Насосы. 4

Насосная установка предназначена для перекачки жидкости в нефтехимической, нефтегазовой и других отраслях промышленности, где установки значительную долю времени работают в режиме «пуск-останов» при номинальной неизменной частоте вращения привода. Установка содержит насос объемного вида с приводом, байпасную линию, соединяющую всасывающий и напорный трубопроводы с управляемым запорным клапаном, к байпасной линии подключена линия сброса газожидкостной смеси, блок управления последовательностью операций работы установки. Один из выходов блока управления последовательностью операций работы установки соединен с приводом насоса, а другой выход - с управляемым запорным клапаном байпасной линии. Установка снабжена датчиком наличия жидкости, подключенным к соответствующему входу блока управления последовательностью операций работы и установленным во всасывающем трубопроводе, и дополнительными управляемыми запорными клапанами, подключенными к соответствующим входам блока управления последовательностью операций работы, один из которых установлен в линии сброса газожидкостной смеси, а другой - в напорном трубопроводе за точкой подключения байпасной линии. В качестве управляемых запорных клапанов в байпасной линии и напорном трубопроводе используют клапаны со свойством постепенного во времени перекрытия проходного сечения потока перекачиваемой жидкости. Установка позволяет при пуске и останове исключить гидроудар в трубопроводных линиях и в подвижных элементах конструкции насоса.

Изобретение относится к гидравлическим машинам объемного вытеснения, преимущественно к насосным установкам, в составе которых имеется электропривод, и может быть использовано во всех отраслях промышленности, например в нефтехимической, нефтегазовой, а также в гидротранспортных или других системах, где насосные установки значительную долю времени работают в режиме «пуск-останов» при номинальной (паспортной) неизменной частоте вращения привода.

В момент пуска насосной установки на заполненный напорный трубопровод создаются значительные усилия в рабочих органах (элементах) насоса вследствие разгона массы перекачиваемой жидкости, находящейся как внутри насоса, так и в напорном трубопроводе. Эти усилия имеют кратковременный характер на период разгона ротора насоса до номинальной частоты вращения и значительно (более чем в два раза) превышают величину номинальных рабочих усилий отчего внутренние подвижные элементы насоса, как и элементы всасывающего и напорного трубопроводов и трубопроводных линий, подвергаются гидравлическому удару, что является предпосылкой к возможной их поломке; например, в насосной установке на базе электронасосного агрегата FPCC 80-700 с объемным (пластинчатым) насосом, оснащенным предохранительным клапаном, который отрегулирован свыше эксплуатационной величины давления на величину, не превышающую рабочее в 1,25 раза, при пуске на заполненный напорный трубопровод создается кратковременное усилие от давления перекачиваемой жидкости на рабочие органы насоса. Такое давление обычно не устраняется открытием предохранительного клапана вследствие инерционности его подвижных деталей.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение надежности эксплуатации насосной установки на базе объемных (пластинчатых) насосов при пуске и останове путем исключения или уменьшения величины гидроудара в трубопроводных линиях и в подвижных элементах конструкции насоса.

Известна насосная установка питания котла горячей водой, содержащая источник холодной воды, подключенный к устройству подготовки воды, трубопроводы питания котла с задвижками, насос с датчиком температуры, регулятором скорости вращения и байпасной магистралью с регулируемым запорным органом. При этом для плавного введения насоса в работу прибегают к регулированию скорости вращения ротора путем установки промежуточной скорости вращения ротора насоса.

Недостатком этой насосной установки является низкая надежность эксплуатации установки, обусловленная сложностью конструкции установки

В другой известной насосной установке, содержащей центробежный насос, связанный с асинхронным электродвигателем, всасывающий и напорный трубопроводы, соединенные между собой обводной линией, в которой размещен управляемый запорный элемент для перекрытия напорного трубопровода, на внутренней поверхности которого выполнен выступ, а на запорном элементе - соответствующая выступу выемка, используемые для плавного запуска и остановки центробежного насоса путем изменения степени открытия запорного элемента в напорном трубопроводе.

