Η επίδραση του ιξώδους στις φυγόκεντρες αντλίες και η πρόβλεψη της απόδοσης για διαφορετικά ρευστά

 Οι φυγόκεντρες αντλίες χρησιμοποιούνται για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών και υπηρεσιών στη βιομηχανία διύλισης . Στο σημερινό δυναμικό σενάριο, οι αλλαγές στα χαρακτηριστικά του αντλούμενου υγρού είναι κοινές, ειδικά για τις αντλίες μεταφοράς/φόρτωσης. Για την μεταβαλλόμενη παράμετρο ρευστού διεργασίας, θα πρέπει να προβλεφθεί η απόδοση της αντλίας για να αναλυθεί..

η καταλληλότητα του συστήματος άντλησης για τις προτεινόμενες συνθήκες λειτουργίας. Μια αντλία που αρχικά ήταν σε λειτουργία για τη χύδην φόρτωση μαζούτ αξιολογήθηκε ως προς την καταλληλότητά της σε χρήση με υπόλειμμα κενού υψηλότερου ιξώδους. Η χρήση της υπάρχουσας αντλίας για ένα νέο προϊόν άνοιξε μια νέα επιχειρηματική ευκαιρία χωρίς καμία σημαντική επένδυση. Η αρχική αντλία εγκαταστάθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και από τότε βρίσκεται σε λειτουργία.

Οι καμπύλες απόδοσης της φυγόκεντρης αντλίας παρέχονται από τον κατασκευαστή του αρχικού εξοπλισμού (OEM) για συγκεκριμένα ρευστά με χαρακτηριστικά όπως πυκνότητα και ιξώδες σε καθορισμένη θερμοκρασία άντλησης. Οι αντλίες ελέγχονται για την απόδοση με χρήση νερού και τα δεδομένα δοκιμής χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της απόδοσης με το υγρό συντήρησης. Κατά το χειρισμό ιξώδους υγρού, η απόδοση της αντλίας θα διαφέρει από την απόδοση του νερού - αυτή η αλλαγή θα είναι πιο έντονη όταν χειρίζεστε υγρά υψηλότερου ιξώδους. Καθώς αυξάνεται το ιξώδες, οι υδραυλικές απώλειες εντός της αντλίας αυξάνονται, οδηγώντας σε μείωση της κεφαλής, της ροής και της απόδοσης και αύξηση της ισχύος και του NPSH3 (απαιτείται καθαρή θετική κεφαλή αναρρόφησης με αποτέλεσμα απώλεια 3% της συνολικής κεφαλής στο πτερωτή πρώτου σταδίου λόγω σπηλαίωσης).

Οι επιπτώσεις του ιξώδους στην απόδοση εξηγούνται καλά στο Πρότυπο 9.6.7 ANSI/Hydraulic Institute. 1 Το πρότυπο εξηγεί ξεκάθαρα πώς οι παράμετροι απόδοσης όπως η ροή, η κεφαλή, η απόδοση και η ισχύς μπορούν να προβλεφθούν με το παχύρρευστο ρευστό όταν είναι γνωστές οι τιμές απόδοσης του νερού. Το πρότυπο καταγράφει επίσης τη διαδικασία που πρέπει να υιοθετηθεί για την προκαταρκτική επιλογή μιας νέας αντλίας για δεδομένες συνθήκες κεφαλής, ταχύτητας ροής και ιξώδους.

Απλώς, το ιξώδες είναι η ιδιότητα ενός ρευστού που δείχνει την αντίστασή του στη ροή όταν επενεργεί πάνω του μια εξωτερική δύναμη. Η αντίσταση ποικίλλει επίσης ανάλογα με τη θερμοκρασία. Για τις αντλίες, το ιξώδες του ρευστού που χρησιμοποιείται στη θερμοκρασία άντλησης είναι η σημαντική μέτρηση. Όταν εξετάζουμε το ιξώδες, επικρατούν δύο όροι -δυναμικό ιξώδες και κινηματικό ιξώδες.

