книги / Трубопроводный транспорт нефти и газа

вующем профиле перевальная точка может появиться при изменении режима работы нефтепровода: при отключении какой-либо станции или при изменении вязкости перекачиваемой нефти.

Рассмотрим движение нефти за перевальной точкой. В промежутке трассы от перевальной точки до конечного пункта выделим два участка: яЛ длиной 11 и А К длиной / 2 (рис. 4.6). На последнем из них самотечное движение нефти обеспечивается разностью высот точек А и К'. Но = Агл_ к . На участке л А, как видно из чертежа, AZ„_,4;>I7 I

равлический уклон должен быть больше i. Это возможно только в слу­ чае увеличения скорости движения нефти на участке яЛ . Из уравне­ ния сплошности Q = wF видно, что с увеличением скорости живое сечение потока F должно уменьшаться. Следовательно, от переваль­ ной точки до пункта А (см. рис. 4.6) нефть будет течь при частичном

производительно. Пространство, свободное от нефти, будет занято выделившимися из нее парами и растворенными газами. Во избежание разрыва сплошности потока на конечном пункте (или на НПС, куда приходит нефть с перевальной точки) следует поддерживать давление, обеспечивающее некоторый запас напора на перевальной точке. Обычно этот запас принимают равным 10 м.

4.5. ХАРАКТЕРИСТИКА ТРУБОПРОВОДА.^ ХАРАКТЕРИСТИКА НАСОСА И НАСОСНОЙ СТАНЦИИ, СОВМЕЩЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 1

Характеристикой трубопровода называется зависимость потери на­ пора от расхода. Уравнение (4.10) или (4.11) — аналитическое выра­ жение этой зависимости. Характеристика трубопровода изображена

1 Разделы 4.5, 4.6, 4.7 написаны при участии Л М. Беккера.

111

Рис. 4.7. Характерис­ тика трубопровода

на рис. 4.7. Начальная точка характеристики — конец отрезка Az, откладываемого по оси Я вверх, если z2 > z 2 или вниз, если г2<Сг1. Величины V, L и D определяют крутизну характеристики. Чем больше вязкость перекачиваемой жидкости, протяженность трубопровода и чем меньше его диаметр, тем характеристика круче. При расчетах нет нужды вычерчивать характеристику от начальной точки, соот­ ветствующей Q = 0. Вполне достаточно построить характеристику трубопровода по трем или даже двум точкам, находящимся в узком диапазоне расходов, ожидаемых при эксплуатации рассчитываемого трубопровода.

Характеристикой насоса называется зависимость развиваемого им напора Я от подачи Q. Для центробежных насосов, применяемых на магистральных нефтепроводах, характеристики имеют вид полого­ падающих кривых. Участок характеристики, соответствующий наибо­ лее высоким значениям к. п. д.,— рабочая область. Для этой области

Однако, когда бывает необходимо совместно решать уравнения харак­ теристик насоса (насосной станции) и трубопровода, целесообразно вместо (4.12) принять

В формулах (4.12) и (4.13) а и b — постоянные величины, опреде­ ляемые обработкой координат точек, взятых в рабочей области ха­ рактеристики. По смыслу в (4.12) или (4.13) а — напор при Q = 0; коэффициент Ь свидетельствует о крутизне характеристики. В фор­ муле (4.13) величина т та же, что и в формуле Лейбензона для потери напора в трубопроводе.

Характеристики насосов получают опытным путем при работе на воде. При работе на нефти (вязкая жидкость) характеристика Q—Я снижается, становится более крутой. Методику пересчета характери­ стики «с воды на нефть» можно найти в специальных руководствах.

Плотность не влияет на характеристику Q—Я: напор, развивае­ мый насосом, не изменяется при изменении плотности перекачиваемой жидкости.

112

Изменением диаметра колеса насоса D, а также частоты вращения п изменяют характеристику. Известно, что

дочкой обозначены новые, измененные условия. При обточке колес (D* < D ) или при уменьшении частоты вращения (п* < п ) характери­ стика Q—Я снижается.

Характеристика насоса после обточки колеса до диаметра Я* мо­ жет быть получена на основании прежней характеристики при по­ мощи формул (4.14). При этом нельзя перестраивать характеристику, пользуясь лишь одной из этих формул.

Если необходимо, чтобы характеристика насоса проходила через точку с координатами Q+, Я*, находящуюся под характеристикой, соответствующей диаметру колеса D, то диаметр колеса после обточки может быть найден по формуле

Эта формула выводится из (4.12) и (4.14). Входящие в нее а и b — те же, что и в формуле (4.12).

Характеристику группы соединенных между собой насосов (сум­ марную характеристику) получают сложением характеристик насосов, входящих в эту группу. При последовательном соединении склады­ ваются напоры при одинаковых расходах, а при параллельном — рас­ ходы при одинаковых напорах (рис. 4.8). Уравнение суммарной ха­ рактеристики имеет такой же вид, как (4.12) или (4.13).

Теперь перейдем к основному технологическому элементу нефте­ провода, включающему в себя нефтеперекачивающую станцию (НПС) и примыкающий к ней трубопровод (перегон). Для этого элемента характеристикой трубопровода принято считать зависимость напора в начальной точке трубопровода от расхода, а характеристикой нефте-

о б

Рис. 4.8. График построения суммарной характеристики двух насосов, соеди­ ненных последовательно (а) и параллельно (б)

ИЗ

перекачивающей станции — зависимость напора на выходе из блока регуляторов давления от расхода. Выход из блока регуляторов дав­ ления принимают за начальную точку трубопровода (перегона). Ко­ нечной точкой будем считать точку врезки в магистраль всасываю­ щего участка, подводящего нефть к первому насосу следующей станции.

На рис, 4.9, изображающем схему НПС и перегона, указаны гид­

И + Az — потеря напора на трение и преодоление разности геодези­ ческих высот для перегона между станциями; Я ст — напор на выходе из блока регуляторов давления (в начальной точке перегона); Я в —

Напор Я в называют подпором. Этот же термин применяют и для АН. В соответствии с рис. 4.9 и принятыми обозначениями для пере­

Здесь /„ и Аг„ относятся к перевальной точке, а Нп — напор на перевальной точке, гарантирующий сплошность потока. Для пере­ гона между промежуточной НПС и конечным пунктом

потерю напора hK в трубопроводах конечного пункта и высоту уровня Я рез в заполненном резервуаре.

114

Рис. 4.10. Совмещенные характеристики

Формулы (4.17), (4.18) и (4.19) — аналитические выражения ха­ рактеристики трубопровода; в них, за исключением Да и Я„, все сла­ гаемые являются функциями расхода.

Аналитическое выражение характеристики НПС напишем в виде

сосами; определяется по заводским характеристикам Я = Я (Q) (при необходимости пересчитанным «с воды на нефть»).

пора в трубопроводе, соединяющем подпорную насосную с основной. Если на головной НПС подпор Я в создается подпорной насосной, то на промежуточной НПС его источником является предыдущая

станция. И в том, и в другом случае подпор Я в не должен быть меньше допускаемого наименьшего значения Я 5. В противном случае пере­ качка окажется невозможной (кавитация).

Характеристика НПС, построенная в соответствии с формулами (4.20), (4.21) или (4.22), называется полной. Характеристика НПС, построенная при условии, что при всех значениях расхода Я в = Hs, называется исходной. Полная характеристика располагается выше исходной на На—Hs.

Полная характеристика НПС и характеристика трубопровода (примыкающего к НПС перегона), построенная на одном чертеже (рис. 4.10, линии I и //), образуют совмещенную характеристику. Координаты точки пересечения этих характеристик определяют про­ пускную способность системы НПС — перегон и напор на выходе из

115

блока регуляторов давления. На совмещенной характеристике про­

жения этих линий соответствует напорам, допускаемым из условия прочности. Точка пересечения характеристики НПС с линией ограни­ чения давления для коллектора определяет наименьшую пропускную способность, с которой может работать станция. На рис. 4.10, а это точка 1. При меньшем расходе срабатывает защита и станция отклю­ чается. Точка пересечения характеристики НПС с линией ограниче­ ния давления для магистрали (точка 2 на рис. 4.10, а) определяет наименьшую пропускную способность, при которой станция может работать без регуляторов давления. При меньших расходах вклю­ чаются регуляторы, поддерживающие после себя давление на постоян­ ном допускаемом уровне. Таким образом, линия 1—2—3 на рис. 4.10, а представляет собой рабочий участок полной характеристики НПС (ограниченный расходами Qmin и Qmax). а линия 4—2—3 — ра­ бочий участок характеристики (учитывающий действие регуляторов давления). Если линия ограничения давления в магистрали 4—2 проходит ниже точки 3, как это показано на рис. 4.10, б, то макси­ мальный расход будет определяться точкой пересечения этой линии с характеристикой трубопровода. Рабочий участок полной характе­ ристики НПС в этом случае показан линией 1—2, а с учетом работы регуляторов давления— отрезком 4—2. Выражения (4.17), (4.18) и (4.19), представленные на графике в виде характеристики трубопро­ вода, определяют «требуемый напор», т. е. необходимый для реализа­ ции заданного расхода. Разность между напором, определяемым пол­ ной характеристикой НПС, и требуемым напором, называют «свобод­ ным напором». На совмещенной характеристике он изображается вертикальным отрезком между полной характеристикой НГ1С и ха­ рактеристикой трубопровода. Свободный напор полностью передается на следующую станцию, если давление на выходе из НПС меньше или равно допускаемому из условия прочности магистрали. Если линия ограничения давления для магистрали пересекает вертикальный от­ резок, определяющий свободный напор, и, таким образом, делит его на две части, то на следующую НПС передается напор, соответствую­ щий лишь нижней части этого отрезка. Остальная часть свободного напора (верхняя часть отрезка) подлежит дросселированию в блоке регуляторов.

4.в. УРАВНЕНИЯ БАЛАНСА НАПОРОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ|ЧИСЛА НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ

Напор на выходе из нефтеперекачивающей станции и напор в началь­ ной точке трубопровода (перегона между станциями) равны друг другу. Для головного (первого) участка нефтепровода, состоящего из НПС и примыкающего к ней перегона, это условие на основании (4.22) и (4.17) выражается в виде:

116

Приняв hn = Л„ и обозначив

(гидравлическое сопротивление всех коммуникаций станции), полу­ чим

//п 4" //диф-- Лст = ilX4“ A2i -|- А//2.

Для второго участка, для участка, имеющего номер с, и для по­ следнего п-го участка будем иметь

Сложив первые г выражений, получим уравнение баланса напоров для участка от головной НПС до станции с + 1, а сложив все п — уравнение баланса напоров для всего нефтепровода:

ческих высот Аг<г+1 и Az соответствуют /с+1 и L. Предполагается, что все НПС однотипные, оборудование станций одинаковое. Принимается также, что перекачка идет без регулирования.

Если считать, что границами НПС являются точки врезки в маги­ страль всасывающего трубопровода и трубопровода, идущего от блока регуляторов давления, то //ДИф —Лст будет представлять собой напор, развиваемый нефтеперекачивающей станцией (с учетом сопротивле­ ния внутренних коммуникаций h„). Смысл уравнений (4.24) и (4.25) будет следующий: напор, развиваемый станциями, равен потере на­ пора в трубопроводе. Очевидно, что зависимость ЯДИф — Лст от рас­ хода тоже можно считать характеристикой НПС. В ряде случаев ее

Здесь Q — конкретная величина.

Считая Ни и Нк постоянными, из (4.26) можно получить:

где Q — расход в системе насосные станции — трубопровод.

Баланс напоров и равенство подачи насосов расходу в трубопро­ воде (материальный баланс перекачки) дают основание для следую­ щего важного вывода: трубопровод и нефтеперекачивающие станции составляют единую гидравлическую систему.

П 7

Изменение режима работы какой-либо одной насосной станции (например, отключение части насосов) нарушит режим работы осталь­ ных станций и трубопровода. Работу трубопровода и насосных стан­ ций всегда надо рассматривать как совместную.

Уравнения (4.24) и (4.25) действительны, как уже было сказано, при однотипных станциях, работающих без дросселирования. В тех случаях, когда расход следует считать строго заданной величиной, согласование напора, развиваемого станциями, и потери напора в тру­ бопроводе (соблюдение баланса напоров) регулируют подбором диа­ метров колес насосов и при необходимости при помощи дросселиро­ вания. Уравнение баланса напоров (4.25) позволяет получить фор­ мулу для определения числа станций п проектируемого нефтепровода.

Удобно, чтобы эта формула была связана с условием прочности

Если на перегоне между последней НПС и конечным пунктом есть перевальная точка, то в этих формулах L — расстояние от начальной

не оказывают влияния на уравнение баланса напоров и, следовательно, на число НПС (если, разумеется, нет необходимости в дросселирова­ нии на участке между перевальной точкой и следующей станцией).

При вычислении п напор Я ст следует находить по исходной харак­ теристике НПС, построенной для роторов наибольшего диаметра. Если этот напор окажется больше допускаемого по условию прочно­ сти магистрали (Ятах), то расчетное значение Я ст принимается рав­ ным Я та*.

Величину Ah называют передаваемым напором. Это не совсем точно. На самом деле «передаваемым» (на следующую НПС) напором является /i„c + Я 8, т. е. лишь часть Ah. Остальная часть (/tHa4) от-

118

"S

носится к потерям напора на рассматриваемой НПС и, следовательно, не может считаться «передаваемой». Напор Aft можно назвать пере­ даваемым лишь условно, если считать, что напор Н„ относится не к выходу из блока регуляторов давления, а к начальной точке маги­ страли (перегона между НПС). Это все равно, что поднять линию гид­ равлического уклона на высоту hwa4.

Дробное число станций п, полученное по формуле (4.29) или (4.30), округляют в большую сторону. При этом баланс напоров соблюдается за счет соответствующего подбора диаметров колес насосов на стан­ циях. Если число п округлить в меньшую сторону до целого л0, то

ского сопротивления трубопровода при помощи лупинга (или вставки).

(п— П0)(Н ст — Aft) — ix (l— <о).

Получаем

X= (Нст— Aft) П~ По~ .

i (1 — со)

4.7. РАССТАНОВКА НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ

Задача о расстановке нефтеперекачивающих станций впервые была решена В. Г. Шуховым. Идея состоит в том, что станции должны на­ ходиться в точках, где линии гидравлического уклона пересекаются с профилем трассы. Будем учитывать, что, поскольку в комплект каждого насоса входит несколько (до четырех) рабочих колес различ­ ного диаметра, имеется возможность работы НПС с различными на­ порами (при одной и той же заданной пропускной способности). Воз­ можность изменения напора дает свободу выбора мест нахождения НПС. Они могут находиться не в строго фиксированных точках трассы, а на некоторых участках, называемых зонами возможного располо­ жения станций. Определение границ этих зон связано с выполнением следующего требования: напор на выходе любой НПС не должен вы­ ходить за пределы Нтях и Hmin, соответствующие наибольшему и наи­ меньшему диаметру рабочего колеса и условию прочности трубопро­ вода.

Процедура нахождения зон возможного расположения НПС может быть показана наиболее просто для трубопровода с горизонтальным профилем (рис. 4.11). От начальной точки профиля трассы, где должна быть расположена первая станция, откладываем по вертикали вверх напоры Нт|„ —Aft и Нтах —Aft (напомним, что Aft включает в себя потерю напора в коммуникациях НПС от магистрали до первого на­ соса и от блока регуляторов давления до магистрали, а также мини­ мально допускаемый напор на входе в первый насос). От концов от­ резков Нт1„ —Aft и Нтах—Aft проводим линии гидравлического ук­ лона до пересечения с профилем. Получим точки а г и Ь2. Если вторую

119

Нт in. При перемещении второй НПС вправо напор на первой станции будет возрастать и по достижении точки Ь2 он станет равным Я тах. Очевидно, что ни слева от точки а 2, ни справа от точки Ь2 вторую стан­ цию ставить нельзя. Далее от точки а 2 откладываем по вертикали вверх напор Нт |п —АЛ, а от точки Ь2 — напор # тах—АЛ. Затем снова проводим линии гидравлического уклона до пересечения с профилем, получаем точки а3 и Ь3, ограничивающие расположение третьей НПС, И т. д.

Нетрудно заметить, что индекс последней точки Ь, полученной на •профиле, означает наименьшее число станций п, при котором может быть обеспечена расчетная пропускная способность. Оно равно ок­ ругленному в большую сторону числу НПС, полученному по прибли­

Наибольшее число НПС, обеспечивающее расчетную пропускную способность, соответствует индексу предпоследней точки а. Это число получается и по формуле (4.31), если вместо Hm3z взять Я т1п и по­ лученный результат округлить до целого числа в меньшую сторону.

120