đồ án bơm ly tâm

Trong công tác vận chuyển người ta hay dùng máy bơm ly tâm bởi so với các loại máy bơm khác máy bơm ly tâm có ưu điểm sau: - Đặc tính của bơm có độ nghiêng đều nên khoảng làm việc của b

LỜI MỞ ĐẦU

Đất nước ta trong những năm gần đây đã có những bước tiến vượt bậc, với

sự tăng trưởng kinh tế luôn được duy trì ổn định ở mức cao Đóng góp một phần không nhỏ vào các thành tựu phát triển đó có ngành công nghiệp Dầu Khí, trong

đó điển hình là XNLD “VIETSOVPETRO” Tuy mới cách đây không lâu còn chập chững từng bước vừa làm việc tạo ra sản phẩm, vừa không ngừng học hỏi, tích luỹ kinh nghiệm sản xuất, kiến thức khoa học kỹ thuật cho mình, để đến nay

có thể vững vàng là một ngành công nghiệp mũi nhọn, chủ lực của đất nước Cùng với sự phát triển chung đó, trường Đại học Mỏ - Địa Chất đã không ngừng hoàn thiện mình và đào tạo ra những thế hệ kỹ sư để phục vụ cho sự phát triển của ngành công nghiệp Dầu Khí Trên tinh thần đó, em là sinh viên ngành Thiết Bị Dầu-Khí đã và đang học tập, từng bước tìm hiểu, nắm vững và hiểu sâu

về nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật và kết cấu của các máy móc, thiết bị ngày càng hiện đại trong hệ thống công nghệ khai thác Dầu Khí trên biển, để từ

đó khi ra làm việc có thể thực hiện tốt công tác: vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa chúng Hoặc từ việc nắm vững và hiểu biết sâu sắc các máy móc, thiết bị

mà có thể có những bước cải tiến nâng cao chất lượng làm việc của chúng lên Với mong muốn được góp một phần nhỏ vào sự phát triển của ngành công nghiệp dầu khí nước nhà Qua quá trình thực tập, nghiên cứu, thu thập tài liệu và được sự đồng ý của bộ môn Thiết bị dầu khí và Công trình, Khoa Dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, em được giao đồ án “ Máy bơm ly tâm NPS 65/35-500 dùng để bơm vận chuyển dầu tại XNLD VIETSOVPETRO” với chuyên đề: “ Tính toán Lực dọc trục trong bơm ly tâm và phương pháp khắc phục lực dọc trục trong bơm NPS 65/35-500”

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Trần Văn Bản và các thầy, cô giáo trong bộ môn Thiết bị dầu khí và Công trình cùng với sự cố gắng của bản thân, nay bản đồ án của em đã được hoàn thành

Qua đồ án này, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo Trần Văn Bản và các thầy, cô giáo trong bộ môn Thiết bị dầu khí và Công trình đã hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày… tháng 05 năm 2011

CHƯƠNG I ĐẶC ĐIỂM CÔNG TÁC VẬN CHUYỂN DẦU KHÍ VÀ VIỆC SỬ DỤNG

CÁC LOẠI BƠM LY TÂM TẠI XNLD “VIETSOVPETRO”

1.1 Công tác vận chuyển dầu trên các công trình biển của XNLD “ VIETSOVPETRO”

Hiện tại cũng như từ hơn thập niên trước đây, xí nghiệp liên doanh

"VIETSOVPETRO" đã và đang tiến hành khoan và khai thác dầu khí chủ yếu ở trên hai vùng mỏ Bạch Hổ và Mỏ Rồng nằm ở vùng biển thềm lục địa phía Nam

- Việt Nam Do vị trí địa lý của các vùng mỏ nằm cách xa đất liền hơn 100km, nên tất cả các công đoạn công nghệ khoan, khai thác, vận chuyển và tồn trữ dầu khí đều diễn ra trên biển, trên các giàn cố định, giàn nhẹ và tàu chứa dầu Tất cả các đường ống chính, chủ yếu dùng trong công tác vận chuyển dầu khí đều nằm chìm dưới biển Điều đó đòi hỏi công tác vận chuyển dầu khí của chúng ta phải đạt được sự an toàn và độ tin cậy cao hơn nhiều lần so với ở đất liền

Tại các giàn khoan khai thác cố định trên biển, dầu được khai thác lên từ các giếng qua hệ thống đường ống công nghệ, vào bình tách khí áp suất cao, khoảng 3÷25kG/cm2 (bình НГС) sau đó chuyển đến bình tách (БE) áp suất thấp vào khoảng 0,5÷8kG/cm2 Sau khi qua bình НГС và БE, một phần lớn lượng khí đồng hành đã được tách ra, dầu đã được xử lý với hàm lượng khí hòa tan và ở trạng thái tự do thấp Rồi từ bình tách áp suất thấp (БE) dầu được các tổ hợp bơm ly tâm đặt trên giàn bơm vận chuyển đến các tàu chứa (trạm chứa dầu không bến) thông qua hệ thống đường ống ngầm dưới biển

Trong khu vực mỏ Bạch Hổ, dầu khai thác trên các giàn được vận chuyển đến 2 trạm tiếp nhận (tàu chứa dầu FSO-1 và FSO-2) :

Trạm tiếp nhận phía Nam FSO-1: Ở đây tiếp nhận dầu vận chuyển đến từ 2 điểm

là MSP-1 và giàn công nghệ trung tâm số 2 (CTP-2) cùng với các giàn nhẹ (БК 1,2,3,4,5,6,7) chuyển đến Đây là 2 điểm vận chuyển dầu quan trọng nhất, có khối lượng vận chuyển lớn nhất Từ CTP-2 có đường ống vận chuyển dầu nối với MSP-1 và khu vực mỏ Rồng Từ MSP-1 có đường ống vận chuyển dầu nối với MSP-3, MSP-4 và MSP-8 và thông qua các điểm trung chuyển tại MSP-6 và MSP-8 nối với trạm tiếp nhận phía Bắc FSO - 2

Trạm tiếp nhận phía Bắc FSO-2 : Tiếp nhận dầu vận chuyển đến từ 2 điểm trung

chuyển là MSP-6 và MSP-8 Từ MSP-6 có đường ống vận chuyển dầu nối với MSP-4, và thông qua đó nối với MSP-3, MSP-5, MSP-7, MSP-8, MSP-10 Từ MSP-8 có đường ống vận chuyển dầu nối với MSP-4, MSP-1, MSP-9, MSP-11 Trạm tiếp nhận FSO -2 chủ yếu tiếp nhận dầu từ các giàn MSP-4, MSP-5, MSP-

3, MSP-6, MSP-7, MSP-8, MSP-9, MSP-10, MSP-11

Trong khu vực mỏ Rồng có trạm tiếp nhận dầu FSO-3 Giữa các trạm tiếp nhận dầu FSO -1, FSO -2, FSO -3 có mối liên hệ với nhau thông qua nhiều điểm trung chuyển, được trình bày trên sơ đồ tuyến đường ống vận chuyển dầu trên biển của Xí nghiệp liên doanh "VIETSOVPETRO" và sơ đồ hệ thống lắp đặt bơm vận chuyển dầu ra tàu chứa ở trên giàn 8

Hình 1.2: Sơ đồ lắp đặt bơm ly tâm trên giàn 8

Căn cứ theo sơ đồ đường ống vận chuyển dầu ngầm dưới biển tại 2 khu vực mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng, ta nhận thấy rằng, chỉ trừ MSP-1, MSP-2, MSP-6, MSP-8, trong những điều kiện bình thường, không có sự cố hỏng hóc tàu chứa dầu hoặc tắc nghẽn đường ống vận chuyển là có thể bơm thẳng dầu đến tàu chứa, còn lại tất cả các giàn như MSP-3, MSP-4, MSP-5, MSP-7, MSP-9, MSP-10, MSP-11… phải bơm dầu qua những đoạn đường rất xa, qua nhiều điểm nút trung gian.

