Расчет и регулирование режимов работы центробежного насоса

Расчет и регулирование режимов работы центробежного насоса

Содержание

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

.1 Гидравлический расчет трубопроводов

.2 Определение потребного напора насоса

.3 Побор насоса

1.4 Построение кривой потребного напора трубопровода

2. Проверка всасывающей способности

. Характеристика насоса, его устройство, особенности эксплуатации

.1 Магистральный насос

3.2 Подпорный насос

4. Пересчет характеристики с воды на перекачиваемый продукт

.1 Пересчет характеристики НМ 2500-230

.2 Пересчет характеристики НПВ 2500-80

. Расчет совмещенной характеристики трубопровода и группы насосов

. Возможные варианты регулирования подачи, расчет, графические построения

.1 Регулирование дросселированием

.2 Регулирование байпасированием

6.3 Регулирование изменением частоты вращения вала

6.4 Регулирование обточкой рабочего колеса

. Регулирование режима работы для изменения проектной подачи на 10%

Заключение

Список использованных источников

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

Рисунок 1 - Расчетная схема перекачки

Составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2, 3-3 и 4-4.

Для сечений 1-1 и 2-2:

Для сечений 3-3 и 4-4:

Напор насоса - превращение удельной энергии жидкости при ее движении от входного к выходному патрубку:

1.1 Гидравлический расчет всасывающей линии

Потери во всасывающей линии:

Для определения диаметра всасывающей линии зададимся скоростью перекачки. Исходя из среднего значения движения жидкости в трубопроводе v = 2÷3 м/с, принимаем vвс=2м/с.

Оценим диаметр из уравнения неразрывности:

Q=v·S=const

По ГОСТ принимаем:

dнар = 630 мм, δ = 9 мм →

Уточняем скорость во всасывающей линии:

Определим число Рейнольдса:

Определим граничные значения числа Рейнольдса

ReI = 10d/ kэ < Re > 500d/kэ, где kэ-эквивалентная абсолютная шероховатость, для стальных сварных труб с незначительной коррозией после очистки,

kэ=0,15· м

Так как Re< , следует, что режим течения турбулентный, зона гладкого трения, где коэффициент гидравлического сопротивления λ вычисляем по формуле

Находим потери по длине во всасывающем и нагнетательном трубопроводах:

центробежный насос трубопровод

Находим местные потери:

Определяем суммарные потери во всасывающей линии:

.2 Гидравлический расчет нагнетательной линии

Потери на нагнетательной линии:

Принимаем скорость движения в нагнетательной линии vн=1,5 м/с

Оценим диаметр из уравнения неразрывности:

Q=v·S=const

По ГОСТ принимаем:

Dнаг = 530 мм, δ = 9 мм →

Уточняем скорость во всасывающей линии:

Определим число Рейнольдса:

Определим граничные значения числа Рейнольдса

Так как Re< , следует, что режим течения турбулентный, зона гладкого трения, где коэффициент гидравлического сопротивления λ вычисляем по формуле

Определяем суммарные потери:

Потребный напор насоса

1.3 Подбор насоса

По полученному потребному напору и заданной подаче (Q=1700 м3/ч; Нпотр=140,8 м) выбираем один магистральный насоса серии НМ 2500 - 230 и один подпорный насос серии НПВ 2500-80 с наружным диаметром рабочего колеса D2= 477 мм (рис.4).

.4 Построение характеристики трубопровода

Задаваясь различными значениями расхода, рассчитаем соответствующие этим подачам значения потребного напора. Результаты вычислений представим в таблице 1. Характеристика трубопровода представлена на рисунке 1.

Таблица 1 - Напорная характеристика трубопровода

На основе полученных данных строим кривую потребного напора трубопровода

Рисунок 1 - Характеристика трубопровода

2. Проверка всасывающей способности

Высота всасывания насоса ограничивается возможностью возникновения кавитации. Кавитация начинается, когда давление на входе в рабочее колесо насоса становится меньше давления насыщенных паров жидкости при данной температуре.

Для бескавитационной (нормальной) работы центробежного насоса необходимо, чтобы располагаемый кавитационный запас ∆h был всегда больше, чем допустимый ∆hдоп (∆h > ∆hдоп ).

Располагаемый кавитационный запас можно определить, составив уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2

Кавитационный запас

Δhдоп=32 м

Так как Δhдоп > Δh, то требуется подобрать два подпорных насоса

НПВ 2500-80.

Так как Δhдоп < Δh значит всасывание насосом и бескавитационная работа обеспечены.

3. Характеристика насоса, его устройство, особенности эксплуатации

.1 Магистральный насос

Насосы типа НМ - центробежные горизонтальные с двусторонним подводом жидкости к рабочему колесу и двухзавитковым спиральным отводам жидкости от рабочего колеса.

Входной и напорный патрубки насоса, направленные в противоположные стороны от оси насоса, расположены в нижней части корпуса, что обеспечивает удобный доступ к ротору и внутренним деталям насоса без отсоединения патрубков от технологических трубопроводов.

Присоединение входного и напорного патрубков к технологическим трубопроводам - сваркой.

Горизонтальный разъем корпуса насоса между нижней 1 и верхней 3 его частями уплотнен прокладкой.

Корпуса засосов рассчитаны на предельное рабочее давление 7,4 МПа. (75 кгс/см2).

Двусторонний подвод жидкости к рабочему колесу 6 с уплотняющими кольцами 7 и двухзавитковый спиральный отвод жидкости от рабочего колеса обеспечивают уравновешивание гидравлических осевых и радиальных сил, возникающих в насосе и действующих на его ротор.

Ротор насоса состоит из вала 2, рабочего колеса 6, втулок 4, 5 и гаек. Опорами ротора являются подшипники скольжения 8 с принудительной смазкой (под давлением).

Для восприятия остаточных неуравновешенных осевых сил служит радиально-упорный сдвоенный шарикоподшипник 9 с принудительной смазкой.

Концевые уплотнения 10 ротора - механические, торцового типа, рассчитанные на рабочее давление 4,9 МПа (50 кгс/см2).

Для передачи вращения от ротора электродвигателя к насосу применяются зубчатые муфты с проставкой между внешними обоймами. При снятии проставки обеспечивается демонтаж деталей зубчатой муфты и торцовых уплотнений без снятия крышки корпуса и электродвигателя.

Направление вращения ротора насоса - правое, если смотреть со стороны муфты.

Конструкция спиральных насосов рассчитана на работу по последовательной схеме перекачивания трех насосов. При этом давление в напорном патрубке последнего работающего насоса не должно превышать 7,4 МПа (75 кгс/см2).

Чтобы повысить экономичность работы насосов, в период поэтапного освоения трубопроводов предусматривается в насосах НМ 2500-230, НМ 3600-230, НМ 5000-210, НМ 7000-210 и НМ 10000-210 применять сменные роторы с рабочими колесами на подачу 0,5 и 0,7 от номинальной. Насос НМ 1250-260 комплектуют одним сменным ротором на подачу 0,7 от номинальной. Для расширения области применения насоса НМ 10000-210 до подачи 12500 м3/ч в нем предусмотрено применение сменного ротора на подачу 1,25 от номинальной.

Насосы комплектуют электродвигателями взрывозащищенного исполнения серии СТДП (синхронный продуваемый с замкнутым циклом вентиляции). Допускается также комплектование электродвигателями следующих серий: 2АЗМП (асинхронный продуваемый с замкнутым циклом вентиляции); 2АРМП (асинхронный продуваемый с разомкнутым циклом вентиляции); 2АЗМВ1 (асинхронный во взрывонепроницаемой оболочке).

