НИР ПРАКТИКА ПРИМЕР. Реферат актуальность исследования На нынешнем этапе развития экономики трубопроводный транспорт, являясь важнейшей составной частью транспортной системы России, играет важную роль в обеспечении народного хозяйства топливноэнергетическими ресурсами.
 Скачать 1.38 Mb.
|
|
7 РЕФЕРАТ Актуальность исследования На нынешнем этапе развития экономики трубопроводный транспорт, являясь важнейшей составной частью транспортной системы России, играет важную роль в обеспечении народного хозяйства топливно-энергетическими ресурсами. Экономическая эффективность и надежность доставки нефти из районов добычи в районы переработки и к потребителю являются основными критериями оценки функционирования трубопроводного транспорта. Отказы на магистральных нефтепроводах (МН) приводят к полному или частичному прекращению перекачки, нарушают нормальную работу промыслов, нефтеперерабатывающих заводов и нефтебаз. Аварии на МН, сопровождающиеся масштабными разливами нефти, наносят значительный ущерб окружающей среде, способны привести к взрывами пожарам с катастрофическими последствиями. По этой причине обеспечение надежной работы МН является одной из основных задач при эксплуатации. Современные условия работы трубопроводного транспорта нефти характеризуется естественным старением основного оборудования, повышением требований к их экологической безопасности и необходимостью поддержания энергомеханического оборудования в надежном, работоспособном состоянии для бесперебойного оказания транспортных услуг нефтяным компаниям. В настоящее время для снижения отказов энергомеханического оборудования и обеспечения безопасной эксплуатации системы нефтепроводов потребовало выработки комплексного подхода, который, с одной стороны, обеспечил бы повышение надежности, качества выполнения ремонтных работа с другой – привел бык снижению их удельной стоимости. Основным оборудованием, осуществляющим транспортировку нефти и/или нефтепродуктов, является магистральный насос (НМ. От его работы и технических характеристик зависят объем перекачиваемой нефти и/или нефтепродукта и скорость транспортировки. ОАО " Сибнефтепровод" это надежное и эффективное предприятие по транспорту нефти. Нефть двигается по трубопроводу разного диаметра 700- 1200 мм за счет разницы давлений создаваемых промежуточными НПС нефтеперекачивающей станцией) со скоростью примерно 3 мс Давление создается в трубопроводе за счет мощных магистральных насосов типа НМ с подачей 7000 или 5000 и напором 210 и 200 соответственно. На НПС " Муген-1" стоят 4 магистральных насоса, 2 типа НМ 7000-210 и 2 типа 5000- 200. Все насосы "родные" стоят с тех самых лет, когда НПС ввели в эксплуатацию. Проблема исследования Со временем режим работы НПС "Муген-1" поменялся, объем перекачиваемой нефти через данную станцию ощутимо уменьшился, это привело к увеличению энергопотребления, и чрезмерному износу деталей насоса. Эффективным методом считалось замена ротора насоса на меньшую подачу. Действительно этот метод положительно влиял на работу насоса при 7 недостаточных подачах. Но существует немало методов увеличения напора кпд насоса, один из них это направляющий аппарат. Устройство лопаточного отвода, которое неподвижно вставляется и зажимается корпусом НМ. Объект исследования - работа магистрального насоса. Предмет исследования – кпд. магистрального насоса. Цель научно-исследовательской работы повысить кпд магистрального насоса, при тех же объёмах транспортирования нефти. Задачи исследования 1. Провести литературный обзор методов повышения эффективности и надежности работы магистральных насосов на пониженных подачах. 2. Модернизировать насос МН 5000-200 для работы на пониженных подачах. 3. Обработать результаты эксперимента. Результаты исследования Получены повышенные технологические характеристики насоса такие как кпд на 1-3 %, напор нам, уменьшение вибрации, кавитации, продлен срок службы насоса 10-15 лет, кроме того, экономия денежных средств на средних ремонтах и энергопотреблении. Для установки направляющего отвода не требуется демонтаж старого насоса, потому что корпус останется старыми весь насосный зал не претерпит никаких изменений. Установить такой НА сможет штатная станционная бригада слесарей. 7 СОДЕРЖАНИЕ 7 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Патент No 253 72 05. Магистральный нефтяной насос и рабочее колесо магистрального нефтяного насоса. Изобретение относится к насосостроению. Горизонтальный одноступенчатый насос включает корпус, двухпоточное рабочее колесо и направляющий аппарат. Покрывные диски колеса присоединены к основному диску посредством систем пространственно спиральных лопаток. Лопатки разнесены по окружности с образованием смежными лопатками в каждой из упомянутых систем спирально закрученных межлопаточных каналов. Напорная поверхность и средняя условная поверхность лопатки колеса выполнены пространственным перемещением линейчатой образующей от входа к выходу из межлопаточного канала с углом захода лопатки в поток, изменяющимся к выходу с градиентом пространственной кривизны, заданным в проекциях на две взаимно перпендикулярные условные плоскости. Системы лопаток колеса смещены в плоскости вращения на угол не менее половины проекции скошенного выходного конца лопатки на условную среднюю плоскость основного диска. Направляющий аппарат снабжен криволинейными лопатками, число которых превышает число лопаток колеса. Лопатки аппарата отклонены в сторону вектора потока в отводе на определенный угол, а межлопаточный канал выполнен расширяющимся к выходу изобретение направлена на улучшение характеристик насоса, снижение вибрационных радиальных нагрузок и повышение КПД, надежности и ресурса. Рис. Вид насоса с присоединенными трубопроводами и с подводимыми опорами между надставкой рамы и лапами насоса. 