Нефть - главное богатство
России

Насосы


Транспортирование нефти, нефтепродуктов и жидких газов на всех ступенях их производства и потребления возможно главным образом при помощи насосов.

Применяемые насосы должны быть:

  1. надежными в работе и долговечными;
  2. экономичными в эксплуатации;
  3. удобными для монтажа и демонтажа.

Они также должны иметь минимальный вес и габариты и обладать максимальной высотой всасывания.

На нефтебазах применяются в основном центробежные, ротационные, поршневые и плунжерные насосы.

Применение насосов вихревых, струйных и эрлифтов ограничено из-за низкого к. п. д, и небольшой производительности.

Центробежные насосы

Конструктивное оформление центробежных насосов, применяемых в нефтяной промышленности, бывает различным и зависит от температуры и рода перекачиваемой жидкости. Промышленностью выпускаются насосы:

  1. холодные - для перекачки нефтепродуктов с температурой до 200° С;
  2. горячие - для перекачки нефтепродуктов с температурой от 200 до 400° С;
  3. для перекачки сжиженных нефтяных газов;
  4. кислотные и щелочные;
  5. водяные.

Характеристикой, определяющей тип насоса и влияющей на выбор числа ступеней, является коэффициент быстроходности.

Коэффициентом быстроходности называется число оборотов насоса nб , которое должна иметь геометрически подобная модель насоса, развивающая при оптимальном к. п. д. напор в 1 м при подаче 0,075 м3/сек.

В зависимости от величины удельной быстроходности рабочие колеса Центробежных насосов подразделяют на следующие:

  • тихоходные, nб = 40-80; 
  • нормальные, nб = 80-150;
  • быстроходные, nб = 150-300.

Маркировка насосов имеет следующие обозначения.

Цифры:

  • первая - диаметр всасывающего патрубка в миллиметрах, уменьшенный в 25 раз и округленный;
  • вторая - коэффициент быстроходности, уменьшенный в 10 раз и округленный;
  • третья - число ступеней.

Буквы:

Н - нефтяной;

Г - горячий, предназначающийся для перекачки нефтепродуктов с температурой от 200 до 400° С;

Д - первое рабочее колесо двухстороннего входа;

В - вертикальный;

К - консольный;

С - для сжиженных газов;

М - модернизированный.

Пример обозначения: 6НГ — 10 X 4 — центробежный насос, диаметр всасывающего патрубка 150 мм, нефтяной, горячий (температура от 200 до 400° С) коэффициент быстроходности 100, число ступеней 4.

Полный напор H, развиваемый центробежным насосом, в метрах столба перекачиваемой жидкости, не зависит от удельного веса жидкости.

Под кавитацией понимают образование на внутренних поверхностях насоса полостей с пониженным давлением. В результате снижения давления до величины, соответствующей процессу парообразования при температуре перекачки, жидкость начинает вскипать, и в ней образуются полости, заполненные паром; при малейшем увеличении давления происходит конденсация паров, и полости заполняются жидкостью с большой скоростью, вызывая удары о поверхности деталей насоса, повторяющиеся десятками тысяч раз в секунду.

В результате такого явления появляется вибрация насоса, шум, сопровождаемые разрушением стенок насоса, колеса и всасывающего подвода; уменьшаются расход перекачиваемой жидкости, создаваемый напор и к. п. д.

Явление кавитации при перекачках нефтепродуктов возникает:

  1. при понижении уровня в резервуаре, из которого перекачивается жидкость, ниже расчетного (допустимого);
  2. при регулировании подачи посредством задвижки на всасывающем трубопроводе;
  3. при недостаточном сечении всасывающего трубопровода или его засорении;
  4. при повышении температуры перекачиваемой жидкости;
  5. при неправильной установке насоса.

Высота всасывания обеспечивает подъем жидкости на геометрическую высоту всасывания и преодоление гидравлических сопротивлений во всасывающей линии.

При расходе Q = 0, т. е. при закрытой задвижке на напорном трубопроводе, развиваемый напор и мощность, потребляемая насосом, зависят от коэффициента быстроходности nб (как показано ниже).