Недостатком этой насосной установки является низкая надежность работы насосной установки в момент пуска, обусловленная инерционностью системы управления запорным элементом Известна также насосная установка, содержащая центробежный насос погружного агрегата и устройство защиты электропривода насоса, состоящее из измерительного трансформатора, измерительных блоков напряжения и тока, блока обработки полученных значений тока и напряжения, блока сравнения полученного значения активной мощности и задаваемого значения рабочей активной мощности, первого и второго блоков задержки формирования сигналов на отключение агрегата, коммутационного аппарата, блока управления отключением электропривода от источника питания, амплитудного детектора и устройства выборки хранения. При этом в блоке сравнения полученного значения активной мощности и задаваемого значения рабочей активной мощности при наличии аварийной ситуации производится выработка команды на отключение электропитания, но исполняется эта команда спустя некоторое время, определяемое блоком задержки, что может привести к возможной поломке элементов насосной установки из-за инерционности устройства защиты электропривода.

Таким образом, недостатком данной насосной установки является низкая надежность работы в аварийных ситуациях, а также отсутствие действия устройства защиты в режиме «ПУСК.

Известна также насосная установка, содержащая насос, байпасную линию с регулируемой задвижкой, регулирующую задвижку на всасывающем трубопроводе, напорный трубопровод и манометры, один из которых установлен на всасывающем трубопроводе до регулирующей задвижки, второй - на всасывающем трубопроводе после точки подключения байпасной линии, а третий - в напорной линии после точки подключения байпасной линии.

Основным недостатком такой конструкции насосной установки является низкая надежность при пуске и останове насоса, приводящая к гидравлическому удару в трубопроводной линии.

Наиболее близкой к заявляемой насосной установке является насосная установка, содержащая насос с приводом, всасывающий и напорный трубопроводы насоса соединены байпасной линией, в байпасной линии установлен управляемый запорный клапан, а на напорном трубопроводе размещен обратный клапан, блок управления последовательностью операций работы насосной установки, один из выходов блока управления связан с приводом насоса, а другой - с приводом запорного клапана, установленного в байпасной линии, соединенной с резервуаром, в верхней части которого установлен воздушный клапан, при этом нижняя часть резервуара сообщена через соответствующий канал обратного клапана с напорным трубопроводом.

Основным недостатком данной насосной установки является низкая надежность работы в момент пуска и останова насоса, обусловленная ударными явлениями при резком закрытии обратного клапана на напорном трубопроводе, которые не компенсируются ударогасительным резервуаром, что приводит к повышенным нагрузкам элементов конструкции насоса и возможной его поломке.

Технический результат изобретения - повышение надежности работы в момент пуска и останова насоса путем исключения ударных явлений в напорном, всасывающем трубопроводах и в подвижных элементах конструкции насоса.

Указанный технический результат изобретения достигается тем, что в известной насосной установке, содержащей насос объемного вида с приводом, байпасную линию, соединяющую всасывающий и напорный трубопроводы, с управляемым запорным клапаном, к байпасной линии подключена линия сброса газожидкостной смеси, блок управления последовательностью операций работы насосной установки, один из выходов блока управления последовательностью операций работы насосной установки соединен с приводом насоса, а другой выход - с управляемым запорным клапаном байпасной линии, согласно изобретению насосная установка снабжена датчиком наличия жидкости, подключенным к соответствующему входу блока управления последовательностью операций работы насосной установки и установленным во всасывающем трубопроводе, и дополнительными управляемыми запорными клапанами, подключенными к соответствующим входам блока управления последовательностью операций работы насосной установки, один из которых установлен в линии сброса газожидкостной смеси, а другой - в напорном трубопроводе за точкой подключения байпасной линии, при этом в качестве управляемых запорных клапанов в байпасной линии и напорном трубопроводе используют клапаны со свойством постепенного во времени перекрытия проходного сечения потока перекачиваемой жидкости.

