. Потери напора и, соответственно, КПД насоса связаны с потерями преобра­зования в напорном патрубке.