7 1 насос рама 5 надставка рамы 6 лапы насоса 7 патрубки насоса с присоединенными трубопроводами 8 подводимые опоры. Задача изобретения, заключается в улучшении гидродинамических и энергетических характеристик насоса, уменьшении вибрационных радиальных нагрузок рабочего колеса, повышении кпд, надежности и долговечности насоса при снижении энергозатрат на работу по перекачиванию жидких сред. Поставленная задача в части магистрального нефтяного насоса решается тем, что устанавливается направляющий аппарат. Направляющий аппарат снабжен системой криволинейных лопаток с общим числом, превышающим количество лопаток любого из потоков рабочего колеса в (1,25...2,62) раза, при этом лопатки направляющего аппарата в проекции на условную среднюю плоскость, нормальную коси указанного аппарата, отклонены в сторону вектора потока в отводе на образованный хордой, соединяющей ближний и удаленный от оси концы лопатки, и радиусом, проведенным через ближний коси конец хорды, угол B1, количественно составляющий B1=(75...110)°, при этом образованный лопатками межлопаточный канал в проекции на указанную условную среднюю плоскость, нормальную коси направляющего аппарата, выполнен расширяющимся к выходу с градиентом диффузорности Gк.н.а, равным Gк.н.а.=(1...2)×10-3[м2/м], Неподвижно закрепленный в корпусе насоса направляющий аппарат может быть расположен соосно с валом ротора с охватом, по меньшей мере, выходных концов лопаток рабочего колеса, при этом система криволинейных лопаток размещена на кольцевой платформе, причем кольцевая платформа направляющего аппарата выполнена с внутренним диаметром, превышающим диаметр рабочего колеса на величину не менее достаточной для образования минимального технологического зазора, необходимого для выравнивания давления подпора перекачиваемой жидкости и обеспечения возможности вариабельной технологической заменяемости рабочих колес разных диаметров при универсальном сохранении размеров корпуса и отвода насоса. В направляющем аппарате угловой створ радиусов, проведенных через ось ротора и соответственно начальную и конечную точки лопатки, в проекции 38 на условную плоскость направляющего аппарата может составлять B2=(15...50). Диаметр рабочего колеса может быть принят менее внутреннего диаметра направляющего аппарата на величину, достаточную для образования минимального технологического зазора, необходимого для выравнивания давления подпора перекачиваемой жидкости и обеспечения возможности вариабельной технологической заменяемости рабочих колес разных диаметров при универсальном сохранении размеров корпуса насоса. Технический результат достигается за счет установленного направляющего колеса и найденным в изобретении углом наклона выходных 7 концов лопаток рабочего колеса относительно заходного угла входных кромок лопаток направляющего аппарата, а также выполнения направляющего аппарата с числом лопаток, выполненным с разработанным в изобретении превышением относительно количества лопаток рабочего колеса, что позволяет существенно снизить вибрационные радиальные нагрузки на ось ротора, уменьшив амплитуду волновых импульсных усилий гидродинамического воздействия потока перекачиваемой среды на лопатки и направляющего аппарата, а также позволяет повысить кпдс одновременным увеличением надежности и ресурса насосав целом. Изобретение НПС Терновка нефтепровода Самара – Лисичанск Одним из путей повышения эффективности и надежности работы магистральных насосов на пониженных подачах может быть одновременное применение сменных рабочих колеси лопаточного диффузора между рабочим колесом и улиткой (рис. 2). В этом случае уменьшаются потери на сопротивление в улитке (за счет лучшей организации потока на выходе рабочего колеса, а значит улучшаются условия преобразования кинетической энергии в энергию давления. Такой лопаточный диффузор был рассчитан для насоса НМ 10000- 210 с ротором 0,5 QHOM, изготовлен, прошел промышленные испытания и внедрен в отрасли. Проектированию указанного диффузора предшествовал анализ конструкции насоса. Анализ показал, что из-за ограничения объема в проточной части насоса и с учетом особенностей его конструкции лопаточный диффузор, устанавливаемый в выточках щелевого уплотнения, должен быть выполнен сборным, включающим два двенадцатиканальных направляющих аппарата. 