Исследование работы центробежных насосов магистральных нефтепроводов в режимах малых подач тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.13, кандидат технических наук Василенко, Станислав Станиславович

• Василенко, Станислав Станиславович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Василенко, Станислав Станиславович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ, СВЯЗАННЫХ С ОЦЕНКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЁЖНОСТИ РАБОТЫ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ В РЕЖИМАХ МАЛЫХ ПОДАЧ.

1.1. Обзор исследований, связанных с влиянием режима на стр. 12 рабочий процесс ЦБН.

1.2. Обзор исследований, связанных с оценкой влияния стр.26 геометрических, конструктивных и режимных параметров на пульсацию потока ЦБН.

1.3. Обзор исследований, связанных с оценкой влияния стр.46 параметров пульсации потока на величину к.п.д. ЦБН.

1.4. Обзор исследований, связанных с оценкой влияния стр.54 вибрации на напряженно-деформированное состояние участка трубопровода.

1.5. Цель и задачи диссертации. стр.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1. Описание экспериментальной установки

2.2. Методика проведения измерений стр.64 стр.

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ЗАВИСИМОСТЕЙ ПАРАМЕТРОВ ПУЛЬСАЦИИ плЗЛЕНИЯ, ВИБРАЦИИ ОПОР И К.П.Д. ОТ ЗАЗОРА 1ДЕЛЕВОГО УПЛОТНЕНИЯ И ПОДАЧИ ЦБН.

3.1.Оценка зависимости величины зазора щелевого стр. уплотнения от параметров пульсации давления в ЦБН.

3.2. Расчет зависимости к.п.д. от зазора щелевого стр. уплотнения, подачи насоса и вязкости трансопртируемой среды.

3.3.Оценка зависимости параметров вибрации опор насоса от стр. 104 зазора щелевого уплотнения и подачи насоса.

3.4.Методика оценки зазора щелевого уплотнения, к.п.д. в стр. процессе эксплуатации и необходимости ремонта насоса.

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ (НДС) И НОРМИРОВАНИЕ ВИБРАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ ЦБН.

4.1 .Расчет напряженно-деформированного состояния стр. 116 трубопроводов ЦБН с учетом параметров вибрации.

4.2.Разработка методики нормирования вибрации стр.122 трубопроводов ЦБН.

4.3.Оценка влияния силы статического натяжения на стр.127 напряжение в трубопроводах ЦБН.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование работы центробежных насосов магистральных нефтепроводов в режимах малых подач»

Основные задачи эксплуатации центробежных насосов магистральных нефтепроводов и нефге п роду кто п ровод ов в режимах малых подач.

В настоящее время системы трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов эксплуатируются в режимах резкого снижения производительности. При этом центробежные насосы (ЦБН) работают в режимах малых подач, в большинстве случаев не превышающих 50% от номинальной. Работа ЦБН в таких режимах приводит к снижению эффективности и надежности, вызванных следующими причинами.

Снижение подачи ЦБН изменяет условия движения жидкости в центробежном колесе, обуславливающему рост колебаний (пульсаций давления и скорости жидкости) и появление рециркуляционных зон. В результате происходит не только снижение коэффициента полезного действия (к.п.д.) насоса, но и появляются дополнительные динамические нагрузки на элементы насоса, снижающие их долговечность.

Хорошо известно, что одной из основных причин снижения к.п.д. насоса при работе в оптимальном режиме является износ щелевого уплотнения, приводящий к появлению потока утечек из области нагнетания в область всасывания. Рост зазора уплотнения обычно ограничен минимально допустимой величиной к.п.д. насоса, которая не может быть меньше 83% [1]. Однако существующие нормативы на износ щелевого уплотнения получены в результате статистической обработки экспериментальных данных и не учитывают индивидуальных свойств каждого агрегата, связанных с особенностями изготовления, сборки, сроком эксплуатации, рабочим режимом и т.п. При работе насосов в режимах малых подач заметно усилился износ щелевого уплотнения. В ряде случаев увеличение зазора до допустимых значений происходит значительно раньше, чем это предусмотрено существующими нормативными документами. В результате часто ЦБН работают при значениях к.п.д. ниже допускаемого. Для оценки величин утечек через щелевое уплотнение использовалась методика оценки утечек через торцевое уплотнение с подвижным элементом, приведённая в [2].

В соответствии с нормами износа щелевого уплотнения [1], весь диапазон износа был разделен на 4 части.

5о1=0,25 мм; 502-0,33 мм; 50з=0,5 мм; 504-0,66 мм; Малые величины щели и снижение перепада давления по обе стороны от уплотнения до 16 кг/см позволяет считать поток в уплотнении -ламинарным. При этом величина потока рассчитывается по формуле:

I ~А1 5 АгЕвх + Евых М где X - коэффициент потерь на трение; 96

Я = —, Не - число Рейнольдса; ^вх, ^вых - коэффициент потерь на входе и 11е выходе; с! - диаметр уплотнения; 1 - длина уплотнения; ЛН - перепад напора в уплотнении; 5о- радиальный зазор.

Для различных размеров щелевых уплотнений величины утечек через щелевые уплотнения для насоса НМ 3600-230 равны

201=44 м3/час; р02=78 м3/час; С>0з=144 м3/час; 004=216 м3/час; Такой поток утечек приводит к уменьшению к.п.д. на следующие величины: 0,25.0,33 - 1,2.2,1%; 0,5.0,66 - 4.6 %.

Поэтому в настоящее время наиболее актуальной задачей повышения эффективности эксплуатации ЦБН является разработка методики диагностического обследования зазора щелевого уплотнения. При этом количественные характеристики износа щелевого уплотнения должны

Ш \*1гГ

О 200

Дик ~~ JJUмм

1000 1800 2600 3400 4000

С), м3/ч

Рис.2 Зависимость виброускорения подшипнка от подачи при различных диаметрах предвключенногоколеса насоса НМЛ 3600/2500.

Рис.3 Зависимость виброускорения подшипника от подачи при различных углах установки лопасти предвключенного колеса насоса НМЛ 3600/2500. оцениваться путем косвенных измерений, что позволит определить мгновенную величину к.п.д., прогнозировать его изменение во времени, . . псиилидимл1й и ирихуп омоида а рсмит,

Поскольку расходы на электроэнергию являются основной частью эксплуатационных расходов в системах трубопроводного транспорта, то своевременный вывод насосов в ремонт позволит повысить технико-экономические показатели работы этих систем.

Наличие дополнительных гидродинамических сил, связанных с движением жидкости в центробежном колесе в режиме малых подач привело к росту нагрузок и усилению вибрации основных элементов насосной установки. Это, прежде всего, сказалось на вибрации подшипниковых узлов и трубопроводов. Рост вибрации привел к резкому усилению износа подшипниковых узлов по сравнению с работой в режимах, близких к оптимальному. Нередкими стали случаи аварийной остановки насосов, связанных с разрушением подшипниковых узлов.

Изменения рабочих характеристик и вибрации корпуса подшипника насоса НМ10000-210 в зависимости от подачи [3] приведены на рис.1. Как следует из приведенных данных, снижение подачи приводит не только к снижению к.п.д., но и к увеличению уровня вибрации насоса.

В работе [4] были проведены измерения параметров вибрации (СКЗ вибрации) подпорного нефтяного насоса НМП 3600/2500 с предвключенным шнековым колесом в зависимости от диаметра предвключенного колеса Опк, рис.2 и углов установки лопасти (Зп, рис.3 на недогрузочных режимах подач.

Как следует из приведенных данных, снижение подачи в 2 раза по сравнению с номинальной приводит к резкому увеличению интенсивности вибрации.

Для определения действий работоспособности подшипниковых узлов необходим периодический вибродиагностический контроль, оценка и прогнозирование технического состояния подшипниковых узлов.

