Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние теории и практики определения режимных параметров системы магистральных нефтепроводов 15
1.1 Определение причин изменения технологических режимных параметров магистральных нефтепроводов 15
1.2 Критический анализ имеющихся методов регулирования режимов работы систем магистральных нефтепроводов и проблема их выбора 18
1.3 Основные параметры и характеристики магистральных центробежных насосов 28
1.4 Современные математические модели нестационарных процессов в нефтепроводах 36
1.5 Анализ процессов пуска и остановки магистральных насосных агрегатов 39
1.6 Постановка задач исследований 41
ГЛАВА 2 Теоретическое обоснование энергосберегающих режимов работы нефтеперекачивающих центробежных насосов с регулируемым приводом 43
2.1 Выявление гидромеханических факторов системы магистрального нефтепровода, определяющие мощность центробежных насосов, затраченную на перекачку нефти 43
2.2 Обоснование метода управления магистральным насосным агрегатом изменением частоты вращения рабочего колеса при максимизации КПД центробежного насоса 46
2.3 Устройства, максимизирующие КПД центробежного насоса 53
2.3.1 Система управления центробежным насосным агрегатом 53
2.3.2 Система автоматического управления центробежным насосным агрегатом 59
2.3.3 Система оптимального управления центробежным насосным агрегатом 62
2.4 Построение математической модели режима работы нефтеперекачивающих станций в системе магистрального нефтепровода с учетом метода регулирования частотой вращения 65
2.5 Моделирование процесса пуска магистрального насосного агрегата на закрытую задвижку 75
2.6 Анализ эффективности применения методов регулирования режимов работы магистрального нефтепровода 85
2.7 Выводы по второй главе 91
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования режимов центробежного насоса, обеспечивающих максимальный КПД 93
3.1 Разработка экспериментальной установки для анализа гидромеханических характеристик центробежных насосных агрегатов 93
3.2 Планирование проведения экспериментов 98
3.3 Проведение экспериментальных исследований гидромеханических параметров работы центробежного насоса 102
3.3.1 Снятие и обработка экспериментальных данных 102
3.3.2 Построение напорной характеристики центробежного насоса 105
3.3.3 Построение характеристики КПД центробежного агрегата 111
3.4 Выводы по третьей главе 115
ГЛАВА 4 Разработка инженерной методики определения режимных параметров нефтеперекачивающей станции, обеспечивающих максимальный кпд центробежных насосов на стадии проектирования 116
4.1 Определение входных данных методики 116
4.2 Определение характеристик нефтепровода и типов центробежных насосов 117
4.3 Определение режимных параметров нефтепровода с максимальным КПД центробежных насосов 118
4.4 Реализация разработанной методики на экспериментальном стенде 119
4.5 Выбор рационального режима работы нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода на основе расчета удельных энергозатрат 121
4.6 Выводы по четвертой главе 124
Заключение 125
Список литературы
- Критический анализ имеющихся методов регулирования режимов работы систем магистральных нефтепроводов и проблема их выбора
- Обоснование метода управления магистральным насосным агрегатом изменением частоты вращения рабочего колеса при максимизации КПД центробежного насоса
- Проведение экспериментальных исследований гидромеханических параметров работы центробежного насоса
- Определение режимных параметров нефтепровода с максимальным КПД центробежных насосов
Введение к работе
Актуальность темы исследований
В настоящее время в России уделяется большое внимание проблемам энергосбережения и повышения энергоэффективности. Основные положения энергетической политики государства закреплены в Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 года, и в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года». Согласно Стратегии основной целью государственной энергетической политики в сфере повышения энергетической эффективности экономики является рациональное использование энергетических ресурсов.
В магистральном транспорте нефти доля выплат за потребленную электроэнергию превышает 30 % эксплуатационных расходов. Поэтому уменьшение энергозатрат при транспорте нефти является актуальной задачей.
В ОАО «АК «Транснефть» разработаны и реализуются программы энергосбережения и инновационного развития, которые направлены на значительное улучшение основных показателей эффективности производственного процесса и существенную экономию энергетических ресурсов в процессе эксплуатации системы магистрального нефтепроводного транспорта.