По согласованию с заказчиком насосы могут быть поставлены с синхронными электродвигателями серии СТД обычного общепромышленного назначения (без продувки). При этом электродвигатель должен быть установлен в отдельном от насосного зала помещении через разделительную стенку. Взрывоопасное насосное помещение изолируется от помещения с электрооборудованием с помощью воздушной завесы, образующейся при подаче в зазор стенного уплотнения воздуха под давлением.

Смазка подшипников электродвигателей - принудительная, от маслоустановки насосных агрегатов.

Маслоустановка насосных агрегатов - групповая (на четыре насосных агрегата).

Материал основных деталей: корпуса - сталь 25Л-II или 20Л-II (ГОСТ 977-75); вала - сталь 40Х (ГОСТ 4543-71); рабочего колеса - сталь 25Л-I (ГОСТ 977-75).

Рисунок 3 - Разрез горизонтального центробежного насоса с двусторонним подводом жидкости к рабочему колесу

Характеристикой ЦБН называется зависимость напора, мощности и к.п.д. от подачи, при постоянном числе оборотов вала насоса.

Рисунок 4 - Характеристика насоса НМ 2500-230

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

Горизонтальный электронасосный агрегат с центробежным одноступенчатым насосом с рабочим колесом двустороннего входа предназначен для перекачивания нефти и нефтепродуктов с температурой от -5 до +80°С, с содержанием мех. примесей не более 0,05% по объему, размером частиц не более 0,2 мм. Насосы типа НМ - нефтяные магистральные насосы с горизонтальным разъемом корпуса и двухзавитковым спиральным отводом. Материал проточной части: раб.колесо сталь 25Л-I; крышка, корпус - сталь 20Л-II, уплотнение вала - торцовое. Насос работает с подпором. Давление на входе до 8 кгс/кв.см.1

.2 Подпорный насос

Подпорные вертикальные насосы типа НПВ - центробежные вертикальные одноступенчатые.

Насос, состоящий из стакана 1 (емкость для приема жидкости) и выемной части насоса, устанавливают в бетонированный приямок и опорным фланцем стакана прикрепляют болтами к основанию фундамента.

Входной патрубок насоса расположен на стакане, напорный патрубок - в напорной крышке 8, патрубки направлены в противоположные стороны. Присоединение патрубков к трубопроводам: входного - сваркой; напорного - фланцевое.

Стакан - сварной конструкции. Под опорным фланцем стакана имеется трубка для опорожнения его перед демонтажом насоса. Выемная часть насоса состоит из спирального корпуса 2, переводного канала 3, напорных секций 4 и 7, напорной крышки 8, подводов 14 и 18, фонаря 11 и ротора, включающего в себя вал 13, рабочее колесо 16 и предвключенные колеса 15 и 17.

Рабочее колесо двустороннего входа и корпус с двухзавитковым спиральным отводом обеспечивают взаимоуравновешивание гидравлических, осевых и радиальных сил, действующих со стороны потока на рабочее колесо.

Направляющими подшипниками вращения ротора служат подшипники скольжения 6 и 19, установленные в крестовинах 5 и 20. Смазка подшипников - перекачиваемой нефтью. Сдвоенные радиально-упорные шарикоподшипники 10, удерживающие ротор от перемещения в осевом направлении, воспринимают его массу и остаточные гидравлические осевые силы. Смазка опорно-упорных шарикоподшипников - консистентная.

Концевые уплотнения 12 ротора - механические, торцового типа. Роторы насоса и электродвигателя соединены втулочно-пальцевой муфтой 9 с проставкой. При снятии проставки возможен демонтаж деталей опорно-упорного подшипника и торцового уплотнения без снятия электродвигателя.

Насосы укомплектованы электродвигателем взрывозащищенного исполнения серии ВАОВ (вертикальный асинхронный обдуваемый). Опорами ротора электродвигателя являются подшипники качения с консистентной смазкой.

