Эксплуатация НПС «Демьянское» нефтепровода «Нижневартовск – Курган – Куйбышев

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования
Санкт-Петербургский горный университет

 
Кафедра транспорта и хранения нефти и газа


Допускается к защите в ГЭК
Зав. кафедрой ТХНГ
________доц. Самигуллин Г.Х.
«____» ______________ 2018 г.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА
Направление 21.03.01 - Нефтегазовое дело

Тема:
Эксплуатация НПС «Демьянское» нефтепровода «Нижневартовск – Курган – 
Куйбышев»          
Автор, студент гр.:
ЭХТ-14-1



Ермуратов С.В.
 


(подпись)


Руководитель,
доцент



Воронов В.А.



(подпись)


Рецензент,






(должность, звание)

(подпись)


Консультанты:
   Профессор кафедры машиностроения
______________
(подпись)
Болобов В.И.
   Доцент кафедры безопасности производств
______________
(подпись)
Пасынков А.В.
   Ассистент кафедры геоэкологии
______________
(подпись)
Стриженок А.В.
   Доцент кафедры организации и управления
______________
(подпись)
Ильинова А.А.




Санкт-Петербург
2018
      Министерство образования и науки Российской Федерации
      Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
      высшего образования
      Санкт-Петербургский горный университет
      Кафедра транспорта и хранения нефти и газа
      
      Утверждаю
      Зав. кафедрой ТХНГ 
      		 _____________доц. Самигуллин Г.Х.
      «___» ____________ 2018 г.

      ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ БАКАЛАВРА
      Студенту:  группы ЭХТ-14 Ермуратов С.В.
      Тема: Эксплуатация НПС «Демьянское» нефтепровода «Нижневартовск – Курган – Куйбышев»
      Исходные данные: принять по данным преддипломной практики
Вопросы, которые должны быть отражены в пояснительной записке: описание технологического процесса на НПС, характеристика оборудования, основной технологический расчет системы нефтепровод-НПС, анализ работы станции, варианты модернизации и замены основных магистральных насосных агрегатов, сварочно-монтажные работы, безопасность жизнедеятельности, охрана окружающей среды и экономическая характеристика проекта.
      Перечень графических материалов:
      1. Технологическая схема.
      2. Генеральный план
      3. Насос магистральный НМ 7000-210
      4. Сварочные работы
      5.  План насосного цеха  
      6. Экономическая эффективность реконструкции
      Руководитель работы, доцент	           	            	                        /Воронов В.А./
                                                                                 (подпись)	
      Дата выдачи  «___» ____________ 2018 г.

Аннотация
      В выпускной квалификационной работе рассматриваются вопросы эксплуатации нефтеперекачивающей станции «Демьянское» управления АО «Транснефть – Сибирь». Описан основной технологический процесс перекачки нефти. Исходя из анализа работы нефтепровода, были предложены варианты модернизации НПС и из них выбран оптимальный. Рассматривается технология сварочно-монтажных работ на магистральной насосной станции. Освещены вопросы безопасности производства на НПС в ходе модернизации и дальнейшей эксплуатации. Произведена оценка влияния на окружающую среду основных производственных факторов. Выполнен расчет показателей экономической эффективности модернизации.
      Страниц 55, рисунков 24, таблиц 22.
      
      
      

     The summary
      In the graduate qualification work  deals with the exploitation of oil pumping station " Demyanskoye" Management Transneft-Siberia JSC. Describes the basic technological process of pumping oil. Based on the analysis, the proposed pumping station and upgrade options are chosen the best. Considers the technology of welding Main pumping station. Covering issues of safety in production at pumping stations during the upgrade and continued operation. An assessment of the environmental impact of basic production factors. The calculation of economic efficiency indicators of modernization.
      Page 55, Figure 24, Table 22.








