2. Порядок виконання гідравлічного розрахунку трубопроводу

Знаючи продуктивність трубопроводу та густину пального, необхідно в першу чергу визначити можливість роботи насосних станцій без перевантаження їх двигунів по потужності.

Режими роботи спарених (послідовно увімкнених) насосних станцій ПНУ-100/200М вибираються за їхніми характеристикам, які показані на рисунку 3. При цьому робочі режими насосних станцій визначаються без запасу потужності. Визначення робочого режиму насосних станцій, які складаються з двох насосних установок ПНУ-100/200М, необхідно проводити з урахуванням допустимого тиску на виході другої насосної установки по ходу перекачування, який не повинен перевищувати 5 МПа.

Рис.3. Характеристика двох послідовно включених насосних станцій ПНУ-100/200М:

Q-H – при частоті обертання валу двигуна об/хв: 1 – 1700; 2 – 1500; 3 – 1300; 4 – Q-η насоса, %

Режими роботи насосної станції ПНУ-200 визначаються по характеристикам "Q-Н" (рисунок 4), побудованим для різної частоти обертів валу двигуна від 1100 до 1500 об/хв. Характеристика "Q-Н" ліворуч, праворуч і зверху обмежена лініями 1,2,3,4, котрі утворюють робоче поле насосної установки. Робота насосної станції за межами робочого поля при перекачуванні нафтопродуктів з густиною від 765 кг/м³ до 1000 кг/м³ недопустима, так як у цьому випадку тиск на виході з насосу насосної станції, або відбираєма потужність від двигуна буде перебільшувати допустиму величину. Таким чином, дані характеристики дозволяють визначити режими роботи насосної станції ПНУ-200 при перекачуванні нафтопродуктів з густиною від 765 кг/м³ до 1000 кг/м³ при умові, що потужність яка відбирається від двигуна і тиск на виході насосної станції не перевищать допустиму величину.

При густині, нафтопродуктів, які перекачуються, нижче 765 кг/м³ і до 710 кг/м³ напір насосної станції визначається на продовжені характеристики "Q-Н", побудованої для частоти обертів валу двигуна 1500 об/хв (лінія 3).

Рис.4. Характеристика пересувної насосної установки ПНУ-200 при різній частоті обертів n валу двигуна:

1,2,3,4 – лінії, котрі утворюють робоче поле насосної установки; 5 – залежність к.к.д. насоса від подачі

Приклад. Необхідно визначити режим роботи насосної станції при перекачуванні дизельного пального зимового з густиною ρ = 850 кг/м³. На нижній вісі графіку (рисунок 4) знаходимо точку, яка відповідає значенню густини 850 кг/м³. Із цієї точки проводимо перпендикуляр до перетину з віссю „Q” (значення Q = 177,5 м³/год.) і далі до пересічення з верхньою граничною лінією 2. З точки перетинання перпендикуляра з лінією 2 проводимо горизонтальну пряму до перетину з віссю "Н".

Точка перетину цієї прямої з віссю „Н” дає значення напору насосної станції при перекачуванні нафтопродукту з густиною 850 кг/м³, і дорівнює 688 м.

Діапазони подачі і напорів насоса при цій густині нафтопродукту визначається таким чином. З точки перетинання перпендикуляру з лінією 2 проводиться лінія, яка паралельна верхній кривій характеристики Q-Н, знятій при частоті обертів валу двигуна 1425 об/хв, до перетинання з лінією 4. З точки перетинання цих ліній опускається перпендикуляр до перетинання з віссю „Q” і горизонтальну пряму до перетину з віссю „Н”.

На вісі „Q” знаходять діапазон подачі насосу 177,5 - 206,0 м³/год, а на вісі „Н" – діапазон напорів для цих подач 688 - 650 м. При цих подачах і напорах насосна станція може працювати при частоті обертання 1415 об/хв.

Коли необхідна робота насосної станції при менших подачах з тим же напором, з метою збільшення дальності перекачування пального необхідно зменшити частоту обертів вала двигуна установки.

Нова частота обертів вала двигуна визначається таким чином. По шкалі ρ (рисунок 4) знаходимо точку, яка відповідає густині продукту що перекачується, та з неї піднімаємо перпендикуляр до лінії 2. З точки перетину проводимо горизонтальну лінію до перетину її з перпендикуляром, виставленим з точки шкали Q,, що відповідає меншій подачі. Точка перетину дасть значення нової частоти обертів вала двигуна ПНУ-200. Для густини продукту нижче 805 кг/м³ перпендикуляр із точки шкали ρ встановлюється до перетину з лінією 3.

