Влияние вязкости перекачиваемой среды на характеристики магистральных нефтяных насосов



В статье представлены результаты расчета характеристик нефтяных магистральных насосов серии НМ при изменении вязкости перекачиваемой среды. На основе метода пересчета характеристик насосов на вязкие жидкости по характеристикам насоса, испытанным на воде, получены значения основных параметров при работе в крайних интервалах вязкости. Определены значения вязкости перекачиваемой нефти, при которых необходим пересчет характеристик.

Ключевые слова: нефтяные насосы, вязкость, характеристики

Паспортные характеристики насосов получают на заводах — изготовителях при работе на чистой воде с температурой не выше 322 К и плотностью 988 кг/м³. Сырая нефть, нефтепродукты имеют плотность меньше 1000 кг/м³, но при этом их вязкость может быть значительно выше (в десятки раз), чем у воды. При перекачке центробежным насосом жидкости, имеющей вязкость, большую вязкости воды, характеристики насоса могут существенно изменяться [1].

Полезная мощность и потери мощности (за исключением механических потерь в сальниках и опорах) изменяются с изменением плотности перекачиваемой жидкости. С уменьшением плотности жидкости снижается полезная мощность и растет доля механических потерь вследствие чего снижается КПД насоса. С увеличением плотности, наоборот, увеличивается полезная мощность, КПД и доля потерь. Характеристика насоса Q-H (подача — напор) не изменяется в зависимости от плотности перекачиваемой жидкости. Давление, создаваемое насосом, изменяется прямо пропорционально изменению плотности жидкости.

Изменение вязкости оказывает значительно большее влияние на характеристику насоса, чем плотности [1]. Изменение вязкости в основном влияет на дисковые потери и гидравлические сопротивления потоку жидкости в каналах насоса. Их изменение оказывает значительно большее влияние на потребную для привода насоса мощность, чем изменение плотности жидкости и объемных потерь. Поэтому при перекачке вязких сырых нефтей и нефтепродуктов потери мощности резко возрастают, а КПД насоса снижается. При этом уменьшаются напор и подача жидкости. Напор при нулевой подаче остается примерно на том уровне, на котором он был при перекачке воды. Поэтому кривая Q-H с повышением вязкости становится круче.

Пересчет характеристик насосов с условий перекачки воды на перекачку другой, более вязкой жидкости основан на экспериментальных данных, т. к. теоретическое решение этого вопроса невозможно из-за сложности и недостаточной изученности явлений, происходящих в насосах. В настоящее время существует более 20 методов пересчета характеристик центробежных насосов [1]. Значительный вклад в методологию внесли Д. Я. Суханов, Р. И. Шишенко, М. Д. Айзенштейн и ряд других авторов.

При анализе работы центробежных насосов, перекачивающих вязкие жидкости, изменение характеристик при увеличении вязкости ориентировочно определяется при помощи поправочных коэффициентов подачи , напора и КПД для характеристик насоса Q_в, Н_в, η_в, полученных на воде.

Метод пересчета характеристик насосов на вязкие жидкости по характеристикам насоса, испытанного на воде, изложенный М. Д. Айзенштейном [2], основан на следующих предпосылках, подтвержденных опытными данными:

1) при постоянном числе оборотов характеристики насоса Q–H падают с увеличением вязкости таким образом, что коэффициент быстроходности остается неизменным в точке оптимального КПД, т. е. выполняется условие

. (1)

В формуле (1) индексы «1» и «2» относятся к жидкостям различной вязкости;

2) при постоянном числе оборотов и переменной вязкости характеристика Q–H падает с увеличением вязкости, но напор при нулевой производительности остается неизменным; таким образом, крутизна характеристик Q–H насоса увеличивается с увеличением вязкости;

3) при работе насоса с постоянным числом оборотов и перекачке вязкой жидкости увеличение потребляемой мощности остается тем же самым по абсолютной величине для широких пределов изменения производительности;

4) законы подобия сохраняют свое действие для случая перекачки жидкости любой вязкости; вместе с тем результаты пересчета будут занижены при переходе от меньших чисел оборотов к большим, так как число Re возрастет при больших оборотах и, следовательно, возрастут также коэффициенты . При пересчете характеристик с больших оборотов на меньшие результаты будут завышены в сравнении с опытными данными.

С увеличением вязкости всасывающая способность насоса ухудшается. Однако в настоящее время нет достаточных экспериментальных данных для вывода зависимости между допустимой высотой всасывания при работе насоса на воде и при перекачке им вязких жидкостей.

По методике Айзенштейна проведен пересчет характеристик насосов типа НМ, предназначенных для перекачивания нефтепродуктов по магистральным трубопроводам, с воды на нефть. Рассматривались две группы центробежных горизонтальныx насосов: НМ производительностью от 180 м³/ч до 710 м³/ч однокорпусные и двухкорпусные секционного типа с односторонним расположением рабочих колес; НМ производительностью 1250÷10000 м³/ч одноступенчатые спирального типа с рабочим колесом двустороннего входа [3].