Для повышения энергетической эффективности трубопроводного транспорта нефти центробежные насосы (ЦН) магистральных насосных агрегатов (МНА) нефтеперекачивающих станций (НПС) следует эксплуатировать на режимах, обеспечивающих минимум всех затрат, а из всех возможных методов регулирования применять наиболее экономичный для конкретных условий эксплуатации.
Цель диссертационной работы
Обоснование режимов работы нефтеперекачивающих насосов с регулируемым приводом, обеспечивающих снижение энергозатрат при трубопроводном транспорте нефти.
Основные задачи исследования
-
Выполнить анализ современного состояния теории и практики определения режимных параметров насосного оборудования нефтеперекачивающих станций.
-
Разработать новый метод управления магистральными насосными агрегатами, обеспечивающий энергосберегающий режим их эксплуатации и устройства для его реализации.
-
Разработать математические модели процессов работы системы «насосное оборудование – магистральный трубопровод» с учетом изменения частоты вращения рабочих колес центробежных насосов.
-
Провести экспериментальные исследования гидромеханических параметров центробежного насоса, позволяющие выявить энергосберегающий режим работы и выполнить экспериментальную проверку алгоритма реализации нового метода управления.
-
Разработать инженерную методику расчета режимных параметров насосного оборудования НПС на стадии проектирования.
-
Разработать алгоритм выбора рационального режима работы нефтеперекачивающей станции в системе магистрального нефтепровода на стадии проектирования и на его основании выполнить анализ эффективности разработанного метода в сравнении с имеющимися методами регулирования системы «насосное оборудование – магистральный трубопровод».
Идея работы
Энергосберегающие режимы работы нефтеперекачивающих насосов с регулируемым приводом определять путем совместного решения уравнений напорной характеристики насосов и линии рабочих режимов, обеспечивающих устойчивую работу системы «насосное оборудование – магистральный трубопровод» с максимальным КПД, независимо от изменения внешних технологических факторов.
Научная новизна работы
1. Получены новые функциональные зависимости между давлением, частотой вращения рабочего колеса магистрального насоса, подачей и конструктивными параметрами, соответствующие
режиму работы системы «насосное оборудование – магистральный трубопровод» с максимальным КПД центробежного насоса.
2. Разработана математическая модель пуска и работы центробежных насосных агрегатов с учетом регулирования частоты вращения рабочего колеса.
Научные положения, выносимые на защиту
-
В пространстве режимных параметров определено соотношение между расходом, напором и частотой вращения рабочего колеса, обеспечивающее устойчивую работу насосного агрегата с максимальным коэффициентом полезного действия независимо от изменения нагрузки и реологических характеристик перекачиваемой среды.
-
Выбор энергосберегающего режима пуска и работы нефтеперекачивающих центробежных насосов с регулируемым приводом необходимо производить с использованием разработанной математической модели данных процессов.
Методика исследований
При проведении исследований и решении поставленных за
дач применялся комплексный подход, включающий теоретические и
экспериментальные методы исследований: анализ факторов, умень
шающих энергозатраты, математическое описание режимов работы
системы «насосное оборудование – магистральный трубопровод»,
математическое моделирование в программной среде
Mathematica 8.0 и Simulink (Matlab), создание физической модели, составление рандомизированных планов варьирования определяющих факторов, обработку полученных результатов методами математической статистики.
Достоверность научных положений подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с доверительной вероятностью не менее 0,95.
Теоретическая и практическая ценность работы
-
Разработан метод расчета режима работы насосного агрегата на основе максимизации КПД центробежного насоса.
-
Разработана математическая модель и программа на основе прикладного пакета Simulink (Matlab), позволяющая производить
расчеты процесса пуска и режима работы магистрального насосного агрегата на открытую и закрытую задвижку с учетом изменения частоты вращения рабочего колеса центробежного насоса.
-
Разработаны алгоритм и устройства управления центробежными насосными агрегатами для перекачки нефти и нефтепродуктов.
