CC BY
11
ВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 614.846:621.671:519.65
СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ПОГРУЖНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ НА СЕТЬ В СИСТЕМАХ ПОЖАРОТУШЕНИЯ
Н.Л. Великанов1, В.А. Наумов2, С.И. Корягин3, А. В. Тришина4
13Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им.
Канта), 236041, Россия, г. Калининград, ул. А. Невского, 14; 2,4Калининградский государственный технический университет (КГТУ),
236000, Россия, Калининград, Советский пр., 1.
Рассмотрены особенности применения центробежного погружного насоса в системах пожаротушения. По результатам испытаний для погружного насоса получены зависимости напора от подачи. В качестве примера рассмотрена работа стационарных лафетных стволов при подключении трех поршневых центробежных насосов. Для расчета характеристик погружных насосов построена система уравнений, содержащая пять неизвестных расходов. Решение системы уравнений найдено численным методом. Показаны пути формирования системы уравнений при подключении двух и четырех насосов. Проведенные расчеты показывают, что с увеличением количества работающих насосов расход воды (и скорость истечения) растет не слишком заметно. Однако, общая затраченная мощность существенно возрастает. Это приводит к резкому падению КПД.
Ключевые слова: погружной центробежный насос, система уравнений, совместная работа на сеть, системы пожаротушения.
JOINT OPERATION OF SUBMERSIBLE CENTRIFUGAL PUMPS ON THE NETWORK IN FIRE EXTINGUISHING SYSTEMS
N. L. Velikanov, V. A. Naumov, S. I. Koryagin, A. V. Trishina
Immanuel Kant Baltic Federal University (IKBFU), 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14;
Kaliningrad State Technical University (KSTU), 236000, Russia, Kaliningrad, Sovetsky Ave., 1
The features of the application of a centrifugal submersible pump in fire extinguishing systems are considered. According to the test results for the submersible pump, the pressure dependences on the supply are obtained. As an example, the operation of stationary carriage trunks when connecting three piston centrifugal pumps is considered. To calculate the characteristics of submersible pumps, a system of equations containing five unknown costs is constructed. The solution of the system of equations is found by the numerical method. The ways of forming a system of equations when connecting two and four pumps are shown. The calculations carried out show that with an increase in the number of working pumps, the water consumption (and the flow rate) does not increase too noticeably. However, the total power consumed increases significantly. This leads to a sharp drop in efficiency.
Keywords: submersible centrifugal pump, system of equations, joint work on the network, fire extinguishing
systems.
По использованию погружных насосов накоплен достаточно большой опыт в промышленности. Такие насосы применяются в различных отраслях, в частности, в нефтяной. Добыча
нефти, как правило, осуществляется механизированным способом, который является достаточно энергоемким [1].
1Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиноведения и технических систем, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 59-55-85; e-mail: monolit8@yandex.ru, NVelika-nov@kantiana. ru;
2Наумов Владимир Аркадьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водных ресурсов и водопользования, КГТУ, тел. 8 (4012) 99-53-37; e-mail: vladimir.naumov@klgtu.ru;
3Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, директор инженерно - технического института, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 59-55-85; e-mail: SKoryagin@kantiana.ru;
4Тришина Анжелика Владимировна - аспирант кафедры водных ресурсов и водопользования, КГТУ, тел. 8 (4012) 99-53-37; e-mail: anz7898@yandex.ru.
В структуре затрат на добычу нефти стоимость электроэнергии составляет от 30 до 35 %. Учитывая то, что добыча нефти на погружных установках невозможна без потери мощности, которая составляет от 20 до 40 % потребляемой мощности, технология повышения энергоэффективности добычи нефти имеет высокий потенциал внедрения. Одним из перспективных направлений снижения потребления электроэнергии погружными установками является технология погружной компенсации. С одной стороны, внедрение погружного компенсатора приводит к увеличению затрат на покупку, техническое обслуживание, мобилизацию или аренду погружной установки. С другой стороны, использование погружного компенсатора реактивной мощности приводит к снижению стоимости электроэнергии и повышению эффективности производства. Использование погружных компенсаторов позволяет снизить потери активной мощности в системе передачи электроэнергии погружной установки за счет уменьшения реактивной составляющей тока погружного двигателя. Однако при различных технических характеристиках оборудования погружной установки эффект погружного компенсатора будет иным. В связи с этим следует избегать того, чтобы стоимость внедрения погружных компенсаторов была выше, чем положительный эффект от внедрения. Необходимо определить совокупную стоимость владения электроцентробежной насосной установкой с погружным компенсатором реактивной мощности. Было установлено, что использование погружных компенсаторов приводит к снижению энергопотребления при эксплуатации погружной установки [1].