Ví dụ: Từ MSP-5, muốn vận chuyển dầu đến trạm tiếp nhận FSO-2 chúng ta phải bơm dầu qua những quãng đường như sau : MSP-5 -> MSP-3 (đường ống Φ325x16, L=1005m, V=68m3) -> MSP-4 (Φ219x13, L=877m, V=26,5m3) -> MSP-6 (Φ325x16, L= 1284,5m, V= 87m3)-> FSO-2 (Φ325x16, L=1915m, V=129m3) Tổng cộng chiều dài toàn bộ tuyến là 5081,5m, V=310,5m3, áp suất làm việc trung bình là từ (20÷25)kG/cm2 Tuy nhiên cũng trên tuyến đường này còn có MSP-3, MSP-4, MSP-6, MSP-7, MSP-10, cùng tham gia vận chuyển dầu,

vì vậy việc tính toán sắp xếp để có một chế độ hoặc thời gian biểu của việc bơm dầu phối hợp một cách hợp lý trên toàn tuyến cũng khá phức tạp Nếu việc phân

bố thời gian biểu không hợp lý, có thể gây ra sự tăng đột ngột áp suất làm việc của tuyến đường ống vận chuyển, làm cho một số giàn cố định như MSP-5, MSP-7, MSP-10 ở cách xa trạm tiếp nhận không thể bơm dầu đi được Điều đó làm ảnh hưởng trực tiếp đến quy trình công nghệ và sản lượng khai thác dầu ở các giàn này

1.2 Các loại bơm ly tâm dùng trong quá trình thu gom vận chuyển dầu

Hiện nay có rất nhiều loại máy bơm được sử dụng trong công tác dầu khí: máy bơm pitston, máy bơm ly tâm, máy bơm hướng trục, máy bơm phun tia… Mỗi loại máy bơm đều có công dụng và phạm vi sử dụng khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu đặt ra trong công việc Trong công tác vận chuyển người ta hay dùng máy bơm ly tâm bởi so với các loại máy bơm khác máy bơm ly tâm có ưu điểm sau:

- Đặc tính của bơm có độ nghiêng đều nên khoảng làm việc của bơm lớn, phù hợp với nhiều chế độ làm việc

- Phạm vi sử dụng và năng suất cao, cụ thể như sau:

+ Cột áp từ 10 đến hàng nghin mét cột nước

+ Lưu lượng từ 2 đến 70 m3/h

+ Công suất từ 1÷ 6000 kW

+ Trị số vòng quay có thể đạt đến 40000 vòng/phút (và có thể nối trực tiếp với động cơ cao tốc không qua hộp giảm tốc)

+ Kết cấu nhỏ gọn, làm việc chắc chắn, tin cậy

+ Hiệu suất tương đối cao khi bơm chất lỏng có μ = 0,65 ÷ 0,95

+ Và có hiệu quả kinh tế cao

Với tính năng kỹ thuật cao, chỉ tiêu kinh tế tốt, phạm vi sử dụng rộng rãi nên các bơm ly tâm được dùng chủ yếu trong công tác vận chuyển dầu của XNLD “VIETSOVPETRO” Tùy theo sản lượng khai thác và nhu cầu thực tế trên mỗi giàn cố định mà người ta sử dụng chủng loại và số lượng bơm ly tâm

khác nhau Hiện nay tại các trạm bơm vận chuyển dầu trên các công trình biển của XNLD “VIETSOVPETRO”, chúng ta đang sử dụng các chủng loại bơm dầu

ly tâm như sau:

1.2.1 Máy bơm NPS 65/35 –500

Là tổ hợp bơm dầu ly tâm kiểu nằm ngang, nhiều tầng (cấp), trục bơm được làm kín bằng các dây salnhic mềm hoặc bộ phận làm kín kiểu mặt đầu Bơm NPS65/35 –500 được sử dụng để bơm dầu thô, các loại khí hydrocacbon hóa lỏng, các sản phẩm dầu khí ở nhiệt độ từ (-30 ÷ 200)0C và các loại chất lỏng khác có tính chất lý hóa tương tự Các chất lỏng công tác này không được chứa các tạp chất cơ học có kích thước lớn hơn 0,2mm và hàm lượng không vượt quá 0,2% khối lượng Tổ hợp bơm được trang bị động cơ điện loại BAO 22 - 280M - 2T2,5 với công suất N= 160KW, U=380V, 50Hz và các thiết bị bảo vệ, làm mát, làm kín khác theo đúng yêu cầu, quy phạm láp đặt vận hành chúng Một số các thông số đặc tính kỹ thuật cơ bản của tổ hợp bơm NPS 65/35 –500 như sau:

- Lưu lượng định mức tối ưu (m3/h ) : 65(35)

- Tần số quay (s -1, V/ph) : 49,2 (2950)

- Độ xâm thực cho phép (m) : 4,2

- Áp suất đầu vào không lớn hơn ( MПa, KG/cm2 )

1 Với kiểu làm kín mặt đầu : 2,5 (25)

2 Làm kín bằng salnhic : + Kiểu CГ : 1,0 (10)

+ Kiểu CO : 0,5 (5)

- Công suất thủy lực yêu cầu của bơm (KW) : 160

- Trọng lượng của bơm (KG) : 1220

- Công suất của động cơ điện (KW) : 160

- Hiệu suất làm việc hữu ích : 59%

1.2.3 Máy bơm Sulzer – Ký hiệu MSD-D Model 4x8x10,5

Là loại bơm ly tâm có 5 cấp, nằm ngang, trong đó bánh công tác thứ nhất

là loại hai cửa hút ngược chiều nhau, 4 bánh công tác còn lại là loại 1 cửa hút được chia làm 2 nhóm đối xứng, có cửa hút ngược chiều nhau Thân máy có cấu tạo gồm 2 nửa tháo được theo bề mặt phẳng ngang và được định vị với nhau bởi các chốt côn Thân máy có nhiều khoang chứa các bánh công tác và giữ luôn vai trò của các bánh hướng dòng Phía dưới có ống giảm tải nối từ khoang chứa đệm làm kín phía áp suất cao đến khoang cửa vào cấp I của bơm Trục bơm được làm kín bằng đệm làm kín chì dạng kép, có nhiệt độ làm việc dưới 1600C Đệm làm kín này được làm mát bằng dầu Tellus 46, đồng thời dầu làm mát này có tác

dụng như nêm thủy lực làm kín bổ sung cho đệm Dầu làm mát đệm làm kín trao đổi nhiệt với bên ngồi thông qua các lá đồng tản nhiệt dọc theo đường ống

Các thông số đặc tính kỹ thuật cơ bản của tổ hợp bơm như sau:

- Lưu lượng bơm (m3/h) : 130

- Cột áp định mức (m) : 400

- Hiệu suất hữu ích (%) : 74

- Công suất thủy lực của bơm (KW) : 147 - Lượng dự trữ xâm thực cho phép (m) : 2,1 - Công suất động cơ điện (KW) : 185

- Số vòng quay (V/ph) : 2969

- Điện áp (V) : 380

- Tần số dòng điện(Hz ) : 50

- Chiều dài khớp nối trục (mm) : 180

1.2.4 Máy bơm NK-200/120 Là loại bơm ly tâm dùng để bơm dầu, khí hóa lỏng, dung dịch hữu cơ và các chất lỏng khác có tỷ trọng không quá 1050Kg/m3, độ nhớt động đến 6.10-4m2/s Các chất lỏng công tác này không được chứa các tạp chất cơ học có kích thước lớn hơn 0,2mm và hàm lượng vượt quá 0,2% và nhiệt độ trong khoảng (-80 ÷ 400)0C Tổ hợp bơm gồm động cơ điện và bơm được lắp ráp trên cùng một khung dầm và được liên kết với nhau bằng khớp nối răng Đây là loại bơm ly tâm 1 tầng, công –Xon, có thân bơm, vấu tựa, ống hút và ống nối có áp (cửa ra) được đặt trên cùng một giá đỡ Việc làm kín trục được thực hiện bởi một bộ phận làm kín kiểu СГ- hoặc СО Các thông số đặc tính kỹ thuật cơ bản của bơm như sau: - Lưu lượng bơm (m3/h) : 200

- Cột áp định mức (m) : 120

- Hiệu suất hữu ích (%) : 67

- Lượng dự trữ xâm thực cho phép(m) : 4,8 - Công suất động cơ điện (KW) : 100

- Số vòng quay (V/ph) : 2950

- Điện áp (V) : 50

- Tần số dòng điện (Hz) : 380

1.2.5 Máy bơm NK-200/70

Là loại bơm ly tâm có cùng kiểu dạng, kết cấu như NK-200/120

1.2.6 Máy bơm ЦНС-105/294

Là tổ hợp bơm ly tâm kiểu nằm ngang, nhiều tầng, phân đoạn Nó thường được dùng để vận chuyển dầu bão hòa khí, dầu thương phẩm lẫn nước có nhiệt

độ từ 2740K ÷ 3180K(1 ÷ 45)0C hoặc dùng để bơm nước trong các hệ thống công nghệ Các chất lỏng công tác dùng cho bơm ЦНС -105/294 cần phải đảm bảo các yêu cầu: tỷ trọng không lớn quá 1060 Kg/m3 (từ 700 ÷ 1060Kg/m3), độ nhớt động không lớn quá 2,5.10-4m2/s, tạp chất cơ học có kích thước không lớn quá 0,2mm và hàm lượng không quá 0,2% trọng lượng Tổ hợp bơm ЦНС -105/294 bao gồm động cơ điện và bơm được liên kết với nhau thông qua 2 mặt bích có

phần may-ơ gắn then ở hai đầu trục Hai mặt bích này được siết chặt với nhau bởi các bulông có lót ống đệm cao su giảm chấn Đây là loại bơm ly tâm có từ 2

÷ 10 cấp bánh công tác có cửa vào cùng chiều, do đó để cân bằng lực dọc trục tác dụng lên roto người ta phải bố trí ổ đỡ thủy lực ở một đầu trục phía cao áp với đường kính phù hợp với số cấp bánh công tác của bơm

Các thông số đặc số đặc tính kỹ thuật cơ bản của tổ hợp bơm ЦНС-105/294 như sau:

