CC BY
12
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
УДК 621.313.32:622.692.4: 052.012
Article info
Received 22.03.2017 р.
1.1. Яремак, В. С. Костишин, А. В. Костишин
1вано-Франк1вський нащональний техшчний утверситет нафти г газу, м. 1вано-Франк(вськ, Украгна
РОЗРАХУНОК ПОКАЗНИК1В ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТ1 РЕЖИМ1В РОБОТИ НАФТОПЕРЕКАЧУВАЛЬНО' СТАНЦП, ОБЛАДНАНО1 В1ДЦЕНТРОВИМИ НАСОСАМИ З1 СИНХРОННИМ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ
За результатами дослГджень сформовано структурно-функцiональну схему насосного агрегата нафтоперекачувально! станцп, яка вГдображае енергетичт входи-виходи його складникГв. Виявлено, що пiдвiд енергГ! в електродвигун та насос здшснюеться двоканально та встановлено енергетичт вхiднi та вихдт параметри синхронного двигуна та вГдцентрового насоса. З'ясовано, що ефективтсть роботи насосного агрегата нафтоперекачувально! станцп прямо залежить вiд витратного режиму ро-боти станцп та методiв його регулювання, тому вихГдними показниками для ощнювання цих критерпв е коефщГент корисно! дГ! синхронного двигуна та вiдцентрового насоса, якГ е функщями зазначених вище енергетичних параметрiв. Скалярну модель вГдцентрового насоса представлено у виглядГ еквГва-лентно! електрично! схеми замiщення. Розраховано режимнi показники енергоефективностi синхронного двигуна та вГдцентрового насоса залежно вГд витратного навантаження нафтоперекачувально! станцп. Пд час проведення розрахункiв визначено, що для потужних насосних агрегатiв змiна витра-ти незначно впливае на коефщГент корисно! дГ! приводних синхронних двигутв. Встановлено, що екстремальнi значення коефщГенлв корисно! дГ! синхронного двигуна та вГдцентрового насоса досяга-ються за рГзних значень витратного навантаження, що потребуе залучення методГв багатокритерГаль-но! оптишзацп для вибору режиму роботи насосного агрегата.
Ключов1 слова: насосний агрегат; енергетичт параметри; коефщГент корисно! дГ!; витратне наван-таження.
Вступ. Нафтоперекачувальш станцп (НПС) мапс-тральних нафтопроводiв, якi обладнанi насосними агрегатами (НА), € складними енергоемними об'ектами, що складаються зазвичай iз вщцентрового насоса (ВН) iз приводом вщ синхронного двигуна (СД). На цей час НА НПС часто працюють у недовантажених режимах, що спричинило зниження ефективностi !'х роботи. Тому особливо актуальною € задача розрахунку енергоефек-тивност режим1в роботи ВН iз синхронним електроп-риводом залежно вщ витратного навантаження НПС, що дасть змогу адекватно вiдобразити складнi взаемозв'язки м1ж пiдсистемами НПС рiзноl фЬично! природи.
Мета дослiдження - формалiзувати залежностi ККД СД i ВН НПС залежно вщ витратного навантаження станцп на основi математично! моделi !хнъо! енерго-ефективностi, сформовано'! на засадах системного шд-ходу.
Матерiали та методика дослщження. СД приводу ВН зазвичай вибирають так, щоб його номшальш параметри вiдповiдали оптимальним параметрам насоса (Ко81у8Иуп, БогокМе^ 2009). Отже, неоптимальний режим ВН зумовлюе також зниження ефективностi приводного СД - попршення його ККД i появу додаткових втрат в елементах електромережi. Однак у лiтературi вiдсутнi математичш моделi, яю встановлювали б ана-лiтичний зв'язок ККД СД з витратою робочо'! рiдини.
Результата досл1дження. Режим мапстрального трубопроводу залежить вiд об'ему нафти, який потрiбно транспортувати. Тому ККД СД i ВН НПС потрiбно вмь ти визначати залежно вщ заданого значення витрати нафти. У межах доотджувано! технологiчноi дшянки НПС зазвичай використовують послiдовне сполучення
трьох ВН (система перекачування i3 "насоса в насос"), що визначае !х однакове витратне навантаження.
