книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

случае врем я опорож нения р езервуара в пределах отметок z] и z2 опре­ деляется из следую щ его вы раж ения:

(13.54)

Время частичного опорожнения горизонтального участка трубы дли ­ ной L через ниж нее отверстие в ее стенке (рис. 13.10) определяется из следующего вы раж ения:

(13.55)

Это реш ение используется такж е для определения продолжительности полного слива ж елезнодорож ной цистерны через короткий патрубок.

L

Рис. 13.10. Схема истечения жидкости из горизонтального кругового цилиндра

При крупны х или полных разры вах нефтепровода в нем возникает интенсивное течение нефти к месту аварии, и больш ая часть напора те­ ряется на преодоление сил внутреннего трения. Для отверстий больших размеров приведенные выш е ф ормулы не могут быть использованы. В этом случае процесс истечения нефти рассм атривается в динамике при условии, что в сечении отверстия давление равно атмосферному.

Проблема обнаруж ения утечек неф ти и з магистральны х неф тепро ­ водов — одна из наиболее острых. П редлагается множество расчетны х и приборных методов: сравнения расходов в различны х сечениях; ульт­ развуковой, основанный на возникновении шумов при утечке; акусти ­ ческой эмиссии, основанный на регистрации сигналов высвобождения энергии м еталла, находящ егося в напряж енном состоянии.

Рис. 13.12. Совмещение (Q—Н ехарактери­ стик участка нефтепровода 1 и перекачи­ вающей станции 2

На рис. 13.12 изображ ены граф ики левой и правой частей уравнения (13.57). График левой части -— это (Q— Н е х а ­ рактеристика перекачиваю щ ей станции. График правой части — это (Q— Н е х а ­ рактеристика участка нефтепровода.

Координаты точки пересечения М этих кривы х являю тся реш ени­ ем уравнения (13.57). Точка М — это рабочая точка системы трубопро­ вод — перекачиваю щ ая станция. Абсцисса точки М определяет расход перекачки, а ордината оп ределяет напор на вы ходе станции.

Линейный участок нефтепровода и газопровода мож ет иметь более сложную структуру, чем простой трубопровод с постоянным внут­ ренним диаметром. С целью увеличения пропускной способности основ­ ная магистраль м ож ет им еть т р у б у -в с т а в к у большего диаметра, под­ ключаемую к ней последовательно (рис. 13.13).

В таком случае расход неф ти в основной м агистрали и вставке оди­ наков, а потери напора, происходящ ие на каж дом участке трубопрово­ да, складываю тся. Эти условия записы ваю тся в виде следую щ ей сис­ темы уравнений:

= V2ûj2 = Q

(13.58)

hАС - hAB + ^BC

Лупиигом назы вается дополнительный трубопровод, пролож енный параллельно основной магистрали (рис. 13.14). Лупинги проклады ваю т-

ся или как резервн ы е нитки, или д л я увеличения пропускной способно­ сти рассматриваемого участка.

Рис. 13.14. Схема участка нефтепровода с лупингом

Гидравлические условия течения ж идкости при подключенном лупинге таковы: в точке разветвлен ия расходы склады ваю тся, а потери напора в каж дой ветви одинаковы:

Эта система двух уравнений с двум я неизвестны ми позволяет найти две неизвестны е скорости в каж дой из параллельно соединенных труб.

П ерем ы чкам и назы ваю тся трубы, соединяю щ ие два параллельных трубопровода, для регулирования пропускной способности и повыше­ ния надеж ности многониточных н еф те- и газопроводов.

ствую щ ие им ф орм улы относятся к классу напорных течений. В подоб­ ных случаях движ ение ж идкости явл яется принудительны м , то есть для преодоления сил трения необхо­

часть сечения трубы, верхняя часть сечения заполнена парами этой ж и д ­ кости и вы деливш имися из нее газами (рис. 13.15). Здесь скаты ваю щ ая составляющая силы тяж ести, вы зы ваю щ ая движение, равна pg sin а

Если ф орм улу Д арси — Вейсбаха для напорного течения вы разить относительно расхода Q, а вместо диам етра трубы подставить эквива­ лентное ему значение 4Кг, то можно получить так назы ваем ую ф орм у ­

где СЦ1= (8д/Л)0'5 — коэф ф ициент Ш ези.

При безнапорном течении давление насыщ енных паров в верхней части сечения трубы зависит от тем пературы кипения Т нк и тем перату­ ры перекачки Т неф ти и нефтепродуктов. Например, мангы ш лакская нефть, имею щ ая тем пературу кипения 330 К, в зависимости от тем пера­ туры характеризуется следую щ ими значениями насыщенных паров: при 313 К — 58 100 Па; при 323 К — 82 100 Па; при 330 К — 101 000 Па.

