CC BY
6
УДК 621.67
Фахретдинов А.Ф. студент магистратуры Уфимский государственный нефтяной технический университет
Россия г. Уфа СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ
Аннотация: Развитие современной техники создаёт новые возможности в эффективности работы машин, применяемых во многих областях промышленности. Требования к расходу электроэнергии потребителями - электрическими машинами имеют наивысший приоритет в плане экономии финансовых средств компаний и корпораций, деятельностью которых является сфера добычи, подготовки и транспортировки углеводородного сырья и их производных продуктов. Современная научно - техническая база создала возможность широкого производства и внедрения силовых промышленных электронных устройств управления электрическими двигателями высокой мощности - частотно-регулирующими привод(ЧРП).
Ключевые слова: энергоэффективность, насос, характеристики насоса, способы регулирования.
Fakhretdinov A.F. undergraduate Ufa state oil technical University Russia, Ufa city
A COMPARISON OF THE EFFECTIVENESS OF THE CONTROL METHODS OF PUMPING UNITS
Abstract: the Development of modern technology creates new opportunities in the efficiency of machines used in many industries. Requirements for electricity consumption by consumers-electric machines have the highest priority in terms of saving financial resources of companies and corporations, whose activities are the production, preparation and transportation of hydrocarbons and their derivatives. The modern scientific and technical base has created the possibility of wide production and introduction of power industrial electronic control devices of electric motors of high power - frequency control drive (CRP).
Keywords: energy efficiency, pump, pump characteristics, methods of regulation.
Сокращение затрат на электроэнергию - это один из методов повышения эффективности производства. Расходы на модернизацию производства компенсируются дальнейшей экономией энергии.
С развитием технического прогресса появляются новые устройства, в области электропривода таковыми явились преобразователи частоты, позволяющие изменятьскорость вращения электродвигателя. Частотные
преобразователи в настоящеевремя всё больше внедряются во все области производства, где используютсяэлектрические двигатели переменного тока.
На данный момент возможности ЧРП охватывают широкий диапазон допустимых мощностей для управления машинами и агрегатами, используемых в нефтегазовой индустрии и сокращения энергозатрат на их работу.
Целью работы является сравнение эффективности способов регулирования насосных агрегатов.
Условия повышения энергоэффективности
Работа насоса характеризуется его производительностью (подачей), развиваемым напором, частотой вращения и общим КПД. Графическое изображение зависимостей манометрического напора (Н), КПД (п) и мощности (N3 от производительности насоса при постоянной частоте вращения называется рабочей (расходно-напорной ^-Н) характеристикой, РНХ) и в общем виде представлена на рисунке 1.
Номинальны« расход насоса 10!
N - мощность насоса I] - КПД насоса
А - огттимальная рабочая точкд насоса
Рисунок 1 - Расходно-напорная характеристика центробежного насоса
Точка А на представленной характеристике соответствует наибольшему значению КПД и считается оптимальной рабочей точкой насосного агрегата. Увеличение или уменьшение производительности насоса по сравнению с номинальным значением сопровождается снижением его КПД. Точкой А определяются все параметры, характеризующие рабочий режим насоса: производительность, напор (включая высоту всасывания), мощность на валу насоса и КПД [2].
Необходимо отметить, что работа насосной установки зависит не только от характеристики самого насоса, но и от характеристики той сети (трубопровода), на которую работает насос. В той же системе координат расходно-напорной характеристики можно провести кривую через точки, соответствующие «полезному напору» насоса в данной сети, то есть напору,
обеспечивающему заданный расход (перекачку) среды без дросселирования при каждом значении расхода насоса. Данная кривая будет пересекаться с РНХ в оптимальной рабочей точке насоса (рисунок 2). Отклонение от кривой полезного напора будет характеризовать величину гидравлических потерь и, соответственно, снижение КПД насоса в сети вследствие дросселирования потока задвижками.
Таким образом, один и тот же насос при одинаковой частоте вращения, но при различных характеристиках сети будет перекачивать различные объемы жидкости.
На основании проведенных в 2015 году специалистами нефтегазовой отрасли экспериментальных работ в части измерения КПД насосных агрегатов на блочной кустовой насосной станции (БКНС) сформулированы рекомендации по обеспечению энергоэффективной эксплуатации насосного оборудования и тиражированию полученного опыта. [2]
Номинальный расход насоса (01
Рисунок 2 - Рабочие характеристики сети и насоса
Так, при проектировании новой насосной установки и новой сети их рабочие характеристики должны выбираться из условия пересечения характеристики насоса с характеристикой сети в оптимальной точке (максимальный КПД). Теме не менее на практике из-за исторически сложившихся подходов, продиктованных условиями роста как добычи углеводородного сырья, так и его стоимости, повышению энергоэффективности производственных процессов и снижению удельных затрат на добываемую продукцию не уделялось должного внимания. Насосное оборудование подбиралось по максимально возможному напору в сети, а снижение напора и уменьшение подачи достигались при помощи простого дросселирования в напорной задвижке, что необоснованно приводило к существенным потерям потребляемой электроэнергии (точка В на рисунке 2).