Το δυναμικό ιξώδες (απόλυτο ιξώδες) είναι ένα μέτρο της αντίστασης του ρευστού στη διάτμηση. Η μονάδα SI είναι Pascal-second ( Pa·s ) και η μονάδα εκατοστό/γραμμάριο/sec (CGS) είναι poise ( P ). μια μονάδα που χρησιμοποιείται συνήθως είναι το centipoise ( cP ) (1 P = 100 cP ) (Εξ. 1):

1 Pa·s = 1 Ns/m 2 = 1 Kg/(m/sec) = 10 3 cP                                                                                                                                       (1)

Το κινηματικό ιξώδες του ρευστού είναι ο λόγος του δυναμικού ιξώδους προς την πυκνότητά του. Η μονάδα κινηματικού ιξώδους SI είναι m 2 /sec και η μονάδα CGS είναι Stokes. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μονάδα για προϊόντα πετρελαίου είναι τα centistokes ( cSt ) (Εξ. 2):

1 m 2 /sec = 10 4 cSt                                                                                                                                                                         (2)

Κινηματικό ιξώδες ( cSt ) = centipoise/γραμμάρια ανά cc

Η θερμοκρασία του αντλούμενου ρευστού έχει επίσης αντίκτυπο στο κινηματικό ιξώδες. Για τα πετρελαϊκά υγρά, το κινηματικό ιξώδες μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Για μια φυγοκεντρική αντλία, η αλλαγή στο ιξώδες του αντλούμενου ρευστού έχει αντίκτυπο στην προβλεπόμενη απόδοση της αντλίας ( Σχήμα 1 ). Κάθε φυγοκεντρική αντλία έχει καμπύλη απόδοσης κεφαλής προς ροή αντί για ευθεία γραμμή. Η καμπύλη οφείλεται στις μεταβαλλόμενες απώλειες στην αντλία σε διαφορετικές ροές. Οι απώλειες είναι ένα άθροισμα απωλειών τριβής δίσκου, μηχανικών, διαρροών και υδραυλικών απωλειών, μεταξύ των οποίων η τριβή δίσκου είναι το κύριο συστατικό. Η τριβή του δίσκου επηρεάζεται άμεσα από το ιξώδες των αντληθέντων μέσων.

ΣΥΚΟ. 1. Πρότυπο ANSI/Hydraulic Institute ΕΙΚ. 9.6.7.3.1. Τροποποίηση των χαρακτηριστικών της αντλίας κατά την άντληση παχύρρευστων υγρών.

Το μέγιστο ιξώδες που μπορεί να χειριστεί μια φυγοκεντρική αντλία είναι λίγο υποκειμενικό. Πολλές αναφορές περιορίζουν τη χρήση φυγοκεντρικών αντλιών σε μέγιστο 330 cSt. Η γεωμετρία της πτερωτής και το μέγεθος της αντλίας παίζουν ρόλο στο μέγιστο ιξώδες που μπορεί να χειριστεί, λαμβάνοντας επίσης υπόψη τα όρια ροπής και ισχύος του άξονα της αντλίας. Ο αρνητικός αντίκτυπος στην απόδοση και την κεφαλή μπορεί να καταστήσει τη χρήση μιας κατάλληλης αντλίας θετικού εκτοπίσματος επωφελής για το κόστος του κύκλου ζωής. Ανάλογα με το μέγεθος και τη γεωμετρία της αντλίας, τα όρια ιξώδους των φυγοκεντρικών αντλιών μπορεί να ποικίλλουν από 25 cP–700 cP κανονικά. Μια άλλη σημαντική παράμετρος είναι η επίδραση στην καμπύλη του συστήματος από το αυξημένο ιξώδες. Καθώς αυξάνεται το ιξώδες του αντλούμενου ρευστού, θα προκύψει περισσότερη τριβή του σωλήνα και η καμπύλη αντίστασης του συστήματος αυξάνεται επίσης.

