Пути повышения эффективности насосных систем в нефтегазовой промышленности

Насосы используются в нефтяной и газовой промышленности для различных процессов разведки и добычи, а также для транспортировки и переработки нефти и газа.

В этой статье больше внимания уделяется центробежным насосам, поскольку большинство энергоемких насосов относятся к этому типу, и сюда не входят погружные и газлифтные насосы.

 Насосы бывают самых разных размеров и типов, они обычно делятся на две группы в зависимости от способа придания жидкости кинетической энергии: объемные насосы и центробежные насосы.

Объемные насосы напрямую воздействуют на жидкость, в то время как центробежные насосы (также называемые «ротодинамическими насосами») ускоряют жидкость и преобразуют эту кинетическую энергию в давление.

В целом, более 90% насосов в нефтегазовой отрасли являются центробежными, поскольку они капитало- и энергосберегающие и требуют меньшего обслуживания.

Распространенные проблемы с насосными системами

Эффективность центробежного насоса обычно увеличивается с размером насоса по мере увеличения расхода. При более низких расходах следует рассмотреть насосы объемного вытеснения.

Часто проблемы с насосной системой возникают из-за неправильного выбора и эксплуатации насоса, что впоследствии приводит к возрастанию потребностей в обслуживании и потере энергоэффективности.

Примерами таких проблем являются непродуктивная работа, плохое управление потоком, внутренняя рециркуляция и частое обслуживание. Из-за механической природы насосов они также подвержены износу, эрозии, кавитации и утечкам.

Считается, что эффективность насоса снижается на 10–25% до его первого ремонта. Эффективность 50–60% или ниже довольно распространена в изношенных насосах. Однако, поскольку эта неэффективность неочевидна, возможности экономии энергии путем ремонта или замены компонентов и оптимизации систем часто упускаются из виду.

Насосы часто работают в широком диапазоне условий потока. Ключом к улучшению производительности и надежности системы является полное понимание требований системы (пиковый спрос, средний спрос и изменчивость спроса) на ежедневной и ежегодной основе.

Эта информация должна использоваться для более точного соответствия требований к потоку и давлению потребностям системы. При соответствии насосного оборудования нагрузкам, насосы должны быть рассчитаны так, чтобы максимально увеличить время работы на уровне номинальной производительности или вблизи этого значения.

Крупногабаритные насосы

Насосы большего размера часто являются результатом консервативной инженерной практики, когда запас прочности достигается путем увеличения размера насоса, или когда требования к нему изменились (например, поток уменьшился).

Это может быть результатом плохого понимания требований к потоку (пиковый поток, средний поток и изменчивость) или из-за недочетов в процессе проектирования.

Тенденция проектировать насосы большего размера, чем требуется системе, может также возникать из-за ожидаемого расширения производительности системы и желания избежать негативных эффектов от загрязнения (уменьшить количество операций чистки).

Проблемы с насосами слишком большого размера часто возникают из-за того, что система рассчитана на пиковые нагрузки, в то время как нормальные рабочие нагрузки намного меньше, что означает, что в системе присутствует избыточная энергия потока.

Эта избыточная энергия приводит к увеличению эксплуатационных расходов из-за работы слишком большего насоса. Это также приводит к ненужному износу таких компонентов, как клапаны, трубопроводы и опоры трубопроводов, что в конечном итоге увеличивает расходы на техническое обслуживанию.

Поскольку многие из этих эксплуатационных и технических расходов можно избежать, отказ от слишком большого насоса может быть экономически эффективным улучшением системы.

Признаки слишком большого насоса включают в себя:

• чрезмерные скорости потока в трубе;
• активная работа дроссельных клапанов регулирования расхода;
• частая замена подшипников и уплотнений;
• чрезмерный шум потока;
• прерывистая работа насоса.

Очевидным решением является замена узла насоса/двигателя на уменьшенную версию; однако это может быть дорогостоящим и не всегда выполнимым. Вместо замены всего узла насоса/двигателя можно оценить альтернативные меры, такие как:

• замена рабочего колеса существующего насоса на рабочее колесо и статор меньшего размера (улитка/диффузор) – это применимо только к центробежным насосам;
• уменьшение наружного диаметра существующего рабочего колеса (применимо только к центробежным насосам);
• установка регулируемого привода (ASD) для управления насосом, если расход изменяется со временем;
• добавление насоса меньшего размера для уменьшения прерывистой работы существующего насоса;
• улучшение свойств жидкости.

Свойства перекачиваемой жидкости также влияют на эффективность. Жидкость с более высокой вязкостью приводят к низкой эффективности насоса, но эту проблему можно решить, увеличив рабочую температуру.

Следует проявлять осторожность в отношении доступного положительного напора всасывания (NPSH) по сравнению с требуемым NPSH, для предотвращения кавитации насоса, поскольку повышенная температура жидкости повлияет на давление паров всасываемой жидкости, что нежелательно с точки зрения кавитационной эрозии.

Эффективные конфигурации трубопроводов

В системах, где доминирует напор трения (количество энергии, используемое для преодоления сопротивления потоку жидкостей через насосную систему, обычно в единицах футов или метров), существует множество возможностей оптимизации, которые работают за счет снижения мощности, необходимой для преодоления напора трения.

Требуемая мощность трения зависит от расхода, давления жидкости, размера трубы (диаметра), общей длины трубы, установленных фитингов (клапанов, соединений и т. д.), характеристик трубы (шероховатости поверхности, материала и т. д.) и свойств перекачиваемой жидкости.

Оптимизация конфигурации насосной системы включает в себя несколько этапов, которые включают определение правильного размера трубы, проектирование схемы трубопроводной системы, которая минимизирует давление, и выбор фитингов с низким падением давления.

Определение правильного размера трубы включает в себя оценку первоначальной стоимости трубы и стоимости проталкивания жидкости через нее. Хотя более крупные трубы создают меньшие потери на трение для заданной скорости потока, они имеют более высокие затраты на материалы и установку.

Схемы трубопроводной системы обычно подвержены ограничениям по пространству, но несмотря на это зачастую есть шансы минимизировать ненужные падения давления, избегая резких изгибов, расширений и сужений и делая трубы максимально короткими и прямыми.

Ключевым улучшением конфигурации является установление равномерного профиля скорости потока выше по течению от насоса. Плохие профили потока являются результатом неэффективных конфигураций трубопроводов, которые способствуют неравномерному потоку, чрезмерному предварительному вращению и/или турбулентному потоку, что снижает производительность насоса.

Постоянные профили скорости могут быть достигнуты путем обеспечения прямого хода трубных вводов во впускное отверстие насоса. Если колено должно быть размещено непосредственно выше по течению от насоса из-за ограничений пространства, следует выбрать колено с большим радиусом.

Чтобы исправить любые нарушения потока в колене, следует установить выпрямитель, такой как перегородка или набор поворотных лопаток. Выпрямитель потока создает более равномерный профиль скорости, но следует учитывать, чтобы падение давления на выпрямителе не вызывало кавитацию.