Материалы к занятиям по дисциплине «Сооружение, транспорт, хранение и сбыт нефти, нефтепродуктов и газа».

Национальный исследовательский университет Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина Материалы к занятиям по дисциплине «Сооружение, транспорт, хранение и сбыт нефти, нефтепродуктов и газа» (для групп ЭЭ-19-01, ЭЭ-19-02, ЭЭ-19-03, ВМ-19-01) Голунов Никита Николаевич, к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов e-mail: golunov.n@gubkin.ru Москва, 2020 Национальный исследовательский университет Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина Лекция 4 Голунов Никита Николаевич, к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов e-mail: golunov.n@gubkin.ru Нефтеперекачивающие станции (НПС). Головные и промежуточные нефтеперекачивающие станции (ГНПС и ППС) НПС предназначены для создания в трубопроводе давления (напора), необходимого для транспортировки нефти с заданной скоростью. Назначение каждой НПС − забрать нефть из области низкого давления (перед станцией) и принудительным образом перевести в область высокого давления (после станции). Эту работу выполняют насосы, расходуя энергию внешних источников (например, электроэнергию, приводящую в действие насосы). ГНПС и ППС расставляются по трассе нефтепровода через определенные промежутки, определяемые расчетом. Расстояние определяется исходя из расхода нефти (т.е. количества нефти, прокачиваемой в единицу времени), ее физическими свойствами (вязкостью и плотностью), характеристик трубопровода (диаметр, профиль земной поверхности), характеристикам насосных агрегатов. В среднем, расстояние между НПС составляет 100-120 км 3 Нефтеперекачивающие станции (НПС). Головные и промежуточные нефтеперекачивающие станции (ГНПС и ППС) ГНП) предназначена для осуществления следующих технологических операций:  прием и учет нефти;  краткосрочное хранение нефти в резервуарах;  внутристанционные перекачки (из резервуара в резервуар);  закачка нефти в магистральный нефтепровод;  пуск в трубопровод средств очистки и диагностики (СОД). ППС повышают давление в потоке транспортируемой нефти, поступающей с предыдущих участков, делая его достаточным для продвижения нефти до следующей НПС. И так до конечного пункта всего нефтепровода. Как правило, магистральные нефтепроводы разбивают на технологические или эксплуатационные участки с протяженностью 400-600 км. Каждый такой участок состоит из 3-5 перегонов, разделяемых НПС, работающими в режиме «из насоса − в насос» (конец предыдущего участка нефтепровода подключен к линии всасывания насосов следующей НПС). Т.е, все перегоны технологического участка гидравлически связаны друг с другом (авария на какомлибо одном перегоне нефтепровода влечет за собой остановку всего участка). В то же время соседние технологические участки соединяют друг с другом через резервуарные парки, так что в течение некоторого времени каждый эксплуатационный участок может работать независимо от других, закачивая нефть в трубопровод за счет запасов, имеющихся в его резервуарном парке. Это повышает надежность работы всего нефтепровода в целом. 4 Центробежные нефтеперекачивающие агрегаты (ЦНА) для перекачки нефти и нефтепродуктов ЦНА состоит из двух основных частей:  привода, вращающего вал насоса (мощный электродвигатель);  и центробежного насоса, внутри корпуса (статора) которого находится ротор (рабочее колесо). С помощью этих лопаток ротора нефть перемещается из области низкого давления (линии всасывания) в область высокого давления (линию нагнетания). Развиваемый насосом дифференциальный напор − это разность удельных механических энергий жидкости на выходе из насоса и на входе в него, т.е. создаваемое им увеличение давления, выраженное в метрах столба транспортируемой жидкости. Брандемауэрная стенка Насос Электродвигатель 5 Насосы для перекачки нефти и нефтепродуктов Насосы − гидравлические машины для перекачки жидкостей (устройства для принудительного перемещения жидкости) от сечения с меньшим значением напора (в линии всасывания) к сечению с большим значение напора (в линии нагнетания). Насос нефтяной магистральный типа НМ – горизонтальный, одноступенчатый, с рабочим колесом двухстороннего входа и спиральным отводом жидкости от колеса. Предназначен для перекачивания нефти и нефтепродуктов с температурой от -5°С до 80°С. Приводом служит электродвигатель, который соединен с насосом упругой муфтой Насос нефтяной подпорный вертикальный типа НПВ – вертикальный, одноступенчатый, с рабочим колесом двустороннего входа. Предназначен для перекачивания нефти к магистральным насосам и создания перед ними подпора, необходимого для обеспечения бескавитационной работы. 