УДК 622.692.4:621.31

К.т.н. Шабанов В.А.,  к.т.н. Павлова З.Х.

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия)

ОБ ОГРАНИЧЕНИЯХ, НАКЛАДЫВАЕМЫХ НА СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ  МАГИСТРАЛЬНЫХ НАСОСОВ нефтепроводОВ ПРИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ1

 

В последние годы большое внимание уделяется вопросам использования частотно-регулируемых электроприводов (ЧРЭП) для магистральных насосов (МН) нефтепроводов[1, 2]. Одной из задач, которую необходимо решить при использовании ЧРЭП на нефтеперекачивающих станциях (НПС), является выбор скоростей вращения МН [3, 4].  Эта задача носит оптимизационный характер. Решение задачи по оптимизации ЧРЭП и выбору оптимальных скоростей вращения МН выполняется в условиях многочисленных ограничений. Ряд ограничений обусловлены особенностями технологического режима перекачки нефти по трубопроводам и не связаны непосредственно с частотным   регулированием. Это  ограничения по минимальным подпорам на входе МН и максимальным напорам на выходе НПС, а также ограничения накладываемые наличием перевальных точек на топографическом профиле трассы нефтепровода [5]. Однако при частотном регулировании МН появляются и другие ограничения, связанные с энергетическими параметрами и режимами работы МН. В докладе рассматриваются ограничения, обусловленные влиянием скорости вращения МН на энергетические параметры и режим работы МН, а также ограничения, обусловленные взаимным влиянием МН технологического участка.

При выборе оптимальных скоростей вращения МН в качестве целевой функции чаще всего принимают  сумму мощностей, потребляемых всеми МН технологического участка  или удельный расход электроэнергии на перекачку. При этом скорости вращения МН являются управляемыми переменными, значения которых варьируются в процессе поиска оптимума.

В основе анализа  режимов перекачки нефти по трубопроводам лежит уравнение баланса напоров, которое для технологического участка имеет вид

,              (1)

где    aП, bП, ai, bi – коэффициенты напорной характеристики подпорных и магистральных насосов;     Q - производительность трубопровода, м3/ч;  Q* - производительность трубопровода, м3/с; n – число работающих магистральных насосов; mП – число работающих подпорных насосов на головной НПС (рисунок 1); f – гидравлический уклон при единичном расходе; L – длина технологического участка нефтепровода, м; Δz – разность геодезических  отметок, м; hост – остаточный напор в конце технологического участка, м.

Р - резервуары; ПН – подпорный насос; ЭД – электродвигатели; ПЧ – преобразователи частоты; ЭС – питающая электрическая сеть

Рисунок 1 – Схема технологического участка нефтепровода

Для перекачки нефти используются центробежные насосы. Напорная характеристика центробежного насоса при регулируемой частоте вращения может быть представлена в виде:

                                                                           (2)

где  aр и bр – коэффициенты аппроксимации напорной характеристики регулируемого насоса;

ν = ω/ωНОМ                                                                                        (3)

-  относительная скорость вращения насоса; ω и ωНОМ - текущая и номинальная угловые скорости вращения насоса;.

При установке ЧРЭП на k из n МН уравнение баланса напоров (1) с учетом выражения (2)  можно записать в виде

                                      (4)

где Аk и Вk – коэффициенты, определяемые по выражениям:

          ;                                                                   (5)       

.                                                (6)

Уравнение (4) лежит в основе анализа  установившихся режимов перекачки нефти по трубопроводам при ЧРЭП МН. Оптимизации ЧРЭП заключается в выборе оптимальных значений скоростей вращения регулируемых МН в выражении (4).  Рассмотрим основные ограничения, обусловленные влиянием скорости вращения МН на технологические и энергетические параметры, с учетом  которых должна решаться задача оптимизации  ЧРЭП МН.

Ограничения на КПД насосов.  При регулировании режима перекачки с помощью ЧРЭП изменяются КПД как регулируемых, так и нерегулируемых МН.  Графики  и формулы для КПД нерегулируемых МН в зависимости от подачи приводится в каталогах и справочниках.

Зависимость КПД насоса от производительности трубопровода при номинальной частоте вращения задается в каталогах и аппроксимируется выражением [6]

 ,                                                                          (7)                                                               

где     k1,  k2 и k3 – коэффициенты аппроксимации.    

При снижении подачи КПД нерегулируемых МН  снижается. На КПД регулируемых МН влияет не только подача, но и скорость вращения.  Эта зависимость может быть представлена в виде

.                                                              (8)

  При этом КПД регулируемых насосов при снижении подачи снижается в меньшей степени, чем КПД нерегулируемых МН, так как при снижении скорости вращения максимум КПД смещается в область меньших подач.

Для повышения эффективности ЧРЭП в процессе частотного регулирования КПД МН не должен снижаться ниже определенного значения, например, ниже 0,97 от номинального значения

.                                                                                     (9)

Для регулируемых МН с учетом (8)  ограничение (9) принимает вид:

.                                                                               (10)

 Ограничение на диапазон регулирования скорости вращения МН. Диапазон регулирования скорости МН должен быть ограничен сверху и снизу. Верхний диапазон скорости вращения МН ограничен механической прочностью вращающихся элементов электродвигателя и МН и в относительных единицах может быть принят равным 1,0 или 1,05. Минимально допустимая скорость вращения МН определяется скоростью вращения, при которой происходит открытие обратного клапана в обвязке насоса. При открытом обратном клапане поток жидкости проходит по трубопроводу, минуя насос, и МН не будет влиять на режим перекачки. Эту скорость вращения можно определить из выражения [3]

                                                                                       (11)

где νмин – минимально допустимая скорость вращения; QОТК – производительность трубопровода в м3/ч, определяемая из уравнения баланса напоров при отключенном насосе.

   Ограничение на число управляемых переменных.  Это ограничение формулируется следующим образом: число управляемых переменных в алгоритмах оптимизации должно быть на единицу меньше числа регулируемых МН.  Оно означает, что в процессе оптимизационных расчетов независимо можно задавать скорости вращения у всех регулируемых МН, кроме одного. Скорость вращения оставшегося насоса, должна вычисляться из уравнения баланса напоров (4).

1При подготовке  статьи использованы результаты исследований, выполненных при финансовой поддержке Министерства образования и науки  РФ.

 

Литература:

 

1 Гумеров А,Г., Гумеров Р.М., Акбердин А.С. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций. - М.: ООО «Недра – Бизнесцентр», 2001. – 475 с.

2 Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Перспективы использования частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на НПС.. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. – 63 с.

3 Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Определение нижней границы диапазона частотного регулирования электродвигателей магистральных насосов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2010. http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_3.pdf - 8 с.

4 Туманский А.П. Оптимизация режимов перекачки по магистральным нефтепроводам с нефтеперекачивающими станциями, оборудованными частотно-регулируемыми приводами // Транспорт и хранение нефтепродуктов.- 2005.- №8.- С. 11-14.

5  Коршак А.А., Нечваль А.М. Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа: Учеб. для вузов – Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2001. – 571 с.

6  Нечваль А.М. Основные задачи при проектировании и эксплуатации магистральных нефтепроводов. – Уфа: изд-во УГНТУ, 2005. -  81 с.