Задавались минимальные и максимальные значения вязкости перекачиваемой нефти (согласно паспортам насосов) ν_min=5 мм²/с, ν_max=300 мм²/с, плотность принята 850кг/м³. По результатам расчетов построены характеристики всех насосов серии НМ: Напор Н, м, КПД η, %, мощность N, кВт. На рис. 1,2,3 представлены характеристики насоса НМ 2500–230 для максимальной и минимальной вязкости перекачиваемой нефти и воды.

Рис. 1. Зависимость напора насоса НМ 2500–230 от подачи при различных значениях вязкости перекачиваемой среды

Рис. 2. Зависимость кпд насоса НМ 2500–230 от подачи при различных значениях вязкости перекачиваемой среды

Рис. 3. Зависимость мощности насоса НМ 2500–230 от подачи при различных значениях вязкости перекачиваемой среды

В таблицах 1 и 2 представлены значения изменений параметров насоса при работе на нефти с минимально допустимой вязкостью (согласно техническому паспорту) в процентах по отношению к максимальной вязкости в пределах рабочей зоны , м³/ч [4].

Таблица 1

Изменения значений характеристик насосов НМ 180÷710 впроцентах

Тип насоса	νкр, мм2/с	Напор			КПД			Мощность
		∆Н1	∆H	∆Н2	∆η1	∆η	∆η2	∆N1	∆N	∆N2
НМ 180–500	73,00	16,7	28,9	47,1	108,4	111,4	116,2	-34,2	-28,4	-20,1
НМ 250–475	93,30	10,7	17,8	27,7	95,6	95,6	95,6	-33,5	-29,2	-23,3
НМ 360–460	90,10	7,0	11,5	17,4	96,5	96,5	96,5	-36,0	-33,3	-29,9
НМ 500–300	90,10	10,8	18,0	27,9	96,5	96,5	96,5	-33,8	-29,5	-23,5
НМ 710–280	97,4	11,4	19,1	29,8	94,3	94,3	94,3	-32,7	-28,0	-21,5

Таблица 2

Изменения значений характеристик насосов НМ 1250÷10000 впроцентах

Тип насоса	νкр, мм2/с	∆Н	∆η	∆N
НМ 1250–260	104,1	16,0	47,3	-1,6
НМ 2500–230	111	15,9	41,4	-2,4
НМ 3600–230	130	15,8	38,0	-4,5
НМ 7000–210	164	10,3	21,7	-5,0
НМ 10000–210	208,9	15,4	30,9	-9,2

По данным результатов расчета, рис. 1–3, табл. 1,2 можно сделать следующие выводы.

1. С увеличением вязкости перекачиваемой нефти значения напора и кпд снижаются, а потребляемая мощность увеличивается. Для насосов НМ 1250÷10000 влияние вязкости на характеристики имеет значительно меньшее значение (средние значения изменений по напору 14,7 %, кпд 35,8 %, мощности 4,6 %), чем для насосов НМ 180÷710 (при номинальном значении подачи Q, средние значения изменений по напору 19,1 %, кпд 98,8 %, мощности 29,7 %).
2. Насосы с меньшей производительностью НМ 180÷710, характеризуются большим влиянием изменения вязкости на характеристику (ν_кр=73÷97,4мм²/с), чем насосы НМ1250÷10000 (ν_кр=104,1÷208,9мм²/с).
3. Для насосов НМ1250÷10000 изменение каждой характеристики происходит на одинаковую величину и не зависит от значения подачи. Для насосов НМ 180÷710 происходит увеличение изменения величин с ростом подачи (см. табл.1).

На основе метода пересчета характеристик насосов на вязкие жидкости, получены значения основных параметров нефтяных магистральных насосов серии НМ при работе в крайних интервалах вязкости. Найдены значения вязкости перекачиваемой нефти, при которых необходим пересчет характеристик. Анализ результатов позволил установить численные значения изменений характеристик в зависимости от вязкости среды.

Литература:

1. Караев, М. А. Работа центробежных насосов на вязких жидкостях: учеб. пособие /М. А. Караев, А. Г. Азизов, А. М. Рагимов, Г. Г. Рзаева. — Баку.: АГНА, 2005. — 175 с.
2. Айзенштейн, М. Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности / М. Д. Айзенштейн. — М.: Гостоптехиздат, 1957. — 363 с.
3. Китаев, Д. Н. Расчет нефтяного насоса и построение рабочей характеристики: учеб.-метод. пособие для студ. спец. 21.03.01/ Д. Н. Китаев; Воронежский ГАСУ. — Воронеж, 2015. — 66 с.
4. Тугунов, П. И. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов: учеб. пособие для вузов / П. И. Тугунов, В. Ф. Новоселов, А.А., Коршак, А. М. Шаммазов. — Уфа.: ООО «Дизайн-ПолиграфСервис», 2002. — 658 с.