УДК 621.65

Повышение надежности насосного агрегата 3К-9 в блоке вторичной перегонки бензиновой фракции

Шашлов Дмитрий Александрович – студент магистратуры Тихоокеанского государственного университета.

Якуба Дмитрий Дмитриевич – старший преподаватель Высшей школы промышленной инженерии Тихоокеанского государственного университета.

Научный руководитель Гимадеев Михаил Радикович – кандидат технических наук, доцент Высшей школы промышленной инженерии Тихоокеанского государственного университета.

Аннотация: В статье рассматривается модификация насосного агрегата 3К-9. Произведено моделирование объекта в программном средстве SolidWorks и проведён математический анализ, который показал, что изменение корпуса насоса способствует снижению избыточного давления.

Ключевые слова: насосный агрегат, инженерный анализ, давление, корпус, подача, бензин, математический анализ, перегонка.

Введение

Насос — это устройство (гидравлическая машина) для напорного перемещения (всасывания и нагнетания) главным образом капельной жидкости в результате сообщения ей внешней энергии (потенциальной и кинетической). Существует большое разнообразие видов насосов. Насосы небольших размеров очень популярны в использовании на нефтедобывающих предприятиях.

В РФ каждый год происходит модернизация десятки тысяч насосов и других машин, в результате чего морально устаревшее (не отвечающее современным требованиям производства) оборудование получает новые свойства, необходимые для его эффективного использования.

Актуальность исследования. Любое техническое устройство должно постоянно совершенствоваться и модернизироваться. Этот факт позволяет выбирать наиболее современные модели и внедрять их в технологический процесс.

Исследование конструктивных особенностей насосного агрегата

Была выбрана технологическая схема (рис. 1).

Бензин после предварительной стабилизации нельзя так просто использовать, как автомобильный бензин, ввиду его низкой детонационной стойкости. Для регулирования пусковых свойств и упругости паров, товарных автобензинов, обычно используются только головная фракция нк-70 (85 °С). Для последующей обработки стабилизированные бензины подвергаются вторичной перегонки на фракции. При топливном направлении переработки прямогонные бензины достаточно разделить на две фракции нк-70 (85 °С) и нк-170 (180° С).

Во вторичной перегонке бензиновой фракции (рис. 1), стабильный бензин из колонны стабилизации под собственным давлением поступает на 16 тарелку ректификационной колоны «1». После воздействия температуры он попадает в АВО (аппарат воздушного охлаждения).

1 – ректификационная колона; 2 – аппарат воздушного охлаждения; 3 – водяной холодильник; 4 – рефлюксная емкость; 5 – насос; 6 – теплообменник 7 – насос; 8 – ребойлеры; 9 – насос; 10 – аппарат воздушного охлаждения; 11 – насосный агрегат 3К-9

Рисунок 1. Технологическая схема блока вторичной перегонки бензиновой фракции

В ректификационной колонне «1» происходит разделение бензина на различные фракции нк-70° С – сырье изомеризации и 95–170° С – сырье риформинга. Пары с верха колонны «1» поступает на конденсацию в аппараты воздушного охлаждения «2». Далее бензиновые фракции нк-70° С поступает в холодильник «3», охлаждаемый оборотной водой. Бензиновые фракции нк-70° С поступает в рефлюксную емкость «4» из которой насосом «5» подается на орошение колонны «1», а балансовая часть откачивается с установки на изомеризацию или в товарно-сырьевой парк предварительно охлаждаясь в теплообменнике «6» и перекачиваясь по насосному агрегату «11».

Для научной работы был выбран насосный агрегат 3К-9 под номером «11» на технологической схеме (рис. 1).

После выбора нужного нам насосного агрегата, был произведен его расчет основанный на начальных данных: начальная температура фракции t_1Н = 40° С; конечная температура t_1К = 40° С; давление в трубном пространстве 1,6 Мпа; скорость рабочего колеса U_к= 2900 об/м; скорость на входе в насос 37 м/с.

