Методика проведення гідравлічного розрахунку трубопроводу

Гідравлічний розрахунок польового магістрального трубопроводу за заданою продуктивністю проводиться з метою визначення необхідної для даної продуктивності кількості насосних станцій і їх місцезнаходження на трасі трубопроводу.

Він (гідравлічний розрахунок трубопроводу) полягає в визначенні втрат тиску по довжині трубопроводу при перекачуванні пального. Знаючи втрати тиску в трубопроводі, можна визначити кількість насосних станцій, необхідних для перекачування пального по трубопроводу з заданою продуктивністю та місця їх встановлення на трасі трубопроводу.

Початковими даними для проведення розрахунків є:

• продуктивність перекачування пального;

• густина і в’язкість пального при температурі перекачування;

• внутрішній діаметр трубопроводу;

• різниця геодезичних відміток початку і кінця траси.

В паспорті на пальне в’язкість та густина переважно задані для температури 20^оС. Якщо перекачування пального по трубопроводу проводиться при іншій температурі, то їх значення визначаються за графіками (рис. 1-2).

Рис.1. Залежність в’язкості ν нафтопродукту від їх температури t:

1 – автомобільні бензини; 2,3,4 – реактивні палива ТС-1, РТ і Т-1; 6,7 – дизельні палива зимові; 5,8,9,10 – дизельні палива літні, 11 – вода.

Рис.2. Залежність густини ρ нафтопродукту від їх температури t.

Продуктивність перекачування – кількість пального, що подається по трубопроводу за одиницю часу. У розпорядженні на розгортання ПМТ, як правило, вказується вагова продуктивність – G (т/добу), а для гідравлічного розрахунку використовується об'ємна продуктивність за одиницю часу – Q (м³/добу).

Приймаємо враховуючи, що t = 0

ρ = 802 кг/ м³

ν = 0.071*10^{- 4} м²/с

Між об’ємною і ваговою продуктивністю існує залежність:

де ρ – густина пального при температурі перекачування, кг/м³.

Годинна об’ємна продуктивність Q (м³/год.) визначається, виходячи із часу роботи НС за добу. Він приймається рівним 22 години, 2 години відводиться для обслуговування насосних станцій і трубопроводу, звідси:

Також для розрахунків, нам необхідно знати секундну об’ємну продуктивність Q (м³/с.), для чого годинну об’ємну продуктивність Q (м³/год.) необхідно поділити на 3600 с.

Різниця геодезичних відміток, ΔZ (м) визначається з топографічної карти шляхом зняття геодезичних відміток (висот) та вираховується за формулою:

ΔZ = Zк – Zп

де Zк – геодезична відмітка (висота) над рівнем моря кінця траси трубопроводу, м;

Zп – геодезична відмітка (висота) над рівнем моря початку траси трубопроводу, м.

Порядок виконання гідравлічного розрахунку трубопроводу

Знаючи продуктивність трубопроводу та густину пального, необхідно в першу чергу визначити можливість роботи насосних станцій без перевантаження їх двигунів по потужності.

Режими роботи спарених (послідовно увімкнених) насосних станцій ПНУ-100/200М вибираються за їхніми характеристикам, які показані на рисунку 3. При цьому робочі режими насосних станцій визначаються без запасу потужності. Визначення робочого режиму насосних станцій, які складаються з двох насосних установок ПНУ-100/200М, необхідно проводити з урахуванням допустимого тиску на виході другої насосної установки по ходу перекачування, який не повинен перевищувати 5 МПа.

Рис.3. Характеристика двох послідовно включених насосних станцій ПНУ-100/200М:

Q-H – при частоті обертання валу двигуна, об/хв: 1 – 1700; 2 – 1500; 3 – 1300; 4 – Q-η насоса, %.

Режими роботи насосної станції ПНУ-200 визначаються по характеристикам "Q-Н" (рисунок 4), побудованим для різної частоти обертів валу двигуна від 1100 до 1500 об/хв. Характеристика "Q-Н" ліворуч, праворуч і зверху обмежена лініями 1,2,3,4, котрі утворюють робоче поле насосної установки. Робота насосної станції за межами робочого поля при перекачуванні нафтопродуктів з густиною від 765 кг/м³ до 1000 кг/м³ недопустима, так як у цьому випадку тиск на виході з насосу насосної станції, або відбираєма потужність від двигуна буде перебільшувати допустиму величину. Таким чином, дані характеристики дозволяють визначити режими роботи насосної станції ПНУ-200 при перекачуванні нафтопродуктів з густиною від 765 кг/м³ до 1000 кг/м³ при умові, що потужність яка відбирається від двигуна і тиск на виході насосної станції не перевищать допустиму величину. При густині, нафтопродуктів, які перекачуються, нижче 765 кг/м³ і до 710 кг/м³ напір насосної станції визначається на продовжені характеристики "Q-Н", побудованої для частоти обертів валу двигуна 1500 об/хв (лінія 3).

Рис.4. Характеристика пересувної насосної установки ПНУ-200 при різній частоті обертів n валу двигуна:

1,2,3,4 – лінії, котрі утворюють робоче поле насосної установки; 5 – залежність к.к.д. насоса від подачі.

Коли необхідна робота насосної станції при менших подачах з тим же напором, з метою збільшення дальності перекачування пального необхідно зменшити частоту обертів вала двигуна установки.

Нова частота обертів вала двигуна визначається таким чином. По шкалі ρ (рисунок 4) знаходимо точку, яка відповідає густині продукту що перекачується, та з неї піднімаємо перпендикуляр до лінії 2. З точки перетину проводимо горизонтальну лінію до перетину її з перпендикуляром, виставленим з точки шкали Q,, що відповідає меншій подачі. Точка перетину дасть значення нової частоти обертів вала двигуна ПНУ-200. Для густини продукту нижче 805 кг/м³ перпендикуляр із точки шкали ρ встановлюється до перетину з лінією 3.

Рис.5. Залежність дозволеної потужності (Ne) двигуна насосної станції ПНУ-200 від частоти обертів n вала двигуна.

У кожному випадку визначення можливого режиму роботи ПНУ-200, спарених насосних станцій ПНУ-100/200М необхідно уточнити потужність, що відбирається від двигуна, для того щоб вона не перевищувала допустиме значення.

Потужність, яка відбирається від двигуна насосної станції N_BД (кВт) визначається за формулою.

(2)

де η_н – к.к.д. насоса при розрахунковій продуктивності (визначається з характеристики насосної установки, рис. 3, 4);

η_р – к.к.д. редуктора ПНУ-100/200М і гідропередачі ПНУ-200;

Q – задана продуктивність трубопроводу, м³/год;

H_Q – створюваний насосною установкою напір при заданій продуктивності, м;

g – прискорення вільного падіння, рівне 9,81 м/с²;

ρ – густина пального при температурі перекачування, кг/м³.

При визначенні потужності яка відбирається від двигуна необхідно користуватися даними таблиці 1.

Таблиця 1.

Дані для розрахунку потужності, яка відбирається від двигуна насосної установки

Показник	ПНУ-100/200М	ПНУ-200
К. к.д. редуктора (гідропередачі) Допустима потужність двигуна, кВт	0,96 125 при 1700 об/хв	0,92 Згідно рисунку 5

Для визначення допустимої потужності двигуна насосної станції ПНУ-200 необхідно користуватися графіком (рисунок 5). З цього графіка видно, що із зменшенням частоти обертів вала двигуна відбираємо з нього потужність повинна бути зменшена у відповідності до верхньої граничної лінії.

Коли потужність, що відбирається від двигуна насосної станції перевищує допустиме значення, необхідно зменшити продуктивність перекачування пального по трубопроводу. Якщо ж потужність, що відбирається від двигуна насосної станції нижче допустимої, можна дещо збільшити продуктивність перекачування з обов'язковою перевіркою після цього величини відібраної від двигуна потужності.

Втрату напору (тиску) на 1 км трубопроводу можна визначити аналітичним і графічним способами. При визначенні втрати напору аналітичним способом спочатку знаходиться швидкість V (м/с) руху пального по трубопроводу

(3)

де F – площа перерізу трубопроводу, м²;

Q – продуктивність перекачування, м³/с;

d – внутрішній діаметр трубопроводу, м.

Для ПМТП-150 швидкість руху визначається за формулою:

(4)

а для ПМТП-100 – за формулою

(5)

Потім визначається режим перекачування, який характеризується числом Рейнольдса Re

(6)

Коефіцієнт гідравлічного опору λ (коефіцієнт Дарсі) для трубопроводів ПМТП-150 і ПМТП-100 визначається за формулою:

   (7)

Втрата напору h (м) на 1 км трубопроводу визначається за формулою

(8)

де l – довжина трубопроводу, що дорівнює 1000 м.

Втрата тиску р (МПа) на 1 км трубопроводу визначається за формулою

(9)

Крім аналітичного способу (за формулами) втрати напору на 1 км трубопроводу орієнтовно можна визначити за допомогою графіка, (дивись рисунок 6). Графік представляє собою залежність втрат напору від продуктивності в трубопроводах при перекачуванні по них різних сортів пального з в’язкістю до 0,7*10^-4 м²/с.

В таблицях (додаток 9, 10) книги Полевые магистральные трубопроводы повышенной производительности. Руководство по эксплуатации. – М.: ВИ, 1982 наведені розрахункові значення втрат напору на 1 км трубопроводу при перекачуванні нафтопродуктів з різною продуктивністю та в’язкістю.

Для достовірності дані розрахунків втрат напору за формулами (3-8) необхідно співставляти з даними, отриманими з гідравлічних характеристик трубопроводу (рис.6.) або ж з таблиць (додаток 9) книги Полевые магистральные трубопроводы повышенной производительности. Руководство по эксплуатации. – М.: ВИ, 1982.

Рис.6. Графік для визначення орієнтовних втрат напру h на 1 км в трубопроводах ПМТП-150 і ПМТП-100 при перекачуванні нафтопродуктів з різною продуктивністю Q.

Для розрахунку кількості насосних станцій, потрібних для перекачування пального по трубопроводу, необхідно визначити втрати тиску по всій довжині трубопроводу, які складаються з гідравлічних втрат на тертя по довжині трубопроводу і втрат тиску для підйому рідини на висоту перевищення кінцевої точки трубопроводу над початковою. Загальні втрати тиску Р_L (МПа) у трубопроводі визначаються за формулою

(10)

де К – поправочний коефіцієнт, що враховує збільшення довжини трубопроводу за рахунок рельєфу місцевості і його вигинів в горизонтальній площині (питання 2, заняття 3/2);

р – втрата тиску на 1 км трубопроводу, МПа;

L – довжина трубопроводу, яка вимірюється курвіметром по карті, км;

∆Z – різниця геодезичних відміток кінця і початку трубопроводу, м.

Тоді кількість насосних станцій n (шт.) дорівнюватиме

, (11)

Приймаємо 3

де Р_роб – робочий тиск однієї насосної станції, МПа.

Величина n, знайдена за формулою, може вийти у вигляді дробового числа. Приймати слід меншу кількість насосних станцій, якщо це не спричинить збільшення робочого тиску кожної насосній станції більш ніж на 0,2 МПа. При більшому збільшенні робочого тиску кількість насосних станцій округляється до більшого числа і визначається новий робочий тиск P_роб1 кожної насосної станції. При цьому нове значення робочого тиску кожної насосної станції можна визначити за формулою

, (12)

де b – різниця в підрахованому за формулою (11) і знову прийнятому значеннях числа насосних станцій;

n₁ – знову прийняте значення числа насосних станцій для трубопроводу.

У цій формулі «+» береться, коли число насосних станцій зменшується відносно розрахованого за формулою (11), а «–» – коли збільшується число насосних станцій.

У випадках збільшення робочого тиску насосних станцій необхідно уточнювати за формулою (2) значення потужності, відібраної від двигуна насосної станції, з тим щоб вона не перевищувала допустиму величину. Для насосних станцій зазвичай встановлюється такий тиск на вході в насос Рвх:

- ПНУ-200 – 0,2-0,3 МПа;

- ПНУ-100/200М – 0,2 МПа.

Тоді тиск на виході насосної станції Рвих буде складати