-
Предложена методика определения режимных параметров нефтеперекачивающей станции, обеспечивающих максимальный КПД центробежных насосов на стадии проектирования и выбора рационального режима работы нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода на основе расчета удельных энергетических затрат.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-ом Международном молодежном нефтегазовом форуме SPE на базе КазНТУ (г. Алма-Ата 16-17.04.2011), 5-ом Санкт-Петербургском конгрессе «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке» (г. Санкт-Петербург 24.11-25.11.2011), 65-ой Международной научной студенческой конференции «Нефть и газ – 2011» (г. Москва 11.04-14.04.12), межрегиональном семинаре «Рассохинские чтения» (г. Ухта 3.02-4.02.2012), The University of Resources Resources Issues Freiberg: Technical University Bergakademie Freiberg (г. Фрайберг 06.14 - 06.15.2012). Получена серебряная медаль и диплом 9-ой Международной ярмарки инноваций SIIF-2013 (29.11-2.12.2013 г. Сеул, Республика Корея) за разработку «Энергосберегающая технология транспортировки нефти и нефтепродуктов».
Публикации
По теме диссертации опубликовано восемь научных работ, две из которых в изданиях, включенные в перечень научных изданий ВАК Минобрнауки России, получены четыре патента на изобретения.
Личный вклад соискателя
Автором разработан метод управления центробежным насосным агрегатом на основе максимизации КПД насоса; составлена
методика расчета на стадии проектирования трубопроводных систем; разработаны устройства, реализующие принцип управления на основе максимизации КПД центробежного насоса; получены патенты на способ и системы управления центробежным насосом. Составлена программа в среде Simulink (Matlab) для расчета основных гидромеханических параметров при процессе пуска магистрального насосного агрегата; получена формула расчета механического момента центробежного насоса на основе конструктивных параметров; составлен алгоритм рационального выбора метода регулирования системы «НПС-нефтепровод».
Реализация результатов работы
Разработанный метод, инженерная методика и устройства управления центробежными насосными агрегатами на основе максимизации КПД насоса могут быть использованы при проектировании и эксплуатации систем трубопроводного транспорта углеводородных продуктов, а также при расчетах насосных станций в учебном процессе. Созданная программа в среде Simulink (Matlab) для расчета основных гидромеханических параметров при пуске магистрального насосного агрегата может быть использована при анализе нестационарных процессов трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, изложена на 145 страницах текста, содержит 41 рисунок, 24 таблицы, список использованных источников из 112 наименований, 1 приложение.
Критический анализ имеющихся методов регулирования режимов работы систем магистральных нефтепроводов и проблема их выбора
Выявлены преимущества применения метода регулирования частоты вращения рабочего колеса насоса по сравнению с другими традиционными методами. В результате анализа установлено, что в исследованиях уделено недостаточно внимания энергоэффективному режиму работы нефтеперекачивающих станций с точки зрения максимизации КПД центробежных насосов, вопросу изменения времени разгона магистрального насосного агрегата при запуске для снижения механической нагрузки и выбору метода регулирования режима работы нефтепровода в зависимости от параметров, влияющих на энергозатраты. В связи с этим, встает вопрос о необходимости разработки нового метода управления магистральными насосными агрегатами, обеспечивающего энергосберегающий режим их эксплуатации и устройств для реализации метода. Для анализа вопроса времени пуска магистрального насосного агрегата необходимо разработать математические модели процессов работы системы «насосное оборудование – магистральный трубопровод» с учетом изменения частоты вращения рабочих колес центробежных насосов. Провести экспериментальные исследования гидромеханических параметров центробежного насоса, позволяющие выявить энергосберегающий режим работы с максимальным КПД. Выполнить экспериментальную проверку реализации нового метода управления. Разработать инженерную методику расчета режимных параметров насосного оборудования НПС на стадии проектирования. Разработать методику выбора метода регулирования системы нефтеперекачивающей станции и магистрального нефтепровода на основе анализа удельных энергетических затрат.
Во второй главе приводятся теоретические исследования работы системы основного насосного оборудования нефтеперекачивающих станций с магистральным нефтепроводом при регулировании изменением частоты вращения рабочих колес насосов.
Разработан новый метод управления магистральными насосными агрегатами, обеспечивающий энергосберегающий режим их эксплуатации при максимизации КПД центробежных насосов. На основе метода разработаны варианты устройств: система управления, система автоматического управления и система оптимального управления центробежным насосным агрегатом.
