Расчет трубопровода

Расчет трубопровода

1. Гидравлический расчет трубопровода и построение его характеристики, подбор насоса

Рисунок 1.1 - Схема перекачки

Составим уравнение Бернулли для сечений 1-1:2-2 и 3-3:4-4

Для сечений 1-1 и 2-2:

Для сечений 3-3 и 4-4:

По определению, напор насоса - разность удельных энергий на выходе и входе в насос:

Полученное выражение представляет собой потребный напор

1.1 Гидравлический расчет всасывающей линии

Принимаем скорость движения во всасывающей линии V= 2 м/с

Оценим диаметр из уравнения неразрывности:

Q=V*S=const =>

По ГОСТ принимаем:

d_нар = 377 мм, δ = 5,0 мм →

Уточняем скорости во всасывающей линии:

) Определение потерь напора

;

Трубы стальные сварные с незначительной коррозией после очистки:

k_э=0,15* м

Re < Re₁ => турбулентный режим (зона гладких труб)

Коэффициент гидравлического сопротивления λ считаем по формуле:

Находим потери на трение:

Находим местные потери:

фильтр ξ=2,2;

задвижки ξ=2*0,15

Вход в трубопровод ξ=1;

колена ξ=2*0,23.

Определяем суммарные потери во всасывающей линии:

1.2 Гидравлический расчет нагнетательной линии

Принимаем скорость движения во всасывающей линии V= 2 м/с

Оценим диаметр из уравнения неразрывности:

Q=V*S=const =>

По ГОСТ принимаем:

d_нар = 377 мм, δ = 5,0 мм →

Уточняем скорости во всасывающей линии:

) Определение потерь напора

Трубы стальные сварные с незначительной коррозией после очистки:

k_э=0,15* м

Re < Re₁ => турбулентный режим (зона гладких труб)

Коэффициент гидравлического сопротивления λ считаем по формуле:

Находим потери на трение:

Потребный напор насоса

1.3 Подбор насоса

насос гидравлический трубопровод регулирование

По найденному потребному напору и необходимой подаче подбираем насос марки НМ 1250-260:

Q=1250 м³/ч

Н=260 м

n=3000 об/мин

Δh=18 м

1.4 Построение характеристики трубопровода

Для построения напорной характеристики трубопровода производим расчет для нескольких значений подачи. Результаты вычислений заносим в таблицу 1. Характеристика трубопровода представлена на рисунке 1.2.

Таблица 1 - Напорная характеристика трубопровода

Рисунок 1.2 - Характеристика трубопровода

2. Проверка всасывающей способности

Составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2

Кавитационный запас

Δh_доп=18 м.

Так как Δh_доп>Δh, то требуется подобрать подпорный насос

НПВ 1250-60 Δh_доп=2,2 м

Δh_доп<Δh, следовательно работа насоса без возникновения кавитации обеспечивается.

3. Характеристика насоса, его устройство и особенности его работы

.1 Насос магистральный

Рисунок 3.1 - Характеристика насоса НМ 1250-260

Насос типа НМ марки НМ 2500-230 с диаметром рабочего колеса 430 мм и частотой n=3000 с^-1.

Насосы типа НМ - центробежные горизонтальные одноступенчатые с рабочим колесом двустороннего входа и двухзавитковым спиральным отводом. Входной и выходной патрубки расположены в нижней части корпуса и направлены в противоположные стороны, что обеспечивает удобный доступ к ротору без отсоединения патрубков от технологических трубопроводов.

Рисунок 3.2 ― Продольный разрез одноступенчатого насоса типа «НМ» с рабочим колесом двустороннего входа жидкости.

Горизонтальный разъем корпуса между нижней 1 и верхней 4 его частями уплотнен прокладкой. Ротор насоса состоит из вала 3, рабочего колеса 7, защитных втулок 5 и 6.

Двусторонний подвод жидкости к рабочему колесу и двухзавитковый спиральный отвод обеспечивает уравновешивание гидравлических осевых и радиальных сил, действующих на ротор.

Опорами ротора служат подшипники скольжения 8 с жидкой принудительной смазкой (под давлением) от маслоустановки агрегатов. Остаточное осевое усилие ротора воспринимают два упорных подшипника 9. Рабочее колесо литое, одностороннего входа. Направляющий аппарат - литой.

Для обеспечения бескавитационной работы насоса устанавливается литое предвключенное колесо.

Осевое усилие ротора уравновешено разгрузочным диском. Концевые уплотнения ротора - механические торцевые. Опоры ротора - подшипники скольжения с кольцевой смазкой и водяным охлаждением.

Крышки всасывания и напорная стягиваются стяжными шпильками, образуя вместе с секциями корпус насоса.

Насос и электродвигатель, соединенные муфтой, устанавливают на отдельных фундаментных рамах.

Направление вращения вала - по часовой стрелке, если смотреть со стороны электродвигателя. Насосы изготавливают по ТУ 26-06-1407-84.

.2 Подпорный насос

Перед основным насосом чаще всего на производстве ставят подпорный насос. Его назначение - создавать необходимое давление на входе в основной насос. Чтоб обеспечить ему нормальные условия всасывания.

Допускаемый кавитационный запас ∆ получают на основе снятия кавитационных характеристик и приводят в паспортах или каталогах. Пределы изменения ∆ для основных насосов от 18 до 80 м, для подпорных насосов от 2- х до 6 м. Такой малый кавитационный запас насосов позволяет им осуществлять нормальное всасывание из резервуарных парков НПС. На входе эти насосы дают давления, больше допускаемого давления основных насосов. Обороты подпорных насосов 1000 или 1500 об/мин.

В целях уменьшения капитальных затрат на строительство зданий подпорных насосных станций (цехов) в последнее время устанавливают вертикальные подпорные насосы (рис. 3.3) в открытом исполнении.

Конструктивно этот насос, расположенный в нижний части стакана 1, сходен с насосом НМП. Он также имеет рабочее колесо 16, предвключенные колеса 15, 17, вал 13, спиральный корпус. Нагнетательные патрубки 3, подводы 14, 18.

Рисунок 3.3 - Подпорный вертикальный насос типа НПВ

- стакан; 2 - спиральный корпус; 3 - нагнетательные патрубки; 4, 7 - напорные патрубки; 5, 20 - крестовины; 6,19 - подшипники скольжения; 8 - напорная крышка; 9 - втулка; 10 - радиально - упорный подшипник; 11 - электродвигатель; 12 - торцевое уплотнение; 13 - вал; 14, 18 - подводы; 15, 17 - предвключенные колеса; 16 - рабочее колесо.

На верхний фланец фонаря 11 устанавливается электродвигатель, соединяемый с помощью муфты с валом насоса. Нефть входит в стакан по всасывающему патрубку 21, выходит по напорным патрубкам 4,7. Весь вал вращается на подшипниках скольжения 6, 19, опираясь на крестовины 20, 5. Напорные патрубки конструктивно переходят в напорную крышку 8.

Подшипник 10 радиально - упорный. Он воспринимает нагрузку от вала двигателя. В месте выхода вала 13 из напорной крышки устанавливается торцевые уплотнения 12. Стакан 1 герметичный, он эксплуатируется под абсолютным давлением (0,05…0,1) МПа. Он опускается в колодец глубиной 3- 4 м. Это позволяет увеличить подпор на выходе в НПВ.

Рисунок 3.4 - Характеристика подпорного насоса НПВ 1250-60

Марка насоса читается так: «НПВ 1250-60» - насос магистральный подпорный вертикальный на оптимальную подачу 1250 м³/ч и напор Н_о = 60 м. Насосы НПВ изготовляют на подачи от 150 до 5000 м³/ч и напором от 60 до 120 м. Эти насосы допускают как последовательную, так и параллельную схему (чаще параллельно). Кавитационный запас насосов НПВ в пределах 2…5 м.

4. Пересчет характеристики с воды на перекачиваемый продукт

4.1 Пересчет характеристики НМ 1250-260

Таблица 4.1 - Характеристики насоса НМ 1250-260 при работе на воде

Определяем коэффициент быстроходности насоса

Где i=2 - число входов в рабочее колесо, j=1 - число ступеней насоса.

Определим переходное число Рейнольдса

Определяем число Рейнольдса

,

где D₂ - внешний диаметр рабочего колеса, D₂=395 мм.

Так как Re_н > Re_пер, то режим перекачки - автомодельный, пересчета подачи Q и напора H не требуется.

Пересчет КПД и мощности.

Выбираем коэффициенты, которые учитывают гидравлические и дисковые потери α и А.

α = 0,03 (при Re_н=210845)

А = 1700 (при n_s=70,46)

Пересчет КПД осуществляется по формуле:

При расходе Q=200 м³/ч:

Значения КПД для остальных значений подач приведены в таблице 4.2

Пересчет мощности:

При автомодельном режиме Q_н=Q_в, H_н =Н_в

N_н = N_в·(ρ_н/ρ_в)·η_в/ η_н

При расходе Q=200 м³/ч:

N_н = 370·(856/1000)·37/36 = 326 кВт.

Значения мощностей для остальных значений подач приведены в таблице 4.2

Таблица 4.2 - Характеристики насоса НМ 1250-260 при работе на перекачиваемом продукте

4.2 Пересчет характеристик НПВ 1250-60

Таблица 4.3 - Характеристики насоса НПВ 1250-60 при работе на воде

Определяем коэффициент быстроходности насоса

Определяем число Рейнольдса

Так как Re_н > Re_пер, то режим перекачки - автомодельный, пересчета подачи Q и напора H не требуется.

Пересчет КПД и мощности

Выбираем коэффициенты, которые учитывают гидравлические и дисковые потери α и А.

