1. Введение
(Бронислав ГРИША, Антон КЛЕШНЯ)
Центробежные насосы работают с максимальной эффективностью,
близкой к их расчетным условиям. Возможны различные варианты
управления расходом насоса, но они усложняют систему и часто
приводят к некоторому снижению эффективности перекачки.
Максимальный КПД, достигаемый в расчетной точке насосов
разной удельной скорости, за последние десятилетия
практически не изменился. Кажется, что большинство
коммерчески доступных и спроектированных машин приближаются
к невидимому пределу эффективности. Выбор наиболее
подходящего для данной гидравлической системы насоса и
правильных методов управления насосными системами
обеспечивает значительную экономию энергии. Полный потенциал
энергосбережения может быть реализован только путем
моделирования и оптимизации на системном уровне
гидравлических и тепловых процессов и схемы их управления
при соблюдении эксплуатационных ограничений.
Эффективная эксплуатация трубопровода является сложной
задачей. Объёмы требуемого потока могут меняться со временем
из-за производственных или экономических изменений, в то
время как экономичная и энергоэффективная конструкция
требует указания скорости потока при выборе насосов. Для
повышения реальной эксплуатационной энергоэффективности
важно выбрать не только насосы с самым высоким КПД, но и
применить схему управления, которая наилучшим образом
соответствует сценарию работы трубопровода.
Это сложная первоначальная проблема проектирования, и из-за постоянно
меняющегося графика эксплуатации часто требуется переоценка
работы трубопроводной системы и оборудования в течение срока
их службы, чтобы сократить эксплуатационные расходы и, таким
образом, снизить стоимость жизненного цикла системы.
Компанией «Flowserve» был разработан метод гидравлического
моделирования и оптимизации, чтобы помочь заказчикам в
выборе насосов и систем управления, а также в проектировании
систем с реалистичной оценкой стоимости эксплуатации и
жизненного цикла насосных решений компании. Этот метод был
реализован в виде инструмента под названием XL+, основные
функции и область применения которого представлены в этой
статье, включая оптимизацию логистики и дозирование
противотурбулентных присадок (ПТП).
2. Инструмент моделирования системы: XL+
Оптимизация энергопотребления трубопровода на системном
уровне может выиграть у компьютерного моделирования
гидравлической системы.
Системный подход гарантирует, что эксплуатационные
требования и технологические параметры могут быть учтены при
оценке энергопотребления. Подход к моделированию с
сосредоточенными параметрами является эффективным с
вычислительной точки зрения способом описания рабочего
поведения трубопроводов. Модель с сосредоточенными
параметрами описывает пространственно распределенную
физическую систему сетью элементов. Элементами
трубопроводной системы обычно являются насосы, трубы,
клапаны, геодезические источники, оборудование для закачки
ПТП и т.д. Элементы представляют собой гидравлический
компонент с помощью его характеристических кривых.
Стационарная гидравлическая модель может быть эффективно
решена на основе законов Кирхгофа с использованием итераций
Ньютона-Рафсона. Параметризация модели трубопровода
может включать доступные оперативные элементы управления,
такие как параметры управления насосом (активное или
неактивное состояние, скорость и т.д.), состояние клапана и
концентрации ПТП. Все возможные рабочие состояния могут быть
оценены, и в качестве результатов модель может предоставить
гидравлические параметры, такие как скорость потока,
давление, мощность насоса и т.д. Упрощенная гидравлическая
модель в сочетании с оптимизатором прямых параметров может
быть основой энергетической ревизии трубопроводной системы.
XL+ сочетает в себе возможность однофазного
теплогидравлического моделирования в установившемся режиме с
сосредоточенными параметрами и оптимизатор на основе
параметров. Инструмент реализован в виде надстройки
Microsoft Excel, поэтому функции Excel можно использовать
вместе с расчетами модели. Все входные и выходные данные
представлены в таблицах Excel, их легко подготовить и
поделиться ими. Для удобства элементы управления рабочим
процессом доступны во встроенной системе меню ленты Excel.
3. Оптимизация гидравлических систем
Для оптимизации работы системы необходимо ответить на
следующий вопрос: какие параметры управления системой должны
быть установлены для достижения минимальных эксплуатационных
затрат при выполнении некоторых заданных побочных условий?
Безопасный режим работы определяется дополнительными
технологическими ограничениями, такими как
минимальное/максимальное давление в разных точках системы
или минимальный/максимальный расход.
Точно так же для оптимизации конструкции системы возникает
вопрос: какие параметры конструкции следует выбрать для
достижения минимальной стоимости жизненного цикла всей
трубопроводной системы? Этот вопрос приводит к более сложной
и трудной проблеме оптимизации главным образом потому, что
невозможно точно указать все требования к работе и
продолжительность соответствующих состояний для всего срока
службы системы, а также из-за большого количества проектных
параметров. В результате часто требуется переоценка
гидравлических компонентов.
Переоценка — это упрощенная
версия задачи оптимизации конструкции, в которой статистика
и опыт работы доступны в виде исторических данных. Кроме
того, требуется изменить меньше параметров конструкции.
Операционная оптимизация конвейера включает в себя
планирование доставки (оптимизация логистики) в различные
пункты назначения для удовлетворения потребностей в доставке
в заданные сроки и минимизации эксплуатационных расходов.
Все три режима оптимизации (операционная, конструкторская и
логистическая оптимизация) показаны на
рис. 1 и
поддерживаются XL+. Модель гидравлической системы сама по
себе может обеспечить эксплуатационные расходы для заданного
набора параметров системы, поэтому для выбора наилучших
рабочих параметров необходимо выполнить перебор параметров
или оптимизацию.
Оптимизация осуществляется путем оценки, определяемой
пользователем функции затрат на основе результатов
гидравлической модели. Для оптимизации работы трубопровода в
простейшем случае функцией стоимости может быть мощность
прокачки (
рис. 1а). Функция стоимости может также содержать
затраты на ПТП или любые дополнительные эксплуатационные
расходы, связанные с гидравлическими параметрами. Рабочие
параметры регулируются оптимизатором для минимизации затрат
в одной рабочей точке.
Во втором сценарии (
рис. 1b) выводится взвешенная функция
стоимости для нескольких рабочих состояний и допускается
изменение некоторых конструктивных параметров системы, таких
как геометрия насоса или трубы и т.д. В этом последнем
случае результаты нескольких гидравлических моделей
учитываются при расчете эксплуатационных расходов, а
расчетные параметры изменяются оптимизатором при поиске
наилучшей взвешенной стоимости с возможностью включения
затрат на капитальные вложения. Эту оптимизацию можно с
пользой использовать при изучении перенастройки насоса или
вариантов конфигурации трубопровода при наличии исторических
данных о работе.
Последний сценарий, изображенный на
рис. 1с, представляет
собой оптимизацию логистики с учетом заданного времени и
объемов поставки, которые должны быть доставлены в разные
пункты назначения. Функция оптимизатора логистики использует
в качестве входных данных предварительно рассчитанные
наиболее эффективные рабочие состояния и находит наилучший
график доставки. Идентификация энергоэффективных рабочих
состояний требует серии оптимизаций управления с различными
минимальными расходами для каждого пункта назначения (или
комбинации пунктов назначения). Возможность оптимизации
пакетного режима XL+ поддерживает эти вычисления.
Логистический оптимизатор проверяет все комбинации
(факторный план) и может быть запущен, как только будет
доступе.
РИСУНОК 1:
Рисунок 1: Возможны различные сценарии оптимизации в системе XL+:
a. оптимизация управления одной рабочей точкой.
б. оптимизация конструкции с несколькими рабочими точками.
c. логистическая оптимизация.
4. Оптимизация работы трубопровода
В типичной трубопроводной системе доступно несколько методов
управления для реализации графика и достижения
энергоэффективной работы. Системы трубопроводов содержат
несколько насосов, которые можно включать и выключать, что
служит основным средством регулирования расхода.
Дополнительные средства контроля могут быть достигнуты с
помощью насосов с регулируемой скоростью или методов
контроля трения в трубах, таких как использование ПТП для
трубопроводов сырой нефти.
Согласно более ранней литературе,
использование ПТП не применимо для снижения
эксплуатационных расходов из-за высокой цены ПТП по
сравнению с затратами на электроэнергию, поэтому ПТП может
использоваться исключительно для увеличения мощности.
Тем не
менее, ни электроэнергия, ни затраты на ПТП не являются
постоянными, поэтому рекомендуется периодическая переоценка
возможности снижения эксплуатационных расходов с помощью ПТП
в системах распределения сырой нефти, таким образом, могут
быть достигнуты самые низкие эксплуатационные расходы в
соответствии с фактической энергией и стоимостью ПТП. Такие
расчеты операционных расходов могут быть сложными, и
периодические повторные оценки должны выполняться методом
систематической оптимизации.
Например, схема управления
минимальными эксплуатационными затратами должна быть
определена для нескольких различных расходов дискретными
шагами путем применения схемы оптимизации управления.
Используя систему XL+, можно получить наилучшие возможные
рабочие состояния в процедуре периодической оптимизации,
предписывая дискретные шаги объемного расхода и выполняя
процедуру факторного плана или процедуры метода роя частиц.
Возможно, что для некоторых скоростей потока минимальные
операционные расходы достигаются за счет использования ПТП,
а для других скоростей потока они достигаются без
использования ПТП. Для конвейеров распределительного типа,
чтобы увидеть, дает ли один метод управления общую
экономическую выгоду, необходимо также выполнить этап
логистической оптимизации.
Процедура оптимизации логистики
выбирает комбинацию уникальных рабочих состояний для каждого
пункта назначения для достижения операции с минимальными
затратами при доставке требуемого объема жидкости в течение
заданного периода времени (см.
рис. 1c для иллюстрации
процесса). Предварительно рассчитанные оптимизированные
рабочие состояния могут использоваться методом логистической
оптимизации на втором этапе для определения наиболее
энергоэффективного графика с учетом текущих требований к
доставке по трубопроводу и фактических затрат на энергию и
ПТП.
5. Выводы
В этой статье представлен недавно разработанный компанией «Flowserve»
метод оптимизации гидравлической системы и его реализацию в
качестве инженерного инструмента. Описаны проблемы
оптимизации управления, оптимизации конструкции и
оптимизации логистики. Эти схемы оптимизации можно
использовать при оценке энергопотребления трубопроводов для
повышения эффективности эксплуатации трубопроводных систем.
Встроенный оптимизатор инструмента XL+ также можно
использовать для параметризации модели на основе
существующих данных измерений.
Задача логистической оптимизации может быть решена в два
этапа: во-первых, выполняется последовательность задач
оптимизации управления, а во-вторых, ищется логистический
оптимум для предположения о заданном общем времени доставки
путем объединения частично оптимизированных рабочих
состояний.
Список литературы
1. Anderson, H.H., Prediction of Head, Quantity and
Efficiency in Pumps-The Area Ratio Principle. Performance
Prediction of Centrifugal Pumps and Compressors // ASME 22nd
Annual Fluids Engineering Conference, 2013, New Orleans, LA,
USA (дата обращения 29.08.2022)
2. Pump System Optimization //A Guide for improved energy
efficiency, reliability, and profitability, second edition.
The Hydraulic Institute, 2018 (дата обращения 29.08.2022)
3. Epp, R., Fowler, A.G., Efficient code for steady-state
flows in networks. J. Hydraul. //Div. Am. Soc. Civ. Eng. 96.
1970. (дата обращения 29.08.2022)
4. Tóth P., Vermaesen R., Kristóf G.: Optimization of
Pumping Systems in pipelines// 18th Pipeline Technology
Conference. 2022.
www.pipeline-conference.com/abstracts/optimization-pumping-systems-pipelines
(дата обращения 29.08.2022)
5. Ridao, M. A., Optimal use of DRA in oil pipelines. //
IEEE International Conference on Systems, Man and
Cybernetics, Vol. 7, (IEEE Cat. No. 04CH37583). 2004. (дата
обращения 29.08.2022)