Материал основных деталей: спирального корпуса, переводного канала и подвода - чугун СЧ-20 (ГОСТ 1412-79); напорной крышки - сталь 25Л- III (ГОСТ 977-75); рабочего колеса - сталь 25Л-II (ГОСТ 977-75); предвключенного колеса - сталь 20Х13Л-II (ГОСТ 2176-77); фонаря - сталь 09Г2С-7 (ГОСТ 19282-73); вала - сталь 30X13 (ГОСТ 5632-72).

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 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.

НПВ 2500-80 - насос магистральный подпорный вертикальный на оптимальную подачу 2500 м3/ч и напор Но=80 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.

Рисунок 5- 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.

Рисунок 6 - Характеристика подпорного насоса НПВ 2500-80

4. Пересчет характеристики с воды на перекачиваемый продукт

.1 Пересчет характеристики НМ 2500-230

Таблица 2 Характеристики насоса НМ 2500-230 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

Так как Reн > Reпер, то присутствует автомодельный режим и пересчет Q и H не требуется

Выбираем коэффициенты, которые учитывают гидравлические и дисковые потери α и А - α = 0,09; А = 800

Пересчет КПД:

Пересчет мощности:

Таблица 3 Характеристики насоса НМ 2500-230 при работе на перекачиваемом продукте

4.2 Пересчет характеристик НПВ 2500-80

Таблица 4- Характеристики насоса НПВ 2500-80 при работе на воде

Определяем коэффициент быстроходности насоса

Определим переходное число Рейнольдса

Определяем число Рейнольдса

Так как Reн > Reпер, то присутствует автомодельный режим и пересчет Q и H не требуется.

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

α = 0,04; А = 900

Пересчет КПД:

Значение КПД для остальных значений подач приведены в таблице 4.4.

Пересчет мощности:

Таблица 5 - Характеристики НПВ 2500-80 на перекачиваемом продукте

5. Совмещенная характеристика трубопровода и группы насосов

Устанавливаем последовательно основной насос типа НМ 2500-230 и подпорный насос НПВ 2500-80.

Таблица 6 - Характеристика трубопровода

Таблица 7 - Характеристика насосов

НПВ 2500-80 НМ 2500-230

Рисунок 7- Схема подключения насосов

6. Возможные варианты регулирования подачи, расчет, графические построения

Так как режимная точка Р не совпадает с точкой пересечения характеристик насоса и трубопровода, точкой А, то работу насоса регулируют. Методы регулирования могут быть различными: воздействие на коммуникацию (дросселирование и байпасирование), воздействие на привод (изменение частоты вращения вала насоса), воздействие на насос (изменение размеров рабочих колес: сменные роторы, обточка колес) и др.

.1 Регулирование дросселированием

Регулирование дросселированием заключается введением дополнительного сопротивления в нагнетательный трубопровод (задвижка, вентиль), которое увеличивает крутизну характеристики трубопровода, что сдвигает рабочую точку из положения А в В (рисунок 9). При этом подача насоса снижается, оставаясь одинаковой с расходом жидкости в трубопроводе. При обеспечении подачи QА = QВ рабочей точкой насоса будет точка В. Очевидно, что ∆H будет представлять потери напора в дросселирующей задвижке.

∆hдр = ∆H = HВ - НА = 298-250 = 48м

Соответственно уменьшается к.п.д. самого насоса и к.п.д. регулирования ηдр в целом насосной установки:

Оценка эффективности

ηн=79% при Q=1700 м3/ч

Так как к.п.д. насоса снижается на 16,1 %, более чем на 2 %, то в данном случае дросселирование не может применяться. Дросселирование является широко распространенным методом регулирования в виду его простоты, но экономически не эффективным. Оно также может вызвать явление кавитации, поэтому его применяют в исключительных случаях.

.2 Регулирование байпасированием

Регулирование перепуском осуществляется подачей         части перекачиваемой жидкости из напорного трубопровода во всасывающий по обводненному трубопроводу (байпасу), на котором установлена задвижка.

