7.7.3.Гидравлический расчет неизотермических трубопроводов

На нефтебазах имеются трубопроводы, по которым перекачиваются нефтепродукты, предварительно подогретые до температуры, значительно превышающей температуру окружающей среды. Такие трубопроводы имеют ту особенность, что вследствие неизотермичности потока вязкость нефтепродукта увеличивается по длине трубопровода, а следовательно, возрастают и потери напора на трение, приходящиеся на единицу длины трубопровода. Для коротких трубопроводов, например, технологических трубопроводов, потери напора на трение могут быть рассчитаны по формулам изотермического режима, с той лишь разницей, что расчетную вязкость следует принимать при средней температуре t_ср:

(7.36)

где t_ср – начальная температура перекачиваемого нефтепродукта, °С; t_к – конечная температура перекачиваемого нефтепродукта, °С, определяемая по формуле Шухова

(7.37)

где t₀ – температура окружающей среды, °С; k – коэффициент теплопередачи от нефтепродукта в окружающую среду, ; d – внутренний диаметр трубопровода, м; д – длина трубопровода, м; Q – объемный расход в рассматриваемом трубопроводе, м³/с;  – плотность нефтепродукта, кг/м³; Cp – теплоемкость перекачиваемого продукта, Дж/кг·град.

Коэффициент теплопередачи для трубопроводов зависит от внутреннего ₁ и внешнего ₂ коэффициентов теплоотдачи, а также от термического сопротивления трубы, изоляции, отложений и т.д.:

(7.38)

где n – число слоев, учитываемых при расчете; _i – коэффициенты теплопроводности отложений, стали, изоляции и т.д., вт/м·град; d_i,D_i – соответственно внутренний и наружный диаметры каждого слоя, м; D_н – наружный диаметр трубопровода, м.

7.7.4.Гидравлический расчет коллекторов

Коллекторы представляют собой трубопроводы с переменным по длине расходом. Потери напора в таком коллекторе складываются из потерь напора на трение на каждом участке:

(7.39)

где n – число участков длиной l_i; h_i – потери напора на трение на i-ом участке коллектора.

Коллекторы имеют постоянный диаметр с отбором нефтепродукта через равные промежутки длиной l, определяемые расстоянием между сливно-наливными стояками.

Для удобства расчета коллектора потери напора h_i лучше вычислять по формуле Лейбензона:

(7.40)

Тогда потери напора в коллекторе можно записать следующим образом:

(7.41)

где q – расход нефтепродукта в одном сливно-наливном стояке.

Приняв qn=Q, т.е. максимальному расходу нефтепродукта в коллекторе, а nl=L, т.е. расчетной длине коллектора, можем записать

(7.42)

Выражение в скобках показывает, во сколько раз потери напора в коллекторе с переменным расходов меньше потерь напора в трубопроводе той же длины с постоянным расходом Q.

Исследуем полученное уравнение (7.42) для различных режимов течения.

При ламинарном режиме (m=1, ):

(7.43)

Поскольку , то

(7.44)

Т.е. в коллекторах с переменным расходом при ламинарном режиме потери напора на трение примерно равны 1/2 гидравлического сопротивления трубопровода той же длины с постоянным расходом.

При развитом турбулентном режиме течения (m= 0 и ):

(7.45)

Поскольку , то

(7.46)

Т.е. при развитом турбулентном режиме потери напора на трение в коллекторе с переменным расходом в 3 раза меньше потерь напора в трубопроводе с постоянным расходом.

7.7.5.Гидравлический расчет сифонных трубопроводов

Сифонным трубопроводом называется трубопровод, часть которого располагается выше уровня откачиваемой жидкости в емкости. Сифонные трубопроводы используются при верхнем сливе маловязких нефтепродуктов через горловину железнодорожных цистерн.

Нормальная работа сифонного трубопровода возможна при условии, когда остаточное давление в любой его точке больше давления насыщенных паров сливаемого нефтепродукта при температуре перекачки. В противном случае нарушается сплошность потока нефтепродукта.

Расчет сифонного трубопровода сводится к построению графиков остаточных напоров и вакуумов, в результате которого определяется правильность выбора диаметров отдельных участков этого трубопровода по средним скоростям (=1,52,5 м/с).

Для построения графиков остаточных напоров и вакуумов необходимо предварительно подсчитать гидравлические сопротивления отдельных участков сливной коммуникации. Графики строят для наиболее неблагоприятного случая, когда атмосферное давление наименьшее, температура наибольшая, а уровень нефтепродукта в цистерне наинизший.