Для описания режимов работы нефтеперекачивающих станций составлена общая схема работы НПС в системе трубопроводного транспорта с указанием основных гидромеханических параметров. Разработано математическое описание режимов работы магистральных насосных агрегатов, оборудованных синхронными электродвигателями с преобразователями частоты. В прикладном пакете Simulink (Matlab) была создана программа, моделирующая режим работы магистрального насосного агрегата при пуске и регулировании частоты вращения рабочего колеса центробежного насоса. Модель учитывает возможность регулирования частоты вращения вала рабочего колеса ЦН. Для ликвидации всплесков можно увеличить время пуска магистрального насосного агрегата. Созданное математическое описание и программный комплекс в Simulink (Matlab) могут использоваться для расчета любых насосных систем, имеющими в своем составе асинхронный или синхронный двигатель с асинхронным пуском и центробежный насос, работающий в системе трубопроводного транспорта жидкостей.
Применение метода регулирования частотой вращения рабочего колеса насоса позволяет произвести плавный пуск агрегата, который снижает механические нагрузки на вал и исключает резкие повышения давления в трубопроводе, тем самым сглаживаются переходные процессы.
Определены критерии эффективности применения методов регулирования в зависимости от факторов, влияющих на энергопотребление.
В третьей главе приводятся экспериментальные исследования гидромеханических характеристик центробежного насосного агрегата при различных режимах работы.
Целью проведения данных исследований является получение ряда характеристик КПД центробежного насоса при разных частотах вращения и выявление режимов работы с максимальным КПД центробежного насоса. Эксперименты проводились на специализированном стенде. Для осуществления экспериментальных исследований составлен план проведения эксперимента. Проводится полный факторный эксперимент, по результатам которого строится регрессионная зависимость второго порядка, описывающая напорную характеристику центробежного насоса при номинальной частоте вращения 3000 об/мин с величиной достоверности аппроксимации R2 = 0,977. Проведена проверка на адекватность полученной модели при помощи тестов Фишера, Стъюдента, анализа остатков. Построены характеристики КПД центробежного насоса при разных частотах вращения рабочего колеса.
На основании данных эксперимента, можно сделать вывод о пропорциональном изменении характеристики КПД центробежного насоса относительно изменения частоты вращения рабочего колеса и сохранении максимума характеристики КПД-Q как в сторону уменьшения, так и увеличения и возможности работы ЦН на режиме с максимальным КПД.
В четвертой главе предлагается инженерная методика определения режимных параметров нефтеперекачивающей станции обеспечивающих максимальный КПД центробежных насосов.
Обоснование метода управления магистральным насосным агрегатом изменением частоты вращения рабочего колеса при максимизации КПД центробежного насоса
Для построения математической модели режима работы нефтеперекачивающих станций в системе магистрального нефтепровода необходимо выделить элементы и процессы, которые влияют на описание данной системы.
С точки зрения текущего исследования представляют интерес объекты, входящие в состав перекачивающих станций первой группы [102] или так называемые объекты основного (технологического) назначения. В рамках данной группы необходимо выделить основную и подпорную насосные станции, сеть технологических трубопроводов, фильтры-грязеуловители, узлы задвижек и узлы регуляторов давления. В свою очередь, в насосных станциях располагаются насосные агрегаты, в составе которых входит центробежный насос, привод (в большинстве случаев электродвигатель) и соединяющая их муфта. При определении характеристик элементов модели будем учитывать только гидромеханические параметры магистральных насосных агрегатов.
