книги / Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа
..pdfПо значению Do принимается ближайший стандартный на ружный диаметр DH. Значение DHможно также определять по таблице 3.6. Для дальнейших расчетов и окончательного выбо ра диаметра нефтепровода назначаются несколько (обычно три) смежных стандартных наружных диаметра.
Таблица 3.6
Рекомендуемые параметры магистральных нефтепроводов
Производительность Gmjp |
Наружный диаметр Z)N, мм |
Рабочее давление Р, М Па |
|||||
млнт/год |
|||||||
|
|
|
|
||||
0 |
,7 |
...1 ,2 |
219 |
8 ,8 ... |
9 ,8 |
||
1,1— 1,8 |
273 |
7 ,4 ... |
8 ,3 |
||||
1 ,6 - 2 ,4 |
325 |
6 ,6 ... |
7 ,4 |
||||
2 ,2 |
...3 ,4 |
377 |
5 |
,4 ... |
6 ,4 |
||
3 |
,2 ... |
4 ,4 |
4 2 6 |
5 |
,4 ... |
6 ,4 |
|
4 |
,0 ... |
9 ,0 |
530 |
5 |
,3 —6,1 |
||
7 ,0 ... |
1 3 ,0 |
6 3 0 |
5 |
,1 —5,5 |
|||
1 1 ,0 ... |
1 9 ,0 |
720 |
5 ,6 - 6 ,1 |
||||
1 5 ,0 ... |
2 7 ,0 |
820 |
5 ,5 - 5 ,9 |
||||
2 3 |
,0 ... |
5 0 ,0 |
1020 |
5 ,3 ... |
5 ,9 |
||
4 1 |
,0 ... |
7 8 ,0 |
1220 |
5 ,1 ... |
5 ,5 |
||
Для каждого из стандартных диаметров рассчитывается тол щина стенки; внутренний диаметр трубопровода; потери напо ра, рассчитываемые из условия ведения перекачки с проектной производительностью; необходимое число нефтеперекачиваю щих станций, а затем приведенные годовые затраты на сооруже ние и эксплуатацию нефтепровода по формуле
П = Э + Е Н К , |
(ЗЛ4) |
где Э —годовые эксплуатационные расходы (электроэнер гия, отчисления на амортизацию и текущий ремонт, расходы на собственные нужды нефтеперекачивающих станций, заработная плата и т. д.); Ен —нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год; К —суммарные капиталовложения на сооруже ние нефтепровода.
Оптимальному сочетанию наружного диаметра и толщины стенки трубопровода, числа нефтеперекачивающих станций и раз виваемого ими давления соответствует наименьшая величина приведенных годовых затрат.
Потери напора и гидравлический уклон в простом нефтепроводе
Простым называется нефтепровод постоянного диаметра, по длине которого расход не меняется.
При перекачке нефти по магистральному нефтепроводу на пор, развиваемый насосами нефтеперекачивающих станций, рас ходуется на трение hr, преодоление местных сопротивлений Имо статического сопротивления из-за разности геодезических (ниве лирных) отметок Дz, а также создания требуемого остаточного на пора в конце трубопровода hocr Таким образом, напор, необходи мый для ведения перекачки с заданным расходом, равен
H = hr+ hMC+àz+h0CT. |
(3.15) |
Следует отметить, что по нормам проектирования расстоя ния между линейными задвижками составляют 15...20 км, а по вороты и изгибы трубопровода плавные, поэтому доля потерь на местных сопротивлениях в общей величине Н невелика. С учетом многолетнего опыта эксплуатации трубопроводов с до статочной для практических расчетов точностью можно при нять, что потери напора на местные сопротивления составляют 1...3 % (в среднем 2 %) от линейных потерь. Тогда выражение (3.15) примет вид
Я = 1,02Лт+Дг+Лосг. |
(3.16) |
Под разностью геодезических отметок понимают разность отметок конца и начала трубопровода Дz = z K — z H- Величина Az может быть как положительной (перекачка на подъем), так и отрицательной (под уклон).
Остаточный напор необходим для преодоления сопро тивления технологических коммуникаций и заполнения резер вуаров конечного пункта (а также промежуточных нефтеперека чивающих станций, находящихся на границе эксплуатационных участков).
72
Потери напора на трение в трубопроводе определяют по фор муле Дарси—Вейсбаха
|
Аг= я А |
/ , |
(3.17) |
|
D |
2g |
|
где |
Я —коэффициент гидравлического сопротивления; L — |
||
|
расчетная длина нефтепровода; D —внутренний диаметр |
||
трубы; w —средняя скорость течения нефти по трубопро воду.
Значения А в общем случае зависят от числа Рейнольдса и ше роховатости внутренней поверхности трубы. Число Рейнольдса, характеризующее соотношение сил инерции и вязкости в пото ке, вычисляется по формуле
w-D 4 Q
(3.18)
V л - D v ’
где Q —расход нефти; v — расчетная кинематическая вяз кость нефти.
При значениях Re < 2320 имеет место ламинарный режим те чения жидкости. Область турбулентного течения подразделяет
ся на три зоны: |
2320 < Re < Rex; |
• гидравлически гладких труб |
|
смешанного трения |
Rex< Re < Re2; |
квадратичного (шероховатого) трения |
Re > Rer |
Значения переходных чисел Рейнольдса Rexи Re2 определя ют по формулам
_ |
Ю |
_ |
500 |
(3.19) |
Rex=^r |
; Re2=-=^, |
|||
кк
где к —относительная шероховатость трубы, к = кэ /D ; кэ — эквивалентная (абсолютная) шероховатость стенки трубы, зависящая от материала и способа изготовления трубы, а также от ее состояния. Для нефтепроводов после несколь ких лет эксплуатации можно принять кэ= 0,2 мм.
Расчет коэффициентов гидравлического сопротивления Л вы полняется по формулам, приведенным в табл. 3.7.
Формула (3.17) неудобна для анализа влияния различных факторов на потери напора в трубопроводе, так как величина
73
коэффициента А также зависит от средней скорости потока и диа метра магистрали.
Таблица 3.7
Значения коэффициента гидравлического сопротивления Л для различных режимов течения жидкости
|
Режим течения |
Л |
|
|
ламинарный (формула Стокса) |
64/Re |
|
« |
гидравлически гладкие трубы (формула Блазиуса) |
0,3164/Ле0-25 |
|
3 |
|
|
|
X |
|
|
|
H |
смешанное трение (формула Альтшуля) |
o,i i f — +É !° 1S |
|
X |
|||
O |
|
\Re ) |
|
t=i |
|
||
Ю |
квадратичное трение (формула Шифринсона) |
|
|
Ê |
0,11-it0-25 |
||
|
Применяемые для расчета А формулы Стокса, Блазиуса и Шифринсона можно записать в общем виде
Л = ^ ~ , |
(3.20) |
где Атр) m —числовые коэффициенты, постоянные для каж дой зоны трения.
Подставляя зависимости (3.20), (3.18) в (3.17) и учитывая, что
|
4 О |
получаем |
|
|
|
|
w=— — , |
|
|
|
|
||
|
ji-D |
^ТР |
_J£L |
« e j =P Q |
|
(3.21) |
|
|
- v |
||||
|
|
4Q |
D 2 g |
n-D |
|
|
|
|
P'D-v |
|
|
|
|
где |
/3 —числовой коэффициент, величина которого зависит |
|||||
|
от режима течения и зоны трения (если режим течения |
|||||
|
турбулентный), |
о |
8/1™ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
^ ~ 4,” ■я2~т■g |
|
(3.22) |
|
Формула (3.21) называется обобщенной формулой Лейбензона. Ее достоинством является то, что зависимость потерь напора на трение от расхода и вязкости нефти, а также от диаметра т р у бопровода выражена в явном виде.
Строго говоря, пользоваться формулой (3.21) в зоне смешан ного трения турбулентного режима нельзя, так как зависимость
Альтшуля, используемая для расчета Я в ней, отличается от урав нения общего вида (3.20).
Для определения значений коэффициентов Атр, /З и т для об ласти смешанного трения профессором А. А. Коршаком предло жено преобразование формулы Альтшуля к виду
у Re |
) |
Re0 25 |
(3.23, |
|
|||
Так как в зоне смешанного трения 1£ < |
<^£2., то произве- |
||
|
|
к |
к |
дение к -Re изменяется от 10 до 500. Используя метод наимень ших квадратов, функцию 0,11-(б8+Я-Ле)°'25 в этом диапазоне
со среднеквадратичной погрешностью 2,7 % можно аппрокси
мировать выражением 0,206 (к Re)°5 Соответственно, зависи
мость (3.23) в зоне смешанного трения принимает вид
0,20б (Я Ле)°15 |
— \0,15 |
0,206 (я) |
|
Л= |
(3.24) |
Re025 |
Re0'1 |
Из формулы (3.24) видно, что в зоне смешанного трения тур
булентного режима AJJ, =0,206 (я) ' ; m = 0,1 и, соответственно,
|
|
|
|
— \0,15 |
/—\0.15 |
, |
|
д = |
8 0,206-(я) |
(3.25) |
|||||
<0.1 |
2 |
0.1 |
9,81 |
= 0,0166-(Я) |
с2/м. |
||
|
л. - |
|
|
|
|
||
Окончательно, значения коэффициентов обобщенной фор мулы Лейбензона приведены в табл. 3.8.
Таблица 3.8
Значения коэффициентов Aw, m и/? для различных режимов течения жидкости
|
Режим течения |
|
m |
р, с2/м |
* |
ламинарный |
64 |
1 |
4,15 |
гидравлически глад |
0,3164 |
0,25 |
0,0246 |
|
3 |
кие трубы |
|||
g |
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
и |
смешанное трение |
0,206-(я)°'15 |
0,1 |
0,0166-(Я)0,15 |
|
||||
* |
квадратичное трение |
о д - (к)025 |
0 |
9,09-Ю-3 -(я)0,25 |
Гидравлическим уклонам называют потери напора на трение, отнесенные к единице длины трубопровода
|
2-т уШ |
|
|
i = K_=^ } ^ _ = a Q ____ |
(3.26) |
||
Lv D 2g |
D S~m |
||
|
|||
Сгеометрической точки зрения гидравлический уклон равен тангенсу угла а, характеризующего наклон линии изменения на пора по длине трубопровода.
Сучетом (3.26) уравнение (3.16) принимает вид
Я = l,0 2 iLp+ Дг+Аост. |
(3.27) |
Графическое представление выражения (3.27) показано на рис. 3.9.
Линия гидравлического уклона показывает распределение остаточного напора по длине трубопровода. Влюбой точке трас сы величина напора определяется вертикальным отрезком, от ложенным от линии профиля трассы до пересечения с линией гидравлического уклона.
hocr
Рис. 3.9. Графическое представление линии гидравлического уклона
Трубопроводы с лупингами и вставками
На практике в ряде случаев трубопроводы оборудуются па раллельными участками (лупингами), а также участками друго го диаметра (вставками). В этом случае гидравлический уклон на таких участках будет отличаться от гидравлического уклона основной магистрали. Согласно уравнению неразрывности для трубопроводов без сбросов и подкачек
|
Q = w, • F, = Wj • F2 = wn■Fn = idem, |
(3.28) |
где |
w,...wn—скорость течения жидкости в сечениях F,...F. |
|
Таким образом, чем больше площадь сечения трубопровода F, тем меньше скорость течения, следовательно, меньше и зна чение гидравлического уклона (рис. 3.10). Определим соотно шение между гидравлическими уклонами лупинга (вставки) и ма гистрали. Будем при этом полагать, что режим течения нефти на этих участках одинаков (/и, /? = idem).
Рис. 3.10. Соотношение гидравлических уклонов на различных участках трубопровода
Так как точки М и N принадлежат одновременно и к ма гистрали и к лупингу, можем записать
п 2 т.ут |
п 2~т.ут |
(3.29) |
|
D |
D5-т LЛ’ |
||
|
откуда после сокращения одинаковых сомножителей получаем
5-т
ÇDS-m XD5-« или02=^2 V4а I |
^D |
Г) ' |
(3.30) |
||
, " |
“ |
" ‘ l |
П |
I |
|
<л |
|
|
|
|
|
Так как Q = Qx+ Q2, то с учетом (3.30) можно записать |
|
||||
5-т |
|
“ |
|
5-т ~ |
|
Q = Q t + Q i ( W |
- |
1+ |
( D„ V-m |
(3.31) |
|
D J |
|||||
откуда |
|
|
|
|
(3.32) |
<2, = |
|
5-т * |
|
|
|
|
|
2-т |
|
|
|
Пользуясь формулой (3.32), найдем гидравлический уклон на участке трубопровода с лупингом
Q?"” ■vm |
0 Q1 |
1 |
-=l'Û). |
(3.33) |
h ~ Р' D5~m |
■\5-rn |
5-т |
||
|
|
1+ |5 И 2- |
|
|
D
где со —поправка, учитывающая изменение гидравлическо го уклона на участке трубопровода с лупингом,
со= - 1 - | - (3.34)
5 - т
2
D n 1+ л_
à j
Как видно из формулы (3.34), величина шзависит от соотно
шения диаметров лупинга и основной магистрали, а также от
режима перекачки и зоны трения (если режим турбулентный).
Если D = DJJ, то со= ^_т и ее величину несложно подсчитать:
гидравлически гладких труб w = 0,297; в зоне смешанного трения
w = 0,268; в зоне квадратичного трения w = 0,25.
Рассуждая аналогично, получим соотношение гидравличес ких уклонов для участков со вставкой и без нее. На участке со
вставкой величина гидравлического уклона равна |
|
|
/,=/?• ■\5-ni |
|
(3.35) |
Умножив правую часть (3.35) на отношение |
D5~m |
, после |
— |
||
группировки сомножителей получаем |
^ |
|
L = i £ l , |
|
(3.36) |
где Û, —поправка, учитывающая изменение гидравлическо-
\ 5-гп
го уклона на участке со вставкой, £2=1 —
АBJ
Следует отметить, что применение вставки другого диаметра в магистральной части трубопроводов нежелательно, так как это затрудняет их очистку и диагностику.
Потери напора в трубопроводе с лупингом (вставкой) находят ся сложением аналогичных величин по его отдельным участкам
Ar = /- (L - ^ ) +W |
(3.37) |
С учетом формулы (3.33) можем переписать (3.37) в виде
Ar =/-[L -V (l-û>)]. |
(3.38) |
Аналогично выполняется расчет потерь напора в трубопрово де со вставкой.
Определение перевальной точки ирасчетной длины нефтепровода
Ближайшая к началу трубопровода возвышенность на трассе, от которой нефть с требуемым расходом приходит к конечно му пункту самотеком, называется перевальной точкой. Это зна чит, что напор в месте расположения перевальной точки (раз ность высотных отметок перевальной точки и конечного пункта)
79
больше или равен сумме остаточного напора и потерь напора на участке между ними.
Прежде чем приступить к расстановке перекачивающих стан ций по трассе нефтепровода, необходимо исследовать ее на на личие перевальной точки (рис. 3.11). Для этого сначала на сжатом профиле трассы в конечном пункте нефтепровода откла дывают величину остаточного напора hocr а затем из получен ной точки проводят линию гидравлического уклона 1. Если она пересекает (или хотя бы касается профиля трассы), то переваль ная точка существует и требуется определить ее местонахожде ние. С этой целью проводят семейство линий, параллельных ли нии гидравлического уклона, пока не найдут ту единственную 2, которая лишь касается профиля трассы. Точка касания и явля ется перевальной (л). Докажем это.
Рис. 3.11. Графическое определение перевальной точки и расчетной длины нефтепровода