На фиг.1 приведена блок-схема насосной установки (общий вид);

Насосная установка содержит насос 1 объемного (пластинчатого) вида с приводом 2, всасывающий 3 и напорный 4 трубопроводы, причем напорный 4 и всасывающий 3 трубопроводы соединены байпасной линией 5 с управляемым запорным клапаном 6, блок 7 управления последовательностью операций работы насосной установки, один из выходов блока 7 управления последовательностью операций работы насосной установки соединен с приводом 2 насоса 1, а другой выход - с управляемым запорным клапаном 6, установленным в байпасной линии 5, к байпасной линии 5 подключена линия сброса 8 газожидкостной смеси. Насосная установка снабжена датчиком 9 наличия жидкости во всасывающем 3 трубопроводе, подключенным к соответствующему входу блока 7 управления последовательностью операций работы насосной установки, и дополнительными управляемыми запорными клапанами 10 и 11, подключенными к соответствующим входам блока 7 управления последовательностью операций работы насосной установки. Управляемый запорный клапан 10 установлен в линии сброса 8 газожидкостной смеси. Управляемый запорный клапан 11 установлен в напорном 4 трубопроводе за точкой подключения байпасной линии 5, при этом в качестве управляемых запорных клапанов 6 и 11 используют клапаны со свойством постепенного во времени перекрытия проходного сечения потока перекачиваемой жидкости. Конструктивно насос 1 и привод 2 закрепляются на плоской раме 12.

Для обеспечения требуемого технического результата изобретения необходимо, чтобы управляемые запорные клапаны 6 и 11 обладали свойством постепенного во времени перекрытия проходного сечения, а управляемый запорный клапан 10, установленный в линии сброса 8 газожидкостной смеси, имеет свойство быстрого по времени перекрытия проходного сечения.

Управляемый запорный клапан 11 служит для перекрытия потока перекачиваемой жидкости в напорном 4 трубопроводе, управляемый запорный клапан 6 - для обеспечения перетока перекачиваемой жидкости по байпасной линии 5 и постепенного поступления этой жидкости в напорный трубрпровод 4, а управляемый запорный клапан 10 служит для удаления газожидкостной смеси из всасывающего трубопровода 3 посредством насоса 1 через байпасную линию 5 и линию сброса 8 газожидкостной смеси в расходную емкость (резервуар), приемную емкость (резервуар) или, в крайнем случае, в атмосферу.

Предлагаемая насосная установка была реализована на основе серийно выпускаемого электронасосного агрегата FPCC 80-700 (насос с приводом, установленные на плоской раме), производимого фирмой «Alfons Haar» (Германия) с частотой вращения ротора насоса 1500 об/мин.

В качестве управляемых запорных клапанов 6 и 11 использованы клапаны запорные сильфонные с электрическими серводвигателями марки VBA-90-24V с условным диаметром 50 мм, произведенные фирмой «Clorius», клапан 6 - нормально открытый, а клапан 7 - нормально закрытый с временем полного открытия (закрытия) - 10 с, а в качестве управляемого запорного клапана 10 - клапан запорный с электромагнитным управлением марки С 26 103 516 с условным диаметром 50 мм и временем полного открытия (закрытия) - 1 с, при этом клапан 10 - нормально закрытый. Конструкция управляемых запорных клапанов 6 и 11 с электроприводом обладает свойством постепенного во времени (до 10 с) перекрытия проходного сечения байпасной линиии 5 и также постепенного открытия проходного сечения напорного трубопровода 4, а конструкция управляемого запорного клапана 10 предназначена для быстрого открытия или закрытия (до 1 с) проходного сечения клапана для удаления газожидкостной смеси из всасывающего 3 трубопровода и насоса 1 через линию сброса 8 газожидкостной смеси в зависимости от режима работы насосной установки.

В качестве датчика 9 наличия жидкости, установленного во всасывающем 3 трубопроводе, использовался типовой датчик вибрационного типа марки СУВ-302 с длиной чувствительного элемента 55 мм.

