Аналитическое представление механических характеристик магистральных насосов при частотно-регулируемом электроприводе

Автор: Шабанов Виталий Алексеевич, Сапельников Валерий Михайлович, Хакимьянов Марат Ильгизович, Шарипова Светлана Филарисовна

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power

Рубрика: Электромеханические системы

Статья в выпуске: 3 т.14, 2014 года.

Бесплатный доступ

В последние годы все шире начинают применяться частотно-регулируемые электроприводы магистральных насосов на нефтеперекачивающих станциях. Одной из проблем, с которой сталкиваются разработчики регулируемого электропривода, является отсутствие аналитических выражений, описывающих механическую характеристику насоса в конкретных условиях эксплуатации. В статье рассматриваются уравнения рабочего участка механических характеристик магистральных насосов нефтеперекачивающих станций при использовании частотно-регулируемого электропривода. Для получения такой характеристики исследуется влияние режима перекачки нефти по магистральным нефтепроводам на момент сопротивления частотно-регулируемого магистрального насоса. Приведено выражение для минимально допустимой частоты рабочего диапазона частоты вращения магистральных насосов. Получены аналитические выражения для механической характеристики магистрального насоса в функции двух переменных: частоты вращения и производительности нефтепровода, а также в функции одной переменной - частоты вращения.

Еще

Частотно-регулируемый электропривод, магистральный насос, нефтепровод, частота вращения, механическая характеристика

Короткий адрес: https://sciup.org/147158277

IDR: 147158277

Текст научной статьи Аналитическое представление механических характеристик магистральных насосов при частотно-регулируемом электроприводе

Актуальность

В последние годы все шире начинают применяться частотно-регулируемые электроприводы (ЧРЭП) магистральных насосов на нефтеперекачивающих станциях [1–4]. Одной из проблем, с которой сталкиваются разработчики ЧРЭП магистральных насосов, является отсутствие уравнений, описывающих механическую характеристику насоса в конкретных условиях эксплуатации. Для трубопроводного транспорта нефти широко применяются центробежные магистральные насосы типа НМ. Заводы-изготовители задают механические характеристики насосов при пуске в режиме холостого хода, а также при пуске одиночного насоса под нагрузкой в условиях отсутствия противодавления [5]. Однако заводские характеристики не пригодны для анализа работы магистральных насосов при частотно-регулируемом электроприводе. Обусловлено это особенностями технологического процесса перекачки нефти по трубо- проводам. В статье рассматриваются уравнения для рабочего участка механической характеристики магистрального насоса при использовании ЧРЭП. Для получения такой характеристики исследуется влияние режима перекачки нефти по магистральным нефтепроводам на режим работы частотно-регулируемого магистрального насоса.

Краткий обзор литературы

Магистральный центробежный насос работает в потоке жидкости, перекачиваемой по нефтепроводу. Современная система перекачки нефти по магистральным нефтепроводам подразумевает деление нефтепровода на технологические участки [6, 7]. Технологический участок нефтепровода представляет собой часть магистрального нефтепровода от одной головной станции с резервуарным парком до другой головной станции с резервуарным парком (рис. 1). В составе технологического участка может быть несколько нефтеперека-

Рис. 1. Схема включения магистральных насосов, электродвигателей и преобразователей частоты на НПС

чивающих станций (НПС). На рис. 1 показан технологический участок из четырех НПС, на каждой НПС установлено четыре магистральных насоса.

Перекачка нефти в пределах одного технологического участка осуществляется по системе «из насоса в насос», при которой все насосы соединяются последовательно и работают с одинаковой подачей. При такой системе перекачки режимы работы всех насосов, во-первых, оказываются взаимосвязанными, а во-вторых, регулирование частоты вращения насоса происходит в потоке жидкости, в условиях противодавления, оказываемого потоком жидкости на лопатки ротора насоса. При этом момент сопротивления на валу приводного двигателя, а, следовательно, и механическая характеристика каждого из насосов, будет зависеть не только от частоты вращения регулируемого насоса, но и от режима работы всего нефтепровода.

Механические характеристики центробежных механизмов, работающих в условиях противодавления, представляют двумя способами. Во-первых, для описания механических характеристик используется степенная функция, которую в относительных единицах представляют выражением mc = mcO + (mH — mcO )vY , (1)

где m c – момент сопротивления насоса; m с0 – начальный момент сопротивления при угловой частоте вращения ю = 0; m н - момент нагрузки двигателя при номинальной угловой скорости; v - угловая скорость в относительных единицах: v = ю/ю ном ; у - показатель степени [8-10].

Значение показателя степени γ зависит от режима работы насоса. При работе насоса на сеть без статической составляющей напора (без противодавления) у = 2 [9, 10]. При работе насоса с противодавлением, обусловленным разностью высот начала и конца трубопровода (со статическим противодавлением), значение у становится больше двух: в [12, 13] рекомендуется принимать от 2 до 5, в [9] отмечается, что значение у может достигать 10 и более.

