Насосное оборудование системы трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов: конструкция, эксплуатация и расчет


Е. С. Юшин



НАСОСНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ: КОНСТРУКЦИЯ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РАСЧЕТ


Учебное пособие





















Москва Вологда « Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.276
ББК 33.131
     Ю95


Рецензенты:
ведущий научный сотрудник Красноярского филиала ФИЦ ИВТ СО РАН доктор технических наук, доцент ИВ. Зеньков;
начальник технического отдела АО «Транснефть - Север», кандидат технических наук В. В. Ильин


     Юшин, Е. С.

Ю95 Насосное оборудование системы трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов: конструкция, эксплуатация и расчет : учебное пособие / Е. С. Юшин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -212 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0957-5

     Рассмотрен комплекс насосного оборудования для магистрального транспорта нефти и нефтепродуктов, теория динамических гидромашин, а также их расчёт. Дано описание магистральных, подпорных насосов и машин для откачки утечек, изложены правила технического обслуживания и ремонта оборудования, вопросы эксплуатации и повышения эффективности их работы, а также некоторые расчёты основных параметров и прочностной анализ наиболее ответственных узлов.
     Для студентов направления подготовки 21.03.01 «Нефтегазовое дело» (профиль «Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ»), 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» (профиль «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов»). Может быть полезно преподавателям и аспирантам учебных заведений нефтегазового профиля.

                                                          УДК 622.276
                                                          ББК 33.131







ISBN 978-5-9729-0957-5

     © Юшин Е. С., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ.........................................................5
ВВЕДЕНИЕ............................................................6
1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИНАМИЧЕСКИХ
НАСОСАХ ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД...............................8
  1.1 Классификация и основные параметры центробежных насосов.......8
  1.2 Движение жидкости в рабочем колесе центробежного насоса....11
  1.3 Баланс энергии в лопастном центробежном насосе...............16
  1.4 Пересчёт характеристик центробежных насосов..................18
  1.5 Безразмерная характеристикалопастного насоса.................19
  1.6 Подобие в лопастных насосах..................................20
Контрольные вопросы................................................21
2. НАСОСЫ СИСТЕМЫ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА НЕФТИ
И НЕФТЕПРОДУКТОВ...................................................22
  2.1 Основные термины и определения...............................22
  2.2 Классификация нефтяных магистральных и подпорных насосов...23
  2.3 Конструктивное исполнение и характеристики насосов...........25
     2.3.1 Спиральные нефтяные магистральные насосы МНН и НМ.....25
     2.3.2 Спиральные нефтяные магистральные насосы НДв и НДс....40
     2.3.3 Консольные нефтяные магистральные насосы НК.............52
     2.3.4 Секционные нефтяные магистральные насосы НМ.............61
     2.3.5 Секционные нефтяные магистральные насосы НПС и НСД....68
     2.3.6 Секционные нефтяные магистральные насосы ЦНСн...........81
     2.3.7 Вертикальные нефтяные подпорные насосы НПВ..............88
   2.4 Конструкции нефтяных насосов откачки утечек.................99
     2.4.1 Насосы нефтяные откачки утечек НОУ.....................100
     2.4.2 Насосы нефтяные артезианские НА........................109
     2.4.3 Насосы нефтяные вертикальные НВ-Д-1М..................120
     2.4.4 Насосы нефтяные вертикальные НВН.......................125
     2.4.5 Насосы нефтяные вертикальные ВНД.......................132
   2.5 Система разгрузки концевых уплотнений насосов..............145
   2.6 Система смазки основного магистрального насосного агрегата.146
Контрольные вопросы...............................................150
3. ВОПРОСЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА НАСОСОВ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА............................151
  3.1 Характеристики насосов системы трубопроводного транспорта..151
  3.2 Совместная работа магистральных агрегатов насосной станции.152
  3.3 Регулирование режимаработы насосной станции................156

