ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЬ 2 часть
.pdfСПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
дения напора и коммуникацией представляет остаточный напор в данной точке трубопровода.
Линию упругости паров откладывают ниже и эквидистантно линии
падения напора на расстоянии H |
= |
Pу |
, где P – давление упругости па- |
|
r × g |
||||
у |
|
у |
||
|
|
ров сливаемого нефтепродукта для самой высокой температуры для дан- ной местности. Если линия упругости паров не пересекает линию комму- никации, то система запроектирована правильно, слив осуществляется нормально. Если линия упругости паров пересекает коммуникацию, то об- разования газовых пробок в трубопроводе можно избежать, используя один из следующих методов:
·изменением конфигурации сливного стояка;
·увеличением диаметра отдельных участков коммуникации;
·уменьшением длины последнего участка коммуникации;
·заглублением насосной станции;
·применением погружного эжектора, с помощью которого умень- шается высота всасывания.
Если линию падения напора отложить под уровень нефтепродукта, то получится линия вакуума a′′,b′′,c′′, d′′,e′′, f ′′. Любая ордината, прове-
денная между линией вакуума и линией коммуникации, представляет со- бой величину разряжения в данной точке коммуникации. Ордината ff ′′ ха-
рактеризует разряжение, которое должен создать насос для выкачки неф- тепродуктов с заданной производительностью. Если линия вакуума пере- секает коммуникацию, то это означает, что участки трубопровода, лежа- щие ниже линии вакуума, находятся под избыточным давлением.
6.6. Гидравлический расчет разветвленных трубопроводных коммуникаций
Насосные и компрессорные станции обычно имеют сложную систе- му трубопроводов, и один или несколько насосов или компрессоров могут одновременно обслуживать несколько трубопроводов и резервуаров.
При работе насоса на один или несколько последовательно соеди- ненных трубопроводов требуемая подача насоса Qн принимается равной заданной пропускной способности такого трубопровода. Суммарная ха- рактеристика Q-H последовательно соединенных нескольких трубопрово- дов получается сложением напоров.
41
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
При работе насоса на несколько параллельно соединенных и одно- временно работающих трубопроводов требуемая подача насоса принима- ется равной сумме пропускных способностей этих трубопроводов. При этом суммарная характеристика этих трубопроводов получается сложени- ем подач.
На примере рассмотрим работу центробежного насоса на параллель- ные трубопроводы: центробежный насос из резервуара а (рис. 8.6) перека- чивает нефтепродукт в резервуары б и в.
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
Q-H |
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
3 |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
||||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1+2+3+4
Hp |
|
|
|
|
|
|
|
|
3+4 |
||
m |
|||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
а
n
2
б
1
1+2
в
|
|
|
|
|
|
Q3 |
|
|
|
Q |
Q4 |
|
Q2 |
|
Q1 |
|
|
Qp |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8.6. Построение совмещенной характеристики при работе насоса на параллельные трубопроводы
Поскольку трубопроводы 1 и 2 работают параллельно, их суммарная характеристика 1-2 строится горизонтальным сложением от уровня нефте- продукта в резервуаре а. Характеристику параллельно работающих трубо- проводов 3 – 4 строят от соответствующих уровней в резервуарах б и в, а их суммарную характеристику 3-4 находят горизонтальным сложением.
Полная характеристика системы трубопроводов 1-2-3-4 находится вертикальным сложением характеристик 1-2 и 3-4 как для последовательно работающих трубопроводов. Точка пересечения 0 характеристики Q-H на- соса с характеристикой 1-2-3-4 трубопроводов определяет фактическую по- дачу насоса QP и напор Нр.. Снося по вертикали рабочую точку 0 на харак-
42
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
теристики 1-2 и 3-4, а с них – по горизонтали на характеристики 1, 2, 3, 4. Определим фактическую пропускную способность отдельных трубопрово- дов (Q1, Q2, Q3, Q4). Если окажется, что рабочей будет точка m, то нефтепро- дукт в резервуар в поступать не будет, и перекачка будет производиться только в резервуар б. Если рабочей окажется точка n, то нефтепродукт в ре- зервуар б будет подаваться насосом и самотеком из резервуара в.
МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
План лекций
1.Устройство насосных станций.
2.Оборудование насосных станций.
3.Подбор насосов и приводных двигателей.
4.Расчет фундаментов под насосные агрегаты.
5.Технологические схемы трубопроводов.
6.Технологический расчет трубопроводов:
∙механический расчет трубопроводов;
∙гидравлический расчет изотермических трубопроводов;
∙гидравлический расчет неизотермических трубопроводов;
∙гидравлический расчет коллекторов;
∙гидравлический расчет сифонных трубопроводов;
∙гидравлический расчет разветвленных трубопроводов.
Вопросы для предварительного контроля
1.Устройство насосных станций.
2.Оборудование насосных станций.
3.Технологические схемы трубопроводов.
4.Технологический расчет трубопроводов:
∙механический расчет трубопроводов;
∙гидравлический расчет изотермических трубопроводов;
∙гидравлический расчет неизотермических трубопроводов;
∙гидравлический расчет коллекторов;
∙гидравлический расчет сифонных трубопроводов;
∙гидравлический расчет разветвленных трубопроводов.
43
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Гидравлический расчет трубопроводов и коллекторов нефтебаз. Подбор насосного оборудования нефтебаз
Цель гидравлического расчета трубопроводных коммуникаций слива нефтепродуктов – определение диаметров трубопроводов, при которых будут обеспечены нормальная работа насосов с заданным расчетным рас- ходом, безопасность эксплуатации и нормативные сроки слива нефтепро- дуктов.
Гидравлическим расчетам сливных коммуникаций должны предше- ствовать следующие работы: выбор и обоснование времени слива; разра- ботка технологической схемы; расстановка технологической арматуры; определение основных высотных отметок; определение расчетного расхо- да, вязкости нефтепродукта при минимальной рабочей температуре и ра- бочего давления
1. Определение времени слива нефтепродуктов из транспортных емкостей
Необходимость определения времени опорожнения цистерн характе- ризуется неустановившимся течением нефтепродукта в сливной коммуни- кации вследствие изменения во времени уровня нефтепродукта в цистерне, а следовательно, и напора, под действием которого происходит истечение нефтепродукта.
Слив нефтепродуктов из железнодорожных цистерн
Слив нефтепродуктов через короткий патрубок
При сливе нефтепродуктов самотеком через сливной прибор желез- нодорожной цистерны в межрельсовый коллектор можно принять h = 0 и р1 = р2 = Ра – атмосферному давлению, т.к. имеется «открытый» слив в межрельсовый коллектор или лоток; для определения времени полного слива необходимо принять zкр.= 0.
t0 |
= |
4 |
× |
LD |
D |
|
, |
(8.65) |
|
m0 f |
|
|
|||||
|
3 |
|
2g |
|
||||
где L – длина, м;
D – диаметр котла цистерны, м;
f– площадь сечения сливного прибора, м2;
μ0 – коэффициент расхода сливного прибора цистерны.
44
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
Для универсального сливного прибора (d = 0,2 м и h = 0,56 м) в ин- тервале изменения кинематической вязкости сливаемых нефтепродуктов от 1·10-4 до 653·10-4 м2/с коэффициент расхода определяется по формуле
μ0 = |
1 |
, |
(8.66) |
|
|||
|
238ν + 1,29 |
|
|
где ν – вязкость нефтепродукта, м2/с.
Слив нефтепродукта через длинный патрубок
При сливе нефтепродуктов самотеком через специальные устройства нижнего слива в безнапорные коллекторы или в приемный патрубок без учета изменения в них уровня нефтепродукта можно принять р1 ≈ р2, тогда
|
|
4L |
D |
|
|
h |
|
|
|
|||
τ = |
|
|
|
|
|
|
ϕ |
|
|
, |
(8.67) |
|
μ |
|
|
|
|
|
D |
||||||
|
3 |
|
c |
f |
|
2g |
|
|
|
|
|
|
где μc |
– коэффициент расхода сливного устройства; |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
функция равна ϕ |
h |
= |
D + h |
2h |
|
+ 1 E (k ) − |
2h |
K (k ) |
; |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
||
|
|
D |
D |
D |
|
|
||||||||
k – |
модуль эллиптических интегралов, |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
k = |
|
D |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
+ h |
|
|
|
||||
для сливного устройства, имеющего d = 0,15 м и h = 1,16 м, при из- менении вязкости в интервале от 1·10-4 до 70·10-4 м2/с при р1= р2
μc = |
1 |
. |
(8.68) |
|
|||
|
2200ν + 3,78 |
|
|
Из расчетов следует, что время самотечного слива через специаль- ный трубопровод τ будет меньше времени слива через короткий патрубок τ0 в том случае, когда при увеличении дополнительного напора h потери напора на трение за счет возрастания длины сливной коммуникации будут меньше.
Слив нефтепродуктов из автомобильных цистерн
По форме сечения автомобильные цистерны подразделяются на три типа: круглые, эллиптические и прямоугольные (квадратные). Наибольшее распространение получили цистерны эллиптического сечения.
Если истечение происходит через короткий патрубок, для которого
(h/d) ≤ 3, то φ(h/В) ≈ 1, то
45
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
t0 |
= |
4 |
× |
LA |
B |
|
, |
(8.69) |
|
mf |
|
|
|||||
|
3 |
|
2g |
|
||||
где А и В – большая и малая оси эллипса, м;
L– длина цистерны, м;
μ– коэффициент расхода сливного устройства.
Слив маловязких нефтепродуктов, перевозимых в автомобильных цистернах, происходит при турбулентном режиме, это позволяет принять
μ= const.
2.Расчет пропускной способности безнапорных трубопроводов круглого сечения
При герметизированном нижнем сливе коллектор укладывают па- раллельно железнодорожному пути на расстоянии не менее 1,8 м от оси пути. При самотечном сливе эти коллекторы представляют собой безна- порные трубопроводы круглого сечения.
В случае ламинарного режима течения вязкого нефтепродукта в ци- линдрической трубе со свободной поверхностью расход может быть най- ден на основании интегрирования уравнений Навье – Стокса с использова- нием биполярных координат. Расход нефтепродукта в соответствии с по- лученным решением определяем по формуле
Q = |
p × g × R4ic |
j(e) , |
(8.70) |
|
|||
k |
8n |
|
|
|
|
|
|
где ε – степень заполнения трубы
Функция j(e) представляет собой отношение расходов при непол-
ном заполнении Qk к расходу при полном заполнении сечения трубы и оп- ределяет влияние степени заполнения трубы на расход при полностью за-
полненном сечении ε = 1 и j(e) = 1. |
|
Расход при сливе одной цистерны расход определяют |
|
q = mf 2gz . |
(8.71) |
Расход для коллекторов рассчитывают для нескольких цистерн или целого маршрута. При этом Qр определяют с учетом неодновременности начала слива из различных цистерн. Время запаздывания ∆τ складывается из времени, затрачиваемого на подготовительные операции – открытие люка цистерны и подключение сливного трубопровода. Расход из первой цистерны при нижнем сливе нефтепродукта самотеком, откуда только на- чался слив, будет
46
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
q1 = μf |
2gDц |
. |
(8.72) |
Если из второй цистерны слив начался раньше на ∆τ, то
|
|
|
|
|
2 / 3 . |
|
q |
= q |
1 − |
|
Δτ |
(8.73) |
|
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τ0 |
|
|
Расход из третьей цистерны, сливающейся в течение 2∆τ времени, будет еще меньше и составит
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 / 3 |
|
|
|
|
|||
q |
= q |
1 − |
|
2Δτ |
|
. |
|
|
(8.74) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
τ0 |
|
|
|
|
|||||||||||||
3 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Расход из i-ой цистерны, слив которой начался раньше на i∆τ, будет |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 / 3 . |
|
||||||||
q = μf |
|
|
|
1 − |
(i −1) Δτ |
|
|||||||||||
2gD |
|
(8.75) |
|||||||||||||||
i |
ц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
||
Число сливаемых цистерн n может не равняться числу цистерн в |
|||||||||||||||||
маршруте N, поданных под слив. При этом n находится из условия |
|
||||||||||||||||
|
n Δτ = τ |
0 |
, |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
отсюда |
|
|
|
|
|
τ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n = a |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
(8.76) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
Δτ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где а – число одновременно обрабатываемых цистерн бригадой сливщи- ков.
Расчетный расход в коллекторе равен сумме расходов из n цистерн
n / a |
|
Qk = a ∑ qi = Qp . |
(8.77) |
i =1 |
|
Таким образом, гидравлический расчет коллекторов сводится к на- |
|
хождению размеров поперечного сечения при известном расходе Qp |
и за- |
данном уклоне iс, чтобы выполнялось условие Qp = Qk . Обычно iс прини-
мают в пределах 0,005 – 0,01.
Из формулы (8.70) находим радиус коллектора Rk. По известному ра- диусу определим диаметр коллектора
47
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
π |
|
= 2Rk. |
|
dk |
2 |
− θ |
|
|
|
|
|
При данном dk рассчитывают скорость движения нефтепродукта по трубопроводу v, она не должна превышать допустимую скорость истечения и движения жидкости, которая принимается по рекомендациям ВНТП 5-95, в зависимости от объемного электрического сопротивления.
Либо по ВНТП 5-95 принимаем рекомендуемую скорость движения жидкости по коллектору v, а диаметр коллектора находим по формуле
d = |
4Qk |
, |
(8.78) |
|
|||
k |
πv |
|
|
|
|
|
|
где Qк – расход в коллекторе, м3/с;
v – допустимая скорость движения нефтепродукта, м/с.
Полученные значения dк округляют до ближайшего стандартного размера и производится перерасчет скорости движения нефтепродукта по коллектору при стандартном диаметре dк.
3. Расчет пропускной способности отводной трубы
Пропускную способность отводной трубы при подключении к сере- дине сливного коллектора рассчитывают по удвоенному расходу в коллек- торе Qот.=2Qk (при самотечном течении).
По ВНТП 5-95 принимаем скорость движения нефтепродукта по трубопроводу и рассчитываем диаметр отводной трубы:
d |
от. |
= |
4Qот |
. |
(8.79) |
|
|||||
|
|
πv |
|
||
|
|
|
|
||
Полученные значения dот. округляют до ближайшего стандартного размера и производят перерасчет скорости движения нефтепродукта по коллектору при стандартном диаметре dот.
Потери напора в коммуникациях определяются по следующему уравнению
|
Н = ∑ hτ+ ∑ hζ+∆Ζ, |
(8.80) |
где hτ – |
суммарные потери напора на трение, м; |
|
hζ – |
суммарные потери напора в местных сопротивлениях, м; |
|
∆Ζ – разность отметок, равная высоте взлива нефтепродукта в резер- вуаре, м.
∆Ζ принимаем равным высоте резервуара с учетом, что цистерна и резервуар расположены на одном уровне.
48
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
Потери на трение находим по формуле Дарси-Вейсбаха
|
h = l |
L |
|
v2 |
, |
(8.81) |
|
|
|
||||
|
τ |
d 2g |
|
|
||
|
|
|
|
|||
где λ – |
коэффициент гидравлического трения; |
|
||||
L – |
длина трубопровода, м. |
|
|
|
|
|
Величина l π зависит от режима течения жидкости, |
характеризуе- |
|||||
|
2 |
|
|
|
|
|
мого критерием Рейнольдса (Re) и эквивалентной абсолютной шерохова- тостью kэ
Re = |
vd |
= |
4Q |
. |
(8.82) |
|
|
||||
|
n |
pdn |
|
||
При Re ≤2000 течение нефтепродукта происходит при ламинарном режиме, величину λ для круглых труб определяют по формуле Стокса:
λ = 64 . Re
При 2320≤ Re ≤104 – режим «переходный турбулентный», величину λ определяют по формуле Френкеля
l = 2,7
Re0,53
или по формуле |
|
l = |
64 |
(1 - g) + |
0,3164 |
|
× g , |
|
||||||||||
Re |
Re0,25 |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где γ – |
коэффициент перемежаемости, γ = 1 − e−0,2(Re−2320) . |
|||||||||||||||||
При относительно небольших числах 104≤ Re ≤ |
27 |
– зона гидрав- |
||||||||||||||||
1,143 |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
лически гладких труб, величину λ определяют по формуле Блазиуса |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
l = |
0,3164 |
. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Re0,25 |
|
|
|
|
|
||||
При |
|
27 |
|
≤Re ≤ |
500 |
– зона смешанного трения, величину λ опреде- |
||||||||||||
|
e1,143 |
|
||||||||||||||||
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ляют по формуле Альтшуля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
l = 0,11 |
68 |
+ |
kэ |
. |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Re |
|
d |
|
|||||
49
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
500
При Re ≥ ε – зона квадратичного сопротивления, величину λ оп-
ределяют по формуле Шифринсона
0,25
λ = 0,11 kэ .
d
Подбор насосного оборудования
При имеющейся подаче Qр определяют необходимый напор насоса Нн
Hн = hτ |
+ hτн + ∑hм |
± z + |
pкон. − pнач. |
, |
(8.83) |
|
|||||
|
вс. |
|
gρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
где hτвс. , hτн – потери напора во всасывающем и нагнетательном трубо-
проводах при известной подаче, м;
hм – суммарные потери на местное сопротивление, м;
z – расчетная разность геодезических отметок трассы трубопрово-
да, м.
По известным Qн и Нн по каталогу подбирают насос. В большинстве случаев предпочтение отдают центробежным насосам.
Насос подбирают по условию, что его номинальная подача и напор – не ниже требуемых. Поскольку требуемые и фактические значения подачи и напора в большинстве случаев не совпадают, то для определения факти- ческих значений подачи Qр и напора Нр, а также для определения рабочего диапазона подач (по максимальному кпд) строят совмещенную характери- стику Q – Н насоса и трубопровода. При этом характеристику насоса берут из каталога или из его технического описания, а характеристику трубопро- вода строят по (8.83) при разных значения пропускной способности Q в диапазоне 0≤ Q ≤Qmax.
При правильном выборе насоса фактическое значение кпд должно быть близким к его максимальному значению, а рабочий диапазон подач находится в зоне наибольших значений кпд.
Характеристики центробежных насосов в каталоге или в техниче- ском паспорте обычно даются в расчете на перекачку воды.
При вязкости перекачиваемого нефтепродукта свыше 0,5 см2/с «во- дяные» характеристики центробежного насоса следует пересчитать на пе- рекачиваемый нефтепродукт с помощью поправочных коэффициентов по соотношениям
50