Т уй м азинская неф ть, им ею щ ая тем п ературу кипения 298 К, при температуре 313 К им еет давление P s = 160 000 Па.

Д авление насы щ енны х паров автомобильных бензинов, перекачи ­ ваемых в безнапорном реж им е, м ож ет быть найдено и з следую щ ей за ­

П отери напора в трубопроводе, происходящ ие и з-за диссипации механической энергии, вклю чая местны е потери напора, находятся по формуле Д арси— Вейсбаха:

где L — протяж енность рассм атриваем ого участка трубопровода. При этом предполагается, что участок полностью заполнен жидкостью , т. е. работает полным сечением площ адью (а. Однако могут сущ ествовать такие реж им ы перекачки, при которы х неф ть на отдельны х участках трубопровода заним ает не все его сечение, а только часть сечения <Усам. Участки трубопровода, на которы х н еф ть д ви ж ется неполным сечением й)сам под действием силы тяж ести , назы ваю т самотечными (рис. 13.16).

Д авление парогазовой смеси над свободной поверхностью неф ти ос­ тается постоянным и равны м упругости р у насыщ енных паров нефти. Течение на самотечном участке явл яется безнапорным. Разность напо­ ров м еж ду начальны м и конечным сечениями равна разности геомет­ рических высот этих сечений.

Самотечные участки могут сущ ествовать только на нисходящ их уча­ стках трубопровода. Н ачало х хкаж дого самотечного участка назы вает­ ся перевальной точкой, которая всегда совпадает с одной из вершин проф иля трубопровода.

Рис, 13.16. Схема самотечного участка нефтепровода:

1 — линия гидравлического уклона; 2— самотечный участок; П — пе­ ревальная точка

Л иния гидравлического уклона на самотечном участке проходит параллельно проф илю трубопровода на расстоянии (р /р д ) над ним. Гидравлический уклон на самотечном участке равен тангенсу угла на­ клона проф иля неф тепровода к горизонту: i = tg a n.

И з уравнения постоянства расхода можно заклю чить, что скорость течения неф ти на самотечном участке больш е скорости течения на за­ полненных (напорных) участках нефтепровода. Степень заполненнос­ ти сечения

самотечного участка трубопровода нефтью зависит от отнош ения к гид­ равлических уклонов на напорном и самотечном (безнапорном) участ­ ках нефтепровода:

П ри у > 1 степень заполненности a = 1. П ри других значениях у степень заполненности сечен и я трубы м еньш е единицы . Н априм ер, при у < 4,9Л степень заполненности сечения определяется из следующей экспериментально полученной зависимости:

Д ля расчета трубопроводов с самотечными участкам и нужно пост­ роить совмещ енную картину проф иля неф тепровода и линии гидрав­

лического уклона. Если линия гидравлического уклона подходит в ка ­ кой-нибудь точке к проф илю на расстояние меньш е, чем (ру/р д ), или пересекается с ним, то в трубопроводе сущ ествуем один или несколько самотечных участков (рис. 13.17).

Рис. 13.17. Схема определения местоположения самртечных участков неф­ тепровода [23]:

I — первый самотечный участок; 2 — второй самотечный участок; П(| П., — перевальные точки

Линию гидравлического уклона начинаю т строить с конца рассм ат­ риваемого участка (точка Б), д л я чего достаточно знать напор и опреде­ лить гидравлический уклон в его конце.

На отрезке Б К , линия гидравлического уклона л еж и т вы ш е проф и­ ля нефтепровода, поэтому здесь ж ивое сечение заполнено полностью. Точка К , — это конец самотечного участка, его начало — перевальная точка Я.,. Л иния гидравлического уклона К 2Я 2 на этом участке прохо­ дит параллельно проф илю нефтепровода.

И з перевальной точки П2 линия гидравлического уклона идет парал ­ лельно отрезку БК ,. В точке K t эта линия вторично подходит к проф и ­ лю трубопровода на расстояние (ру/рд). Зд есь опять давление стано­ вится равным упругости насы щ енны х паров: участок П j второй са­ мотечный участок нефтепровода.

Таким образом, наличие перевальны х точек с высокими отметками требует более высоких затр ат энергии на перекачНУ неф ти и определя­ ет наличие самотечны х участков в магистральном нефтепроводе.

При опорожнении трубопровода через его коНЦевое сечение столб жидкости разры вается, и на месте самотечны х участков образую тся пустоты, заполненны е парами нефти. П ониж енные сегменты трубопро­ вода будут заполнены неф тью полностью . М естополож ение и объем пустот в опорож няемой трубе определяется проф илем нефтепровода.

Н еф теп ровод ы имею т п ром еж уточн ы е перекачиваю щ ие станции. П ри этом каж д ая очередная НПС устанавливается в том мес­ те трассы , где расходуется практически весь напор, создаваемый пре­ ды дущ ей станцией. При этом возм ож ны две основные схемы перекач­ ки: из насоса в насос и с подклю ченными резервуарам и . При первой схеме перекачки НПС в гидравлическом отнош ении ж естко связаны, при второй схеме — независимы друг от друга.