Рис.5. залежність дозволеної потужності (Ne) двигуна насосної станції ПНУ-200 від частоти обертів n вала двигуна

У кожному випадку визначення можливого режиму роботи, спарених насосних станцій ПНУ-100/200М необхідно уточнити потужність, що відбирається від двигуна, для того щоб вона не перевищувала допустиме значення.

Потужність, яка відбирається від двигуна насосної станції N_BД (кВт) визначається за формулою.

(2)

де η_н – к.к.д. насоса при розрахунковій продуктивності (визначається з характеристики насосної установки, рис. 3, 4);

η_р – к.к.д. редуктора ПНУ-100/200М і гідропередачі ПНУ-200;

Q – задана продуктивність трубопроводу, м³/год;

H_Q – створюваний насосною установкою напір при заданій продуктивності, м;

g – прискорення вільного падіння, рівне 9,81 м/с²;

ρ – густина пального при температурі перекачування, кг/м³.

При визначенні потужності яка відбирається від двигуна необхідно користуватися даними таблиці 1.

Таблиця 1.

Дані для розрахунку потужності, яка відбирається від двигуна насосної установки

Показник	ПНУ-100/200М	ПНУ-200
К.к.д. редуктора (гідропередачі) Допустима потужність двигуна, кВт	0,96 125 при 1700 об/хв	0,92 Згідно рисунку 5

Для визначення допустимої потужності двигуна насосної станції ПНУ-200 необхідно користуватися графіком (рисунок 5). З цього графіка видно, що із зменшенням частоти обертів вала двигуна відбираємо з нього потужність повинна бути зменшена у відповідності до верхньої граничної лінії.

Приклад. Визначимо за формулою (2) відбираємо від двигуна насосної станції ПНУ-200 потужність N_BД при такому режимі роботи: Q = 200 м³/год.; H_Q = 658 м; ρ = 851 кг/м³ при t = 20^оС.

При подачі 200 м³/год. і густині пального 851 кг/м³ насосна станція, як випливає з рисунку 5, повинна працювати при частоті обертання валу двигуна 1415 об/хв. З валу двигуна на цій частоті обертання можна відбирати 482 кВт (дивись рисунок 5). Таким чином, потужність, яка відбирається від двигуна – 448 кВт не перевищує допустимого значення.

Коли потужність, що відбирається від двигуна насосної станції перевищує допустиме значення, необхідно зменшити продуктивність перекачування пального по трубопроводу. Якщо ж потужність, що відбирається від двигуна насосної станції нижче допустимої, можна дещо збільшити продуктивність перекачування з обов'язковою перевіркою після цього величини відібраної від двигуна потужності.

Втрату напору (тиску) на 1 км трубопроводу можна визначити аналітичним і графічним способами. При визначенні втрати напору аналітичним способом спочатку знаходиться швидкість V (м/с) руху пального по трубопроводу

(3)

де F – площа перерізу трубопроводу, м²;

Q – продуктивність перекачування, м³/с;

d – внутрішній діаметр трубопроводу, м.

Для ПМТП-150 швидкість руху визначається за формулою:

(4)

а для ПМТП-100 – за формулою

(5)

Потім визначається режим перекачування, який характеризується числом Рейнольдса Re

(6)

Коефіцієнт гідравлічного опору λ (коефіцієнт Дарсі) для трубопроводів ПМТП-150 і ПМТП-100 визначається за формулою:

   (7)

Втрата напору h (м) на 1 км трубопроводу визначається за формулою

(8)

де l – довжина трубопроводу, що дорівнює 1000 м.

Втрата тиску р (МПа) визначається за формулою

(9)

Приклад. Визначити втрату напору на 1 км трубопроводу ПМТП-150 при перекачуванні палива Т-1 з продуктивністю 180 м³/год і при ρ = 825 кг/м³, ν = 0,0285 *l0^-4 м²/с, t = –10°C.

Швидкість руху палива Т-1 в трубопроводі визначимо за формулою (3):

Число Рейнольдса визначаємо за формулою (6):

Коефіцієнт гідравлічного опору (коефіцієнт Дарсі) визначаємо за формулою (7):

Втрати напору на 1 км трубопроводу обчислюємо за формулою (8):

а втрати тиску за формулою (9):

Крім аналітичного способу (за формулами) втрати напору на 1 км трубопроводу орієнтовно можна визначити за допомогою графіка, (дивись рисунок 6). Графік представляє собою залежність втрат напору від продуктивності в трубопроводах при перекачуванні по них різних сортів пального з в’язкістю до 0,7*10^-4 м²/с.