- Lưu lượng bơm (m3/h) : 105

- Cột áp định mức (m) : 294

- Hiệu suất hữu ích (%) : 68

- Công suất động cơ điện (KW) : 160

Việc bố trí, lắp đặt các trạm bơm trên các giàn cố định hoặc giàn nhẹ được thiết

kế, tính toán phù hợp với sản lượng khai thác dầu và vai trò công nghệ của giàn trong hệ thống công nghệ chung của toàn khu mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng Với sơ

đồ vận chuyển dầu và các đặc điểm trong công tác này người ta bố trí kiểu loại

và số lượng máy bơm ly tâm trên các giàn như sau:

Bảng 1.1 Sự phân bố bơm trên giàn khoan

NK 200/120 SULZER

020202

R 360/150 CM-3

R 250/80 CM-1

080502

020202

040414

Theo thống kê trên, số lượng máy bơm NPS 65/35-500 là 41/78 và SULZER là 26/78 chiếm một tỷ lệ lớn, và trong thực tế người ta vẫn thường dùng các loại bơm NPS 65/35-500 và SULZER để vận chuyển dầu Đây là 2 loại bơm ly tâm có nhiều ưu điểm : kết cấu bền vững, độ tin cậy, độ an toàn cao, lưu lượng bơm, cột áp và hiệu suất hữu ích lớn, dễ vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa Ở hai loại bơm này, do cách bố trí các bánh công tác thành hai nhóm có cửa vào của mỗi nhóm ngược chiều nhau Do đó làm giảm đáng kể lực dọc trục tác dụng lên Roto, tải trọng của các ổ đỡ trục giảm, do đó tuổi thọ của chúng tăng lên rất nhiều Tuy nhiên do các bơm ly tâm đều làm việc ở chế độ vận tốc góc lớn (khoảng 3000v/ph) nên việc lắp đặt, điều chỉnh chúng đòi hỏi độ chính xác cao Ngoài ra, do lưu lượng của chúng khá lớn nên việc đưa chúng vào chế

độ làm việc đòi hỏi phải nắm vững và tuân thủ đúng yêu cầu của kỹ thuật vận hành để tránh hiện tượng quá tải cho động cơ điện

Công việc vận chuyển dầu đòi hỏi phải đưa một lượng lớn sản phẩm khai thác dầu khí từ các giàn cố định và giàn nhẹ đến các điểm tiếp nhận là các tàu chứa trong thời gian nhanh nhất, đồng thời phải đảm bảo sự an toàn cho các tuyến đường ống vận chuyển Ngoài ra, chỉ tiêu kinh tế trong việc sử dụng năng lượng điện cho các trạm bơm cũng được đặt ra Do đó việc bố trí, phối hợp các chủng loại bơm trên cùng một trạm, hoặc việc phối hợp giữa các trạm bơm với nhau sao cho có thể giảm được tải trọng trên các tuyến ống vận chuyển dầu và tăng được lưu lượng thông qua của chúng

Trong việc bố trí, phối hợp giữa các bơm ly tâm trên cùng một trạm bơm người ta có thể lắp đặt chúng theo nhiều cách Theo cách đặt các bơm theo kiểu mắc song song với mục đích làm tăng lưu lượng vận chuyển của trạm Theo cách này, mặc dù đường ra của mỗi bơm ly tâm đều có van một chiều nhưng vẫn phải đòi hỏi các bơm trong hệ thống phải có các thông số đặc tính kỹ thuật không khác xa nhau nhiều lắm, để khi cùng đồng thời vận hành chúng không triệt tiêu lẫn nhau Theo cách đặt bơm mắc nối tiếp với mục đích làm tăng áp suất trên đường vận chuyển để có thể đưa chất lỏng đến được những điểm tiếp nhận rất

xa Tuy nhiên cách này đòi hỏi các tổ hợp bơm được mắc nối tiếp phải có lưu lượng như nhau và việc làm kín trục cho các máy bơm ở phần cuối của hệ thống rất phức tạp do áp suất đầu vào của chúng tăng lên đáng kể Ngoài ra, cũng có thể phối hợp cả 2 kiểu bố trí song song và nối tiếp trên cùng một trạm Nhưng trong thực tế, trên các giàn cố định, các trạm bơm dầu được xây dựng theo kiểu mắc song song do các kiểu bơm ly tâm đã được chọn lựa đảm bảo đủ cột áp để

có thể vận chuyển được dầu thô đến vị trí tiếp nhận Tùy theo sản lượng khai thác hoặc vị trí công nghệ của mỗi giàn mà người ta sử dụng số lượng bơm ly tâm trên trạm là 2, 3 hoặc hàng chục như ở CTP-2 (15 bơm)

Trên mỗi trạm bơm, thông thường người ta dự tính từ 1/3 đến 1/2 số lượng bơm ở vị trí dự phòng để khi hư hỏng, sự cố các máy bơm đang ở chế độ làm việc, ta có thể sử dụng chúng thay thế ngay không ảnh hưởng đến sản lượng khai thác dầu Các máy bơm dự phòng này không nên để chúng ở trạng thái không làm việc trong thời gian quá lâu vì dễ gây ra hiện tượng bó kẹt rôto do dầu

bị đông đặc hoặc thành phần parafin trong dầu và các tạp chất gây kết tủa khác đóng cặn lại giữa các khe hở trong bơm Tùy theo mùa và thời tiết để có thể định

ra một thời gian biểu vận hành các bơm dự phòng Việc này có thể tiến hành

theo kinh nghiệm riêng, tùy theo đặc điểm công nghệ mỗi giàn Nhưng, tốt nhất vẫn là thực hiện chế độ luân phiên làm việc cho các máy bơm trong trạm Điều

đó giúp cho kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa được dễ dàng và chủ động hơn

Đối với loại bơm ly tâm NPS 65/35-500, căn cứ theo sơ đồ tuyến đường ống vận chuyển dầu trên biển và bảng thống kê sự phân bố các loại bơm trên giàn khoan – khai thác như đã nếu ở trên, ta thấy chúng được bố trí chủ yếu ở các giàn xa các trạm chứa dầu Điều đó cho thấy ưu thế về khả năng vận chuyển dầu đi xa nhờ cột áp ở đầu ra của chúng khá lớn Đây là đặc điểm chính của loại bơm NPS 65/35-500 so với các loại bơm dầu ly tâm hiện có trong hệ thống vận chuyển dầu trên biển của XNLD “VIETSOVPETRO”

Tóm lại: Từ việc xem xét những đặc điểm trong công tác vận chuyển dầu trên

biển của XNLD “VIETSOVPETRO” chúng ta có thể đề ra những yêu cầu cơ bản cho việc xây dựng những trạm bơm dầu trên các giàn cố định để thông qua

đó có thể chọn lựa các chủng loại bơm ly tâm phù hợp với yêu cầu công nghệ của mỗi giàn Các máy bơm ly tâm dùng trong công tác vận chuyển dầu trên các công trình biển ở các giàn phải có độ tin cậy cao, độ bền cơ học lớn, có khả năng chống lại các tác động ăn mòn hoá học trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm, hơi nước có độ mặn cao và nhất là có các đường đặc tính phù hợp với chế độ công nghệ của chúng ta Và bơm ly tâm NPS 65/35-500 đảm bảo được hết những yêu cầu đề ra Do đó bơm ly tâm NPS 65/35-500 được sử dụng rất rộng rãi trên các giàn khoan ở các công trình biển của XNLD “VIETSOVPETRO”

6 5

ly tâm là các bánh công tác trên đó có nhiều cánh dẫn để dẫn dòng chảy Biên dạng và góc độ bố trí của các cánh dẫn ảnh hưởng trực tiếp đến các thành phần vận tốc của dòng chảy nên có ý nghĩa rất quan trọng trong việc trao đổi năng lượng của máy với dòng chảy Khi bánh công tác của bơm ly tâm quay ( thường

là với số vòng quay lớn hàng nghìn vòng/phút) các cánh dẫn của nó truyền cơ năng nhận được từ động cơ (thường là động cơ điện) cho dòng chất lỏng đi qua

nó tạo thành năng lượng thuỷ động cho dòng chảy Nói chung năng lượng thuỷ động của dòng chảy bao gồm 2 thành phần chính : động năng (V2/2g) và áp năng (P/γ ), và chúng có mối quan hệ mật thiết với nhau Trong quá trình làm việc của

máy, sự biến đổi động năng bao giờ cũng kéo theo sự biến đổi áp năng Tuy nhiên đối với máy thuỷ lực cánh dẫn như bơm ly tâm, đối với mỗi loại kết cấu máy cụ thể thì sự biến đổi áp năng chỉ đạt đến 1 giới hạn nhất định Nó khác với máy thuỷ lực thể tích Ở máy thuỷ lực thể tích, năng lượng trao đổi của máy với chất lỏng có thành phần chủ yếu là áp năng, còn thành phần động năng không đáng kể Còn ở máy thuỷ lực cánh dẫn như bơm ly tâm, năng lượng cột áp chỉ tăng tới mức cần thiết, còn lại toàn bộ năng lượng thuỷ động của dòng chảy nhận được từ máy biến thành động năng Chính vì vậy việc dùng các máy bơm ly tâm

để vận chuyển chất lỏng từ một điểm này đến điểm khác chiếm một ưu thế hơn hẳn so với các loại máy thuỷ lực khác

2.1.1 Sơ đồ cấu tạo máy bơm

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo máy bơm ly tâm

1 Bánh công tác 4 Bộ phận dẫn hướng ra (buồng xoắn ốc)

2 Trục bơm 5 Ống hút

3 Bộ phận dẫn hướng vào 6 Ống đẩy

2.1.2 Nguyên lý làm việc của máy bơm

Khi máy bơm ly tâm làm việc, nhờ phần khớp nối giữa động cơ dẫn động

và bơm làm bánh công tác quay Các phần chất lỏng trong bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị dồn từ trong ra ngoài chuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là quá trình đẩy của bơm Đồng thời, ở lối vào của bánh công tác tạo nên một vùng chân không và dưới tác dụng của áp suất trong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào, chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theo ống hút Đó là quá trình hút của bơm Quá trình hút và quá trình đẩy là hai quá trình liên tục, tao lên dòng chảy liên tục qua bơm Bộ phận dẫn dòng chảy ra thường có dạng xoắn ốc nên còn gọi là buồng xoắn ốc Buồng xoắn ốc của bơm dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy Nó có tác dụng điều hòa ổn định dòng chảy và biến đổi một phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết do đó làm tăng hiệu suất của máy bơm

2.1.3 Phân loại máy bơm ly tâm

a Phân loại theo cột áp của bơm:

- Bơm cột áp thấp: H < 20 m cột nước

- Bơm cột áp trung bình: H = 20÷60 m cột nước.

- Bơm cột áp cao: H > 60 m cột nước

b Phân loại theo số bánh công tác:

- Bơm một cấp

- Bơm nhiều cấp

c Phân loại theo số cửa hút:

- Bơm một cửa hút

- Bơm hai cửa hút

d Phân loại theo sự bố trí trục bơm:

- Bơm trục đứng

- Bơm trục ngang

e Phân loại theo lưu lượng:

- Bơm có lưu lượng thấp

- Bơm có lưu lượng trung bình

- Bơm có lưu lượng lớn

f Phân loại theo mục đích sử dụng (theo chất lỏng cần bơm):

- Bơm nước sạch.

- Bơm nước thải

- Bơm hóa chất

- Bơm dầu thô

Ngoài ra ta có thể phân loại máy bơm theo cách dẫn dòng chất lỏng ra khỏi máy bơm, theo phương pháp dẫn động máy bơm

2.2 Các thông số cơ bản của bơm ly tâm

2.2.1 Lưu lượng

Là lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển được trong một đơn vị thời gian,

có thể tính theo lưu lượng thể tích Q (l/s, m3/s, m3/h ) hay lưu lượng trọng lượng G (N/s, N/h, kG/s )

2.2.2 Cột áp

Là năng lượng mà một đơn vị trọng lượng chất lỏng nhận được từ máy bơm Ký hiệu cột áp là H, đơn vị tính thường là mét cột chất lỏng (mét cột nước hay mét cột dầu )

Đối với bơm ly tâm, ứng với mỗi vòng quay nhất định thì chỉ có một giá trị cột áp mà tại đó bơm làm việc với hiệu suất cao nhất, ta gọi là cột áp định mức Giá trị cột áp này được chỉ dẫn trên tài liệu kỹ thuật của bơm

2.2.3 Công suất

Có hai loại công suất là công suất thủy lực và công suất làm việc

+ Công suất thủy lực: là cơ năng mà chất lỏng trao đổi với máy trong một đơn vị

thời gian, ký hiệu là Ntl, công thức tính:

(2.1)Trong đó: γ : là trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m3);

ρ: là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3);

Q : là lưu lượng của bơm (m3/s);

H : là cột áp toàn phần của máy bơm (m)

+ Công suất làm việc: là công suất trên trục của máy làm việc, ký hiệu là N,

- Bánh công tác có số cánh nhiều vô hạn, mỏng vô cùng

Ứng dụng định lý cơ học về biến thiên mômen động lượng đối với dòng chất lỏng chuyển động qua bánh công tác, nhà bác học Ơle đã thành lập ra phương trình cột áp lý thuyết của bơm ly tâm, ta có:

H∞ =

g

c u c

(2.4)Trong đó:

H∞ - Cột áp lý thuyết của bơm có số cánh dẫn vô hạn.

u1, u2 - Vận tốc vòng của bánh công tác ứng với bán kính vào và ra,

có phương thẳng góc với phương hướng kính

c1u, c2u - Thành phần vận tốc tuyệt đối của các phần tử chất lỏng ở lối vào và ra bánh công tác chiếu lên phương của vận tốc vòng (u)

Hình 2.2 Các thành phần vận tốc của tam giác vận tốc

Trong các bơm ly tâm hiện nay, đa số các bánh công tác có kết cấu cửa vào hoặc bộ phận dẫn hướng vào sao cho dòng chất lỏng ở cửa vào của máng dẫn chuyển động theo hướng kính, nghĩa là c vuông góc với u, α1= 90o, để cột

áp của bơm có lợi nhất (C1u = C1cosα1 = 0) Tam giác vận tốc ở cửa vào là tam giác vuông:

Hình 2.3 Tam giác vận tốc ở cửa vào bánh công tác

Khi đó phương trình cơ bản của bơm ly tâm có dạng:

Trong thực tế cánh dẫn của bánh công tác có chiều dày nhất định (2÷

20)mm và số cánh dẫn hữu hạn (6÷12) cánh, gây lên sự phân bố vận tốc không

đều trên các mặt cắt của dòng chảy, tạo ra các dòng xoáy và các dòng quẩn trong máng dẫn Điều này thể hiện trên hình:

sĩ Prôskua đã xác định εZ đối với bơm ly tâm, được tính theo công thức sau:

và bộ phận hướng dòng…, được gọi là hiệu suất cột áp của bánh công tác

Với bơm ly tâm (ηH = 0,7÷0,9)

Nếu xét ảnh hưởng của số cánh dẫn hữu hạn đến cột áp, cột áp lý thuyết ứng với số cánh dẫn hữu hạn là:

2 u2Trong tính toán gần đúng, có thể xác định cột áp thực tế của bơm ly tâm

Hiệu suất toàn phần của bơm xác định theo công thức:

N

N ct

=

N: Công suất làm việc

Bằng lý thuyết và thực nghiệm người ta nhận thấy hiệu suất toàn phần của máy bơm phụ thuộc: Tổn thất thể tích, tổn thất thủy lực, tổn thất cơ khí

η = ηtt ηtl ηck

2.4.1 Tổn thất thể tích

Khi máy bơm làm việc chất lỏng theo các khe hở giữa các bánh công tác

và vỏ khoang hướng dòng chảy ngược lại Chảy ngược trong các cấp của bơm nếu bơm có nhiều cấp

Tổn thất thể tích trong bơm ly tâm thường là: ηtt = 0 , 90 ÷ 0 , 98

2.4.2 Tổn thất thủy lực

Tổn thất thủy lực trong máy bơm bao gồm: các tổn thất do ma sát giữa các lớp chất lỏng và ma sát giữa chất lỏng với thành ống, các khe trong bánh công tác, khoang hướng dòng…

Tổn thất thủy lực thường là: ηtl = 0 , 70 ÷ 0 , 95

2.4.3 Tổn thất cơ khí

Khi bơm làm việc một phần năng lượng bị tiêu hao để thắng lực ma sát tại các ổ đỡ, các đệm làm kín và các khớp nối…Ma sát mặt ngoài của bánh công tác với chất lỏng

Tổn thất cơ khí thường là: ηck = 0 , 85 ÷ 0 , 98

2.5 Quan hệ tương tự trong bơm ly tâm

Khi số vòng quay làm việc n của bơm thay đổi, các thông số làm việc khác của bơm cũng thay đổi theo

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, khi bơm ly tâm với số vòng quay thay đổi ít (dưới 50% so với số vòng quay định mức) thì hiệu suất của bơm thay đổi tương đối ít, có thể xem như không đổi η = const Mặt khác các tam giác vận tốc đều

tỷ lệ với số vòng quay, nên các tam giác vận tốc sẽ đồng dạng với nhau Do đó các chế độ làm việc khác nhau của bơm trong trường hợp này xem như các trường hợp tương tự

Trong thực tế, ngoài số vòng quay làm việc thay đổi còn có thể gặp trường hợp trọng lượng riêng γ của chất lỏng thay đổi, đường kính ngoài D của bánh

công tác thay đổi Để đáp ứng yêu cầu sử dụng, khi cần giảm cột áp và lưu lượng

so với định mức, có thể giảm bớt đường kính D (chỉ trong phạm vi 10%), và hiệu suất của bơm coi như không đổi Có thể xem các chế độ làm việc của bơm trong trường hợp này là các chế độ làm việc tương tự

Gọi Q1, H1, N1 – Là lưu lượng, cột áp và công suất ứng với D’, γ 1và n1

Gọi Q2, H2, N2 – Là lưu lượng, cột áp và công suất ứng với D”, γ 2và n2.

Bảng 2.2 Quan hệ tương tự trong một bơm ly tâmCác

thông số

Khi γ

thay đổi

Khi nthay đổi

Khi Dthay đổi

Khi γ , n, D

thay đổiLưu

1

2 2

1

2 1

n

γ

γ

N1

2.6 Đường đặc tính làm việc của bơm ly tâm

Các quan hệ H = f1(Q), N = f1(Q) biểu thị đặc tính làm việc của bơm,

được biểu diễn dưới dạng giải tích được gọi là các phương trình đặc tính hoặc biểu diễn các đồ thị gọi là các đường đặc tính của bơm Trong thực tế kỹ thuật,

người ta hay dùng các đường đặc tính sau:

- Các đường đặc tính được xây dựng nên từ các số liệu tính toán được gọi

là đường đặc tính tính toán, nếu được xây dựng từ các giá trị đo được qua thí nghiệm gọi là đường đặc tính thực nghiệm.

- Các đường đặc tính ứng với số vòng quay làm việc không đổi (n = const)

gọi là đường đặc tính làm việc và ứng với số vòng quay làm việc khác nhau (n = var) gọi là đường đặc tính tổng hợp.

Trong ba đường đặc tính: Cột áp, công suất, hiệu suất, quan trọng hơn cả

là đường cột áp H = f(Q), nó cho ta biết khả năng làm việc của bơm, nên còn có tên riêng là đường đặc tính cơ bản Từ đường đặc tính cơ bản H = f(Q), bằng tính toán có thể suy ra các đường đặc tính N = f(Q) và η = f(Q).

Công dụng của các đường đặc tính là: Qua chúng ta có thể biết được một cách tổng quát các đặc tính làm việc của bơm, cho phép ta mở rộng phạm vi làm việc và sử dụng hợp lý các chế độ làm việc khác nhau của bơm

2.6.1 Đường đặc tính làm việc (n = const), đường đặc tính tính toán

b D

g u

2 2

Hlt = a - b cotg β2Q1 (a, b là những hằng số dương)

Đường biểu diễn phương trình này gọi là đường đặc tính cơ bản lý thuyết,

đó là một đường không qua gốc tọa độ, hệ số góc của nó tùy thuộc vào trị số góc

ra của cánh dẫn β2 Trong trường hợp tổng quát đối với máy bơm ly tâm, ta có

ba dạng đường đặc tính lý thuyết (hình 2.6)

Hình 2.6: Đường đặc tính cơ bản tính toán của bơm ly tâm

- Nếu β2 < 90o thì cotg β2 > 0, ta có đường AD

- Nếu β2 = 90o thì cotg β2 = 0, ta có đường AC

- Nếu β2 > 90o thì cotg β2 > 0, ta có đường AB

Như đã phân tích ở trên đối với bơm ly tâm thì β2 < 900, do đó đường đặc tính lý thuyết của bơm ly tâm là đường nghịch biến bậc nhất AD

Đường đặc tính lý thuyết AD biểu diễn phương trình cột áp lý thuyết:Hlt =

Khi kể tới các loại tổn thất thủy lực của dòng chất lỏng qua bánh công tác, các loại tổn thất này đều tỷ lệ với bình phương của vận tốc, nghĩa là cũng tỷ lệ với bình phương của lưu lượng thì đường đặc tính là đường cong bậc hai A”D”.

Khi kể tới các loại tổn thất cơ khí và lưu lượng thì đường đặc tính dịch về phía trái và thấp hơn một chút so với đường A”D” trở thành đường A”’D”’ đây chính là đường đặc tính cơ bản tính toán của bơm ly tâm

2.6.2 Đường đặc tính thực nghiệm

Cách xây dựng đường đặc tính bằng tính toán ở trên rất phức tạp và khó khăn vì việc đánh giá chính xác các loại tổn thất cả bơm rất khó mà hiện nay còn cần phải nghiên cứu thêm nhiều Vì vậy, trong kỹ thuật thường xây dựng các đường đặc tính bằng các số liệu đo được khi khảo nghiệm trên các máy cụ thể,

gọi là đường đặc tính thực nghiệm.

Muốn xây dựng các đường đặc tính thực nghiệm của bơm ly tâm thì phải cho bơm làm việc trong hệ thống thí nghiệm (hình 2.7)

1

2 C

Trình tự tiến hành thí nghiệm như sau:

1 Đầu tiên mở khóa 2 ở ống hút và cho bơm làm việc cho đến khi số vòng quay của trục bơm đạt tới giá trị yêu cầu, trong đó khóa 5 ở ống đẩy vẫn

đóng tức là: Q = 0 Từ các trị số đo được lúc này ở áp kế và chân không kế, ta suy ra được cột áp H của bơm ở chế độ “không tải” (Q = 0).

2 Sau đó mở dần khóa 5 ở ống đẩy để tăng lưu lượng của bơm cho đến khi đạt trị số cực đại Trong qua trình thay đổi lưu lượng, số vòng quay làm việc của bơm vẫn không đổi Tại mỗi vị trí mở của khóa 5, ta đo được các số liệu thí nghiệm của bơm và của động cơ để tính ra lưu lượng Q, cột áp H và công suất của động cơ Nđc

Trình tự thí nghiệm cũng có thể tiến hành ngược lại từ chế độ làm việc có lưu lượng lớn nhất thay đổi dần (bằng cách đóng khóa 5) cho đến chế độ không tải (Q = 0) Khi xây dựng các đường đặc tính, thường lấy 6 ÷ 8 số liệu chế độ làm việc (điểm làm việc) khác nhau của bơm

Tại mỗi điểm làm việc, từ các số liệu của Q, H ta tính được công suất thủy lực của bơm So sánh công suất thủy lực với công suất đo được trên trục bơm, ta suy ra được hiệu suất của bơm

Như vậy từ các số liệu thí nghiệm, ta có thể xây dựng được các đường đặc tính thực nghiệm của bơm H-Q, N-Q,η-Q (hình 2.8).

Hình 2.8: Đường đặc tính thực nghiệm của bơm ly tâm.

Hình dạng các đường đặc tính phụ thuộc vào từng loại bơm, đối với bơm

ly tâm thường có ba dạng: Dạng dốc đứng (đường I), dạng dốc vừa (đường II), dạng dốc lồi (đường III) (hình 2.9)

0

60 50 70

10 20 30 40

Hình 2.9: Các dạng đường đặc tính của bơm ly tâm.

Đường đặc tính dạng lồi có điểm Hmax khi Q # 0, bơm có dạng đường đặc tính này, dạng đường đặc tính này có khu vực làm việc không ổn định (quanh khu vực Hmax ứng với mỗi trị số cột áp H có thể có hai trị số lưu lượng) Vì vậy, đường đặc tính dạng lồi gọi là đường đặc tính không ổn định Còn loại đường đặc tính có hai dạng kia gọi là đường đặc tính ổn định

2.6.3 Công dụng của các đường đặc tính

Qua các đường đặc tính H-Q, N-Q,η- Q, ta thấy được khu vực làm việc

có lợi nhất ứng với hiệu suất cao nhất của bơm Vì vậy, để nâng cao chỉ tiêu kinh

tế sử dụng cho bơm, ta nên chọn chế độ làm việc của bơm ứng với điểm có η maxhoặc khu vực gần đấy sao cho có η = (ηmax- 7%).

2.6.4 Đường đặc tính tổng hợp

Mỗi đường đặc tính làm việc được xây dựng với một số vòng quay không đổi của bơm Nếu thay đổi số vòng quay làm việc thì đường đặc tính làm việc cũng thay đổi theo Để biết được nhanh chóng các thông số Q, η, N của bơm

thay đổi như thế nào khi số vòng quay của bơm thay đổi, người ta xây dựng đường đặc tính tổng hợp của bơm (hình 2.10)

Đường đặc tính tổng hợp của bơm chính là đường biểu diễn quan hệ Q- H với các số vòng quay thay đổi, trên đó có các điểm làm việc cùng hiệu suất nối với nhau thành những đường cong gọi là những đường cùng hiệu suất

Để xây dựng đường đặc tính tổng hợp, cần phải có các đường đặc tính làm việc ứng với nhiều số vòng quay làm việc khác nhau của bơm

Ta thấy rằng, với số vòng quay làm việc n nào đó, trị số lớn nhất của hiệu suất ứng với một trị số lưu lượng Qi nào đó Khi lưu lượng của bơm thay đổi Q #

Qi thì có thể có hai trị số lưu lượng có cùng hiệu suất như nhau Dóng các điểm

H

H

II I

2 1

Q2

Q1

Q 0

có cùng hiệu suất lên đường đặc tính H-Q và nối lại bằng những đường cong, ta

có đường cong cùng hiệu suất

Hình 2.10: Đường đặc tính tổng hợp của bơm ly tâm.

2.7 Điểm làm việc và điều chỉnh chế độ làm việc của bơm ly tâm

Hình 2.11: Điểm làm việc của bơm.

Điểm làm việc của bơm bao giờ cũng làm việc trong một hệ thống cụ thể nào đấy Khi bơm làm việc ổn định thì cột áp “đẩy” của bơm bằng cột áp “cản” của hệ thống Nói một cách khác, một chế độ làm việc của bơm trong một hệ thống có thể biểu diễn bằng giao điểm của hai đường đặc tính (của bơm và của

hệ thống) trong cùng một hệ tọa độ Giao điểm ấy gọi là điểm làm việc của hệ thống bơm Trên hình 2.11, điểm A (giao điểm của hai đường đặc tính của bơm

và hệ thống) biểu thị một chế độ làm việc của hệ thống bơm với cột áp HA và lưu lượng QA .