Зависимость Н0 и N0 от удельной быстроходности

Из графика видно, что величина потребляемой мощности при Q = 0 составляет 30% от мощности при оптимальном режиме (при наибольшем значении к. п. д.) для насосов с nб = 60 и 180% - для насосов с nб = 400.

В последнем случае пуск насосов встречает большие затруднения вследствие большого пускового момента, и использование короткозамкнутых электродвигателей становится невозможным, а в некоторых случаях требуется даже применение специальных методов пуска насоса.

Регулирование подачи центробежных насосов можно производить:

  1. дросселированием в напорном или во всасывающем трубопроводе;
  2. перепуском жидкости из напорного во всасывающий трубопровод;
  3. заменой или обточкой рабочих колес;
  4. изменением числа оборотов.

Прикрытием напорной задвижки вводится в нагнетательную линию добавочное сопротивление, и производительность насоса может быть снижена до заданной величины за счет потери части энергии в задвижке. Такое регулирование является наименее совершенным и его применяют в пределах производительностей, ограниченных пологим участком кривой, представляющей характеристику насоса Q-H, когда невозможно осуществить регулирование изменением числа оборотов.

В некоторых случаях регулирование подачи насоса осуществляется задвижкой на всасывающем трубопроводе. При таком регулировании, в результате повышения вакуума на входе в колесо, возможно превышение допускаемой высоты всасывания, кавитация и срыв подачи насоса.

Регулирование производительности насоса перепуском части жидкости из нагнетательного трубопровода во всасывающий применяют, когда требуемая производительность находится на кривой характеристики насоса, слева от ее вершины. Регулирование перепуском происходит за счет потери энергии, соответствующей расходу перепускаемой жидкости, и является неэкономичным.

Регулирование подачи заменой или обточкой рабочих колес производится при редких и продолжительных по времени изменениях режима перекачки. Для этого необходимо иметь два или более комплектов рабочих колес различных размеров и производить замену или обточку по диаметру при необходимости изменения режима перекачки.

Регулирование изменением числа оборотов наиболее совершенно, так как к. п. д. насоса почти не меняется. Такое регулирование легко осуществляется при приводе насоса от двигателей, допускающих изменение числа оборотов (паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели с переменным числом оборотов).

При двигателях с постоянным числом оборотов регулирование можно производить при помощи гидромуфт.

В случаях, когда одного насоса недостаточно для обеспечения необходимой производительности или создания потребного напора, прибегают к параллельному или последовательному соединению насосов.

Параллельная работа нескольких центробежных насосов на один трубопровод применяется в насосных установках очень часто, так как она позволяет обеспечивать перекачки с большой производительностью посредством насосов, обладающих подачей меньшей, чем требуемая производительность перекачки.

При неисправности одного из насосов при этом способе происходит только некоторое уменьшение производительности перекачки вместо ее прекращения.

Выбор насосов для параллельной работы должен быть сделан на основе характеристик трубопроводов, причем идентичность характеристик насосов необязательна; рекомендуемыми условиями является равенство напоров при нулевом расходе (Q = 0) и работа каждого насоса в зоне высокого к. п. д.

На изображении (а) показано построение суммарной характеристики для двух параллельно работающих насосов. Суммарная характеристика, представленная кривой 1-2, находится путем алгебраического сложения абсцисс точек а1 и а2, принадлежащих кривым 1 и 2 (характеристики насосов 1 и 2), взятых при одинаковой ординате Н. Таким образом, при параллельной работе насосов необходимо складывать подачи при равных напорах

Q1+2=Q1+Q2

Построение суммарных характеристик центробежных насосов: а - включенных параллельно; б - включенных последовательно.

Последовательная работа нескольких центробежных насосов на один трубопровод осуществляется в тех случаях, когда напора, развиваемого одним насосом, недостаточно для обеспечения требуемой производительности перекачки по данному трубопроводу. Для этого два насоса, а в некоторых случаях даже и три, соединяют последовательно посредством внешних труб, причем соединяется нагнетательный патрубок одного насоса со всасывающим патрубком другого.

Перекачка вязких жидкостей центробежными насосами происходит с уменьшением подачи и напора насоса. Характеристики центробежных насосов в зависимости от величины вязкости перекачиваемой жидкости существенно изменяются. Изменение характеристик насосов при работе на более вязких жидкостях, чем вода, рассчитывается при помощи поправочных коэффициентов к характеристикам, полученным при работе насосов на воде.

Пересчет характеристик центробежных насосов с воды на вязкую жидкость основывается на применении теории гидродинамического подобия. Определяющим критерием является критерий Рейнольдса, пропорциональный отношению сил инерции к силам внутреннего трения.

В зависимости от критерия Rе по графикам, представленным ниже, являющимся обобщением экспериментальных данных работы центробежных насосов на высоковязких жидкостях, определяются к. п. д. насоса и относительные коэффициенты кQ, кH и кƞ для производительности, напора и к. п. д.

 

Обобщенный график для определения характеристик центробежных насосов при перекачках вязких жидкостей.

Поршневые насосы

Применяются для перекачки холодной нефти и нефтепродуктов (бензина, керосина и пр.), горячих нефтепродуктов и сжиженных газов (пропана, бутана и их смесей).

Насосы для перекачки холодных нефтепродуктов отличаются от обычных только удлиненными сальниками; набивка для сальников применяется из нефтеустойчивых материалов.

В насосах для перекачки горячих нефтепродуктов применяется водяное охлаждение сальников. Гидравлическая часть насоса, т. е. соприкасающаяся с перекачиваемой жидкостью, изготовляется из стального литья или стальных поковок.

Ручные поршневые насосы применяются для различных вспомогательных операций, где откачка связана с небольшой затратой усилий; например, для откачки нефтепродуктов из различных приемников, налива нефтепродуктов в мелкую тару и т. п.

Для перекачки вязких жидкостей поршневые насосы подходят более, чем центробежные, вследствие меньшего влияния вязкости жидкости на работу насоса. Допустимая предельная вязкость перекачиваемых нефтепродуктов зависит от типа насосов и от их подачи.

Ниже представлены области применения центробежных и поршневых насосов для перекачки вязких нефтепродуктов в зависимости от напора, вязкости и производительности перекачиваемого продукта.

 

Области применения насосов для перекачки вязких нефтепродуктов. 1 - максимальный допустимый предел применения центробежных насосов; 2 - рекомендуемый предел применения центробежных насосов.

При выборе центробежных и поршневых насосов необходимо также иметь в виду ограниченность применения центробежных насосов для малых производительностей, в связи с низким коэффициентом полезного действия их и нерациональностью конструкции.

Производительность поршневого насоса (м3/ч) пропорциональна числу ходов поршня и определяется по следующей формуле

Q = 60ƞ0kFSnψ,              

где ƞ0 - коэффициент наполнения;

k - число рабочих сторон поршня; для насосов простого действия k= 1, а двойного k = 2;

F - площадь поршня, м2;

S - ход поршня, м;

n - число двойных ходов или оборотов вала насоса в минуту;

ψ - коэффициент, учитывающий уменьшение объема перекачиваемой жидкости в насосах двойного действия за счет объема поршневого штока; ψ =(2F-f)/2F;

f - площадь сечения штока, м2.

Коэффициент наполнения ƞ0, или объемный коэффициент насоса, учитывает уменьшение действительной подачи насоса по сравнению с теоретической из-за утечек жидкости через сальники, клапаны и между поршнем и стенками цилиндра, а также в связи с выделением воздуха из перекачиваемой жидкости. Величина коэффициента наполнения зависит от конструкции насоса, числа оборотов, технического состояния и физических свойств перекачиваемой жидкости.

Приближенные значения коэффициента наполнения следующие:

Насосы для перекачки холодной воды

0,9-0,92

Насосы для перекачки нефти и вязких нефтепродуктов

0,8

Насосы для перекачки светлых нефтепродуктов

0,7-0,8

Насосы для перекачки cжиженных газов

0,7-0,6

Насосы для перекачки горячей воды

0,6

 Регулирование производительности поршневых насосов производят изменением числа ходов поршня или перепуском жидкости из нагнетательного трубопровода во всасывающий. Последний способ регулирования производительности является неэффективным из-за потери энергии на циркуляцию жидкости через насос и обводную линию.

