Методика интерпретации замеров гидравлического КПД насосов на базе процедуры сравнения с паспортными данными

Раис Сулейманов, Уфимский государственный нефтяной технический университет

Промысловая практика показывает, что в настоящее время нефтяники особое внимание уделяют вопросам повышения эффективности эксплуатации насосных агрегатов установленной мощностью 500 и более кВт [1]. Так, в системе магистральных нефтепроводов нефтегазодобывающие объединения либо реанимируют разработанные в 80-ые годы методики определения КПД насосов [2,3,4], либо разрабатывают новые [5,6,7].

Однако измеренное значение КПД играет при таких исследованиях роль «справочной» величины, поскольку не дает однозначного ответа на вопрос о степени износа насоса. Исследования, проведенные авторами [6], показывают, в частности, что в большинстве случаев низкое значение КПД связано с выходом насоса из зоны его оптимального значения ввиду несоответствия рабочей характеристики насоса гидравлическим характеристикам сети.

Таким образом, при определении КПД насосов в рабочих условиях становится актуальной задача сопоставления измеренного значения КПД с паспортным при тех же гидравлических характеристиках сети.

Авторами разработаны обобщенный критерий и специальная процедура для сопоставления паспортного и измеренного значений КПД, позволяющая в конечном счете, находить закон изменения (тренд) КПД во времени.

Обобщенная характеристика центробежного насоса

Анализ паспортных характеристик насоса ЦНС-1422, широко применяемого в системе подержания пластового давления нефтяных месторождений, а также расчетных (по паспортным данным) значений потерь мощности и соответствующего нагрева перекачиваемой жидкости (dT) (в предположении, что все потери мощности в насосе идут на нагрев перекачиваемой жидкости) позволяет утверждать, что:

dT= (1- )* Nвал /(с*р*Q), (1)

где: = Q*dP/ Nвал (2)

р, с — соответственно, плотность, теплоемкость перекачиваемой жидкости,

dP = с*g*H — перепад давления на насосе (g — ускорение свободного падения, 9.81 м/с2).

Причем:

Nвал= Nгидр. + Nпотерь гидр. + Nмех, (3)

где Nгидр. = Q*dP — полезная (гидравлическая) мощность;

Nпотерь гидр. — гидравлические потери, связанные со способом создания полезного напора за счет кинетической энергии движения жидкости; именно с износом рабочих органов насоса (рабочих колес, направляющих аппаратов) связано увеличение этих потерь, в высоконапорных насосах величина их составляет 30-40% мощности, подаваемой на вал насоса;

Nмех — механические потери на трение в сальниках и подшипниках составляют от 1 до 3% потерь.

Если пренебречь последним, то можно записать с учетом (1):

Nвал Q*dP + с*р*Q*dT, (4)

откуда после несложных преобразований получаем:

1/ = 1 + c*р*dT/dP. (5)

Строго говоря, в (5) КПД (гидравлический) отличается от определения (2) в пределах погрешности (4). Однако для простоты изложения мы не стали вводить новое обозначение — тем более, что такого же порядка приближение неявно используется в (1).

На рис. 1 приведен график зависимости обратной величины КПД насоса 1/ от безразмерного комплекса 1+c*р*dT/dP (по данным расчетной части). Расчетная зависимость оказывается действительно линейной:

1/ = 1.0061*(1 + c*р*dT/dP) — 0.0526, (6)

с достоверностью линейной аппроксимации 0,993.

Аналогичные графики, построенные для остальных типоразмеров насосов серии ЦНС 180-**** показывают линейный характер рассматриваемой зависимости.

На рис. 2 приведен аналогичный график зависимости уже для низконапорного насоса ( КПД до 90%) по паспортным значениям МН 10000-210, — магистральный насос для перекачки нефти [8,9,10], — который также хорошо аппроксимируется линейной функцией:

1/ = 1,2197*(1 + c*р*dT/dP) — 0,2584, (7)

(величина достоверности — 0,999).

Таким образом, для достаточно представительного ряда рассмотренных центробежных насосов установлен линейный характер обобщенной зависимости между напором, мощностью на валу насоса, КПД и расходом в виде зависимости между dT, р, dP.

Полученные расчетные значения (по паспортным данным) связи между 1/ и 1+c*р*dT/dP действительно линейны (или близки к линейной в рамках замечания к формуле (4)), что дает возможность построения удобного критерия для проведения сравнения измеренных значений КПД насосов с паспортными значениями.

