имитатор стенда для проведения испытаний насосных установок

 

Гаммер М.Д.  Немков А.В.

Тюменский Государственный Нефтегазовый Университет 

г. Тюмень.


Содержание

Введение. 3

1. Анализ видов испытаний насосов. 5

2. Имитируемые насосы и гидродвигатели. 6

3. Математическая модель. 9

4. Описание имитатора стенда для проведения испытаний насосных установок. 13

5. Методика работы с программой. 15

6. Перспективы.. 21

7. Список используемых источников. 22

 


Введение

 

Насосные установки получили широкое применение в нефтяной промышленности, все основные производственные процессы которой связаны с перемещением по трубопроводам различных жидкостей. В учебных дисциплинах нефтегазового профиля насосным установкам уделяется особое внимание. С целью проверки действительного состояния установки, определения ее дефектов, а также устранения недостатков проводятся различные испытания. Во время испытаний налаживают установку, определяют ее параметры, работоспособность, режимы работы, эффект от внедрения конструктивных изменений и рационализаторских предложений, выявляют качество ремонта.

 Однако, проведение лабораторного практикума, адекватного производственным задачам, при изучении методик испытаний насосов, сопряжено с большой сложностью и значительными производственными затратами. Кроме того, существует целый ряд специальных испытаний насосов, таких как, испытания на нефти, нефтепродуктах или глинистых растворах, физические свойства и химический состав которых сильно различен. Проведение таких испытаний в учебных заведениях, несмотря на большой познавательный интерес, не представляется возможным.

         Для проведения такого рода практикумов ведущие Вузы широко используют имитаторы и тренажеры. Опыт создания имитаторов свидетельствует, что наиболее ответственным и трудоемким этапом их разработки является построение математической модели, адекватно отражающей реальные условия испытаний и протекающих процессов, и обеспечение их фотореалистичного отображения на экране монитора персонального компьютера.

В настоящей работе создан “имитатор стенда для проведения испытаний насосных установок” для проведения виртуальных лабораторных работ, выполняемых в рамках учебной дисциплины “Насосы и компрессоры”. Программа обеспечивает 3D отображение стенда, возможность управления, наблюдение за происходящими процессами и считывание показаний приборов. Предусмотрена возможность проведения испытаний с различными видами насосных установок (консольные центробежные насосы, ЦНС, поршневые и т.д.).

Математическая модель имитации гидравлической схемы разработана на основе используемого на кафедре МОНиГП (машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов) ТюмГНГУ (Тюменский государственный нефтегазовый университет) методического материала. Фотореалистичная графика создана с помощью программы 3D Studio Max фирмы Discreet. Программный код написан на Microsoft Visual Basic. Виртуальные приборы реализованы при помощи компонентов Measurement Studio фирмы National Instruments.

Имитатор” разработан в Центре дистанционного образования ТюмГНГУ по заказу кафедры МОНиГП ТюмГНГУ, и с апреля 2003 г. внедрен в учебный процесс.


1. Анализ видов испытаний насосов

 

Для составления списка необходимых приборов и средств измерения, а также требований к испытаниям насосной техники был проведен анализ видов испытаний насосов. За основу были взяты отечественные виды испытаний[1,2] (ГОСТ 6134-58)[6] и зарубежные (отраслевой стандарт Германии TGL6267)[7]. Были изучены следующие виды испытаний:

-         Заводские испытания

-         Испытания в эксплуатационных условиях

-         Промышленные испытания

-         Обкаточные испытания

-         Доводочно-наладочные испытания

-         Предварительные испытания

-         Основные испытания

-         Специальные испытания

-         Длительные испытания

В результате исследования был получен список необходимых контрольно-измерительных приборов (ваттметр, вольтметр, амперметр, тахометр, барометр, манометр, вакуумметр, мановакуумметр, термометр, секундомер, ареометр), арматуры и инвентаря (вентили игольчатые высокого давления, вентили для манометров, задвижки), инструментов и материалов.


2. Имитируемые насосы и гидродвигатели

 

В качестве испытуемых насосов были выбраны 4 их разновидности:

1.     Центробежный насос Д200-36б

Центробежные насосы типа ‘Д’ — горизонтальные одноступенчатые с полуспиральным подводом жидкости к рабочему колесу, подачей до 1900 м3;/ч, напором до 130 м. Предназначены для перекачивания воды и жидкостей, имеющих сходные с водой свойства по вязкости до 36-10-6 м2;/с (36 сСт), химической активности, температурой до 358 К (85° С), содержащих не более 0,05% по массе твердых включений максимальным размером 0,2 мм и микротвердостью не более 6,5 ГПа (650 кгс/мм2;).  Применяются на насосных станциях городского, промышленного и сельского водоснабжения, в том числе для орошения и осушения полей, и в других отраслях народного хозяйства.

Рис.2.1. Трехмерное изображение насоса Д200-36б

2.     Многоступенчатый насос типа ЦНС180-950

ЦНС - предназначены для перекачивания нейтральной холодной воды температурой от 1 до 45° С с содержанием механических примесей не более 0,2  % по массе при размере твердых частиц не более 0,2 мм, микротвердостью не более 1,46 гПа. Применяются в системах водоснабжения и повышения давления в контурах холодной воды.

 

Рис.2.2. Трехмерное изображение насоса ЦНС180-950

3.     АТН-150. Агрегат электронасосный трехплунжерный.

Агрегат относится к нефтепромысловому оборудованию. Сферы применения: для закачивания пресной, пластовой и сточной воды в нагнетательные скважины для поддержания пластового давления;  в системах гидравлического перекачивания при добыче нефти струйным методом; для перекачки по трубопроводам нефти, масел, сжиженных газов, растворов каустической соды, гликолей; для гидравлических испытаний трубопроводов.

 

Рис.2.3. Трехмерное изображение насоса АТН-150.

4.     УНБ-600. Буровой насос.

Насос буровой УНБ-600 предназначен для подачи промывочной жидкости на забой при бурении скважин глубиной до 5000 м. При роторном бурении промывочная жидкость подается через колонну бурильных труб на забой скважин для охлаждения и выноса разрушенной долотом горной породы, а также для передачи энергии потока турбобуру и связанному с ним долоту. В качестве промывочной жидкости можно применять воду или глинистый раствор с наличием нефти, щелочи, соды и других компонентов.

 

Рис.2.4. Трехмерное изображение насоса УНБ-600.

Также в состав имитатора стенда для проведения испытаний насосных установок” был включен винтовой забойный двигатель ДГ-105.

5.     Винтовой забойный двигатель ДГ-105.

Винтовой забойный двигатель ДГ-105 предназначен для бурения вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин с использованием в качестве рабочей жидкости технической воды и бурового раствора при забойной температуре не выше 100°С.

 

Рис.2.5. Трехмерное изображение забойного двигателя ДГ-105.


3. Математическая модель

 

Учитывая виды, методы испытаний насосных установок, определяемые параметры, правила и рекомендации проведения испытаний и правила обработки и оформления результатов, была составлена следующая математическая модель.

Имитация большинства процессов, происходящих при испытаниях насосов, сводится к имитации следующей гидравлической схемы:

 

Рис.3.1. Гидравлическая схема, где

a1, a2, a3, a4, a5, a6 – задвижки;

m1- мановакуумметр;

m2 – вакуумметр;

q1 – расходомер.

 

На первом этапе рассчитывается суммарное перекрытие  нагнетательного трубопровода

      [4,5]

где r1- перекрытие в задвижке а2; r2- перекрытие в задвижках а34; r3- перекрытие в задвижках а56;

Суммарное перекрытие трубопровода задвижками а34 и а56 необходимо рассматривать как параллельное соединение трубопроводов

[4]

Если сумма сопротивлений а35)и а46) меньше половины максимального перекрытия, то принять итоговое сопротивление участка равным 0.

На втором этапе, зная подачу насоса (при полностью перекрытом нагнетательном трубопроводе подача равно 0, при полностью открытом - максимальна), по аппроксимированным кривым характеристик насоса (рис.3.2.) определяется напор, мощность, КПД и кавитационный запас.

Рис 3.2. Характеристики насоса Д200-36б (ось х соответствует подаче)

На третьем этапе, зная кавитационный запас и  характер изменения  манометрического и вакуумметрического давления, полученный в ходе эксперимента, (рис. 3.3.) определяются поправочные коэффициенты напора, КПД и мощности.

 

Рис. 3.3. Нормолизированный график поправочных коэффициентов напора и давления на всасывании перекрытии задвижки на всасывающем трубопроводе при наступлении кавитации. (ось х соответствует перекрытию всасывающей задвижки)

На четвертом этапе корректируются значения напора, кпд, мощности и т.д. с учетом полученных коэффициентов. Проверяется  условие подачи насоса.

