Задачник по трубопроводному транспорту нефти нефтепродуктов и газа

91

нового числа смеси от октановых чисел составляющих ее бензинов пропорциональны их концентрациям.

Ответ. 173.

138. Определить гидравлический уклон участка нефтепродуктопровода ( D = 377 х 8 мм, А = 0,2 мм), транспор­ тирующего дизельное топливо ( v = 5 сСт) с расходом 500 м3/ч. Как изменится гидравлический уклон, если по участку начнут перекачивать бензин ( v = 0,6 сСт)?

Ответ. 0,00539; 0,00453.

139. По участку нефтепродуктопровода ( D = 530 х 8 мм,

граница контакта между ними находится как раз посредине участка, причем впереди расположен бензин. Известно, что расход перекачки равен 1000 м3/ч, а напор в начале участка составляет 450 м. Считая участок практически горизонталь­ ным и пренебрегая областью смеси, построить эпюр рас­ пределения напора по длине участка.

Ответ. На первой половине участка напор линейно уменьшается от значения 450 до 223,5 м, потом напор скач­ кообразно увеличивается до 257,2 м, и, наконец, линейно уменьшается до 77,7 м в конце участка.

140.По участку нефтепродуктопровода (D = 377x7 мм,

А= 0,2 мм, L = 100 км) с расходом 500 м3/ч перекачивают

последовательно бензин ( р, = 730 KT/M3, VJ = 0,6 сСт) и

дизельное топливо (р, =845 KT/M3, V , = 9 сСт) так, что в некоторый момент граница контакта между ними находится на 30-м км, причем впереди расположено дизельное топли­ во. Считая участок практически горизонтальным и пренеб­ регая областью смеси, определить скачкообразное измене­ ние напора в месте контакта нефтепродуктов, если известно, что давление в начале участка составляет 4,5 МПа.

92

Ответ. 67,5 м.

1.9.ПЕРЕКАЧКА ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕЙ

ИНЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОДОГРЕВОМ

Справочный материал

Для снижения гидравлических потерь при перекачке высо­ ковязких нефтей и нефтепродуктов в ряде случаев используют подогрев. Трубопроводы, по которым транспортируют подогре­ тые жидкости, называют горячими.

Хотя плотность вязких нефтей и нефтепродуктов зависит от температуры, см. формулы (1)-(3), ее изменениями во многих случаях можно пренебречь, считая р = р0 = const. В то же время

зависимостью v(T) вязкости от температуры пренебрегать нельзя, поскольку от вязкости существенно зависит гидрав­

лическое сопротивление транспортируемой жидкости.

Л

Изменения кинематической вязкости v (м /с) нефтей и нефтепродуктов в зависимости от температуры Т (°С) мож­ но рассчитать по формуле Рейнольдса-Филонова:

в которой V, - вязкость жидкости при температуре Т,, а коэффициент к (l/°C ) зависит от индивидуальных свойств жидкости. Для определения к достаточно знать вязкость v2 жидкости хотя бы еще при одном значении Т2 темпера­ туры:

|с _ 1п(У|/у2)

(90)

Т2-Т ,

93

В системе единиц СИ кинематическая вязкость v изме­ ряется в Стоксах (Ст): 1 Ст = 10"4 м2/с; санти Стокс - это 1/100-Ст: 1 сСт = 10'6 м2/с.

Удельная теплоемкость Cv (Дж/кг-°С) и коэффициент

ХИ (Вт/м-° С ) теплопроводности нефти или нефтепродукта хотя и зависят от температуры, но могут приближенно при­

Теплоемкость трубы, в которой течет нефть или нефте­ продукт, определяется теплоемкостью материала, из кото­ рого эта труба изготовлена. Теплоемкость трубной стали сравнительно невелика: Сст «500 Дж/(кг-°С), но коэффи­ циент Хсх ее теплопроводности во много раз больше коэф­ фициента теплопроводности нефти: ^ст «40-5*50 Вт/(м-° С).

Окружающий трубопровод грунт (при подземной про­ кладке) по своим теплофизическим свойствам может быть весьма разнообразным. Коэффициент Хгр теплопроводно­

сти грунта равен в среднем Х^ «1 -г- 2 Вт/ м -° С , но может

лежать и вне этого диапазона. Для сухих грунтов он значи­ тельно меньше, чем для влажных и тем более для сильно обводненных.

Коэффициенты теплопроводности А,из изоляционных материалов также сильно зависят от конкретных свойств изоляции и могут изменяться от 0,02 до 0,2 Вт/( м 0 С ).

Распределение Т(х) температуры нефти или нефтепро­ дукта, имеющей плотность р , в стационарном режиме пе­ рекачки с расходом Q определяется формулой В.Г. Шухова (1853-1939):

94

д-Kd

т (х ) = Тнар.+ (То - Тнар.). е"р QCv Х (91)

где Т0 = Т(О) - температура жидкости в начале участка тру­ бопровода; Тнар - наружная температура (то есть темпера­ тура окружающей среды); р - плотность жидкости; d - внутренний диаметр трубопровода; К - коэффициент теп­ лопередачи от жидкости, текущей в трубопроводе, к окру­ жающей среде. Если в качестве окружающей среды рас­ сматривается грунт (Тнар - температура окружающего грун­

та), то К есть коэффициент теплопередачи от жидкости в грунт; если же в качестве окружающей среды рассматрива­ ется воздух на поверхности земли (Тнар - температура воз­

духа), то К есть коэффициент теплопередачи от жидкости, текущей в трубопроводе, в атмосферу. В системе СИ коэф­ фициент К измеряется в Вт/(м2 0 С) [3].