Для проектирования новых или модернизации старых систем магистральных нефтепроводов, где предполагается установка МНА с частотно регулируемым приводом, необходимо разработать гидромеханическую модель работы таких МНА при нестационарных и стационарных режимах работы, учитывающую регулировку частоты вращения рабочих колес центробежных насосов. Ключевыми гидромеханическими параметрами, характеризующие работу НПС на эксплуатационный участок, являются расход (производительность, подача) Q ЦН МНА, напор H (давление P) ЦН, мощность N, развиваемая ЦН, а также частота вращения рабочего колеса ЦН n (угловая скорость ) и момент на валу ЦН M, а также режим течения нефти по трубопроводу и возникновение волн давления при пуске и остановке магистральных агрегатов или при перестановке запорно-регулирующей арматуры. На рисунке 2.10 представлена обобщенная схема работы j-ой НПС в системе трубопроводного транспорта с указанием основных гидромеханических параметров. Потери напора от узла приема и пуска средств очистки и диагностики до входного патрубка в первый по ходу движения потока магистральный насосный агрегат обобщены в показатель hвс, j , в который включены потери напора на трение на указанном участке, местные сопротивления – задвижки, повороты, изменения диаметров, а также потери, возникающие в фильтрах-грязеуловителях. Влияние блока системы сглаживания волн давления, при рассмотрении данной модели, не учитывалось. Потери напора от выходного патрубка последнего по ходу движения потока магистрального насосного агрегата до узла приема и пуска средств очистки и диагностики обобщены в показатель hна г, j , в который также включены потери напора на трение на указанном участке, местные сопротивления – задвижки, повороты, изменения диаметров, обратные клапаны, а также потери, на блоке регуляторов давления. Указанные потери на гидравлическое сопротивление в узлах и по длине участков суммарно учитываются в уравнении баланса напоров для магистрального нефтепровода.
Обобщенная схема j-ой нефтеперекачивающей станции, оборудованной i-k магистральными насосными агрегатами Построение подобной модели удобнее производить для /-го МНАу-ой НПС.
Для одного МНА, включающего синхронный электродвигатель и центробежный насос, математическая модель работы системы «НПС-нефтепровод» состоит из ряда функциональных зависимостей и уравнений. где coo{t) и сдзад - соответственно рабочая и заданная частоты напряжения, подаваемого на приводной электродвигатель; Т1 - постоянная времени преобразования частоты; кр - коэффициент усиления преобразования частоты.
В качестве привода в составе МНА преимущественно используются синхронные электродвигатели серии СТД [52]. Пуск синхронных двигателей может осуществляться несколькими способами: - с помощью разгонного двигателя; - частотный пуск, при питании от источника с плавно регулируемой частотой; - асинхронный пуск [8]. Последний из способов применяется наиболее часто [49]. 2) Уравнение динамической характеристики синхронного двигателя при асинхронном пуске, учитывающее влияние электромеханических процессов в обмотках [98]: T2 dAM+M(t) = j3(u)0(t)-c»Jt)) , (2.23) где Т2 - постоянная времени; /3 - жесткость механической характеристики к э мк синхронного электродвигателя при асинхронном пуске /? =—э\ Мэ и М a 3Cs фактический и каталожный момент сил на валу ротора электропривода соответственно; соэс - частота электрической сети; sk - скольжение электродвигателя при работе на номинальном (по каталогу) режиме.
3) Уравнение вращения ротора рабочего колеса насоса [47, 85]: Jпр d =Mн(t)-Mс(t), (2.24) где Мн - момент сил на валу ротора рабочего колеса насоса (вращательный момент, развиваемый приводом); Мс - момент нагрузки, т. е. момент сил сопротивления вращению вала ротора рабочего колеса насоса; Jпр - приведенный момент инерции магистрального насосного агрегата;
4) Уравнение напорной характеристики центробежного насоса с учетом изменения скорости вращения рабочего колеса Я = f(Q,oн) (2.5). Важно понимать, что при эксплуатации центробежного насоса в системе перекачки нефти реальная характеристика будет зависеть от гидравлического режима течения нефти в трубопроводе
5) Уравнение характеристики КПД центробежного насоса с учетом изменения скорости вращения рабочего колеса rj = f(Q,(oн) (2.6).
6) Мощностная характеристика центробежного насоса Nполн = f(Q,oн) с учетом конструктивных параметров и выражений (2.6) и (2.14) определится:
Для математического описания работы магистрального насосного агрегата важно знать характер изменения механического момента, возникающего на валу центробежного насоса, от угловой скорости вращения рабочего колеса м = f(co). Момент на валу насоса определится, исходя из полной мощности на валу насосного агрегата:
Проведение экспериментальных исследований гидромеханических параметров работы центробежного насоса
Остатки должны соответствовать нормальному закону распределения. В таком случае регрессионная модель адекватна. Для оценки нормальности строят нормальный вероятностный график остатков (рисунок 3.5). График наглядно показывает отклонения значений остатков регрессионной модели от нормального распределения. В технике, в частности изучения центробежных машин, процессы подчиняются строгим физическим законам и случайности могут быть обусловлены человеческим фактором, поэтому выбросы необходимо отбрасывать, для того, чтобы исключить большие погрешности регрессионной модели. - Нормальный вероятностный график остатков
Согласно графику на рисунке 3.5 значения остатков имеют линейный тренд, отклонения от которого не критичны, регрессионная модель подобрана хорошо.
На основании тестов Фишера, Стъюдента, анализа коэффициента детерминации и анализа остатков можно сделать вывод о приемлемости применения регрессионной модели 3.8 к функциональной зависимости н = f(Q). Необходимо сравнить экспериментальные данные напорной характеристики с паспортной, для этого данные заводской характеристики аппроксимируем полиномом вида (1.8) и получим следующее выражение:
На основании экспериментальных данных и паспортной характеристики, с учетом закона подобия, построена напорная характеристика центробежного насоса К 20/30 при разных частотах вращения рабочего колеса (рисунок 3.6).
Для того чтобы определить согласованность эксперимента с заводскими испытаниями необходимо сравнить данные о напоре центробежного насоса по эксперименту и по паспорту, вычисляя относительную погрешность (таблица 3.9).
Постановка задачи: необходимо адекватно описать характеристику КПД (1.11) центробежного насоса в зависимости от производительности насоса и угловой скорости вращения рабочего колеса насоса.
Для каждого типа центробежных насосов постоянные коэффициенты сь с2, с3 определяются экспериментально, путем аппроксимации значений Q и расчетных значений КПД. Экспериментальные данные для построения регрессионной модели характеристики КПД указаны в приложении А (таблица А.3). Используется метод наименьших квадратов, согласно которому, на основании (2.6), получим:
Полученную модель необходимо также проверить на адекватность. Для этого проводится регрессионный и дисперсионный анализ модели (Приложение А таблица А.8). По формулам 3.9 и 3.10 соответственно определяются расчетное значение критерия Фишера и коэффициента детерминации.
Расчетные значения критерия Стьюдента для коэффициентов регрессионной модели по абсолютной величине составили большее значение, чем критическое, соответственно коэффициенты значимы на 5 % уровне. Нормальный вероятностный график остатков 4) Анализ остатков. Строим нормальный вероятностный график остатков для регрессионной модели характеристики КПД (рисунок 3.7)
Остатки модели имеют линейный тренд и располагаются близко к аппроксимационной линии, что говорит о хорошей согласованности модели и экспериментальных данных. Тесты Фишера и Стьюдента показали значимость модели и отдельных регрессоров, а коэффициент детерминации имеет значение близкое к единице.
Для оценки изменчивости КПД в зависимости от изменения угловой скорости были выполнены эксперименты при частотах 3300, 3000, 2700 и 2400 об/мин и построены зависимости для КПД центробежного агрегата r,НА= f(Q,п(со))(рисунок 3.8) и центробежного насоса vЦН=f(Q,n(o )) без учета КПД электродвигателя и преобразователя частоты (рисунок 3.9). 3300 об/мин 20 10 По результатам сравнения паспортных и экспериментальных данных можно сделать вывод о хорошей сходимости, так как погрешность не превышает 5 %.
Для обоснования сохранения максимума КПД центробежного насоса проанализируем полученные характеристики КПД при разных частотах. Аппроксимируем каждую кривую полиномом вида (1.11) и исследуем их на экстремум согласно (2.7) получим коэффициенты характеристики, значения расхода при максимальном КПД и максимальный КПД соответствующей частоты вращения (таблица 3.12).
По значениям максимального КПД ЦН для соответствующих частот и небольшой величины относительного отклонения не более 0,6 % от максимального КПД при номинальной частоте вращения, можно сделать вывод о сохранении максимума характеристики КПД-Q центробежного насоса при изменении частоты вращения рабочего колеса насоса как в сторону уменьшения, так и увеличения и возможности работы ЦН на режиме с максимальным КПД.
Определение режимных параметров нефтепровода с максимальным КПД центробежных насосов
Также для каждого метода необходимо рассчитать капитальные затраты на приобретение и монтаж оборудования.
В итоге, после расчета технико-экономических критериев для каждого из вариантов регулирования системы «НПС-нефтепровод», необходимо их сравнить и выбрать наименее затратный.
Приведем пример расчета выбора метода регулирования для одной НПС, оборудованной тремя однотипными центробежными насосами типа НМ 7000-210, соединенными последовательно. Производительность нефтепровода принята 45 млн. т/год, плотность нефти 875 кг/м3, кинематическая вязкость нефти 36 мм2/с, длина участка трубопровода после НПС 120 км, условный внутренний диаметр трубопровода 1 м, разность геодезических высот между конечной и начальной точки участка -100 м, остаточный напор в конце участка трубопровода равен подпору перед НПС и составляет 40 м.
Результаты расчета удельных энергетических затрат на одну тонну перекачиваемой нефти в пересчете на один МНА для различных методов регулирования по формулам (4.10), (4.11), (4.12) и (4.14) представлены на рисунке 4.6.
1. В соответствии с математической моделью метода управления магистральным насосным агрегатом разработана инженерная методика расчета режимных параметров насосного оборудования НПС на стадии проектирования, позволяющая определять параметры режима работы с максимальным КПД центробежных насосов.
2. Разработанная методика реализована на экспериментальном стенде, где подтверждается возможность использования метода максимизации КПД центробежного насоса при частотном регулировании, выявлен эффект снижения потребления электрической энергии.
3. Разработан алгоритм выбора рационального режима работы нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода на стадии проектирования, который позволяет учесть основные факторы, влияющие на уровень энергетических затрат при эксплуатации системы магистрального нефтепровода и сравнить величины удельных энергозатрат по каждому из методов регулирования.
4. Приведен пример расчета удельных энергетических затрат на 1 т нефти для ряда методов регулирования, который показал эффективность метода регулирования изменением частоты вращения рабочих колес МНА НПС с учетом максимизации КПД ЦН МНА, эффект составил 19,51 %.
В результате проведения диссертационных исследований были решены следующие задачи:
1. На основании анализа современного состояния теории и практики определения режимных параметров насосного оборудования нефтеперекачивающих станций выявлена недостаточность проработки вопроса максимизации КПД центробежных насосов, вопроса регулирования процесса пуска магистрального насосного агрегата и выбора метода регулирования режима работы нефтепровода в зависимости от параметров, влияющих на энергозатраты.
2. Разработан новый метод управления магистральными насосными агрегатами, обеспечивающий энергосберегающий режим эксплуатации с максимальным КПД центробежного насоса МНА и три варианта устройств для реализации метода, которые непрерывно осуществляют процесс максимизации КПД, путем постоянной корректировки частоты вращения по изменению КПД центробежного насоса, по виду гидравлической характеристики или по изменению напора соответственно.
3. Разработана математическая модель процессов работы системы «насосное оборудование – магистральный трубопровод», позволяющая рассчитывать режимы работы в условиях изменения частоты вращения рабочих колес центробежных насосов. Составлена математическая модель работы МНА в программной среде Simulink (Matlab). По двум моделям рассчитаны гидромеханические параметры ЦН МНА в процессе пуска на закрытую задвижку и определены значения регулирующих коэффициентов и времени разгона для осуществления плавного пуска.
4. На экспериментальном стенде проведен анализ гидромеханических параметров насосного агрегата, с точностью до 5 %, на основании которых были построены регрессионные модели напорной характеристики и характеристики КПД. Анализ последней выявил независимость ее максимума от частоты вращения, подтверждена возможность использования метода максимизации КПД центробежного насоса при частотном регулировании.
5. Разработана инженерная методика расчета режимных параметров насосного оборудования НПС на стадии проектирования, позволяющая определять параметры режима работы в условиях применения метода регулирования частоты вращения рабочего колеса при максимизации КПД центробежного насоса.
6. Разработан алгоритм выбора рационального режима работы нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода на стадии проектирования, который позволяет учесть основные факторы, влияющие на уровень энергетических затрат при эксплуатации системы магистрального нефтепровода и сравнить величины удельных энергозатрат по каждому из методов регулирования. Проведен сравнительный анализ эффективности применения метода регулирования изменением частоты вращения рабочих колес МНА НПС с учетом максимизации КПД ЦН МНА с рядом традиционных методов, эффект снижения затраченной мощности составил 19,51 % по сравнению с методом регулирования частоты вращения рабочего колеса без максимизации КПД ЦН.
