Задачник по трубопроводному транспорту нефти нефтепродуктов и газа
..pdf21
(23)
Re
По мере увеличения числа Рейнольдса ( R e> 2300) течение жидкости в трубопроводе постепенно теряет гидродинамическую устойчивость и переходит в турбулентное, то есть завихренное с перемешивающимися слоями. Наиболее известной формулой для расчета коэффициента X в этом случае является формула Альтшуля:
справедливая в широком диапазоне чисел Рейнольдса, начиная от 104 до 106 и выше.
Если 104 < Re< 27/е1,143 , то формула Альтшуля переходит в
другую формулу - формулу Блазиуса:
0,3164
(25)
имеющую ту характерную особенность, что в нее так же, как и в формулу Стокса для ламинарного режима, не входит величина Е относительной шероховатости внутренней поверхности трубо провода. Последнее означает, что в рассматриваемом диапазоне чисел Рейнольдса трубопровод ведет себя как гладкий, поэтому течение жидкости в этом диапазоне называют даже течением в
гидравлически гладкой трубе.
В области перехода течения от ламинарного к турбулентно му, т. е. в диапазоне чисел Рейнольдса от 2320 до 104, можно ис пользовать аппроксимационную формулу Гинзбурга:
(26)
22
в которой у* = i - e -0,002^ 232°) - коэффициент перемежае мости. Очевидно, что конструкция последней формулы обеспечивает непрерывность перехода от формулы Стокса для ламинарного режима течения к формуле Блазиуса для турбулентного режима в зоне гидравлически гладких труб.
Если же Re> 500/е, то вторым слагаемым в круглой скобке формулы Альтшуля можно пренебречь по сравне нию с первым, откуда следует, что при “больших” скоро стях трение жидкости определяется, главным образом, сте пенью гладкости внутренней поверхности трубопровода, то есть параметром е. В этом случае можно использовать бо лее простую формулу - формулу Шифринсона:
X = ОД 1 - е°25 |
(27) |
Отсюда следует, что сопротивление трения пропорциональ но квадрату средней скорости жидкости, из-за чего рас сматриваемый режим течения называют квадратичным.
|
ЗАДАЧИ |
|
21. |
Средняя по сечению скорость v |
течения нефти |
( р = 900 |
кг/м3) в трубопроводе (D = 1020 |
мм; 6 = 10 мм) |
равна 1,0 м/с. Определить годовую пропускную способность нефтепровода.
Ответ. 21,365 млн. т/год. |
|
|
|
22. Нефтепродуктопровод состоит из двух |
последова |
||
тельно соединенных участков: |
первого |
с |
диаметром |
D, =530 мм и толщиной стенки |
6, = 8 |
мм, и |
второго с |
23
диаметром D 2 = 377 мм и толщиной стенки 52 = 6 мм.
Скорость стационарного течения бензина в первом участке составляет 1,2 м/с. Какова скорость течения бензина во вто ром?
Ответ. 2,38 м/с.
23. Перекачка нефти (р = 890 кг/м3; р = 0,015 Пз.) ве дется по нефтепроводу (D = 530x8 мм) с расходом 800 м /ч. Определить режим течения и вычислить коэффициент гидравлического сопротивления.
Ответ’. Турбулентный режим в области гидравлически гладких труб; X = 0,0236.
24. Перекачка бензина Аи-92 (р = 750 кг/м3; р = 0,5 сПз.) ведется по нефтепродуктопроводу (D = 530x8 мм; А = 0,22 мм) с расходом 1100 м3/ч. Определить режим те чения и коэффициент гидравлического сопротивления.
Ответ: Турбулентный режим в области квадратичного трения; X = 0,016.
25. Дизельное топливо Л-02-62 (р = 840 кг/м3; р = 4,0 сПз.) транспортируют по нефтепродуктопроводу ( D = 530 мм; 8 = 8 мм; А = 0,22 мм) с расходом 700 м3/ч. Определить режим течения и вычислить коэффициент гидравлического сопротивления.
Ответ: Турбулентный режим в области смешанного трения; X = 0,020.
26. Чему равен гидравлический уклон на участке трубо провода (D = 377 мм, 8 = 8 мм, А = 0,15 мм), транспорти рующего дизельное топливо ( v = 5 сСт.) с расходом 250 м3/ч?
Ответ. 1,37 м/км.
27. Данные о профиле нефтепровода, транспортирую щего сырую нефть ( р = 850 кг/м3), приведены в нижесле дующей таблице
|
|
|
24 |
|
|
|
|
X, км |
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
Z, м |
100 |
150 |
200 |
100 |
50 |
50 |
150 |
р, МПа |
5,0 |
|
|
|
|
|
0,5 |
(х координата сечения; z - геодезическая отметка). Найти давления в сечениях, пропущенных в таблице. Упругостью насыщенных паров нефти пренебречь; давление, выражен ное в МПа, округлить с точностью до десятых.
