Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Гидравлический расчет трубопровода. 4

1 Гидравлический расчет трубопровода

Согласно заданию на курсовую работу плотность перекачиваемой жидкости 870 кг/м³, то соответствует легкой нефти. Таким образом, насосная установка (рисунок 1) состоит из насоса, всасывающего и нагнетательного трубопровода. Насос перекачивает жидкость из питающей емкости Б1 в приемную емкость Б2, преодолевая гидравлическое сопротивление системы, противодавление (Р₂ – Р₁) и геометрическую высоту Н_г= Н_в + Н_н.

Уравнение Бернулли для сечений (1-1) и (2-2):

Н_гв =; (1)

Уравнение Бернулли для сечений (3-3) и (4-4):

=Н_гн; (2)

Складывая (1) и (2), получим:

Н_гв + + Н_гн + ,

или = Н_гн - Н_гв + + . (3)

Выражение в левой части (3) и есть потребный напор насосной установки.

Используя понятие статического напора:

Н_гн - Н_гв ,

Перепишем (3): Н_потр = + , (4)

где + - суммарные потери напора во всем трубопроводе.

1.1 Гидравлический расчет всасывающего трубопровода:

Задаемся скоростью движения жидкости во всасывающем трубопроводе:

= 1,5 м/с.

Найдем диаметр трубопровода на всасывающей линии:

= = 0,996 м = 996 мм.

Выбираем ближайший стандартный диаметр по ГОСТу:

d_гост = 1020 мм с толщиной стенки δ = 9 мм;

d_вн.вс = 1020 – 2*9 =1002 мм.

Уточним скорость во всасывающем трубопроводе:

Найдем режим течения перекачиваемой жидкости:

Так как Re>2320, режим течения жидкости турбулентный.

Определим зону трения:

Для этого определяем относительную шероховатость труб при k_э=0,2мм

Первое переходное число Рейнольдса

Второе переходное число Рейнольдса

Так как Re< Re_I, то течение нефти происходит в зоне гидравлически гладких труб, поэтому коэффициент гидравлического сопротивления вычисляем по формуле Бладиуса:

Потери напора на трение по длине находим по формуле Дарси-Вейсбаха:

; (5)

Потери на местные сопротивления:

; (6)

Где ξ_ф=1,7 – фильтр для светлых нефтепродуктов;

ξ_зад=0,15 – задвижка полностью открытая;

Потери во всасывающей линии находим по формуле:

h_вс = h_м + h_τ = = .

1.2 Гидравлический расчет нагнетательного трубопровода:

Задаемся скоростью движения жидкости в нагнетательной линии:

= 2,05 м/с.

Найдем диаметр трубопровода в нагнетательной линии:

= = 0,853 м = 853 мм.

Выбираем ближайший стандартный диаметр по ГОСТу:

d_гост = 920 мм с толщиной стенки δ = 9 мм;

d_вн.вс = 920 – 2*9 =902 мм.

Уточним скорость в нагнетательном трубопроводе:

Найдем режим течения перекачиваемой жидкости:

Так как Re>2320, режим течения жидкости турбулентный.

Определим зону трения:

Для этого определяем относительную шероховатость труб при k_э=0,2мм

Первое переходное число Рейнольдса

Второе переходное число Рейнольдса

Потери напора на трение по длине находим по формуле Дарси-Вейсбаха:

;

При расчете трубопровода большой протяженностью принято местные потери учитывать коэффициентом запаса k, который составляет от 2 до 5 % от потерь на трении по длине.

Определим потребный напор:

Н_потр = Н_гн - Н_гв + = 30 - 2,5 + = 215 м.

При Q=4200, H_потр=215 м.

Для построения характеристики трубопровода необходимо рассчитать напор для 8 значений подачи:

Таблица 1. Всасывающая линия:

Q, м³/ч	Q, м³/с	v, м/с	Re		h_в , м
0	0	0	0	0	0
500	0,139	0,176	4531	0,039	0,004
1000	0,278	0,353	9062	0,032	0,0146
2000	0,556	0,705	18125	0,027	0,055
2500	0,694	0,881	22624	0,026	0,085
3000	0,833	1,057	27155	0,025	0,12
3500	0,972	1,23	31686	0,024	0,161
4200	1,167	1,48	38025	0,023	0,287

Таблица 2. Нагнетательная линия:

Q, м³/ч	Q, м³/с	v, м/с	Re		h , м
0	0	0	0	0	0
500	0,139	0,218	5033	0,038	3,6
1000	0,278	0,435	10067	0,032	12,06
2000	0,556	0,871	20134	0,027	40,65
2500	0,694	1,086	25132	0,025	59,78
3000	0,833	1,304	30165	0,024	82,35
3500	0,972	1,52	35199	0,023	107,66
4200	1,167	1,83	38025	0,022	149,97

Таблица 3. Потребный напор трубопровода:

Q, м³/ч	Q, м³/с	∑h , м	H, м
0	0	0	66,45
500	0,139	3,604	70,05
1000	0,278	12,07	78,51
2000	0,556	40,705	107,15
2500	0,694	59,865	126,31
3000	0,833	82,47	148,91
3500	0,972	107,82	174,25
4200	1,167	150,26	215

По полученным расчетам строим характеристику трубопровода Н=Н(Q). (рисунок 2). т.P – рабочая точка.