7 Рис. 2. Установка лопастного диффузора (направляющего аппарата) в корпусе насоса 1 — лопастной диффузор (направляющий аппарат 2 — корпус 3 — ротор 4 — рабочее колесо Сборка лопаточного диффузора предусматривалась на роторе, вместе с которым он должен был монтироваться в корпусе насоса. Предусматривалась также некоторая обточка языков спирального отвода со стороны входных кромок. Сравнительные испытания серийного насоса НМ 10000-210 с ротором на подачу 5000 мчи модернизированного насоса стем же ротором, снабженным лопаточным диффузором, проводились на НПС Терновка нефтепровода Самара – Лисичанск. Испытания проводились в диапазоне подач 4050—5614 м 3 /ч. Анализ результатов сравнительных испытаний показывает, что установка лопаточного диффузора дала повышение напора нам по сравнению с серийным насосом и увеличение КПД на 2,5-3,5. Проведенное виброобследование показало, что величины виброскорости на корпусах подшипников у модернизированного насоса удовлетворительны, и меньше, чему серийного насоса, эксплуатируемого на таких же режимах. Лопаточный отвод вставляется позади рабочего колеса и за счет своей конструкции превращает энергию скорости в энергию давления. Модернизация НПС в компании Транснефть Первой в России начала осуществлять модернизацию энергоемкого насосного оборудования Компания SulzerPumps. Sulzer AG («Зульцер») — международный концерн, специализирующийся на производстве и сервисном обслуживании промышленных машин и оборудования, технологий обработки поверхностей и вращающегося оборудования. Sulzer является глобальной промышленной корпорацией. Она состоит из трех основных подразделений Pumps Equipment – разрабатывает и поставляет центробежные насосы и сопутствующее оборудование для нефтегазодобывающей и перерабатывающей, энергетической, химической и целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности, а также для водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод. Sulzer Chemtech – оборудование и решения для процессов разделения - ректификации, абсорбции, экстракции, кристаллизации, пленочного испарения, полимеризации, мембранных процессов, а также перемешивания и диспергирования. Rotating Equipment Services – ремонт и техническое обслуживание вращающегося оборудования турбин, генераторов и двигателей для нефтегазодобывающей и перерабатывающей, энергетической, транспортной, горнодобывающей промышленности и других промышленных рынков. 7 В статье рассмотрены технические энергосберегающие мероприятия для повышения энергетической эффективности технологических процессов ЛПДС, разработаны и обоснованы мероприятия по повышению энергетической эффективности насосных агрегатов Повышение КПД насосного оборудования за счет модернизации оптимизации типоразмера. Как уже упоминалось выше, замена сменного основного ротора позволяет перекачивать при более экономичном режиме, однако при этом не достигается КПД, соответствующего работе насоса на номинальной подаче с основным ротором. Модернизация насосного оборудования с целью снижения энергопотребления позволяет достичь три главные цели − оптимизировать гидравлику насоса для обеспечения высокого коэффициента полезного действия насоса − оптимизировать конструкцию насоса и материалы конструкции, чтобы сохранить высокий КПД на протяжении всего длительного эксплуатационного периода − оптимизировать режимы работы, чтобы эксплуатировать насосы близко к точке оптимального КПД. Именно компания SulzerPumps разработала программу модернизации магистральных нефтяных насосов, применяемых в АК "Транснефть" для перекачки нефти. Модернизация насосов, проведенная по технологии SulzerPumps, состоит в замене внутреннего корпуса, проточной части и узлов насоса на новые, современные, изготовленные с применением новейших разработок. Новая проточная часть устанавливается в старом корпусе российского насоса, при этом сохраняются все установочные и присоединительные размеры. Существующая геометрия корпуса оптимизируется так, чтобы можно было устанавливать роторы на различную подачу. Такое усовершенствование геометрии проточных частей обеспечивает значительную экономию энергии за счет повышения КПД. Кроме того, механическое усовершенствование насоса повысило его надёжность, тем самым, снизив эксплуатационные расходы. Усовершенствование включало в себя установку торцевых уплотнений конструкции Sulzer/Burgmann со специальной геометрией для магистральных насосов, и контуры уплотнений со встроенными циклонными сепараторами. Спроектированные компанией Sulzer радиально/аксиальные упорные подшипники с самоустанавливающимися сегментами (сегментного типа, с увеличенным эксплуатационным сроком службы, также способствовали увеличению надёжности насоса, и, следовательно, снижению эксплуатационных расходов. В результате подобной модернизации заказчик получает практически новый насос, созданный с применением самых современных технологий, при этом затраты - существенно ниже, чем при покупке нового изделия. КПД насоса увеличивается на 12%, существенно (враз) снижается уровень вибраций, сокращаются расходы на эксплуатацию (за счет увеличения межремонтных периодов. Как показал анализ фактических показателей энергоэффективности насосного 7 оборудования ЛПДС, в оптимизации типоразмера нуждаются насосы № 1, 2, 3. НПС-1. Расчетная подача насосов №1, 2, 3 НПС-1 с учетом перспективы до 2018 года составляет 4820 м ч. Для обеспечения работы насосов 24 DVS-D в оптимальной рабочей зоне предлагается модернизация с установкой ротора с подачей 5000 м ч (ном. При этом КПД модернизованного насоса будет составлять 85 %. В таблице 1 представлен расчет потенциала энергосбережения при модернизации насосов. Таблица 1. Потенциал энергосбережения от модернизации насосов НПС. Расчеты показали, что мероприятия по модернизации насосов ЛПДС обеспечат годовую экономию электроэнергии в количестве 13305 кВт∙ч на