МАГИСТРАЛЬНЫЕ НЕФТЕПРОВОДЫ

Изменение насосных характеристик

При выборе насоса для перекачки нефти может возникнуть необходимость изменить гидравлические характеристики насоса. Такие изменения обычно производятся путем замены рабочего колеса насоса на рабочее колесо другого диаметра (большего или меньшего), изменения скорости вращения рабочего колеса насоса или отвода части нефти из нагнетательной линии во всасывающую линию.

Замена рабочего колеса

Замена рабочего колеса приведет к изменению характеристик (Q - H) насоса. Предположим, что исходное рабочее колесо имеет диаметр D₀ и его характеристики имеют следующий вид: H = F(Q), то замена рабочего колеса на рабочее колесо большего диаметра приведет к следующему:

Это означает, что диаграмма характеристик насоса будет расширяться в (D₁/D₀)² раза в направлении оси напора и (D₁/D₀) раз в направлении оси расхода. В частности, если F = a - bQ², то рабочие характеристики после замены рабочего колеса будут следующими:

Изменение числа оборотов ротора нагнетателя

Если скорость вращения рабочего колеса центробежного нагнетателя изменяется, то изменяются и характеристика насоса (Q - H). Если номинальная скорость равна n₀ об/мин, а измененная скорость равна n₁ об/мин, то новые рабочие характеристики насоса будут следующими:

Другими словами, график, показывающий характеристики насоса, удлинится в (n₁/n₀)² раза в направлении оси напора и в (n₁/n₀) раз в направлении оси расхода. В частности, если F = a - bQ₂, то рабочие характеристики центробежного насоса после изменения частоты вращения выглядят следующим образом:

Дополнительные пояснения

При изменении диаметра или скорости рабочего колеса и при отклонении характеристик перекачиваемой жидкости от характеристик воды, обычно указываемых кривой производительности, правила изменения производительности центробежного нагнетателя следуют общим понятиям определения размеров, подобия и моделирования.

В общем случае перепад давления Δp, создаваемый нагнетателем данной конструкции, зависит от скорости v, диаметра D и числа оборотов n(n = ω/2π) последнего, от плотности ρ и вязкости ν перекачиваемой жидкости, т.е. Δp = f(v,D,n,ρ,ν). Согласно теории размерностей, в частности π-теореме Букингема, эта зависимость может быть выражена в безразмерных терминах:

Переходя к дифференциальному напору H = Δp/ρg, получаем:

ПО аналогии для изменения характеристики N(Q) мощности нагнетателя при изменении частоты вращения n его рабочего колеса или его диаметра D можно получить зависимость:

Характеристика n(Q) КПД нагнетателя может быть представлена (правда, только приблизительно) соотношением:

Зависимость характеристик нагнетателя от плотности перекачиваемой жидкости

Дифференциальный гидравлический напор нагнетателя не зависит от плотности перекачиваемой жидкости, так как плотность ρ перекачиваемой жидкости не входит в функциональную зависимость. В то же время мощность нагнетателя (при прочих равных параметрах) пропорциональна плотности перекачиваемой жидкости:

Зависимость характеристик нагнетателя от вязкости перекачиваемой жидкости

Эффективность нагнетателя зависит от вязкости перекачиваемой жидкости. Второй параметр nD²/ν функциональной зависимости можно назвать числом Рейнольдса Re = (nD)D/ν = nD²/ν, где nD - характерная скорость жидкости, выходящей из рабочего колеса. Этот параметр учитывает влияние вязкости перекачиваемой жидкости на величину потерь энергии в самом нагнетателе, т.е. сопротивление f_τ(Q) в параметрической зависимости. Исследованиями установлено, что:

1. Когда Re очень велико (в частности, Re > Re_п, где Re_п - так называемое переходное число Рейнольдса для конкретной конструкции насоса), значение сопротивления f_τ(Q) больше не зависит от Re, а только от величины подачи жидкости Q. Поэтому при Re > Re_п характеристики насоса не зависят от вязкости ν перекачиваемой жидкости, т.е. H = n²D²F(Q/nD). В результате кривая вдоль оси нагнетания пропорциональна (nD)², а кривая вдоль продольной оси нагнетания пропорциональна nD при изменении диаметра рабочего колеса или скорости вращения.

   Аналогично, характерный график мощности нагнетателя N(Q) для различных диаметров крыльчатки или скоростей вращения простирается вдоль оси мощности пропорционально (nD)³ и вдоль оси расходов пропорционально nD.

   Наконец, характерный график КПД нагнетателя η(Q) при изменении диаметра рабочего колеса или скорости вращения (в первом приближении) простирается пропорционально только вдоль оси расходов.

2. Однако, если Re = nD²/ν < Re_п, то характеристики центробежного нагнетателя на воде (ν_в = 1 сСт) отличаются от характеристик нагнетателя с более вязкой жидкостью. Число Рейнольдса связано с так называемым коэффициентом k быстроходности насосов:
   

   По коэффициенту быстроходности k, который является индивидуальной характеристикой насоса определенного типа, переходное число Re_п Рейнольдса определяется соотношением:

   
   из которого затем находится критическая величина ν_п вязкости нефти, выше которой требуется пересчет характеристик: nD²/ν < Re_п, откуда вытекает:
   

   Правила преобразования характеристик нагнетателя при работе на воде в перекачиваемую жидкость:

   • Если кинематическая вязкость нефти имеет умеренное значение, т.е. вязкость не превышает значения ν_п, определенного в уравнении, то нет необходимости пересчитывать характеристики нагнетателя.
   • Если вязкость нефти превышает значение ν_п, определенное в уравнении, необходимо произвести перерасчет.
   • Напор, развиваемый нагнетателем при малой (нулевой) подаче, от вязкости жидкости не зависит.

Изменение характеристик насоса методом перепуска

Характеристики центробежного нагнетателя также могут быть изменены с помощью байпаса. Байпас означает возврат части нефти из нагнетательной линии (линии высокого давления) во всасывающую линию (линию низкого давления). Если расход нефти из нагнетательной линии обратно во всасывающую линию составляет q_п, то производительность насоса равна Q + q_п.

Тогда характеристики (Q - H) насоса могут быть выражены следующим образом:

При изменении аргумента функции для определенных значений q_п > 0 (q_п = const) можно заметить, что напор H уменьшается для каждого значения расхода Q, развиваемого насосом, так как известно, что график смещается влево вдоль оси Q пропорционально. Характеристики насоса выражаются уравнением F(Q) = a-bQ² для насосов, имеющих масляный байпас от нагнетательной трубы до всасывающей трубы.

Очевидно, что график измененной характеристики насоса лежит ниже графика исходной характеристики того же насоса.