6 Центробежные нефтеперекачивающие агрегаты (ЦНА) для перекачки нефти и нефтепродуктов с двусторонним подводом жидкости 7 Центробежные нефтеперекачивающие агрегаты (ЦНА) для перекачки нефти и нефтепродуктов с двусторонним подводом жидкости Нефть из линии всасывания (1) попадает внутрь рабочего колеса (2) в осевой его части. Колесо закреплено на массивном вале (3), приводимом во вращение приводом — электродвигателем (на рисунке не показан). Центробежная сила инерции перемещает нефть от центра к периферии колеса в линию нагнетания (4) насоса, создавая тем самым в линии нагнетания давление большее, чем в линии всасывания. 8 Устройство нефтяных насосов с односторонним подводом жидкости к ротору (рабочему колесу) 1 – полость всасывания (на оси ротора), 2 – полость нагнетания (перпендикулярно оси ротора), 3 и 7 – фланцы для подключения гидравлических коммуникаций, 4 – вал подключения электродвигателя, 5 – диффузор (место, в котором происходит возрастание давления), 6 – рабочее колесо, 8 и 9 – корпус. 9 Устройство нефтяных насосов с односторонним подводом жидкости к ротору (рабочему колесу). Возникновение кавитации на входе в насос Магистральным нефтяным насосам на входе необходимо иметь избыточное давление (т.н. кавитационный запас), чтобы предотвратить явление кавитации. Кавитация – это явления образования в перекачиваемой жидкости полостей (кавитационных пузырьков), заполненных парами этой жидкости или растворенных в ней газов (для нефти – растворенного в ней природного газа), с последующим схлопыванием этих пузырьков, образованием ударной волны и высвобождением большого количества энергии. Кавитация возникает на входе (в области всасывания) насоса в результате местного понижения давления жидкости при увеличении её скорости. Кавитация приводит к быстрому износу частей ротора (рабочего колеса) насоса и снижает эффективность работы насоса. 10 Принцип работы центробежных МН 1 2 3 4 11 Принцип работы центробежных МН. Изменение скорости и давления в разрезе поперек вала ротора (рабочего колеса) Линия нагнетания (выход из насоса) Линия всасывания (вход в насос) Линия нагнетания (выход из насоса) Линия всасывания (вход в насос) 12 Насосы. Основные характеристики, 1 Дифференциальный напор – создаваемый насосом напор, т.е. величина разности напоров между линиями нагнетания и всасывания Н диф  Н н  Н вс  Рн  Рв ρg Подача насоса - расход Q жидкости, проходящей через насос Для перекачки нефтей и нефтепродуктов используют, как правило, центробежные насосы, создающие необходимый напор за счет центробежной силы. При этом, чем больше напор Н, который должен создать насос, тем меньше подача Q. Зависимость Н=Н (Q) называется гидравлической (Q-Н) характеристикой насоса, которая представляется в виде: Н  a - b  Q 2 м где а [м] и b [ ] - коэффициенты аппроксимации м ч  3 2 13 Насосы. Основные характеристики, 2 Мощность N насоса – это величина, показывающая потребление насосом энергии в единицу времени, единица измерения – Ватт (Вт), названная в честь шотландского инженера, изобретателя и механика Джеймса Ватта (англ. James Watt, 1736 ÷ 1819), который впервые ввел единицу мощности – лошадиную силу (1 лошад. сила составляет 735,5 Вт) Полезная мощность насоса определяется формулой: Nп  ρ  g  Q  H Полезная мощность – это та мощность, которую насос передает транспортируемой жидкости. Мощность на валу насоса определяется формулой: где ηн - коэффициент полезного действия нагнетателя Nв  ρgQH ηн Мощность на валу насоса (или же мощность на валу электродвигателя при условии, что муфта, соединяющая вал насоса и вал электрического двигателя, не рассеивает энергию, т.е. ее коэффициент полезного действия равен 100%) – это та мощность, которую электродвигатель передает на вал. Потребляемая мощность насоса определяется формулой: Мощность потребляемая – это та мощность, которую необходимо подать от электрической сети на насосную установку (т.е. на двигатель и насос) N потр  Nв ρg QH  ηприв ηн  ηприв где ηприв - коэффициент полезного действия привода 14 Гидравлическая характеристика насосов. Типовые графические зависимости (H-Q), (N-Q), (η-Q) характеристик ЦБН 15 Насосы. Коэффициенты аппроксимации характеристик центробежных насосов Маркировка НМ расшифровывается так (например): «Насос магистральный с подачей (расходом) 10 000 м3/ч и напором 210 м». 16 Характеристики насосных агрегатов, устанавливаемых на НПС Маркировка НМ расшифровывается так (например): «Насос магистральный с подачей (расходом) 10 000 м3/ч и напором 210 м». Маркировка НПВ расшифровывается так (например): «Насос подпорный вертикальный с подачей (расходом) 50 000 м3/ч и напором 120 м». При обозначении принято: СТДП – электродвигатель (синхронный турбодвигатель продуваемый), численное значение после СТДП – мощность двигателя в кВт; ВАОВ – электродвигатель (взрывозащищенный, асинхронный, вертикальный, обдуваемый), численное значение после ВАОВ – мощность двигателя в кВт. 17 Основные насосы для перекачки нефти со сменными роторами (ГОСТ 12124-87) Обозначение типоразмера насоса НМ 1 25-260 НМ 2 500-230 НМ 3 600-230 НМ 7 000-210 НМ 10 000-210 Подача насосов со сменными роторами, Напор Н, м Допускаемый кавитационный запас ΔhД, м, не более КПД η, %, не менее %, от Qном м3/с (м3/ч) 70 0,250 (&00) 255 16 79 125 0,435 (1565) 260 26 78 50 0,347 (1250) 220 25 81 70 0,500 (1800) 225 27 83 125 0,875 (3150) 220 38 83 50 0,500 (1800) 220 33 81 70 0,694 (2500) 225 35 84 125 1,250 (4500) 220 45 83 50 0,972 (3500) 200 42 81 70 1,389 (5000) 210 45 85 125 2,430 (8750) 210 60 85 50 1,389 (5000) 205 45 80 70 1,944 (7000) 210 60 84 125 3,472 (125,00) 210 97 87 Нефтяным насосом с самой большой подачей является насос НМ 10000-210. Маркировка расшифровывается так: «Насос магистральный с подачей (расходом) 10 000 м3/ч и напором 210 м». 18 Характеристики насосных агрегатов, применяемых при транспортировке нефти 19 Типовые графические зависимости (H-Q), (N-Q), (η-Q) характеристик ЦБН при изменении плотности транспортируемых жидкостей (ρ2 > ρ1). 20 Центробежный насос с частотно-регулируемым приводом Частотно-регулируемый привод − система управления частотой вращения ротора электродвигателя. Состоит из собственно электродвигателя и частотного преобразователя. Преимущества применения ЧРП:  Высокая точность регулирования частоты  Экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы эл. двигателя с неполной нагрузкой)  Повышенный ресурс оборудования  Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода изза отсутствия регулирующего клапана  Плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ  Стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки  Значительное снижение акустического шума Недостатки применения ЧРП:  Высокая стоимость при большой мощности (и длительный срок окупаемости)  Отсутствие локализации производства в РФ  Создание помех в цепях 21 Схема установки насосов для перекачки нефти и нефтепродуктов на нефтеперекачивающих станциях На НПС между подпорной (ПНС) и магистральной (МНС) насосными станциями устанавливаются предохранительные клапаны, которые настраиваются на допустимое для подпорных насосов давление. Цель установки клапанов - защита трубопроводов и оборудования от повышения давления в случае аварийного отключения подпорной и магистральной насосных станций. 0,8Q 1,0 1,2Q Оптимальный режим работы насоса – работа с оптимальными параметрами при заданном расходе. Зона рабочих режимов  это область с наибольшими значениями КПД (от 0,8 до 1,2 от Qном; где Qном – номинальное значение расхода при максимальном (1,0) КПД 22 Последовательное и параллельное соединение насосов. Графические (Q-H) характеристики Последовательное соединение насосов Параллельное соединение насосов 23 Последовательное и параллельное соединение насосов. Основные гидравлические параметры насосов 24 Запорная арматура (задвижки) на МН Предназначена для применения в качестве запорного устройства на магистральных нефте- и продуктопроводах, в технологических схемах перекачивающих станций и резервуарных парках задвижки НЕ предназначены для регулирования расхода среды запирающий элемент в процессе эксплуатации находится в крайних положениях «открыто» или «закрыто» Клиновая задвижка В настоящее время ограничено использование таких задвижек для нефти и нефтепродуктов Шиберная задвижка Задвижки только такого типа применяются на объектах ПАО «Транснефть» 25