Структурно-функцiональну схему окремого НА, яка вщображае енергетичт входи-виходи його складни-к1в - ВН та СД, представлено на рис. 1. Тут шдв1д електрично! енергп в електродвигун здшснюеться двока-нально:
• в обмотки статора СД (потужшсть Noc ). Енергетични-ми параметрами е дiючi значення фазно! напруги Uoc та змшного струму /ос;
• в обмотки ротора (потужшсть Nop ). Тут енергетичними параметрами е напруга Uop та поспйний струм збу-дження /op .
Рис. 1. Структура загально! шформацшно-енергетично! моделГ насосного агрегата
Вих1д мехашчно!' енергп з СД Ыс вiдбува€ться через вал НА i одночасно е входом у ВН iз енергетичними параметрами - обертовим моментом М i кутовою частотою обертання п. Для ВН теж характерний двоканаль-ний шдв1д енергп, оскiльки, окрш зазначено! вище ме-хатчно!' енергп, в насос шдводиться через вхдний пат-
Цитування за ДСТУ: Яремак I. I. Розрахунок показниюв енергоефективност режимiв роботи нафтоперекачувально! станцп, обладнано! вiдцентровими насосами 3i синхронним електроприводом / I. I. Яремак, В. С. Костишин, А. В. Костишин // Науковий вкник НЛТУ Укра!ни. - 2017. - Вип. 27(3). - С. 166-170 Citation APA: Yaremak, I. I., Kostyshyn, V. S., & Kostyshyn, A. V. (2017). The Calculation of Energy Efficiency Parameters of Modes of Oil Pumping Station Equipped with Centrifugal Pumps Driven by the Synchronous Electric Motors. Scientific Bulletin of UNFU, 27(3), 166-170. Retrieved from: http://nv.nltu.edu.ua/index.php/journal/article/view/291_
рубок рвдина, гiдравлiчна потужнiсть МГвх яко! характеризуемся параметрами - пiдпiрним напором Нвх та об'емною витратою Qвх. Очевидно, що через напiрний патрубок ВН отримують корисну гiдравлiчну потуж-нiсть МГвих з енергетичними параметрами - вихщним напором Нвих i витратою Qвих. Добуток кожно! пари енергетичних параметрiв, якi носять вщповвдно сило-вий ( и ос, иор , М, Нвх, Нвих) та швидюсний ( /ос , /ор , п, Qвх, Qвих) характер, вщображае потужнiсть енергетич-ного потоку N.
Для спрощення аналiзу прирiвняемо вхiдну пдрав-лiчну енерггю до нуля МГвх = 0 . У цьому випадку перепад напорiв Нд буде доршнювати абсолютному значен-ню напору на виходi насоса Яд = Нвих - Нвх, а витратне навантаження ВН Qд _ вихiдному значенню витрати Qвих. Аналогiчно знехтуемо потужшстю обмотки збу-дження СД Мэр , вiдповiдно збiльшивши на и значения внутрiшнi енергетичнi втрати в СД.
Ефектившсть роботи НА НПС прямо залежить вiд витратного режиму роботи станцп Qд та методiв його регулювання, тому вихiдними показниками для ощню-вання цих критерш е згiдно з (БЬаЬапоу & Бопёагепко, 2012) ККД (лСд , ЛВН), якi е функщями зазначених ви-ще енергетичних параметров.
Дослiджения виконано на прикладi НА, що скла-даеться з пари СД-ВН "СТД-2500-2 i НМ-3600-230", па-раметри яких наведено в табл. 1 та 2.
Табл. 1. Каталоговi номшальж параметри
N ном кВт и ном В пном, об/хв / ном А ^ном % хл , %
2500 0,9 6000 3000 276 97,4 154,5
Табл. 2. Каталоговi номшальш параметри магiстрального насоса НМ-3600-230
ттном НД ' м ном Од > м3/год мсом, кВт пном, об/хв ^ном ном '/мех пв
230 3600 2593 3000 0,87 0,968 131
лiчнi опори, як1 вiдображають внутршш (гiдравлiчнi та об'емнi) та зовшшш (механiчнi) втрати енергп; Янав _ гщроошр нашрного трубопроводу.
Рис. 2. Е^валенгна схема замiщення ВН
Схема замщення дае змогу записати рiвняння Юр-хгофа балансу витрат i тиск1в та розрахувати спожива-ну з боку приводного СД потужшсть на валу ВН Мс за-лежно вiд витрати Qд. Приклад такого розрахунку наведено у (Kostyshyn, 2000). Однак пасивш параметри ВН мають складну нелшшну залежнiсть вiд витрати, а тому в практичних розрахунках зазвичай приймають допущення про лiнiйну залежнiсть споживано!' потуж-ностi насоса Мс вiд витрати Qд. Скалярна модель дала змогу синтезувати робочу формулу (у виглядi рiвняння прямо!) з використанням основного конструкцiйного параметра ВН _ номшального значення розрахункового кута навантаження насоса ^¡ом , введеного за аналопею до кута навантаження синхронно! машини (Kostyshyn, 2000)
1
М*С = МН* +
Яан
--МНХ IQ,
•д ■
(2)
Як вiдомо, системним показником ефективностi НА загалом е його ККД, який визначають за формулою
Лна =ЛСДРЪН , (1)
де т]Сд та т]ВН _ вщповвдно ККД СД та ВН, для визна-
чення яких потрiбно застосувати таю математичш мо-делi, як дадуть змогу встановити пряму залежшсть цих показник1в вiд витратного режиму роботи станцп Qд.
На цей час у моделюванш гiдравлiчних машин зас-тосовують новi тдходи, яю грунтуються на теорi!' к1л Юрхгофа, що е оновою теорi! електричних машин. Зок-рема в (Kostyshyn, 2000), на основi методу електропд-равлiчно! аналогi! розроблено скалярну модель ВН у виглядi еквiвалентно! електрично! схеми замiщения (рис. 2), яка враховуе конструкцшш особливостi пдро-машини. Для цього використано поняття активних i па-сивних лiнiйних параметрiв ВН, уведених на основi за-гальноприйнято! аналогi!' напруга _ тиск i струм _ об'емна витрата.
Тут рфд , рфДХ _ вадповщно тиск на виходi ро-
бочого колеса ВН у режимi вiдкрито! та закрито! засув-ки (неробочого режиму); Явн, ЯМ1К _ вiдповiдно пдрав-
Розрахунок виконуемо у системi вiдносних одиниць (з шдексом " * "), де базовими прийнято номiнальнi параметри ВН:
тт _ г/ном ГЛ _/Оном
Нбаз = Н Д , Qбaз = Од . (3)
У формуй (3) _ вiдносне значення споживано! потужностi ВН у режим неробочого ходу
МНХ = (1 -гн°м^7?°м )-1м, (4)
%Н
де ур°м _ номiнальне значення кута навантаження ВН, яке у першому наближеннi зв'язане з коефiцiентом швидкохвдносп ВН п виразом (Kostyshyn, 2000)
п |
(5)
50 100 150 200 250 Рис. 3. Залежшсть вщносного значення споживано! потужносп ВН у режимi неробочого ходу МНХ вiд коефiцieнга швиIдкохiдностi п„
На рис. 3 наведено залежшсть ввдносного значення споживано! потужностi ВН у режимi неробочого ходу вiд коефiцiента швидкохвдносп. Очевидно, що навiть при закритш засувцi на виходi ВН маемо значне спожи-вання потужностi з валу приводного СД, яке зростае майже пропорцшно збшьшенню п,.