Сопоставление измеренного и паспортного значения КПД насосов

Полученные аппроксимации (см. ф. (6-7)) выражают собой обобщенную зависимость КПД насоса от напора, подачи и потребляемой насосом мощности — именно паспортную, если соответствующие значения выбраны из паспортной характеристики. Если же , dT, dP представлены реальными (измеренными) значениями, эти же соотношения позволяют произвести сравнение паспортного и измеренного значения КПД в результате одного действия.

А именно:

1. По результатам измерения dT и dP определяется значение (по одной из формул (6-7)), соответствующее «паспортной» зависимости (КПДпаспорт):

КПДпаспорт= [a*(1+c*р*dT/dP)+b]-1, (9)

где a, b — соответствующие формулам (6-7) коэффициенты.

2. Сравнение измеренного значения (КПДизм) и полученного по (9) «паспортного» значения КПДпаспорт производится путем деления первого на второе: = КПДизм./КПДпаспорт . (10)

3. В зависимости от того, равно или меньше 1 величина е (априори эта величина не должна превышать 1), делается вывод:

— если 1 в пределах погрешности измерений, то измеренное значение КПД соответствует паспортному значению, и вне зависимости от абсолютной величины КПДизм насос исправен (в этом случае, например, малые значения КПДизм объясняются не износом насоса, а соответствующими гидравлическими характеристиками сети, например «поджатым выкидом»;

— если < 1, то насос надо считать изношенным, и вопрос о его дальнейшей эксплуатации решать исходя из соображений технико-экономического характера.

Выводы

Таким образом, основными результатами проведенных исследований являются:новый обобщенный критерий, позволяющий линеаризовать нелинейные паспортные зависимости напора, КПД и мощности на валу центробежных насосов от подачи; оригинальная процедура сопоставления измеренных и паспортных значений КПД, позволяющая однозначно оценивать характер изменения КПД — в результате износа или несовпадения гидравлических характеристик насосов и сети; подтверждение того, что при проведении соответствующих мониторинговых исследований возможно установление аналогичных закономерностей и для других типоразмеров насосов и перекачиваемых жидкостей, а физическая интерпретация указанной зависимости не представляет особой сложности и является следствием законов сохранения энергии.

Литература

1. Хасанов Ф.Ф., Закиев В.Р., Таушев В.В., Гарифуллин И.Ш. Анализ опыта эксплуатации насосных агрегатов в системе ППД НГДУ «Уфанефть». Ж-л «Нефтяное хоз-во», 2002, №4. М.: Изд-во «Нефт. хоз-во», с. 98-101.

2. Методика определения КПД насосных агрегатов магистральных нефтепроводов.// РД 39-0147103-307-85, Миннефтепром СССР, утвержден 14 декабря 1985 г. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1986. 36 с.

3. Методика определения оптимального МРП насосов КНС в системе ППД на месторождениях Западной Сибири. РД 39-3-490-80.- Тюмень, СибНИИНП. 1980.

4. Методика проведения технического диагностирования центробежных агрегатов системы поддержания пластового давления. РД 39-01-48222-231-87Р.

5. Руководство по организации эксплуатации оборудования насосных станций систем сбора, подготовки нефти и ППД на предприятиях ЗАО «ЛУКОЙЛ-Пермь». РД 39Р-00147105-020-01. — Уфа: ИПТЭР. — 2001 г.

6. Колосов Б.В., Сулейманов Р.Н., Котович А.А. К вопросу определения гидравлического КПД центробежных насосов системы поддержания пластового давления Журнал «Нефтепромысловое дело», М.: ВНИИОЭНГ, 2001, №10, с. 15-18.

7. Методика измерения гидравлического К.П.Д. насосов системы поддержания пластового давления// РД 153-39.1-305-03. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003 г., 29 с.

8. Гумеров А.Г., Колпаков Л.Г., Бажайкин С.Г., Векштейн М.Г. Центробежные насосы в системах сбора, подготовки и магистрального транспорта нефти. М.: Недра, 1999, 295 с.

9. Гумеров А.Г., Гумеров Р.С.. Акбердин А.М. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций. М.: Недра, 2001 г., 475с.

10. Колпаков Л. Г. Центробежные насосы магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 1985, 184 с.

11. Турк В. И., Минаев А. В., Карелин В. Я. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат, 1977, 296 с.

Приводится в сокращении.

Полный текст статьи будет опубликован в журнале «Технологии ТЭК», № 1/2004.