Вопрос экономии энергии при проектировании трубопроводов при одновременном обеспечении всех требований промышленной безопасности и надежности приобретает в наше время все большую актуальность. Одним из ведущих потребителей энергии при эксплуатации промышленных предприятий и трубопроводов является насосное оборудование.

 

Правильный и экономичный подбор насосов, их исполнения в зависимости от требуемых режимов перекачки транспортируемых продуктов всегда являлся одной из основных задач монтажного проектирования. Уже давно практикуются такие методы оптимизации подбора насоса и уменьшения затрат энергии на перекачку, как подрезка (обточка) рабочего колеса центробежных насосов, а также регулирование угла поворота лопастей осевых и диагональных насосов. В последнее время также все большее распространение получает такой прогрессивный метод, как автоматическое частотное регулирование скорости вращения электродвигателей насосов.

 

Облегчить и упростить работу специалиста-проектировщика по эффективному подбору насосов, выбору методов и параметров оптимизации их работы в трубопроводных системах могло бы соответствующее современное программное обеспечение. В идеале такие программы должны уметь производить гидравлический и тепловой расчет различных режимов работы сложных систем трубопроводов совместно с насосным оборудованием; выбирать подходящие насосы на основе полного набора их характеристик (зависимости напора, КПД, кавитационного запаса и потребляемой мощности от подачи) и других параметров из баз данных насосов заводов-изготовителей; предлагать на выбор проектировщику различные варианты насосов и методов оптимизации их работы, с рассчитанными для них характеристиками (КПД, потребляемая мощность, приведенные затраты по эксплуатации и т. д.). Разумеется, такие программы должны уметь автоматически пересчитывать характеристики насоса по законам подобия для различных продуктов, режимов перекачки и скоростей вращения, учитывать поправку на вязкость (для высоковязких продуктов), снижение к.п.д. при понижении скорости вращения и другие эффекты в зависимости от конструкции и характеристик насоса. Таким образом, необходим инструментарий, сочетающий мощные возможности теплогидравлического расчета сложных трубопроводов, с профессиональной системой ведения баз данных, расчета и моделирования работы насосов.

 

Разработанная ООО «НТП Трубопровод» и получившая широкое распространение и популярность на рынке России, Белоруссии, Казахстана и Украины программа «Гидросистема» обеспечивает решение первой части задачи. Однако, что касается программного обеспечения для ведения баз данных и моделирования работы насосов, подобное ПО пока не получило заметного распространения и развития на отечественном рынке (хотя в советское время подобные системы существовали и использовались). В связи с этим НТП «Трубопровод» решило предложить рынку программное решение на основе интеграции программы «Гидросистема» с одним из лучших зарубежных (но адаптированных к условиям России!) программных комплексов по ведению БД и подбору насосов — системе Spaix 4 Pumps фирмы VSX — VOGEL SOFTWARE (ФРГ).

 

Заключив с компанией-разработчиком системы Spaix корпоративное и дистрибьюторское соглашение, ООО «НТП Трубопровод» получило право распространять в России, Белоруссии и Казахстане программные решения системы и разработанные БД отечественных насосов, в том числе в интеграции с программой «Гидросистема» (рис. 1). Базовую часть программы выбора насосов (Spaix 4 Pumps Pure) и основные БД насосов планируется поставлять в составе дистрибутива Гидросистемы без дополнительной оплаты.

 

 

При этом ООО «НТП Трубопровод» совместно с компанией VSX — VOGEL SOFTWARE GmbH предлагает комплекс дополняющих друг друга программных продуктов и услуг по оптимальному выбору центробежных насосов как для производителей насосного оборудования и их дилеров, так и для широкого круга специалистов-проектировщиков.

Предлагаемые программные продукты и услуги включают:

• программу оптимального подбора насосов Spaix 4 Pumps Desktop как для внутрикорпоративного использования, так и (в случае производителей насосов) для совместной работы с заказчиками и дилерами и/или передачи им;

• программу ведения базы данных насосов в системе Spaix 4 Database Desktop;

• программу «Гидросистема» для теплового и гидравлического расчета трубопроводных систем;

• услуги по подготовке базы данных насосов конкретных серий для системы Spaix 4 по заказу заинтересованных изготовителей, дилеров или проектных организаций;

• распространение баз данных насосов конкретных серий вместе с программами Spaix 4 Pumps Pure и «Гидросистема» для широкого круга пользователей программы «Гидросистема»;

• услуги для проектных организаций по оптимальному подбору насосов совместно с гидравлическим расчетом трубопроводов.