3

  3.4 Уравновешивание осевого усилия в центробежном насосе....164
  3.5 Работа магистральных насосов на недогрузочных режимах...167
  3.6 Допустимый кавитационный запас нефтяных насосов.........172
  3.7 Эффективность работы нефтяных насосов...................175
  3.8 Обслуживание и ремонт насосного оборудования.............179
Контрольные вопросы............................................187
4. РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ДЕТАЛЕЙ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА
НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ........................................188
  4.1 Расчёт параметров проточного каналарабочего колеса......188
  4.2 Расчёт потерь мощности надисковое трение рабочих колёс..191
  4.3 Расчёт узла разгрузки осевых усилий.....................193
  4.4 Расчёт корпуса ступени центробежного насоса на прочность.195
  4.5 Расчёт вала центробежного насоса на прочность...........196
  4.6 Расчёт шпоночного соединения вала и колеса на прочность.202
  4.7 Расчёт долговечности опор качения ротора насоса.........203
Контрольные вопросы...........................................204
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................205
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................206

4

    ПРЕДИСЛОВИЕ


   Настоящее учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений нефтегазового профиля очной и заочной форм обучения по направлению подготовки бакалавров 21.03.01 «Нефтегазовое дело» (профиль «Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехра-нилищ»), а также может представлять интерес для обучающихся по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» по профилю («Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов»).
   Содержание пособия полностью соответствует учебным программам по специальным дисциплинам специалитета и бакалавриата, Федеральному государственному образовательному стандарту, включает в себя апробированные и общепризнанные положения.
   Издание может быть полезно для студентов, изучающих дисциплины «Гидромашины и компрессоры нефтегазового производства», «Машины и оборудование газонефтепроводов», «Эксплуатация и ремонт компрессорных и нефтеперекачивающих станций», «Диагностика объектов транспорта и хранения нефти и газа», «Эксплуатация и ремонт газонефтепроводов» и некоторые другие.
   Целью создания настоящего учебного пособия является ознакомление читателя с назначением, классификацией, конструктивным исполнением и особенностями эксплуатации насосного оборудования системы трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.
   Материал издания актуализирован, структурирован по главам, включает общие теоретические сведения о динамических гидромашинах, описание магистральных, подпорных насосов и машин для откачки утечек, содержит правила технического обслуживания и ремонта оборудования, вопросы эксплуатации и повышения эффективности их работы, а также некоторые расчёты основных параметров и прочностной анализ наиболее ответственных узлов (деталей).
   Для закрепления изложенного материала по разделам предлагаются блоки контрольных вопросов.

5

    ВВЕДЕНИЕ


   Система трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов Российской Федерации представлена магистральными нефтепроводами общей протяжённостью около 55 тыс. км и нефтепродуктопроводами общей протяжённостью около 20 тыс. км (по данным Росстата на конец 2012 года).
   Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов является стратегически важным для страны, а его доля в грузообороте все транспортной системы России составляет более 48 %. Более 90 % российской нефти транспортируется ПАО «Транснефть» и его дочерними обществами, которые располагают крупнейшей в мире системой магистральных нефтепроводов.
   Транспорт нефти и нефтепродуктов с помощью трубопроводов обладает рядом преимуществ перед железнодорожным и водным видами транспорта, среди которых стоит отметить минимальную дальность транспортировки, ритмичность работы поставщиков и потребителей, наименьшие потери нефти, а также наибольшую автоматизацию технологических процессов [15]. Таким образом, трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов характеризуют сравнительная дешевизна и высокая надёжность.
   Трубопроводный транспорт скважинной продукции с промысла до нефтебаз, перевалочных баз, пунктов налива в цистерны, нефтеналивных терминалов, отдельных промышленных предприятий, нефтеперерабатывающих заводов, а также конечного потребителя (в том числе и на экспорт) осуществляется комплексом насосного оборудования, которым оснащаются головная и промежуточные нефтеперекачивающие станции.
   В такой комплекс входят магистральные насосные агрегаты, являющиеся основными, а также подпорные вертикальные и горизонтальные насосы для обеспечения бескавитационной работы первых. Также применяются и насосы в системе откачки утечек концевых уплотнений роторов гидромашин, накапливающихся в специализированных подземных емкостях.
   Разработкой и производством отечественного насосного оборудования системы транспорта нефти и нефтепродуктов занимаются такие крупные промышленные общества как АО «Турбонасос», АО «Гидромашсервис», АО «Гидрогаз», а также ряд других опытных компаний.
   Примечательно, что в 2015 году путём консолидации ПАО «Транснефть», ЗАО «КОНАР» (оба Россия) и Termomeccanica Pompe (Италия) было создано совместное предприятие АО «Транснефть Нефтяные Насосы» (г. Челябинск), которое имеет цель локализации полного цикла производства насосного оборудования с повышенным ресурсом и надежностью на территории РФ, что обеспечит рост межремонтного интервала и снизит затраты на эксплуатацию. Ранее для оснащения НПС магистральными насосами использовались технологические мощности предприятий Украины (АО «Сумский завод «Насосэнергомаш») и Южной Кореи, поэтому развитие отечественного насосостроения еще и выгодно в плане импортозамещения продукции.