Методология вибрационной диагностики подшипников ЦБН приведена в [1,5,6].

ТПГТТ ---- ------ ------ ------------и рч^лчптыл толшл нидач .зпачи 1 сльпи у^ИЛИЯаиЬ вибрация присоединенных трубопроводов. Это связано с тем, что основной причиной вибрации являются колебания транспортируемого потока, а при работе в режимах малых подач интенсивность колебаний резко усиливается. Рост интенсивности колебаний потока жидкости в трубопроводе приводит к тому, что на отдельных участках системы могут образовываться кавитационные зоны, обуславливающие дальнейший рост пульсации потока и увеличивающие вероятность разрушения трубопровода. Попытки снизить уровни вибрации путем усиления жесткости опорных конструкций и использования неподвижных опор не всегда позволяют решить задачу, поскольку в таких опорах не используются элементы, диссипирующие энергию колебаний. При этом, если на начальной стадии эксплуатации, когда запас несущей способности труб велик, некоторое увеличение уровня вибрации не оказывает существенного влияния на надежность работы трубопровода, то после того, как срок эксплуатации приближается к нормативно допустимому и в трубопроводе развились микротрещины, увеличение уровня вибрации может стать основной причиной разрушения трубопровода.

Основной задачей анализа технического состояния присоединенных трубопроводов при работе в режимах малых подач является оценка опасности вибрации, в основу которой следует положить взаимосвязь параметров вибрации и напряженно-деформированного состояния (НДС) трубы, нормирование уровней вибрации и выявление наиболее опасных режимов работы.

На основании опыта эксплуатации ЦБН известно, что конструкция и размеры фундамента под насос и электродвигатель не позволяют в достаточной степени снижать динамические нагрузки, возникающие даже при работе насоса в оптимальном режиме. При работе ЦБН в режимах малых подач в фундаменте часто появляются трещины, приводящие к тому, что разные участки фундамента вибрируют с разными частотами. Это резко

-----— тт—-------------г---------г

1 х п инии г и 1 <л. ДЛЛ «^ДЧ^ШЧМ раии1иИНЛ/ШПЛ1И фундамента и его технического состояния необходим периодический вибрационный контроль. Основные положения контроля технического состояния фундаментов роторных машин приведены в [1,5,6].

Особенности рабочего процесса ЦБН приводят к тому, что наряду с повышением напора в транспортируемой жидкости появляются динамические составляющие потока (пульсация потока), интенсивность которых зависит от конструкции насоса и режима работы. Основной составляющей колебаний потока жидкости в ЦБН является лопаточная гармоника, частота которой равна произведению числа лопаток на число оборотов. Наряду с лопаточной гармоникой при работе ЦБН появляется ряд ее высших гармоник, связанных с нелинейными свойствами процесса и парциальными резонансами в системе. Кроме того, при работе ЦБН в потоке жидкости всегда присутствует оборотная составляющая пульсации, амплитуда которой зависит от величин дебаланса, расцентровки валов других дефектов в насосе и особенностей конструкции. Именно появление дополнительных пульсационных составляющих потока приводит к снижению к.п.д. насоса и изменению условий движения жидкости в центробежном колесе. Но, если в режимах оптимального к.п.д. амплитуда лопаточной составляющей пульсации значительно превышает амплитуду оборотной составляющей, то при работе в режимах малых подач амплитуды этих гармоник становятся примерно равными. В оптимальнохм режиме амплитуда оборотной составляющей не превышает 30-40% амплитуды лопаточной, в режимах малых подач это соотношение составляет 80-120% [7]. Рост низкочастотной пульсации проявляется особенно сильно на вибрации трубопроводов, которая становится угрожающей при появлении резонансов в гидродинамической или механической системах.