На характеристики трубопровода значению напора Н=215, при заданном расходе Q=4200 м³/ч подбираем центробежный нефтяной горизонтальный насос НМ 3600-230, с номинальной подачей 4500 м³/ч и напором 230 м. Частота вращения n=3000 об/мин, наружный диаметр рабочего колеса D₂ = 450мм.

2 Проверка всасывающей способности насоса

Высота всасывания насосов ограничивается возможностью возникновения кавитации. Кавитация начинается, когда давление на входе в рабочее колесо насоса (Р_мин) становится меньше давления насыщенных паров при температуре перекачки.

По характеристикам насоса в каталоге определяем допустимый кавитационный запас для подпорного насоса

Н_гв - h_в

всасывание насоса не обеспечено, необходим подпорный насос. Подходит подпорный насос типа НПВ 3600-90 с подачей напором 90 м.

Тогда

- условие бескавитационной работы наоса НПВ 3600-90 выполняется.

3. Характеристика насоса, его устройство, особенности эксплуатации

Тип насоса НМ 3600-230

Подача 4500 м³/ч

Допустимый кавитационный запас 36 м

Напор 230 м

Частота вращения n = 3000 об/мин

Мощность 2204 кВт

Наружный диаметр рабочего колеса D₂ = 450 мм

Насосы типа НМ – центробежные горизонтальные с двухсторонним подводом жидкости к рабочему колесу и двухзавитковым спиральным отводом жидкости от рабочего колеса.

Входной и выходной патрубки насоса, направленные в противоположные стороны от оси насоса, расположенные 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.

Рисунок 3. Характеристика насоса НМ 3600-230 (n = 3000 об/мин, D₂ = 450 мм)

Рисунок 4. Разрез насоса НМ 3600-230

1- вал, 2 – корпус, 3 – крышка корпуса, 4,5 – втулки вала, 6 – рабочее колесо, 7 – кольцо уплотняющее, 8 – узел уплотнения вала, 9 – подшипник скольжения, 10 – радиально-упорный подшипник.

Горизонтальный электронасосный агрегат с центробежным одноступенчатым насосом с рабочим колесом двухстороннего входа предназначен для перекачивания нефти и нефтепродуктов с температурой от -5 до +80 ºС с содержанием механических 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: - рабочее колесо сталь 25Л–I; - крышка, корпус - 20Л–II; уплотнение вала – торцовое.

Насос работает с подпором. Давление на входе до 8 кгс/ см². Насос предназначен для транспортировки нефти по магистральным нефтепроводам.

Насос центробежный, горизонтальный, с рабочим колесом двухстороннего входа, с подшипниками скольжения (с принудительной смазкой), остаточное осевое усилие воспринимается шариковым радиально-упорным подшипником, с концевыми уплотнениями торцового типа, с приводом от электродвигателя.

Тип насоса НМ 3600-90

Подача 3600 м³/ч

Допустимый кавитационный запас 4,8 м

Напор 90 м

Частота вращения n = 1500 об/мин

Подпорные вертикальные насосы типа НПВ – центробежные вертикальные одноступенчатые. Насосы расположены в вертикальном колодце. Входной и выходной патрубки направлены в противоположные стороны, расположены горизонтально. Входной патрубок присоединяется к технологическим трубопроводам сваркой, а напорный – с помощью фланцев.

Рабочее колесо двухстороннего входа. Наосы укомплектованы электродвигателем взрывозащищенного исполнения серии ВАОВ (вертикальный асинхронный обдуваемый). Роторы насоса и электродвигателя соединены втулочно-пальцевой муфтой.

Рисунок 5. Рабочая характеристика подпорного вертикального насоса типа НПВ 3600-90.

4. Пересчет характеристики с воды на перекачиваемый продукт

При перекачки нефти и нефтепродуктов, имеющих вязкость больше чем вода, характеристики центробежных насосов существенно меняются в зависимости от величины вязкости жидкости.

Выполним пересчет характеристик на вязкую жидкость по методике Колпакова – Аитовой.

Коэффициент быстроходности насоса:

;

где j=1 – число ступеней насоса; i=1 – число заходов.

