高粘度油品输送性能校正

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欢迎访问e展厅 展厅 2 真空设备/泵展厅 水泵, 罗茨泵, 螺杆泵, 齿轮泵, 离心泵, ... 泵机的特征曲线一般适用于水。因此，当要处理更高粘度的介质时，则需要采用适当的校正程序。本文通过一组将美国液压学会的公式法应用到中国石油管道的真实数据，测试了该公式法对于校正泵机性能的有效性。 离心泵是石油行业中的核心设备部分，提供使石油能够克服管道中流动阻力的装置。在向市场推出泵机之前，必须进行一系列操作特征测试，并产生特征曲线。泵机的特征曲线具有广泛的用途，不仅向买家提供参考数据，而且允许操作控制器判断操作条件。 一般情况下，我们选择20℃的水（运动粘度为1cSt）作为特征测试的泵送介质。因此，泵机的特征曲线图仅适用于那些运动粘度接近20℃水的运动粘度的介质。然而，管道中输送的石油的性质各不相同。例如，来自中国西部塔里木盆地中央地区的石油在50℃下的运动粘度为7.13cSt，而来自中国山东省单家寺地区的石油在相同温度下的运动粘度为9,465.5cSt。现在业内普遍认为，当运动粘度超过20cSt（参考文献[1]）时，泵机的扬程和流速将略有下降，功率需求将急剧增加，效率将大大降低。因此，我们应相应地校正泵机的性能。 20世纪70年代，中国石油化学工业规划设计研究院[2]引用了两种常见的方法，用以泵送粘稠液体时校正泵机的性能。第一种方法是图形法，是由前苏联石油机械研究设计院提出来的。此方法仅可在泵机的相关几何参数已知的条件下使用。 第二种方法也是图形法，是由美国液压学会（以下简称“HI”）于1969年提出的。它采用从衍生图中获得的相关系数。在此方法中，仅需要粘稠介质的粘度和原始的泵机性能曲线（泵送水时）。 HI方法中不需要第一种方法中必需的泵机几何参数。此外，后一种方法还具有程序简单和精确度高的优点，可满足一般的工程要求。因此，HI图法深受全球制造商和用户的欢迎。 然而，这里需要注意的一点是，HI图具有严格的应用条件，如下所示： ●单级泵的扬程必须低于180m； ●流速必须低于2,000m3/h； ●传输介质粘度必须小于3,300 cSt； ●仅适用于均质液体； ●不适用于轴流泵、混流泵或旋涡泵； ●在有气蚀的情况下不适用。 20世纪90年代以前，全球大多数管道的输送量均相对较小，管道中配置的泵机的扬程也相对较低。因此，上面列出的应用条件通常可以很容易满足。如今，大多数管道的输送量已经大幅增加，并且出现了大量具有高扬程和高效率的输送泵，如Bingham泵、Ruhrpumpen泵和KSB泵等。现在，扬程超过250m的单级泵十分常见。在这种情况下，HI图法的应用条件无法满足。因此，需要新的合适的转换方法来满足目前的情况。 公式校正法 HI现已推出了公式校正法[3]，用于泵送粘稠液体时校正运行条件。当回转动力泵泵送水时的性能已知时，此方法提供一种确定回转动力泵泵送粘稠液体时的性能的方式。所涉及的方程式基于为特定速度调整的泵机性能雷诺数（参数B），其在统计学上一直与测试数据体曲线匹配。这些传统单级泵和多级泵的测试涵盖下列参数范围：闭式叶轮和半开式叶轮；运动粘度为1cSt-3000cSt；在最佳效率点（BEP）泵送水的流速为3m3/h -410 m3/h；在最佳效率点泵送水的每级扬程为6m -130m。 虽然公式法的校正方程式基于经验数据，但标准指出，这种方法可应用于超出上述测试数据范围的泵机性能。相比较早的HI图形法，此方法具有更广泛的应用范围；然而，它也有特定的应用条件，如下所示： 适用于单级或多级传统型回转动力泵； ●特定速度小于60； ●输送液体必须表现出牛顿行为； ●输送介质粘度必须小于4000 cSt。 需要注意的是， 泵机的特定速度（ns）可以根据其定义使用方程式1计算： 其中：n =泵轴转速（rpm）；Q=流速（m3/h）；以及H=扬程/级（m）。 