С ростом зазора щелевого уплотнения, определяющего поток перетечек из области нагнетания в область всасывания и являющегося

ОСНОВНОЙ причиной С11"ЯСС1"1Я 1С.П.Д. насоса, ДОЛЖНЫ й31у1спл1ы.л иарамсфЫ пульсации потока в полости насоса и присоединенных трубопроводах. В результате модуляции лопаточной или оборотной гармоник характерными частотами, связанными с наличием потока перетечек, могут образовываться дополнительные частотные составлячющие пульсации - боковые гармоники. Амплитуда боковых гармоник является диагностическим признаком, характеризующим инстенсивность потока перетечек. Так, если амплитуда этих гармоник превысит 10-15% амплитуды образующей гармоники,то велика вероятность того, что зазор в щелевом уплотнении превышает допустимое значение.

Наряду с использованием коэффициента модуляции для оценки зазора могут быть использованы другие диагностические признаки: среднеквадратическое значение амплитуд пульсации в различных диапазонах частот, спектр огибающей, коэффициенты автокорреляции и взаимной корреляции [5]. Эти диагностические признаки позволяют получить количественные оценки потока перетечек, а следовательно, и мгновенную величину к.п.д. насоса.

Таким образом, основные задачи повышения эффективности и надежности эксплуатации ЦБН в режимах малых подач сводятся к оценке взаимосвязи параметров потока перетечек через щелевое уплотнение и параметров пульсации потока жидкости в полости насоса и трубопроводах, а также к оценке взаимосвязи параметров вибрации с НДС трубы и разработке методики оценки опасности вибрации.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ», Василенко, Станислав Станиславович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика диагностики износа щелевого уплотнения, основанная на измерении параметров пульсации (колебаний) давления жидкости в полости ЦБН.

2. Установлено, что отношение амплитуды оборотной составляющей пульсации давления в полости насоса к среднеквадратическому значению в диапазоне частот 10 1000 Гц является диагностическим параметром при оценке износа щелевого уплотнения.

3. Получена зависимость относительной амплитуды оборотной составляющей пульсации давления в полости насоса от величины зазора щелевого уплотнения и относительной подачи.

4. Установлено, что поток утечек через щелевое уплотнение уменьшает к.п.д. ЦБН на 2.5 -4- 3.0 %. Получены зависимости к.п.д. от зазора уплотнения, вязкости транспортируемой жидкости и относительной подачи.

5. Разработана методика вывода ЦБН в ремонт по изменению зазора щелевого уплотнения и к.п.д.

6. Разработана методика определения НДС трубопровода ЦБН, основанная на расчете составляющих тензора напряжений, связанных с давлением жидкости, продольной силой статического натяжения, возникающей при движении жидкости по криволинейной поверхности, и измеренными параметрами вибрации.

7. Исследована зависимость продольной силы статического натяжения и соответствующих составляющих тензора напряжений от сортамента труб и давления жидкости. Показано, что в исследованных диапазонах изменения переменных, напряжение, вызванное этой силой, достигает 30% от предела текучести.

8. Получено уравнение нормирования, позволяющее оценить опасность вибрации трубопроводов ЦБН с учетом напряжений, вызванных давлением жидкости и силой продольного натяжения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Василенко, Станислав Станиславович, 2000 год

1. Руководство по организации эксплуатации и технологии механического обслуживания и ремонта оборудования сооружений нефтеперекачивающих станций. РД 153-39ТН-008-96 Уфа, 1997, ВНИИСПТНефть.

2. Э.А.Васильцов. Бесконтактные уплотнения. Машиностроение Л, 1974, с.157.

3. В.А. Белозёров, В.И. Еронен и др. Промышленные исследования работы магистральных центробежных насосов. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. №12 1982, с.3,4.

4. В.А.Куценко, В.П. Братник. Повышение надёжности работы подпорных нефтяных насосов на недогрузочных режимах. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. №10, 1970, с.27-30.

5. М.Д. Генкин, А.Г. Соколова. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М. Машиностроение, 1987,с.283.

6. С.С. Василенко К вопросу повышения эффективности и надёжности эксплуатации центробежных насосов магистральныхнефтепродуктопроводов, работающих в режимах малых подач. Труды второй международной конференции «Энергодиагностика» Т.4.1. М. 1999 с.

