image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 5 2017

Насосы. Компрессоры

01.05.2017 10:00 Современные тенденции развития насосостроения для нефтегазовой отрасли
В статье рассмотрены вопросы эффективности эксплуатации насосов нефтегазовой отрасли, включая процессы добычи, подготовки, транспорта и переработки углеводородного сырья. В соответствии с программой РФ по импортозамещению и в целях оптимизации закупок технологического оборудования рассмотрены параметры эффективности насосного оборудования 20 заводов России. Для оснащения процессов нефтепереработки насосами отобрано 10 машиностроительных заводов. Представлены результаты сравнения среднего коэффициента полезного действия насосов по производителям России. Показано, что в среднем заявленные величины по заводам мало отличаются друг от друга. Для оценки фактических значений эффективности представлены результаты эмпирической оценки коэффициентов полезного действия насосов разных производителей. Выборка оборудования для эксперимента (более 200 насосов) систематизирована по производителям, году начала эксплуатации и величине коэффициента полезного действия. Установлено, что производство насосов для перекачки конкретного потока (нефть, мазут, гудрон, бензин, дизельное топливо, вода, очищенные стоки, флегма, этиленгликоль, крекинг-остаток, метилдиэтаноламин и пр.) зачастую монополизировано отдельными заводами. Такая ситуация вызывает затруднения при выборе альтернативных вариантов производителей для закупок. Разработаны рекомендации по выбору поставщиков насосов для каждого технологического потока завода с точки зрения энергетической эффективности. Показано, что при закупке насосного оборудования необходимо проводить приемо-сдаточные стендовые испытания. Это позволит адекватно оценить фактическое соответствие энергетической эффективности насоса его паспортным характеристикам. Рассмотрены требования международного стандарта качества API для насосов. Показано, что надежность и безопасность эксплуатации насосов достигается обеспечением герметичности конструкции и особого исполнения элементов. Названы отечественные заводы – производители насосов, удовлетворяющих требованиям стандарта API.
Ключевые слова: насос, нефтепродукт, коэффициент полезного действия, герметичность, эффективность.
Ссылка для цитирования: Байков И.Р., Смородова О.В., Китаев С.В., Петров М.Г., Разяпов Н.Р. Современные тенденции развития насосостроения для нефтегазовой отрасли // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 5. С. 30–35.
Открыть PDF


Современное состояние дел в области эксплуатации насосного оборудования характеризуется следующими тенденциями [1]:

  • бльшая часть отказов оборудования происходит по причине его неудовлетворительного состояния;

  • отсутствие государственного финансирования модернизации и реконструкции устаревшего оборудования определяет существенное отставание его уровня от зарубежного;

  • ненадежная работа насосного оборудования обусловлена также неоптимальными режимами его работы [2]: большинство насосов годами работают на подачах, равных 50–60 % номинальных с завышенными напорами, а на пусковых режимах – на 10–15 % нагрузок [3].

Работа центробежного насоса на режимах с недогрузом крайне нежелательна: обратные токи жидкости на входе в рабочее колесо вызывают повышенную вибрацию подшипниковых опор, при этом работоспособность торцовых уплотнений и подшипниковых опор минимизируется. Коэффициент полезного действия (КПД) насосов при работе на таких режимах на 25–35 % ниже номинальных значений.

1.png

В статье рассматриваются насосы для перекачки технологических потоков нефтепереработки (нефть, гудрон, дизельное топливо, мазут, вода, крекинг-остаток, флегма, гидрогенизат, фракции разных температурных уровней, бензин, керосин, этаноламин, вакуумный газойль и пр.) мощностью 32–630 кВт следующих типов: НК, НКВ, 1Д, К, 20НД, 12НДС, НПС, НЦН-Е, ПЭ, 5НГК.

На нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) и других предприятиях отрасли оплата незапланированных ремонтов [4] составляет одну из наиболее весомых составляющих затрат за период жизни насоса (рис. 1).

Проводимая в России планомерная работа по импортозамещению технологического оборудования в соответствии с Государственной программой от 15 апреля 2014 г. № 328 «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» ставит во главу угла изыскание возможности расширения парка отечественного оборудования, в том числе технологических насосов. В целях оптимизации проведения закупок был выполнен анализ рынка оборудования на территории России. Были рассмотрены более 20 российских предприятий – производителей насосного оборудования для перекачки нефти, нефтепродуктов и прочих технологических потоков [5]: сырая нефть, мазут, гудрон, бензин, дизельное топливо, оборотная вода, очищенные стоки, коагулированная вода, флегма, отбензиненная нефть, этиленгликоль, крекинг-остаток, метилдиэтаноламин, фракции нефтепереработки различного температурного диапазона. По результатам обзора были отобраны 10 предприятий, выпускающих насосы для НПЗ.

1_1.png

На рис. 2 представлено значение КПД наилучших насосов отечественных производителей. Видно, что проектная документация насосов разных предприятий определяет средний КПД агрегатов на достаточно высоком и стабильном уровне – разброс значений составляет 70–82 %.