Роторные насосы

К роторным насосам относятся: винтовые, шестеренные, пластинчатые, червячные, поршеньковые, кулачковые и др. Они работают по объемному принципу, так как всасывание и нагнетание осуществляются вытеснением поступившей в рабочий цилиндр жидкости посредством вращения ротора.

В связи с малыми зазорами между вращающимися частями и корпусом роторные насосы применяются для перекачки вязких нефтепродуктов, не имеющих загрязнений.

Роторные насосы применяются в случаях, когда требуется обеспечивать подачу жидкости и напор в пределах, указанных ниже:

  1. шестеренные для подачи от 0,25 до 40 м3/ч при давлении нагнетания до 20-30 кГ/см2 и числе оборотов до 3000 об/мин.
  2. винтовые для подачи от 1,5 до 500 м3/ч при давлении нагнетания до 175 кГ/см2 и числе оборотов до 10 000 об/мин;
  3. пластинчатые для подачи от 0,3 до 12 м3/ч при давлении нагнетания до 70 кГ/см2 и числе оборотов до 1500 об/мин;
  4. поршеньковые для подачи до 25 м3/ч при давлении нагнетания До 300 кГ/см2 и числе оборотов до 5000 об/мин.

Вязкость перекачиваемой жидкости для пластинчатых насосов допускается до 10 см2/сек, а для шестеренных, винтовых и др. - более 10 см2/ сек.

Лучшими насосами для перекачки вязких жидкостей являются винтовые, обладающие плавной подачей, простотой устройства и небольшим весом. Высота всасывания их достигает 4,5-5 м. Винтовые насосы, показаны на изображении ниже,  являются малогабаритными, быстроходными и легко соединяются непосредственно с электродвигателями.

 

Винтовые насосы: а - общий вид; б - двухвинтовой, уравновешенный, с центральным подводом и отводом жидкости (разрез и план); в - трехвинтовой, с двумя ведомыми винтами. 1 - крышка корпуса; 2 -корпус насоса; 3 - рубашка; 4 - ведомый винт; 5 - выходной патрубок; 6 - крышка корпуса с сальником; 7 - ведущий винт.

По принципу действия эти насосы представляют собой как бы поршневые, с бесконечным направленным в одну сторону движением поршня. Перемещаемая среда в насосе движется прямолинейно без завихрений и пульсации. Коэффициент полезного действия их выше других типов насосов и составляет ƞ = 0,85-0,90.

Винтовые насосы могут быть с успехом использованы вместо тихоходных поршневых насосов, требующих для своего привода от двигателей специальных редукторов.

Червячные или героторные насосы, недавно появившиеся в технике, отличаются простотой конструкции. В насосе вращается только один однозаходный червяк, помещенный в резиновую обойму, внутренняя полость которой представляет двухзаходную винтовую поверхность с шагом, в два раза большим шага червяка. При вращении червяка между ним и обоймой образуются свободные полости, в которые поступает перекачиваемая жидкость, перемещающаяся вдоль оси червяка.

Насосы применяются для перекачки загрязненных и вязких жидкостей.

Насосы прочих типов

Струйные насосы работают на принципе использования живой силы потока жидкости, пара или газа и обладают небольшой производительностью и низким к. п. д.; применяются преимущественно на мелких установках. Они используются при выкачке нефтепродуктов из вагонов-цистерн, при откачке остатков из барж и т. п.

Вихревые насосы, являющиеся насосами лопастного типа, применяются в нефтяной промышленности для перекачки нефтепродуктов (бензина, керосина, масел) с вязкостью до 1,2 см2/сек, не имеющих загрязнений.

Для создания разрежения во всасывающих линиях центробежных насосов, при пуске последних, применяются вакуум-насосы, преимущественно жидкостные.

Для перекачки битумов применяют насосы, имеющие паровую рубашку для обогрева корпуса.

Погружные насосы для обслуживания заглубленных резервуаров

По причине недостаточной высоты всасывания центробежных насосов встречаются затруднения при выкачке нефти и нефтепродуктов из заглубленных резервуаров. Заглубление насосной станции не всегда целесообразно. Поэтому для откачки нефтепродуктов из заглубленных резервуаров применяются центробежные насосы артезианского типа, называемые погружными.

Так как заглубленные резервуары имеют различную емкость, то и высота их различная и достигает 10 м. В связи с этим напорные колонки насосов могут изменяться по длине за счет изменения количества звеньев.