Ответ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
X, км |
0 |
20 |
40 |
|
60 |
80 |
100 |
120 |
р, МПа |
5,0 |
3,9 |
2,8 |
|
3,0 |
2,7 |
2,0 |
0,5 |
28. Данные о профиле нефтепродуктопровода, транс- |
||||||||
портирующего бензин А-80 |
( р = 735 |
кг/м ), |
приведены в |
|||||
нижеследующей таблице |
|
|
|
|
|
|||
|
X, км |
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
|
|
Z, м |
75 |
120 |
180 |
160 |
130 |
30 |
|
|
р, МПа |
|
3,8 |
|
2,6 |
|
|
|
(х координата сечения; z - геодезическая отметка). Найти давления в сечениях, пропущенных в таблице. Давление, выраженное в МПа, округлить с точностью до десятых.
Ответ. |
|
|
|
|
|
|
X, км |
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
р, МПа |
4,6 |
3,8 |
2,9 |
2,6 |
2,4 |
2,6 |
29.Построить гидравлическую ( Q - H ) — характеристи
ку линейного участка нефтепровода ( D = 325 х 8 мм, L = 180 км), по которому транспортируется нефть ( v = 20 сСт), если известно, что профиль нефтепровода монотонно опускается вниз от отметки z H= 200 м в начале участка до отметки zK= 100 м в его конце. Потерями на местных со
противлениях пренебречь. Указание. Заполнить пустые ячейки таблицы:
Q, м3/ч |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
Н, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
25 |
|
|
Ответ. |
|
|
|
|
|
Н, м |
22 |
307 |
404 |
645 |
924 |
30.Построить гидравлическую ( Q - H ) - характеристи
ку участка нефтепродуктопровода (D = 530 мм, 5 = 7 мм; А = 0,2 мм, L = 125 км), по которому транспортируется
дизельное топливо Л-05-62 (р = 840 кг/м3, v = 9 сСт), если известно, что профиль трубопровода монотонно поднимает ся вверх от отметки zH= 75 м в начале участка до отметки
zK= 180 м в его конце. Потерями на местных сопротивле ниях пренебречь. Указание. Заполнить пустые ячейки таб
лицы; |
|
|
|
|
________ |
Q, м3/ч |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
Н, м |
|
|
|
|
|
Ответ. |
|
|
|
740 |
|
Н, м |
408 |
479 |
559 |
646 |
|
31. Нефтепродуктопровод состоит из двух последова |
|||||
тельно соединенных |
участков: первого |
D, = 5 3 0 x 8 мм, |
|||
Ь, = 60 |
км, и второго - D 2 = 377 х 6 мм, |
L2 = 30 км. Ско |
|||
рость стационарного течения |
бензина ( v = 0,6 |
сСт) в пер |
|||
вом участке составляет 1,2 м/с. Зная что шероховатость А внутренней поверхности участков составляет 0,15 мм, найти
потери напора в нефтепродуктопроводе.
Ответ. 501 м.
32. По участку нефтепровода (D = 820x8 мм, L = 140 км, А = 0,2 мм, zH=120 м, zK=160 м) перекачивают ма ловязкую нефть (р = 850 кг/м3, v = 7 сСт) с расходом 2500 м3/ч. Какое давление необходимо поддерживать в начале участка, если в конце участка оно равно 3 атм.? Известно также, что все сечения нефтепровода заполнены нефтью полностью.
Ответ. 31.6 атм. ( —3,1 МПа).
26
33. Сырая нефть ( р = 890 кг/м3, v = 10 сСт.) течет в практически горизонтальном участке нефтепровода (D = 820x10 мм, L = 140 км) под действием разности дав лений между началом и концом участка, равной 15 атм. Найти расход перекачки.
Ответ: 1809 м3/ч.
34. Бензин А 76 ( р = 740 кг/м3, v = 0,6 сСт.) перекачи вают по трубопроводу (D = 530x7 мм, А = 0,2 мм; L = 1 2 0 км; zH= 50 м, zK= 100 м), при этом давление в начале тру
бопровода составляет 55 атм., а в конце - 3 атм. Найти рас ход перекачки.
Ответ’. 1475 м3/ч.
35. Пропускная способность G B участка нефтепродук-
топровода (D = 530x8 мм, А = 0,15 мм, L = 125 км,
zH= 50 м, zK= 150 м, где zH,z K- высотные отметки нача ла и конца участка, соответственно) составляет на бензине
( р Б =740 кг/м3, у б =0,6 |
сСт) 8,0 млн.т/год. Какова пропу |
скная способность |
того же участка трубопровода на |
дизельном топливе ( р д |
=840 кг/м3,у д =6,0 сСт), если из |
вестно, что давления в начале и конце участка при переходе с перекачки бензина на дизельное топливо не изменяются, а 1 год составляет 8400 часов?
Ответ. 7,34 млн.т/год.
1.3. ТРУБОПРОВОДЫ С САМОТЕЧНЫМИ УЧАСТКАМИ; ВСТАВКИ, ЛУПИНГИ, ОТВОДЫ
Справочный материал
Самотечным называется участок [х ,,х 2] трубопровода, на котором жидкость течет неполным сечением, самотеком, под действием силы тяжести, рис. 1.5.
27
У
Рис. 1.5. Самотечный участок в трубопроводе
Давление в парогазовой полости над свободной поверхно стью жидкости остается практически постоянным, равным упру гости р у насыщенных паров транспортируемой жидкости, по
этому течение на самотечном участке называют безнапорным. При этом разность напоров между сечениями х, (началом само течного участка) и х2 (концом самотечного участка) существует и равна разности ( z, —z2) высотных отметок этих сечений
Стационарные самотечные участки в трубопроводе могут существовать только на нисходящих сегментах.
Начало П каждого стационарного самотечного участка в трубопроводе называется перевальной точкой, рис. 1.5. На этом рисунке представлено поведение кривой гидравлического укло на, линии у = Н (х), на самотечном участке. Видно, что на этом участке линия гидравлического уклона проходит параллельно оси трубопровода на расстоянии ру /pg от нее. Гидравлический уклон течения на самотечном участке равен абсолютной величи-
28
не тангенса угла наклона профиля трубопровода к горизонту, то
ecTbi = |tgp|.
Расход Q жидкости на самотечном участке в стационарном режиме равен расходу жидкости Q0 в заполненных сечениях трубопровода
Q = v • S = v0 • S0 = QQ=const, (28)
где S,S0 — площади сечений, занятых жидкостью на самотечном
и полностью |
заполненном участках трубопровода (S < S 0), |
V, v 0 — скорости жидкости на этих участках, соответственно. |
|
Степень |
C = S/S0 заполнения самотечного участка нефтью |
может быть различной, она зависит от отношения у = i/tg|P| гидравлических уклонов (tg|p|) на самотечном участке и
ненных нефтью. Обобщив многочисленные исследования в об ласти безнапорных течений в каналах кругового сечения, можно предложить следующие аппроксимационные формулы для расче та степени заполнения сечения трубы нефтью на самотечном участке при расслоенном течении:
если у = i/tg|P| >1, о = 1. В этом случае сечение трубы за полнено полностью;
если 32,32 ■Х0 < у < 1, то
если 4,87 -Х0 < у < 32,32 • А,0, то |
(29) |
если у < 4,87 ■А.0, то
29
f 2y^0,356
0 = 0,1825-
V^o
Формулы (29) позволяют рассчитать степень О заполнения сечения трубопровода нефтью по известному отношению у гид
равлических уклонов i и tg|p| на напорном и самотечном участ
ках, соответственно.
Вставкой называют трубопроводный сегмент (ВС), как пра вило, большего диаметра, чем основная магистраль, подключае мый к ней последовательно с целью снижения гидравлического сопротивления и увеличения пропускной способности, рис. 1.6.
А |
В |
с |
|
|
----------- D |
4i |
d,,L, |
q2 d 2,L 2 |
Рис. 1.6. Участок трубопровода со вставкой
Для вставки: справедливы соотношения:
4 i = Я 2 = Q >
(30)
т.е. расходы q, и q2 нефти в основной магистрали и вставке
одинаковы, а потери напора hA_B и h B_c в каждом из последо
вательно соединенных трубопроводов складываются.
В развернутом виде система уравнений (30) имеет вид:
тс • dj |
7C-d2 |
~ |
|
|
v ,— — = v2— -— = Q, |
|
|
||
|
|
|
T |
(31) |
|
|
|
1 |
|
h A_c = Л-(1) (vi ,dj |
|
L2 |
V2 |
|
2g |
d2 |
' |
||
|
d, |
2g |
||
30
где L pd, и L2,V2 —длины и внутренние диаметры составляю
щих сегментов.
Лупингом (от английского слова “loop” петля) называют дополнительный трубопровод, проложенный параллельно основ ной магистрали и соединенный с ней в двух сечениях: начальном х, и конечном - х2, рис. 1.7.
|
Q |
q. |
d |
1----------- |
V |
- - - - - - |
|
|
------------------------ -------- |
||
|
■1 |
q2 |
X2 |
|
|
|
_____J |
Рис. 1.7. Схема участка трубопровода с лупингом
Для лупинга справедливы соотношения:
Q = q, + q 2-
(32)
h (l),-2 = h W,-2.
Они означают, что при разделении (иди слиянии) потоков жидко сти в точках разветвления расходы q, и q 2 складываются, а по
тери напора h ^ i-2 и h ^ i-2 в каждом из параллельно соединен ных трубопроводов приравниваются.
В развернутом виде система уравнений (32) имеет вид:
Я-d2 к - й л2
v . —— + v 2 — ~~~= Q>
4 4
(33)
d 2g |
dn 2g |