6

   Кроме того, было открыто и предприятие АО «Русские электрические двигатели» (АО «РЭД») по производству приводов для магистральных агрегатов, созданное также ПАО «Транснефть» и АО «КОНАР», но с привлечением в качестве партнера компании Nidec ASI (Италия).
   Таким образом, видна главенствующая роль насосного оборудования в системе транспорта нефти и нефтепродуктов, техническое развитие которого обеспечит повышение энергоэффективности в нефтяной отрасли.

7

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИНАМИЧЕСКИХ НАСОСАХ ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД

    1.1 Классификация и основные параметры центробежных насосов

   Центробежные насосы, применяемые в нефтяной и газовой промышленности, относятся к обширному классу проточных гидравлических машин динамического принципа действия. В динамических (лопастных) гидромашинах механическая энергия движущихся частей преобразуется в кинетическую энергию движения потока перекачиваемой среды.
   Динамическим насосам характерно наличие лопаточного аппарата, обтекаемого перекачиваемой средой, непрерывность потока в каналах и взаимодействие гидродинамических сил с этой средой.
   Центробежные насосы не обладают способностью самовсасывания, поэтому перед пуском их следует заполнять жидкостью.
   Классификационные признаки динамических гидромашин
     По принципу действия:
     -  центробежные;
     -  осевые;
     -  вихревые;
     -  совмещённые.
     Порасположению оси вала:
     -  горизонтальные;
     -  вертикальные.
     По числурабочих колёс:
     -  одноколёсные;
     -       многоколёсные (действующие последовательно - многоступенчатые, увеличивается напор; действующие параллельно - многопоточные, увеличивается подача).
     Порасположению входа в насос:
     -  осевой;
     -  боковой;
     -  двухсторонний.
     Порасположениюрабочих органов и опор:
     -  консольные;
     -  с выносными опорами;
     -  с внутренними опорами.
     Поразъёму корпусов:
     -  с торцовым разъёмом;
     -  с разъёмом по оси.
     По способу соединения с двигателем:
     -  моноблочные (рабочее колесо на валу двигателя);
     -  соединёнными с валом муфтами;
     -  приводные (со шкивом или редуктором).

