книги / Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа
..pdfНа рис. 3.12 отрезок NK изображает остаточный напор в ко нечном пункте (точка К), а линия B N —линию гидравлического уклона с учетом местных сопротивлений. Напор, необходимый для того, чтобы нефть дошла от точки л до точки К, соответству ет отрезку BS, так как он равен произведению расстояния SK на гидравлический уклон tg а, то есть SK ■tg а. Располагаемый на пор жидкости в точке л относительно точки К равен zn —z^ Так как (zn —zK) > BS, то жидкость от точки л до точки К с проект ным расходом дойдет. От любой другой точки, расположенной левее точки л, жидкость до конечного пункта не дойдет, так как она не будет обладать энергией, достаточной для подъема на вер шину л. Не дойдет она до конца трубопровода и от точек, распо ложенных между точками А и К, так как в них располагаемый напор жидкости меньше потерь на трение при проектном расхо де. От любой точки, расположенной между точками л и А, жид кость до конца трубопровода с проектным расходом дойдет, но ближе всех к его началу находится точка л. Поэтому достаточно доставить жидкость только до нее. Таким образом, точка л явля ется перевальной по определению.
При наличии перевальной точки за расчетную длину трубо провода принимают расстояние Lp= £п, а разность геодезичес ких отметок принимается равной Дz = zn- z^ Если пересечение линии гидравлического уклона с профилем отсутствует, то расчетная длина трубопровода равна его полной длине L = L , a Az= zKzw
Потери напора в трубопроводе с лупингом и имеющем пере вальную точку по аналогии с (3.32) могут быть записаны в виде
|
К = 1'[1р~£л '(1 -о)] = »'• Lnr |
(3.39) |
где |
Lnp — приведенная расчетная длина |
трубопровода, |
|
равная |
|
|
1ПР = ЬР- е л -(1-со). |
(3.40) |
Следует подчеркнуть, что перевальная точка не всегда явля ется самой высокой точкой на трассе (рис. 3.11.).
В перевальной точке располагаемый напор жидкости за счет высоты ее положения, как правило, больше, чем необходимо для того, чтобы она дошла до конечного пункта. Куда же дева ется избыток энергии? Для ответа на этот вопрос рассмотрим те чение жидкости за перевальной точкой (рис. 3.12).
На интервале между перевальной точкой п и конечным пун ктом выделим два участка: пА длиной £х и АК длиной £г Само течное движение нефти на участке АК обеспечивается напором АЕ= 1,02 • / • £г
На участке же лА располагаемый напор лМ превышает требуе мый напор ВМ = 1,02 /' • £хна величину пВ. Следовательно, на участке пА гидравлический уклон больше 1,02 /. Это возмож но лишь в случае увеличения скорости течения нефти на участ ке лА. Как следует из уравнения неразрывности Q = w F ^с воз растанием скорости w площадь живого сечения потока /'должна уменьшаться. Следовательно, на участке лА жидкость запол няет сечение трубопровода не полностью. Давление жидкости на этом участке ниже, чем в любой точке трубопровода и рав но давлению насыщенных паров нефти (то есть абсолютное дав ление в трубопроводе меньше атмосферного). Пространство над свободной поверхностью жидкости заполнено выделившими-
82
ся из нее парами и растворенными газами. При значительной длине самотечного участка вследствие высокой скорости пото ка происходит отрыв и унос парогазовых пузырьков из нижней части газовой полости. По мере удаления от самотечного участ ка давление жидкости возрастает, что приводит к кавитацион ным процессам из-за схлопывания пузырьков. В свою очередь, это может привести к значительной вибрации трубопровода и со провождается повышенным уровнем шума.
После расстановки перекачивающих станций профиль трас сы должен быть исследован на наличие перевальных точек по вторно. Исследование выполняется для каждого перегона в от дельности при производительностях перекачки меньших, чем проектная. С одной стороны, это позволяет более правильно определить необходимое количество работающих на станциях насосов, а с другой —лучше представить, что происходит в тру бопроводе.