На пятом этапе рассчитывается распределение потока жидкости (подачи) в гидросистеме. Например, для задвижек a3 и a4, распределение потока жидкости рассчитывается по формуле

Расход жидкости в одной из ветвей гидравлической сети будет равен

На шестом этапе изменяются показания виртуальных измерительных приборов.

На седьмом этапе происходит обработка вторичных данных

-         Изменение звукового сопровождения;

-         Расчет процессов, происходящих при пуске и остановке двигателя

-         Определение I,U;

-         Определение оборотов двигателя;

-         Определение возможности перелива жидкости из верхнего бака в нижний и т.д.


4. Описание имитатора стенда для проведения испытаний насосных установок

 

Программа представляет собой 3D интерактивную имитацию лаборатории для проведения испытаний различных насосных установок.

Используемая математическая модель позволяет проводить следующие работы:

-         снятие внешних энергетических характеристик;

-         кавитационные испытания.


 


Рис.4.1. Главное окно программы.

 

 

В состав виртуальной лаборатории входят:

-         Электромагнитные пускатели;

-         Вольтметр, амперметр, ваттметр;

-         Таймер;

-         Насос Д200-36б (с тахометром);

-         Насос ЦНС-180-950 (с тахометром);

-         Насос АТН-150 (с коробкой скоростей и предохранительным клапаном);

-         Насос УНБ-600 (с датчиком числа двойных ходов и предохранительным клапаном);

-         Винтовой забойный двигатель ДГ-105;

-         Ленточный тормоз с нагрузочным устройством;

-         Всасывающий трубопровод;

-         Нагнетательный трубопровод;

-         Мерный бак;

-         Пьезометр;

-         Бак с жидкостью;

-         Манометр;

-         Кран манометра;

-         Мановакуумметр;

-         Расходомер;

-         Задвижки;

-         Тахометр;

 


5. Методика работы с программой

 

5.1.1. Управление электромагнитными пускателями

-         Установить курсор мыши на изображении магнитного пускателя и выполнить нажатие левой кнопки.

-         При нажатии в левом верхнем углу появятся элементы управления (кнопки “Включить” и “Выключить”), соответственно включающие и выключающие электродвигатели.

-         Нажатие кнопок осуществляется путем установки на них указателя и нажатия левой кнопки мыши.

Рис.5.1.1. Управление электромагнитными пускателями

 

5.1.2. Наблюдение показаний приборов на распределительном щите

-         Установить курсор мыши на изображении стрелочного измерительного прибора (вольтметр, амперметр, ваттметр) и нажать левую кнопку мыши.

-         При нажатии левой кнопкой мыши, в левом верхнем углу появится шкала соответствующего измерительного прибора.

-         При необходимости изображение электроизмерительного прибора можно убрать с экрана путем повторного нажатия левой кнопки мыши на элементе.

Рис.5.1.2. Наблюдение показаний приборов на распределительном щите

 

5.1.3. Наблюдение за направлением вращения вала и снятие показаний тахометра

-         Установить курсор мыши на изображении муфты и нажать левую кнопку мыши.

-         При нажатии в левом верхнем углу появится надпись, объясняющая направление вращения вала.

-         При повторном нажатии в левом верхнем углу появится шкала тахометра с показаниями.

-         При необходимости изображение измерительного прибора можно убрать c экрана путем повторного нажатия левой кнопки мыши на элементе

Рис.5.1.3. Наблюдение за направлением вращения вала и снятие показаний тахометра

 

5.1.4. Управление положением кранов манометров и наблюдение за текущим их положением.

-         Установить курсор на изображении крана и нажать левую кнопку мыши.

-         При нажатии в левом верхнем углу появится шкала, позволяющая плавно изменять положение крана “Открыто - закрыто”.

-         Регулирование осуществляется путём “перетаскивания” радиальной линии.

Рис.5.1.4. Управление положением кранов манометров и наблюдение за текущим их положением

 

5.1.5. Наблюдение за показаниями мановакуумметров и манометров.

-         Установить курсор мыши на изображении прибора и нажать левую кнопку мыши.

-         При нажатии в левом верхнем углу появится шкала, позволяющая определить величину давления.

-         Примечание: прибор индицирует давление только в случае полного открытия соответствующего крана.

Рис.5.1.5. Наблюдение за показаниями мановакуумметров и манометров

5.1.6. Управление положением задвижек и наблюдение за текущим их положением.