Уравнение (1) используется и для анализа пуска магистральных насосов на НПС. При этом рекомендуется у = 3 [5]. На рис. 2 приведены механические характеристики m с = f (ω) магистрального насоса типа НМ-5000, построенные по заводским данным при пуске на открытую (кривая 1) и закрытую (кривая 2) задвижку, а также пример механической характеристики 3 при пуске насоса на открытую задвижку (с противодавлением в трубопроводе) при у = 3.

Однако степенное уравнение механической характеристики (1), во-первых, не отражает физические процессы в центробежном насосе в условиях работы с противодавлением, и, во-вторых, значение показателя степени у можно найти только путем аппроксимации экспериментально снятой

Рис. 2. Механические характеристики насоса типа НМ-5000

или построенной другими способами механической характеристики. Поэтому были разработаны графоаналитические методы построения механической характеристики насосов при работе в условиях противодавления [13, 14]. Однако графоаналитические методы сложны, громоздки и неудоб-

ны для использования их при частотном регулиро-

вании.

Для работы одиночного насоса на трубопро-

вод со статическим давлением применяются уравнения механической характеристики в функции статического напора и производительности трубопровода [10, 12, 13]. Уравнение механической ха-

рактеристики насоса при этом можно представить в виде [9]

m = m c0 v 2 + ( m н

m c0

)v

Н 0 V 2 Н с

V Н 0 Н с

где Н 0 – напор насоса, соответствующий расходу, равному нулю; Н с – статический напор.

Выражение (2) широко применяется для водопроводных систем. Однако это выражение не подходит к технологическому участку нефтепровода, в котором несколько насосов включены последовательно, и у которых противодавление обусловлено не только статическим напором, но и напором потока жидкости и зависит от режима работы всех других насосов технологического участка.

Основные теоретические положения

Мощность, потребляемая от электродвигателя

магистральным насосом:

Р _ Р gQH

П нас

где р - плотность, перекачиваемой жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; Q – подача насоса, равная производительности нефтепровода, м3/с; Н – напор, развиваемый насосом, м; п - КПД насоса.

нас

Значения подачи Q и напора H насоса определяются режимом работы всего нефтепровода.

В основе расчета режима перекачки нефти по магистральному нефтепроводу лежит уравнение баланса напоров, согласно которому сумма напоров,

развиваемых всеми насосами технологического участка, равна сумме потерь напора в трубопроводе [1, 2]. При этом подача насоса при его работе в составе технологического участка нефтепровода при изменении частоты вращения может быть найдена из уравнения [3]:

Q 2 -т

а р v2 + А bр + В ’

где m – коэффициент режима течения жидкости; а р и b р – коэффициенты напорной характеристи-

ки регулируемого насоса; v - относительная частота вращения насоса;

n

А = a п + 2 a -A z - h о СТ;                 (5)

i = 1

В = 1,02 fL +

b п

m

2 - m

п

n

+2 b, i=1

где a п , b п , ai , bi – коэффициенты напорной ха-

рактеристики подпорного и магистрального насосов; n – число работающих магистральных насосов; m п – число работающих подпорных насосов

на головной насосной станции; A z - разность геодезических отметок; h ост – остаточный напор в

конце технологического участка; f – гидравлический уклон при единичном расходе; L – длина технологического участка нефтепровода.

Напор, развиваемый регулируемым насосом, определяется по напорной характеристике насоса, которую можно записать в виде [15]:

H = a р v 2 - b р Q 2 - m , (7)

или с учетом выражения (4)

Н =

a р v 2 В - b р А b р + В

При подстановке (8) в (3) для мощности, потребляемой насосом, получаем

Р gQ ( a р v 2 В - Ь р А ) П нас ( b р + В )

.

Выражение (7) не общепринятое. Поэтому коэффициенты напорной характеристики a р и b р ,

которые приводятся в справочной литературе, должны быть пересчитаны по [14].

При системе перекачки «из насоса в насос» в теле трубопровода параллельно насосу устанавливают обратный клапан (ОК на рис. 1). В рабочем режиме перекачка происходит при закрытом обратном клапане, это означает, что регулирование скорости насоса происходит в потоке жидкости и ротор насоса испытывает напор потока жидкости как при снижении, так и при увеличении частоты вращения. При некоторой скорости вращения (ωК

на рис. 2), значение которой зависит от режима перекачки, обратный клапан открывается, и насос перестает участвовать в режиме перекачки. Он переходит в режим холостого хода. Скорость ωК представляет минимально допустимую частоту вращения насоса ωмин в процессе частотного регулирования [15]. Значение минимально допустимой частоты вращения зависит от характеристик трубопровода и от числа и параметров насосов всех НПС технологического участка, участвующих в перекачке.

ь о 2 - m р Q ок

Юмин = Юном Л ар

,

где ωном – номинальная частота вращения; Q ок – производительность трубопровода при открытом обратном клапане. Если значение минимальной скорости вращения насоса по (10) выразить в относительных единицах и подставить в (9), то вы-

ражение для мощности принимает вид

Р gQa р ( v 2 -V Mин )

.

П нас

Момент сопротивления получается из выражения (11) путем деления на ю . С учетом того, что

ю = vto ном для момента сопротивления получаем

Р gQa р ( v 2 -V Mин )

М =---

.

П VCO

Ч нас v ю ном

Выражение (12) нельзя непосредственно использовать для построения механической характеристики, так как при изменении подачи и скорости вращения насоса изменяется его КПД. Зависимость КПД насоса от подачи при номинальной частоте вращения приводится в паспортных данных насоса в виде графической зависимости КПД от подачи n = f ( Q ). В расчетах вместо графической зависимости КПД от подачи насоса используются аналитические функции вида [15, 17]

П нас = с 1 + с 2 Qн + с 3 Q 2 ,

где c 1, c 2 , c 3 – коэффициенты аппроксимации, по-

лученные методом наименьших квадратов; Q н – подача насоса при номинальной частоте вращения, миллион тонн в год.

Изменение КПД центробежных насосов при переменной частоте вращения исследовалось в [17–21]. Один из методов получения выражения для КПД основан на использовании теории подобия [6, 7, 16], согласно которой частота вращения и подача насоса связаны уравнением

Q н =v 2 Q . (14)

При этом из (13) получаем следующее уравнение для КПД насоса:

П нас = с 1 + с 2 v Q + с 3 v 2 Q 2 . (15)

Подставляя (15) в (12), получаем для механической характеристики насоса в рабочем диапазоне изменения частоты вращения следующее выражение:

P gQa р ( V 2 -V Mин )

( с 1 + с 2 V Q + с 3 V 2 Q 2 ) v^ hom

В выражении (16) момент сопротивления магистрального насоса представлен в функции двух параметров: частоты вращения и подачи. Если в (15) подставить вместо Q ее значение из (4), то можно исключить подачу Q из уравнения и получить аналитическое представление механической характеристики насоса М = f( v ) на рабочем участке (при закрытом обратном клапане) в функции одной переменной – скорости вращения насоса:

P ga р ( V 2 -V Mин )

М =

/2 aрv2 + А 12-m

V7

а рv2 + А

C + с 2V+

А I

< b р + B J

V« HOM

Выразим момент в относительных единицах ц = М/Мном. Для этого умножим и разделим правую часть (11) на QномHном . Учитывая, что м ном

р ном gQ ном H ном

,

Пном®ном получим

О р^ + А 2 - - Ь + в I

V р 7

Ц = 7

р п / 2    2 \

--aр (V -Vмин ) рном пном ар V2 + А с + с^ V —---- 1 2 Ьр +В

. (19)

+ C 3 V

, 2 а р V + А 1

V Ь р + В J

V^ Hом Q ном H i ном

V

Практическое применение

Выражение (16) представляет собой математическую модель магистрального насоса при заданной (измеренной) производительности нефтепровода. Исходными данными для такой модели насоса являются: подача насоса Q ; плотность перекачиваемой жидкости р ; коэффициенты регулируемого насоса a р и b р ; коэффициенты А и В , вычисляемые по выражениям (5) и (6), гидравлические характеристики технологического участка нефтепровода и коэффициенты напорных характеристик всех насосов. Структурная схема модели насоса в составе ЧРЭП приведена на рис. 3. Функциональный преобразователь ФП1 выполняет вычисления в соответствии с выражением (10). Коэф-

Рис. 3. Модель насоса в составе ЧРЭП фициенты А и В вычисляются на диспетчерском пункте ДП и передаются на НПС по каналам передачи информации.

Функциональный преобразователь ФП1 выполняет вычисления в соответствии с выражением (16) при текущих (измеренных) значениях подачи и скорости вращения насоса.

Выражения (17) и (19) представляют математическую модель насоса с вычислением подачи по модели трубопровода. При этом функциональный преобразователь ФП2 выполняет вычисления в соответствии с выражением (20).

Заключение

В настоящее время вопросы влияния режимов перекачки нефти по магистральным нефтепроводам на режим работы частотно-регулируемого привода магистрального насоса исследованы в недостаточной степени, что затрудняет оптимизацию работы технологических участков нефтепроводов.

Получены аналитические выражения для рабочего участка механической характеристики магистрального насоса с ЧРЭП в условиях противодавления, обусловленного как статическим напором, так и напором жидкости, перекачиваемой по нефтепроводу.

Приведены структурные схемы модели магистрального насоса с измерением и без измерения подачи насоса, работающего в составе технологического участка нефтепровода.

Список литературы Аналитическое представление механических характеристик магистральных насосов при частотно-регулируемом электроприводе

  • Туманский, А.П. Оптимизация режимов перекачки по магистральным трубопроводам с перекачивающими станциями, оборудованными частотно-регулируемым приводом/А.П. Туманский//Транспорт и хранение нефтепродуктов. -2005. -№ 8. -С. 11-14.
  • Сокол, Е.И. Опыт разработки и внедрения преобразователей частоты для регулируемого электропривода насосных агрегатов МН/Е.И. Со-кол, А.Ю. Бару, Ш.К. Лукпанов//Электротехника. -2004. -№ 7. -С. 52-57.
  • Шабанов, В.А. Требования к частоте вращения магистральных насосов при частотно-регулируемом электроприводе/В.А. Шабанов, С.Ф. Шарипова//Электротехнические и информационные комплексы и системы. -2013. -№ 3 (10). -С. 42-46.
  • Шабанов, В.А. Алгоритм оценки эффективности частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов эксплуатируемых нефтепроводов по критерию снижения расхода электроэнергии/В.А. Шабанов, Э.Ф. Хакимов, С.Ф. Шарипова//Электротехнические и информационные комплексы и системы. -2013. -№ 2 (9). -С. 34-42.
  • Применение электродвигателей в нефтяной промышленности/Л.М. Першина, С.И. Бак, Ю.С. Першин, С. П. Читипаховян. -М.: Недра, 1980.
  • Коршак, А.А. Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа: учеб. для вузов/А.А. Коршак, А.М. Нечваль. -Уфа: ООО «Дизайн-ПолиграфСервис», 2001. -571 с.
  • Трубопроводный транспорт нефти: учеб. для вузов: в 2 т./С.М. Вайншток и др.; под ред. СМ. Вайнштока. -М.: ООО» Недра-Бизнесцентр», 2004.
  • Справочник по автоматизированному электроприводу/под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. -М.: Энергоатомиздат, 1983. -616 с.
  • Фираго, Б.И. Регулируемый электропривод/Б.И. Фираго, Л.Б. Павлячик. -Минск: Техноперспектива, 2007. -585 с.
  • Москаленко, В.В. Электрический привод/В.В. Москаленко. -М.: Издат. центр «Академия», 2007. -368 с.
  • Шабанов, В.А. Выбег магистральных насосов НПС при описании механической характеристики степенной функцией/В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина, С.Ф. Шарипова//Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. III Всерос. науч.-техн. конф. (с междунар. участием). -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. -С. 170-177.
  • Лезнов, Б.С. Энергосбережение и регулируемый электропривод в насосных и воздуходувных установках/Б.С. Лезнов. -М.: Энергоатомиздат, 2006. -360 с.
  • Онищенко, Г.Б. Электропривод турбомеханизмов./Г.Б. Онищенко, М.Г. Юньков. -М.: Энергия, 1972. -240 с.
  • Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов/П.И. Тугунов, В.Ф. Новоселов, А.А. Коршак, А.М. Шаммазов; под ред. А.А. Коршака. -Уфа: ДизайнПоли-графСервис, 2008. -658 с.
  • Шабанов, В.А. Определение нижней границы диапазона частотного регулирования электродвигателей магистральных насосов/В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина//Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2010. -№ 2. -http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_3.pdf.
  • Нечваль, А.М. Основные задачи при проектировании и эксплуатации магистральных нефтепроводов: учеб. пособие/А.М. Нечваль. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. -81 с.
  • Вязунов, Е.В. Аналитическое представление характеристик центробежных насосов при переменной частоте вращения/Е.В. Вязунов, С.Д. Путин//Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. -2012. -№ 4 (8). -С. 67-69.
  • Вайнер, И.Г. Математическая модель насоса с регулируемым электроприводом/И.Г. Вайнер//Промышленная энергетика. -2009. -№ 5. -С. 23-28.
  • Гришин, А.П. Коэффициент полезного действия частотно-регулируемого электронасоса/А.П. Гришин, В.А. Гришин//Научные труды. -М: ВИЭСХ, 2004. -Т. 89. -С. 118-127.
  • Козлов, М. Эффективность внедрения систем с частотно-регулируемыми приводами/М. Козлов, А. Чистяков//Современные технологии автоматизации, 2001. -№ 1. -С. 76.
  • Вязунов, Е.В. Характеристики центробежных насосов при переменной частоте вращения/Е.В. Вязунов//Транспорт и хранение нефтепродуктов. -М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2007. -№ 6.
Еще
Статья научная