На неф тепроводах эти схемы чередую тся друг с другом: несколько участков, работаю щ их по схеме из насоса в насос, объединяю тся в один эксплуатационны й участок. П оследние соединяю тся друг с другом че­ р ез подклю ченные резер ву ар ы , что позволяет сочетать достоинства обеих схем: простоту и удобство эксплуатации с высокой степенью на­ деж ности.

Рассмотрим работу неф тепровода с пром еж уточны м и НПС, рабо­ таю щ ими по схеме из насоса в насос (рис. 13.18).

Рис. 13.18. Нефтепровод с промежуточными НПС, работающими по схеме из насоса в насос

Д ля такого неф тепровода имеют место уравнения баланса напоров на каж дом его участке. Д ля нескольких участков, разделенны х НПС. имеем следую щ ую систему уравнений:

[г, + й,„ . Н „ (« )] - [г„ + h„, ] = h , (Q) 1 [ 2, + К , + Я „ (Q )]- [г, + h ,„ } = h 2_ , ( e ) j '

Совокупность вы раж ений (13.66) образует систему алгебраических уравнений, в которой неизвестны ми являю тся подпоры перед станциями h n2, h n3, h ni, ... и расход Q.

С клады вая почленно уравнения данной системы, можно получить следующее уравнение баланса напора для всего тр у б о п р о в о д а:

где X w (Q) — сумма характеристи к всех перекачиваю щ их станций; X h ,_ K(Q) — сумма потерь напора на всех участках; h nl и h K— подпор перед первой станцией и остаточны й напор в конце трубопровода, зн а ­ чения которых считаю тся известными. П ри почленном сложении всех уравнений системы все слагаемы е h исключаются.

Полученное уравнение содерж ит только одну неизвестную величи­ ну — расход перекачки Q. Л евая часть уравнения определяет сум м ар­ ную (Q— /^ -х ар ак тер и сти к у всех НПС, а правая часть — характерис­ тику трубопровода. Точка п ересечени я этих характери сти к явл яется решением у равн ен и я (13.6?) и н азы в ается рабочей точкой трубопро ­ вода.

После определения расхода перекачки можно определить значения подпоров h u перед всеми НПС, а такж е значений давления в линиях вса­ сывания и нагнетания этих станций. При расчете потерь напора на уча­ стках трубопровода необходимо учиты вать возмож ность сущ ествова­ ния перевальны х точек.

Для работы неф тепровода необходимо, чтобы найденны е парам ет­ ры удовлетворяли двум следую щ им условиям согласования:

•все значения подпора перед НПС долж ны быть больш е кавитаци ­ онного запаса, обеспечиваю щ его нормальную работу центробеж ­ ных насосов;

•значения давления нагнетания в начале каждого участка н еф те ­ провода не должно превы ш ать разреш енного значения, зависящ его от прочности труб.

Расстановка насосных станций по трассе неф тепровода осущ еств­ ляется граф ически на сж атом проф иле трассы при следую щ их извест­ ных параметрах:

• гидравлическом уклоне г для основной м агистрали, а такж е для участков с лупингами и вставками;

• напорах Нст, развиваем ы х каж дой насосной станцией;

• значениях подпора h n на входе в основные насосы НПС;

•остаточного напора в конечных пунктах Нкпэксплуатационных уча­ стков и нефтепровода в целом.

Граф ическое построение начинается с того, что в начале нефтепро­ вода (точка А, рис. 13.19) с учетом вертикального масш таба отклады ва­ ется напор Нст1, развиваем ы й основными насосами первой насосной станции. Затем определяется длина горизонтального перегона, на ко­ торую хватило бы данного напора

П олученная величина отклады вается от начала нефтепровода с учетом горизонтального масш таба. С оединяя полученны е точки, полу­ чаю т линию гидравлического уклона в трубопроводе постоянного диа­ м етра без лупингов и вставок. Точка пересечения данной линии с про­ ф илем трассы (точка М, рис. 13.19) соответствует м есту расположения второй насосной станции.

Рис. 13Л9. Расстановка насосных станций по трассе нефтепровода посто­ янного диаметра

Д алее в точке М отклады вается напор НстУ. И з конца этой напорной линии проводится линия гидравлического уклона параллельно преды­ дущ ей линии. П ересечение линии гидравлического уклона с профилем трассы определяет точку разм ещ ен ия следую щ ей насосной станции (точка N, рис. 13.19).

П остроения для последней насосной вы полняю тся в качестве про­ верки. В точке N по вертикали в м асш табе отклады ваю т сумму отрез­ ков Н ст3 и разности напоров (hu— Н ). Если все вы ш еназванны е постро-