Тодi вiдносне значення повного ККД ВН (у частках вiд номшального) становить
л = я*дО*д
Л*вн = -
л
Мсх-
1
- N нх
(6)
О*д
0.4 0.8 1.0 1.2 1.6 0.*л
Рис. 4. Характеристики ККД ВН у системi вщносних одиниць: 1 _ пв = 10; 2 _ пв = 120; 3 _ пв = 230; 4 _ пв = 240
Л,
вн.в.о. 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
1
0
гун (потужносп на валу електродвигуна), до його номь нально! потужностi. Для електродвигуна СТД-2500-2 к3 можна визначити згiдно з формулою
к3 =
= Мсд
дгном
Мсд
(7)
Аналiтичну залежнiсть л*ВН вiд О*д для рiзних зна-чень коефiцiента швидкохiдностi ВН п, прошюстрова-но на рис. 4, а рис. 5 демонструе добрий зб^ цiе! характеристики, розраховано! для насоса НМ-3600-230, з його заводською характеристикою (Kostyshyn & Киг1уак, 2015).
1.0 ■
де МСд , МСдм _ ввдповщно поточне та номiнальне значення потужносп на валу СД. Очевидно, що вщносне значення споживано! потужносп ВН М*с одночасно е коефщентом завантаження к3 приводного СД (якщо номiнальнi потужностi машин е однаковими). У загаль-ному випадку
к3 = М*С
(мс°м ^
дгном
VМСД ;
(8)
З шшого боку, ККД СД можна визначити через втрати активно! потужностi ДМ, алгоритм розрахунку яких наведено в (Syromjatnikov, 1963)
МСД
Лсд =
МСД + ДМ
(9)
Мсд = Мс
(10)
Однак МСд залежить вiд витратного навантаження Од ВН
= ГОНд
Лвн '
Згiдно iз (Syromjatnikov, 1963), ДМ е функщею ко-ефiцiента навантаження СД в,
ДМ = а0 + аф + а2р2 , (11)
який, на вiдмiну вiд коефiцiента завантаження СД к3, визначають за сшввщношенням потужностей, якi отри-мують з електрично! мережi
" (12)
В = М'СД
дгном М1СД
де: М1Сд , М£дм _ вiдповiдно поточне та номiнальне значення споживано! з електрично! мережi потужностi СД; щ _ коефiцiенти апроксимацi! залежносп втрат активно! потужностi у СД ввд коефiцiента навантаження, якi для СТД-2500-2 становлять: а0=109,7, 0/=1,2, а2=7,5. З ура-хуванням (1), можна показати, що
В= м*слНН0М
Лсд
(13)
0.5 1.0 £?д,в.о.
Рис. 5. Порiвняння залежностей ККД лВН ввд витратного навантаження Qд магiсгрального насоса НМ 3600-230: 1_ розрахованоТ за допомогою моделi; 2 _ отриманоТ експериментально (крива 2) (Kostyshyn & ^г^к, 2015)
Одним iз основних показник1в ефективностi енерго-перетворення в СД е його ККД лСд. На вiдмiну вiд ВН, у лiтературi вiдсутия паспортна характеристика ККД СД. За умови ввдсутносп даних заводу-виробника про значення ККД системи електроприводу згiдно з ДСТУ 3886-99 ДОШ 3886-99, 2000) потрiбно застосовувати усереднену залежнiсть ККД електродвигуна ввд коефь цiента завантаження к3 (рис. 6, крива 2), адаптовану до електродвигуна СТД-2500-2 шляхом домноження на номiнальне значення його ККД.
Коефщент завантаження електродвигуна _ це вщно-шення фактично! потужностi, яку розвивае електродви-
Спiльний розгляд формул (1)-(13) дае змогу визначити ККД СД залежно вiд витратного навантаження
-1-1
Лсд =
1+
а0 + а1|М*СЛНТ) + а2 ( М*сЛщт Лсд ) у Лсд
М*С
(14)
На рис. 6 прошюстровано добрий збiг розраховано! за допомогою (14) (з використанням методу послвдов-них наближень) й отримано! згiдно з (DSTU 3886-99, 2000) сумщених характеристик ККД електродвигуна СТД-2500-2.
Запропонована математична модель енергоефектив-носп НА дала змогу також побудувати сумщеш характеристики ККД насоса та приводного електродвигуна залежно вiд витратного навантаження Од _ основного режимного параметра НА (рис. 7). Очевидно, що енер-гоотимальш режими СД i ВН не збгаються, що вимагае прийняття компромкного рiшения на основi методоло-
rii 6araTOKprnepianbHoi оптишзаци. Також встановлено факт мало! чугливосп ККД приводного СД до змши режиму швидкохiдних (ns > 150 ) ВН.
сд> в.о. 1.0
0.8 0.6 0.4 0.2
2 f JT r
f/ // M
// II
II 1 //
0
0.5 1.0 ¿3,в.о.
Рис. 6. Сумiщенi характеристики ККД т]сд вад коефiцieнта завантаження k3 електродвигуна СТД-2500-2: 1- розраховано'' за допомогою моделi (14), 2 - отримано'1 згiдно з (DSTU 3886-99, 2000)
П. в.о. 1.0
0.8 0.6 0.4 0.2
Висновки:
1. Формалiзовано математичш моделi енергоефективност СД i ВН залежно вщ витратного навантаження та роз-раховано ixm кiлькiснi значения для агрегата "СТД-2500-2 та НМ-3600-230".
2. Екстремальш значення показниюв ефективностi досяга-ються за рiзних значень витрати, що потребуе залучен-ня методiв багатоцiльовоi' оптишзащ! для визначення глобального оптимуму.
3. Для потужних ВН з коефщентами швидкохiдностi ns > 150 змша витрати незначно впливае на ККД при-водних СД, коефiцiент завантаження яких залишаеться високим ( k3 > 0,75) навiть пiд час неробочого режиму насошв.
Перелiк використаних джерел
DSTU 3886-99. (2000). Enerhozberezhennia. Systemy elektropryvo-du. Metod analizu ta vyboru. Kyiv: Derzhstandart Ukrainy, 55 p. [in Ukrainian].
Kostyshyn, V. S. (2000). Modeliuvannia rezhymiv roboty vidtsentro-vykh nasosiv na osnovi elektrohidravlichnoi analohii. Ivano-Fran-kivsk: Fakel, 163 p. [in Ukrainian]. Kostyshyn, V. S., & Kurlyak, P. O. (2015). Simulation of performance characteristics of centrifugal pumps by the electro-hydrodynamic analogy method. Journal of Hydrocarbon Power Engineering, 2(1), 24-31.
Kostyshyn, V. S., & Sorokhtei, I. I. (2009). Analiz enerhoefektyvnosti naftoperekachuvalnoho nasosnoho ahrehatu. Naftohazova enerhety-ka: vseukr. nauk.-tekhn. zhurnal IFNTUNH, 2(11), 76-79. [in Ukrainian].
Shabanov, V. A., & Bondarenko, O. V. (2012). Celevye funkcii i kri-terii optimizacii perekachki nefti po nefteprovodam pri chastotno-reguliruemom jelektroprivode magistralnyh nasosov. JElektronnyj nauchnyj zhurnal "Neftegazovoe delo", 4, 10-17. Retrieved from: URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_12.pdf. [in Russian].
Syromjatnikov, I. A. (1963). Rezhimy raboty asinhronnyh i sinhron-nyh jelektrodvigatelej. Moscow-Leningrad: Gosjenergoizdat, 528 p. [in Russian].