сумму 42 млн 310 тыс. рублей. В графическом виде потенциал энергосбережения от модернизации насосов ЛПДС представлен на рисунке Рис Экономия денежных средств от проведения модернизации насосов ЛПДС. 7 Модернизация Рыбинской ЛПДС С такой же проблемой столкнулись на Рыбинской ЛПДС. В насосных агрегатах высокая вибрация, выходящая за рамки допустимого, приводит к задеванию и интенсивному износу концевых и промежуточных уплотнений в проточной части тепловых и электрических машин. Увеличиваются радиальные зазоры, а следовательно, увеличиваются межступенчатые перетоки рабочего тела, снижается экономичность машины, уменьшается кпд. Рыбинская ЛПДС введена в эксплуатацию в 1964 году. Является структурным подразделением Красноярского РНУ АО «Транснефть– Западная Сибирь и представляет собой комплекс сооружений и устройств для приема нефти по магистральным нефтепроводам Омск Иркутск диаметром мм, «Анжеро-Судженск–Красноярск» диаметром мм научастке «Кемчуг –Рыбная»и перекачки нефти по магистральным нефтепроводам Омск Иркутск диаметром720мм Красноярск Иркутск, диаметром1020мм на участке Рыбная Пойма. Проект Рыбинской ЛПДС разработан «Южгипротрубопровод»г. Киев, Московский институт Гипротрубопроводстрой г. Москва, Сибнефтетранспроект г. Омск. 1) Насосные станции для перекачки нефти магистральная НПС-1 магистральная НПС-2; подпорная НПС-2 Одним из главных элементов насосной станции являются насосные агрегаты, которые передают энергию перекачиваемой жидкости, благодаря чему осуществляют её движение по трубопроводу. В связи с этим одна из главных задач эксплуатации насосного оборудования нефтепроводов получение максимального кпд. насосов в любой момент времени. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Модернизация нефтяных магистральных насосов На основании проведенного патентно-информационного и литературного обзоров, предлагается провести следующую модернизацию насосного агрегата, состоящего из насоса НМ и электродвигателя СТД-6300-2УХЛ4. В процессе эксплуатации данной насосной станции были выявлены слабые стороны, в процессе которой насосный агрегат затрачивал большое количество мощности на преодоление сил вибрации, возникающих в процессе его работы. Из-за чего возникал большой уровень шума в зале электродвигателей ив машинном зале. Также в 7 процессе работы агрегата из-за повышенной вибрации происходил интенсивный износ соединительной муфты, которая в свою очередь является важным конструктивным элементом. На основании вышеизложенного патентного обзора, предлагается неподвижно закрепить в корпусе насоса направляющий аппарат который будет расположен соосно с валом ротора при этом кольцевая платформа направляющего аппарата выполнена с внутренним диаметром, превышающим диаметр рабочего колеса, на величину не менее достаточной для образования минимального технологического зазора, необходимого для выравнивания давления подпора перекачиваемой жидкости и обеспечения возможности вариабельной технологической заменяемости рабочих колес разных диаметров при универсальном сохранении размеров корпуса и отвода насоса. Так установка направляющего аппарата позволят создать магистральный электронасосный агрегат с улучшенными технико-экономическими характеристиками, конкретно с пониженными шумом и вибрациями, повышенными надежностью, ресурсом и кпд. Модернизация заключается в установке направляющего колеса, что позволит увеличить срок службы насоса, а также увеличения кпд. В результате проведенного мероприятия ожидается экономический эффект за счет уменьшения затратна проведение ремонтных работ, т.к. они будут проводиться в 2 раза реже , также за счет увеличения кпд Для определения экономического эффекта, необходимо сравнить затраты на плановый ремонт за шесть лет, до модернизации и после Направляющий аппарат (далее по тексту НА, деталь с помощью которой мы сможем добиться желаемого результата. Направляющий аппарат должен превратить вдавление энергию скорости позади рабочего колеса. НА, устанавливается непосредственно в корпус насосного агрегата позади рабочего колеса, поэтому для расчета НА сначала мы рассчитаем само рабочее колесо, и с полученными значениями приступим к расчету НА. НА, выполняется в виде круговой решетки с диаметром входа D 3 , и диаметром выхода D 4 , установленной между боковыми стенками корпуса. Жидкость отклоняется лопатками от направления линий тока свободного движения и переводится ими на большие радиусы. Согласно литературно-патентному поиску, потребность в модернизации насосов велика т.к с понижением кпд, увеличивается кавитационная нагрузка, а из этого вытекает более частый ремонт, увеличения срока оборудования в ремонте, увеличение затратна восстановление, а значит содержание такого насоса становится нерентабельным. К тому жене достаточное эффективная работа НПС Муген-1 отражается на соседней станции недостаточное давление на входе, а значит повышенные кавитационные нагрузки причины неэффективной работы станции. ОАО Сибнефтепровод для транспортировки нефти использует одноступенчатые горизонтальные насосы с осевым разъемом с рабочими колесами двухстороннего входа, установленные последовательно. Объем 7 прокачки нефти по трубопроводу НПС Муген-1 понижается. Работу установленных последовательно насосов не удается оптимизировать, насосы работают далеко от точки оптимального кпд. Это приводит к увеличению энергопотребления, и чрезмерному износу деталей насоса. В направлении повышения кпд экономичности и надежности магистрального насосав условиях снижения объема перекачки наряду с традиционными методами применение сменных роторов и обточка рабочих колес, выполненные поисковые работы указывают на актуальность следующих работ. 