Если помимо теплопередачи от нагретой жидкости в окружающую среду рассматривается также выделение тепла в вязкой жидкости за счет сил внутреннего трения ее слоев друг о друга (диссипативный разогрев), формула В.Г. Шу­ хова представляется в виде:

7t-K-d

где Т0 - некоторая постоянная величина, имеющая размер­ ность температуры: Т ® = p g Q i0/ ( 7t - K d ) ; i0гидравли­

ческий уклон перекачки на рассматриваемом участке трубо­ провода.

95

В терминах начальной Т0 и конечной TL температур жидкости на участке трубопровода 0 < х < L формула В.Г. Шухова может быть представлена в виде:

В этой формуле коэффициент К теплопередачи явно не содержится.

Для расчета коэффициента К теплопередачи для тру­ бопровода с несколькими слоями изоляции обычно исполь­ зуют формулу

где Xs - коэффициенты теплопроводности стенки трубы и концентрических слоев изоляции; DS+1,DSнаружный и внутренний диаметры трубы и слоев изоляции; D,DHap -

наружный диаметр трубы и последнего слоя изоляции, со­ ответственно; а, - коэффициент теплоотдачи от ядра пото­

ка нефти или нефтепродукта на стенки трубы, Вт/(м2 0 с ) ; а 2 - коэффициент теплоотдачи от трубы в грунт (или от поверхности грунта в окружающий воздух), Вт/(м2 0 С ).

Коэффициент а, теплоотдачи от ядра потока жидкости на стенки трубы зависит от гидродинамической структуры течения. В среднем этот коэффициент может изменяться от 50 до 300 Вт/(м2 °С ).

96

Коэффициент а 2 теплоотдачи через грунт в окружаю­ щую среду зависит от многих факторов - от свойств самого грунта и от условий съема тепла на поверхности земли; его значения могут составлять 1,0-И 0,0 Вт/(м2 0 С ).

При длительной стационарной работе горячего трубо­ провода, проложенного в грунте, коэффициент а 2 можно рассчитать по формуле Форхгеймера, заменив в (94) произ­ ведение a 2DHap выражением

где Н - глубина заложения (оси) трубопровода; Хф - ко­

эффициент теплопроводности грунта, Вт/м °С [3].

При учете сопротивления теплоотдачи на границе “грунт-воздух” вместо последней формулы можно исполь­ зовать другую приближенную формулу:

где а 0 - коэффициент теплоотдачи от поверхности грунта в воздух; а 0 ~ 10-5-20 Вт/(м2 0 с ) . В этом случае распределе­ ние T(x,y,z) температуры в массиве грунта, окружающего трубопровод, можно приблизить формулой:

99

пературы необходимо нагреть эту нефть, чтобы ее вязкость уменьшилась в 100 раз, если известно, что при повышении температуры до 20 °С вязкость нефти снижается в 10 раз?

Ответ. 30 °С.

143. Нефть Озек-Суатского месторождения при темпе­ ратуре 30 °С имеет кинематическую вязкость 7 сСт. При снижении температуры до 20 °С ее вязкость увеличивается в 50 раз. При каких температурах вязкость данной нефти не превышает 10"4 м2/с?

Ответ. При Т > 23,2°С.

144. Какое количество тепла в единицу времени нужно передавать нефти ( р = 870 кг/м3, Cv = 2000 Дж/(кг °С)), прокачиваемой с расходом 150 м3/ч через нагревательную печь, чтобы температура нефти повысилась с 20 до 70 °С?

Ответ. 3,625 МВт (= 865,8 ккал/с).

145. Поток подогретой до температуры 50 °С нефти, движущейся с расходом 150 м3/ч, вливается в поток холод­ ной нефти (Т = 20°С), имеющей расход 300 м3/ч. Опреде­ лить температуру нефти после перемешивания двух пото­ ков.

Ответ. 30 °С.

146. Вязкость нефти (р = 870 кг/м3, Cv =1900 Дж/(кг °С) при 20 °С равна 40 сСт, а при нагреве до 50 °С она уменьша­ ется до 8,4 сСт. Сколько тепла в единицу времени необхо­ димо затрачивать на подогрев нефти, чтобы перекачивать ее с расходом 1200 м3/ч при начальной вязкости 15 сСт, если известно, что на нефтеперекачивающую станцию нефть по­ ступает с температурой 10 °С?

Ответ. 15,536 МВт.

147. По нефтепроводу (D = 1020x10 мм) транспорти­ руют нефть (р = 850 кг/м3, Cv =2000 Дж/(кг °С)) с расходом

2300 м3/ч и температурой начального подогрева Т0 = 65°С.

1*

100

Температура Тнар грунта на глубине заложения трубопрово­ да составляет 8 °С, а суммарный коэффициент К теплопе­ редачи от нефти в грунт равен 1,25 Вт/(м20С). Определить температуру нефти посредине и в конце 100-км перегона между станциями подогрева. Выделяющимся теплом внут­ реннего трения пренебречь.

Ответ. 55,6 и 47,8 °С.

148. Температура Т0 нефти в начале 110-км перегона

между станциями подогрева составляет 65 °С, а в конце пе­ регона 30 °С. Определить температуру нефти в середине перегона, если известно, что температура окружающей сре­ ды равна 10 °С.

Ответ. 44,17 °С.

149. Определить среднее значение коэффициента К те­

окружающего грунта на глубине заложения трубопровода. Ответ. 4,39 Вт/(м2 °С).

150. Замерами установлено, что коэффициент К тепло­ передачи на участке нефтепровода (D = 720х 8 мм, L = 125

не является постоянным, а имеет различные значения на различных сегментах рассматриваемого участка. Значения этого коэффициента таковы: