Экономический расчет установки АВТ-4

Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Схема насосной установки

 Рис. 1 - Схема насосной установки. 
 
 
 

    ВВЕДЕНИЕ

    В современном мире насосы нашли широкое применение на нефтеперерабатывающих заводах.

    Насосами  являются устройства, предназначенные для перемещения жидкостей. На нефтеперерабатывающих заводах насосы служат для перекачивания нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, щелочей, кислот и работают в широких производительных, напорных и температурных диапазонах.

    Целью данного проекта является расчёт заданной технологической сети и выбор насоса, оптимально подходящего для проведения требуемого процесса перекачки керосина.

    Выбор насоса происходит на основании рассчитанного  потребного напора, который представляет собой совокупность геометрической высоты подъёма жидкости, пьезометрической высоты (потерь на преодоление разницы давлений в ёмкости и колонне) и скоростного напора. На основании рассчитанного потребного напора и заданной подачи керосина, подбирается насос из стандартного ряда. Далее построением рабочих характеристик выбранного насоса и заданной сети определяется «рабочая точка». Затем для насоса определяется полезная мощность и коэффициент полезного действия, зависящий от объёмных, механических и гидравлических потерь. После чего, на основании полученных  данных выбранный насос проверяется на бескавитационную работу.

    Расчёт  технологической сети сводится к  определению оптимального соотношения  между диаметрами всасывающего и  нагнетательного трубопроводов и скоростями потока в них с учётом всех местные сопротивлений вентилей, обратного клапана, диафрагмы, а также теплообменника.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Расчёт и выбор насоса для заданной сети

      Определение физических параметров перекачиваемой жидкости.

    Используя справочные данные (Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, 1972г.) находим свойства данного нефтепродукта.

    Плотность керосина при температуре t = 20°С: r = 780 кг/м³  .

    Плотность керосина при заданной температуре t = 40°С находится по формуле:

где: -безразмерная величина, показывающая отношение плотности нефтепродукта при t = 20°С к плотности воды при t = 4°С, т.е.:

где: - поправка на изменение плотности при изменении температуры на один градус, определяемая по таблице, в данном случае = 0,647.

    Подставляя  полученные значения и в первую формулу, получим:

         Кинематическая вязкость керосина определяется по таблице, в данном случае

                                                       . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Определение потребного напора

    Определение высоты подъёма жидкости (разности уровней  жидкости в ёмкости и колонне)

где: - уровень жидкости в ёмкости Е-1, м;

    - уровень жидкости в колонне  К-1, м.

    Определение потерь напора на преодоление разности давлений в приёмном и   напорном резервуарах.

где: - абсолютное давление нагнетания (избыточное) в колонне К-1, Па;

        - абсолютное давление всасывания (избыточное) в ёмкости Е-1, Па.

    Определение диаметров  трубопровода во всасывающем и нагнетательном тракте 

    Зададимся рекомендуемой скоростью движения жидкости.

    В нагнетательном трубопроводе, согласно таблице м/с, принимаем среднее значение = 2 м/с;

    Во всасывающем трубопроводе, согласно таблице м/с, принимаем среднее значение = 1 м/с;

    Определяем  необходимый диаметр трубопровода, в соответствии с выбранной скоростью:

где:  d - диаметр всасывающего или нагнетательного трубопровода, м;

    Q - расход перекачиваемой жидкости, м³/с;

    V – скорость течения жидкости, м/с.

    Для дальнейшего расчёта диаметров, необходимо расход Q выразить в м³/с, для этого заданный расход в часах поделим  на 3600 секунд, получим:

    Диаметр нагнетательного трубопровода:

в соответствии с таблицей ГОСТ выбираем ближайшее к стандартному значению диаметр (245 10) м.

      Диаметр всасывающего трубопровода:

в соответствии с таблицей ГОСТ выбираем ближайшее к стандартному значению диаметр (325 14) м.

    Уточняем  скорость течения жидкости по стандартным  внутренним диаметрам  трубопроводов.

где: - внутренний диаметр трубопровода, м;

    d - наружный диаметр трубопровода, м;

    S - толщина стенки трубопровода, м.

    Для трубопровода нагнетания:

    Для трубопровода всасывания:

    Скорости в трубопроводе:

    Скорость движения жидкости в нагнетательном трубопроводе:

    Это значение соответствует промежутку, из которого принята , следовательно, скорость определена верно.

    Скорость движения жидкости во всасывающем трубопроводе:

    Это значение соответствует промежутку, из которого принята , следовательно, скорость определена верно. 

    Определение режима течения жидкости в трубопроводах.

    Критерий  Рейнольдса определяется по формуле:

где:  Re - критерий Рейнольдса;

    V - скорость течения жидкости, м/с;

    d - внутренний диаметр трубопровода, м;

     - кинематическая вязкость, м²/с.

    Подставим известные значения .

    Критерий  Рейнольдса для трубопровода нагнетания:

    Критерий  Рейнольдса для трубопровода всасывания:

    Так как число Re в обоих случаях на много превышает значение зоны перехода от ламинарного режима течения жидкости к турбулентному, равное 2300, то это означает, что в трубопроводах – сильно развитый турбулентный  режим.

    Определение коэффициента сопротивления трения

    Для турбулентного режима при Re< коэффициент сопротивления трения определяем по формуле:

    Для нагнетательного трубопровода:

    Для всасывающего трубопровода:

    Определение длины трубопровода:

    Длина нагнетательного трубопровода:

    Длина всасывающего трубопровода:

    Определение коэффициентов местных  сопротивлений

    Находим коэффициенты местных сопротивлений по справочной литературе для элементов входящих во всасывающий и нагнетательный трубопроводы:

    Во всасывающий трубопровод входят:

• одно сужение в районе перехода от ёмкости к трубе ,
• два проходных вентиля ,
• одно колено с поворотом на 90° ,
• одно отверстие при входе жидкости в насос .

    Таким образом, сумма коэффициентов местных сопротивлений на всасывающем трубопроводе будет равна:

    В нагнетательный трубопровод входят:

• отверстие при входе жидкости .
• три проходных вентиля ,
• один обратный клапан , 
• диафрагма ,
• три колена с поворотом на 90° .
• одно расширение при выходе жидкости из насоса ,

    Таким образом, сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательном трубопроводе будет равна:

    Определение потерь напора на преодоление  сил трения и местных  сопротивлений.

    Потери  напора на преодоление сил трения и местных сопротивлений вычисляется по формуле:

где: - потери напора на преодоление сил трения, м;

    L - фактическая длина трубопровода, м;

    d - диаметр трубопровода, м;

    l - коэффициент трения, м;

     - сумма местных сопротивлений на рассматриваемом тракте;

    V - скорость течения жидкости, м/с.

    Суммарная потеря напора во всасывающем трубопроводе:

    Суммарная потеря напора в нагнетающем трубопроводе:

    Потери  напора при прохождении теплообменника:

    Определение потребного напора насоса

    Потребный напор определяем путём сложения рассчитанных составляющих, а именно,  геометрической разницы уровней в ёмкости и в колонне, потерь на преодоление разницы давлений в ёмкости и в колонне, а также местных суммарных потерь напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, плюс 5% на неучтённые потери.

где: 1,05 – коэффициент запаса на неучтенные потери потребного напора.

3. Выбор насоса. Обоснование

    На  современных типовых установках нефтеперерабатывающих заводов  применяют в основном центробежные насосы. Они получили широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Центробежные насосы выпускаются нескольких типов. Наиболее широкое применение нашли насосы горизонтальные консольные одно- и двухступенчатые (тип К), горизонтальные межопорные секционные с осевым разъёмом корпуса (тип С) и горизонтальные межопорные секционные двухкорпусные (тип СД). Основным типом нефтяных насосов по ГОСТ 23447-79 [9] являются насосы типа К, предназначенные для работы при подаче 8-2000 м³/ч, напоре 25-500 м.ст. жидкости и температуре перекачиваемого продукта от 193К до 673К.

    Насосы  этого типа имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с другими  насосами: равномерность подачи жидкости; малые габаритные размеры при  большой производительности; удобство непосредственного соединения с двигателями (электромотором или турбиной); простота обслуживания и ремонта.

    Наряду  с перечисленными достоинствами, насосы этого типа обладают   следующими недостатками:

• Отсутствие сухого всасывания. Перед пуском насос необходимо заполнять жидкостью, так как разрежение, создаваемое при вращении рабочего колеса в воздушной среде,  недостаточно для подъёма жидкости во всасывающую полость насоса вследствие большей разности плотностей жидкости и воздуха.
• Зависимость напора от скорости вращения ротора. Невозможность варьировать производительность без изменения напора.
• Сравнительно невысокий КПД (для насосов небольшой производительности).
• Снижение КПД с увеличением вязкости перекачиваемой жидкости.

    Однако  благодаря отмеченным выше значительным достоинствам центробежные насосы продолжают вытеснять поршневые, которые на многих нефтеперерабатывающих заводах уже отсутствуют.

    Поэтому, следуя полученным и заданным параметрам работы:

Н = 186,2576 м, Q = 240 м³/ч. Подбираем  нефтяной консольный насос НК 200/210А. 
 
 
 
 

4. Расчет и построение «рабочей точки»

    Рабочая точка определяется путём пересечения рабочих характеристик насоса и сети.

    Графическое изображение характеристики сети представим выражением:

    Обозначим через а, а выражение в квадратных скобках через в, получим:

    Н = а + вQ² ,

а = DZ +

    Подставляя  данные значения в выражение Н = а + вQ² и значение Q, в разные моменты времени, строим характеристику сети и совмещаем её с характеристикой насоса. На пересечении двух характеристик определим «рабочую точку» насоса и методом дросселирования откорректируем заданные параметры насоса. 

                                         Рис.2 –характеристика насоса НК 200/210А. 
 

5.  Проверка на бескавитационную работу насоса

    Проверим  величину противокавитационного запаса по формуле:

где: - потери напора во всасывающем трубопроводе, м;

     - давление насыщенных паров  при температуре t = 40 °С, для керосина,

     = 19 кПа.