Содержание
Введение	6
1 Специальная часть	7
1.1 Общая характеристика НПС «Демьянское» и нефтепровода НКК	7
1.2 Климатические и природные условия района расположения НПС	8
1.3 Технологическая схема	9
1.3.1 Назначение и состав НПС	10
1.3.2 Режим работы НПС	10
1.4 Расчет базового варианта	12
1.4.1 Расчет нефтепровода	13
1.4.2 Расчет оборудования	16
1.5 Модернизация НПС « Демьянское»	21
1.5.1 Расчет регулирования путем изменения частоты вращения насоса	21
1.5.2 Замена насосного оборудования	23
2 Сварочно-монтажные работы	28
2.1 Материал трубопровода и отвода	28
2.2 Разработка технологического процесса изготовления сварной конструкции	29
2.3 Выбор формы сварного соединения	30
2.4 Установление диаметра, типа, группы и марки электрода	31
2.5 Расчет массы наплавленного металла и количества электродов необходимого для сварки	31
2.6 Установление силы сварочного тока, основного времени сварки, эффективной мощности дуги	31
3 Охрана окружающей среды	33
3.1 Общая характеристика предприятия как источника воздействия на окружающую среду (ОС)	33
3.2 Охрана атмосферного воздуха	33
3.3 Охрана поверхностных и подземных вод	35
3.4 Охрана земельных ресурсов	37
3.5 Обращения с отходами	38
4  Безопасность жизнедеятельности	40
4.1 Характеристика условий и анализ потенциальных опасностей	40
4.1.1 Анализ опасных  и вредных производственных факторов при эксплуатации объектов	40
4.1.2  Динамика производственного травматизма и профессиональных заболеваний	40
4.2 Обеспечение безопасности при эксплуатации объектов	41
4.2.1  Производственный шум и вибрация	41
4.2.2  Электробезопасность и молниезащита	42
4.2.3  Воздух рабочей зоны	44
4.2.4  Пожарная безопасность	45
4.3 Обеспечение безопасности при чрезвычайных  ситуациях (ЧС)	46
4.4 План ликвидации аварий	47
5 Экономическая часть	49
Заключение	53
Список используемой литературы	54





















Введение
      Газо- и нефтедобывающая отрасль – основные и ведущие сферы Российской экономики.
      Роль транспортировки нефтепродуктов и нефти по трубопроводам  в системе нефтегазовой промышленности очень высока.
      От стабильности и надежности их работы зависит успешность функционирования ряда других сфер индустрии. Трубопроводный транспорт является посредником между потребителем и производителем в нефтяной отрасли. Нарушения технологического режима перекачки, могут спровоцировать отказ магистрального нефтепровода.
      Сведения об эксплуатационных режимах работы нефтеперекачивающих станциях (НПС) и трубопроводах имеют важное для прогнозирования снижения над?жности их работы значение.
      Актуально это становится в последнее время, так как эксплуатация оборудования и линейной части нефтепроводов, выработала собственный ресурс много лет назад.
      В Вене состоялось заседание министров 24 стран, как входивших так и не входивших в ОПЕК, которые договорились продлить сокращение добычи нефти до марта 2018.  Оптимизации режимов работы нефтепроводной сети, стал еще более актуален.
      В представленной выпускной квалификационной работе (ВКР) рассматривается нефтепровод Нижневартовск – Курган – Куйбышев (НКК), на станции НПС «Демьянское». 
      Задачей ВКР является определение рационального состава оборудования, при котором получаемая от транспорта нефти прибыль максимальна. В данной работе предлагается использовать тиристорные преобразователи частоты, с помощью которых появляется возможность осуществлять наиболее экономичный способ изменения режима станции плавным изменением частоты вращения ротора. Рациональность внедрения тиристорного преобразователя обосновывается экономией электроэнергией,  цены на которую повышаются каждый год.
      Объемы перекачки по нефтепроводу НКК увеличивается и имеющееся оборудование в скором времени перестанет удовлетворять требуемым параметрам. В связи этим, рассматривается вариант модернизации НПС «Демьянское»,  который предусматривает замену магистральных насосов НМ 7000-210 на насосы НМ 10000-210.
      
      
      
      
      
1 Специальная часть 
1.1 Общая характеристика НПС «Демьянское» и нефтепровода НКК
      НПС «Демьянское» действует с 1967 года. Нефтепровод НКК ввели в эксплуатацию в 1976 году. Проектная мощность перекачки на ранней стадии составляла 90 млн. т/год. в данное время по нему перекачивается порядка 70-80 млн. т/год.
      НПС расположена в селе Демьянское в Уватском районе Тюменской области. Перекачка нефти от НПС «Демьянское» до следующей НПС «Торгили» осуществляется по двум ниткам. НПС «Демьянское» относится к АО «Транснефть - Сибирь». 
      Генеральный план станции НПС «Демьянское» обеспечивает рациональное расположений строений и построек с учетом сторон света и направления ветров, учитывает вероятность исполнения строительных и монтажных работ современными методами с использованием строительных машин новых конструкций.
      Нефтепровода Нижневартовск – Курган – Куйбышев диаметром 1220 мм предназначается для транспортирования в район Куйбышева нефтей Нижневартовского, Самотлорского и Сургутского месторождения, а также нефтей Правдинского, Мамонтовского и других месторождений, расположенных не далеко от станции Каркатеева и Южный Балык (рисунок 1.1). Глубина залегания трубопровода (до образующей) 0,6 – 1,5 метра.
      Трасса нефтепровода представляет собой плоскую заболоченную равнину. Не заболоченные участки встречаются лишь полосами вдоль крупных рек. Мощность торфа в них колеблется  от 0,5 до 6,5 метров.
      На территории района распространены четвертичные отложения сложного генезиса – это в основном мелкозернистые пески, иногда с включением гальки и гравия с прослоями суглинков. Суглинки и супеси имеют подчиненное значение. Мощность четвертичных отложений достигает нескольких метров. На заболоченных участках преобладают торфяно-илистые отложения. Грунтовые воды залегают близко от поверхности на глубине до 2 метров.
      Размеры озер, которые встречаются на пути прохождения трассы, колеблются от нескольких метров до нескольких километров. Глубина их 1 – 1,5 метра. Гидрографическая сеть района относится к бассейну реки Оби.
      На нефтепроводе Нижневартовск-Курган-Куйбышев промежуточные НПС: Салым, Муген, Демьянское, Уват, Аремзяны, Сетово, Бачкун имеют следующие основные технологические сооружения:
      •	укрытие магистральных насосных агрегатов;
      •	блок фильтров-грязеуловителей;
      •	блок-бокс гашения ударной волны;
      •	подземные резервуары с целью сброса нефти из системы защиты нефтепровода от повышенного давления при внезапной остановке станции. Данные резервуары применяются также для сброса нефти из системы разгрузки торцевых уплотнений основных насосов, а также утечек и дренажа;
      •	блок с двумя электроприводными регулирующими заслонками и байпасом с двумя последовательно установленными задвижками;
      •	две площадки с предохранительными клапанами;
      •	площадки с узлами сдвижек.
      Технологические операции, на промежуточных  насосных станциях:
      •	перекачка нефти по схеме «из насоса в насос»;
      •	перекачка нефти по магистральному нефтепроводу мимо станции.

Рисунок 1.1 – Схема нефтепровода НКК
1.2 Климатические и природные условия района расположения НПС
      Регион исследуемого участка в климатическом отношении представляет собой область Западно-Сибирской равнины. Нефтедобывающие регионы и трассы действующих трубопроводов Западной Сибири находятся, в таежной зоне, что характеризуется резкоконтинентальным климатом – летом до +37? и зимой до -43?.
      Для региона свойственны продолжительная суровая зима и короткое жаркое лето. Зима начинается в ноябре, и продолжается 4-5 месяцев. В зимнее время осадков выпадает сравнительно мало. Толщина снежного покрова в пределах 50 - 70 см. Максимальная толщина снега наблюдается  в марте. Количество суток со снежным покровом около 200 [11].
      После относительно холодной, короткой и сухой весны лето наступает в середине мая. С переходом к лету наблюдается пониженное давление воздуха и чаще приходят циклоны с запада. Они приносят морской умеренный воздух и осадки. Больше всего осадков выпадает в июле-августе. Частая смена погоды в летнее время.
      Осень характерна усилением циклонической деятельности. Циклоны перемещаются в большей степени с запада, инициируя усиление ветра и облачную погоду с дождями и снегом. Однако осень может быть и сухая с возвратом тепла в сентябре. Осень продолжается два-три месяца.
      Направление ветра преобладает юго-восточное. Средняя скорость ветра составляет 3,9 м/сек.
      Максимальная глубина промерзания почвы по территории изменяется от 2 до 2,5 м.
      Гидрография данной местности обусловлена эррозионно аккумулятивной деятельностью рек и покровными оледенениями. Местность плоская, местами пологоволнистую равнину, поверхность местности интенсивно заболочена. Развиты сфагновые, кочкарные болота. Характеристика грунтов в районе НПС «Демьянское»: грунты-суглинки с прослойками песка, почвы подзолистые, болотные и комплекс дерновых почв. Особенно распространены болотные почвы. Мощность торфяников в среднем составляет 5-7 метров. Несущая способность грунтов составляет 1,5 кг/см2 [11].
1.3 Технологическая схема
      На НПС «Демьянское» применяют схему перекачки «из насоса в насос», нефть с предыдущего участка подается напрямую в насосы  данной станции с целью последующей транспортировки по дальнейшему участку. Подобная схема перекачки обладает большим преимуществом, так как ликвидирует промежуточные технологические операции и неизбежно связанные с ними потери нефти. Помимо этого, она существенно уменьшает расходы на транспортировку, поскольку исключает сооружение дорогостоящих резервуарных парков. Минусом данной схемы является «жесткая» гидравлическая связь абсолютно всех участков, работающих в этом режиме, поскольку любое изменение на одном из них вызывает изменение на всех остальных. Аварийная остановка одного участка ведет к остановке всех участков.
1.3.1 Назначение и состав НПС
      Перекачивающая насосная станция  предназначена для перекачки нефти по магистральному нефтепроводу.
      В состав НПС «Демьянское» входят:
– насосная станция с магистральными насосными агрегатами и системой смазки, откачки утечек;
– фильтры-грязеуловители горизонтальные;
– фильтры-грязеуловители вертикальные;
– узел регулирования давления;
– система сглаживания волн давления;
– технологические трубопроводы;
– системы водоснабжения, теплоснабжения, вентиляции, канализации, пожаротушения, электроснабжения, автоматики, телемеханики, АСУ, связи, производственно-бытовые здания и сооружения.
Таблица 1.1- Характеристика перекачиваемых товарных нефтей
№ п/п
Наименование показателя
Единицы измерения
Предельные значения