Ιστορικό

Η απόδοση μιας αντλίας θα πρέπει να προβλεφθεί για διαφορετικό ρευστό λειτουργίας (υδρογονάνθρακες υψηλότερου ιξώδους). Τα δεδομένα απόδοσης είναι διαθέσιμα για τον αρχικά επιλεγμένο υδρογονάνθρακα, αλλά τα δεδομένα δοκιμής νερού δεν είναι διαθέσιμα. Χρησιμοποιώντας τις διαθέσιμες οδηγίες στο Πρότυπο HI 9.6.7-2021, έχει αναπτυχθεί μια λογική εκτίμηση της απόδοσης της αντλίας και παρουσιάζεται σε αυτό το άρθρο. Το Πρότυπο HI δεν προσφέρει άμεση διαδικασία για αυτήν την παρέκταση. Ωστόσο, οι αρχές που περιγράφονται για την επιλογή μιας νέας αντλίας για το ρευστό και τη μετατροπή της απόδοσης του νερού σε απόδοση ρευστού χρησιμοποιούνται για να επιτευχθεί η αναθεωρημένη απόδοση.

Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση μιας αντλίας που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά υδρογονανθράκων από μια δεξαμενή σε ένα πλοίο. Η φόρτωση που επιλέχθηκε αρχικά ήταν να χειριστεί το μαζούτ σε μέγιστο ιξώδες 125 cSt για μια εφαρμογή για τη διαχείριση υπολειμμάτων κενού στα 600 cSt. Ένα νέο προϊόν με σημαντικά διαφορετικές ιδιότητες χρειάστηκε να μεταφερθεί χρησιμοποιώντας την ίδια αντλία και την υπάρχουσα σειρά. Η διαθέσιμη καμπύλη απόδοσης για τα αρχικά δεδομένα δοκιμής υγρού και νερού 125-cSt δεν είναι διαθέσιμη. Η αναμενόμενη απόδοση με το 600-cSt VR αναπτύσσεται χρησιμοποιώντας τις διαθέσιμες καμπύλες για το μαζούτ 125-cSt.

Ως σημείο εκκίνησης λαμβάνεται η υπάρχουσα καμπύλη αντλίας. Οι παράμετροι παρουσιάζονται σε πίνακα από την καμπύλη, όπως φαίνεται στον ΠΙΝΑΚΑ 1 , για το αρχικά ονομαστικό ρευστό. Η αντλία χρησιμοποιείται για τη μεταφορά μαζούτ με ιξώδες 125 cSt και ειδικό βάρος 0,92 στους 80°C.

Καμπύλη αντλίας

Η ροή του σημείου βέλτιστης απόδοσης (BEP) αναγνωρίζεται αρχικά από την καμπύλη ως 1.700 m 3 /hr, και στη συνέχεια σημειώνονται οι αντίστοιχες τιμές της κεφαλής και της απόδοσης από την καμπύλη ( Σχήμα 2 ). Οι τιμές παρουσιάζονται επίσης σε πίνακα για 0,6, 0,8 και 1,2 φορές τη ροή BEP.

ΣΥΚΟ. 2. Αρχικά αναγνωρίζεται η ροή BEP και στη συνέχεια σημειώνονται οι αντίστοιχες τιμές της κεφαλής και των αποδόσεων από την καμπύλη.

Το σημείο BEP λαμβάνεται ως το σημείο εκκίνησης για το μέγεθος μιας αντίστοιχης αντλίας νερού χρησιμοποιώντας την οδηγία HI 9.6.7.4.6. Αυτή η οδηγία χρησιμοποιείται για την προκαταρκτική επιλογή μιας αντλίας για δεδομένες συνθήκες κεφαλής, παροχής και ιξώδους όταν η απόδοση του νερού είναι γνωστή. Στην ακόλουθη περίπτωση, η αντλία είναι ήδη σε λειτουργία και επομένως η καμπύλη ροής BEP λαμβάνεται υπόψη και όχι η ονομαστική ροή της αντλίας για να φτάσει στις συνθήκες BEP νερού, καθώς και οι δύο είναι αντίστοιχες τιμές. Η ροή BEP μπορεί να φανεί ότι είναι 1.700 m 3 / ώρα σε διαφορική κεφαλή 135 m. Το ιξώδες και το ειδικό βάρος σε θερμοκρασία άντλησης 80°C είναι 125 cSt και 0,92, αντίστοιχα. Η κατά προσέγγιση απόδοση του BEP νερού μπορεί να υπολογιστεί με αυτά τα δεδομένα. Χρησιμοποιήστε τις τιμές για να υπολογίσετε την παράμετρο Βεφαρμόζοντας την Εξίσωση 10 του Προτύπου HI, που φαίνεται εδώ ως Εξ. 3:

                                                                                                                               

Β = 2,8 x 125 0,5 /(1.700 0,25 x 135 0,125 ) = 2,64064

Εάν 1,0 < B < 40, μεταβείτε στο επόμενο βήμα. Καθώς η τιμή του B πέφτει στην περιοχή, συνεχίστε στο επόμενο βήμα του υπολογισμού των C Q και C H .