1. Работа одной половинкой рабочего колеса с компенсацией осевых пульсаций, нагрузок на ротор, подшипниковые узлы и торцевые уплотнения. Должен быть обеспечен минимум дисковых потерь за счет изменения конструкции "ступени. 2. Применением и оптимизацией характеристик сменных рабочих колес с некоторым изменением геометрии лопастей и дисков рабочих колес, применением обточки (подрезки. 3. Использование лопаточных диффузоров направляющих аппаратов) или специальных сопел в проточную часть насосав спиральный канал диффузора – улитку, на входе в колесо) с возможным одновременным растачиванием кромок горловины диффузора, подпиливанием нерабочей стороны лопаток колеса и пр. 4. Оптимизацией зазора между наружным диаметром рабочего колеса и языком спирального отвода с возможной запиловкой выходных кромок лопастей. Доработка языка насоса. 5. Разработкой осецентробежных рабочих колес с двух- или трехъярусным расположением лопаток. 6. Управлением пограничным слоем движущегося в межлопаточном пространстве потока за счет выходящей из рабочего колеса жидкости или перераспределением давления на поверхностях лопаток путем сверления отверстий или фрезерования щелей. 7. Применением плавающих или торцевых уплотнений рабочего колеса вместо существующей конструкции щелевого уплотнения. 8. Использованием более совершенной технологии сборки, монтажа и ремонта насосов, обеспечивающих симметричное расположение рабочих колес относительно улитки, равномерный зазор в щелевом уплотнении, плавное сопряжение отдельных деталей насоса, скругление входных кромок лопаток и языка, снижение шероховатости элементов проточной части насосов. 9. Оптимальное сочетание подрезки рабочих колес на недогрузочных режимах с целью снижения вибрации и изменения (снижения) КПД. Особенно ощутимо снижение экономичности при эксплуатации насосов больших типоразмеров. Так, если насос НМ 10000-210 с основным ротором работает на подаче Q = 0,5 его КПД примерно на 20 % ниже, чем на номинальном режиме. 7 Для повышения КПД насосав большинстве случаях используются сменные рабочие колеса, рассчитанные на меньшие подачи (0,5 Q , 0,7-Q ,), что позволяет вести перекачку на более экономичном режиме, однако и при этом не удается достичь КПД, соответствующего работе насоса на номинальной подаче с основным ротором. Основной причиной этого является несоответствие параметров потока геометрии спирального отвода насоса, рассчитанного на номинальную подачу ном, что приводит к росту гидравлических потерь в отводе. В своей работе я рассмотрю пример как увеличить кпд, снизить износ, кавитационные нагрузки, энергопотребление с помощью внедрение в корпус насоса направляющего аппарата. Актуальность выбранной мною модернизации обоснованно, желанием внедрить данную разработку на нефтеперекачивающих станциях ОАО Сибнефтепровод. 2.2. Конструкция и принцип работы направляющего аппарата В одноступенчатых насосах направляющий аппарат служит для отвода жидкости от рабочего колеса и является составной частью комбинированного отвода совместно с кольцевым или спиральным. Отводы - это устройства для преобразования кинетической энергии в потенциальную, отводы устанавливаются непосредственно за рабочим колесом. Отличительной чертой НА является наличие нескольких каналов, что позволяет уравновешивать радиальное усилие от потока жидкости, действующее на рабочее колесо. Назначение отводов 1. Собрать жидкость за рабочим колесом и отвести ее к выходному патрубку (в случае одноступенчатого насоса 2. Погасить момент скорости жидкости, выходящей из рабочего колеса 3. Преобразовать кинетическую энергию в потенциальную (обычно в отводе (в диффузоре) преобразуется от 1/4 до 1/3 напора рабочего колеса 4. Обеспечить осесимметричный поток за рабочим колесом, что создает условия для установившегося относительного движения в области рабочего колеса. Направляющий аппарат применятся в одноступенчатых насосах если коэффициентом быстроходности 500 Направляющий аппарат в виде диффузорной решетки можно разместить между колесом и отводом спирального или кольцевого типа как элемент, разгружающий насос от радиальных сил. В типовом НА можно условно выделить три участка первый - спиральный второй - лопаточный диффузорный участок, в котором происходит основное преобразование кинетической энергии в потенциальную, и третий - лопаточный отводящий, обеспечивающий отвод жидкости. Основными конструктивными размерами НА является входной диаметр 3 D , выходной диаметр 4 D , число лопастей a n Z . , ширина канала в 7 расчетом сечении 3 b и углы лопаток на входе 3 , на выходе 4 . Материал направляющего аппарата сталь 20Х13Л-1. Направляющий аппарат 4 соосно с валом неподвижно установлен в корпусе насоса между выходом из рабочего колеса . Направляющий аппарат 4 содержит кольцевую платформу 21 с внутренним диаметром, превышающим диаметр рабочего колеса , и систему расположенных на нем выравнивающих поток тонких лопаток 22 со спиральной закруткой, противоположно направленной относительно закрутки лопаток рабочего колеса 3 и плавно расширяющихся к внешнему контуру с образованием между ними системы диффузорных каналов. Рис Направляющий аппарат. Удобнее всего конструкцию и принцип работы НА разбирать опираясь на расчетные данные в пункте расчет технической характеристики аппарата. 3. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 3.1 Расчет технической характеристики аппарата 3.1.1. Расчет центробежного закрытого рабочего колеса На большинстве насосных станций стран СНГ более 30-ти лет эксплуатируются центробежные нефтяные магистральные насосы серии НМ производства Украина предназначенные для транспортирования товарной нефти 7 Постоянно совершенствующиеся технология транспортировки нефти, строительство новых уникальных нефтепроводов, потребность в увеличении единичной мощности оборудования, ставят перед разработчиками и изготовителями технологического оборудования, в частности, перед насосостроителями соответствующие, весьма сложные задачи. Одна из таких задач - это повышение уровня кпд. и напора насосов НМ на первых этапах эксплуатации нефтепроводов, дальнейшая эксплуатация насоса при номинальных и неноминальных параметрах с максимальной эффективностью. При этом весь ряд требуемых параметров насоса должен обеспечиваться за счет применения сменных рабочих органов Насосы типа НМ - это горизонтальные, центробежные, насосы типа "Д, с горизонтальным разъемом корпуса. В качестве модернизируемого оборудования в данной работе рассматривается один из насосов типоразмерного ряда НМ – НМ 5000-200 с ротором Q=5000 м 3 /ч. В целях борьбы с повышенными вибрациями и кавитацией при неноминальных режимах работы была выбрана установка лопастного отвода, или как его часто называют направляющего аппарата, применение направляющего аппарата вызвано необходимостью достижения высоких КПД и повышения напора при малых подачах. В первую очередь необходимо рассчитать характеристики рабочего колеса, на которое будет установлен направляющий аппарат. Исходные данные для расчета рабочего колеса Подача насоса Q=5000 м 3 /ч=1,388 м 3 /сек, напор насоса Нм, частота вращения n=3000 об/мин, плотность нефти ρ=850,9 кг/м3 тип рабочего колеса – двухпоточное, 314 30 3000 14 , 3 30 n (сек. 1) Определяем основные параметры. Коэффициент быстроходности 75 , 0 5 , 0 65 , 3 H Q n n s (3.1.1) Приведенный диаметр рабочего колеса 3 3 1 10 ) 5 , 4 4 ( n Q D np , (3.1.2) где Q - подача рабочего колеса. 2500 2 / 5000 2 / Q Q (3.1.3) 6 , 245 3000 2500 10 ) 5 , 4 4 ( 3 3 1 np D (мм) 65 , 242 200 388 , 1 3000 65 , 3 75 , 0 5 , 0 s n 7 Гидравлический КПД 2 1 172 , 0 lg 42 , 0 1 пр г D (3.1.4) 914 , 0 172 , 0 6 , 245 lg 42 , 0 1 2 г Объемный КПД 3 / 2 ) ( 68 , 0 1 1 об) ,983 0 ) 65 , 242 ( 68 , 0 1 1 1 3 / 2 об Внешним механическим КПД задаемся: м = 0,95 – 0,99. Принимаем м =0,98. Полный КПД насоса = об г м (3.1.6) Тогда =0,983 0,914 0,98=0,87 Мощность, потребляемая насосом 3600 ' H Q N g (3.1.7) 22 , 2665 87 , 0 3600 200 2500 9 , 850 кВт) 2) Определяем диаметр вала и втулки Крутящий момент навалу насоса где 69 , 2931 1 , 1 22 , 2665 кВт) (3.5.9) 6 , 9336 3000 14 , 3 69 , 2931 Нм) Заниженное допускаемое напряжение на кручение для одноступенчатых насосов принимают для консольных насосов ( =1) = 15010 5 Нм для насосов типа ДН м 2 ; Диаметр втулки d вт =3 ) ( 16 М (3.1.9) 7 d вт = 124 , 0 3 10 250 14 , 3 6 , 9336 16 5 (м) 3) Определяем размеры входа в колесо Расчетная подача колеса 2 , 2543 983 , 0 об ' 1 Q Q (м 3 /час) (3.1.10) больше на величину объемных потерь. В первом приближении 2 1 0 07 , 0 n Q (3.1.11) 76 , 19 ) 3000 ( 2500 07 , 0 2 0 (м/сек) Диаметр входной воронки 2 2 1 в т пр d D D (3.1.12) 287 , 0 149 , 0 2456 , 0 2 2 м) Окончательно 2 1 1 0 3600 пр) 919 , 14 2456 , 0 14 , 3 3600 2543,2 4 2 0 (м/сек) Выбираем 2 ,8 0 0 1 D r (3.1.14) 144 , 0 2 287 , 0 ,8 м) ' 1 m =υ 0 =14,919 м/сек (3.1.15) m1 = К 1 ' 1 m где К = 1.15 – 1.30 – коэффициент стеснения потока на входе. Принимаем К, тогда 1 m =1,2 14,919=17,903 Ширина рабочего колеса на входе ' 1 1 ' 1 1 D 3600 m Q b (3.1.16) 044 , 0 903 , 17 0,287 14 , 3 3600 2 2543 1 b (м) 7 Переносная скорость U 1 = 60 1 n D (3.1.17) U 1 = 1 , 45 60 3000 287 , 0 14 3 (м/сек) Угол потока на входе в рабочее колесо u m n V U V arctg 1 1 1 1 (3.1.18) Найдем окружную составляющую абсолютной скорости на входе в рабочее колесо 78 4 3 287 , 0 3600 3000 2543 12 , 0 2 2 1 u V (м/сек) 94 , 23 78 , 4 1 , 45 903 , 17 Угол наклона лопасти на входе в рабочее колесо п 1 (3.1.19) =5 94 , 28 5 94 , 23 1 Этот угол должен находиться в пределах 15 – 30 . Угол атаки 8 3 градусов вводится с целью уменьшения гидравлических потерь в области рабочего колеса и улучшения его кавитационных качеств. 