книги / Транспортировка нефти, нефтепродуктов и газа

Изменение числа оборотов с приводом от асинхронныхэлектродви­ гателей. При применении в качестве привода насоса асинхронного электродвигателя число оборотов можно изменять следующими способами:

—изменением частоты тока, при этом требуется установка специальных преобразователей частоты тока:

—изменением числа полюсов двигателя, что требует слож­ ных схем переключения полюсов и применяется редко;

—применением механических редукторов или коробок передач, что, как было сказано выше, приводит к ступенчатому изменению числа оборотов, а это нежелательно;

—применением гидравлических муфт, регулирование при этом возможно плавное и автоматическое, но устройство гидро­ муфт довольно сложное;

—применением электромагнитных муфт, регулирование оборотов при этом возможно плавное и автоматическое, устойчиво

вработе, поэтому находит широкое применение.

Регулирование производительности путем переключения режима работы насосов. Данный способ заключается в переключении основных насосов центробежного типа с параллельного включе­ ния на последовательное, или наоборот. Схемы работы насосов в этих режимах показаны на рис. 3.24 и 3.25.

При последовательном включении насосов складываются напоры насосов, в результате суммарная характеристика насосов перемещается вверх по оси ординат. В этом случае точка пересе­ чения характеристик трубопровода и насосов смещается вправо и увеличиваются производительность перекачки и напор.

При параллельном включении насосов складываются произ­ водительности характеристик насосов при неизменном напоре, в результате суммарная характеристика насосов становится положе.

сс

Рис. 3.24. График суммарной характеристики насосов,

соединенных последовательно

162

Рис. 3.25. График построения суммарнойхарактеристики двух насосов, соединенныхпараллельно

В этом случае точка пересечения характеристик трубопровода и насосов смещается вправо и увеличивается производительность перекачки, но снижается напор.

Применение байпасной (перепускной) линии. Способ регули­ рования производительности осуществляется путем перепус­ ка части жидкости с нагнетания насоса на всасывание через байпасную линию с задвижкой. Способ простой в обращении, но не экономичен, так как затраты мощности остаются преж­ ними.

Изменение давления на выходе из НПС (способ дросселирования потока). Этот способ осуществляется применением специальных редукционных клапанов, которые устанавливаются на нагнета­ тельном трубопроводе насосов НПС. Простейшее регулирование этим способом можно осуществлять частичным закрытиемоткрытием задвижки на нагнетательной линии насосов. Способ дросселирования на практике широко применяется, так как является наиболее рациональным и может осуществляться в ав­ томатическом режиме.

Контрольные вопросы для проверки знаний

1.Назначение лупингов и вставок большего диаметра на маги­ стральном трубопроводе.

2.Способ регулирования режима перекачки методом измене­ ния диаметров колес центробежных насосов.

3.Способ регулирования режима перекачки методом измене­ ния числа оборотов насоса с приводом насоса от синхронного электродвигателя.

163

Раздел 4. РАСЧЕТ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА

4.1. Основные определения и свойства газов

ата — единица измерения абсолютного давления Рабс; ати — единица измерения избыточного давления Рюб; am — единица измерения атмосферного давления РйТ.

Газовые смеси. Любой природный газ — это смесь газов. Со­ став смеси может быть выражен в объемных, мольных и массовых долях.

Дросселирование — это процесс изменения состояния газа — его объема и давления. При прохождении газа через задвижки, регулирующие клапаны, сужения газопроводов происходит его резкое расширение. Процесс, при котором происходит необрати­ мое превращение работы, затрачиваемой на изменение давления при движении газа, в теплоту, называется дросселированием.

На компрессорных станциях и газорегулировочных пунктах снижение давления до требуемой величины осуществляется с помощью специального устройства, которое называется дроссе­

лирующим клапаном илирегулятором.

Дросселированием газа в газопроводе можно считать процесс распределения газа по его длине по величине падения давления. Процесс дросселирования газа в газопроводе сопровождается охлаждением газа. Снижение температуры газа при движении его по газопроводу из-за эффекта Джоуля — Томсона можно объяснить следующим образом. Принято считать, что дроссельный процесс энергетически изолирован от внешней среды. В этом случае внутренняя энергия газа остается неизменной. Внутрен­ няя энергия включает в себя кинетическую энергию молекул и потенциальную энергию их взаимодействия. Газ при движении по газопроводу расширяется. В результате увеличивается рассто­ яние между молекулами и, следовательно, возрастает потен­ циальная энергия их взаимного притяжения. Но, поскольку внутренняя энергия, как было сказано, остается неизменной,

165

увеличение потенциальной энергии сопровождается уменьшени­ ем кинетической энергии молекул, то есть снижением температу­ ры газа. Эффект снижения температуры газа при дросселирова­ нии характеризуется коэффициентом Джоуля — Томсона

Количество газа принято определять не по массе, а в объеме, приведенном к стандартным условиям.