Число Рейнольдса соответствующее заданной вязкости:

_{Переходное
число Рейнольдса:}

= 62106

_{Коэффициент
пересчета напора:}

) = 1-0.128 lg (

Коэффициент пересчета расхода:

_{Re > ReП
- режим автомодельный
и требует пересчет
только значений кпд}

; (7)

где коэффициенты α и А находим по графикам из [5, рисунок 24, 25]:

при Re_ν = 259615 α = 0.02;

при n_S = 207.29 A = 170.

Вычислим из (7) предварительно:

Таблица 4. Пересчет характеристик группы насосов на вязкую жидкость.

	a₁	b₁	c₁	d₁
Q_В	4000	4250	4500	4750
H_В	280	258	230	190
η_В,%	82	83,8	84	83
Q_ст	4000	4250	4500	4750
H_ст	280	258	230	190
η_ст,%	80	81,8	82	81

_{5.
Совмещенная характеристика
насоса и трубопровода}

_{Совмещенная
характеристика насоса
и трубопровода представлены
на рисунке 6.}

_{Нст (Q)
– суммарная характеристика
насосов; Нпотр(Q) – потребный
напор насоса. По точке
пересечения этих графиков
определяем рабочую
точку насосного агрегата
при отсутствия регулирования
(точка А) с координатами:}

_{QA = 4400 м³/ч;
HA = 245 м;}

_{Определяем
кпд соответствующей
точке А: ηА =}

_{6.
Возможные варианты
регулирования}

_{6.1
регулирование дросселированием}

_{Регулирование
дросселированием в
напорном трубопроводе
производится задвижкой
на нагнетательном трубопроводе.}

_{При прикрытии
задвижки на нагнетании
увеличивается гидравлическое
сопротивление трубопровода,
его характеристика
становится круче.}

_{По графику
потребного напора (рисунок 7)
– определяем потребный
напор насосной станции,
необходимы для обеспечения
планового расхода (точка
Р)}

_{При Q0 = 4100
м³/ч, H0 = 215 м.}

_{По графику
пересчитанной на
вязкость напорной характеристики
насоса Нст(Q) определяем
положение точки В, через
которую должна проходить
суммарная характеристика
насоса и дросселя:}

_{Н
= 270 м.}

_{Потеря
напора на дросселе:}

_{Δh = НВ -
H0 = 270 – 215 = 55 м.}

_{По графику
ηст(Q) определяем кпд,
соответствующей точкам
В и Р:}

_{ηВ = ηР
= 81 %.}

_{Потребляемая
мощность:}

;

6.2 Регулирование байпассированием

По графику Н_ст(Q) определяем положение точки С, через котороую должна проходить суммарная характеристика насоса и байпаса (рисунок 7):

при Н₀ = 215 м; Q_с = 4600 м³/ч

Расход через байпас:

ΔQ_Б = Q_c – Q₀ = 4600-4100 = 500 м³/ч.

По графику η_ст(Q), определяем КПД, соответствующей точке С.

η_с = 81,9%.

Потребляемая мощность:

;

6.3 Регулирование частотой вращения рабочего колеса

При расчетах исходим из того, что регулированию частотой вращения подвергаются только магистральные насосы. Подпорные насосы работают при номинальной частоте вращения.

При отсутствия регулирования напорная характеристика станции является суммой напорных характеристик подпорных насосов и магистральных насосов:

Н_П(Q) + Н_М(Q) = H_ст(Q) (8)

При уменьшении частоты вращения напорная характеристика группы магистральных насосов меняется таким образом, что каждая точка переходит вниз по своей параболе подобных режимов. Напорную характеристику магистральных насосов при уменьшенной частоте вращения будем обозначать Н_м'(Q). Тогда выполняется очевидное соотношение:

Н_П(Q₀) + Н_М ' (Q₀) = H₀,

или Н_М ' (Q₀) = H₀ – Н_П(Q₀),

По графику на рисунке 8 определяем напор Н_П, создаваемый подпорными насосами при плановом расходе Q₀ (точка Е):

Н_П = 76 м.

Согласно (8), определяем положение точки F, через которую должно проходить парабола подобных режимов группы магистральных насосов:

Н_М ' (Q₀) = H₀ – Н_П = 215 – 76 = 139 м.

Строим квадратичную подобных режимов, проходящую через точку F (рисунок 8):

Н = СQ²,

где С = Н_М ' / Q₀² = 139 - 4100² = 0,827 м/[(м³/ч)²]

Составим вспомогательную таблицу и построим параболу подобных режимов.

Таблица 5. Парабола подобных режимов

Q, м³/ч	3500	3700	3900	4100	4300	4500	4700
H = CQ², м	101,3	113,2	125,8	139	153	167	183

По точке пересечения параболы Н = СQ² с линией Н_М (Q) – точкой D – определяем:

Q_D = 4450 м³/ч;

Вычисляем требуемую частоту:

n' = nQ₀/Q_D = 3000 4100/4450 = 2764 об/мин.