2.7.2 Các phương pháp điều chỉnh bơm

Trong quá trình làm việc do yêu cầu kỹ thuật, nhiều khi cần phải thay đổi điểm làm việc của hệ thống bơm, tức là thay đổi chế độ làm việc của bơm (hoặc

hệ thống) Quá trình thay đổi điểm làm việc của bơm theo một yêu cầu nhất định gọi là quá trình điều chỉnh

Có hai nhóm phương pháp điều chỉnh:

- Điều chỉnh đường đặc tính lưới: Thay đổi đường kính ống dẫn, thay đổi vận tốc v của dòng chảy, thay đổi độ nhớt υ của chất lỏng bơm, giảm hoặc tăng tổn thất cục bộ…

- Điều chỉnh đường đặc tính của máy bơm: Thay đổi tốc độ vòng quay máy bơm (nếu dẫn động bằng động cơ điện thì điều chỉnh các biến trở lắp trên cuộn stator, nếu dẫn động bằng động cơ điezen thì thay đổi chế độ nạp nguyên liệu cho động cơ hoặc lắp thêm biến tốc giữa cơ và máy bơm), thay đổi số tầng bơm đối với bơm nhiều cấp…

Đối với hệ thống bơm thông thường, có các phương pháp điều chỉnh sau:

2.7.2.1 Điều chỉnh bằng khóa

Hình 2.12: Điều chỉnh máy bơm bằng khóa

Nội dung của phương pháp này là tạo nên sự thay đổi đường đặc tính lưới bằng cách điều chỉnh (đóng hoặc mở) khóa ở ống đẩy để thay đổi lưu lượng của

hệ thống (không điều chỉnh bằng khóa ở ống hút vì có thể gây hiện tượng xâm thực máy bơm) Trên hình 2.12 thể hiện nội dung của phương pháp điều chỉnh này Khi mở khóa hoàn toàn thì có điểm làm việc A (HA,QA) Khi đóng bớt khóa lại thì tổn thất khóa sẽ tăng lên (ξ →A ξB) lưu lượng của hệ thống giảm đi, nghĩa

H A

A

Q A H

Phương pháp điều chỉnh này đơn giản, thuận tiện nhưng không tinh tế vì

sẽ gây nên tổn thất ở khóa khi điều chỉnh và chỉ điều chỉnh được trong những phạm vi hạn chế

2.7.2.2 Điều chỉnh bơm bằng số vòng quay của trục bơm

Nội dung của phương pháp này là làm thay đổi đường đặc tính riêng của bơm bằng cách thay đổi số vòng quay của trục bơm Phương pháp này chỉ áp dụng cho các bơm có thiết bị thay đổi số vòng quay So với với phương pháp điều chỉnh bằng khoá phương pháp này tinh tế hơn

Hình 2.13 Điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng quay

Hình 2.13 thể hiện của phương pháp điều chỉnh này Điểm làm việc của bơm A (HA ,QA) ứng với số vòng quay nA Khi tăng số vòng quay đến nB >nA thì đường đặc tính của bơm sẽ khác đi, trong khi đó đường đặc tính lưới không thay đổi, điểm làm việc chuyển từ A đến B

2.7.2.3 Điều chỉnh bơm bằng cách lắp đặt bánh công tác thay thế

Nội dung của phương pháp là thay đổi đường đặc tính riêng của bơm bằng cách thay đổi đường kính bánh xe công tác

Hình 2.14 Điều chỉnh bơm bằng cách gọt bánh xe công tác

Trên hình vẽ mô tả máy bơm có đường kính bánh xe công tác DA, khi làm việc trong hệ thống có lưu lượng QA Để đạt được lưu lượng QB theo yêu cầu phải tính toán gọt bánh xe công tác đến đường kính DB

AQ

Để đảm bảo hiệu suất bơm hầu như không đổi, tỷ lệ gọt cần nằm trong giới hạn cho phép.

Gọt bánh xe công tác là một phương pháp điều chỉnh hiệu quả, đơn giản

để thay đổi lâu dài chế độ làm việc của máy bơm Nếu muốn khôi phục lại chế

độ làm việc cũ, cần thay lại bánh xe công tác

2.7.3 Khu vực điều chỉnh

Để điều chỉnh bơm cần thay đổi đường đặc tính lưới hoặc thay đổi đường đặc tính bơm Nhưng thực tế không phải có thể điều chỉnh điểm làm việc về bất cứ điểm nào trên đường đặc tính của bơm

Hình 2.15 Khu vực điều chỉnh bơm

Ví dụ: Trên hình 2.15 biểu thị bơm làm việc trong hệ thống với các đường đặc tính đã nêu Trong đó, đường đặc tính của bơm có dạng lồi T là điểm giới hạn, chia đường đặc tính ra làm hai khu vực: bên phải điểm T là khu vực làm việc ổn định, còn bên trái điểm T tuỳ theo vị trí của đường đặc tính lưới, bơm có thể làm việc không ổn định gọi là khu vực làm việc không ổn định của bơm

Thực nghiệm chứng tỏ rằng:

- Không thể điều chỉnh bơm trong khu vực không ổn định

- Khi khởi động bơm, cần hạ thấp Hlưới để điểm làm việc của bơm không rơi vào khu vực không ổn định

Vị trí của điểm giới hạn T phụ thuộc vào góc β 2 Góc β 2 càng nhỏ thì khu vực làm việc không ổn định càng nhỏ

2.8 Hiện tượng xâm thực

Hiện tượng xâm thực khí là sự phá huỷ tính dày đặc của dòng chảy chất lỏng

do sinh ra trong dòng chảy những khoang chứa đầy khí và hơi của chất lỏng Hiện tượng xâm thực bắt đầu bằng sự xuất hiện trong dòng chảy dầy đặc chất lỏng các bọt khí, hơi nhỏ và thể tích các bọt khí này tăng nhanh do giảm áp suất cục bộ và tăng vận tốc của chất lỏng

K/vKhông ÔĐ

K/v ÔĐH

Q

Ha - Q

Hl - QT

0

Dòng chảy chất lỏng kéo theo các bọt khí - hơi đến vùng có áp suất cao hơn

và ở đây các bọt khí - hơi được ngưng tụ (tiếp hợp), vào thời điểm tiếp hợp các bọt khí sinh ra xung âm Quá trình tiếp hợp xảy ra tức thời tạo nên áp suất cục bộ cao và dưới tác dụng của áp suất này các cánh quạt, thành và các rãnh của máy bơm bị phá huỷ

Hiện tượng xâm thực khí thường dễ nhận biết bằng các dấu hiệu bên ngoài bởi độ ồn, độ va đập và độ rung của máy

- Do áp suất ở một điểm nào đó của dòng chảy giảm xuống và thấp hơn

cả áp suất hơi bão hoà của chất lỏng ở nhiệt độ đó nên chất lỏng bốc hơi và sinh ra các bọt khí

- Do khí lọt vào máy bơm từ bên ngoài

Cách phòng chống:

+ Khi lắp đặt và sử dụng:

- Tăng áp suất vào máy bơm bằng cách giảm mọi mất mát về áp suất có thể có trên đường vào máy bơm: dùng đường ống vào ngắn, có đường kính lớn, ít các thiết bị chặn, chiều cao lắp máy bơm thấp…

- Đảm bảo để khí không lọt vào máy bơm từ bên ngoài: theo đường ống hút và qua các khe nứt…

+ Khi thiết kế chế tạo:

- Tăng đường kính vào của bánh công tác và chiều rộng của các rãnh Các cánh quạt từ phía áp suất cao được uốn cong, ở đường vào bánh công tác thứ I đặt them 1 bánh công tác phụ trợ (bánh theo trục)

- Sử dụng các vật liệu có độ cứng cao, thép không gỉ, đồng thau trong chế tạo

2.9 Sự làm việc của bơm khi mắc song song và nối tiếp

2.9.1 Ghép song song

Trong trường hợp hệ thống yêu cầu lưu lượng của hệ thống lớn hơn lưu lượng của một bơm Điều kiện để ghép bơm song song có thể làm việc được là các bơm ghép phải có cùng cột áp:

Để xác định tổng lưu lượng của các bơm ghép song song làm việc trong một

hệ thống, ta cần xây dựng đường đặc tính chung của các bơm ghép (H – Qc) và biết đường đặc tính lưới (H - Qlươi)

Ví dụ: Khảo sát hai bơm có đường đặc tính khác nhau: (H1 – Q) và (H2 – Q) ghép song song (hình 2.16), có thể thấy với mọi cột áp H > HB trong hệ thống chỉ

có bơm 2 làm việc Khi H = HB cả hai bơm đều cùng làm việc nhưng lưu lượng của hệ thống chỉ bằng lưu lượng của bơm 2 ứng với điểm B (QB = Q2)

Hình 2.16 Ghép song song hai bơm ly tâm

Điểm C (giao điểm của đường đặc tính chung các bơm ghép HC – Q và đường đặc tính lưới Hl – Q) là điểm làm việc của các bơm ghép trong hệ thống Khi đó bơm 1 làm việc với Q1C, bơm 2 làm việc với Q2C Như vậy, tổng lưu lượng của hai bơm ghép song song trong hệ thống nhỏ hơn tổng lưu lượng của hai bơm đó khi làm việc riêng rẽ trong cùng một hệ thống:

QC = Q1C + Q2C < Q1 + Q2

(vì hệ thống làm việc với nhiều bơm ghép song song có cột áp lớn hơn do lưu lượng trong hệ thống tăng lên so với khi từng bơm riêng rẽ làm việc trong hệ thống)

Sau khi nghiên cứu nguyên tắc ghép bơm song song ta thấy:

- Sự điều chỉnh (thay đổi điểm làm việc) của hệ thống có các bơm ghép song song tương đối phức tạp khi các bơm ghép có đường đặc tính khác nhau nhiều Vì vậy, người ta thường ghép các bơm có các đường đặc tính gần giống nhau hoặc như nhau để việc thực hiện sự điều chỉnh được thuận lợi

- Cách ghép bơm song song chỉ có hiệu quả khi đường đặc tính của các bơm ghép thoải (có độ dốc nhỏ) và đường đặc tính của lưới không dốc lắm Cách ghép này ứng dụng trong các hệ thống bơm cần có cột áp H thay đổi ít khi lưu lượng Q thay đổi nhiều

- Số lượng bơm ghép song song để tăng lưu lượng trong hệ thống có giới hạn nhất định, xác định bởi đường đặc tính chung của các bơm ghép và đường đặc tính lưới

- Hiệu suất chung của hai bơm làm việc song song nhỏ hơn hiệu suất của từng bơm làm việc riêng lẻ hoặc của từng bơm làm việc song song

Hình 2.17 Ghép nối tiếp hai bơm ly tâm

Đường đặc tính chung của các bơm ghép (HC - Q) được xây dựng bằng cách cộng các cột áp của riêng từng bơm với cùng một lưu lượng (cộng các tung

độ trên cùng một hoành độ)

Ví dụ: Khảo sát hai bơm 1 và 2 có đường đặc tính khác nhau ghép nối tiếp (hình 2.17), làm việc trong một hệ thống Điểm A (giao điểm của đường đặc tính chung HC – Q và đường đặc tính lưới Hl – Q) là điểm làm việc của các bơm ghép trong hệ thống, xác định lưu lượng Q và cột áp của hai bơm ghép (H1+H2)

Nhận xét: - Khi ghép nối tiếp nên chọn những bơm và hệ thống có đường đặc tính dốc nhiều mới có hiệu quả cao, vì khi thay đổi lưu lượng ít đã tăng được cột

áp theo yêu cầu

Q Q

Q1B

- Khi ghép hai bơm 1 và 2 nối tiếp liền nhau cần chú ý bơm 2 phải làm việc với áp suất cao hơn bơm 1 vì nếu không đủ sức bền bơm 2 sẽ bị hỏng Vì thế phải chọn trên ống đẩy của bơm 1 điểm nào không gây nguy hiểm cho bơm 2

để ghép Việc ghép bơm làm việc nối tiếp trong hệ thống tương đối phức tạp, không thuận tiện và kinh tế bằng chọn một bơm có cột áp cao đáp ứng được yêu cầu làm việc Chỉ nên ghép nối tiếp các bơm trong trường hợp cần thiết

2.10 Lưu lượng, hiệu suất lưu lượng và các phương pháp điều chỉnh lưu lượng của bơm

2.10.1 Lưu lượng, hiệu suất lưu lượng

- Lưu lượng chất lỏng chảy qua bánh công tác của máy thuỷ lực cánh dẫn nói chung và bơm ly tâm nói riêng được tính theo:

Q = cm.π.D.b

b - Chiều rộng máng dẫn (thường là tại cửa ra)

D - Đường kính của bánh công tác

cm - Hình chiếu vận tốc tuyệt đối lên phương vuông góc với u

Hình 2.18 Lưu lượng chất lỏng trong bánh công tác

- Lưu lượng qua bánh công tác xem như lưu lượng lý thuyết Q1 của bơm Lưu lượng thực tế Q qua ống đẩy nhỏ hơn Q1 vì không phải tất cả chất lỏng sau khi đi qua bánh công tác đều đi vào ống đẩy, mà có một phần nhỏ ∆Q chảy trở về cửa

vào bánh công tác hoặc rò rỉ ra ngoài qua các khe hở của các bộ phận lót kín A

và B được biểu thị trên hình vẽ

Vậy: Q1=Q+∆Q

- Để đánh giá tổn thất lưu lượng của bơm, có thể dùng hiệu suất lưu lượng ηq

2.10.2 Các phương pháp điều chỉnh lưu lượng của bơm

2.10.2.1 Điều chỉnh bằng cách thay đổi độ mở của van đẩy

Đây là phương pháp thường dùng để điều chỉnh bơm Phương pháp này là thay đổi đặc tính đường ống bằng cách thay đổi các tổn thất trên đường ống Đóng dần van đẩy thì đặc tính đường ống sẽ dốc hơn (Hình 2.19) thể hiện sự thay đổi sản lượng của bơm khi thay đổi đặc tính đường ống bằng cách thay đổi

độ mở của van đẩy Khi cần tăng lưu lượng ta mở to van đẩy làm cho đặc tính đường ống thoải hơn và lưu lượng sẽ tăng lên (thay đổi từ điểm 1 đến điểm 2 trên đồ thị) Nếu muốn giảm lưu lượng thì ta làm ngược lại

Phương pháp này có nhược điểm là khi thay đổi lưu lượng thì áp suất của hệ thống cũng sẽ thay đổi theo nhưng theo chiều ngược với thay đổi lưu lượng

Hình 2.19: Điều chỉnh lưu lượng của bơm bằng cách thay đổi đường đặc tính

đường ống 2.10.2.2 Thay đổi số vòng quay của động cơ

Thay đổi vòng quay có thể đạt được lưu lượng khác nhau và cột áp tương ứng Nếu vòng quay tăng thì lưu lượng và cột áp tăng, còn giảm số vòng quay thì

lưu lượng và cột áp giảm Khác với phương pháp điều chỉnh khi n=const phương

pháp điều chỉnh này theo hướng bất kỳ Sự thay đổi tổn thất thuỷ lực do điều chỉnh lưu lượng bằng phương pháp này không xảy ra, bởi thế phương pháp điều chỉnh này trong khai thác là kinh tế nhất Với bơm lưu lượng bé được truyền động bằng động cơ lồng sóc 3 pha người ta ít dùng cách điều chỉnh vòng quay của động cơ điện mà thường dùng phương pháp điều chỉnh lưu lượng bằng van đẩy đơn giản hơn (Hình 2.20) thể hiện phương pháp điều chỉnh lưu lượng bằng

cách thay đổi số vòng quay động cơ Khi ta giảm số vòng quay từ (n 1 ) xuống (n 2 ) thì lưu lượng giảm từ (Q 1 ) xuống (Q 2 ) và cột áp cũng giảm từ (H 1 ) xuống (H 2 ).

Hình 2.20: Điều chỉnh sản lượng của bơm bằng cách

thay đổi vòng quay của động cơ

Điều chỉnh bằng phương pháp này có ưu điểm là có thể thay đổi được công suất nên là phương pháp kinh tế nhất Tuy nhiên phương pháp này chỉ ứng dụng cho các bơm lai bởi động cơ có thể điều chỉnh được vòng quay: động cơ đốt trong

Khi điều chỉnh bằng van đường ống nhánh, do sản lượng thay đổi nên đặc tính động của đường ống thay đổi, nhưng đặc tính động xuất phát từ giao điểm

của đặc tính điều chỉnh (đường C) với đặc tính tĩnh (điểm D trên hình 2.21) 2.10.2.4 Điều chỉnh bằng cách gọt bớt đường kính ngoài của bánh công tác

Khi gọt bớt bánh công tác, các thông số làm việc của máy sẽ thay đổi Giả sử gọt bớt bánh công tác có đường kính D2 xuống D2 , khi đó lưu lượng cũng giảm từ Q đến Q*, cột áp từ H đến H* Ta có:

m

D

D Q Q

m

D

D H H

Khi gọt ≤ 1% thì m = 3Hiệu suất của bơm khi gọt là:

η* = 1-(1-η)(D2*/D2)-0.45

Nếu gọt tới 5% thì sẽ làm mất tính đồng dạng của bánh công tác cũ và mới

H N

Q

0

H-Q

1 2 3

H md

D2 = D 2 0,9D 2 0,8D 2

N-Q

0,9D 2 0,8D 2

= D 2

* D

H hh

I

Hình 2.22: Điều chỉnh nhờ gọt bớt bánh công tác Khi ta gọt bớt đường kính ngoài của bánh công tác D * giam dần từ D 2 đến

0,8D 2 đến … thì đường đặc tính của máy bơm H-Q bị giảm dần còn đường N-Q

thì tăng dần (như hình vẽ ) Do đó các điểm làm việc của máy bơm 1, 2, 3 … bị lệch sang bên trái

Để thay đổi đường đặc tính làm việc của máy bơm bằng phương pháp thay đổi đường kính ngoài của bánh công tác sẵn có, các máy bơm đều được trang bị bánh công tác với 2 ÷ 3 cấp đường kính khác nhau Vì vậy, đây là phương pháp kinh tế, đơn giản, dễ áp dụng, ít ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của máy bơm và đặc biệt là không dung động và quá tải cho hệ thống

2.11 Ảnh hưởng của độ nhớt chất lỏng đến sự làm việc của bơm ly tâm.