Блок 7 управления последовательностью операций работы насосной установки был выполнен в виде терминала сопряжения процесса промышленного применения типа UATIC.

Насосная установка с насосом объемного вида имеет следующие режимы работы:

Режим I - насосная установка выключена

Управляющие сигналы блока 7 управления последовательностью операций работы насосной установки не подаются на привод 2 и на другие управляемые элементы насосной установки, клапан 6 открыт, а клапаны 10 и 11 закрыты.

Режим II - пуск насосной установки при самовсасывании (всасывающий 3 и напорный 4 трубопроводы, насос 1 не заполнены перекачиваемой жидкостью, а сигнал с датчика 9 наличия жидкости отсутствует):

- при нажатии кнопки «ПУСК»  на блоке 7 управления последовательностью  операций работы насосной установки блок 7 подает управляющие сигналы на закрытие управляемого запорного клапана 6 и открытие управляемого запорного клапана 10, а затем - команду на запуск привода 2 насоса 1, при этом газожидкостная смесь, находящаяся во всасывающем 3 трубопроводе и насосе 1, удаляется по байпасной линии 5 через линию сброса 8 газожидкостной смеси и открытый управляемый запорный клапан 10 (при этом удаляемая газожидкостная смесь замещается перекачиваемой жидкостью). При поступлении перекачиваемой жидкости во всасывающий 3 трубопровод, датчик 9 наличия жидкости (показание датчика - наличие жидкости во всасывающем 3 трубопроводе), блок 7 управления последовательностью операций работы насосной установки вырабатывает управляющие команды на открытие управляемого запорного клапана 6 и закрытие управляемого запорного клапана 10, вследствие чего перекачиваемая жидкость начинает перекачиваться по кольцу через байпасную линию 5 через открытый управляемый запорный клапан 6 и насос 1, при этом газожидкостная смесь с частью перекачиваемой жидкости вследствие инертности закрытия управляемого запорного клапана 10 через линию сброса 8 газожидкостной смеси удаляется в расходную емкость (резервуар), приемную емкость (резервуар) или, в крайнем случае, в атмосферу; затем с блока 7 управления последовательностью операций работы насосной установки поступают последовательно команды на открытие управляемого запорного клапана 11 и закрытие управляемого запорного клапана 6, а перекачиваемая жидкость вследствие плавного закрытия управляемого запорного клапана 6 байпасной линии 5 из всасывающего 3 трубопровода безударно постепенно поступает в незаполненный напорный трубопровод 4, что позволяет приводу 2 и насосу 1 плавно нагружаться в начале работы после набора номинальной скорости вращения ротора насоса. Таким образом, операции запуска насосной установки в режиме II закончены, после этого насосная установка переходит в режим перекачки.

Режим III - пуск насосной установки при самовсасывании (всасывающий 3 трубопровод не заполнен, напорный 4 трубопровод заполнен, насос 1 объемного вида заполнен (не заполнен) перекачиваемой жидкостью, а сигнал с датчика 9 наличия жидкости отсутствует):