下列步骤用于制定校正系数，以便根据泵机泵送水时的特征—流速、总扬程和效率—调整泵送粘稠液体时的相关性能。 步骤1. 使用方程式2基于泵送水时的BEP参数（BEP-W）计算参数B： 其中，Vvis指粘稠流体的运动粘度。 如果1.040.0，通过此方法得到的校正系数具有高度的不确定性，因此，此方法不得使用。如果B≤1.0，泵送粘稠液体时的运行条件与泵送水时的相似，因此无需校正。 步骤2. 使用方程式3计算流速（CQ）的校正系数。然后，使用方程式4将泵送水时的流速（QW）校正为泵送粘稠液体的流速（Qvis）： 步骤3. 使用方程式5计算扬程校正系数（CH），然后使用方程式6将泵送水时的扬程（HW）校正为泵送粘稠液体时的扬程（Hvis）： 步骤4. 使用方程式7计算效率校正系数（Cη)，然后使用方程式8将泵送水时的效率(ηw)校正为泵送粘稠液体时的效率(ηvis) （见方程式8）： 因此，当泵送水时的泵机性能以及粘稠液体的运动粘度已知时，输送粘稠液体的泵机的性能可以使用方程式2-8确定。 采集实际条件样本 本文中介绍的研究旨在通过将HI公式校正法应用到特定例子中，以评估此方法的准确性、适用性和可靠性。实现此目标的一种直接可行的方法是研究和分析实际的管道输送重油。我们应进行测量，以便对HI公式法所产生的校正性能与从给定管道历史运行参数所得到的实际运行条件下的性能进行比较。这对于阐明石油的物理和流变性能也至关重要，特别是粘度--温度特征。因此，为了取样和测试实际运行条件，有必要采集所选定管道的历史运行参数，对这些参数进行统计分析，并采集管道中输送重油的样本，以进行物理和流变性能测试。 泵机概述 这里叙述的研究以东林第二管道中的泵机为例，该管道是华东地区最重要的管道之一。管道沿线共设有四个泵站：东营、乔庄、滨州和淄角，以它们的位置为序。 每个泵站均配有四台泵机，其中三台的类型相同，并且相比剩下的一台泵机，具有相对较高的扬程，如图1所示。此外，所有泵机均属于单级传统型回转动力泵，它们均具有恒定的速度。相关参数在表1中列出，如类型、BEP参数和泵机速度。 根据输送2 0 ℃ 水的泵机的特征曲线，扬程与流速的关系可以表示为H =A–B×Q1.75，而效率与流速的关系则可以方程式形式η = a0×Q2 +a1×Q + a2拟合，其中A、B、a0、a1和a2为未知常数。拟合结果在表2中列出。 数据收集与分析 历史日常运行报告从管道调度控制中心的SCADA（监控和数据采集）系统获得，包含每个泵站的输送量、每个泵站的功耗、每个泵站的管道入口压力和每台泵机的出口压力。所收集的日常运行报告期间为2011年1月1日至2011年12月31日。我们从每份日常运行报告中很容易获取每个泵站中每台泵机（或泵机组合）的相关运行信息。为了计算每台泵机（或者泵机组合）的平均参数，如果每个泵站中的泵机（或泵机组合）在一天中进行过更改，则放弃相关的日常运行报告。随后，对所收集的数据进行统计分析，其中异常数据不予考虑。 重油采样与检测 2011年9月18日对东林第二管道中输送的重油进行了采样。使用石油重力仪确定石油的密度在20℃ 下为935.0 kg/m3（见表3）。最后，使用旋转流变仪和恒温水槽进行流变性能测试，以确定石油的粘度-温度特征。石油的粘度-温度特征（见表4）拟合为指数关系形式： 评估公式法 公式校正法的评估主要对未校正的泵机性能和校正后的泵机性能与实际运行条件进行比较，并考虑两个方面。首先，我们评估校正后的值是否比未校正的值更接近实际性能值，以便判断公式校正法的可行性。然后，我们评估校正后的值与实际性能值之间的相对误差，以便评估此校正法的精确度。 如上所述，实际性能数据来源于管道的实际运行参数，而未校正的性能值和校正后的性能值则来自实际运行条件下的输送量已知时的计算值（水和油各自的计算值）。具体测量将在下面的章节中论述。 