Các đường đặc tính của máy bơm cho bởi lý lịch máy được xác định khi bơm nước có ρ= 1.000 kg/m3 và ν = 0,01cm2/s

Thực tế các bơm ly tâm được sử dụng để bơm nhiều loại chất lỏng có tính chất vật lý khác nhau, cho nên khi chọn và sử dụng máy bơm ta cần tính đến ảnh hưởng của độ nhớt chất lỏng đến máy

- Khối lượng riêng: Q và H không phụ thuộc vào tỉ trọng

P, N, η thay đổi tỉ lệ thuận với tỉ trọng của chất lỏng.

- Độ nhớt: Khi độ nhớt tăng → mất mát công suất cũng tăng lên do ma sát quay

và cản trở thủy lực của dòng chảy chất lỏng trong khi mất mát về thể tích giảm Khi độ nhớt tăng, cột áp và lưu lượng của bơm đều giảm

Sự thay đổi của Q, N, η phụ thuộc vào độ nhớt rất phức tạp và hầu như không

thể tính bằng lý thuyết Trong thực tế nó được tính theo công thức

Q chất lỏng = Kq Q nước ;

H chất lỏng = K H Hnước

ηchất lỏng = Kη ηnước

Các giá trị Kq, Hh , Kη là các hệ số chuyển đổi, được xác định bằng thực

nghiệm và phụ thuộc vào lưu lượng và độ nhớt của chất lỏng (phụ thuộc vào

Re : Khi Re tăng nhanh thì K Q – K H – Kη→ 1)

(cách tính toán xem ở mục 3.3.4)

CHƯƠNG III CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BƠM LY TÂM NPS 65/35-500 3.1 Giới thiệu chung về máy bơm ly tâm NPS 65/35 - 500

Tổ hợp bơm điện ký hiệu NPS 65/35 - 500 là kiểu bơm ly tâm có trục đặt nằm ngang bao gồm nhiều phân đoạn Các chi tiết của máy bơm được chế tạo từ thép cacbon

Bơm dùng để bơm dầu thô, khí cacbuahyđro hoá lỏng và các sản phẩm dầu mỏ có nhiệt độ từ (-30÷200)oC và các chất lỏng khác có tính chất lý hoá phù

1 2 3 4 5

hợp Thành phần chất rắn lẫn trong dung dịch bơm không vượt quá 0,2% trọng lượng chất lỏng bơm, kích thước các hạt rắn không vượt quá 0,2 mm, dầu mỏ và các sản phẩm dầu mỏ có trọng lượng riêng ≤ 1050 kg/m3, độ nhớt động học ν ≤

8.10-4 m2/s

Trục máy bơm được làm kín bằng bộ làm kín mặt đầu hoặc đệm làm kín Sanhich mềm

Máy bơm thuộc nhóm hai nửa dạng kiểu ly tâm theo tiêu chuẩn 15105 –

69 của Liên Xô cũ

3.2 Sơ đồ tổng thể và đặc tính kỹ thuật của bơm

3.2.1 Sơ đồ tổng thể của bơm

Sơ đồ tổng thể của bơm được giới thiệu trên hình 3.1 bao gồm:

- Bơm và động cơ điện 160 kW được lắp trên một giá chung

- Trục bơm và động cơ được liên kết với nhau bằng khớp nối bánh răng có trục trung gian

- Hướng quay của Rôto bơm ngược chiều kim đồng hồ nếu nhìn từ phía động cơ

Hình 3.1 Sơ đồ tổng thể bơm NPS 65/35 – 500

2 Vỏ bảo vệ khớp nối 5 Giá máy lắp đặt động cơ và bơm

3 Khớp nối bánh răngNgoài ra còn có các bộ phận phụ khác như:

- Hệ thống đường ống cấp thoát nước làm mát ổ bi và thiết bị làm mát trục, hệ thống đường ống này thường được đặt ngầm dưới móng máy, trên hệ thống có lắp đồng hồ đo áp suất và các van điều chỉnh

- Hệ thống đường ống hút và đẩy: trên hệ thống này có lắp đồng hồ đo áp suất và van chặn, trên đường ống đẩy có lắp thêm van một chiều

3.2.2 Đặc tính kỹ thuật của bơm

7 Cột áp hút chân không cho phép 4,7 m

8 Đặc tính của bộ làm kín

-Trường hợp làm kín mặt đầu:

+Áp lực phía trước bộ làm kín cho phép: P ≤ 25 kG/cm2

+Lượng chất lỏng rò rỉ cho phép:∆Q ≤ 0,03 l/h

-Trường hợp làm kín dây quấn:

+Áp lực phía trước bộ làm kín cho phép: P ≤ 10 kG/cm2

+ Lượng chất lỏng rò rỉ cho phép: ∆Q ≤ 0,018 l/h

13 Điện áp làm việc của động cơ 380 V

14 Tần số dòng điện

- Dòng điện

50 Hz Thay đổi

16 Kích thước toàn bộ máy kể cả

Nửa thân dưới (24) có kết cấu hàn gồm thân đúc bằng thép cacbon hàn với nửa ống dạng máng dùng để nối liền cửa ra cấp IV (11) và cửa hút cấp V (18) và ống vuông góc để nối ống giảm tải (22) Ống giảm tải dùng để xả và giảm áp suất trong buồng trước đệm làm kín trục phía cao áp cấp V bằng áp suất ở cửa hút.

Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo thân trên bơm

Hình 3.4 Sơ đồ cấu tạo thân dưới bơm 3.3.1.2 Phần chảy (khoang hướng dòng)

Hình 3.5 Sơ đồ cấu tạo khoang hướng dòng

Phần chảy của bơm bao gồm các phân đoạn phải (14) và trái (8), buồng vào cấp I (6) và cấp V (18), buồng ra cấp IV (11) và cấp VIII (13) Tất cả các bộ

215 210 130

320 310 220

+0,04

-0,018

-0,115 +0,04

-0,130 -0,095

φ φ φ φ

φ φ φ φ

Việc làm kín khe hở của các chi tiết của khoang hướng dòng và thân bơm

để ngăn chặn dòng chảy giữa các cấp nén được thực hiện bằng các gioăng cao su chịu nhiệt (15) có tiết diện tròn φ6,2 mm

Hình 3.6 Sơ đồ cấu tạo buồng vào cấp 5 3.3.1.3 Bánh công tác

Hình 3.7 Sơ đồ cấu tạo bánh công tác

Bánh công tác được lắp trên trục gồm 8 bánh chia làm hai nhóm (nhóm trái và nhóm phải), mỗi nhóm gồm 4 bánh

Các bánh công tác ở mỗi nhóm có kích thước bằng nhau và có thể lắp lẫn cho nhau được (trừ bánh công tác thứ nhất có kích thước lớn hơn) Hai nhóm này

có cửa hút bố trí ngược nhau, điều này có tác dụng khử lực dọc trục trong khi bơm làm việc Giữa hai bánh công tác có lắp “phanh hai nửa” (vành hãm) để ngăn cách không cho chúng di chuyển dọc trục, tiếp xúc với nhau trong quá trình làm việc để tránh kẹt gây cháy hỏng bánh công tác và trục bơm

+0,25 +0,25 +0,5 +0,2 +0,2 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63 0,63

0,63 Rz40

Rz 40 1,25

+0,5 0,025 EH

0,025 EH

EH 0,025

EH 0,025

0,025 FG

0,025 EH

H

EH 0,025

E H 0,025

EH 0,025

82 320

240 16080 95

35 75

155 235310 35 35

35 35 35 35

155 235 310 35 75

R5 R9

23 177

5

8 32

Hình 3.8: Sơ đồ cấu tạo trục

Trục bơm được làm bằng thép có độ cứng HB = 260÷280.

Trục bơm (2) quay trên hai gối đỡ (1) và (21) Hai gối đỡ này được liên kết với thân dưới của bơm bằng các bu lông M16 và các chốt định vị

Phía đầu khớp nối với động cơ là hai ổ bi đỡ chặn 66414 theo tiêu chuẩn

ΓOCT 831 – 75 của (Liên Xô cũ)

Phía đầu đối diện là hai ổ bi đỡ 414 theo tiêu chuẩn ΓOCT 8338 – 75 của (Liên Xô cũ)

Ở giữa hai vòng bi của mỗi ổ đỡ có lắp các vòng cách (hình ống) để định

vị tương đối giữa hai ổ với nhau Một vòng lắp trên trục để định vị hai vòng trong và một vòng có đường kính ngoài bằng đường kính trong của lỗ lắp ổ bi để định vị vòng ngoài

82

4 o

12 R6