И. И. Яремак, В. С. Костышин, А В. Костышин
РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩЕЙ СТАНЦИИ, ОБОРУДОВАННОЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ
НАСОСАМИ С СИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
По результатам исследований сформирована структурно-функциональная схема насосного агрегата нефтеперекачивающей станции, которая отражает энергетические входы-выходы его составляющих. Выявлено, что подвод энергии в электродвигатель и насос осуществляется двухканально и установлены энергетические входные и выходные параметры синхронного двигателя и центробежного насоса. Установлено, что эффективность работы насосного агрегата нефтеперекачивающей станции напрямую зависит от режима станции и методов его регулирования, поэтому исходными показателями при оценке данных критериев являются коэффициенты полезного действия синхронного двигателя и центробежного насоса, которые есть функциями вышеупомянутых энергетических параметров. Скалярная модель центробежного насоса представлена в виде эквивалентной электрической схемы замещения. Рассчитаны режимные показатели энергоэффективности синхронного двигателя и центробежного насоса в зависимости от нагрузки нефтеперекачивающей станции. При проведении расчетов определено, что для мощных насосных агрегатов изменение расхода незначительно влияет на коэффициент полезного действия приводных синхронных двигателей. Установлено, что экстремальные значения коэффициентов полезного действия синхронного двигателя и центробежного насоса достигаются при разных значениях нагрузки станции, что требует привлечения методов многокритериальной оптимизации для выбора режима насосного агрегата.
Ключевые слова: насосный агрегат; энергетические параметры; коэффициент полезного действия; подача.
1.1. Yaremak, V. S. Kostyshyn, A V. Kostyshyn
THE CALCULATION OF ENERGY EFFICIENCY PARAMETERS OF MODES OF OIL PUMPING STATION EQUIPPED WITH CENTRIFUGAL PUMPS DRIVEN BY THE SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTORS
Currently, oil pumping units of pumping stations often operate in underloaded mode, which resulted in reducing of their efficiency. Estimation of efficiency parameters of centrifugal pumps with synchronous electric drive depending on flow rate duty of pumping station
— ~~ \2 ■ —
\J_ 1 1
1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
✓^max ' ' jomax ^cд 1 i '/BH -ч| ,-
0
0.5
1.0
Рис. 7. Сумщеш характеристики енергоефективносп НА: 1 ККД електродвигуна СТД-2500-2; 2- ККД насоса НМ 3600230 вщ витратного навантаження Од агрегата
allows representing correctly the complex interconnection between the subsystems of oil pumping station of different physical nature. The study tested pumping unit which consists of synchronous motor and centrifugal pump "СТД-2500-2" and "HM-3600-230". In the course of the research, the structural and functional scheme of pumping unit, which represents the energy inputs and outputs of its components, centrifugal pump and synchronous motor, was formed. As both electric motor and the pump are energy supplied by dual channels, input and output energy parameters were estimated as well. The authors have found that the efficiency of the pumping unit directly relies on the flow rate mode of station and on methods of its regulation. Moreover, parameters which assess these criteria are coefficients of efficiency of the synchronous motor and a centrifugal pump, which are functions of the aforementioned energy parameters. The scalar model of centrifugal pump is represented as an equivalent electric circuit. For this purpose we use the concept of active and passive linear parameters of centrifugal pump, which are imposed on the basis of conventional similarity "voltage - pressure" and "current - flow rate". The scalar model allows synthesizing working equation for estimation of the analytical dependence of coefficient of efficiency of centrifugal pump on flow rate. The impact of flow rate duty of oil pumping station on performance parameters of a synchronous motor and centrifugal pump was estimated as well. To conclude, changes of flow rate do not significantly affect the efficiency of the synchronous motors of powerful pumping units. The authors have found that the extreme values of coefficient of efficiency of a synchronous motor and centrifugal pump are achieved at different flow rate duties, which require the use of multi-objective optimization studies to select operating mode of the pumping unit.
Keywords: pump unit; energy parameters; coefficient of efficiency; flow rate.
1нформащя про aBTopiB:
Яремак 1рина IropiBHa, асистент, 1вано-Франювський нацюнальний техшчний ушверситет нафти i газу, м. 1вано-Франкшськ, Украина. Email: yaremak_iryna@ukr.net Костишин Володимир Степанович, д-р техн. наук, професор, 1вано-Франювський нацюнальний техшчний ушверситет нафти i
газу, м. 1вано-Франювськ, Укра'на. Email: dean520@i.ua Костишин Андрш Володимирович, студент, 1вано-Франювський нацюнальний техшчний ушверситет нафти i газу, м. 1вано-Франювськ, Укра'на. Email: kostyshynandrew@gmail.com