7. A. Goulas, G.Truscott. The flow field at the tip of an impeller at off-design conditions. ImechE 1988. C366/88 p.51-60

8. G.Caignaert, J.P.Barrand, B.Desmet. Recirculation at impeller inlet and outlet of centrifugal pump. IMechE 1988 C3 37/88 p.61-68

9. K. Ochsner, О von Bertell. Part-load perfomance of induser pumps ImechE, 1988, C342/88, p.105-108.

10. G. Ludwig, В. Stoffel. The influence of the suction sided gap flow on part load recirculation and blade cavitation in centrifugal pump. (ISROMAC-3) Honolulu 1990.

11. M.Sano Reduction of pressure pulsations in pumps and piping systems. Trans Jpn. Mech. Eng. Vol52 N474 В 1986-2 p.578

12. А.А. Иванюшкин, JI.П. Наконечный и др. Исследование пульсаций давления в одноступенчатом насосе. Химическое и нефтяное машиностроение. №11., 1987, с.29-30

13. Y.Kawata, S.Uehara, Prediction of system instability by measuring the dynamic characteristics of prototype multistage centrifugal pump. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd technical Review vol25. N3, Oct 1988, pl60-165.

14. H.C. Яловой, П.Д. Ксендзовский и др. Спектры низкочастотных пульсаций давления при работе центробежного насоса в условиях кавитационного срыва напора. Известия ВУЗ. Авиационная техника № 10, 1986, с.89-93.

15. Cooper P., Wotring Т. Minimum continious stable flow in feed pumps. Simposium Proceedings Power Plant pumps ERPI CS-5857 p.2-97. 1988.

16. Sloteman D.P., Cooper P. Design of high energy pump impellers to avoid cavitation instabilities and damage. Power Plant pumps Simposium Tampa Florida ERPI1, 1991.

17. Katsanis Т., McNally M.D. Revised fortran program for calculation velocities and streamlines on a blade to blade surface of a turbomachines NASA, TMX-1764, 1969.

18. Graf E., Sloteman D.P. Three dimentional flow analysis in a multistage pump crossover diifuser. Fluid machinery components FED Volume 101, ASME 1990.

19. Gopalakrishnan S., A new method for computing minimum flow. Proceedings of the fifth international pump users symposium. Turbomachinery Laboratory. Department of mechanical engineering Texas Univer. Texas 1988.

20. Чегурко JI.Е., Габов Б. А. Уменьшение пульсации давления жидкости и повышение экономичности насосов. Энергетическое машиностроение. Экспресс-информация НИИЭинфорэнергомаш М. 1987. Вып. 10 с.4-9

21. Makay E., Barrett J.A. Ten ways to improve high-energy pump perfomance. Power, January 1988, p.37-40

22. Шильман A.X. Исследование пульсаций потока жидкости в центробежном насосе. Автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н. Московский институт нефтехимической и газовой промышленности им. И.М.Губкина М. 1972

23. Демидов С.П. Теория упругости. —М.: Высш. шк., 1979. -432 с.

24. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. -М.: Изд. Моск.ун-та, 1978.-287 с.

25. Ингульцов С.В. Собственные и вынужденные колебания разветвленных трубопроводных систем энергетических установок. Автореферат дис.канд.техн.наук. Харьков, 1981.-21 с.

26. Клюшников В.Д. Математическая теория пластичности. -М. : Изд. Моск. ун-та, 1979.-208 с.

27. Мяченков В.И. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. -М.: Машиностроение, 1989.-520с.

28. Партон В.З., Перлин П.И. Методы математической теории упругости. -М.: наука, 1981.-688 с.

29. Петушков В.А. О динамике и прочности трубопроводных систем при сейсмических воздействиях // Проблемы прочности, 1986, №10. с.94-102

30. Поляков В.А. разработка методики нормирования вибрации трубопроводов больших диаметров с целью повышения их надежности. Автореферат дис.канд.техн.наук. -М.: 1989.-21 с.

31. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.1. -М.: Наука, 1983. 528 с.

32. СниП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.-52 с.

33. Федорович Е.Д., Фокин Б.С., Аксерольд А.Ф., Гольдберг Е.Н. Вибрации элементов оборудования ЯЭУ. -М.: Энергоатомиздат, 1989. -168с.

34. ANSI В.31.3, Code for Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping, 1980.

35. ANSI B.31.4, Code for Liquid Petroleum Transportation Piping Systems, 1979.

36. ANSI B.31.8, Code for Gas Transmission and Distribution Piping Systems, 1982.

37. DnV Rules For Submarine Pipiline Systems, 1981.

38. Paz M., Mechelow J. "Stiffness Analysis of Network Pipes Conveying Fluid", 33 rd Internetional Conference on Pressure Vessel Technology, April 1922, 1966, pp.143-148.

39. Pisarevsky V.M., Polyakov V.A. Normalization of pipe-line system vibration //2nd International conference "PIPELINE INSPECTION". October 1418 1991, Moscow.-M.: 1991, pp. 154-158.

40. Stephens D.R., McConnell D.P. "Pipeline design codes compared graphically", OGJ, July 29, 1985, pp. 139-144.

41. To C.W.S., Kaladi V. Vibration of piping systems containing a moving medium. "Trans. ASME: J. Pressure vesseltchnol", 1985, 107, N4, 344-349.

42. Е.И. Яковлев, В.Д. Куликов, А.В. Шибнев, В.А. Поляков, Н.С. Ковалевич, Ю.К. Шарабудинов. Моделирование задач эксплуатации систем трубопроводного транспорта. — М.: ВНИИОЭНГ, 1992 г. с.358.

43. Р.А. Новодержкин. Насосные станции систем технического водоснабжения. ТЭС и АЭС. М.Энергоатомиздат, 1980, с.263.1. УТВ1. Главный инже, Председа//? »титель МН» цкнв ООО г.

44. АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертационной работы С.С.Василенка в производство в ГАО «Приднепровские магистральныенефтепроводы»

45. Тема, научное исследование, результатом которых явилась разработка мероприятий:

46. Исследование насосных агрегатов НМ 3600x230 в нерасчетных режимах эксплуатации

47. Наименование предприятия, где произведено внедрение:

48. Кременчугское районное нефтепроводное управление. Наименование объекта, где произведено внедрение:

49. Нефтеперекачивающая станция "Кременчуг", насосные агрегаты НМ 3600x230.

50. Начальник технического отдела

51. Зам. Пред се дате ля Правления

52. ПРОТОКОЛ технического советаг.Кременчуг10» мая 2000 г.1. Присутствовали:

53. От ГАО «Приднепровские магистральные нефтепроводы»:

54. М.В.Стецькив Главный инженер - первый заместитель Председателя Правления

55. Г.В.Кулеба зам.Председателя Правления

56. И.И.Давидчук зам.Председателя Правления

57. И.Г.Шпак зам.главного механика

58. А.М.Савельев главный механик

59. Т.Ф.Левкович главный энергетик

60. С.И.Крицын начальник технического отдела

61. Ю.Г.Федоренко начальник отдела эксплуатации

62. С.С.Василенко начальник НПС "Лисичанск" Лисичанского РНУ Ю.В.Н.Коваль - инженер отдела главного механика

63. В.В.Иващенко начальник отдела АСУ ТП

64. В.Ф.Бестик главный метролог

65. От Российского Государственного университета нефти и газа им. Губкина:

66. Профессор кафедры транспорта хранения нефти и газа д.т.н. В.М.Писаревский1. Слушали;

67. О внедрении результатов диссертационной работы начальника НПС «Лисичанск» Василенко С.С. «Исследование работы центробежных насосов магистральных нефтепроводов в режимах малых подач». Решили:

68. Представленные в работе методы решения практических задач обеспечивают: