К обоснованию выбора конструктивной схемы центробежных насосов для условий НПЗ

Автор: А.И. Швиндин (ООО «Сумский машиностроительный завод»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №12/2015

При выборе проточной части центробежного насоса для обеспечения заданных параметров руководствуются, как правило, следующими критериями: КПД, кавитационный запас и габаритные размеры. Основным параметром, характеризующим ступень центробежного насоса, является коэффициент быстроходности ns, определяемый по формуле:

где n – частота вращения ротора; Qн – расчетная подача насоса; qРУ – утечка через разгрузочное устройство насоса; H – напор ступени.

Известно, что оптимальные значения КПД ступеней центробежных насосов находятся в диапазоне коэффициента быстроходности ns = 80…120. Переменными величинами при определении оптимального значения ns ступени являются частота вращения и число ступеней насоса, определяющие напорность ступени и ее размеры.

Многолетний опыт эксплуатации насосов различных конструктивных схем показывает, что оптимальная напорность центробежной ступени при частоте вращения 3 000 об/мин должна быть в пределах 100…120 м. Это определено гидродинамическим рабочим процессом в ней: увеличение напора выше рекомендованных значений приводит к существенному увеличению гидравлических и объемных потерь, а также энергонагруженности рабочего колеса. Соответственное увеличение перепада на щелевых уплотнениях ведет к увеличению скоростей в щелях, что способствует более интенсивному эрозионному размыву их рабочих поверхностей. Увеличение зазора в щелевых уплотнения, в свою очередь, обусловливает ухудшение вибрационных характеристик. Особенно это будет сказываться при перекачивании сред с механическими примесями абразивного характера, когда срок службы деталей щелевых уплотнений исчисляется неделями [1]. И только в насосах специального назначения, а также в некоторых крупных многоступенчатых насосах (например, питательных ПЭ 580-185/200 мощностью ~5 000 кВт), перекачивающих чистейшие котловые дистилляты, напорность ступени принята в пределах 200…220 м.

Номенклатура насосного оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств стран СНГ состоит в основном из центробежных насосов: однои двухступенчатых консольных и многоступенчатых двухопорных с выносными опорами. При этом консольные насосы типа НК и НКВ в общем парке насосов занимают ~95%. Первое поколение этих насосов в чугунном и стальном исполнении создавалось в 50-х годах ХХ века.

Второе поколение с более совершенными уплотнениями вала и уплотнительными комплексами и только в стальном исполнении – в 1970–1980-х годах. Основными отечественными производителями нефтяных консольных насосов являются Бобруйский машиностроительный завод (республика Беларусь) и Волгоградский завод нефтяного машиностроения (ОАО «Волгограднефтемаш», Россия). В настоящее время на обоих заводах проводится модернизация выпускаемой номенклатуры с целью обеспечения требований международных стандартов ISO 13709:2003/API 610 и ISO 21049:2009/API 682.

Если проанализировать параметры ряда насосов НК и НКВ с частотой вращения 3 000 об/мин, то напорность некоторых типоразмеров находится в указанных выше рекомендованных пределах, например, в одноступенчатых насосах НК 65/35-125, НК 200/120, в двухступенчатых НК 65/35-240, НК 200/120-210, где последняя цифра – напор насоса. Перечисленные насосы достаточно хорошо обеспечивают требуемые показатели надежности и долговечности. Увеличение напорности ступени существенно снижает надежность работы насоса вследствие гидродинамической и механической нагруженности ротора. Так, из номенклатуры консольных насосов производства ООО «Волгограднефтемаш» выделяются как наиболее проблемные одноступенчатые консольные насосы НК 560/300, НКВ 600/320 и НКВ 1000/320, в которых напорность ступени в 3 раза выше рекомендуемой. Обоснованность напорности 320…340 м одноступенчатых насосов НКВ 600/320 и НКВ 1000/320 вызывает сомнения.

Кроме того, переход, например на двухступенчатую конструкцию в насосе НКВ 600/320, приводит к изменению коэффициента быстроходности ступени с ns = 59 на ns = 99, что по статистическим данным дает прирост расчетного КПД ступени ~6–8% [2]. Но предлагаемое изменение конструкции – двухступенчатая проточная часть с предвключенным колесом (шнеком) – такого крупного насоса (Nэ = 800 кВт) однозначно потребует двухопорного, а не консольного исполнения. Характерно что, насосы НКВ 600/320 на станциях смешивания (например, АО «Сызранский НПЗ», ООО «Завод бензинов» в «ТАИФ НК») при работе на подачах 550…600 м3/ч имеют приемлемые вибрационные характеристики. В других технологических установках эти насосы зачастую работают на частичных подачах, а при пусковых режимах подача насосов может быть в пределах 50–30% оптимальной, а иногда и менее 10%. Длительная работа центробежных насосов на недогрузочных режимах (частичные подачи) всегда сопровождается существенным ухудшением вибрационных характеристик, что неоднократно приводило к аварийным остановам.

Беглый анализ конструкции и внешних характеристик насосов НКВ 600/320 и НКВ 1000/320 по работе [3] выявил некоторые расхождения с общепринятыми рекомендациями для проектирования элементов проточной части центробежных насосов:

• скорость на входе в рабочее колесо для обеспечения безотрывного течения и минимальных гидравлических потерь при проектировании рекомендуется принимать равной в пределах 2…4 м/с [2]. При повышенных требованиях к кавитационным характеристикам, что имеет место в упомянутых насосах, принимаются значения не более 2 м/с [4]. Учитывая то, что скорость потока от входного патрубка до входа в рабочее колесо рекомендуется увеличить на 10–15%, скорость потока в начальном сечении входного патрубка должна быть в пределах 1,5…2,0 м/с, но не более 2,5 м/с (в исключительных случаях). В насосах НКВ 600/320 (рис. 1) и НКВ 1000/320 значения этой скорости равны соответственно 3,4 и 3,9м/с.
• скорость в сечении выходного патрубка рекомендуется принимать в пределах 3,0…3,5 м/с, но не более 4,0 м/с. В насосах НКВ 600/320 и НКВ 1000/320 значения этой скорости соответственно равны 5,3 и 5,6 м/с.
• основная доля гидравлических потерь центробежного насоса происходит в отводящем устройстве. На основе большого объема расчетных и экспериментальных данных специализированными предприятиями разработаны четкие методические рекомендации по проектированию отводов (лопаточных и комбинированных): лопаточный отвод + спиральный отвод [2, 4]. Из этих рекомендаций следует, например, что отношение наружного диаметра D5 лопаточного отвода к наружному диаметру D2 рабочего колеса должно быть в пределах 1,5…1,7. В рассматриваемых насосах это отношение равно 1,2.

Причиной отмеченных конструктивных решений, вероятно, было стремление по каким-то соображениям уменьшить габаритные размеры и массы вновь создаваемых насосов. К сожалению, такие решения приводят к существенному увеличению скоростей в проточной части по сравнению с рекомендованными, что не обеспечивает безотрывного течение потока в ней, способствует вихреобразованию и мощным пульсационным явлениям.

В совокупности с возникающими «обратными токами» на входе в рабочее колесо при работе на частичных подачах наблюдаются низкочастотные пульсации, которые вызывают существенное ухудшение вибрационных характеристик. По этим причинам насосы НКВ 600/320 и НКВ 1000/320 очень чувствительны к режимам работы по подаче, что неоднократно приводило к аварийным ситуациям [5]. Кроме того, на таких режимах в каналах предвключенного колеса возникают «обратные токи» – противотоки, которые существенно изменяют картину течения в шнеке и способствуют возникновению в его каналах местной кавитации [6]. Одним из следствий кавитации шнека являются опять же пульсации потока, которые могут вызвать автоколебания системы, и этот процесс становится неуправляемым.

