Эффективность работы магистральных и подпорных нефтяных насосных агрегатов

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 с1. 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


Эффективность работы магистральных и подпорных нефтяных насосных агрегатов


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.

ищи здесь, есть все, ну или почти все