Мин.
Макс.
1
Плотность при 200С
кг/м3
865
880
2
Вода
%
-
0,5
3
Соли
мг/дм3
-
100
4
Механические примеси
%
-
0,05
5
Массовая доля серы
%
0,6
1,8
6
Кинематическая вязкость (при 200С)
сСт
18
20
7
Парафин
%
-
6,0
1.3.2 Режим работы НПС
      Нефть по подводящему трубопроводу поступает на НПС, с давлением до 27 кгс/см2, через задвижку № 10 расположенную в узле пуска  СОД, и направляется на горизонтальные фильтры-грязеуловители грубой очитки (ФГ №№1,2,3) при этом один фильтр закрыт и находится в резерве. Перепады давления в фильтрах-грязеуловителях следует фиксировать один раз в 12 часов, а уже после выполнения работ на линейной части не реже одного раза в час. При превышении максимального перепада давления на фильтре-грязеуловителе более или равном 0,5кгс/см2 он должен быть отключен и очищен. С целью очищения фильтров-грязеуловителей необходимо перекрыть и отключить секущие задвижки, предварительно включив в работу резервный фильтр-грязеуловитель. Нефть, очищенная от  посторонних предметов, поступает в вертикальные фильтры-грязеуловители тонкой очистки (ФГ №№ 4, 5, 6),   при этом один фильтр закрыт и находится в резерве. Перепады давления в фильтрах-грязеуловителях необходимо регистрировать раз в 12 часов, а после проведения работ на линейной части не реже одного раза в час. При превышении максимального перепада давления на фильтре-грязеуловителе более или равном 0,5кгс/см2 он должен быть отключен и очищен. Для очистки фильтров-грязеуловителей необходимо закрыть и отключить секущие задвижки фильтра, предварительно включив в работу резервный фильтр-грязеуловитель. 
      Для защиты технологических трубопроводов нефти  от резких скачков давления при отключении агрегатов насосных станций, магистральных нефтепроводов или внезапном перекрытии трубопроводов и гидравлическом ударе, на НПС установлена система сглаживания волн давления фирмы «АРКРОН - 1000» (США).   
      Возникающие в защищаемом трубопроводе  волны давления  сглаживаются автоматически, сбросом части потока нефти в  специальные безнапорные емкости сбора утечек ЕП1-ЕП5 V=100 м3 с плавным ограничением скорости повышения давления от 0,1 кгс/см2 до 0,6 кгс/см2  в секунду. ССВД должна срабатывать  при повышении давления в нефтепроводе со скоростью выше 0,2 кгс/см2 в секунду, а также при  росте давления на величину более 0,3 кгс/см2  от установившегося давления в нефтепроводе.
      После фильтров тонкой очистки нефть поступает на прием магистральной насосной. 
      На участке трубопровода от магистральной насосной до магистрального нефтепровода установлен узел регулирования давления (САР) для поддержания заданных величин давления:
   * минимальное давление на входе в магистральную насосную  5,0 кгс/см2;
   * максимальное давление на выходе из магистральной насосной   64 кгс/см2.
     В узле регулирования давления установлены регулирующие заслонки: РД 1, РД2 Ру = 7,5 МПа на суммарную производительность Q = 8700 м3/час и РД 3 Ру = 7,5 МПа.
      После узла регуляторов давления нефть через выкидную задвижку №  11 . подается в магистральный нефтепровод. 
1.4 Расчет базового варианта
      При расчете базового варианта рассматриваем схему насосов НПС «Демьянское» состоящую  из четырех насосов НМ 7000-210, соединение насосов - последовательное.
      Насос НМ 7000-210 является центробежным горизонтальным односторонним насосом. Рабочее колесо обладает двусторонним входом. Корпус разъемный в горизонтальной плоскости. Слитые с корпусом каналы подвода (полуспиральный) и отвода (двухзаходный спиральный) способствуют эффективности и долговечности эксплуатации насоса.
      