H-Q特征 对于日常报告中每台运行的泵机，每小时平均流量（Q）和每台泵机平均扬程（H） 的配对值视为实际条件点（Q、H）。同样地，泵送水时的流速值（Q’）和泵机扬程（H’）的配对值定义为未校正条件点（Q’、H’）。为泵送重油所校正的流速（Q’’）和泵机扬程（H’’）的配对值定义为校正条件点（Q’’、H’’）。 实际上，三个条件点中的每个点均与其他点通过流速相关联（见上述方程式4），这可以通过方程式10描述： 三种类型的条件点中的每种均由两个独立变量（Q和H）组成，一旦石油的实际流量值和运动粘度已知，就可以确定未校正流速和校正流速。因此，泵机扬程是我们需要重点关注的变量。计算一组条件点（包含未校正点、校正点和实际点）的具体步骤如下所示： 步骤1. 计算实际条件点（Q、H）。根据所选定的日常报告计算每小时平均流量（Q）和每台泵机的平均扬程（H），就可以得出实际条件点（Q、H）。 步骤2. 计算石油粘度。由于泵机内温度上升引起的粘度降低微不足道，为了计算的目的，重油的温度可以视为近似等于泵站出口处石油的温度，该温度值可以从日常报告中获得。因此，我们可以通过方程式9计算重油的粘度。 步骤3. 计算B、CQ和CH。BEP参数和泵机速度可以在表1中查到。然后则可以分别使用方程式2、3和5计算参数B、CQ和CH。 步骤4. 计算未校正条件点（Q’、H’）。一旦计算出CQ，则可以使用方程式10计算输送水时的流速（Q’）。然后使用表2中列出的相关参数，通过将Q’值插入泵机输送水时的特征方程式中，则可以获得相关的泵机扬程H’。 步骤5. 计算校正条件点（Q’’、H’’）。根据方程式10，当泵送重油时，流速在数值上等于实际值，通过将CH和H’插入方程式6，则可以计算出泵机校正扬程（H’’）。 步骤6. 定性比较：通过映射法进行此比较。水平轴表示流速，而垂直轴则代表扬程，我们通过在图上为每个泵站中每种类型的泵机绘制三种类型的条件点，创建H-Q特征关系图。 步骤7. 定量分析：通过分别使用方程式11和12计算和分析未校正值（或校正值）与相关实际值之间相对误差和平均相对误差，进行此分析。 其中：ε=相对误差（%）； =平均相对误差（%）；x=实际值；x’=计算值；以及n=实际条件点数量。 η–Q特征 对于日常报告中每台运行的泵机，每小时平均流量（Q）和通过方程式13计算出的每台泵机平均效率（η）的配对值视为实际运行条件点（Q、η）。未校正条件点（Q’、η’）由泵送水时的流速（Q’）和泵机效率（η’）组成。同样地，校正条件点（Q’’、η’’）由泵送重油所校正的流速（Q’’）和泵机效率（η’’）组成。如以前一样，每个条件点均与其他点通过流速相关联。 其中，ρ=重油密度（kg/m3）；g=重力加速度（m/s2）；Q=日常平均流速（m3/h）；H=日常平均扬程（m）；Δt=运行时间/天（h）；Sp=泵机日常功耗（kWh）；以及ηe=电动机效率，取值90%。 同样地，泵机效率是我们需要重点关注的变量，具体步骤如下所示： 步骤1. 根据所选定的日常报告计算每小时平均流量（Q）和通过方程式13计算出的每台泵机的平均平均（η），计算实际条件点（Q、η）。 步骤2. 如前所述，通过方程式9计算出石油粘度。 步骤3. 计算B、CQ和Cη。参数B和CQ可通过如前所述的方法获取，Cη则可以通过方程式7计算出来。 步骤4. 计算未校正条件点（Q’、η’）。一旦计算出CQ，则可以使用方程式10计算输送水时的流速（Q’）。然后使用表2中列出的相关参数，通过将Q’值插入泵机输送水时的特征方程式中，则可以获得相关的泵机效率η’。 步骤5. 计算校正条件点（Q’’、η’’）。如前所述，校正流速在数值上等于实际流速，泵机校正效率（η’’）则可以通过将Cη和η’插入方程式8中计算出来。 步骤6. 定性比较。同样地，采用映射法进行定性比较。凭借水平轴上的流速和垂直轴上的泵机效率，我们通过在图上绘制三种类型的条件点，创建η-Q特征关系图。 步骤7. 定量分析。如前所述，通过分别使用方程式11和12计算和分析未校正值（或校正值）与相关实际值之间相对误差和平均相对误差，进行定量分析。 值得注意的是，上述步骤仅适用于个别功耗可以测量或者每个泵站仅有一台泵机运行的情形。如果不是这种情况，则通过引入一个虚拟物理量，即泵机组合的效率，采用间接评估法。泵机组合效率基本上是将一个泵站的所有运行泵机作为一个整体考虑，将η看作是所有运行泵机组合效率的综合指数。泵机组合效率可以通过方程式14计算出来。 其中，m=每个泵站运行泵机的数量；以及S’p=泵机组合日常功耗（kWh），其可以通过方程式15计算出来。 需要注意的是，每种类型的泵机均有一个相应的CQ值，所有泵机按顺序排列，这意味着这些泵机的流速相等，更确切地说，应仅有一个CQ值。因此，我们可以尝试采用简化方法，即取泵站中所有运行泵机的平均值CQ作为泵机组合的CQ。 因此，当每个泵站有一台以上泵机运行，且个别功耗无法测量时，将各条件点的泵机效率转化为泵机组合效率不 失为一种良好的解决方案。至于校正和评估程序，计算泵机组合实际效率、未校正效率和校正效率的过程应添加到前面的步骤中。 校正和评估结果 凭借东林第二管道经过处理后（收集并分析）的实际运行参数，我们可以校正和评估泵机泵送重油的运行条件。评估包括通过映射法进行定性比较以及通过计算和分析相对误差和平均相对误差进行定量分析。（经要求，作者可提供完整的数据和计算结果）。 无论泵机是属于同一泵站还是不同泵站，同一类型泵机（或者泵机组合）的校正和评估结果在下面的讨论中均归入一个类别中。 H-Q特征 实际条件点、未校正条件点和校准条件点的H-Q关系显示在图2中。实际条件点的数量、相对误差范围、平均相对误差和重油的运动粘度范围在表5中列出。 我们可以从图2和表5中总结出下列多种现象和结论： ●校正点位于未校正点下面，并且更靠近实际值。 ●校正后，平均相对误差显示略有下降，相对误差范围的中位值变得接近零。 ●校正后，最大平均相对误差从泵机2上的2.5%下降至泵机4上的1.8%。 ●虽然泵机扬程特征对石油粘度不敏感，但校正使计算出来的条件点更加精确。 实际条件点、未校正条件点和校准条件点的η-Q关系显示在图3中。实际条件点的数量、相对误差范围、平均相对误差和重油的运动粘度范围在表6中列出。我们可以从图3和表6中总结出下列多种现象和结论： ●校正点始终低于未校正点，并且极其靠近实际点。 ●校正后，所有平均相对误差显示显著下降，相对误差范围的中位值变得接近零。 ●校正后，最大平均相对误差从泵机2和泵机3组合上的16.4%下降至泵机2上的5.5%。 泵机效率特征对石油粘度的增加高度敏感。关于效率校正，HI公式校正法可使计算出来的效率更加精确，从而满足一般的工程要求。 结论 校正后的扬程（或效率）点比未校正点更靠近实际点，这表明了公式校正法的可行性。 当泵送重油时，H-Q特征变化不大，而η-Q特征则变化显著。 在下列参数范围内—— 粘度为201.5–567.3 cSt；泵送水时的BEP流速为2,480–2,960 m3/h；泵送水时的BEP每级扬程为106–271 m——这表明最新的HI公式校正法可以应用于超出原有HI校正法测试数据范围的情形，并且结果令人满意。 综上所述，HI提出的公式校正法凭借简单的程序、相对较高的精确度和广泛的适用性，可满足一般的工程要求。 参考文献 [1] 钱习军和和陈宏（音译），《泵机和压缩机》，中国石油大学，东营市，（2007年）。 [2] 中国石油化学工业规划设计研究院，《泵机和电动机选择》，石油工业出版社，北京市，（1976年）。 [3]美国液压学会，《液体粘度对回转动力（离心和垂直）泵的影响》，ANSI/HI：9.6.7，新泽西州，（2010年）。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/13/2014)