В работе [2] исследуется зависимость срока службы систем электроизоляции центробежных погружных нефтяных насосов от глубины спуска, содержания воды в нефтяных скважинах, газового фактора, концентрации механических примесей в скважинной жидкости, максимальной кривизны скважины, содержания газа на входе в насос и других факторов. Предложены и проанализированы соответствующие физические и математические модели отказов. Показано, среди прочего, что отказы системы электроизоляции электроцентробежных исследованных погружных масляных насосов в основном вызваны разгерметизацией электродвигателя погружного масляного насоса в установившихся условиях эксплуатации.
Раннее выявление нежелательных условий работы центробежного насоса является очень важным для предотвращения последующих повреждений. Это позволяет сократить время простоя и затраты на ремонт [3].
Неисправности в центробежных насосах могут быть вызваны изменением условий притока, таких как кавитация, что приводит к деградации рабочего колеса и, в конечном счете, к износу и разрушению материала насоса. На примере выполненной диагностики погружного центробежного насоса показано [3], что можно установить взаимосвязи между явлениями кавитации и мощностью двигателя.
Основной целью исследования [4] является разработка конструкции теплообменного устройства, позволяющего интенсифицировать процессы теплообмена в погружном электродвигателе для увеличения его межремонтного периода.
Актуальность разработки устройства обусловлена необходимостью решения проблем, связанных с охлаждением высокоскоростных клапанных и асинхронных погружных двигателей. Разработка эффективных систем охлаждения для таких двигателей при использовании высокоскоростных двигателей в малоточных скважинах особенно актуальна, поскольку мощность источников тепла резко возрастает по квадратичному закону в зависимости от числа оборотов.
Предложена усовершенствованная конструкция теплообменного модуля, позволяющая обеспечить максимальную степень интенсификации процессов теплообмена при малых внутренних размерах скважины и относительно низких температурных градиентах между нагретым маслом погружного электродвигателя и промывающей его пластовой жидкостью.
Поддержание оптимальной работы электропривода, например, максимального объема добычи нефти при наименьшем потреблении электроэнергии, зависит не только от правильной конфигурации агрегатов и учета внешних воздействий, но и от самонастройки адаптивной системы управления, в том числе от решения задач определения в режиме онлайн параметров погружных асинхронных двигателей [5].
В исследовании [6] представлена газожидкостная модель для прогнозирования производительности и напора погружных электрических насосов. Двухфазная модель включает в себя потери на трение стенок для каждой фазы с использованием существующих корреляций, потери при ударе, корреляции для коэффициента сопротивления, сопоставления результатов модели с экспериментальными данными и алгоритм решения уравнений модели.
В отдельных работах [7,8] исследуются пути совершенствования работы насосов в различных направлениях их использования. В системах пожаротушения крупных портов
используются стационарные лафетные стволы со сменными насадками, размещаемые на специальных вышках для обеспечения большей зоны покрытия (рис. 1).
Рисунок 1 - Стационарный лафетный ствол на вышке [9]: ПЦН - погружной центробежный насос,
В - вентиль, ПГ - пожарный гидрант с указанием диаметра, СЛС - стационарный лафетный ствол для подачи компактной водяной струи; Н] - глубина погружения, И] - высота установки СЛС, Ы, - длины участков нагнетательного трубопровода).
Рассматриваемая в работе гидравлическая схема системы пожаротушения морского порта
c несколькими насосами и вышками для лафетных стволов представлена на рис. 2 .
Приближенная методика для расчета параметров [10, 11] и усовершенствованные [12-14] используют паспортные значения напора и подачи насосов.
Последнее время в системах пожаротушение причальных сооружений морского порта для забора воды применяют погружные многоступенчатые насосы различных производителей, например, [15-18].
Данные по польдерным насосам для морской воды были получены по результатам испытаний компании Indar [17]. На рис. 3 представлены зависимости напора от подачи при разном количестве ступеней насоса UGP-M-1225 при частоте вращения рабочего колеса n = 2940 об/мин. Рабочий диапазон от 66 до 158 дм3/с.
Рабочие характеристики на рис. 3, как в [19], аппроксимировались многочленами третьего порядка (1). График функции fi(Q) имеет точку перегиба. Что обусловлено заметным возрастанием напора при малых подачах у погружных центробежных насосов, особенно при больших K:
Hpi = Ш) = aoi + au-Q +
+U2íQ2 + a3fQ3, (1)
где ají - эмпирические коэффициенты, найденные методом наименьших квадратов, их значения представлены в табл. 1
Рисунок 2 - Гидравлическая схема элемента системы пожаротушение причальных сооружений морского порта
Таблица 1 - Значения коэффициентов в формуле (1) для насосов иОР-М-1225
К а0, м а1, м/(дм3/с) а2Т02, м/(дм3/с)2 а3Т04, м/(дм3/с)3
4 187,0 -0,847 0,692 -0,387
6 281,2 -1,282 1,070 -0,597
8 376,5 -1,182 1,568 -0,849
10 496,3 -2,192 1,851 -1,015
12 562,7 -2,587 2,155 -1,196
Ни, м
500
400
300
200
100
л ^
1
о
50
100
150
в, Ды/С
Рисунок 3 - Напорные характеристики иОР-М-1225 при различном количестве ступеней К:
1 - K = 4; 2 - K = 6; 3 - K = 8; 4 - K = 10; 5 - K = 12. Точки - данные заводских испытаний [17], линии - результаты расчета по (1)
В данной статье расчет выполнен при одинаковых приведенных длинах участков Ы = 150 м (с учетом местных гидравлических потерь); И] = 8 м; Н] = 12 м для новых стальных труб с внутренним диаметром О = 150 мм, А =
0.1 мм. Плотность и кинематическая вязкость воды были приняты, как в Онежском заливе Белого моря зимой: р = 1021 кг/м3; V = 1,78^10-6 м2/с [20].
Вначале был выполнен гидравлический расчет при простейшей схеме подключения: СЛС-1 и ПЦН-1. Открыты вентили на участках
1, 8 и 12, остальные закрыты. Тогда напорная характеристика сети может быть найдена по формуле:
ИТ = НС + ¿021, ИС = И1 + Н1; (2)
1 ^ + кс + Л
А =
; (3)
ю0 = пО2/4, где ИС - статический напор сети;
g - ускорение свободного падения; О - внутренний диаметр трубопровода; й - выходной диаметр насадки (стационарный лафетный ствол);
Юо - площадь поперечного сечения трубопровода; ^с - коэффициент гидравлических потерь насадки (стационарный лафетный ствол).
Коэффициент гидравлических потерь по длине трубопровода рассчитывался по известной формуле Альтшуля:
X = 011
А .68
В Яе
0,05
Яе =
Ж ■ В
V
(4)
где А - абсолютная эквивалентная шероховатость трубопровода;
Яе - число Рейнольдса; V - кинематическая вязкость воды;
Ж = 0/ю0 - скорость воды в трубопроводе.
Как правило, в расчетах противопожарного трубопровода область гидравлического сопротивления считают квадратичной. Однако, проверка показала, что при подключении нескольких стационарных лафетных стволов к одному погружному центробежному насосу скорость падает настолько, что число Рейнольдса ReА = W•А/v становится менее 150. Значит, область гидравлического сопротивления является переходной, X необходимо рассчитывать по (4) или другой, подобной формуле.
Для определения рабочих точек на рис. 4 нанесены напорные характеристики ИОР-М-1225 (К = 4, 6; 8; 10) и характеристики трубопровода при трех значениях выходного диаметра насадки. Видно, что за рабочий диапазон подач выходит только одна точка (пересечение линий 1 и 5), все остальные в диапазоне 66-158 дм3/с.
Гидравлическая схема системы пожаротушения (см. рис. 2) включает многочисленные дублирующие участки, что необходимо для организации поступления воды при повреждении линии во время пожаротушения. Возможно подключение нескольких погружных центробежных насосов к одному стационарному лафетному стволу и нескольких таких стволов к одному насосу. При этом будет изменяться напорная характеристика сети. В каждом случае для ее определения необходимо сформулировать систему уравнений.
500
400
300
200
100
Я,
5i
6/
1
Qo + Q = qi, Qi + Qi = Qz-
L Qi
f (Qi)-Hi - hi = X 2
D 2 ga0
+...
... + X L + LiO
Q
D 2 graO
■(Cc + 1)
a
(5)
(6)
2 gra
f (Qi)-f (Q2 ) = X
...-x
L _ql
2 D 2graO
-X
Li _QL
D 2 g raO
Ll _QL
D 2graO
(7)
f (Qo )-f (Q3 ) = X
2 D 2 g raO
0 25 50 75 100 125 150 175 Q, дм/с
Рисунок 4 - Определение рабочей точки насосной установки при включении ПЦН-1 и СЛС-1 для разных значений диаметра насадки (стационарный лафетный ствол): 1 - напорная характеристика UGP-M-1225 при K = 4; 2 - K = 6; 3 - K = 8; 4 - K = 10; 5 - характеристика трубопровода при d = 40 мм; 6 - d = 50 мм; d = 60 мм
В качестве примера рассмотрим работу СЛС-1 (рис. 2) при подключении трех насосов ПЦН-1, 2 и 3. Открыты вентили на участках 1, 2, 3, 5, 6, 8, 12. Остальные вентили закрыты. Заметим, что на участках 3 и 6, а также 8 и 12 расходы будут одинаковыми. Тогда система уравнений будет содержать пять неизвестных расходов:
...-X
L3 + L6
Q32
(8)
D O graO
Решение системы уравнений (5 - 8) было найдено численным методом. Аналогичным образом формулировалась система уравнений при подключении к СЛС-1 двух и четырех погружных центробежных насосов, результаты гидравлического расчета помещены в табл. 2. Видно, что с увеличением количества работающих насосов расход воды (и скорость истечения) растет не слишком заметно. Тогда как общая затраченная мощность существенно возрастает. Что приводит к резкому падению КПД.
В табл. 3 помещены результаты гидравлического расчета сети при подключении к одному насосу ПЦН-1 от одного до трех лафетных стволов СЛС. При разветвлении трубопровода скорость течения на таких участках падает, что уменьшает гидравлическое сопротивление. Поэтому суммарный расход несколько увеличивается. При этом КПД изменяется незначительно.
Таблица 2 - Параметры работы системы пожаротушения при подключении нескольких погружных центробежных насосов и одном лафетном стволе СЛС-1
Подключенные насосы Расход СЛС-1, дм3/с Скорость истечения, м/с Напор, м Мощность, кВт КПД, %
ПЦН-1 103,0 36,43 197,5 231 88,1
ПЦН-1 и 2 119,2 42,17 227,1 460 58,8
ПЦН-1, 2 и 3 122,8 43,43 234,6 689 41,8
ПЦН-1, 2, 3 и 4 124,0 43,87 237,5 917 32,1
Таблица 3 - Параметры работы СПМС при подключении нескольких лафетных стволов СЛС и одном насосе ПЦН-1
Подключенные СЛС Расход СЛС, дм3/с Скорость истечения, м/с Напор, м Мощность, кВт КПД, %
1 2 3 1 2 3
СЛС-1 103,0 - - 36,43 - - 197,5 231 88,1
СЛС-1 и 2 68,0 59,8 - 22,04 21,15 - 167,6 244 87,8
СЛС-1, 2 и 3 57,0 40,4 35,2 20,16 14,28 12,43 160,3 246 86,4
Литература
1. Kopyrin V.A., Khamitov R.N., Glazyrin A.S., Kladiev S.N., Rakov I.V., Portnyagin A.L., Markova A.A. Evaluation of total cost of possessing the electric centrifugal pump with submersible compensator. - Bulletin of the tomsk polytechnic university-geo assets engineering. 2021. V.332(2). Pp. 166-175. DOI 10.18799/24131830/2021/02/3053.