Длительная работа нефтепровода на пониженных режимах перекачки является причиной продолжительного существова ния газовой полости за перевальной точкой. Повышенное содер жание в нефти сернистых соединений может вызвать ускоренное протекание коррозионных процессов на внутренней поверхнос ти стенки трубы над свободной поверхностью жидкости.
При увеличении расхода перекачиваемой нефти перевальная точка может исчезнуть, однако процесс растворения парогазо вого скопления продолжается длительное время. Если скорость течения достаточно велика, скопления газа выносятся пото ком жидкости и могут достичь резервуара на конечном пункте нефтепровода. Сопровождающий это явление гидравлический удар приводит к повреждению резервуаров и их оборудования.
Если в конце рассматриваемого участка нефтепровода под держивать повышенный напор кф(рис. 3.11), то появления пе ревальных точек на трассе можно избежать (линия гидравличес кого уклона 2 будет продолжена пунктирной линией). Разница полезного Афи требуемого А ^ напоров может быть использова на, например, для привода небольшой электростанции. Проект такой электростанции разработан для нефтепровода Тихорецк— Новороссийск в районе нефтебазы «Грушовая».
Характеристика нефтепровода
Характеристикой нефтепровода называется зависимость на пора, необходимого для ведения перекачки, от расхода. Для тру бопровода постоянного диаметра уравнение его характеристики имеет вид
H=l,02-i-Lp +&z+ N3hOCT, |
(3.41) |
где N3 —число эксплуатационных участков.
При аналитическом решении задач трубопроводного транс порта удобно представлять величину гидравлического уклона в виде
|
i = f •Q2~m, |
(3.42) |
где |
/ — гидравлический уклон при единичном |
расходе, |
Тогда выражение (3.41) можно переписать в виде |
|
|
|
H = l , 0 2 f Q 2-m Lp+ &z+ N3)hOCT |
(3.43) |
Выражения (3.41) и (3.43) являются уравнениями характерис тики нефтепровода в аналитической форме. Графически харак теристика нефтепровода представлена на рис. 3.13.
QKP |
Q |
Рис. 3.13. Характеристика нефтепровода
При Q = О характеристика трубопровода отсекает на оси ординат отрезок Az + Иэ • hocr В диапазоне расходов от 0 до QKP= п • D • V • ReKP/ 4 (область ламинарного режима течения) зависимость Нот Q линейная. При Q > QKpхарактеристика тру бопровода имеет вид параболы вида Q2-".
Величины V, D и Lpопределяют крутизну характеристики тру бопровода. Чем меньше диаметр D, а также чем больше вязкость нефти у и расчетная длина нефтепровода Lp, тем круче его ха рактеристика.
При практических расчетах нет необходимости в построении характеристики H =fiQ ) от начала координат, где 0 = 0. Впол не достаточно построить характеристику по нескольким точкам, соответствующим узкому интервалу расходов, ожидаемых при эксплуатации рассчитываемого нефтепровода.
Уравнение баланса напоров
Из курса гидравлики известно уравнение Бернулли для уста новившегося течения несжимаемой жидкости
w, |
|
w, |
(3.44) |
|
- = z2 + |
Р-8 |
+— |
+V2- |
|
Р-8 2 -g |
2 |
g |
|
где zx, Р\, w, —соответственно нивелирная высота, давление и средняя скорость потока в начале трубопровода; z^, Р2, w2 —то же для конечного сечения трубопровода; Л12 — потери напора на трение между начальным и конечным сечениями; р —плотность жидкости; g —ускорение сво бодного падения.
При перекачке нефти по трубопроводу постоянного диаметра
содной лишь головной перекачивающей станцией;
1)скорость потока неизменна (w, = w2);
2)удельная потенциальная энергия давления в начале трубопро вода PJ(p • g) складывается из напора hm создаваемого под порной насосной, и напора Нст, создаваемого магистральны
ми насосами, то есть Рх/{р • g) = hn+ НС1;
3)удельная потенциальная энергия давления в конце трубопро вода Р2/(р • g) равна остаточному напору hœ7;
4)потери напора между начальным и конечным сечениями трубопровода складываются из потерь напора по длине и на местных сопротивлениях (ранее было показано, что они рав ны 1,02 •/• О2-"1- Lp);
5)разность нивелирных высот z2 -z, = Az.
Сучетом сказанного уравнение (3.44) можно переписать в
виде
hn + Нст= 1,02• / • Ô2-” • LP + Дг + Лост. |
(3.45) |
Левая часть уравнения (3.45) — это суммарный напор, раз виваемый подпорной и магистральной насосными, а правая — напор, необходимый для ведения перекачки с проектным рас ходом Q. В магистральном нефтепроводе с п перекачивающими станциями, поделенном на N3 эксплуатационных участков, под порные насосные устанавливаются в начале каждого из них. А в конце каждого эксплуатационного участка требуется под держивать остаточный напор й ^ д л я преодоления сопротивле ния технологических трубопроводов и закачки нефти в резер вуары. Соответственно, для магистрального нефтепровода в формулу (3.39) необходимо вместо hn подставить N3 hn, вместо Нст—величину п • Нсти вместо й ^ —величину N3 , после чего (3.45) примет вид
N0 ■h„ + п• Яст = 1,02 • / • G2"" ■LP + Az + N3 -h0CT. (3.46)
Формула (3.46) называется уравнением баланса напоров. Оно читается так: расход в трубопроводе устанавливается сам со бой (автоматически) таким образом, чтобы суммарный напор, развиваемый всеми работающими насосами, был равен напо ру, необходимому для ведения перекачки. По своей сути, как и уравнение Бернулли, формула (3.46) является математичес кой записью закона сохранения энергии в трубопроводном транспорте нефти.
Графической интерпретацией уравнения баланса напоров яв ляется совмещенная характеристика нефтепровода и нефтепе рекачивающих станций. Пусть кривая 1 на рис. 3.14 изображает характеристику трубопровода, а кривая 2 —суммарную напор ную характеристику всех работающих на НПС насосов. Точка
86
пересечения характеристик называется рабочей точкой (А), ко торая характеризует требуемый напор Нл и пропускную способ ность QÂнефтепровода при заданных условиях перекачки. Ра венство создаваемого и требуемого напоров, а также равенство подачи насосов и расхода нефти в трубопроводе приводят к важ ному выводу: трубопровод и перекачивающие станции составля ют единую гидравлическую систему. Изменение режима работы НПС (отключение части насосов или станций) приведет к из менению режима нефтепровода в целом. Изменение гидравли ческого сопротивления трубопровода или отдельного его пере гона (изменение вязкости, включение резервных ниток, замена труб на отдельных участках трассы и т. п.), в свою очередь, ока жет влияние на режим работы всех перекачивающих станций.
Рис. 3.14. Совмещенная характеристика нефтепровода
инефтеперекачивающих станций:
/- характеристика трубопровода; 2 —характеристика нефтеперекачивающих
станций
Уравнение баланса напоров позволяет находить расход, уста навливающийся в трубопроводе, аналитически. Если прене бречь (в силу того, что N3 hn« п Нст) зависимостью напора
подпорных насосов от подачи, а суммарный напор магистраль-
2_т
ных насосов представить формулой Нст = А -В Q ,то урав нение (3.46) можно записать в виде
N3-hn + n ( A - B - Q2~m) = 1,02-f-Q 2~m Lp +&z + N3-hOCT. (3.47)
1
^э*(^л ^ост) àz +n-A г~т |
(3.48) |
|
1,02 • / -L p+ n-B |
||
|
Из формулы (3.48) видно, что при прочих равных условиях расход нефти в трубопроводе тем больше, чем меньше гидрав лический уклон при единичном расходе/ и крутизна суммарной характеристики магистральных насосов НПС п ■В, а также чем больше их напор при нулевой подаче п • А.
Формула (3.42) справедлива при установке на НПС однотип ного насосного оборудования и работе станций без дросселиро вания.
Определение числа перекачивающих станций
На этапе проектирования нефтепроводов, когда требуемая (плановая) производительность нефтепровода Qnj] задана, урав нение баланса напоров используется для определения расчет ного числа нефтеперекачивающих станций п0. Полагая п = п0 и с учетом (3.41), из уравнения (3.46) получаем
(3.49)
В формуле (3.49) напор станции определяется при использо вании роторов наибольшего диаметра из предусмотренных для данного типа насосов.
Как правило, значение п0оказывается дробным и его следует округлить до целого числа.
Рассмотрим вариант округления числа ПС в меньшую сто рону (рис. 3.15). При п < п0 напора станций для обеспечения плановой производительности Qm недостаточно, поэтому не обходимо уменьшить гидравлическое сопротивление трубопро вода прокладкой дополнительного лупинга (устройством встав ки большего диаметра) или применением противотурбулентной присадки. При этом характеристика трубопровода станет более пологой и рабочая точка Л, сместится до положения А2.
1,02-1 • Lp + Дг+ N3• h^j.
w |
/ 2 m - i- lL r - e A i- to ft+ b z + N y h ^ |
"э "Ап ~^п'Нсг
Oi Опл
Рис. 3.15. Совмещенная характеристика нефтепровода при округлении числа НПС в меньшую сторону:
1 —характеристика трубопровода постоянного диаметра; 2 —характеристика трубопровода с лупингом; 3 —характеристика нефтеперекачивающих станций
(л <я0)
Необходимую длину лупинга 1Лдля обеспечения проектной производительности числом станций п < п0определим следую щим образом. Запишем уравнения баланса напоров для расчет ного п0и округленного п числа перекачивающих станций
N 3hn +п0-Я сг = l,0 2 -i-Lp + Дг + УУЭА0СТ |
; |
||
г |
, |
(3.50) |
|
Я,й„ +п ■Нст = 1,02 • I • [Lp - tj, (1- со) + Az + |
|
||
Вычитая из первого уравнения второе, получим |
|||
(л0- л ) - Я с т = 1 ,0 2 -/^ л (1-<у), |
(3.51) |
||
откуда |
|
|
|
(Лр |
л)*Яст |
(3.52) |
|
l,02i(l-û>) |
|||
|
Аналогичное выражение можно получить и для длины встав
ки большего диаметра |
|
(л0 - п) Н ст |
(3.53) |
8 1,02 / (1-£2) |
|
Применение противотурбулентных присадок - |
эффектив |
ный метод уменьшения гидравлического сопротивления за счет
89
гашения турбулентных пульсаций. Введение присадки в поток приводит к тому, что изменяется величина коэффициента А(в) в выражении для так называемого закона сопротивления
|
-jL = O,88-ln[A(0)-te->/I]-3,745, |
(3.54) |
где |
А —коэффициент гидравлического сопротивления при |
|
|
числе Рейнольдса Re; А(в) — числовой коэффициент, |
зависящий от концентрации в (г/т) присадки в транс портируемой нефти. При отсутствии присадки, то есть при 0 = 0, А(в) = 28.
В результате обработки нефти противотурбулентной присадкой величина коэффициента А(в) увеличивается. Зависимость А(в) от концентрации присадки в (в г/т) является эмпирической и задается либо таблично, либо в виде функции. Так, для присадки «CDR-102» американской фирмы «Dupon— Conoco»
A{6) = 1,48-é?1'24, |
(3.55) |
a для присадки «NECCAD-547» финской фирмы «Neste»
А(в) = 0,407-в1'29 |
(3.56) |
Для того чтобы обеспечить плановую производительность пе рекачки количеством станций меньшим, чем расчетное (л < л0), необходимо, чтобы на части длины трубопровода коэффициент гидравлического сопротивления Хп был уменьшен. Найдем его требуемую величину.
Запишем уравнение баланса напоров (3.46) при перекачке нефти без присадки числом станций л0 в виде
N3-hn +n0-(A-B-<£-") = l,02-f0- $ - m-LP + Az + N3-hOCT. |
(3.57) |
||
где |
/„ |
— гидравлический уклон при единичном |
расходе, |
|
. |
8-Ао |
|
/о ~ я2.g .в 5 ' А0—коэффициент гидравлического сопро тивления при перекачке нефти с расходом Q0.
Данное уравнение решается относительно расхода I
Пд-A+ Nj^hfj hpcr) Az 2-т
1,02 f0 Lp+n-B