      Рисунок 1.2 – Общий вид магистрального нефтяного насоса типа НМ одноступенчатого спирального типа с двухсторонним подводом жидкости к рабочему колесу с подачами от 1250 до 10000 м3/ч

Рисунок 1.3 – Разрез насоса типа НМ 7000-210 (одноступенчатого с рабочим колесом двухстороннего входа)
1.4.1 Расчет нефтепровода
Таблица 1.2 - Исходные данные
Параметр
Значение
Единица измерения
Массовая производительность трубопровода
74
млн.т./год
Плотность нефти
875
кг/м3
Диаметр трубопровода
1220
мм
Число рабочих дней в году
365
сут.
Абсолютная шероховатость трубопровода
0,2
мм
Кинематический коэффициент вязкости нефти

м2/с
Длина участка трубопровода
107
км
Разность геодезических отметок
-49
м
Температура транспортирования
20
?
Кавитационный запас
52
м
Остаточный напор в конце участка
30
м
Толщина стенки
14
мм


Рисунок. 1.4  - Схематический геодезический профиль трубопровода
      Найдем производительность трубопровода [7]: 
 ,
(1)
где  - массовая производительность трубопровода, млн.т./год;
       - количество рабочих дней в году НПС, сут.;
        - плотность нефти, ;
       - коэффициент неравномерности перекачки, величина которого для трубопроводов, прокладываемых параллельно с другими нефтепроводами равна .
      Напор, который развивают насосы на НПС, расходуется на трение , статического сопротивления из-за разности геодезических (нивелирных) отметок , преодоление местных сопротивлений  и создания требуемого остаточного напора в конце трубопровода . Потери напора на местные сопротивления составляют 1-3 % от линейных потерь [1]. В итоге, напор, необходимый для ведения перекачки с заданным расходом:
      ,
(2)
где  - разность геодезических отметок конца  и начала  трубопровода;
       - остаточный напор в конце участка;
      - потери напора на трение в трубе.
      Потери напора на трение в трубе определяют по формуле Дарси – Вейсбаха: 
      ,
(3)
где ? – коэффициент гидравлического сопротивления.
      Формула Дарси – Вейсбаха может быть представлена в обобщенном виде (формула Лейбензона) [10]: 
      ,
(4)
где , m – коэффициенты зависящие от режима течения нефти и зоны трения (если режим течения турбулентный); 
	 - кинематическая вязкость нефти при соответствующей температуре перекачки, м2/с; 
	 - длина участка нефтепровода;
      D – внутренний диаметр трубопровода. 
Таблица 1.3 - Величины коэффициентов в формуле Лейбензона
Режим течения
m
A1
?, с2/м
Ламинарный
1
64
4,15
Турбулентный:
Зона Блазиуса
0,25
0,3164
0,0246
Зона смешанного трения
0,1
0,206?0,15
0,0166?0,15
Зона квадратичного трения
0
?
0,0827?
      Так как НПС «Демьянское» качает нефть по двум параллельным ниткам, определим расход в каждой из них. Для начала рассчитаем производительность нефтепровода с Dн=1220 мм  (примем за лупинг нитку нефтепровода с Dн =720мм), предположив, что режим течения турбулентный (смешанного трения):
,
(5)
где D1 и D2 внутренние диаметры трубопровода и лупинга соответственно.
      Производительность второй нитки соответственно равна:

(6)
      Режим движения потока в трубопроводе характеризуется числом Рейнольдса:
;
(7)
      ;
      .
      Различают три зоны трения при турбулентном режиме течения: гидравлически гладких труб, смешанного трения, квадратичного трения. Границами этих зон являются переходные числа Рейнольдса, найденные на основании экспериментов[9].
Таблица 1.4 -  Переходные числа Рейнольдса
Зоны трения
Границы зон
Гидравлически гладких труб
2300 < Re < 
Смешанного трения
< Re <
Квадратичного трения
 Re >
где  – относительная шероховатость труб, выраженная через эквивалентную шероховатость Kэ =0,2 (берется из  справочных данных) и диаметр, мм.
      
      .
(8)
      Для Dн = 1220 мм граничные значения числа Рейнольдса:
      
      .

