УДК 62-03 (075.8)

Технические науки/ 5. Энергетика

В.А. Шабанов, О.В. Бондаренко, З.Х. Павлова

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа)

ПРИНЦИПЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ЧАСТОТНО- РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПО ТРАССЕ МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕПРОВОДА¹

Современная технология перекачки нефти по магистральным нефтепроводам предусматривает деление трубопровода на технологические участки, отделенные друг от друга резервуарами. В пределах технологического участка перекачка нефти производится по системе «из насоса в насос», при которой магистральные насосы нефтеперекачивающих станций (НПС) соединяются последовательно. При этом магистральные насосы (МН) всех НПС технологического участка оказываются объединенными в единый технологический процесс и режимы их работы оказываются взаимосвязанными. Технологический участок магистрального нефтепровода содержит несколько нефтеперекачивающих станций (НПС), причем на каждой НПС в работе может быть до трех МН. Если устанавливать частотно-регулируемый электропривод (ЧРЭП) на всех МН технологического участка, то это потребует значительных капитальных вложений. В статье рассматриваются основные принципы, которые следует учитывать при размещении ЧРЭП по трассе технологического участка магистрального нефтепровода.

При системе перекачки из насоса в насос технологический режим перекачки описывается уравнением баланса напоров, которое при использовании ЧРЭП на одном из МН имеет вид:

, (1)

где ;

.

,

где a_П, b_П, a_i, b_i – коэффициенты напорных характеристик подпорного и магистрального насосов; n – число работающих магистральных насосов; m_П – число работающих подпорных насосов; Δz – разность геодезических отметок по концам технологического участка; h_ост – остаточный напор в конце технологического участка; m – коэффициент режим перекачки.

Коэффициенты А и В представляют собой коэффициенты уравнения баланса напоров при выключенном регулируемом насосе. Коэффициент В численно равен потере напора в трубопроводе при единичной производительности. Физический смысл коэффициента А виден из рисунка 1.

1, 2, 3. – напорные характеристики НПС: 1 - при номинальной частоте вращения всех МН; 2- при выключенном регулируемом насосе; 3 – при частоте вращения ν; 4 – характеристика трубопровода

Рисунок 1 – Совмещенные характеристики НПС и трубопровода

Решая (1) относительно производительности трубопровода, получаем

. (2)

Основная задача установки ЧРЭП на МН – обеспечить плавное регулирование пропускной способности нефтепровода [1, 2]. При этом выбор числа ЧРЭП и выбор НПС, на которых целесообразно установить ЧРЭП, должен производиться с учетом следующих принципов.

Принцип 1. Число и место установки ЧРЭП должно быть выбрано так, чтобы были обеспечены все режимы перекачки и требуемый диапазон регулирования подачи МН [3]. Для этого при проектировании ЧРЭП должны быть рассмотрены все возможные режимы перекачки в течение года с учетом изменения объемов поступления нефти (подкачки) от месторождений и поставки (отборов) нефти потребителям.

Принцип 2. При выборе НПС для установки ЧРЭП необходимо во всем диапазоне регулирования обеспечивать выполнение ограничений по минимальным подпорам на входе НПС и максимальным напорам на выходе НПС. При этом величины напоров Н_ПС и подпоров ΔН перекачивающих станций должны удовлетворять условиям [4]:

где H_{max i}, DH_{min i} – разрешенные значения напоров и подпоров i-й НПС.

Принцип 3. Необходимо учитывать ограничения, накладываемые наличием перевальных точек на топографическом профиле трассы нефтепровода. При этом величины напоров Н_П в местах расположения возможных перевальных точек должны удовлетворять условию [4]:

где h_П – геодезическая отметка i-й перевальной точки на трассе нефтепровода.

Принцип 4. Необходимо учитывать, что рабочий диапазон изменения частоты вращения МН ограничен сверху номинальной частотой, а снизу минимально допустимой частотой. При этом нижний предел рабочего диапазона при частотном регулировании МН ограничен открытием обратного клапана в обвязке насоса. При снижении частоты вращения МН ниже некоторого минимально допустимо значения, насос «выключается» из процесса перекачки и перестает влиять на производительность трубопровода [3].

Нижний предел частоты вращения может быть найден из уравнения напорной характеристики насоса

, (3)

где a_р и b_р – коэффициенты аппроксимации напорной характеристики регулируемого насоса; ν = ω/ω_НОМ - относительная частота вращения насоса; ω и ω_НОМ - текущая и номинальная угловые скорости вращения насоса.

При снижении частоты вращения насоса снижается развиваемый им напор. При некотором значении частоты вращения ν_мин напор, развиваемый насосом, снижается до нуля. Поэтому обратный клапан в обвязке насоса открывается, и весь поток нефти пойдет через открытый обратный клапан, минуя насос. Это равносильно выключению насоса из режима перекачки. Нижняя граница допустимой частоты вращения определяется из выражения (3) при Н=0:

, (4)

где Q - производительность трубопровода при отключенном регулируемом насосе.

Принцип 5. При выборе места установки ЧРЭП должны быть учтены не только все возможные режимы перекачки, но и последовательность режимов в течение года. При этом сначала производится выбор места установки ЧРЭП и требуемая частота вращения регулируемого МН для каждого из режимов в отдельности и затем определяется требуемый диапазон регулирования каждого из ЧРЭП с учетом последовательного перехода с одного режима перекачки на другой.

Принцип 6. Принцип экономичности. Исходя из принципа экономичности, число ЧРЭП должно быть минимально возможным. При этом обеспечение каждого из режимов перекачки целесообразно выполнять, исходя из установки одного ЧРЭП. Для этого подбирается такое число нерегулируемых МН, чтобы производительность трубопровода была больше требуемой, а при отключении предполагаемого регулируемого насоса она должна снижаться ниже требуемого значения. При таком подборе числа нерегулируемых насосов требуемая частота вращения регулируемого насоса всегда будет находиться внутри допустимого рабочего диапазона, так как требуемая частота вращения МН будет выше минимально допустимого значения по (4).

Принцип 7. На каждой НПС в работе может быть до трех МН. Они могут отличаться диаметром ротора насоса, напорными характеристиками, КПД и т.д. При этом допустимые диапазоны частотного регулирования могут отличаться. При выборе МН, на котором устанавливать ЧРЭП, предпочтение следует отдавать МН с наибольшим рабочим диапазоном регулирования, что будет иметь место при наименьшем значении частоты вращения по (4). Окончательный выбор должен производиться с учетом экономических соображений: ЧРЭП следует устанавливать на том МН, где это даст наибольшую экономию электроэнергии.

Принцип 8. Все изложенные принципы могут соблюдаться при нескольких вариантах размещения регулируемых насосов. Наилучший вариант должен определяться на основе оптимизационных расчетов.

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

Литература:

1 Шабанов В.А. Основы регулируемого электропривода основных механизмов бурения, добычи и транспорта нефти – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – 156 с.

2 Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Достоинства и перспективы использования частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на НПС // Управление качеством в нефтегазовом комплексе, 2011. Т. 2. - С. 63-66.

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 Нечваль А.М. Основные задачи при проектировании и эксплуатации магистральных нефтепроводов. Учебное пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - 81 с.