При изменении степени открытия задвижки меняется характеристика гидравлической системы. Задвижка открывается таким образом, чтобы напор насоса стал равным потребному напору (точка Р, рисунок 10). При этом напор насоса Н равен суммарному гидравлическому сопротивлению системы (байпаса и трубопровода): Нс = Нр, а подача насоса равна расходу жидкости через байпас и трубопровод: Qс = Qт+Qб.

Оценка эффективности

ηн=79% при Q=1700 м3/ч

КПД этого способа регулирования

Этот способ регулирования также, как и дросселирование, не может применяться, так как к.п.д. насоса снижается на 49,4 %, более чем на 2 %. В данном случае байпасирование является не эффективным, так как приводит к снижению к.п.д. насоса из-за затрат энергии на перекачку нефти по байпасу. Применяется как кратковременная мера, например, при пуске насосного агрегата, при переключениях т.п.

.3 Регулирование изменением частоты вращения вала

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

Для определения числа оборотов вала насоса, обеспечивающего подачу Q1 = Qр( рисунок 11), используют формулы подобия:

где n1 и n2 - число оборотов до и после изменения числа оборотов.

Точки 1 и 2 соответствуют подобным режимам и лежат на пораболе подобных режимов, которая строится по уравнению

Постоянная параболы подобия (а) определяется из условия

Построим параболу подобия. Результаты построения сведем в таблицу

Таблица 8 - Парабола подобия

Определим необходимое число оборотов

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

Таблица 9 - Характеристика магистрального насоса после изменения частоты вращения вала

Параметры точки 1 соответствуют параметрам режимной точки Q1=Qр, Н1=Нр. Получают точку 2 - пересечением параболы подобных режимов, проходящих через точку 1, с характеристикой насоса.

Данный метод регулирования является самым эффективным, так как при изменении числа оборотов вала насоса снижается и мощность насоса, КПД насоса при этом меняется незначительно.

6.4 Регулирование 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.

 ;

где D2 и D'2 - наружный диаметр рабочего колеса до и после обточки, соответственно.

Точка 1(рисунок 12) соответствует режимной точке Р. Точка 2 находится как пересечение напорной характеристики насоса с параболой обточки:

Коэффициент параболы обточки (с) определяется из условия

Построим параболу обточки. Результаты построения сведем в таблицу.

Таблица 10 - Парабола обточки

Внешний диаметр рабочего колеса после 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 11 - Характеристика насосов после обточки рабочего колеса

Степень обточки

Процент обточки

При 100<ns<200 допускается обточка рабочих колес до 15%. В нашем случае ns=118 и ∆=34,6% - условие не выполняется, следовательно, регулирование подачи путем обточки рабочего колеса неприемлемо и нецелесообразно.

7. Регулирование режима работы для изменения проектной подачи на 10%

Произведем регулирование режима работы для изменения проектной подачи на 10% изменением частоты вращения вала.

Для определения числа оборотов вала насоса, обеспечивающего подачу Q1 = Qр (рисунок 13), используют формулы подобия:

где n1 и n2 - число оборотов до и после изменения числа оборотов.

Точки (рисунок 12) 1 и 2 соответствуют подобным режимам и лежат на пораболе подобных режимов, которая строится по уравнению

Постоянная параболы подобия (а) определяется из условия

Построим параболу подобия. Результаты построения сведем в таблицу

Таблица 12 - Парабола подобия

Определим необходимое число оборотов

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

Таблица 13 - Характеристика магистрального насоса после изменения частоты вращения вала

Заключение

В данной курсовой работе мы провели гидравлический расчет трубопровода, определили потребный напор, подобрали насосы, последовательно соединенные НМ 2500-230 и НПВ 2500-80. 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).

Наиболее эффективным методом регулирования ЦБН в нашем случае оказался метод изменения частоты вращения вала. Изменением частоты вращения вала мы произвели регулирование режима работы для изменения проектной подачи на 10%.

Список использованных источников

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.

         Гаррис Н.А., Годовский М.А. Насосы и компрессоры: Учебное пособие. - Уфа: Изд. УГНТУ, 2008 - 40 с.