      - избыточное давление в ёмкости Е-1, Па;

     - определяем по рисунку 2, м.

    7,12 >6,9

      Условие выполнено, следовательно, запас выдержан. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Описание конструкции и принципа действия насоса 

    Основные  детали сборочные единицы насоса: корпус 3 спирального типа, крышка 5, ротор 1, представленный валом и рабочим колесом 8, кронштейн подшипниковый 2, торцевые и сальниковые уплотнения вала 4 (см. приложения).

    Корпус  насоса, в котором расположена  проточная часть, отлит заодно с опорными лапами, входными и выходными патрубками. Опорные поверхности лап лежат в горизонтальной плоскости, проходящей через ось вала насоса.

    Со  стороны привода к корпусу  насоса присоединена крышка 6. Стык между фланцами корпуса насоса и крышки, расположенный в вертикальной плоскости, уплотнён спирально навитой прокладкой.

    Ротор насоса вращается в двух шарикоподшипниковых  опорах, установленных в подшипниковом  кронштейне, который фланцем присоединяется непосредственно к крышке насоса, а опорной лапой к фундаментной плите. Подшипники – радиально-упорные. Смазка подшипников циркуляционная, осуществляемая масляным туманом, создаваемым брызговиком 7, вращающимся вместе с валом. Охлаждение подшипников – водяное. Температура масла при работе насоса не должна превышать 333 К.

    Рабочее колесо диаметром D_к =     мм установлено на цилиндрической шейке консольной части вала и закрепляется гайкой.

    Уплотнение  вала в местах выхода его из корпуса  насоса торцевое или сальниковое.

    Используются  уплотнения следующих типов:

    ОП  – одинарное с проточной циркуляцией  перекачиваемой жидкости;

    ОК  – одинарное с самостоятельным  контуром циркуляции перекачиваемой насосом  жидкости и теплообменным устройством  вала насоса;

    ДК  – двойное с контуром циркуляции затворной жидкости;

    ДТ - двойное с контуром циркуляции затворной жидкости и теплообменным устройством вала насоса.

    Сальниковые уплотнения применяются двух типов:

    СО  – сальниковое охлаждаемое;

    СГ - сальниковое охлаждение с подачей  затворной жидкости.

    Для выбранного насоса наиболее подходящим является сальниковое охлаждение с подачей затворной жидкости, так как оно оказывает наибольший положительный эффект на работу насоса, по сравнению со всеми другими.

    Уплотнения  валов (как торцевые, так и сальниковые) взаимозаменяемы по присоединительным и посадочным размерам для каждой марки насоса.

    Для снижения давления перед уплотнением  в насосах с колесами одностороннего входа жидкости предусмотрено разгрузочное устройство, которое представляет собой  каналы во вращающихся частях целевого уплотнения, сообщающиеся через отверстия в валу с всасывающим пространством насоса.

    Разгрузка осевых усилий осуществляется сверлением в ступице рабочего колеса, либо установкой рабочих колёс входной  частью в противоположные стороны.

    Валы  насоса и электродвигателя соединены зубчатой муфтой с промежуточным валом типа МЗП.

    Насос изготавливается с общей для  насоса и электродвигателя фундаментной плитой. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    В ходе проведённых расчётов была изучена  заданная технологическая схема. После установления всех гидравлических сопротивлений был определён потребный напор. На основании этого подобран нефтяной консольный насос типа НК 200/210А с одним рабочим колесом. Выбранный насос был проверен гидравлически и механически. Гидравлический расчёт заключался в определении бескавитационного запаса. Расчёт показал, что насос обладает необходимым запасом. Определены основные параметры работы насоса, а именно:

Q = 240 м³/ч – подача;

Н = 190 м – развиваемый напор;

- КПД.

N = 183 кВт – мощность.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Абдурашитов С.А., Тупиченков А.А., Вершинин И.М., Тененгольц С.М. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974. – 296 с.
2. Дытнерский Ю.И.  Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Г.С. Борисов, В.П. Брыков и др. 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. – 496 с.
3. Идельчик И.Е.  Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. Штейнберга, М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.
4. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З.Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. – 5-е изд., стереотипное – М.: Химия, 1968. – 848 с.
5. Чекмарёв А.А., Осипов В.К.  Справочник по машиностроительному  черчению – 2-е изд., перераб.  М.: Высш. шк., 2001. – 493 с.
6. Черкасский В.М.  Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: энергоатомиздат, 1984. – 416 с., ил.
7. Чернавский С.А., Боков К.Н., Чернин И.М. и др. курсовое проектирование деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. – 416 с.:ил.
8. Методическое руководство к выполнению расчётно-графической работы по курсу «Гидравлика и гидромашины»./ Сост. Аверкиева В.И., Стариков В.П., Игнатенков Ю.И.  Куйбышев: КПтИ, 1983. – 24 с.
9. Каталог ВНИИ НЕФТЕМАШ. Нефтяные центробежные насосы.