В случае необходимости увеличения производительности насосной станции, этот вопрос зачастую решался путем простой замены существующих насосов насосами с большей производительностью и более высоким напором при сохранении существующей сети.
В данном случае необходимо учитывать, что увеличение расхода в сети,
например, вдвое, приводит к увеличению сопротивления сети в четыре раза (квадратичная зависимость от расхода) и к увеличению расхода электроэнергии на перекачку жидкости в восемь раз (кубическая зависимость от расхода).
В этой связи всегда следует предварительно расчетным путем проверить возможность использования существующей сети для увеличенного расхода жидкости.
С целью практического подтверждения выше обозначенной проблематики и предупреждения неэффективного использования оборудования на этапе проектирования новых насосной установки и сети, а в случае возможности - оптимизации действующих объектов, специалистами АО «Татнефть» был проведен следующий кратковременный эксперимент.
Один из насосных агрегатов ЦНСА 180х1050 запустили в работу на частично прикрытую задвижку Ду-200, Ру-160 с обеспечением расхода 250 м3/ч и давлением нагнетания 9,2 МПа. Фактическая замеренная потеря давления на запорной арматуре достигала 3 МПа, что соответствует потере мощности электродвигателя до 153 кВт.
При среднем тарифе 3 руб./кВт-ч неэффективный расход электроэнергии на за один календарный год в денежном эквиваленте при таком режиме эксплуатации оборудования составил бы порядка 4 млн руб.
Регулирование режима эксплуатации насосов
При эксплуатации насосных установок не всегда возможно строго соблюдать оптимальный режим работы, так как производственная необходимость заставляет изменять расходы жидкости, а это вызывает отклонения от оптимального режима.
Регулирование производительности насосов может осуществляться тремя способами:
количественным, качественным и с использованием байпасирования.
При количественном регулировании развиваемый насосом напор уменьшается до необходимого за счет дросселирования жидкости в регулирующем органе (чаще всего в напорной задвижке). Чем меньше степень открытия задвижки, тем больше дросселируется развиваемый насосом напор, вследствие чего существенно снижается КПД насосной установки.
Качественный метод регулирования достигается при помощи изменения частоты вращения вала насоса. В этом случае потери энергии на дросселирование отсутствуют, и поэтому при всех режимах можно обеспечить высокий КПД установки за исключением случаев изначальной работы насосного агрегата в правой зоне РНХ.
При регулировании подачи насоса байпасированием необходимый расход жидкости в системе обеспечивается за счет отвода части перекачиваемой насосом жидкости из напорного трубопровода во всасывающий по перепускному трубопроводу. Этот способ позволяет эксплуатировать насос в режиме номинальной подачи, поэтому устраняются недостатки, присущие регулированию дросселированием, кроме снижения
экономичности. В отношении потерь энергии байпасирование еще менее выгодно, чем дросселирование, так как у большинства центробежных насосов потребляемая мощность увеличивается с ростом подачи.
В свою очередь, сложность применения качественного метода заключается в том, что наиболее простые, широко применяемые асинхронные электродвигатели не позволяют изменять частоту вращения вала для регулирования рабочих характеристик насосных агрегатов и требуют применения дополнительных дорогостоящих электроустройств, усложняющих насосную установку в целом. Однако достигаемая экономия электроэнергии быстро окупает затраты на приобретение дополнительных устройств для изменения частоты вращения и поэтому данный метод регулирования находит все более широкое применение.
К основным направлениям качественного метода регулирования рабочих характеристик насосных агрегатов относятся следующие:
-применение специальных электродвигателей (постоянного тока; асинхронных с реостатом в цепи ротора и многоскоростных); -применение гидромуфт и бесступенчатых передач; -применение преобразователей частоты.
Использованные источники:
1. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982. С. 188-190.
2. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. М.: Машиностроение, 1965. С. 20-21.
3. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Конструкция и расчет центробежных насосов высокого давления. М.: Машиностроение, 1971. С. 4-13
4. Пупченко И.Н., Судаков А.А., Князев А.А., Утляков С.Г. Практика измерения коэффициента полезного действия насосов системы поддержания пластового давления на объектах ОАО «Самаранефтегаз» // Инженерная практика. 2014. №10. С. 66-68.
5. Рахмилевич З.З. Насосы в химической промышленности. М.: Химия, 1990. C. 88-94.
6.www.ngv.ru журнал «Нефтегазовая вертикаль» .