(9)
      Так как , то перекачка происходит в турбулентном режиме в зоне смешанного трения.
      Для Dн  = 720 мм граничные значения числа Рейнольдса:
      
      .
(10)
      Так как , то перекачка также происходит в турбулентном режиме в зоне смешанного трения.
      Так как трубопровод состоит из двух ниток то формула потерь напора на трение примет следующий вид [8]:
      ,
(11)
где  - поправка, учитывающая изменение гидравлического уклона на участке трубопровода с лупингом;
      -диаметр первого трубопровода. 
;
;

(12)


(13)


      Полный напор в нефтепроводе:
         .
	Расчет показал, что рабочим режимом НПС «Демьянское» будет ; .
      При этом насосная установка должна обеспечивать напор .
1.4.2 Расчет оборудования
	На НПС «Демьянское» применяются магистральные нефтяные насосы типа НМ-7000-210 в количестве 4 штук (1 - резервный), соединение насосов - последовательное. Так данная система насосов не обеспечивает необходимой производительности принято решение использовать сменные роторы для подачи 1,25 от номинальной.
Таблица 1.5 - Основные параметры магистрального насоса НМ 7000-210
Характеристики
Значение
Тип насоса
НМ 7000-210
Подача, м3/ч
7000
Напор, м
210
Диаметр рабочего колеса, мм
475
Скорость вращения, об/мин
3000
Допускаемый кавитационный запас (при работе на воде), м
52
КПД насоса (при работе на воде), %
89
Мощность (полезная) насоса (при работе на нефти), кВт
3870
Электродвигатель:

      тип
СТД 5000-2
      мощность, кВт
5000
      скорость вращения, об/мин
3000
      напряжение, В
6000 или 10 000
      вес, кг
15 000
      КПД, %
97
Вес:

      насоса, кг
6 600
      агрегата, кг
22 320

      Рисунок 1.5 – Характеристики H-Q, ?-Q, ?hд-Q магистрального нефтяного насоса типа НМ 7000-210.
      Паспортная характеристика насоса НМ 7000-210 со сменным ротором 1,25:
      ;
      .
      Построим совмещенную характеристику участка нефтепровода для турбулентного режима зоны смешанного трения и суммарную характеристику магистральных насосов НПС «Демьянское».
	На рисунке 1.6 представлен совмещенный график характеристики насосов и трубопровода. С помощью точки пересечения (рабочей точки) определим режим работы установки.

Рисунок 1.6 - Совмещенный график характеристики насосов и трубопровода.
Таблица 1.6 - Значения расчетных параметров

Q, м3/ч

Hтп, м
Нн, м
КПД, %
500
11147,21
2,10
1021,73
11,94
1000
22294,42
7,85
1018,51
21,02
1500
33441,63
16,97
1013,15
29,48
2000
44588,84
29,32
1005,64
37,33
2500
55736,05
44,81
995,99
44,56
3000
66883,26
63,36
984,19
51,18
3500
78030,47
84,93
970,25
57,18
4000
89177,68
109,45
954,16
62,57









Продолжение таблицы 1.6

4500
100324,89
136,91
935,93
67,34
5000
111472,10
167,25
915,55
71,5
5500
122619,31
200,45
893,03
75,04
6000
133766,52
236,49
868,36
77,97
6500
144913,73
275,33
841,55
80,28
7000
156060,94
316,97
812,59
81,98
7500
167208,15
361,36
781,49
83,06
8000
178355,36
408,51
748,24
83,53
8500
189502,57
458,38
712,85
83,38
9000
200649,78
510,96
675,31
82,62
9500
211796,99
566,24
635,63
81,24
10000
222944,20
624,21
593,80
79,25


      Определяем режим работы установки ; при расходе ; .
      Обеспечение необходимого режима на НПС «Демьянское» ;  создается благодаря узлу регуляторов давления (дросселирование).
      Этот метод на практике применяется сравнительно часто, хотя не является экономичным. Он основан на частичном перекрытии потока нефти на выходе из насосной станции, то есть на создании дополнительного гидравлического сопротивления.
При данной производительности излишек напора, создаваемый магистральными насосами НПС

(14)
где  - напор магистрального трубопровода с учетом подпора перед НПС при производительности .
      КПД дросселирования определяется по формуле [7]:
.
(15)
      Для того чтобы построить характеристику магистрального нефтепровода с учетом дросселирования, необходимо к аналитическому выражению характеристики H-Q нефтепровода добавить уравнение дросселя, но первоначально необходимо найти выражение в знаменателе:
,
(16)
где , ,  - коэффициент расхода дросселя, площадь проходного сечения и параметр регулирования соответственно.

Рисунок 1.7 - Совмещенная характеристика H-Q участка магистрального нефтепровода и НПС «Демьянское» с регулировкой способом дросселирования
      Величина мощности, потребляемой электродвигателем насоса определяется по выражению:
,
(17)

где Hн, Qн,  – соответственно напор, подача и КПД рассматриваемого насоса;
 – КПД электродвигателя;
 – КПД механической подачи, для механической муфты можно принять ?мех = 0,99.
.
      Энергозатраты на перекачку 1 т нефти по формуле:

(18)
      
1.5 Модернизация НПС « Демьянское»
1.5.1 Расчет регулирования путем изменения частоты вращения насоса
* Рассмотрим приведение характеристик насосов к рабочей точке путем изменения частоты вращения одного из насосов при Q=Q0=9663 м3/час; H=H0=576 м.
      При изменении частоты вращения ротора насосов, уравнение характеристики H-Q магистральных насосов НПС, будет [13]:
      ,
(19)
где - отношение новой частоты вращения насоса к паспортной.
      Суммарная характеристика магистральных насосов НПС «Демьянское» с учетом регулирования одного насоса [25]:
;
(20)
         ;
         .
         Тогда новая частота насоса:
         .
      На рисунке 1.8представлена совмещенная характеристика H-Q участка магистрального нефтепровода и НПС «Демьянское» с регулировкой изменением частоты вращения.
      
Рисунок 1.8 – Совмещенная характеристика H-Q участка магистрального нефтепровода и НПС «Демьянское» с изменением частоты вращения одного насоса
      Напор, развиваемый регулируемым магистральным насосом:
      .
      Напор, развиваемый не регулируемыми насосами:
.
      КПД магистральных насосов после регулирования изменением частоты вращения рабочих колес насосов при производительности , учитывая :
.
      КПД нерегулируемых насосов при производительности :
.
      Далее определим КПД установки: 

(21)
      Мощность установки (затраченная):


1.5.2 Замена насосного оборудования
      На НПС Демьянское применяются магистральные нефтяные насосы типа НМ-7000-210 в количестве 4 штук (1 - резервный) со сменными роторами для подачи 1,25 от номинальной. Произведем их замену на 4 насоса НМ-10000-210 (1-резервный)
Таблица 1.7 - Основные параметры магистрального насоса НМ 10000-210
Характеристики
Значение
Тип насоса
НМ 10000-210
Подача, м3/ч
10000
Напор, м
210
Диаметр рабочего колеса, мм
495
Скорость вращения, об/мин
3000
Допускаемый кавитационный запас (при работе на воде), м
65
КПД насоса (при работе на воде), %
89
Мощность (полезная) насоса (при работе на нефти), кВт
5540
Электродвигатель:

      тип
СТД 6300-2
      мощность, кВт
6300
      скорость вращения, об/мин
3000
      напряжение, В
6000 или 10 000
      вес, кг
20600
Вес:

      насоса, кг
8680
      агрегата, кг
29400
Паспортные характеристики насоса НМ 10000-210:
      
      

Рисунок 1.9 – Характеристика насоса НМ 10000-210
      Построим совмещенную характеристику участка нефтепровода для турбулентного режима зоны смешанного трения и суммарную характеристику магистральных насосов НПС «Демьянское».
      Характеристика системы из трех насосов НМ 10000-210 соединенных последовательно с учетом подпора перед НПС, :
 .
	На рисунке 1.10 представлен совмещенный график характеристики насосов и трубопровода. С помощью точки пересечения (рабочей точки) определим режим работы установки.

Рисунок 1.10 - Совмещенный график характеристики насосов и трубопровода.
Таблица 1.8- Значения расчетных параметров 
Q, м3/ч

Hтп, м
Нн, м
КПД, %
500
11147,21
2,10
901,06
21,58
1000
22294,42
7,85
899,15
28,22
1500
33441,63
16,97
895,96
34,52
2000
44588,84
29,32
891,50
40,48
2500
55736,05
44,81
885,76
46,10
3000
66883,26
63,36
878,75
51,38
3500
78030,47
84,93
870,46
56,32
4000
89177,68
109,45
860,90
60,92
4500
100324,89
136,91
850,06
65,18
Продолжение таблицы 1.8
5000
111472,10
167,25
837,95
69,10
5500
122619,31
200,45
824,56
72,68
6000
133766,52
236,49
809,90
75,92
6500
144913,73
275,33
793,96
78,82
7000
156060,94
316,97
776,75
81,38
7500
167208,15
361,36
758,26
83,60
8000
178355,36
408,51
738,50
85,48
8500
189502,57
458,38
717,46
87,02
9000
200649,78
510,96
695,15
88,22
9500
211796,99
566,24
671,56
89,08
10000
222944,20
624,21
646,70
89,60
      Определяем режим работы установки ; при расходе ; .
      Рассмотрим приведение характеристик насосов к рабочей точке путем изменения частоты вращения одного из насосов в соответствии с формулой при Q=Q0=9663 м3/час; H=H0=576 м.