- при нажатии кнопки «ПУСК»  на блоке 7 управления последовательностью  операций работы насосной установки  блок 7 подает команды на закрытие управляемого запорного клапана 6 и открытие управляемого запорного клапана 10, а затем - команду на подачу питающего напряжения на привод 2 и запуск насоса 1, при этом газожидкостная смесь, находящаяся во всасывающем 3 трубопроводе и в насосе 1, удаляются по байпасной линии 5 через линию сброса 8 газожидкостной смеси и открытый управляемый запорный клапан 10. Удаляемая газожидкостная смесь, первоначально находящаяся в насосе 1, может быть удалена в расходную емкость (резервуар), приемную емкость (резервуар) или, в крайнем случае, выпущена в атмосферу. При поступлении перекачиваемой жидкости во всасывающий 3 трубопровод блок 7 управления последовательностью операций работы насосной установки при сигнале с датчика 9 наличия жидкости вырабатывает команды на открытие управляемого запорного клапана 6 и закрытие управляемого запорного клапана 10, вследствие этого перекачиваемая жидкость начинает перекачиваться по кольцу через байпасную линию 5, открытый управляемый запорный клапан 6 и насос 1, часть перекачиваемой жидкости вместе с газожидкостной смесью вследствие инертности закрытия управляемого запорного клапана 10 через линию сброса 8 газожидкостной смеси может быть удалена в расходную емкость (резервуар), приемную емкость (резервуар) или в атмосферу; затем с блока 7 управления последовательностью операций работы насосной установки поступают поочередные управляющие сигналы на открытие управляемого запорного клапана 11 и закрытие управляемого запорного клапана 6, перекачиваемая жидкость постепенно вследствие плавного закрытия управляемого запорного клапана 6 байпасной линии 5 поступает только в заполненный перекачиваемой жидкостью напорный трубопровод 4, что позволяет приводу 2 и насосу 1 плавно (безударно) нагружаться при начале работы после набора номинальной скорости вращения ротора насоса. Таким образом, операции запуска насосной установки в режиме III закончены. После этого насосная установка переходит в режим перекачки.

Режим IV - пуск насосной установки (всасывающий 3 и напорный 4 трубопроводы, насос 1 объемного вида заполнены перекачиваемой жидкостью, а сигнал с датчика 9 наличия жидкости показывает, что во всасывающем 3 трубопроводе имеется перекачиваемая жидкость):

- при нажатии кнопки «ПУСК»  на блоке 7 управления последовательностью  операций работы насосной установки блок 7 по сигналу датчика 9 наличия жидкости последовательно подает управляющие сигналы на подачу питающего напряжения на привод 2 и запуск насоса 1, на открытие управляемого запорного клапана 11 и закрытие управляемого запорного клапана 6, во время исполнения этих команд перекачиваемая жидкость постепенно вследствие плавного закрытия управляемого запорного клапана 6 байпасной линии 5 из всасывающего 3 трубопровода поступает в заполненный напорный трубопровод 4, что позволяет приводу 2 и насосу 1 плавно безударно нагружаться при начале работы после набора номинальной скорости вращения ротора насоса. Таким образом, операции запуска насосной установки в режиме IV закончены. После этого насосная установка переходит в режим перекачки.

Режим V - перекачка

В режиме «перекачка» управляемые запорные клапаны 6 и 10 закрыты, а управляемый запорный клапан 11 открыт.При этом происходит перекачка жидкости из всасывающего 3 трубопровода в напорный 4 посредством насоса 1.

Режим VI - остановка (останов) насосной установки

При преднамеренном (нажатие кнопки «СТОП» на блоке 7 управления последовательностью операций работы насосной установки) или случайном останове насосной установки питающее напряжение снимается со всех элементов насосной установки, при этом управляемый запорный клапан 6 плавно открывается, а управляемый запорный клапан 11 плавно закрывается, управляемый запорный клапан 10 находится в закрытом состоянии. Таким образом, за счет торможения массы жидкости и вращающихся элементов насосной установки перекачиваемая жидкость из всасывающего 3 трубопровода (по мере закрытия управляемого запорного клапана 11 и открытия управляемого запорного клапана 6) частично поступает как в напорный 3 трубопровод, так и в байпасную линию 5, что позволяет приводу 2 и насосу 1 плавно (без ударных явлений) разгружаться при окончании работы и уменьшении скорости вращения ротора насоса с номинальной до нулевой; при этом режиме насосная установка переходит в режим I.

Режимы работы насосной установки и начальное состояние клапанов, применяемых в конструкции, приведены в таблице 1.

Для подтверждения эффективности работы заявляемой конструкции и правильности выбора свойств, применяемых в конструкции элементов, в частности свойств клапанов, по отношению к прототипу были проведены сравнительные испытания насосной установки на базе электронасосного агрегата FPCC 80-700, скомплектованной согласно формуле настоящего изобретения, при этом конструктивно насос 1 и привод 2 (см. фиг.2) находились на плоской раме 12.