Программа Spaix 4 Pumps Desktop (вариант Pure) обеспечивает как ручной, так и автоматизированный выбор из базы данных насоса с оптимальной конфигурацией на основе требуемых величин подачи и напора, данных по области применения, перекачиваемому продукту, а также заданных пользователем ограничений и критериев подбора. Выбор производится на основе детальных комбинированных диаграмм насосов, описывающих зависимость подачи, к.п.д., кавитационного запаса и потребляемой мощности от расхода для различных исполнений по рабочему колесу и частоте вращения. При этом программа автоматически выполняет пересчет характеристик насоса по вязкости для высоковязких продуктов. Программа предлагает также варианты оптимальной подрезки рабочего колеса, регулирования частоты вращения, угла наклона лопаток (для осевых и диагональных насосов) и другие способы уменьшения затрат энергии на перекачку как для одно-, так и для многоступенчатых насосов, рассчитывает потребляемую мощность и другие характеристики выбранной конфигурации. Результаты выбора наглядно показываются на диаграмме характеристик насоса (рис. 2). 

 

 

Программа может также (при наличии соответствующих данных в БД) подбирать комплектующий электродвигатель по требуемой мощности на валу, частоте, взрывозащищенности и другим параметрам. Для выбранного насоса формируется опросный лист или иной выходной документ, формат которого может гибко настраиваться.

 

Полная версия Spaix 4 Pumps Desktop позволяет изготовителям насосов и их дилерам полностью комплектовать насосный агрегат (включая подбор уплотнения, соединительной муфты, фундаментной плиты и т. д.) и выпускать необходимые документы. Имеются также дополнительные специальные модули для выбора дополнительных комплектующих или специальных типов насосов (например, насосов с приводом через магнитную муфту). Наряду с версией Desktop для операционной системы Windows доступны также версии для мобильных устройств и для работы через Web-интерфейс.

Программа поставляется с русским пользовательским интерфейсом (сейчас выполняется его «шлифовка» и разрабатывается документация по программе на русском языке).

 

Программа развивалась фирмой VSX — VOGEL SOFTWARE GmbH более 20 лет и эксплуатируется в ведущих фирмах-изготовителях насосного оборудования и инженерных компаниях, в том числе KSB, SULZER, Sundyne, BASF, Bayer, Uhde, Wilo, Группе ГМС и многих других.

Программа Spaix Database Desktop позволяет быстро и эффективно создавать и редактировать базу данных насосов, комплектующих электродвигателей, других составных частей насосных агрегатов, задавать условия и ограничения их применения, определять допустимые методы оптимизации работы насоса и особенности их применения. Удобный инструментарий позволяет задавать кривые насосов как путем ввода или импорта данных в табличной форме, так и оцифровкой диаграмм насосов, представленных в растровом графическом формате (например, отсканированных диаграмм на бумаге). Можно вводить чертежи и габаритные размеры, определять вид и формат опросных листов и других выходных документов. Гибкая структура БД позволяет задавать информацию для подбора насосов с различной степенью детальности в зависимости от политики изготовителя.

Программа «Гидросистема» предназначена для проведения тепловых и гидравлических расчетов, а также выбора диаметров трубопроводов, перекачивающих жидкие или газообразные продукты, а также газожидкостные смеси.
 

«Гидросистема» — программа широкого применения, которая может использоваться при проектировании и реконструкции объектов в энергетике, нефтеперерабатывающей и нефтехимической, газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности, для расчета технологических, магистральных трубопроводов, тепловых, газораспределительных и других инженерных сетей. Программа позволяет рассчитывать надземные, подземные и комбинированные трубопроводные системы произвольной сложности (в том числе с кольцевыми участками). Результаты расчета помогают правильно выбрать насосы, компрессоры, регулирующие и предохранительные клапаны, обеспечить работоспособность трубопроводных систем и оптимизировать капитальные затраты. Программа развивалась более 30 лет с учетом опыта эксплуатации в десятках фирм России и СНГ.

В зависимости от задаваемых исходных данных и лицензированных модулей программа может проводить расчет изотермического течения или совместный тепловой и гидравлический расчет установившегося течения (включая поверочный расчет, расчет пропускной способности трубопровода, обратный поверочный расчет против потока и различные их комбинации) для течения жидкостей, реальных газов, а также двухфазных газожидкостных потоков, выполнять выбор диаметров ветвей, а также рассчитывать переходные процессы (гидроудар) в трубопроводах, транспортирующих жидкость. Для течения газов и двухфазных смесей учитывается также возможность критического истечения.

 

При совместном тепловом и гидравлическом расчете могут быть заданы и учтены изменяющиеся по ходу трубопровода условия окружающей среды, материал стенки, расположение (на улице, в помещении, под землей в канале или в грунте, в туннеле), материал и толщина изоляции, материал покровного слоя. В программу включена база данных материалов тепловой изоляции и инструменты ее пополнения и корректировки пользователем.

При расчете газожидкостных потоков определяются режимы двухфазного течения, истинное объемное газосодержание, параметры течения каждой из фаз. Программа самостоятельно отслеживает переход двухфазного течения в однофазное и наоборот. Пользователь может гибко управлять использованием программой различных расчетных методик для расчета двухфазного течения.

 

Модуль расчета гидроудара позволяет проводить расчет переходных процессов (гидравлического удара) в произвольных трубопроводах, транспортирующих жидкие продукты, вызванных событиями закрытия и открытия арматуры, останова и запуска насосов, и различными их сочетаниями. Модуль позволяет пользователю понять характер переходного процесса и оценить опасность возможного разрушения трубопровода и возникновения кавитации. Начальное установившее течение рассчитывается с помощью расчета изотермического течения (поверочного или проектного) или теплогидравлического расчета. Определяются и выводятся в динамике (в том числе на расчетной схеме трубопровода) давления, напоры, расходы и скорости продукта, а также максимальные и минимальные значения давления за рассчитанное время.

 

Программа позволяет задавать состав транспортируемого продукта и автоматически рассчитывает необходимые теплофизические свойства и фазовое равновесие по поставляемым вместе с программой термодинамическим библиотекам:

• Библиотека СТАРС, предназначенная для расчета теплофизических свойств индивидуальных веществ, нефтяных фракций, их смесей. База данных программы содержит свыше 1600 веществ. СТАРС позволяет автоматически проводить расчет фазового равновесия и проверку агрегатного состояния продукта.

• Модуль WaterSteamPro уточненного расчета теплофизических свойств воды и водяного пара по международной методике IAPWS-IF97, который позволяет повысить точность расчета водо- и паропроводов (рекомендован РАО ЕЭС для использования в энергетике).

• Модуль GERG-2008 позволяет рассчитывать по одному из самых точных на сегодня уравнений состояния теплофизические свойства и фазовое равновесие природных газов в широкой области температур и давлений, включая сжиженные природные газы.

• Для расчета теплофизических свойств и фазового равновесия программа может использовать также поставляемую отдельно мощную термодинамическую библиотеку Simulis Thermodynamics фирмы ProSim, позволяющую рассчитывать широчайший круг продуктов химических, нефтехимических, газовых, фармацевтических и других производств.

Пользовательский интерфейс «Гидросистемы» прост и интуитивно понятен. Графическое окно программы обеспечивает наглядное отображение расчетной схемы трубопровода. В программе использован интеллектуальный алгоритм, оптимизирующий расположение отдельных элементов для минимизации наложений и пересечений. Схема может быть представлена в 3D или в любой проекции, для удобства ее чтения и анализа можно также регулировать степень детальности представления элементов. Поддерживается специальный режим ввода и отображения расчетной схемы с привязкой к фоновому растровому изображению, например, к карте населенного пункта или плану завода, что особенно удобно при проведении расчетов наружных инженерных сетей (рис. 3). При этом пользователь может вручную перемещать узлы расчетной схемы, а программа сама определяет длины участков в соответствии с масштабом карты. 

 

 

 Программа рассчитывает для каждого элемента трубопровода скорость перекачиваемого продукта, потери давления на трение и местные сопротивления, свойства продукта, кавитационный запас и другие параметры. Точность расчета обеспечивается за счет автоматического пересчета свойств продукта и режимов течения на каждом участке, а также детального расчета прямых труб и местных сопротивлений с учетом режима течения в соответствии со справочниками Идельчика, Миллера, и современными методами расчета многофазных течений. Результаты расчета можно отобразить на расчетной схеме (рис. 4) в виде цветового выделения, наглядно показывающего элементы, ответственные за наибольшие гидравлические потери. Программа автоматически строит в MS Excel пьезометрические графики, а также графики изменений параметров по времени при расчете гидроудара.

Для распечатки исходных данных и результатов расчета в программу встроен генератор отчетов, позволяющий как вывести отчеты сразу на печать, так и предварительно просмотреть их, а также сохранить отчеты в файлы разных форматов для их последующего включения в другие документы. Пользователи могут настроить формат отчетов с помощью встроенного в программу модуля редактирования шаблонов.

 

В результате интеграции программ «Гидросистема» и Spaix рассчитанные в «Гидросистеме» теплофизические свойства продукта и параметры режимов работы смогут использоваться в Spaix при выборе насосов, а характеристики выбранных в Spaix насосов — при выполнении полного поверочного расчета трубопровода в «Гидросистеме». Тем самым будет обеспечена комплексная оптимизация при выборе насосов и параметров трубопровода.

Приглашаем все заинтересованные организации к сотрудничеству в деле создания и внедрения современных инструментов для эффективного выбора насосов и в конечном итоге повышения надежности, безопасности и экономичности трубопроводов и промышленных установок!

Москва, ноябрь 2014 года