      После решения уравнения, получаем    ;  .
      
Рисунок 1.11 – Совмещенная характеристика H-Q участка магистрального нефтепровода и НПС «Демьянское» с изменением частоты вращения одного насоса
      На рисунке 1.11 представлена совмещенная характеристика H-Q участка магистрального нефтепровода и НПС «Демьянское» с регулировкой изменением частоты вращения.
      Напор, развиваемый регулируемым магистральным насосом:
      .
      Напор, развиваемый не регулируемыми насосами:
.
      КПД магистральных насосов после регулирования изменением частоты вращения рабочих колес насосов при производительности , учитывая :
      .
      КПД нерегулируемых насосов при производительности :
      .
      Далее определим КПД установки:
.
      Мощность установки (затраченная):
.
.
      Для наглядного сравнения базового и предложенных вариантов компоновки магистральной насосной станции НПС «Демьянское» построим гистограмму по удельным энергозатратам, которая показана на рисунке 1.12.
      Вариант 1 - четыре НМ 7000-210 (три в работе, один в резерве) со сменным ротором 1,25 от номинальной подачи, соединенных последовательно с регулированием методом дросселирования;  вариант 2 – то же, но с частотно-регулируемым приводом; вариант 3 – четыре НМ 10000-210 (три в работе, один в резерве), соединенных последовательно с частотно-регулируемым приводом.

      Рисунок 1.12 – Удельные энергозатраты на перекачку 1 т по рассматриваемым вариантам
      Как видно из гистограммы, по удельным энергозатратам наиболее выгодным вариантом является замена насосов на более мощные.
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      

2 Сварочно-монтажные работы
      При монтаже трубопроводов и технологических систем неизбежно возникает необходимость приварки отвода к основной трубе. 
      Для получения отвода подсоединяем трубу 720?12 мм из стали 17Г1С к трубе 1220?16 мм из той же марки стали. Используем ручную дуговую сварку,  так как объем сварочных работ невелик. 

      Рисунок 2.1 – Схематическая конструкция приварки отвода
2.1 Материал трубопровода и отвода
      Магистральный нефтепровод 1220?14 и отвод 720?12  изготовлен из стали 17Г1С, химический состав которой представлен в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Химический состав стали 17Г1С
Хим. элемент
C
Si
Mn
Ni
S
P
Cr
V
N
Al
Cu
As
Доля, %
0,15-0,2
0,4-0,6
1,15-1,6
0,3
0,035
0,03
0,3
0,12
0,008
0,02-0,05
0,03
0,08
      Свариваемость материала: без ограничений.
Таблица 2.2 - Механические свойства стали 17Г1С х24ъ 
Показатель
Значение
Предел прочности, МПа
510
Предел текучести, МПа
343
Относительное удлинение при разрыве ,%
20
2.2 Разработка технологического процесса изготовления сварной конструкции
      Место присоединения отвода к магистральному нефтепроводу будем обрабатывать газокислородной резкой. В основной трубе 1220?14 делаем отверстие равное внутреннему диаметру отвода 696 мм.
      Технология газокислородной резки: пламя разогревает поверхность, которую планируется резать, до температуры воспламенения, затем на разогретый металл подается струя кислорода. Получается горящая струя,  которая разрезает металл. Качество реза зависит от толщины материала и скорости резки [23].
      На рисунке 2.2 показан контур резки основной трубы и отвода.


Рисунок 2. 2 Контур резки основной трубы и отвода
      В таблице 2.3 представим скорость резки в зависимости от толщины металла. В нашем случае оптимальной скоростью резки будет 460 мм/мин [14].
Таблица 2.3 – Скорость резки в зависимости от толщины металла
Толщина металла, мм
5
10
15
20
25
30
40
45
50
60
70
80
90
100
Скорость резки, мм/мин
620
520
460
420
390
370
330
325
320
300
280
270
260
250
2.3 Выбор формы сварного соединения
     Для изготовления сварной конструкции (рисунок 2.4) из 2-х труб с толщинами стенки      S1 = 16 мм, S2 = 12 мм следует применять угловое сварное соединение с зазором между свариваемыми деталями а = 1 мм, с разделкой кромки привариваемой детали с одной стороны. Абсолютная прочность шва получается при катете шва, равном толщине металла, но в данном случае принимаем катет шва равным 6,0 мм.

     Рисунок 2.4 – Профиль сварного шва (угловое соединение)
     Рассчитаем ориентировочный показатель свариваемости материала конструкции, исходя из химического состава (таблица 2.1) [2].
.......................