2. Mesenzhnik Y.Z., Tareyev B.M., Prut L.Y. Mathematical-models of insulation failures in submersible installations of electrically driven centrifugal oil pumps. -Electrical technology. 1995. I.1. Pp. 43-48.
3. Hernandez-Solis A., Carlsson F. Diagnosis f submersible centrifugal pumps: a motor current and power signature approaches. - Epe journal. 2010. V. 20(1). Pp. 58-64.
DOI 10.1080/09398368.2010.11463749.
4. Vakhitova R.I., Urazakov K.R. Dumler E.B. Heat exchange device for submersible electric motors of electric centrifugal pump units. - Bulletin of the tomsk polytechnic university-geo assets engineering. 2021. V.332(4). Pp. 17-23. DOI 10.18799/24131830/2021/04/3144.
5. Bolovin E.V., Glazyrin A.S. Method for identifying parameters of submersible induction motors of electrical submersible pump units for oil production. - Bulletin of the tomsk polytechnic university-geo assets engineering. 2017. V.328(1). Pp. 123-131.
6. Sun D.T., Prado M. Modeling gas-liquid head performance of electrical submersible pumps. - Journal of pressure vessel technology-transactions of the asme. 2005.V.127(1). Pp. 31-38. DOI 10.1115/1.1845473.
7. Dermek M., Monosi M. Use of high-capacity pump for fire-fighting. Fire protection, safety and security. International Scientific Conference on Fire Protection, Safety and Security. 2017. Zvolen, Slovakia. P. 269-274.
8. Bateman V.F., Montoro D.P. The evolution of marine fire-fighting contingency planning and exercising at the Marine Safety Office San Francisco Bay. International oil spill conference: improving environmental protection. FT Lauderdale, FL. API. 1997. P. 627-630.
9. Регион. Система пожаротушения порта [Электронный ресурс]. URL: https://dc-region.ru/sistema-pozharotusheniya-porta (дата обращения: 16.10.2021).
10. Абросимов Ю.Г., Жучков В.В., Мышак Ю.А. и др. Противопожарное водоснабжение: учебник. Москва: Академия ГПС МЧС России, 2008. 310 с.
11. Малый В.П., Масаев В.Н., Вдовин О.В. и др. Противопожарное водоснабжение: учебное пособие. Же-лезногорск: ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спаса-тельная академия ГПС МЧС России, 2017. 131 с.
12. Качанов И.В., Карпенчук И.В., Красовский А.И. Сопротивление пожарных стволов // Вестник БНТУ. 2010. № 2. С. 58-63.
13. Пефтибай Г.И., Галухин Н.И., Чайковская Э.Г. Математическое описание переходных процессов в системе «насос - пожарный рукав - ствол» // Научный вестник НИИГД «Респиратор». 2016. № 4(53). С. 84-92.
14. Малютин О.С., Васильев С.А. Проблема гидравлического расчета насосно-рукавных систем в пожарной тактике // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2018. № 4 (11). С. 67-72.
15. Многоступенчатые погружные насосы. АО ГМС Ливгидромаш [Электронный ресурс]. URL: https://www.hms-livgidromash.ru (дата обращения: 16.10.2021).
16. Wilo-Польдерные насосы EMU [Электронный ресурс]. URL: https://wilo.com/ (дата обращения: 16.10.2021).
17. Завод Indar. Погружные польдерные насосы серии UGP-М [Электронный ресурс]. URL: https://indar.ru/products/production/indar-sp-ugp-m.html (дата обращения: 16.10.2021).
18. ZheJiang Kaili Pumps Co. Ltd. Многоступенчатые погружные насосы QY [Электронный ресурс]. URL: http://kailipumps.com/en_products.asp (дата обращения: 16.10.2021).
19. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Исследование зависимости подачи от напора погружных насосов // Технико-технологические проблемы сервиса. 2019. № 3 (49). С. 9-12.
20. Шилова Н.А., Студёнов И.И. Особенности расчета гидравлической крупности частиц при моделировании начальной концентрации взвешенных веществ в приустьевых районах арктических морей // Arctic Environmental Research. 2017. Т. 17, № 4. С. 295-307.