Ο συντελεστής διόρθωσης ροής ( C Q ) και ο συντελεστής διόρθωσης κεφαλής ( C H ) πρέπει να υπολογιστούν για την κατάσταση ροής BEP νερού χρησιμοποιώντας την Εξίσωση 4 του Προτύπου HI, που φαίνεται εδώ ως Εξίσωση. 4:

C Q = C H = (2,71) A  = 0,989221

A = -0,165 x (log 10 2,64064) 3,15                                                                                                                                                        (4)

Χρησιμοποιώντας αυτόν τον συντελεστή διόρθωσης, υπολογίστε τη ροή και την κεφαλή BEP του νερού (Εξ. 5 και 6):

Ροή BEP νερού Q W-BEP = Υγρή ροή BEP/C Q  = 1.700/ 0,989221 = 1,718,5 m 3 /ώρα                                                                             (5)

Κεφαλή BEP νερού H W-BEP = Liq BEP head/C H = 135/ 0,989221 = 136,47 m                                                                                               (6)

Για τον προσδιορισμό του μεγέθους μιας ολοκαίνουργιας αντλίας, οι παραπάνω τιμές κεφαλής και ροής νερού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επιλογή μιας κατάλληλης αντλίας. Καθώς η προσπάθεια εδώ είναι να προβλεφθεί η απόδοση μιας υπάρχουσας αντλίας, χρησιμοποιείται η ακόλουθη προσέγγιση. Υπολογίστε έναν συντελεστή διόρθωσης απόδοσης χρησιμοποιώντας την Εξίσωση 7 του Προτύπου HI, που φαίνεται εδώ ως Εξ. 7:

C ƞ =  2,64064^-(0,0547 x 2,64064 0,69 ) =   0,901406                                                                                                                           (7)

Ο συντελεστής διόρθωσης για την απόδοση και τη ροή παραμένει ο ίδιος για όλες τις ροές. Το CH ποικίλλει ανάλογα με τη ροή και πρέπει να υπολογιστεί για κάθε περίπτωση χρησιμοποιώντας την Εξίσωση 6 του Προτύπου HI, που φαίνεται εδώ ως Εξ . 8:

Υπολογισμός για το 80% του BEP (Εξ. 8):

C H = 1 – (1 – 0,98922)(0,8 0,75 ) = 0,991                                                                                                                                              (8)

Οπου,

Κεφαλή νερού στο 80 % = κεφαλή υγρού στο 80% BEP/ C H σε 80% BEP = 144/0,991 = 145,325 m

Ροή νερού στο 80% = ροή υγρού σε 80% BEP/ C Q σε 80% BEP = 1.360/0,98922 = 1.374,82 m 3 /hr.

Ο υπολογισμός επεκτείνεται και για άλλες ροές — συγκεκριμένα 120%, 60%, 40% και 20% της ροής BEP. Οι υπολογισμένοι συντελεστές διόρθωσης εφαρμόζονται σε όλο το φάσμα των πράξεων.

Για αυτήν την περίπτωση, οι αποδόσεις νερού ήταν ήδη διαθέσιμες στην καμπύλη απόδοσης αλλά όχι για το μέσο εξυπηρέτησης, επομένως το ίδιο χρησιμοποιήθηκε για την περίπτωση νερού. Εάν υπάρχουν διαθέσιμες διορθωμένες τιμές υγρού στην καμπύλη, η απόδοση νερού μπορεί να υπολογιστεί με την ίδια προσέγγιση ( ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ).