6.4 Регулирование обточкой рабочего колеса

Требуемый диаметр рабочего колеса вычисляется по формуле:

D₂' = D₂ Q₀/ Q_D = D₂ 4100/4450 = 0.92 D₂,

в данном случае это составит:

D₂' = 0.92 * 450 = 433 мм

КПД при двух последних способах регулирования практически не меняется и равно:

η_рег = η_р = 81%:

Потребляемая мощность:

7 Расчет импеллера

7.1 Назначение и принцип работы импеллера.

Импеллер представляет собой винтовой насос, устанавливаемый на месте разделительной втулки (позиция 4, 5 на рисунке 4). Схема импеллера приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 – Принципиальная схема импеллера

При вращении вала с угловой скоростью возникает осевая составляющая сил давления нарезки на жидкость, действующая в сторону, противоположенную приложенному перепаду давления, который создается рабочим колесом. При соответствующем конструктивном подборе такого уплотнения можно практически полностью компенсировать этот перепад и исключить утечки через импеллер во время работы насоса. Такое устройство относится к типу динамических бесконтактных уплотнений винтового типа.

Винтовой импеллер магистрального насоса работает в комбинации с торцовым уплотнением. Вместо функции запирания потока винтовой импеллер в этом случае создает заданную по расходу циркуляцию жидкости через торцовое уплотнение, что обеспечивает стабильный температурный режим его работы.

Эксперименты показывают, что расход циркуляции через торцовую камеру, создаваемый импеллером, должен быть не менее 1,5…2 м³/ч.

7.2 Методика расчета

Конструкция винтового циркуляционного импеллера, применяемого в магистральных насосах при перекачки нефтей, изображена на рисунке 9. Зазор δ оставляется обычных размерах, устанавливаемых для щелевых уплотнений δ = 0,3...0,4 мм.

На втулках вала делается винтовая прямоугольная нарезка с параметрами:

h – глубина нарезки ( 3…5 мм);

b – ширина выступов ( не менее 3 мм);

m – шаг нарезки, относящийся к одному заходу;

α – угол наклона винтовой линии;

L – рабочая длина импеллера.

Во втулке корпуса делается несколько проточек для создания циркуляции в торцовой камере, или же вместо проточек делается отверстие в подводе насоса.

Направление циркуляции – через импеллер в сторону подвода, то есть всасывающая сторона импеллера обращена в сторону торцовой камеры. Это позволяет лучше отвести тепло, выделяющееся при работе импеллера.

Расчет винтового импеллера включает выбор его конструктивных и энергетических параметров. Методика расчета описана в [5].

Конструктивные параметры удобно оценивать с помощью безразмерных комплексов u, v, t…

(9)

(10)

(11)

Число заходов z импеллеров рекомендуется принять примерно от 5 до 15. Для многозаходного импеллера вместо размера b следует принять zb.

Угол α обычно меняется в пределах от 10 до 17º.

Теоретическую характеристику импеллера можно представить в виде прямой, имеющей уравнение:

P = P_з– aQ, (12)

где a = P_з/Q, (13)

(14)

P_з – запирающее давление при Q = 0; - динамическая вязкость;

, (15)

- максимальная подача импеллера , (16)

(17)

Мощность затрачиваемая импеллером:

, (18)

где (19)

7.3 Расчет основных параметров импеллера:

Дано:

диаметр вала: d = 160 мм;

рабочий зазор: = 0,40 мм и 0,8мм

рабочая длина импеллера: L = 90 мм

Принимаем:

глубина нарезки: h = 3 мм;

ширина выступов: b = 5 мм;

шаг нарезки, относящийся к одному заходу: m = 140 мм ;

угол наклона винтовой линии: α = arctg(m/πd) = 15,56º;

количество заходов принимаем: z = 10;

угловая скорость вращения вала: ;

динамическая вязкость:

Расчет ведем для значения = 0,40 мм:

Вычисляем по (9) = 0.6429

Вычисляем по (10)

Вычисляем по (11)

Вычисляем по (15)

Вычисляем по (17)

Вычисляем по (19)

Максимальная подача импеллера по (16) 34 м³/с = 11,28 м³/ч

Запирающее давление при Q = 0 по (14):

Вычисляем по (13)

Мощность затрачиваемая импеллером по (18)

Аналогичные вычисления приведены для второго значения рабочего зазора δ = 0,8 мм. Результаты запишем в таблицу 6 и построим напорные характеристики импеллера для различных величин рабочего зазора (рисунок 10).

Таблица 6 – Расчетные параметры импеллера

δ, мм	Qmax, м³/ч	P_З, Мпа	а, Мпа/[м³/ч]	N, кВт
0,4	11,28	0,229	0,0203	0,968
0,8	11,04	0,073	0,0066	0,545

Гидравлический расчет трубопровода. 4 📙 Курсовая → 🆔 60547