4) Определение размеров выхода из колеса Напор теоретический г т Н Н (3.1.20) 82 , 218 914 , 0 200 т Н (м) Полагая, что 2 U ≈0,5, имеем в первом приближении Н) 3 1 2 2 ' 1 1 3600 ) ( 12 , 0 D n Q V u 7 5 , 65 ,5 0 218,82 9,81 2 U (м/сек) 2 2 U r (3.1.22) ,21 0 314 5 , 65 2 r (м) Меридианная скорость υ m2 ’ =0,8 υ m1 ’ (3.1.23) υ m2 ’= 0,8 14,919=11,94 (м/сек) Следуя рекомендациям принимаем β 2 =22°. Число лопастей найдем по формуле Алексапольского: 2 ) ( sin 8 , 21 2 1 04 , 0 q n z (3.1.24) 37,5 s n n q (3.1.25) ,47 6 37,5 65 , 242 q n 8 2 ) 22 94 , 28 ( sin ) 47 , 6 ( 8 , 21 что соответствует общей концепции снижения числа лопастей с ростом коэффициента быстроходности. при 200 s n 2 2 2 2 2 sin ) ( ) 3 , 13 7 , 1 ( / tg U m V (3.1.26) 24 , 2 22 sin ) 22 83 , 81 / 75 , 17 ( 3 , 13 7 , 1 2 tg (3.1.27) 98 , 2 ) 475 , 0 428 , 0 ( 1 1 8 24 , 2 2 2 p z K Н г Н (3.1.28) поправка наконечное число лопастей определяем по формуле Пфлейдерера: р 1 (3.1.29) 2 ) 2 1 ( 1 1 2 D D z p 7 25 , 0 98 , 2 1 / 1 z K 5 , 228 25 , 0 914 , 0 Нм) Определим мередианную скорость на входе из рабочего колеса с учетом стеснения потока лопастями ' 1 2 8 , 0 ' m m (3.1.30) 94 , 11 919 , 14 8 , 0 ' 2 m (м/сек) (3.1.31) Найдем коэффициент стеснения потока 57 , 1 65 , 2 65 , 242 10 23 , 18 65 , 242 10 68 , 5 65 , 2 10 23 , 18 10 68 , 5 3 2 5 3 2 5 2 1 К) 57 , 1 К 94 , 11 57 , 1 2 m (м/сек) К υ m2 ’ (3.1.33) υ m2 =1,57 11,94=18,75 (м/сек) Во втором приближении U 1 1 2 2 2 2 2 Н) 83 , 81 1 , 45 78 , 4 52 , 273 81 , 9 2 ) 22 2 ,75 18 ( 22 2 8,75 Наружный диаметр рабочего колесам (м) По паспорту-формуляру на ротор Q=5000 м 3 /ч наружный диаметр рабочего колеса D 2 =475 мм. Принимаем D 0 =475 мм. Ширина канала колеса на выходе 3600 ' 2 2 ' 1 2 m D Q b (3.1.37) 025 , 0 3600 75 , 18 475 , 0 14 , 3 2 , 2543 2 b (м) ' 2 К 7 Ориентировочно можно принять толщину лопасти на входе в рабочее колесо мм при мм. Толщина лопастина выходе из рабочего колесаS 2 часто принимается равной S 1 , а к середине длины лопасть плавно утолщается. Принимаем толщину лопасти S 2 =6 мм. Проверяем 1 1 1 ' 1 sin * * * 1 К) 2 2 2 ' 2 sin 1 К) Должны быть обеспечены условие 01 , 0 К К 1 ' 1 01 , 0 К К 2 ' 2 14 , 1 94 , 28 sin * 428 * ,14 3 6 * 8 1 1 К 22 sin 475 ,14 3 6 8 1 1 ' 2 К Условие обеспечивается. При этом относительные линейные скорости : 1 ' 1 К) 2 ' 2 К) 15 , 35 94 , 28 sin 919 , 14 1,14 1 (м/сек) 38 , 35 22 sin 94 , 11 1,11 2 (м/сек) 3.1.2. Расчет направляющего аппарата 1) Диаметр выбирают из условия обеспечения оптимального зазора между рабочим колесом и направляющим аппаратом с целью как выравнивания поля скоростей после рабочего колеса, таки получения минимальных потерь в зазоре 7 2 3 05 , 1 03 , 1 D D (3.1.42) Для улучшения виброакустических характеристик зазор несколько увеличивают D 3 =(1,05÷1,1) D 2 (3.1.43) D 3 =1,05 0,475=0,499 (м) 2) Ширина направляющего аппарата в меридианном сечении b 3 =b 2 (1,1÷1,2) (3.1.44) b 3 =1,2 0,025=30 (мм) Так как рабочее колесо является двухпоточным, то требуется установка направляющего аппарата, состоящего из двух половин. 3) Число лопаток направляющего аппарата. Число лопаток на. z на выбирают в зависимости от числа лопастей рабочего колеса z р.к из условия отсутствия неуравновешенных гидродинамических сил P и неуравновешенных пульсаций давлений р При этом следует учитывать, что нас меньшим числом лопаток менее трудоемок, а следовательно, более дешевый в изготовлении. В малых и средних насосах можно допускать наличие неуравновешенных гидродинамических сил или пульсаций давлений в третьей или даже во второй гармониках. Так, для рабочего колеса с z р.к = 9 число лопаток на. должно быть z на 11, для средних насосов можно принять z на 7, а для малых –z на 6. на принимаем равным 11. Угол входа потока в направляющий аппарат 2 3 2 3 2 3 ) 0,5 - ,5 1 ( tg b b b b tg (3.1.45) 365 , 0 22 ) 03 , 0 025 , 0 0,5 - ,5 1 ( 03 , 0 ,025 0 3 tg g t β 3 =20,1° 5) Входной угол лопаток направляющего аппарата л β 3 +(0...-2)° (3.1.46) л 20,1+(-1,1)=19° 6) Выходной угол лопатки (по средней линии) л выбирают несколько большим, чтобы обеспечить диффузорный межлопаточный канал небольшого уширения л л (3.1.47) л Для обеспечения проточности лопатку выбирают достаточно длинной. Густота решетки на среднем диаметре направляющего аппарата при этом составляет τ ср.н.а. =1,3...1,8, а выходной диаметр D 4 =(1,15÷1,35) D 3 (3.1.48) D 4 =1,2 0,499=0,599 (м) 8) Длину хорды лопатки найдем из приближенного соотношения 7 л 3 4 л л D b (3.1.49) 102 , 0 2 30 19 sin 2 499 , 0 л (м) 9) Скорость на выходе из направляющего аппарата находим по величине меридиональной составляющей и по углу выхода потока β 4 , за который можно принять л, так как углы отставания обычно малы 4 с) p V - полный гидравлический кпд Ширину b 4 целесообразно выбирать равной или несколько большей b 3 , чтобы межлопаточный канал получился пространственно-диффузорным. Обычном с (м/сек) Окружную составляющую скорости найдем как [10]: 4 с) 83 , 8 30 186 , 15 с (м/сек) Найдем радиус выходного сечениям. Расчеты на прочность элементов аппарата 3.2.1. Расчет диаметра вала Вовремя работы вал насоса подвергается воздействию крутящего момента, осевой сжимающей нагрузки на верхний торец вала и радиальной нагрузки. Радиальная нагрузка навал вызывается насосным расположением валов секций насоса и протектора и возможность неточного изготовления шлицевого соединения. Определяем крутящий момент 7 n N М кр max 30 (3.2.1) где N- мощность потребляемая насосом, (Вт 30 *n - угловая скорость, (сек. (3.2.2) Найдем угловую скорость 14 , 3 30 3000 сек) Рассчитаем крутящий момент вала 6 , 9336 3000 14 , 3 69 , 2931 30 кр М (Нм) Вычислим средний диаметр вала d вн =3 ) ( 16 М (3.2.3) d вн = 124 , 0 3 5 10 * 250 * 14 , 3 м) где 5 10 допустимое напряжение на кручение для валов из углеродистой стали. Для насосов типа ДН м 2 ; Диаметр вала под подшипником принимаем 20 мм d n =d в м) Находим момент инерции вала 4 в (3.2.5) где, - диаметр вала. 5 4 10 36 , 2 124 , 0 Нм) Радиальная нагрузка Р находится по формуле (3.2.6) где k - коэффициент, учитывающий компенсирующее влияние зазоров (0,45-0,85) Е - модуль упругости материала вала, (Па. J - момент инерции вала, принимаемый с учетом тела втулки (кг/м.