6. Технологические расчеты трубопроводов

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТРУБОПРОВОДОВ

1. Объемный расход:

(7.1)

где W – линейная скорость потока, м/с; S – площадь поперечного сечения трубы, м².

Для трубопроводов круглого сечения, т.к. S = p*d²/4 = 0,785*d², формула (1) примет вид:

(7.2)

2. Массовый расход:

(7.3)

где r – плотность, кг/м³.

3. При движении жидкости по трубопроводу различают два вида потерь напора:

где h_тр – потеря напора за счет преодоления сил трения по длине трубопровода; h_м – потеря напора за счет местных сопротивлений.

4. При предположении, что Z₁=Z₂ и W₁=W₂, потеря напора и потери давления на пути между сечениями 1 и 2, связаны между собой уравнением:

(7.4)

5. Потеря напора на преодоление трения по длине трубопровода круглого сечения h_тр при любом установившемся режиме течения определяется по формуле Дарси-Вейсбаха:

(7.5)

6. Если учесть уравнение 4, то можно рассчитать потери давления на преодоление сил трения:

(7.6)

7. В наклонном трубопроводе:

(7.7)

здесь «+» – когда сумма DZ участков подъема больше суммы DZ участков спуска и “-“, когда наоборот.

В формулах использованы обозначения:

L – длина трубопровода, м; d – внутренний диаметр трубопровода, м; W – средняя скорость потока, м/с; ρ - плотность жидкости, кг/м³; Q - объемный расход жидкости, м³/с; DZ – разность геодезических отметок начала и конца трубопровода, м; g - ускорение силы тяжести, м/с²; - коэффициент гидравлического сопротивления.

Коэффициент гидравлического сопротивления зависит от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости стенки трубы:

l = ¦(Re, e),

где e = D/d, D- абсолютная эквивалентная шероховатость, мм.

(7.8)

Для ламинарного режима течения, Re< Re_кр (2300), l = ¦(Re):

(7.9)

При турбулентном режиме течения различают три зоны сопротивления.

1. Зона гидравлически гладких труб l = ¦(Re):

,

формула Блазиуса. (7.10)

2. Зона смешанного трения l = ¦(Re, D/d ):

формула Альтшуля. (7.11)

3. Зона квадратичного закона сопротивления l = ¦(D/d):

формула Шифринсона. (7.12)

7.1. Простые трубопроводы

ТИПОВАЯ ЗАДАЧА 7.1.1

На дожимной насосной станции (ДНС) в сепараторе первой ступени поддерживают давление 0.6 МПа. Длина сборного коллектора, идущего от «Спутника» до ДНС, 10 км и (внутренний) диаметр его 0.3 м. Сборный коллектор горизонтальный. Объем перекачиваемой нефти 3800 т/сутки, ее плотность 0.8 т/м³, вязкость 100 мм²/с. Определить необходимое начальное давление.

Дано: P_к = 0.6 МПа; d = 0.3 м; ρ_н = 0.8 т/м³; ν = 100 мм²/с; l = 10 км; Q = 3800 т/сутки;

Найти: Р_н =?

Решение: W = V / S = G / ρ / S = (3800 * 4 * 1000) / (800 * 3.14 * 0.3 ² * 86400) = 0.76;

Rе = W * d / ν = 760 * 300 / 100 = 2280 < 2320;

λ =64 / R_e = 64 / 2280 = 0.028;

ΔP = λ * l / d * W ² * ρ / 2 = 0.028 * 10000 * 0.76 ² * 800 / 2 = 0.217 МПа;

P_н = Р_к + ΔP = 0.6 + 0.217 = 0.817МПа;

ТИПОВАЯ ЗАДАЧА 7.1.2

Определить пропускную способность нефтепровода, если даны перепад давления 0.981 МПа, разность геометрических отметок +20 м, длина трубопровода 1000 м, диаметр его 10 см, плотность нефти 0.8 г/см³, вязкость 20*10^-3 Па*с (20сП)

Дано: ΔP = 0.981 МПа; ΔZ = 20 м; l = 1000 м; d = 0.1 м; ρ = 0.8 г/см³; μ = 20 сП;

Найти: Q =?;

Решение

Решаем задачу методом последовательных приближений.

1. Задаем Q_i.

2. Рассчитываем W_i.

3. Находим Re = W_i * d * ρ / μ

4. Находим λ_i

5. Находим h_н = λ* l * W_i ² / d / 2 / g

1Па = 9.81*10^-4 кгс/см² ; 10 кгс/см² = 10 атм

ΔZ * ρ * g = 20 * 800 * 9.81 = 156960 Па / 981 Па = 1.59 кгс/см²

ΔP_общ = 10 + 1.59 = 11.59 кгс/см² = 115.9 м вод. ст.

Расчеты представлены в таблице.

Q, м3/с	W, м/с	λ	hн, м
0,001	0,127	0,127	1,04
0,003	0,372	0,0454	3,34
0,008	1,02	0,0395	20,6
0,012	1,52	0,0358	42,5
0,02	2,55	0,0316	103,6
0,03	3,82	0,0285	211,1

Построим график и на нем найдем, что Q = 22 м/с

ТИПОВАЯ ЗАДАЧА 7.1.3

Определить диаметр выкидной линии d, способной пропустить нефть в количестве 400 м³/сутки, если разность геодезических высот между устьем скважины и автоматизированной групповой замерной установкой (АГЗУ) равно -20 м, перепад давления между устьем скважины и АГЗУ 4.9 МПа, длина выкидной линии 4 км, плотность нефти 0.8 т/м³, вязкость 20 мм²/с или 20*10^-6 м²/c.

Дано: Q = 400 м³/сутки; ΔZ = -20 м; l = 4 км; ΔP = 4.9 МПа; ρ = 0.8 т/м³; μ = 20 мм²/с;

Найти: d =?;

Решение: Решаем задачу графоаналитически.

ΔP = 4.9 МПа = 49000 Па = 50 кгс/см²;

ΔZ * ρ * g= -20 * 800 * 9.81= -156960 / 98100= -1.59 кгс/см²;

ΔP = 50 - 1.59 = 48.41 кгс/см²;

h_н = λ * l * W ² / d / 2 / g = 484 м;

Расчеты представлены в таблице:

d, м	W, м/с	λ	hн, м
0,05	3,01	0,0338	1240
0,08	1,17	0,1360	470
0,10	0,735	0,0405	44,0
0,125	0,47	0,0427	15,2
0,15	0,335	0,0444	6,76
0,20	3,82	0,0285	1,20

Построим график и на нем найдем, что d = 0.075 м

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ «ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРОСТЫХ ТРУБОПРОВОДОВ»

ЗАДАЧА 7.1.1.

На ДНС в сепараторе первой ступени поддерживается определенное давление. Известна длина сборного коллектора, идущего от «Спутника» до ДНС, его внутренний диаметр, абсолютная эквивалентная шероховатость (Δ), разность геодезических отметок начала и конца трубопровода, количество перекачиваемой нефти, ее плотность, кинематическая вязкость.

Определить необходимый начальный напор.

ЗАДАЧА 7.1.2.

Графоаналитически определить пропускную способность сборного коллектора, если известен начальный напор, длина коллектора, его внутренний диаметр, разность геодезических отметок, плотность и кинематическая вязкость перекачиваемой нефти.

ЗАДАЧА 7.1.3.

Задан перепад давления на сборном коллекторе DР. Известны: массовый расход нефти G, плотность нефти r и ее кинематическая вязкостьn, разность высот отметок начала и конца коллектора DZ, длина его L, шероховатость стенок трубы D.

Определить диаметр коллектора для перекачки нефти.

Задача такого типа решается графоаналитическим способом, поскольку коэффициент гидравлического сопротивления l зависит от числа Рейнольдса, а, следовательно, и от неизвестного диаметра.

Алгоритм решения задачи 7.1.3.

1. Задаемся несколькими диаметрами коллектора.

Далее для каждого диаметра:

2. Находим по известному расходу нефти скорость течения, ф.3.

3. Рассчитываем параметр Рейнольдса и определяем режим движения, ф.8.

4. Если режим течения турбулентный, то определяем зону сопротивления.

5. Рассчитываем по соответствующей формуле коэффициент гидравлического сопротивления, ф.9 – 12.

6. Вычисляем потери давления c учетом разности высот начала и конца трубопровода, ф.7.

7. Строим график DР_Z = ¦(d).

8. Используя этот график и заданный перепад давления, определяем требуемый диаметр коллектора.

Форма таблицы для построения графика по результатам расчетов

Таблица 3.1

d, м	W, м/с	Re	l	DPZ, МПа
0,05	2,93	7325	0,034	9,48
0,06	2,05	6150	0,036	4,48
0,10	0,74	3700	0,041	0,52
0,12	0,47	2820	0,043	0,29
0,15	0,34	2550	0,046	0,22