Все перечисленные отступления от общепринятых норм проектирования центробежных насосов существенно ухудшают вибрационные характеристики упомянутых крупных консольных насосов, что ведет к снижению их надежности. Для обеспечения необходимой работоспособности и требуемых показателей по надежности и долговечности конструктивная схема насосов и проточная часть требует пересмотра. Отечественный и зарубежный опыт насосостроения и некоторые руководящие документы [7] рекомендуют при подаче более 360 м3/ч и частоте вращения 3 000 об/мин только двухопорную конструктивную схему насоса. Вопрос ступенчатости должен решиться при расчете проточной части по современным отработанным методикам.

В ООО «СМЗ» разработан типоразмерный ряд нефтяных двухопорных многоступенчатых насосных агрегатов типа АНДМг по ТУ У29.1-34933255-013:2007. Два двухступенчатых насосных агрегата АНДМг 600-320 У2 по типу ВВ2 ISO 13709:2003/API 610 созданы для условий цеха аммиака Ам-2 ПАО «РОВНОАЗОТ». Они введены в промышленную эксплуатацию в 2009 г. взамен консольных насосов НК 560/300 и НКВ 600/320, которые были работоспособны не более двух месяцев [8]. Контролируемые параметры введенных в эксплуатацию насосных агрегатов соответствуют паспортным, вибродинамические характеристики соответствуют установленным нормам.

Типоразмер	Мощность, кВт	Число		Типоразмер	Мощность, кВт	Число
АНДг 55-70 У2	22	2		АНДМг 60-350 У2	160	2
АНДг 300-100 У2	90	2		АНДМг 150-180 У2	75	1
АНДг 500-100 У2	160; 200	6		АНДМг 220-600 У2	500	2
АНДг 500-160 У2	250	2		АНДМг 360-250 У2	400	1
АНДг 1300-125 У2	250; 315; 500	9		АНДМг 600-320 У2	800	4
АНДМг 25-125 У2	30	2		АНДМг 750-170 У2	630	2
АНДМг 60-250 У2	75	1		АНМсг 450-500 У2	400	2
Всего 38

Отзывы только положительные. На близкие параметры в ПАО «РНПК» поставлена следующая модификация насосных агрегатов: АНДМг 600-320 с маслоустановкой, встроенной в фундаментную раму.

На рис. 2 приведена конструктивная схема насоса НДМг 600-320, на рис. 3 – насосный агрегат АНДМг 600320 в работе. В таблице приведены сведения о поставленных в 2003 по 2013 гг. на нефтеперерабатывающие и нефтехимические производства стран СНГ насосных агрегатах типа АНДг, АНДМг по ТУ У 29.1-34933255–013:2007 и АНМсг по ТУ У 29.1-34933255–014:2007.

Список литературы

1. Шишов Г.П., Перехрест А.Н., Безус В.С. и др. Пути повышения износостойкости горячих нефтяных насосов, работающих на абразивосодержащих средах//Насосы и оборудование. 2005. №4.
2. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Конструкция и расчет центробежных насосов высокого давления. М.: Машиностроение, 1971.
3. Рекомендации по выбору динамических насосов. Насосы центробежные нефтяные. М.: ОАО «ВНИПИНефть». 1999.
4. Ржебаева Н.К., Ржебаев Э.Е. Расчет и конструирование центробежных насосов. Учебное пособие. Сумы: Изд. СумГУ, 2009.
5. Швиндин А.И. Центробежные насосы для нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. М.: ООО «НТЦ при Совете главных механиков», 2012.
6. Шапиро А.С. Структура реального течения в центробежных и осевых насосах. М.: МГИУ, 2004.
7. Единые технические требования на поставку центробежных насосов и насосных агрегатов для объектов. ЗАО «РНПК», Рязань: 2014.
8. Швиндин А.И., Берестовский В.А. Центробежные нефтяные двухопорные насосы Сумского машиностроительного завода//Химическая техника. 2012. №1.