книги / Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа
..pdfпередача тепла текущей по трубкам нефти осуществляется за счет конвекции. Из конвекционной зоны печи продукты сгора ния через дымовую трубу 5 выбрасывается в атмосферу.
Регулирование тяги в печи осуществляется с помощью шибе ра 6. Стены печи покрыты изнутри огнеупорной обмуровкой, а снаружи тепловой изоляцией.
Рис. 7.1. Принципиальная схема радиантно-конвекционной печи Г9ПОВ:
1—металлический каркас; 2 —разделительная стенка; 3 —форсунки; 4 —тру бы змеевика для нефти; 5 - дымовая труба; 6 —шибер; I —радиантная зона; II —конвекционная зона
температурном напоре Т—Т0 и полном коэффициенте теплопе редачи К. Величину dq3можно интерпретировать как работу (пе реходящую по закону сохранения энергии в тепло), соверша емую в единицу времени при перемещении нефти с массовым расходом Gu с преодолением сопротивления idx. Наконец, ве личина dq4 есть произведение массы парафина (те, выделяю щейся в единицу времени при уменьшении температуры нефти
на d T (здесь |
% П |
|
т |
_ т —количество выделяющегося при кристал- |
|
|
1 нп |
1 КП |
лизации 1 кг парафина тепла, приходящееся на 1 градус измене
ния температуры).
Соответственно, уравнение теплового баланса для нефти, на ходящейся в участке трубы длиной dx, примет вид
- G c p dT = K n D { T - T B) d x - G - g i cpd x + ^ ^ d T |
(7.1) |
|||
|
|
|
1 н п 1 КП |
|
Разделяя переменные, получим |
|
|
||
-G - |
Ср +- |
^ |
~ |
|
dx = |
р j |
1 |
__J |
(7.2) |
^ |
-------------------- |
dT |
||
K n D { T - T 0) - G g i cp
Интегрируя левую часть уравнения (7.2) от 0 до х, а правую от Тидо Т(х), после ряда преобразований получим
|
Т{х) = Т0 + г + {Тп- Т 0- г ) - е - ^ , |
(7.3) |
|
где |
у, aL—расчетные коэффициенты, |
|
|
|
G - g - L |
K n - D |
|
|
________ ±с _ . |
а, = • |
|
|
У- K n - D |
|
|
р j _ т
Из формулы (7.3) как частный случай (при у = 0, с = 0) полу чается формула Шухова.
Характер изменения температуры нефти в трубопроводе при различных сочетаниях у и е приведен на рис. 7.3. Из него видно, что вследствие выделения тепла трения температура нефти нес колько превышает температуру окружающей среды. Чем больше в нефти парафина, тем медленнее она остывает.
T
To+Y
x
Рис. 7.3. Характер изменения температуры нефти по длине трубопровода при различных значениях у и с:
/ —по формуле Шухова (с = 0; у = 0); 2 —по формуле (7.3) при е = 0 и у * 0; 3 - по формуле (7.3) при е * 0 и у * 0
О степени влияния кристаллизующегося парафина на темпе ратуру перекачиваемой нефти можно судить по данным эксплуа тации нефтепровода Узень—Гурьев: нефть, подогретая в Узени до 60 °С, на станции Сай-Утес имела температуру 35 °С при длине перегона 130 км, тогда как по проекту такую температу ру нефть должна была иметь на 60-м километре трассы. Объяс няется такое различие тем, что проектные расчеты выполнялись без учета теплоты кристаллизации парафина, содержание кото рого в мангышлакских нефтях достигает 25 %.
Полный коэффициент теплопередачи, входящий в формулу (7.3), определяется из уравнения
|
(7.4) |
|
K D а, |
где |
A,, D., Dj+l —коэффициент теплопроводности, внутрен |
|
ний и наружный диаметры /-го слоя (отложений, трубы, |
|
изоляции); а, —внутренний коэффициент теплоотдачи, |
|
характеризующий теплоперенос от нефти к внутренней |
поверхности отложений; «2 — внешний коэффициент теплоотдачи, характеризующий теплоперенос от внеш ней поверхности изоляции в окружающую среду; Dm— наружный диаметр изоляции.
Внутренний коэффициент теплоотдачи определяется по формуле
a.= ~ - N u ,
'D
где Ан —коэффициент теплопроводности нефти.
Величина числа Нуссельта Nu определяется по эмпиричес ким формулам в зависимости от режима перекачки, например,
по Михееву: |
|
при ламинарном режиме (Re < 2000) |
о ^ |
Nu = 0, ПЯе° ” - Ргом ■Grол • [ — |
| |
при турбулентном режиме (Re > 10000)
(P r V *
Nu = 0,021-ReM -Pr0M • —
K J
где Re, Pr, Gr —числа соответственно Рейнольдса, Прандтля и Грасгофа:
Re = w-D Рг = V-P ce . ^ _ ^ - g - f i t - ( T - T w)
Л ’ |
у2 |
Р' —коэффициент температурного расширения нефти; Tw—средняя температура стенки трубопровода.
В переходной области 2000 < Re < 10000 величина коэффици ента а, определяется интерполяцией.
Внешний коэффициент теплоотдачи определяется по форму ле Аронса—Кутателадзе
«2 |
2 Л, |
(7.5) |
|
4J h |
|||
|
|||
Д -In |
|
Д . Nuо/
где Нп —приведенная глубина заложения трубопровода,
н „ = н + н а
H —фактическая глубина его заложения; Нсн —высота снежного покрова; \ гр, \ си—коэффициент теплопрово дности соответственно грунта и снега; Nuo—число Нус-
сельта при теплоотдаче в воздух, Nua= |
ао—коэф |
фициент теплоотдачи от поверхности грунта в воздух, ад ~ 11,63 ВтДм-град).
При H/Du]> 2 величиной 1/Nuoв выражении (7.5) можно прене бречь. Данное равенство выполняется в случае, когда Du} > 600 мм.
Для трубопроводов без специальной тепловой изоляции, про кладываемых в грунтах малой влажности, при турбулентном ре жиме течения с малой погрешностью можно принять К « а2.
Из вышеприведенных формул видно, что при проектирова нии «горячих» трубопроводов дополнительно надо располагать данными о коэффициенте теплопроводности грунта, а также о теплоемкости и коэффициенте теплопроводности нефти.
7.3. Режимы течения нефти в «горячих» трубопроводах
В большинстве «горячих» трубопроводов при начальной тем пературе нефть течет в турбулентном режиме. Однако по мере удаления от пункта подогрева нефть остывает, ее вязкость воз растает, турбулентные пульсации молей жидкости ослабевают и на некотором удалении от пункта подогрева число Рейнольдса может стать равным критическому R e . при котором турбулентный режим течения переходит в ламинарный. Режим течения нефти, при котором вследствие изменения ее вязкости в трубо проводе одновременно имеют место ламинарный и турбулент ный режимы течения, называется смешанным.
Происходящую смену режима течения в «горячем» трубопро воде Необходимо учитывать при гидравлическом расчете. Для этого надо знать протяженность участков с турбулентным и ла минарным режимами течения.
В соответствии с формулой (7.3) длина участка с турбулент ным течением равна
|
^ 'cp |
|n Xi Т0 YT |
|
|
Кт- n - D |
Ткр ^Т0 - у т |
|
где |
* |
|
£• У |
с р —обобщенная теплоемкость нефти, |
с* =ср+——^ |
||
'к 1 О АГГ уг —соответственно полный коэффициент теплопе редачи и коэффициент у при турбулентном режиме те чения нефти.
Аналогично можно выразить длину участка с ламинарным те чением
G'cp
Кп я -D Тк —Тй —ул
где Тк—температура нефти на входе в пункт подогрева.
Соответственно расстояние между пунктами подогрева равно
L TC |
= £т+1 =— L .[ -L.inL . |
TS- J T,+J_.inТ.чр.. |
|
я -D I Кт T |
—Т0 —ут Кл Т„—Т0—ул I |
Во всех трех формулах присутствует неизвестная пока крити ческая температура Т , соответствующая переходу от турбулент ного режима к ламинарному. Выразим ее.
По определению
4 & р |
Р*р _ |
4-G |
* - D - v KP |
р кр |
я - Ъ - р ^ ' |
Отсюда динамическая вязкость нефти, соответствующая сме не режима ее течения, равна
Мкр |
4 G |
(7.6) |
|
я -D-Re,кр |
|||
|
С другой стороны, аналогично формуле Филонова—Рей нольдса можем записать
М,Р=М-е |
- u J T - T . ) |
(7.7) |
|
где р, —динамическая вязкость нефти при известной тем пературе Г.; —крутизна вискограммы для динамичес кой вязкости.
Решая (7.6) и (7.7) совместно, находим |
|
1 л -D-Re-u, |
(7.8) |
Г„=Г .+— -In---------* £ - |
|
*р |
|
4 G |
|
Как показали исследования Р. А. Алиева, В. Н. Дегтярева, В. И. Харламенко, В. И. Черникина и В. С. Яблонского, крити ческое число Рейнольдса при перекачке высоковязких и высокозастывающих нефтей находится в пределах от 1100 до 2300. В среднем можно принять Яекр~ 2000.
Возможны два частных случая. При Ткр < Тк в трубопроводе имеет место только турбулентный режим течения и расстояние
между пунктами подогрева € |
равно |
1Т С = ° ' Ср |
1пТ " ~ Т о ~ Г т , |
Кт-Л-D Т'-Т0- г т
апри Тн < Ткррежим течения в трубопроводе только ламинарный
ирасстояние между пунктами подогрева находится по формуле
/ гс = - -G- Cp ■\пТи-' Т°— ?л- .
Кл л й |
Тк -Т0- Гл |
7.4. Потери напора и гидравлический уклон в «горячем» трубопроводе
Поскольку в «горячих» трубопроводах в результате изменения температуры по длине непрерывно изменяется и вязкость неф ти, то пользоваться формулами по расчету потерь напора, полу ченными для случая изотермической перекачки, можно лишь на бесконечно малом участке длиной dx (где температуру нефти можно считать постоянной), то есть
dhT= P -Q D5-m- " -Ar{x)'dx, |
(7.9) |
где v(x) —кинематическая вязкость нефти на расстоянии х от пункта подогрева; А/х) —поправка на неизотермичность потока в радиальном направлении в том же сече нии.
Интегрируя левую часть данного выражения от 0 до Аг, а пра вую —от 0 до х, получим
Геометрический смысл интеграла (7.11) это площадь фигуры под кривой v”(x)-A/x) на отрезке [0; х].
Поэтому интеграл в правой части данного выражения, делен ный на х, есть среднинтегральная вязкость нефти в степени т на участке длиной х, то есть.
= - \ v m(x)-br (x)-dx. |
(7.11) |
Х 0
Следовательно, мы можем переписать (7.10) в виде
что совпадает с формулой Л. С. Лейбензона для расчета потерь напора при изотермической перекачке нефти с температурой Т .
Таким образом, задача определения потерь напора в «горя чем» трубопроводе сводится к вычислению среднеинтегральной вязкости нефти.
Примем для простоты ДДх) = Дг = const по всей длине участка с одним режимом течения. Тогда, используя формулу Филоно ва-Рейнольдса, можем переписать (7.11) в виде
v” |
JV"' .е-“-4^Ко] |
(7.12) |
|
Х О |
|
Величина Т(х) описывается формулой (7.3). Однако для про стоты примем, что у » 0. Такое допущение возможно по двум причинам. Во-первых, величина у, как правило, невелика. А вовторых, допущение, что у = 0, идет в запас расчета величины hr . Соответственно, получим
VФ= у0т-А1.
Чтобы решить данный интеграл, выполним замену перемен ной, обозначив é~“L'x =у. Тогдаи х = ——Vny и àx = —— .