Однако фактическое подтверждение высоких заявленных показателей энергоэффективности в настоящее время не организовано, стендовые приемо-сдаточные испытания на НПЗ в основном не проводятся. Для оценки фактической величины КПД насосов было проведено выборочное обследование агрегатов общим количеством более 250 ед. (более 30 % установленного) на примере одного из нефтеперерабатывающих заводов России [6].

1_1_1.png

За период с 1960 по 2013 г. отечественное насосное оборудование для производственных цехов НПЗ было поставлено следующими предприятиями (рис. 3):

  • ОАО «Бобруйский машиностроительный завод» (г. Бобруйск);

  • ОАО «Волгоградский завод нефтяного машиностроения» (г. Волгоград);

  • ОАО «Ливгидромаш» (г. Ливны);

  • ЗАО «Катайский насосный завод» (г. Катайск);

  • ООО «Сумский машиностроительный завод» (г. Сумы).

В рамках инструментального обследования был выполнен контроль прямым измерением параметров работы насосов – подачи, напора, электрической мощности. Отклонения паспортных значений КПД насосных агрегатов по производителям от фактических величин, определенных измерениями, приведены ниже (рис. 4).

Для корректности сравнения группой независимых экспертов был произведен сравнительный анализ обезличенных заводов-изготовителей группы вышеуказанных заводов, представленных насосными агрегатами, введенными в эксплуатацию после 2000 г. (рис. 5а). В результате планомерной работы по обновлению насосного парка доля агрегатов, введенных в эксплуатацию в этот период, достигла 45 % от количества отечественного оборудования, находящегося в настоящее время в работе.

1_1_2.png

Сводные результаты анализа приведены в таблице. Установлено, что основной поставщик насосов для обследованного НПЗ, завод № 4, имеет наихудшие показатели: 65 % практически новых насосов данного завода характеризуются на 15–25 % заниженным КПД по сравнению с паспортным.

Наибольшее соответствие паспортному режиму показали насосы завода № 1: 100 % насосов этого производителя, находящиеся в эксплуатации с 2006 г., имеют отличие фактического КПД от паспортной величины не более чем на 7,5 %.,

1_1_3.png

По результатам анализа составлен рейтинг производителей отечественного насосного оборудования для оптимизации затрат при закупках (рис. 5б).

Рейтинг показал, что перспективными поставщиками насосов НПЗ с точки зрения энергетической эффективности насосного оборудования следует считать заводы № 1 и 2.

Наибольшее отклонение КПД от паспортных величин имеют новые насосы завода № 4: лишь 18 % насосов имеют отклонение КПД в пределах 10 %.

Следует отметить, что среди предприятий имеются поставщики оборудования не только для НПЗ, но и для добычи нефти, магистрального транспорта и внутрипромысловых перекачек продукции скважин. Для технологических процессов нефтепереработки поставить насосное оборудование могут лишь несколько заводов.

Так, альтернативы предприятию ОАО «Волгограднефтемаш» по производству насосов типов НК и НКВ в России практически нет. Неплохо показавшие себя Катайский, Бобруйский заводы и «Ливгидромаш» не в полной мере удовлетворяют требованиям закупок НПЗ по следующим причинам.

Катайский завод в основном специализируется на насосах для перекачки воды, нефтяные насосы производит малых подач и напоров. Такая же линейка выпускаемого оборудования – и на заводе «Ливгидромаш».

Бобруйский завод является зарубежным предприятием и не отвечает требованиям поставки насосов отечественных производителей.

Для закупок насосов перекачки воды имеется достаточное количество производителей, причем номинальное значение КПД практически одинаково у разных потенциальных поставщиков.

Для поставки насосов перекачки нефти и нефтепродуктов круг производителей ограничен. Альтернативой производству ОАО «Волгограднефтемаш» могут явиться предприятия ОАО «Димитровградхиммаш», НПФ «Насос» и ОАО «Щелковский насосный завод». Насосные агрегаты неплохого качества поставляет ОАО «АНОД», однако сами насосы производятся в Чехии.

Альтернативой типам насосов НК и НКВ может стать применение насосов ЦНСн для нефти и нефтепродуктов. Доступным производителем насосов такого типа является предприятие ОАО «Димитровградхиммаш» (входит в Группу «ГМС»).

При решении сохранить объемы поставок насосного оборудования от ОАО «Волгограднефтемаш» необходимо выполнить требования об обеспечении производством качества поверхностей рабочих колес и корпусов насосов. При этом на площадке НПЗ необходима организация входного контроля требуемых параметров закупаемого оборудования проведением стендовых приемо-сдаточных испытаний.

Следует отметить предприятие ОАО «Щелковский насосный завод». Его силами производятся горизонтальные консольные насосы серии НКА. Ценовой уровень – приемлемый, линейка насосов практически полностью перекрывает поля необходимых для НПЗ параметров. В соответствии с сертификатом качество изготовления насосов отвечает требованиям международного стандарта American Petroleum Institute (API).