α = 0,04 (при Re_н=132017)

А = 800 (при n_s=104,4)

При расходе Q=200 м³/ч:

Значения КПД для остальных значений подач приведены в таблице 4.4

Пересчет мощности:

При автомодельном режиме Q_н=Q_в, H_н =Н_в

N_н = N_в·(ρ_н/ρ_в)·η_в/ η_н

При расходе Q=200 м³/ч:

N_н = 100·(856/1000)·24/23 = 89,3 кВт

Значения мощностей для остальных значений подач приведены в таблице 4.4

Таблица 4.4 - Характеристика подпорного насоса на перекачиваемом продукте

5. Совмещенная характеристика трубопровода и группы насосов

Устанавливаем последовательно основной насос типа НМ 1250-260 и подпорный насос НПВ 1250-60.

Таблица 5.1 - Характеристика трубопровода

Таблица 5.2 - Характеристика насосов

Рисунок 5.1 - Совмещенная характеристика трубопровода и насосов

                         НПВ 1250-60       НМ 1250-260

Рисунок 5.2 - Схема подключения насосов

6. Возможные варианты регулирования подачи, расчет, графические построения

6.1 Дросселирование

Введение дополнительного сопротивления в нагнетательный трубопровод увеличивает крутизну характеристики трубопровода, что сдвигает рабочую точку в сторону уменьшения подачи.

КПД этого способа регулирования

Этот метод является неэкономичным, т.к. КПД уменьшился более чем на 2%.

Рисунок 6.1 - Регулирование методом дросселирования

6.2 Байпасирование

Байпасом называют обводной трубопровод, по которому часть нефти из нагнетательной линии может снова подаваться во всасывающую линию насосов.

КПД этого способа регулирования

Этот способ регулирования также, как и дросселирование, является неэффективным и приводит к снижению КПД насосов из-за затрат энергии на перекачку нефти по байпасу.

Регулирование методом байпасирования представлен на рисунке 6.2

Рисунок 6.2 - Регулирование методом байпасирования

6.3 Изменение частоты вращения вала

Изменение частоты вращения вала - прогрессивный и экономичный метод регулирования, позволяющий полностью исключить обточку рабочих колес.

Согласно теории подобия центробежных насосов параметры их работы при измени частоты вращения вала связаны соотношениями:

=

Построим параболу подобия. Результаты построения сведем в таблицу

Таблица 6.1 - Парабола подобия

Определим необходимое число оборотов

n==2651 об/мин.

Для построения новой характеристики насоса построим ещё несколько аналогичных парабол подобия для разных расходов. Затем из частных формул подобия рассчитаем соответствующие подобные подачи:

Данный метод регулирования является самым эффективным, так как при изменении числа оборотов вала насоса, КПД насоса при этом не меняется.

Таблица 6.2 - Характеристика насосов после изменения частоты вращения вала

Регулирование методом изменения частоты вращения вала представлено на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 - Регулирование методом изменения частоты вращения вала

6.4 Регулирование подачи обточкой рабочего колеса

Обточка рабочих колес по наружному диаметру широко применяется в трубопроводном транспорте нефти. Этот способ может быть эффективно использован при установившемся на длительное время режиме перекачки. Следует отметить, что уменьшение диаметра рабочего колеса сверх допустимых пределов приводит к нарушению нормальной гидродинамики потока в рабочих органах насоса и значительному снижению к.п.д.

 - уравнение параболы обточки

α - коэффициент параболы обточки

=

Построим параболу обточки. Результаты построения сведем в таблицу

Таблица 6.3 - Парабола обточки

Для построения новой характеристики насоса построим ещё несколько аналогичных парабол обточки для разных расходов. Далее из частных формул подобия найдем соответствующие подобные подачи:

Таблица 6.4 - Характеристика насосов после обточки рабочего колеса

Регулирование методом обточки рабочего колеса представлен на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 - Регулирование методом обточки рабочего колеса

Степень обточки

Процент обточки

При 60<n_s<120 допускается обточка рабочих колес до 15%. В нашем случае n_s=70,46 и ∆=10,6% - условие выполняется, следовательно, регулирование подачи путем обточки рабочего колеса приемлемо.

Заключение

В данной курсовой работе мы провели гидравлический расчет трубопровода, определили потребный напор, подобрали насосы: последовательно соединенных НМ 1250-260 и НПВ 1250-60. Определили всасывающую способность насоса, по которой мы обеспечили бескавитационную работу насоса. Провели регулирование центробежного насоса различными методами: изменением гидравлической характеристики трубопровода (дросселирование и байпасирование), изменением напорной характеристики насоса (регулирование частоты вращения вала и обточка рабочего колеса по наружному диаметру).

Таким образом, из 4-х методов наиболее целесообразно использовать изменение частоты вращения вала. Также применим метод обточки рабочего колеса. Дросселирование и байпасирование являются экономически невыгодными из-за большого снижения КПД насоса.

Список использованной литературы

1. Колпаков Л.Г. Эксплуатация магистральных центробежных насосов: Учебное пособие. - Уфа: Изд. УНИ, 1988 - 116 с.

2.       Тугунов П.И., Новоселов В.Ф., Коршак А.А., Шаммазов А.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. Учебное пособие для ВУЗов. - Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2002. - 658 с.

.        Каталог Центробежные нефтяные магистральные и подпорные насосы: - Москва: ЦИНТИхимнефтемаш, 1973