После расчета и выбора насоса был произведен многократный процесс моделирования. В каждом из нескольких опытов менялись радиусы в сечении аппарата с целью найти оптимальное параметры для возможности снизить избыточное давление насоса, путем увеличения радиуса в корпусе насоса, а также важным условием было сохранение прежней скорости на выходе насосного агрегата. Допускались малозначимые некритические отклонения.

Инженерный анализ

Оригинальный насос, в котором при определенном давлении в выделенной области на (рис.2) присутствует избыточное давление.

И его модификация (рис.3) на котором мы видим результат увеличения диаметра в корпусе насоса.

В модернизированном насосе, этого давления нет, так как была проделана работа по увеличение диаметра в ракушке насоса. По уравнению Бернулли нужно расписать, как влияет увеличение диаметра ракушки насоса на это самое давление.

Для проведения последующих экспериментов используется программное обеспечение SolidWorks 2021.

Расчёты проведены в Flow simulation. SOLIDWORKS Flow Simulation — это инструмент общего назначения для моделирования потоков жидкости и теплообмена.

Рисунок 2. Избыточное давление в корпусе насоса

После увеличения диаметра в ракушке насоса был проведён повторный анализ, который показал нам следующий результат.

Рисунок 3. Модернизированный корпус насоса

Математический анализ

Данное уравнение называется законом или уравнением Бернулли для элементарной струйки идеальной несжимаемой жидкости.

Для каждого рассматриваемого сечения полный напор есть сумма геометрического, пьезометрического и скоростного напора). Для идеальной жидкости (т.е. при отсутствии потерь энергии) полный напор - величина постоянная.

=const,

где ρ - плотность жидкости, V – модуль скорости течения жидкости,
g - ускорение свободного падения, p - давление, h - высота.

Так как насосы на одной высоте, то h=const.

Упростим уравнение Бернулли:

где - давление первого насоса, V₁ - скорость первого насоса, - давление второго насоса, V₂ - скорость второго насоса

При стационарном течении масса жидкости, проходит через любое сечение тока за единицу времени, остается неизменным, тогда используем уравнение неразрывности:

= const

Принимаем:

,

Так как S имеет форму круга в сечении, то запишем выражение так:

S= ,

Подставим формулу в выражение

,

Путём преобразования получим формулу, которая покажет, какой радиус у модернизированного насоса нам нужен для снижения избыточного давления в насосе.

Последующие эксперименты были проведены с помощью инженерного и математического анализа и занесены в таблицу 1.

Таблица 1. Результаты исследования

Насосы	Избыточное давление, Па	Скорость потока, м/с	Температура на входе °C
Оригинал	708618	38	40
Модифицированный	683600	38	40

Заключение

Подводя итог, можно отметить, что увеличения диаметра в корпусе насоса, способствует снижению избыточного давления в корпусе насоса.

Инженерный анализ показал снижение давления за счёт модернизации насоса.

Математический анализ позволит найти нужные параметры корпуса насоса.

Список литературы

1. Блок вторичной перегонки «Livejournal» (ред. от 21.05.2021). [Электронный ресурс] URL: https://tiis.livejournal.com/11996.html (дата обращения 15.01.2024).
2. Ахметов С.А., Баязитов М.И., Кузеев И.Р., Сериков Т.П. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа / Учебное пособие / Ахметов С.А. - Недра, Санкт-Петербург, 2006 г., 868 стр.
3. Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика «files.student-it.ru.» (ред. от 05.12.2023) [Электронный ресурс] URL: https://files.student-it.ru/previewfile/225090/4 (дата обращения 3.02.2024).
4. Уравнение Бернулли «Hydro-pnevmo.ru» (ред. от 18.03.2018). [Электронный ресурс] URL: https://www.hydro-pnevmo.ru/topic.php?ID=220 (Дата обращения 22.02.2024)