Насосы и трубопроводы для вязких продуктов рассчитывают не по номинальному режиму, а по максимальной вязкости, с которой столкнётся система. Для тяжёлой нефти и мазута это, как правило, минимальная температура продукта: первый пуск холодным утром, повторный пуск после длительного простоя или отказ, при котором часть обогрева выходит из строя. Если тип насоса, всасывающая линия, диаметр трубопровода и мощность двигателя не проверены на этот наихудший случай, система, исправно работающая в обычные дни, может не справиться именно тогда, когда это критично.
На этой странице разобрана логика расчёта, характерная для перекачки тяжёлой нефти и мазута. О поддержании температуры линии читайте на странице о путевом обогреве, об особенностях налива автоцистерн — на странице о наливе тяжёлой нефти.
Исходная точка: зависимость вязкости от температуры
Кинематическая вязкость нефтепродуктов быстро меняется с температурой. Значения, измеренные при двух температурах, позволяют стандартными методами оценить вязкость при других температурах в ограниченном диапазоне, поэтому у лаборатории следует запрашивать минимум две точки, а не одно число. Остаточные марки мазута обычно требуют подогрева для перекачки и распыла, и смена марки сдвигает как целевую температуру перекачки, так и расчётную вязкость.
Температура застывания в этом расчёте служит вспомогательной границей, а не расчётной температурой. У парафинистых продуктов текучесть может зависеть от термической предыстории: один и тот же продукт в одних условиях ведёт себя как жидкость, в других — как твёрдое тело. Эта неопределённость — веская причина отдельно рассмотреть сценарий холодного пуска.
Выбор типа насоса
Центробежные насосы с ростом вязкости заметно теряют КПД: напор и подача падают, потребляемая мощность растёт, увеличиваются требуемый кавитационный запас (NPSH) и пусковой момент. Поэтому характеристику насоса, испытанного на воде, для вязкой жидкости необходимо пересчитывать. У роторных объёмных насосов, наоборот, с ростом вязкости снижаются внутренние перетечки и растёт объёмный КПД, а работать они способны при вязкостях, значительно превышающих возможности центробежных машин. Именно поэтому для перекачки тяжёлой нефти и мазута часто выбирают роторные объёмные насосы: шестерённые, винтовые или кулачковые.
Критерий | Центробежный насос | Роторный объёмный насос |
Подача при росте вязкости | Заметно снижается; характеристику нужно пересчитать | При постоянной частоте вращения в основном сохраняется; перетечки уменьшаются |
Потребляемая мощность | Растёт из-за снижения КПД | Растёт из-за потерь на трение; двигатель выбирают по максимальной вязкости |
Требования на всасывании | Растёт требуемый NPSH | Требуемое давление на входе растёт с вязкостью; при очень высокой вязкости частоту вращения снижают |
Регулирование подачи | Задвижкой или частотой вращения | Частотой вращения; защита от превышения давления при закрытом нагнетании входит в проект |
Типичная область | Маловязкие продукты, большие расходы | Подогретая тяжёлая нефть, мазут и подобные вязкие продукты |
Всасывающая сторона: здесь начинается большинство проблем
Располагаемый кавитационный запас (NPSHA) показывает, насколько абсолютное давление на входе насоса превышает давление насыщенных паров продукта при рабочей температуре. У вязких продуктов трение во всасывающей линии быстро съедает этот запас, а требуемое давление на входе объёмного насоса при этом тоже растёт с вязкостью. В итоге возникает риск кавитации, неполного заполнения и неустойчивой работы.
· Короткая линия увеличенного диаметра: Размещение насоса ближе к резервуару и всасывающий патрубок большего диаметра, чем нагнетательный, снижают потери.
· Подпор на всасывании: Установка насоса ниже уровня продукта, чтобы резервуар питал его самотёком, облегчает условия на входе.
· Обогрев всасывающей линии: Даже потеря нескольких градусов на всасывании заметно повышает вязкость, поэтому обогрев этого участка нельзя упускать.
· Приёмный фильтр: Защищает насос от посторонних включений, но его сопротивление на вязком продукте быстро растёт; полезны дифманометр и легкодоступная корзина.
Диаметр трубопровода и потери давления
Вязкие продукты, как правило, текут в ламинарном режиме, где потери давления растут почти пропорционально вязкости. Увеличение диаметра снижает потери, но каждый шаг по диаметру увеличивает обогреваемую поверхность, объём продукта, остающегося в линии, и трудоёмкость её освобождения. Правильный диаметр находят, уравновешивая давление насоса, мощность обогрева и удерживаемый объём. В расчёт нужно включить и средства измерения: перепад давления на объёмных и кориолисовых расходомерах растёт с вязкостью, и если его не учесть при выборе насоса, расходомер может стать узким местом системы. Выбор расходомеров для тяжёлой нефти рассмотрен на странице об узлах учёта тяжёлой нефти.