Расход газа выражают в единицах массы и в единицах объ­

ема:

—массовыйрасход при отсутствии путевых отборов или под­ качек из магистрального газопровода не изменяется по длине газопровода.

—объемный расход возрастает, так как давление по дли­ не газопровода снижается. Объемный расход на входе в ком­ прессор, то есть при условиях всасывания, называется объем­ ной подачей. Объемный расход, приведенный к стандартным усло­ виям, называется коммерческим. Коммерческий расход, аналогич­ но массовому расходу, по длине газопровода остается неизмен­ ным.

Условия состояния газа

—Стандартные условия — при давлении Р= 0,1013 МПа (1,013 кг/см2) и температуре 7Т=273°К (0°С).

—нормальные условия — при давлении Р= 0,1013 МПа (1,013 кг/см2) и температуре 7’=293°К (20 °С).

Для пересчета параметров, характеризующих состояние газа, на нормальные или стандартные условия применяются следую­ щие формулы:

—При приведении газа к нормальным условиям

где Vo — объем газа при нормальных условиях;

К— объем газа при заданном давлении и температуре в °С: Ро-нормальное давление газа (101,325 кПа);

Pt —давление газа в момент измерения объема при температуре

t°С;

273,16 — нормальная температура в °К;

V2o — объем газа при стандартных условиях, при температуре 273,16 + 20 =293,16°С, давлении Р0.

166

Физические свойства газа

—Плотность газа р зависит от давления и температуры, по­ этому в индексе плотности указываются давление и температура. Если расчеты ведутся при стандартных условиях, то эти данные, как правило, не проставляются. Обратная величина плотности

v= 1/р называется удельным объемом. Врасчетах еще пользуются

относительной плотностью по воздуху А= p/pB(m-

—Вязкость газа — свойство, характеризующее величину внут­ реннего трения и, соответственно, величину сопротивления при его движении в трубопроводе. Вязкость газа в отличие от вязко­ сти нефти увеличивается при повышении температуры. Такое явление можно объяснить понятием динамическая вязкость — rj. Динамическая вязкость газа определяется количеством движения, переносимым молекулами при переходе их из одного слоя в дру­ гой. При увеличении температуры возрастает скорость движения молекул и, следовательно, переносимое количество движения. Поэтому при повышении температуры вязкость газа возрастает. Зависимость динамической вязкости г\ от температуры Т описы­ вается формулой Сётерленда

где г|0—вязкость при 273°К;

С —постоянная величина.

—Теплоемкость (массовая удельная) — это количество тепла, необходимое для нагревания единицы массы газа на один гра­ дус: c= —dq/dT. Теплоемкость зависит от природы газа и от про­ исходящего термодинамического процесса. Так при нагревании газа:

—при изохорическом процессе подводимое тепло q идет на

увеличение внутренней энергии и;

—при постоянном объеме с0 =dq/dT=du/dT,

—при изобарическом подводимое тепло идет также и на со­ вершение работы.

Теплоемкость при постоянном давлении равна

Функция i=u+pv называется энтальпией (теплосодержанием)

газа.

Эффект Джоуля — Томсона — это изменение температуры реального газа при дросселировании.

167

4.2. Законы газового состояния

Воснове физических свойств газов и законов газового состоя­ ния заложена молекулярно-кинетическая теория газов. Большин­ ство законов газового состояния было выведено для идеального состояния газа.

Идеальным газом принято считать такой газ, молекулярные силы которого равны нулю, а объем самих молекул бесконечно мал по сравнению с объемом межмолекулярного пространства.

Реальный газ. Молекулы реальных газов помимо энергии пря­ молинейного движения обладают энергией вращения и колеба­ ния. Они занимают некоторый объем, то есть имеют конечные размеры. Законы для реальных газов несколько отличаются от законов для идеальных газов. Это отклонение тем больше, чем выше давление газов и ниже их температура, оно учитывается введением в соответствующие уравнения поправочного коэффи­ циента сжимаемости.

При транспортировании газов по трубопроводам под высо­ ким давлением коэффициент сжимаемости имеет очень большое значение. Так при давлениях газа в городских газовых сетях до 1 МПа (10 кгс/см2) законы газового состояния для идеального газа достаточно точно отражают свойства природного газа. При более высоких давлениях или низких температурах применяют уравнения, учитывающие объем, занимаемый молекулами, и силы взаимодействия между ними, или вводят в уравнение для идеального газа поправочные коэффициенты, то есть коэффици­ енты сжимаемости газа.

Рассмотрим основные законы газового состояния.

4.2.1. Законы газового состояния для идеального газа

Закон Бойля—Мариотта: «Произведениевеличины объемагазана величинусоответствующегоэтомуобъемудавления газапри постоянной температуре всегда остается постоянной величиной».

Газы изменяют свой объем при изменении давления. Опыт­ ным путем установлено, что если определенное количество газа подвергать различным давлениям, то его объем будет изменяться обратно пропорционально величине давления. Эта зависимость выражается формулой

где Р\ и V\— первоначальные объем и давление газа,

Р2и К2 — объем и давление газа после сжатия (расширения).

168

р

Рис. 4.1. График изобарического (1—а) и изотермического (2—в) процессов

Из формулы (4.6) можно получить следующую математиче­ скую зависимость:

Это означает, что произведение величины объема газа на величину соответствующего этому объему давления газа при по­ стоянной температуре всегда остается постоянной величиной.

Такое заключение имеет большое практическое значение при эксплуатации газопроводов и газового хозяйства. Закон БойляМариотта позволяет определять объем газа при изменении его давления, и наоборот, величину давления при изменении его объема при условии, что температура остается постоянной. За­ висимость изменения давления и объема при постоянной темпе­ ратуре показана на рис. 4.1.

Зависимость между объемом и плотностью выражается фор­ мулами:

где ^и К 2- объемы, занимаемые газом; Р2и Рх— соответствующие объемам давления газа;

Pi ир2— плотности газа, соответствующие объемам.

Из последних формул можно сделать вывод:

— при одной и той же температуре плотности газа прямо про­ порциональнадавлению, подкоторымнаходитсягаз, тоесть чембольше давление — тем больше будет плотность.

П ример. Объем газа при давлении 760 мм рт. ст. итемпературе 0°С составляет 300 м3. Какой объем займетэтот газ при абсолютномдавлении, равном 2280 мм рт. ст., и при той же температуре?

760 мм рт. ст. = 101329 Па= 101,3 кПа;

169

2280 мм рт. ст. = 303 987 Па = 304,0 кПа. Расчетной формулой будет формула (4.6)

V2 = (PXVX)/P2.

Подставляем заданные значения Vh Ph Р2в формулу (1) и получим:

V2 = (101,3 • 300): 304,0=99,7 м3.

Закон Гей-Люссака: «При постоянном давлении с повышением тем­ пературы объем газа увеличивается, а при понижении — уменьшается».

То есть при постоянном давлении объемы одного и того же ко­ личества газа прямо пропорциональны их абсолютным температу­ рам. Математическая зависимость этого соотношения имеет вид

где PJ и V2— объемы газа до и после изменения температуры; Тхи Т2. — соответственно температуры газов, °К.

Из формулы видно, что если нагревать определенный объем газа при постоянном давлении, то объем его увеличится во столь­ ко раз, во сколько раз увеличится температура. Отсюда можно сделать важный вывод:

— «при нагревании газа на 1 градус при постоянном давлении его объемувеличится в 1/273,16раза, то есть на постоянную величину».

Эта постоянная величина называется коэффициентом терми­ ческогорасширения газа и обозначается буквой р.

Тогда закон Гей-Люссака можно сформулировать так:

«Объем данноймассы газа при постоянном давлении естьлинейная

График протекания изобарического процесса показан на рис. 4.1.

Закон Шарля: «При постоянном объеме абсолютное давление не­ изменного количества газа прямо пропорционально его абсолютным температурам».

Закон Шарля выражается математической формулой

170

где PJP2— абсолютные давления, в ата\ r 2/Ti — абсолютные температуры, в К.

Из формулы можно сделать вывод:

— при постоянном объеме давление газа при нагревании увеличи­ вается во столько раз, во сколько раз увеличивается его абсолютная температура.

П ример. При температуре газа, равной 27°С, его давление равно 4 МПа. Каким будет избыточное давление этого газа при температуре газа +47 °С?

Начальная абсолютная температура газа Г, = 27+ 273= 300°К, конечная абсолютная температура газа Т2=47 + 273= 320°К.

Атмосферное давление равно 0,1 МПа, тогда абсолютное давление газа до нагревания будет4 МПа+0,1 МПа=4,1 МПа.

Искомое абсолютное давление газа по формуле (4.15) будет равно

Р2 = (4,1 *320)/300 = 4,37 Мпа.

Следовательно, избыточное давление газа после нагревания будет равно

Л,пб = 4,37-0,1 =4,27 МПа

Закон Авогадро: «Вравных объемахлюбых газов, взятых при одинако­ вых температурах и одинаковом давлении, содержится одинаковое число молекул»,

или «Равное числомолекуллюбых газов занимает один и тот же объем при нормальныхусловиях».

1 грамм-молекула (г-моль) любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. Этот объем называют молярным объемом, или

постоянной Авогадро.

В 1 молелюбого вещества содержится одинаковое число молекул, равное 6,06 • 1023. В системе измерения СИ используется понятие ки­ ломоль, равный 6,06-1026.

1 киломольлюбого газа при нормальныхусловиях(0°Си 1013 кПа) занимает объем 22,4л. Зная эту величину, можноопределитьплотность любого газа по формуле:

Пример. Определить плотность метана при 0°С и 101,3 кПа. Решение: PcluМсп,122А =(12+4)/22,4= 0,71 кг/м3

Уравнение Клапейрона — Менделеева. Если происходит одно­ временное изменение объема, давления и температуры газа, то в этом случае одновременно действуют законы Бойля — Мариотта и Гей-Люссака.

171