Стандарт American Petroleum Institute ISO 13709:2009/API 610 является определяющим в области насосостроения документом за рубежом и в России. Аналогичные документы регламентируют требования к герметичным насосам с магнитной муфтой и с мокрым ротором (API 685) и показатели систем уплотнений вала для центробежных и роторных машин (API 682) [7].

В соответствии с требованиями API 610 для насоса, перекачивающего нефть и нефтепродукты с подачей более 360 м3/ч, рекомендуется применять только двухопорную конструкцию; при перекачивании двухопорными насосами жидкостей с температурой более 200 °С или с плотностью менее 700 кг/м3 – применять двухопорные насосы с радиальным разъемом корпуса; номинальная подача насоса должна быть в пределах 80–110 % от оптимальной подачи; предпочтительный рабочий диапазон подач должен быть в пределах 70–120 % от оптимальной подачи; расположение напорного патрубка, который не создает дополнительного момента от его нагрузки от трубопроводов, полностью литое рабочее колесо, ребра охлаждения на корпусе подшипников, посадка подшипников на корпус – вот основные решения, которые соответствуют API 610.

Максимальной взрыво- и пожаробезопасностью обладают герметичные насосы с магнитным приводом, исполненные в соответствии с требованиями API 685. По результатам рейтинга предприятий-поставщиков насосного оборудования нефтеперерабатывающим заводам России в 2013 г. в группе «Центробежные насосы» лидером признана компания Hermetic-Pumpen GmbH, специализирующаяся на выпуске такого насосного оборудования.

Вторым направлением усилий конструкторов, которое в последние годы становится все более значимым, является деятельность по повышению КПД насосов [8]. Около 90 % потребляемой оборудованием НПЗ электроэнергии приходится на насосное оборудование, а доля затрат на покупную электроэнергию в общих затратах на производство НПЗ составляет около 25 %. В соответствии с Государственной программой Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» совокупный удельный расход энергии на переработку нефти за период 2000–2020 гг. должен снижаться примерно на 1 % ежегодно.

Целенаправленная деятельность по усилению безопасности эксплуатации насосных агрегатов и повышению их надежности напрямую не способствует росту их энергетической эффективности. Для увеличения КПД насосов требуются усилия, приложенные именно в этом направлении.

По результатам работы конструкторов ряда предприятий-производителей по изучению течения в проточных частях центробежных насосов были получены формы оптимальных профилей лопаток рабочих колес. Такая конструкция позволяет минимизировать эффекты, возникающие в пограничном слое (вязкое трение, отрыв потока), и существенно поднять КПД насоса (на величину до 13–17 % по сравнению с аналогами), что снижает удельные затраты электроэнергии на привод насосов.

Говоря о повышении эффективности насосов, следует учесть, что качественное литье и механическая обработка каналов колеса позволяют снизить осевое и радиальное воздействие на него и на подшипниковые опоры. Автономной некоммерческой организацией «Центр энергосбережения РБ» предложена технология обработки чугунных рабочих колес, позволяющая повысить КПД насосов на величину до 10 % для новых и до 50 % для насосов, находящихся в длительной эксплуатации [9].

Особое внимание при разработке современных энергоэффективных насосов уделяется уменьшению вибраций [10]. Эксплуатация насоса при значениях показателей вибрационного состояния в пределах допустимого позволяет увеличить срок службы торцевого уплотнения. Кроме того, на насосах рекомендуется применять исключительно подшипники SKF. В перспективе рассматривается возможность установки подшипников скольжения, что позволит дополнительно снизить вибрацию в опорах и повысить механическую составляющую КПД на 5–7 %.

 

Выводы

1. Проведен инструментальный контроль энергетической эффективности отечественных насосов нефтепереработки. Результаты косвенных измерений КПД систематизированы по производителям насосов (пять машиностроительных заводов) и году ввода в эксплуатацию. Установлено, что для ряда производителей фактическое значение КПД насосов существенно отличается от заявленных паспортных величин на 7÷35 %.

2. Показано, что для гарантированного обеспечения КПД насосного оборудования при закупках необходимо проводить стендовые приемо-сдаточные испытания.

3. В качестве основного направления современного насосостроения рекомендуется обеспечение надежности и безопасности эксплуатации насосов при одновременном повышении энергетической эффективности за счет конструктивных следований международным стандартам API 610, 682 и 685.

 

Распределение насосов производителей по отклонению фактического КПД от паспортного значения (эксплуатация после 2000 г.), %

Classification of Pumps and Their Producers Depending on Efficiency Deviations in Comparison with Pump Specifications (in operation after 2000), %

Отклонение КПД от паспорта, %

Efficiency Deviations in Comparison with Pump Specification, %

Завод

Producer

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

0–5

8,3

42,9

5–10

100,0

66,7

28,6

18,2

10–15

15,2

15–20

8,3

45,5

20–25

16,7

21,2

25–30

14,3

30–35

14,3



← Назад к списку


im - научные статьи.