Сначала вычерчивают сливную коммуникацию в масштабе, а затем вверх от зеркала нефтепродукта (см. рис. 7.32) откладывают отрезок, равный

(7.47)

где P_a – минимально возможное атмосферное давление, Па;  – плотность нефтепродукта, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с².

Потери напора на каждом участке складываются из потерь напора на трение и на преодоление высотных отметок.

Остаточный напор в любой точке коммуникации определяется из уравнения

(7.48)

где Z_ax – разность нивелирных отметок начальной точки a трубопровода и точки х; – сумма потерь напора на трение на участках трубопровода, расположенных до рассматриваемой точки х.

Рис. 7.32. График остаточных напоров и вакуумов:

ab – участок гибкого шланга; bc – горизонтальный или наклонный участок сливного стояка; cd – вертикальный участок сливного стояка;

de – коллектор; ef – отводная труба от коллектора к насосу

Ломаная линия, соединяющая точки a, b, c, d, e, f есть линия падения напора в сливной коммуникации. Любая ордината между линией падения напора и коммуникацией представляет остаточный напор в данной точке трубопровода.

Линию упругости паров откладывают ниже и эквидистантно линии падения напора на расстоянии H_у=P_у/g, где P_у – давление упругости, паров сливаемого нефтепродукта для самой высокой температуры для данной местности. Если линия упругости паров не пересекает линию коммуникации, то система запроектирована правильно и слив осуществляется нормально. Если линия упругости паров пересекает коммуникацию, то образования газовых пробок в трубопроводе можно избегать одним из следующих методов:

• Изменением конфигурации сливного стояка.

• Увеличением диаметра отдельных участков коммуникации.

• Уменьшением длины последнего участка коммуникации.

• Заглублением насосной станции.

• Применением погружного эжектора, с помощью которого

уменьшается высота всасывания.

Если линию падения напора отложить под уровень нефтепродукта, то получится линия вакуума a”b”c”d”e”f”. Любая ордината, проведенная между линией вакуума и линией коммуникации. представляет собой величину разряжения в данной точке коммуникации. Ордината ff” характеризует разряжение, которое должен создать насос для выкачки нефтепродуктов с заданной производительностью. Если линия вакуума пересекает коммуникацию, то это означает, что участки трубопровода, лежащие ниже линии вакуума, находятся под избыточным давлением.

7.7.6.Гидравлический расчет разветвленных трубопроводных коммуникаций

Насосные и компрессорные станции обычно имеют сложную систему трубопроводов, и один или несколько насосов или компрессоров могут одновременно обслуживать несколько трубопроводов и резервуаров.

При работе насоса на один или несколько последовательно соединенных трубопроводов требуемая подача насоса Q_н принимается равной заданной пропускной способности такого трубопровода. Суммарная характеристика Q-H последовательно соединенных нескольких трубопроводов получается сложением напоров.

При работе насоса на несколько параллельно соединенных и одновременно работающих трубопроводов требуемая подача насоса принимается равной сумме пропускных способностей этих трубопроводов. При этом суммарная характеристика этих трубопроводов получается сложением подач.

На примере рассмотрим работу центробежного насоса на параллельные трубопроводы: центробежный насос из резервуара а (рис. 7.33) перекачивает нефтепродукт в резервуары б и в.

Р ис. 7.33. Построение совмещенной характеристики при работе насоса

на параллельные трубопроводы

Поскольку трубопроводы 1 и 2 работают параллельно, их суммарная характеристика 1+2 строится горизонтальным сложением от уровня нефтепродукта в резервуаре а. Характеристику параллельно работающих трубопроводов 3+4 строят от соответствующих уровней в резервуарах б и в, а их суммарную характеристику 3+4 находят горизонтальным сложением.

Полная характеристика системы трубопроводов 1+2+3+4 находится вертикальным сложением характеристик 1+2 и 3+4, как для последовательно работающих трубопроводов. Точка пересечения 0 характеристики Q-H насоса с характеристикой 1+2+3+4 трубопроводов определяет фактическую подачу насоса Q_р и напор H_р. Снося по вертикали рабочую точку 0 на характеристики 1+2 и 3+4, а с них – по горизонтали на характеристики 1, 2, 3, 4, определим фактическую пропускную способность отдельных трубопроводов (Q₁, Q₂, Q₃, Q₄). Если окажется, что рабочей будет точка m, то нефтепродукт в резервуар в поступать не будет, и перекачка будет производиться только в резервуар б. Если рабочей окажется точка n, то нефтепродукт в резервуар б будет подаваться насосом и самотеком из резервуара в.

372