Τώρα που η απόδοση νερού της αντλίας έχει εδραιωθεί με ένα συνδυασμό 9.6.7.4.6 αντίστροφης επανάληψης της διαδικασίας που ορίζεται στο 9.6.7.4.5, η απόδοση της αντλίας για τις νέες συνθήκες μπορεί να καθοριστεί με την εφαρμογή του 9.6.7.4.5 ευθεία Μακριά. Οι συνθήκες για το νέο προτεινόμενο υγρό και η απόδοση νερού της αντλίας είναι το σημείο εκκίνησης για αυτό το βήμα, όπως φαίνεται στον ΠΙΝΑΚΑ 3 .

Η παράμετρος Β υπολογίζεται, λαμβάνοντας υπόψη την απόδοση του νερού σύμφωνα με την Εξίσωση 2 του Προτύπου HI, που φαίνεται εδώ ως Εξ. 9:

B = 16,5 x (600 0,5 x 136,5 0,0625 )/(1.718,5 0,375 x 1.500 0,25 ) = 5,4186                                                                                                                    (9)

Το 1,0 < 5,4186 < 40 υπολογίζει το C Q σύμφωνα με την Εξ. 4 του Προτύπου HI (εμφανίζεται εδώ ως Εξίσωση 10) ως έγκυρο για όλες τις ροές. Μόλις γίνει γνωστό το C Q , η ιξώδης ροή μπορεί να υπολογιστεί ως Q vis = C Q x Q W (Εξ. 11):

                                                                                                                                                                                                                                (10)

που:

C Q = (2,71)^(-0,165 x (log 10 5,4186) 3,15 ) = 0,93982

Q vis = 0,93982 x 1,718,5 = 1,615,1 (11)

Στη ροή BEP, χρησιμοποιήστε την ίδια τιμή για το C H . Σε άλλες ροές, υπολογίστε το C H χρησιμοποιώντας την Εξίσωση 6 του Προτύπου HI, που φαίνεται εδώ ως Εξίσωση. 12:

                                                                                                                                     (12)

Το Cƞ μπορεί να υπολογιστεί με την Εξίσωση 7 του Προτύπου HI (που φαίνεται παραπάνω ως Εξίσωση 7) και παραμένει το ίδιο για όλες τις ροές. Οι υπολογισμένες τιμές για τις νέες συνθήκες παρατίθενται στον ΠΙΝΑΚΑ 4 χρησιμοποιώντας τις προκύπτουσες τιμές απόδοσης νερού.

Σημείωση: Το πρότυπο παρέχει επίσης γραφήματα για συντελεστές διόρθωσης για διαφορετικές τιμές B και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί αντί των υπολογισμών. Η προβλεπόμενη καμπύλη HQ έναντι της αρχικής υπηρεσίας φαίνεται στο ΣΧ. 3 .

ΣΥΚΟ. 3. Προβλεπόμενη καμπύλη HQ έναντι αρχικής υπηρεσίας.

Πάρε μακριά

Αν και η μέθοδος μπορεί να μην προβλέπει την ακριβή απόδοση όπως σε μια δοκιμή απόδοσης, παρέχει μια αρκετά ακριβή εκτίμηση και μπορεί να έχει μεγάλη αξία. Σε μια ευέλικτη επιχειρηματική πρόθεση για τη μεγιστοποίηση των εσόδων με ελάχιστες κεφαλαιουχικές δαπάνες, μια γρήγορη αξιολόγηση της χρήσης των υπαρχόντων περιουσιακών στοιχείων μπορεί να είναι σημαντική. Η προκύπτουσα καμπύλη για τις νέες συνθήκες μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση πιθανών περιορισμών στην πίεση εκκένωσης της αντλίας, το περιθώριο NPSH και τον περιορισμό του κύριου κινητήρα κατά το χειρισμό του προτεινόμενου ρευστού. Οι τιμές είναι συγκρίσιμες με μια προβλεπόμενη καμπύλη που προέρχεται από τον OEM και μπορούν να βοηθήσουν σε προκαταρκτικές αξιολογήσεις συστήματος με λογική ακρίβεια. Οι επιτόπιες παρατηρήσεις των διαθέσιμων περιθωρίων στο σύστημα άντλησης θα χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της καταλληλότητας της αντλίας για την αναθεωρημένη περίπτωση. ιπποδύναμη

Ο συγγραφέας

Dominic, A. - ADNOC Refining, Άμπου Ντάμπι, Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα

Από το hydrocarbonprocessing.com