Рис.6. Графік для визначення орієнтовних втрат напру h на 1 км в трубопроводах ПМТП-150 і ПМТП-100 при перекачуванні нафтопродуктів з різною продуктивністю Q

Приклад. Потрібно визначити графічним способом втрату напору на 1 км трубопроводу ПМТП-150 при перекачуванні по ньому дизельного палива, кінематична в'язкість якого дорівнює 0,05 * 10^-4 м²/с, з продуктивністю 200 м³/год.

На осі Q (дивись рисунок 6) знаходимо точку, яка відповідає продуктивності 200 м³/год, і з неї проводимо перпендикуляр до перетину з похилою лінією, що відображає залежність втрати напору від продуктивності при перекачуванні по трубопроводу ПМТП-150 дизельного палива з кінематичною в'язкістю, рівної 0,05*10^-4 м²/с. З точки перетину проводимо пряму лінію, паралельну осі Q до перетину з віссю Н. Точка перетину з віссю Н дає значення втрати напору. Для даного прикладу втрата напору буде дорівнювати ~ 74 м.

Для розрахунку кількості насосних станцій, потрібних для перекачування пального по трубопроводу, необхідно визначити втрати тиску по всій довжині трубопроводу, які складаються з гідравлічних втрат на тертя по довжині трубопроводу і втрат тиску для підйому рідини на висоту перевищення кінцевої точки трубопроводу над початковою. Загальні втрати тиску Р_L (МПа) у трубопроводі визначаються за формулою

(10)

де К – поправочний коефіцієнт, що враховує збільшення довжини трубопроводу за рахунок рельєфу місцевості і його вигинів в горизонтальній площині;

р – втрата тиску на 1 км трубопроводу, МПа;

L – довжина трубопроводу, яка вимірюється курвіметром по карті, км;

∆Z – різниця геодезичних відміток кінця і початку трубопроводу, м.

Тоді кількість насосних станцій n (шт.) дорівнюватиме

, (11)

де Р_роб – робочий тиск однієї насосної станції, МПа.

Величина n, знайдена за формулою, може вийти у вигляді дробового числа. Приймати слід меншу кількість насосних станцій, якщо це не спричинить збільшення робочого тиску кожної насосній станції більш ніж на 0,2 МПа. При більшому збільшенні робочого тиску кількість насосних станцій округляється до більшого числа і визначається новий робочий тиск P_роб1 кожної насосної станції. При цьому нове значення робочого тиску кожної насосної станції можна визначити за формулою

(12)

де b – різниця в підрахованому за формулою (11) і знову прийнятому значеннях числа насосних станцій;

n₁ – знову прийняте значення числа насосних станцій для трубопроводу.

У цій формулі «+» береться, коли число насосних станцій зменшується відносно розрахованого за формулою (11), а «–» – коли збільшується число насосних станцій.

У випадках збільшення робочого тиску насосних станцій необхідно уточнювати за формулою (2) значення потужності, відібраної від двигуна насосної станції, з тим щоб вона не перевищувала допустиму величину. Для насосних станцій зазвичай встановлюється такий тиск на вході в насос Рвх:

- ПНУ-200 – 0,2-0,3 МПа;

- ПНУ-100/200М – 0,2 МПа.

Тоді тиск на виході насосної станції Рвих буде складати

Приклад. Визначити кількість насосних станцій для перекачування по трубопроводу ПМТП-150 палива Т-1 при ρ = 825 кг/м³ ; t = – 10°C; ν = 0,0285*10 ^–4 м²/с, з продуктивністю 180 м³/год на відстань 150 км і при різниці геодезичних відміток початку і кінця трубопроводу ∆Z = 100 м.

Втрата тиску на 1 км. трубопроводу становить Р = 0,428 МПа. Втрата тиску на всю довжину трубопроводу визначається за формулою (10):

Тиск, що розвиває насосна станція ПНУ-200 (див. рис. 4), визначаємо за формулою (9):

Кількість насосних станцій на трасі трубопроводу, що визначена за формулою (11), дорівнюватиме

Округлюємо кількість насосних станцій до 12. Новий робочий тиск насосних станцій обчислюємо за формулою (12):

При тиску на вході насосної станції Рвх = 0,3 МПа тиск на виході насосної станції складе

Це значення вноситься в таблицю режимів роботи насосних станцій.