-         Установить курсор мыши на изображении задвижки и нажать левую кнопку мыши.

-         При нажатии в левом верхнем углу появится шкала, позволяющая плавно изменять положение задвижки “Открыто - закрыто”.

-         Регулирование осуществляется путём “перетаскивания” радиальной линии.

Рис.5.1.6. Управление положением задвижек и наблюдение за текущим их положением

 

5.1.7. Наблюдение за показаниями расходомеров.

-         Установить курсор мыши на изображении измерительного прибора (расходомер 1 ли расходомер 2) и нажать левую кнопку мыши.

-         При нажатии в левом верхнем углу появится шкала соответствующего измерительного прибора.

-         При необходимости, изображение электроизмерительного прибора можно убрать с экрана путем повторного нажатия левой кнопки мыши на элементе.

-         Примечание: интегральный расходомер при достижении 20 куб.м. сбрасывается в 0 и продолжает измерение.

Рис.5.1.7. Наблюдение за показаниями расходомеров

 

5.1.8. Наблюдение процесса слива жидкости в бак 1.

-         Установить курсор мыши на изображении участка трубы в месте слива и нажать левую кнопку мыши.

-         При нажатии в левом верхнем углу появится надпись, описывающая процесс слива.

-         При необходимости текстовый комментарий можно убрать с экрана путем повторного нажатия левой кнопки мыши на элементе

Рис.5.1.8. Наблюдение процесса слива жидкости в бак 1

 

5.1.9. Наблюдение за объемом жидкости в баке № 2.

-         Установить курсор мыши на изображении пьезометра и нажать левую кнопку мыши.

-         При нажатии в левом верхнем углу появится надпись, описывающая показания пьезометра.

-         При необходимости текстовый комментарий можно убрать с экрана путем повторного нажатия левой кнопки мыши на элементе.

 

Рис.5.1.9. Наблюдение за объемом жидкости в баке № 2

 

5.1.10. Управление секундомером.

-         Установить курсор мыши на изображении секундомера и нажать левую кнопку мыши.

-         При нажатии в нижнем правом углу появится надпись, описывающая показания секундомера и клавиши управления.

-         При нажатии на клавишу «СТАРТ» происходит  сброс секундомера и начало отсчета.

-         При нажатии на клавишу «СТОП» происходит останов отсчета.

-         При нажатии на клавишу «СБРОС» происходит сброс показаний секундомера

Рис.5.1.10. Управление секундомером


6. Перспективы

 

Используемая математическая модель позволяет проводить следующие работы:

-                     снятие внешних энергетических характеристик насосов;

-                     кавитационные испытания насосов.

 

При расширении математической модели станет возможно наряду с уже производимыми, выполнять следующие работы:

-                     испытания на нефти, нефтепродуктах или глинистых растворах, физические свойства и химический состав которых могут изменяться;

-                     Использование различных измерительных приборов и методик измерения;

-                     Использование подпорных насосов [3];

-                     Использование пневмокомпенсаторов;

-                     Измерение вспомогательных параметров (утечка масла, температура масла и т.д.);

-                     Вибрационные испытания.


 

7. Список используемых источников

 

1.     А.Э. Роттэ. Испытания насосных установок. М., “Недра”, 1967.

2.     Гридин В.И. Корнеев Ю.Д. Инструкция по испытанию центробежных насосов., ВИГМ, 1960.

3.     В.В. Малюшенко, М.К. Бобка. Насосы. Справочное пособие. М., “Машиностроение”, 1979.

4.     Гайер В.Г. и др. Гидравлика и гидропривод. М., ”Недра”, 1981.

5.     Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М., ”Машиностроение”, 1972.

6.     ГОСТ 6134-87. Насосы динамические. Методы испытаний

7.     Отраслевой стандарт ГДР TGL6267 “Насосы для перекачивания жидкости”


8.   Публикации

 

 

1.      Международная научно-техническая конференция «Проблемы и развитие ТЭК Западной Сибири на современном этапе», посвященная 40-летию

ТюмГНГУ (25-27 сентября 2003г.). Секция: «Восстановление скважин и оценка надежности нефтепромыслового оборудования». «Имитационное модулирование испытаний насосных установок».

 

2.      Международная научно-техническая конференция «Новые информационные

технологии в нефтегазовой промышленности и энергетике». 7-9 октября 2003г. «Виртуальный лабораторный практикум по дисциплине «Гидромашины и компрессоры»»