В качестве испытательной среды согласно руководящему документу использовалась вода.

На экспериментальной насосной установке воспроизводилась последовательность работы согласно описанию заявляемой конструкции с введением новых элементов и без них. Причем в напорном трубопроводе и в байпасной линии при испытаниях насосной установки использовались клапаны как со свойством постепенного во времени перекрытия проходного сечения потока перекачиваемой жидкости, так и быстрого с электромагнитным управлением марки КЭО 50/12/2-220 отечественного производства фирмы «Технопроект» на соответствующий диаметр напорного трубопровода и байпасной линии с временем полного открытия (закрытия) 1, 2 с.

Для определения воздействия перекачиваемой жидкости на насосную установку при испытаниях использовалось действие «Закона сохранения количества движения» и исследовалось смещение незакрепленной насосной установки относительно начального ее положения при различных режимах работы. В качестве напорного и всасывающего трубопроводов использовались резинотканевые рукавасоответствующего диаметра.

При испытаниях насосной установки учитывалось смещение начальной точки отсчета, расположенной на раме насосной установки относительно начальной линии отсчета, проведенной параллельно раме насосной установки при поддержании постоянства гидравлических параметров в режиме перекачки: подачи 40 м3/ч с возможностью отклонения параметра от номинального ±2% и давления 0,75 МПа с возможностью отклонения параметра по давлению от номинального ±1%.

Пояснения к фиг.2

А - начальная точка отсчета рамы насосной установки;

Б - начальная линия отсчета, проведенная параллельно раме насосной установки;

ΔХ - смещение точки А относительно линии отсчета Б.

Сравнительные результаты испытаний насосной установки с введением новых элементов (согласно заявляемому образцу) и без них (согласно прототипу) с применением в напорном трубопроводе и байпасной линии описанных конструкций клапанов представлены в таблицах 2 и 3.

Как видно из результатов испытаний, приведенных в таблице 2 и 3, заявляемый образец насосной установки при всех режимах пуска и останова за счет введения новых элементов: датчика наличия жидкости во всасывающем трубопроводе, управляемого запорного клапана в напорном трубопроводе и управляемого запорного клапана для сброса и удаления газожидкостной смеси из всасывающего трубопровода имеет меньшее смещение, чем прототип, что подтверждает эффективность предлагаемой конструкции, при этом наименьшее смещение имеет место в случае применения в напорном трубопроводе и байпасной линии клапанов с постепенным во времени перекрытием проходного сечения потока перекачиваемой жидкости.

Таким образом, заявляемый образец насосной установки решает задачу - повышение надежности эксплуатации насосной установки на базе объемных (пластинчатых) насосов при пуске и останове путем исключения или уменьшения величины гидроудара в трубопроводных линиях и подвижных элементах конструкции насоса.

Насосная установка, содержащая насос объемного вида с приводом, байпасную линию, соединяющую всасывающий и напорный трубопроводы с управляемым запорным клапаном, к байпасной линии подключена линия сброса газожидкостной смеси, блок управления последовательностью операций работы насосной установки, один из выходов блока управления последовательностью операций работы насосной установки соединен с приводом насоса, а другой выход - с управляемым запорным клапаном байпасной линии, отличающаяся тем, что насосная установка снабжена датчиком наличия жидкости, подключенным к соответствующему входу блока управления последовательностью операций работы насосной установки и установленным во всасывающем трубопроводе, и дополнительными управляемыми запорными клапанами, подключенными к соответствующим входам блока управления последовательностью операций работы насосной установки, один из которых установлен в линии сброса газожидкостной смеси, а другой - в напорном трубопроводе за точкой подключения байпасной линии, при этом в качестве управляемых запорных клапанов в байпасной линии и напорном трубопроводе используют клапаны со свойством постепенного во времени перекрытия проходного сечения потока перекачиваемой жидкости.