куб.); С - расстояние от центра подшипника до середины муфты, (0.09 м 16 , 2020 375 , 0 ) 10 36 , 2 10 4 , 21 3 ( 5 , 0 6 6 1 Р (н) Найдем окружную радиальную силу (3.2.7) где, D - наружный диаметр шлицев (0,07499 м 2 , 249009 07499 , 0 6 , 9336 2 окр Р (Н) В 3 (3 ) k E J P C 2 кр окр M P D 7 Вычислим максимальный изгибающий момент конце вала (3.2.8) где расстояние от середины муфты или от точки приложения силы Р до проточки под стопорное кольцо, выбираем из интервалам 16 , 2020 max изг М (Нм) Определим максимальное напряжение изгиба в опасном сечении x изг изг W M max max (3.2.9) где х - осевой момент сопротивления вала вместе проточки под стопорное кольцо ( ); Вычислим осевой момент сопротивления вала вместе проточки под стопорное кольцо 2 p x W W (3.2.10) где - полярный момент сопротивления вала ( ). Вычислим полярный момент из следующей формулы кр (3.2.11) 00037 0 10 250 6 , 9336 Найдем осевой момент сопротивления вала 000185 0 2 00037 Максимальное напряжение изгиба будет ) ( 38 , 0 000185 , 0 71 , 70 max МПа изг Определяем напряжение кручения p кр кр W М (3.2.12) ) ( 23 , 25 00037 , 0 6 , 9336 МПа кр Вычислим эквивалентное напряжение 2 2 max кр изг экв ) ( 233 , 25 23 , 25 38 , 0 2 2 МПа экв Найдем коэффициент запаса прочности по пределу текучести (3.2.13) изгиб b Нм Нм i1.3iTiiэквiiПidiv 7 Для вала насоса берем сталь с пределом текучести для стали Х = 785 (МПа) 3 , 1 11 , 31 333 , 25 П Из результатов расчетов видно, что вал из стали Х выдерживает заданные нагрузки с коэффициентом прочности П, который удовлетворяет условию 3 , 1 11 , 31 7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ОАО "Сибнефтепровод" подразделения "Тобольское УМН" заинтересовалось установкой лопаточного отвода ив первую очередь на станцию с недостаточным подпором такие как "Муген-1" и "Кедровое, это объясняет актуальность выбранной темы. Механическая часть научно-исследовательской работы доказала возможность установки лопаточного направляющего аппарата в проточную часть корпуса насоса не меня его габаритных размеров и существенно не утяжеляя его. Значит насосная НПС" Муген-1" не будет подвергнута реконструкции соответственно станция сохранит время и деньги. Расчет экономической части проекта показал экономическую выгоду. В среднем устройство направляющего аппарата стоит 300-400 тыс.рублей, а экономия денежных средств на электроэнергию в месяц 1,76 млн.рублей при режиме работы НМ 5000-200 + лопаточный направляющий отвод по сравнению с режимом работы НМ 5000-200. Также увеличивается межремонтный период, что приводит к окупаемости уже в первый год эксплуатации. Лопаточный направляющий отвод не увеличивает негативного влияние на экологию так как герметично установлен в корпус насоса, это говорит о том выбросов в атмосферу нефти не произойдет т.к система откачки утечек нефти будет работать в отлаженном режиме и после модернизации насоса. Произведя модернизацию получаем повышенные технологические характеристики насоса такие как кпд на 1-3 %, напор нам, уменьшения вибрации кавитации, а значит продлеваем срок службы насоса 10-15 лет, кроме этого экономим денежные средства на средних ремонтах и энергопотреблении. Для установки направляющего отвода не потребуется демонтаж старого насоса, потому что корпус останется старыми весь насосный зал не претерпит никаких изменений. Установить такой НА сможет штатная станционная бригада слесарей . 7 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Луговая, СО. Гидродинамические особенности проектирования сменных проточних частей при создании унифицированного ряда центробежный : дис. … канд. техн. наук : защищена 21.09.09 / Луговая Светлана Олеговна. – Мс. Иванюшин, А. А. К вопросу о создании сменных проточных частей / А. А. Иванюшин, Е. Колесник, А.А. Руденко, И.Б. Твердохлеб // Матер. XIII Международной научно-технической конференции «ГЕРВИКОН-2011». – 2011. - № 2. - С. 15-20. 3. Перевощиков, СИ. Разработка научных основ управления вибрацией гидродинамического происхождения в центробежных насосах магистральных нефтепроводов. дис. … докт. техн. наук : защищена 15.03.01 / Перевощиков Сергей Иванович. – Тюмень, 2014. – 95 с. 4. Пат. 2238167 Российская Федерация, МПК7 B 21 K 1/46. Способ изготовления магистральных насосов Семенов Е. И, Лавриненко Ю. А, Лавриненко В. Ю заявитель и патентообладатель НИИ конструкц. матери технол. процессов МГТУ им.Н.Э.Баумана.- N 2002134055/02; заявл. 18.12.2002; опубл. 20.10.2004., Бюл. №14.-5 с. 5. Типовой проект промежуточной НПС без резервуарного парка для магистральных нефтепроводов Ду 1200 ОАО «АК «Транснефть», ОАО «Гипротрубопровод». - Москва, 2005. – 25 л. 6. Белоусов, Б. Н. Колесные транспортные средства особо большой грузоподъемности / Б. Н. Белоусов, С. Д. Попов. - М Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.- 727 с. 7. Бархатов, А.Ф. Основные проблемы энергосбережения в трубопроводном транспорте и направления их решения / А.Ф. Бархатов // ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ. – 2015. – №6. – С. 132-138. |