Tính toán lựa chọn máy bơm vận chuyển dầu Sulzer

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC VẬN CHUYỂN DẦU TẠI CÁC GIÀN CỦA XÍ NGHIÊP VIETSOV PETRO 1.1. Mục đích và yêu cầu và nhiệm vụ của bơm vận chuyển dầu khí Do đặc điểm địa lý của nước ta, nên các mỏ dầu khí mà xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsov Petro đang thăm dò và khai thác đều nằm ngoài biển.Vì thế, việc lựa chọn và bố trí bơm vận chuyển dầu là hết sức cần thiết. Hiện nay, xí nghiệp đang khai thác trên 2 mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng, khoảng cách giữa 2 mỏ khoảng 30 km. Tại các giàn cố định, sau khi dầu được khai thác lên từ giếng khoan sẽ được đưa đến các bình tách để xử lý công nghệ, sau đó dầu được đưa đến các bình chứa lắp đặt trên các giàn khoan. Để vận chuyển dầu từ bình chứa này đến giàn công nghệ trung tâm số 2 và 3 hoặc được bơm trực tiếp ra các tàu chứa, người ta sử dụng các thiết bị để vận chuyển. Một trong những phương pháp vận chuyển dầu được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp dầu khí là phương pháp vận chuyển bằng đường ống, bởi vì so với các phương pháp khác thì phương pháp này có ưu điểm: kết cấu đơn giản, an toàn khi sử dụng và ít ảnh hưởng đến các công trình trên bề mặt. Khi vận chuyển dầu bằng đường ống, vấn đề đặt ra là phải duy trì được năng lượng dòng chảy luôn luôn lớn hơn tổng tổn thất năng lượng trên suốt chiều dài của đường ống bao gồm tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ. Để đảm bảo quá trình khai thác dầu trên các giàn khoan được liên tục, tránh tình trạng dầu khai thác lên ứ đọng tại các bình chứa làm ảnh hưởng đến công tác khai thác, chúng ta phải lựa chọn máy bơm hợp lý, máy bơm sử dụng để vận chuyển dầu có những đặc điểm riêng so với các loại bơm trong các ngành công nghiệp khác và phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Bơm làm việc có lưu lượng lớn. - Cột áp của bơm đảm bảo. - Hiệu suất của bơm cao. - Bơm làm việc ổn định lâu dài. - Máy bơm vận chuyển chất lỏng có độ nhớt cao. - Dễ vận hành và sửa chữa. Trong công tác vận chuyển dầu khí, người ta thường sử dụng máy bơm ly tâm vì so với các loại máy bơm khác máy bơm ly tâm có những ưu điếm sau: - Đường đặc tính của bơm phù hợp với yêu cầu thay đổi của mạng đường ống dẫn và những điều kiện vận hành riêng biệt. - Bơm có phạm vi sử dụng lớn và năng suất cao: + Cột áp của bơm từ 10 đến hàng nghìn mét cột nước. + Lưu lượng bơm từ 2 đến 7.000 m3/h. + Công suất từ 1 đến 6.000 kW. + Số vòng quay từ 730 đến 6000 vòng/ phút. Phần lớn số vòng quay của trục bơm ly tâm tương ứng phù hợp với số vòng quay của động cơ điện tiêu chuẩn nên không cần phải có các bộ phận truyền động trung gian. + Hiệu suất tương đối cao. + Hiệu quả kinh tế cao. 1.2. Tính chất hóa lý của dầu thô của mỏ Bạch Hổ Tính chất hóa lý của dầu thô có ảnh hưởng tới chế độ làm việc cũng như độ bền của bơm. Nếu chất lỏng có tính axit sẽ gây nên hiện tượng ăn mòn hóa học ở các chi tiết của bơm. Với chất lỏng vận chuyển là dầu thô do đó ta cần phải biết được các tính chất của nó. Dưới đây là tính chất của dầu thô ở mỏ Bạch Hổ: Nhiệt độ đông đặc của dầu Đối với dầu thô ở mỏ Bạch Hổ có nhiệt độ đông đặc khoảng 29 ÷ 34oC, hàm lượng parafin 20 ÷ 25%.Trong đó, nhiệt độ môi trường khoảng 23 ÷ 24oC, điều này gây khó khăn cho việc vận chuyển. Độ nhớt Độ nhớt là một yếu tố rất quan trọng, nó thể hiện bản chất của chất lỏng. Trong dòng chảy luôn tồn tại các lớp chất lỏng khác nhau về vận tốc, các lớp này có tác dụng tương hỗ các lớp kia theo phương tiếp tuyến của chúng. Lực này có tác dụng làm giảm tốc độ của các lớp chảy chậm ( gọi là lực ma sát). Kết quả thực nghiệm xác định độ nhớt của dầu mỏ ở mỏ Bạch Hổ trong Bảng 1 như sau: Bảng 1.1: Kết quả thực nghiệm xác định độ nhớt của dầu ở mỏ Bạch Hổ t > 61oC  μ = 0,06.e-0,01t   38oC < t < 61oC  μ = 0,03.e-0,04t   30oC< t < 38oC  μ = 3,47.e-0,88t   t < 30oC  μ = 10,2.e-0,16t   Tỉ trọng Tỉ trọng dầu phụ thuộc nhiều vào độ nhớt và thành phần dầu. Trong suốt quá trình vận chuyển dầu, nhiệt độ thay đổi dọc theo đường ống làm tỷ trọng cũng thay đổi theo. Tỷ trọng dầu ở mỏ Bạch Hổ ở 20oC là P20= 840 ( kg/m3). Thành phần Dầu thô ở mỏ Bạch Hổ có hàm lượng lưu huỳnh khá thấp ( nhỏ hơn 0,1%). Tuy nhiên, hàm lượng parafin khá cao khoảng 25%. Thành phần parafin khá đa dạng bao gồm nhiều phần tử parafin có chiều dài mạch cacbon khác nhau. Dầu thô ở mỏ Bạch Hổ phần lớn parafin có mạch cacbon dài, nhiệt độ bắt đầu kết tinh khá cao khoảng 48oC. Do thành phần đa dạng nên nhiệt độ kết tinh parafin không xác định. Các parafin mạch dài kết tinh trước, các parafin mạch ngắn kết tinh sau ở nhiệt độ thấp hơn do đó, các parafin kết tinh ở các nhiệt độ khác nhau. Qua nghiên cứu cho thấy hàm lượng parafin kết tinh lớn nhất trong khoảng 38 ÷ 43oC. Sự phân tách các parafin trong quá trình vận chuyển dầu ảnh hưởng tới các thông số khác như là: nhiệt độ, độ nhớt… 1.3. Các loại bơm ly tâm dùng trong vận chuyển dầu ở mỏ Bạch Hổ Công tác vận chuyển dầu tại XNLDDK (Vietsovpetro) chủ yếu dùng máy bơm ly tâm.Tùy theo sản lượng khai thác và vị trí công nghệ của từng giàn trong hệ thống khai thác của toàn mỏ, mà sử dụng chủng loại và số lượng bơm ly tâm khác nhau. Hiện nay trên các giàn tại XNLDDK (Vietsovpetro ) đang được sử dụng các chủng loại bơm như sau: 1. Máy bơm ly tâm НПС 65 ÷35-500 Là tổ hợp bơm dầu ly tâm kiểu nằm ngang, nhiều tầng, trục bơm được làm kín bằng dây salnhic mềm hoặc bộ làm kín kiểu mặt đầu. Bơm НПС 65÷35 - 500 được sử dụng để bơm dầu thô, các loại khí hyđrocacbon hóa lỏng, các sản phẩm dầu khí ở nhiệt độ từ -800 C đến 2000 C và các loại chất lỏng khác có tính chất lý hóa tương tự. Các chất lỏng này không được chứa các tạp chất cơ học có kích thước lớn hơn 0,2 mm 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= 160 KW , U=380V, tần số 50Hz và các thiết bị bảo vệ, làm mát, làm kín khác theo đúng yêu cầu, qui phạm lắp đặt vận hành chúng. Một số thông số và đặc tính kỹ thuật như sau: + Lưu lượng định mức ( m3/h ): (65÷ 35). + Cột áp ( mét cột chất lỏng ): 500 + Tần số quay ( vg/phút ) :2950 + Cột áp hút chân không ( mét cột chất lỏng ) : 4,2 + Áp suất đầu vào không lớn hơn MПa ( kG/cm2 ): - Với kiểu làm kín mặt đầu: 2,5 (25). - Làm kín bằng salnhíc dây quấn: • Kiểu CГ: 1,0 (10). • Kiểu CO: 0,5 (5) + Công suất thủy lực yêu cầu của bơm ( kW ): 132. + Trọng lượng của bơm ( kg ): 1220. + Công suất của động cơ điện ( kW ): 160. + Điện áp ( V ): 380. + Tần số dòng điện ( Hz ): 50. + Hiệu suất làm việc hữu ích: 59%. 2. Bơm ly tâm НПС 40-400: Là tổ hợp bơm cùng chủng loại kết cấu như bơm НПС 65/35-500, chỉ khác đường kính ngoài của các bánh công tác của nó nhỏ hơn, Q, H cũng nhỏ hơn. 3. Máy bơm ly tâm SULZER - ký hiệu MSD–D-4 - 8-10.5B: Là loại bơm ly tâm có 5 cấp, nằm ngang trong đó bánh công tác thứ nhất là loại có 2 cửa hút, 4 bánh công tác còn lại là loại có 1 cửa hút được lắp làm 2 cặp 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 5 khoang chứa các bánh công tác và giữ vai trò của các bánh hướng dòng. Phía dưới có ống giảm áp nối từ khoang chứa đệm làm kín phía áp suất cao về khoang cửa hút cấp 1 của bơm. Trục bơm được làm kín bằng đệm làm kín mặt đầu dạng kép. Có nhiệt độ làm việc với loại chất lỏng có nhiệt độ nhỏ hơn 160o C. Đệm được làm mát bằng dầu thủy lực Tellus 46 qua hệ thống tuần hoàn kín. 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 cột chất lỏng ): 400. + Hiệu suất hữu ích: 74%. + Công suất thủy lực của bơm ( kW ): 147. + Cột áp dự trữ xâm thực ( m cột chất lỏng ): 2,1 + Công suất động cơ điện ( kW ): 185. + Số vòng quay ( vg/ph ): 2969. + Điện áp ( V ): 380. + Tần số ( Hz ): 50. + Chiều dài khớp nối ( mm ): 180. + Trọng lượng của tổ hợp ( kg ): 3940. 4. Máy bơm ly tâm НК -200/120: Là loại máy bơm ly tâm dùng để bơm dầu, khí hóa lỏng, dung dịch hữu cơ và các chất lỏng khác có tỷ trọng không quá 1050 kg/m3, độ nhớt động đến 6.10- 4 m2/s. Các chất lỏng công này không được chứa các tạp chất cơ học có kích thước lớn hơn 0,2mm và hàm lượng không lớn hơn 0,2%, nhiệt độ làm việc trong khoảng -800 C đến 4000 C. Tổ hợp gồm động cơ điện và bơm được lắp trên cùng một khung dầm và được liên kết với nhau bằng khớp nối răng. Bơm này thuộc chủng loại bơm ly tâm 1 tầng, dạng công xôn, 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 thực hiện bằng đệm làm kín Salnhic dây quấn СГ hoặc СО và bộ làm kín kiểu mặt đầu БО. Các thông số đặc tính kỹ thuật như sau: + Lưu lượng bơm ( m3/h ): 200 + Cột áp định mức ( m cột chất lỏng ): 120 + Hiệu suất hữu ích ( % ): 67 + Cột áp dự trữ xâm thực ( m cột chất lỏng ): 4,8 + Công suất động cơ điện ( kW ): 100 + Số vòng quay (vg/ph ): 2950 + Điện áp ( V ): 380 + Tần số dòng điện ( Hz ): 50. 5. Máy bơm ly tâm ЦНС 105/294: Là tổ hợp bơm ly tâm kiểu nằm ngang, nhiều tầng công tác. Nó được dùng vận chuyển dầu bão hòa khí, dầu thương phẩm lẫn nước có nhiệt độ từ 10 C – 450 C hoặc dùng để bơm nước trong các hệ thống công nghệ. Các chất lỏng bơm dùng cho bơm ЦНС 105/294 cần đảm bảo các yêu cầu sau: Tỷ trọng không lớn quá 1060 kg/m3, độ nhớt động không lớn quá 2,5.10-4 m2/s, tạp chất cơ học có kích thước không lớn quá 0,2 mm và hàm lượng không lớn quá 0,2% trọng lượng. Tổ hợp bao gồm động cơ điện và bơm được liên kết với nhau thông qua khớp nối mặt bích có phần moay ơ gắn theo ở hai đầu trục, hai bích được nối với nhau bằng các bu lông có lót ống đệm cao su giảm chấn. Đây là loại bơm có từ 2 đến 10 cấp bánh công tác, có cửa vào cùng chiều, do đó để cân bằng lực dọc trục tác dụng lên bánh công tác bơm được bố trí ổ đỡ thủy lực ở đầu trục phía đầu cao áp với đường kính phù hợp với số cấp bánh công tác của bơm. Các thông số đặc tính kỹ thuật của bơm như sau: + Lưu lượng bơm ( m3/h ): 105 + Cột áp định mức ( m cột chất lỏng ): 294 + Hiệu suất hữu ích ( % ): 68 + Công suất động cơ điện ( kW ): 160 + Số vòng quay (vg/ph ): 2950 + Điện áp ( V ): 380 + Tần số dòng điện ( Hz ): 50. Ngoài các loại bơm thông dụng đã nêu trên, trên một số giàn tùy thuộc vào vị trí công nghệ của giàn nằm trong hệ thống mạng bơm, được lắp thêm một số chủng loại bơm ly tâm khác nhằm tăng cường cho công tác vận chuyển trong những trường hợp cần thiết. Như loại bơm R360/150GM-3, R250/38M-1, hoặc đôi khi trong những trường hợp cần thiết các loại bơm thể tích như 9МГр, ЩА-320, ЩА-400, УЦН-700, cũng có thể tham gia vào công tác vận chuyển dầu trên các công trình biển. Việc bố trí, lắp đặt các trạm bơm trên các dàn cố định hoặc các dàn 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 khu mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng. Các chủng loại và số lượng bơm được lắp đặt trên các giàn như sau: 1. Giàn МСП-1: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 2 + Máy bơm HK 200/120 - Số lượng: 2 + Máy bơm SULZER MSD-D-4-8-10-5B -Số lượng: 2 2. Giàn ЦТК- 2: + Máy bơm SULZER MSD-D-4-8-10-5B -Số lượng: 8 + Máy bơm R360/150CM-3 -Số luợng: 5 + Máy bơm R250/38CM-1 - Số lượng: 2 3. Giàn МСП- 3: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 1 + Máy bơm НПС 40-400 - Số lượng: 2 4. Giàn MСП 4: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 4 5. Giàn 5: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 3 6. Giàn МСП 6: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 2 + Máy НПС 40-400 - Số lượng: 2 7. Giàn 7: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 3 8. Giàn 8: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 2 + Máy bơm SULZER MSD-D-4-8-10-5B -Số lượng: 2 + Máy bơm HK- 200/120 - Số lượng: 2 9. Giàn 9: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 2 + Máy bơm SULZER MSD-D-4-8-10-5B - Số lượng: 2 10. Giàn 10: + Máy bơm НПС- 65/35-500 - Số lượng: 3 + Máy bơm НПС- 40/400 - Số lượng: 1 11. Giàn 11: + Máy bơm НПС- 65/35-500 - Số lượng: 4 12. Giàn РП-1: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 4 13. Giàn РП-2: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 4 14. Giàn РП -3: + Máy bơm НПС 65/35-500 - Số lượng: 5 15. Giàn ЦТК-3: + Máy bơm SULZER MSD 4-6-10-5B C/7stage - Số lượng: 5 + Máy bơm SULZER type 4x6 17B(100-431) Cap-8/1 stage - Số lượng: 5 Số lượng bơm từng chủng loại là: + Máy bơm НПС 65/35-500 và НПС 40-400 - Số lượng: 41 cái + Máy bơm Sulzer - Số lượng: 24 cái + Máy bơm HK - Số lượng: 4 cái + Máy bơm R360/150CM - Số lượng: 7 cái Tổng số: 76 cái 1.4: Những kết quả thu được và những tồn tại khi xử dụng bơm ở XN Theo thống kê trên, số lượng máy bơm НПС 65/35-500 và НПС 40-400 chiếm một tỷ lệ khá lớn trong công tác vận chuyển dầu 41/76 bơm. Và trong thực tế vẫn dùng bơm НПС và bơm Sulzer để vận chuyển dầu là chủ yếu. Đây là 2 loại bơm ly tâm có nhiều ưu điểm. Kết cấu bền vững, độ tin cậy cao, lưu lượng, cột áp và hiệu suất hữu ích lớn. Công tác vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa không phức tạp, giải điều chỉnh rộng. Chủng loại bơm này do cách bố trí các bánh công tác thành 2 nhóm có cửa vào của mỗi nhóm ngược chiều nhau. Do đó làm giảm đáng kể lực dọc trục tác dụng lên bánh công tác, tải trọng lên các ổ đỡ giảm, do đó tuổi thọ của chúng tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên do bơm làm việc ở chế độ vận tốc góc tương đối lớn ( khoảng 3000 vg/ph ) nên việc lắp đặt, điều chỉnh đòi hỏi độ chính xác cao. Ngoài ra do lưu lượng tương đối lớn nên việc đưa máy vào chế độ làm việc đòi hỏi phải nắm vững và tuân thủ đúng yêu cầu kỹ thuật vận hành để tránh quá tải cho động cơ điện. Công việc vận chuyển dầu đòi hỏi phải đưa một lượng lớn sản phẩm khai thácdầu khí từ các dàn cố định và dàn nhẹ đến các điểm tiếp nhận là các tầu 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 máy 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 chúng. Trong việc bố trí, phối hợp giữa các bơm ly tâm trên cùng một trạm bơm ta có thể lắp đặt chúng theo nhiều cách. Theo cách đặt các bơm theo kiểu song song với mục đích làm tăng lưu lượng của trạm. Theo cách này, mặc dù đường ra của bơm ly tâm đều có van một chiều nhưng vẫn phải đòi hỏi các bơm trong hệ thống phải có 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 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 cấp 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 hai kiểu kết hợp trên cùng một trạm. Trong thực tế trên các giàn cố định, các trạm bơm dầu được xây dựng theo kiểu mắc song song do các chủng loại bơm ly tâm đã được lựa chọn đảm bảo đủ lưu lượng để có thể vận chuyển được dầu thô đến vị trí tiếp nhận. Tùy theo vị trí công nghệ và sản lượng khai thác của mỗi giàn mà sử dụng số lượng bơm trên mỗi giàn là 3,4 hoặc hàng chục như ЦТК -2 ( 15 bơm ). Từ việc xem xét những đặc điểm trong công tác vận chuyển dầu của XNLDDK ( Vietsovpetro) chúng ta có thể đề ra những yêu cầu cơ bản cho việc tính toán thiết kế trạm bơm dầu trên dàn 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 trong hệ thống chung của toàn mỏ. Hiện nay, tại vùng mỏ Bạch Hổ sử dụng phổ biến các loại bơm ly tâm yêu cầu cột áp lớn và lưu lượng vừa phải để vận chuyển dầu cho các mỏ ở xa các trạm rót dầu như: HIIC 65/35-500 và bơm SULZER MSD-D-4-8-10.5B. Đây là hai loại bơm làm việc có hiệu quả cao và có nhiều ưu điểm trong công tác vận chuyển dầu. Loại bơm không yêu cầu cột áp lớn mà yêu cầu lưu lượng bơm phải cao, dùng vận chuyển dầu với lưu lượng lớn tại các điểm tiếp nhận tới các trạm rót dầu cách đó không xa thì dùng các loại bơm như: 9MJQ, HIIC 4/400, NK-200/700… Qua nhận xét trên, chúng ta thấy việc vận chuyển dầu từ các giàn với lưu lượng vừa phải, cột áp lớn và xa trạm rót dầu thì thường dùng hai loại bơm: HIIC 65/35-500 và bơm SULZER MSD-D-4-8-10.5B. Do đó, việc nghiên cứu và nâng cao hiệu quả sử dụng của bơm SULZER là rất cần thiết.