Предназначаются для использования насосы двух типов: НА (нефтяные артезианские) и ПНР (погружные нефтяные резервуарные).

Насосы типа НА, применяемые для вертикальных заглубленных резервуаров, состоят из трех основных узлов: собственно насоса, напорной колонки и опорной стойки (изображение ниже). Насос является многоступенчатым секционным, в котором рабочие колеса устанавливаются на вертикальном валу. Перекачиваемая жидкость из каждой ступени в другую переходит по направляющему аппарату, лопатки которого обеспечивают осевой вход жидкости в рабочее колесо. Так как в корпусе каждой секции насоса, во всасывающем колоколе и в напорной колонке установлены подшипники скольжения, смазка которых производится перекачиваемой жидкостью, то эти насосы применяются для перекачки нефтепродуктов, обладающих смазывающей способностью.

Погружные центробежные насосы для откачки нефтепродуктов из заглубленных резервуаров: а - из вертикальных; б - из горизонтальных. 1 - всасывающий колокол; 2 - втулка колокола; 3 - корпус секции насоса; 4 - рабочее колесо; 5 - вал насоса; 6 - переходник; 7 - вал промежуточный; 8 - крестовина; 9 - сальниковое устройство; 10 - опорная стойка; 11 - вал опорной стойки; 12 - корпус подшипника; 13 - шариковый подшипник; 14 - соединительная муфта; 15 - вертикальный взрывобезопасный асинхронный электродвигатель; 16 - напорный патрубок; 17 - напорная колонна; 18 - соединительная муфта; 19 - промежуточный подшипник.

Для горизонтальных заглубленных резервуаров применяются погружные насосы типа НВ, по конструкции аналогичные типу НА, но с нижним расположением напорного патрубка.

Погружные насосы типа ПНР представляют собой, единый агрегат, состоящий из центробежного насоса и электродвигателя, смонтированных в одном корпусе так, что рабочее колесо насоса находится на одном валу с ротором электродвигателя. Жидкость всасывается насосом через фильтр, являющийся одновременно опорной пятой насоса, затем она проходит через рубашку корпуса электродвигателя в наружный трубопровод. Пропуском жидкости через рубашку электродвигателя достигается охлаждение последнего.

Электродвигатель применяется асинхронный трехфазного тока о коротко замкнутым ротором, во взрывобезопасном исполнении, корпус электродвигателя заполнен маловязким маслом (с высокими диэлектрическими свойствами), находящимся под некоторым избыточным давлением по отношению к окружающей среде. Подача масла в электродвигатель из протектора производится по трубке, внутри которой проходит токопитающий кабель. Защитная масляная среда для двигателя и кабеля является дополнительным фактором увеличения взрывобезопасности насосной установки.

Погружные насосы типа ПНР могут применяться для нефтепродуктов с кинематической вязкостью от 0,015 до 1,0 см2/сек и температурой от -30 до +40° С.

Рассматриваемые насосы могут быть использованы для обслуживания одного или нескольких резервуаров. В связи с этим они устанавливаются или непосредственно на перекрытии резервуаров, или в отдельно расположенном колодце, к которому подводятся самотечные трубопроводы от нескольких резервуаров.

Ниже изображены схемы установки насосов на перекрытии резервуаров и в колодце.

Применение погружных насосов, устанавливаемых на резервуарах, исключает прокладку трубопроводных коммуникаций на большой глубине.

Способы установки погружных насосов: а - на покрытии резервуара; б - в колодце, для обслуживания четырех резервуаров (разрез и план). 1 - насосная часть; 2 - напорная колонка; 3 - резервуар; 4 - опора с фильтром; 5 - электродвигатель; 6 - люк; 7 - канал к резервуару; 3 -опора трубопровода; 9 - кабель; 10 - кабина электрического управления; 11 - маслопровод; 12 - токопроводящий кабель в масляной трубке; 13 - хомут; 14 - протектор с устройством для гидрозащиты; 15 - подводящий трубопровод; 16 - электродвигатель для привода задвижки; 17 - дыхательный клапан; 18 - предохранительный клапан; 19 - огневой предохранитель; 20 - колодец.