В производственной деятельности нефтегазодобывающих предприятий транспорт жидкости представляет собой один из важнейших технологических процессов, требующий постоянной оценки эффективности и принятия организационных и технических мер, направленных на снижение эксплуатационных затрат, включая затраты на энергопотребление.

В предлагаемой Вашему вниманию статье представлены результаты эксперимента и анализа взаимного влияния характеристик центробежных насосов и линейной части трубопроводов. Систематизированы условия выбора насосных установок в соответствии с существующими способами регулирования их напорных и расходных характеристик в составе линейной части трубопроводов. На основании практического опыта специалистов АО «Самаранефтегаз» предложены пути повышения эффективности работы насосного оборудования.

06.04.2017 Инженерная практика №01-02/2017

Останков Николай Александрович Первый заместитель генерального директора, главный инженер АО «Самаранефтегаз»

Стрюков Юрий Анатольевич Главный механик, начальник отдела главного механика АО «Самаранефтегаз»

Ртищев Анатолий Владимирович Главный специалист группы управления проектами АО «Самаранефтегаз»

Королев Владимир Николаевич Ведущий специалист отдела главного механика АО «Самаранефтегаз»

Черепанов Андрей Викторович Руководитель группы по повышению энергоэффективности и энергосбережению АО «Самаранефтегаз»

Суммарное энергопотребление установок с центробежными насосами в АО «Самаранефтегаз» за 2015 год составило порядка 450 млн кВт-ч, и эта цифра эквивалентна приблизительно 29% всего производственного электропотребления предприятия. Нетрудно посчитать, что даже 1%-ное снижение энергопотребления насосных установок в целом по Обществу позволит получить значительную экономию денежных средств.

По результатам анализа работы насосного оборудования, эксплуатируемого на объектах наземной инфраструктуры в АО «Самаранефтегаз», и рассмотрения его с теоретической позиции работы гидродинамической сети можно сделать вывод, что одним из приоритетных направлений повышения эффективности транспорта жидкости должно быть обеспечение согласованной работы насосного агрегата, трубопровода и запорно-регулирующей арматуры. В этой связи такие манипуляции по регулировке рабочих характеристик насосного оборудования, как дросселирование избыточного напора насоса запорной арматурой на нагнетательной линии, а также искусственная организация перетока рабочей жидкости из напорного трубопровода в приемный (работа по байпасной схеме) следует считать недопустимыми.

Обеспечение эффективной работы насосных установок составляет в настоящее время одну из приоритетных задач, над решением которой работают специалисты АО «Самаранефтегаз».

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Работа насоса характеризуется его производительностью (подачей), развиваемым напором, частотой вращения и общим КПД. Графическое изображение зависимостей манометрического напора (Н), КПД (η) и мощности (N) от производительности (Q) насоса при постоянной частоте вращения называется рабочей (расходно-напорной (Q-H) характеристикой, РНХ) и в общем виде представлена на рис. 1.

Точка А на представленной характеристике соответствует наибольшему значению КПД и считается оптимальной рабочей точкой насосного агрегата. Увеличение или уменьшение производительности насоса по сравнению с номинальным значением сопровождается снижением его КПД [1]. Точкой А определяются все параметры, характеризующие рабочий режим насоса: производительность, напор (включая высоту всасывания), мощность на валу насоса и КПД [2].

Необходимо отметить, что работа насосной установки зависит не только от характеристики самого насоса, но и от характеристики той сети (трубопровода), на которую работает насос. В той же системе координат расходно-напорной характеристики можно провести кривую через точки, соответствующие «полезному напору» насоса в данной сети, то есть напору, обеспечивающему заданный расход (перекачку) среды без дросселирования при каждом значении расхода насоса. Данная кривая будет пересекаться с РНХ в оптимальной рабочей точке насоса (рис. 2). Отклонение от кривой полезного напора будет характеризовать величину гидравлических потерь и, соответственно, снижение КПД насоса в сети вследствие дросселирования потока задвижками.

Таким образом, один и тот же насос при одинаковой частоте вращения, но при различных характеристиках сети будет перекачивать различные объемы жидкости.

УСЛОВИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

На основании проведенных в 2015 году специалистами АО «Самаранефтегаз» экспериментальных работ в части измерения КПД насосных агрегатов на блочной кустовой насосной станции (БКНС) «Радаевская» Радаевского месторождения сформулированы рекомендации по обеспечению энергоэффективной эксплуатации насосного оборудования и тиражированию полученного опыта.

Так, при проектировании новой насосной установки и новой сети их рабочие характеристики должны выбираться из условия пересечения характеристики насоса с характеристикой сети в оптимальной точке (максимальный КПД). Теме не менее на практике из-за исторически сложившихся подходов, продиктованных условиями роста как добычи углеводородного сырья, так и его стоимости, повышению энергоэффективности производственных процессов и снижению удельных затрат на добываемую продукцию не уделялось должного внимания. Насосное оборудование подбиралось по максимально возможному напору в сети, а снижение напора и уменьшение подачи достигались при помощи простого дросселирования в напорной задвижке, что необоснованно приводило к существенным потерям потребляемой электроэнергии (точка В на рис. 2).

В случае необходимости увеличения производительности насосной станции, этот вопрос зачастую решался путем простой замены существующих насосов насосами с большей производительностью и более высоким напором при сохранении существующей сети.

В данном случае необходимо учитывать, что увеличение расхода в сети, например, вдвое, приводит к увеличению сопротивления сети в четыре раза (квадратичная зависимость от расхода) и к увеличению расхода электроэнергии на перекачку жидкости в восемь раз (кубическая зависимость от расхода).

В этой связи всегда следует предварительно расчетным путем проверить возможность использования существующей сети для увеличенного расхода жидкости.

ПРОМЫСЛОВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

С целью практического подтверждения выше обозначенной проблематики и предупреждения неэффективного использования оборудования на этапе проектирования новых насосной установки и сети, а в случае возможности – оптимизации действующих объектов, специалистами АО «Самаранефтегаз» был проведен следующий кратковременный эксперимент.

Один из насосных агрегатов ЦНСА 180х1050 запустили в работу на частично прикрытую задвижку Ду-200, Ру-160 с обеспечением расхода 250 м3/ч и давлением нагнетания 9,2 МПа. Фактическая замеренная потеря давления на запорной арматуре достигала 3 МПа, что соответствует потере мощности электродвигателя до 153 кВт.

При среднем тарифе 3 руб./кВт-ч неэффективный расход электроэнергии на БКНС «Радаевская» за один календарный год в денежном эквиваленте при таком режиме эксплуатации оборудования составил бы порядка 4 млн руб.

РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСОВ

При эксплуатации насосных установок не всегда возможно строго соблюдать оптимальный режим работы, так как производственная необходимость заставляет изменять расходы жидкости, а это вызывает отклонения от оптимального режима.

Регулирование производительности насосов может осуществляться тремя способами: количественным, качественным и с использованием байпасирования.

При количественном регулировании развиваемый насосом напор уменьшается до необходимого за счет дросселирования жидкости в регулирующем органе (чаще всего в напорной задвижке). Чем меньше степень открытия задвижки, тем больше дросселируется развиваемый насосом напор, вследствие чего существенно снижается КПД насосной установки.

Качественный метод регулирования достигается при помощи изменения частоты вращения вала насоса. В этом случае потери энергии на дросселирование отсутствуют, и поэтому при всех режимах можно обеспечить высокий КПД установки за исключением случаев изначальной работы насосного агрегата в правой зоне РНХ.

При регулировании подачи насоса байпасированием необходимый расход жидкости в системе обеспечивается за счет отвода части перекачиваемой насосом жидкости из напорного трубопровода во всасывающий по перепускному трубопроводу. Этот способ позволяет эксплуатировать насос в режиме номинальной подачи, поэтому устраняются недостатки, присущие регулированию дросселированием, кроме снижения экономичности. В отношении потерь энергии байпасирование еще менее выгодно, чем дросселирование, так как у большинства центробежных насосов потребляемая мощность увеличивается с ростом подачи.

В свою очередь, сложность применения качественного метода заключается в том, что наиболее простые, широко применяемые асинхронные электродвигатели не позволяют изменять частоту вращения вала для регулирования рабочих характеристик насосных агрегатов и требуют применения дополнительных дорогостоящих электроустройств, усложняющих насосную установку в целом. Однако достигаемая экономия электроэнергии быстро окупает затраты на приобретение дополнительных устройств для изменения частоты вращения и поэтому данный метод регулирования находит все более широкое применение.

К основным направлениям качественного метода регулирования рабочих характеристик насосных агрегатов относятся следующие:

• применение специальных электродвигателей (постоянного тока; асинхронных с реостатом в цепи ротора и многоскоростных);
•  применение гидромуфт и бесступенчатых передач;
• применение преобразователей частоты.

ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРИВОДА НАСОСА

Рассмотрим наиболее распространенный способ регулирования работы насоса, а именно применение частотно-регулируемого привода (ЧРП), допускающее плавный пуск и изменение частоты вращения установленного на БКНС «Радаевская» насосного оборудования.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне с жесткими характеристиками. При этом появляется возможность автоматического регулирования производительности насосного агрегата в зависимости от уровня рабочего агента в технологических аппаратах, давления в системе ППД и прочих условий.

Данные описанного выше промыслового эксперимента на БКНС «Радаевская» позволяют сравнить эффективность эксплуатации объекта с применением ЧРП и без него. Сопоставление рассчитанных по итогам эксперимента потенциальных потерь мощности (153 кВт) и стоимости высоковольтного ЧРП позволяет утверждать, что срок окупаемости внедрения ЧРП не превысит пяти лет.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

Модернизация всех объектов и приведение их к идеальным условиям работы в краткосрочный период – задача весьма капиталоемкая. В то же время текущие режимы работы насосных установок подвержены изменениям, вследствие чего даже правильно подобранное при проектировании оборудование в реальных условиях работает неэкономично и требует применения альтернативных методов повышения эффективности.

На основании вышеизложенного предлагается рассмотреть существующие альтернативные способы повышения эффективности работы насосных установок:

• замена электродвигателя на двигатель с меньшей частотой вращения;
• снятие одного или нескольких рабочих колес в многоступенчатых насосах;
• расточка (подрезка) рабочих колес.

Рассмотрим подробнее два последних способа, так как их применение требует большего практического опыта.

При снятии рабочих колес в многоступенчатых насосах необходимо руководствоваться тем, что общий напор, создаваемый насосом, делится поровну на число рабочих колес. Вместо колес устанавливаются промежуточные распорные втулки с размерами, равными ступицам рабочих колес. Не заменяются втулками первое и последнее рабочие колеса, а также два колеса подряд. Также отметим, что при снятии рабочих колес у насоса необходимо определить целесообразность замены установленного электродвигателя на электродвигатель меньшей мощности. Данный вопрос решается в зависимости от фактической загрузки электродвигателя.

Исходя из имеющегося практического опыта применения электродвигателей на объектах АО «Самаранефтегаз» можно сделать следующие выводы:

• замена электродвигателей, загруженных на 70% и более, нецелесообразна;
• замена электродвигателей, загруженных менее чем на 45%, целесообразна при условии наличия в обменном фонде оборудования с меньшей мощностью;
• целесообразность замены электродвигателей, загруженных в пределах от 45 до 70%, определяется расчетом по суммарным потерям активной мощности до и после замены.

При расточке рабочего колеса необходимо руководствоваться зависимостью, которая справедлива при условии сохранения постоянной частоты вращения насоса [4]:

Н1 / Н2 = Д₁²  / Д₂²,

где Н₁ и Д₁ – напор и диаметр расточенного колеса; Н₂ и Д₂ – напор и диаметр нормального колеса.

Уменьшение диаметра рабочего колеса допускается в пределах 10-15% от первоначальной величины. При дальнейшем уменьшении диаметра резко падает КПД насоса.

Успешное достижение экономичной работы насосного агрегата во многом определяется снижением потерь в насосе, которые могут существенно снижать общий КПД насоса (до 40%) [3].

В практике АО «Самаранефтегаз» снижение гидравлических, объемных и механических потерь достигается своевременным и качественным проведением обслуживания и ремонта насосного оборудования с применением наиболее совершенных методов очистки и механической обработки деталей, в том числе с отработкой опытного применения технологии нанесения полимерного покрытия и газотермического напыления для восстановления и антикоррозионной защиты деталей насосов типа ЦНС.

В зависимости от условий эксплуатации при наличии избыточного напора должен применяться один из вышеуказанных способов регулирования напорных и расходных характеристик или их комбинация.

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

С целью постоянного мониторинга и своевременного принятия мер в рамках задачи повышения энергоэффективности эксплуатируемого оборудования в АО «Самаранефтегаз» разработана форма анализа энергоэффективности объектов системы подготовки нефти и газа и поддержания пластового давления.

В ходе реализации данной программы проводится ежемесячный анализ энергоэффективности объектов с последующим рассмотрением на совещании Рабочей группы по повышению энергоэффективности. Данный анализ включает в себя анализ работы насосного оборудования (в рабочей; не рабочей зоне); оценку потенциала энергосбережения объектов (насосных блоков); и расчет фактических и нормативных удельных расходов.

По результатам мониторинга разрабатывается программа дополнительных мероприятий в целях энергосбережения.

Пример проведения анализа энергоэффективности БКНС Орлянского месторождения и разработки программы мероприятий по повышению энергоэффективности (замена насоса) представлен на рис. 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Насосные установки относятся к основным потребителям электроэнергии в нефтедобывающих предприятиях, вследствие чего эффективное использование насосного оборудования представляет особую важность.

Необходимо на этапе проектирования новой насосной установки определять и предусматривать все возможные режимы работы системы с целью повышения ее эффективности и увеличения эксплуатационных сроков насосных агрегатов и насосных сетей в целом.

Работы по повышению энергоэффективности объектов (насосных установок) должны вестись не только по факту их окончательного выхода из строя с целью замены на новые, но и непосредственно в текущие эксплуатационные периоды за счет постоянного мониторинга, анализа, выявления и устранения тех или иных факторов, препятствующих эффективному использованию оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Конструкция и расчет центробежных насосов высокого давления. М.: Машиностроение, 1971. С. 4-13.

2. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982. С. 188-190.

3. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. М.: Машиностроение, 1965. С. 20-21.

4. Рахмилевич З.З. Насосы в химической промышленности. М.: Химия, 1990. C. 88-94.

5. Пупченко И.Н., Судаков А.А., Князев А.А., Утляков С.Г. Практика измерения коэффициента полезного действия насосов системы поддержания пластового давления на объектах ОАО «Самаранефтегаз» // Инженерная практика. 2014. №10. С. 66-68.