8

     По назначению:
     -   общего назначения (для воды до 105 °C);
     -        специальные (коррозионностойкие, шламовые кислотостойкие, высокотемпературные и т.д.).
     По размещению относительно перекачиваемой жидкости:
     -   поверхностные;
     -   погружные (для подъёмажидкости из скважин, резервуаров).
     По коэффициенту быстроходности ns:
     -   вихревые (ns = 10...50);
     -   тихоходные центробежные (ns = 50.80);
     -   нормальные центробежные (ns = 80.150);
     -   быстроходные центробежные (ns = 150.300);
     -   полуосевые (ns = 300.500);
     -   осевые или пропеллерные (ns = 500.1000).
   Основные параметры динамических гидромашин
   К основным параметрам насосов относятся [12]:
   1.     Подача насоса - отношение объёма (объёмная подача Q, м³/с) или массы (массовая подача G, кг/с) подаваемой жидкости ко времени.
   При этом:
G = р-Q,                           (1.1)
где р - плотность перекачиваемой среды, кг/м³.
   Действительная подача (Qд, Gд) - количество жидкости, проходящее через напорный трубопровод в единицу времени и измеряемое счётчиками, расходомерами, мерниками и т.д.
   Теоретическая подача (Qт, Gт) - количество жидкости, перемещаемое рабочими органами насоса без учёта потерь.
   2.     Объёмный коэффициент полезного действия (гр) - отношение действительной подачи насоса к теоретической.
   Определяется из соответствующего выражения:
По = Q^                            (1.2)
Qт
   3.  Напор насоса (H, м) - энергия, сообщаемая насосом единице веса жидкости.
   Напор насоса представляет собой разность напора на нагнетание и всасывание насоса и определяется по формуле:
H = (zк - zн) + /VP"+Ф²²,                    (1.3)
                                     р • g ² • g
где zк и zн - отметки высот конечной (после насоса) и начальной (перед насосом), м; pк и pн - давления конечное (после насоса) и начальное (перед насосом), Па; ц(н) и ц(в) - скорости движения жидкости конечная (после насоса) и начальная (перед насосом), м/с; g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

9

     Для слагаемого рн берется знак « + » при условии отрицательного избыточного давления на входной линии и знак « - » при условии положительного избыточного давления.
     4.    Давление (р, Па)

Р = р- g • H                                   (1.4)

      5.    Полезная (гидравлическая) мощность (N, Вт)

N = p-Q = р- g •H •Q

6. ОбщийКПД (ц)

N

        Д = — = По-Дм⁻Дг-Дд’


(1.5)


(1.6)

где Nп - мощность, потребляемая насосом, Вт; Цм, Цг, Цд - КПД механический, гидравлический и дисковый соответственно.
   Объемные потери в насосе обусловлены внутренним перетеканием жидкости через зазоры между вращающимся рабочим колесом и неподвижными деталями корпуса из области высокого давления в область низкого давления. Возникают в уплотнительных кольцах, промежуточных втулках, разгрузочном барабане и т.д. Объёмные потери характеризуются объёмным КПД.
   Механические потери в насосе вызываются трением, связанным с вращением вала и рабочего колеса насоса. К ним относятся также потери в подшипниках и сальниках. Механические потери характеризуются механическим КПД.
   Гидравлические потери в насосе складываются из вихревых потерь и потерь при трении жидкости о направляющие ее поверхности. Возникают во всасывающей камере, рабочем колесе и нагнетательной спирали или в направляющем аппарате. Эти потери характеризуются гидравлическим КПД.
   Дисковые потери возникают в результате трения вращающихся частей о жидкость и характеризуются дисковым КПД.
   7. Коэффициент быстроходности насоса (ns) - число оборотов в минуту

такого эталонного насосного колеса, перекачивающего воду, которое, имея одинаковый КПД с геометрически подобным ему колесом, при затрате мощности Ns = 0,736 кВт развивает напор Hs = 1м.

n

3,65 - n - 7Q

s

H³/⁴

(1.7)

   Для расчёта коэффициента быстроходности по зависимости (1.7) следует подставлять значение частоты вращения вала насоса n [мин⁻¹], а Q [м³/с].
   Для насоса с рабочим колесом двустороннего входа при расчёте следует принимать Q/2.