Освобождение, очистка и повторный пуск линии
После окончания перекачки продукт в линии остывает и создаёт самые тяжёлые условия для следующего пуска. Есть несколько подходов, выбор между которыми зависит от режима работы объекта:
· Постоянная циркуляция: Линия выполнена как контур с возвратом в резервуар; продукт остаётся горячим ценой постоянных затрат энергии на перекачку и обогрев.
· Простой с обогревом: Линия остаётся заполненной, а путевой обогрев держит продукт при температуре поддержания.
· Дренаж: Линию прокладывают с уклоном и опорожняют в резервуар или дренажную ёмкость; слабые места — тупиковые участки и нижние точки.
· Продувка или очистка скребком: На длинных линиях продукт вытесняют; если может образоваться горючая атмосфера, вместо сжатого воздуха применяют инертный газ.
· Промывка более лёгким продуктом: При смене марки или перед длительным простоем; куда направить промывочный продукт, нужно решить заранее.
Исходные данные для проектирования
Параметр | Почему это важно | Влияние на выбор |
Вязкость при минимальной температуре продукта | По ней проверяют насос, двигатель и потери в линии | Тип насоса, частота вращения и мощность двигателя |
Номинальный и максимальный расход | Потери давления растут с расходом | Диаметр линии и типоразмер насоса |
Расположение резервуара и диапазон уровней | Определяют условия всасывания | Место установки насоса, диаметр всасывания, возможность подпора |
Длина линии и перепады высот | Задают общее требуемое давление и возможность дренажа | Давление насоса, способ дренажа и очистки |
Расходомеры, фильтры и арматура на линии | Каждый элемент добавляет сопротивление на вязком продукте | Давление насоса и типоразмеры оборудования |
Состояние обогрева и изоляции | Показывает, удастся ли удержать температуру перекачки | Потребность в обогреве и расчётная вязкость |
Сценарий останова и повторного пуска | Пуск часто оказывается самым тяжёлым режимом | Решение о циркуляции, дренаже или очистке |
Работа с TLY Enerji
В проектах перекачки вязких продуктов TLY Enerji может оказать инженерную поддержку: оценку технологических данных, подбор и поставку насосов, арматуры и средств измерения, интеграцию управления насосами и расходомерами в автоматику на базе ПЛК, а также монтаж на площадке, испытания и пусконаладку. Ответственность за гидравлические расчёты, проект обогрева и механический монтаж распределяется в каждом проекте на основе технического задания.
Данные для расчёта
· Марка продукта, плотность и вязкость, измеренная минимум при двух температурах
· Температура продукта в резервуаре и минимальная возможная температура линии
· Требуемый расход и объёмы перекачки за сутки или партию
· Расположение резервуара и насоса, минимальный рабочий уровень
· Трасса линии: длины, перепады высот, существующие диаметры
· Перечень расходомеров, фильтров и арматуры на линии
· Существующий обогрев и изоляция, доступные энергоносители
· Остаётся ли линия заполненной после перекачки и как часто меняется марка продукта
Связанные страницы
· Налив тяжёлой нефти в автоцистерны: Как сохранить текучесть продукта при наливе из подогреваемых резервуаров.
· Путевой обогрев трубопроводов: Выбор способа поддержания температуры линий перекачки.
· Узлы учёта тяжёлой нефти: Влияние вязкости на выбор расходомера и перепад давления.
· Перекачка высоковязкого битума: Насосы и трубопроводы с рубашкой для ещё более горячих продуктов.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли перекачивать тяжёлую нефть центробежным насосом?
В ряде задач с большими расходами — да, если продукт подогрет настолько, что вязкость остаётся низкой. Однако характеристика центробежного насоса быстро ухудшается с ростом вязкости, и при холодном пуске он может не обеспечить нужную подачу. Поэтому насос оценивают по характеристике, пересчитанной на вязкость, и по сценарию наихудшей температуры, а не по водяной кривой.
Зачем объёмному насосу предохранительный клапан или защита по давлению?
Объёмный насос за каждый оборот вытесняет в нагнетание определённый объём. Если задвижка на нагнетании осталась закрытой или линия остыла и забилась, давление может расти, пока не превысит расчётный предел насоса или трубопровода. Поэтому сброс давления на насосе или в системе и соответствующий контроль давления рассматриваются как обязательная часть проекта.
Всегда ли трубопровод большего диаметра лучше?
Нет. Больший диаметр снижает потери давления и мощность насоса, но увеличивает обогреваемую поверхность, объём продукта в линии и трудоёмкость её освобождения. На объектах с частой сменой марок удерживаемый объём становится ещё и коммерческой, и эксплуатационной проблемой. Правильный диаметр выбирают с учётом всех этих факторов вместе.
Почему насосу тяжело при холодном пуске?
Во время простоя продукт в линии остывает и густеет. При пуске насос должен протянуть этот тяжёлый продукт через всасывание и продавить его по всей нагнетательной линии, поэтому требуемые мощность и пусковой момент могут значительно превышать рабочие. Нагрузку снижают предварительный прогрев путевым обогревом, плавный пуск на пониженной частоте вращения или дренаж линии перед остановом.