10

    1.2 Движение жидкости в рабочем колесе центробежного насоса


   Рабочее колесо центробежного насоса характеризуется числом лопаток z и направлением их кривизны относительно направления вращения (радиальные лопатки при Р2 = 90о; отогнутые назад при Р2 < 90о и отогнутые вперед при Р2 > 90°) [16].
   Режим работы центробежного насоса в каждый момент определяется совокупностью параметров: подачей Q, напором H, потребляемой мощностью N, коэффициентом полезного действия ц и допустимой высоты всасывания hвс. Перечисленные параметры обычно рассматриваются при некоторой постоянной частоте вращения колеса насоса n = const, обеспечиваемой приводом, и неизменной плотности и вязкости жидкой среды на входе насоса.
   Известно, что для каждого центробежного насоса, имеющего рабочее колесо с заданными геометрическими параметрами, вращающегося с определенной постоянной частотой n, существует режим (Q, H, N), в котором внутренние потери в насосе минимальные, а его КПД имеет наибольшее значение.
   Такой режим называется оптимальным (безударным) и наступает при совпадении конструктивных и кинематических углов, обеспечивающим формирование в поточной части центробежного насоса потока жидкой среды без зон отрыва с минимальным вихреобразованием.
   Различают следующие виды скоростей движения частиц жидкости в рабочем колесе центробежного насоса:
   -  абсолютную скорость движения жидкости c;
   -  переносную скорость движения жидкости и;
   -  относительную скорость w.
   По известным вышеперечисленным значениям строятся треугольники скоростей на входе и на выходе из рабочего колеса.
   Основные параметры рабочего колеса, планы и треугольники скоростей приведены на рисунке 1.1.
   Абсолютная скорость движения жидкости (с, м/с) в рабочем колесе насоса в векторной форме имеет вид:
с = Щ ₊ U,                         (1.8)
где c - абсолютная скорость движения жидкости относительно корпуса насоса; w - относительная скорость движения жидкости; и - переносная (окружная) скорость движения жидкости.
   Переносная скорость (и, м/с) определяется по формуле:



            д- n ■ r


        и = со- r =-------,

30

(1.9)

где го - угловая скорость вращения вала, с⁻¹; n - скорость вращения вала, мин⁻¹; r - расстояние от оси вала до частицы жидкости, м.
   Относительная скорость (w, м/с) определяется по формуле:

w= F

(1.10)

11

где Qк - удельный объём жидкости, проходящей через каналы рабочего колеса в единицу времени, м³/с, F - площадь проходного сечения каналов рабочего колеса, м².

Рисунок i.i. Основные параметрырабочего колеса и планы скоростей на его входе и выходе: Di - диаметр колеса на входе; D2 - диаметр колеса на выходе; bi - ширинамежлопаточных каналов на входе в колесо; b2 - ширина межлопаточных каналов на выходе из колеса; ci - абсолютная скорость движения жидкости на входе в колесо; С2 - абсолютная скорость движения жидкости на выходе из колеса; С2и - окружная составляющая абсолютной скорости движения жидкости на выходе из колеса; ui - переносная скорость движения жидкости на входе в колесо; U2 - переносная скорость движения жидкости на выходе из колеса; ai - угол между абсолютной и переносной скоростями жидкости на входе в колесо; а.2 - угол между абсолютной и переносной скоростями жидкости на выходе из колеса; Pin - угол между относительной скоростью и отрицательным направлением переносной скорости на входе в колесо; р2л - угол между относительной скоростью и отрицательным направлением переносной скорости на выходе из колеса;
Si - толщина лопасти колеса на входе; S - толщина лопасти колеса на выходе; ю - угловая скорость вращениярабочего колеса; mi - относительная скорость движения жидкости на входе в колесо; Ю2 - относительная скорость движения жидкости на выходе из колеса

    Таким образом, по известным геометрическим характеристикам рабочего колеса (рисунок 1.1) и заданной частоте его вращения представляется возможным определить параметры оптимального режима работы насоса. Кроме того, по размерам рабочего колеса можно определить принадлежность центробежного насоса к той или иной группе по коэффициенту быстроходности, и, следовательно, приближенно оценить границы области возможного рационального применения. Расчёт представлен зависимостями (1.11) - (1.26).
    Коэффициенты стеснения 7 и 72 потока соответственно на входе в колесо и на выходе из него

        z -б,
        V1 = 1 —п ¹ R                              (1.11)

д- D₁ • sin р₁л

12