Физические свойства жидкостей, транспортируемых по трубопроводам

1. Последовательное соединение, при котором расходы равны, то есть  , а общий напор равен сумме напоров первого и второго насосов, то есть . Если характеристику одного насоса представить в виде , а характеристику второго насоса в виде , то суммарная характеристика этих двух насосов, соединённых последовательно, будет иметь вид: .
2. Параллельное соединение, при котором общий расход равен сумме расходов первого и второго насосов, то есть , а напоры равны, то есть . Если характеристику одного насоса представить в виде , а характеристику второго насоса в виде , то суммарная характеристика этих двух насосов, соединённых параллельно, будет иметь вид: .

   

 

   

   На  нефтеперекачивающей станции, как правило, устанавливается несколько насосов. Суммарная (Q-H)-характеристика нефтеперекачивающей станции – суммарные характеристики всех насосов, включённых последовательно и параллельно.

   Чаще  всего, на нефтеперекачивающих станциях насосы включены последовательно для повышения напора.

   Полезная  мощность центробежного  насоса – мощность, расходуемая на преодоление разности напора между нагнетанием и всасывание насоса.

   Полезную  мощность можно найти по следующей  формуле: , где - подача насоса; - напор, создаваемый насосом.

   Мощность, затрачиваемая насосным агрегатом, определяется по следующей формуле: , где - коэффициент полезного действия насоса, который обычно составляет восемьдесят процентов; - коэффициент полезного действия привода, который для электропривода обычно составляет 95 процентов.

   Зависимость коэффициента полезного действия насоса от подачи выглядит следующим образом:

    Видно, что на графике имеется  ярко выраженный максимум. Обычно, насосы подбирают таким образом, чтобы рабочая подача была при максимальном коэффициенте полезного действия.

   При последовательном соединении насосов  коэффициент полезного действия данного соединения определяется из системы уравнений: , следующим образом:

    ;

    ;

    ;

   При параллельном соединении насосов коэффициент  полезного действия данного соединения определяется из системы уравнений: , следующим образом:

    ;

    ;

    ;

   Регулирование работы насосных агрегатов.

   При эксплуатации магистральных нефтепроводов  зачастую бывает необходимо обеспечить напор на выходе нефтеперекачивающей станции, значение которого отличается от номинального напора насосов. В этих случаях применяются следующие методы регулирования работы насосных агрегатов: изменение диаметра рабочего колеса, изменение частоты вращения рабочего колеса, перепуск части жидкости с нагнетания насоса на всасывание.

    Если первоначальная характеристика насоса с номинальным диаметров  рабочего колеса имела вид , то при изменении диаметра рабочего колеса до , характеристика насоса будет выглядеть следующим образом: .

   Если  первоначальная характеристика насоса с номинальной частотой вращения имела вид , то при изменении частоты вращения до , характеристика насоса будет выглядеть следующим образом: .

   В случае перезапуска  .

   В качестве привода к магистральным  и подпорным насосам обычно используют электродвигатели, мощностью от 800 до 12500 киловольт. Реже используются газотурбинные двигатели авиационного типа.

   Линейная  часть магистрального трубопровода.

   Состав  линейной части магистрального трубопровода:

1. Трубопровод, то есть трубы, сваренные друг с другом и покрытые слоем антикоррозионной изоляции.
2. Запорная арматура.
3. Специально оборудованные переходы через естественные и искусственные препятствия.
4. Установки противокоррозионной и электрохимической защиты.
5. Линии связи, линии электропередач, дороги вдоль трассы и прочее.

   При строительстве трубопроводом используются стальные трубы трёх основных типов: трубы бесшовного типа, трубы с прямым швом, трубы со спиралевидным швом. Промышленностью выпускается нормальный ряд диаметров труб: 219, 273, 325, 377, 426, 530, 720, 820, 1020, 1220, 1420 миллиметров. Толщина стенок труб колеблется от 4 до 19 миллиметров.

   Конкретная  толщина стенки для трубопровода определяется в процессе технологического расчёта и зависит от рабочего давления в трубопроводе, от типа стали, от условий эксплуатации.

   К запорной арматуре относятся задвижки, вентили и краны. Назначениями запорной арматуры являются: отсечение участков трубопровода в случае аварии, перекрытие трубопровода при проведении ремонтных работ.

   При пересечении трубопроводом водоёмов, он прокладывается ниже уровня дна реки и закрепляется специальными утяжеляющими устройствами, при этом, параллельно основному трубопроводу, обязательно прокладывается резервная нитка того же диаметра.

   При пересечении трубопроводом железных или автомобильных дорог, он прокладывается в патроне из труб большего диаметра.

   Подготовка  нефти к транспорту.

   Основные  технологические процессы подготовки:

1. Дегазация.
2. Обезвоживание.
3. Очистка от механических примесей.
4. Стабилизация.
5. Обессоливание.
6. Деэмульсация.

   Обезвоживание заключается в разрушении водонефтянных  эмульсий.

   Основные  способы обезвоживания:

1. Гравитационный способ.
2. Химический способ.
3. Тепловой способ.
4. Тепло-химический способ.
5. Электрический способ.

   Обессоливание заключается в удалении минеральных солей путём смешения предварительно обезвоженной нефти с пресной водой с последующим повторным обезвоживанием.

   Стабилизация  заключается в отделении лёгких фракций для снижения их потерь при  транспортировке по трубопроводу и  хранении в резервуарах.

   Способы стабилизации:

1. Сепарация.
2. Ректификация

 

   

   Проектирование  магистральных нефтепроводов.

   Этапы проектирования магистральных нефтепроводов:

1. Проведение проектно-изыскательных работ:
1. Топографо-геодезические изыскания.
2. Геологические изыскания.
3. Гидрометеорологические изыскания.
4. Экологические изыскания.
2. Составление задания на проектирование:
1. Перечень нефтей или нефтепродуктов, подлежащих перекачке, с указанием их основных свойств:
1. Плотность.
2. Кинематическая вязкость при двух температурах.
3. Давление насыщенных паров.
4. Температура застывания.
2. Перечень возможных пунктов и подкачек нефтей и нефтепродуктов с указанием их свойств.
3. Сжатый профиль трассы – профиль трассы магистрального трубопровода – чертёж, показывающий зависимость геодезических высотных отметок точек профиля трассы трубопровода, в зависимости от координаты.
3. Разработка технико-экономического обоснования (ТЕО) (проекта) строительства трубопровода, включающая технологический расчёт.
1. Выбор основного диаметра трубопровода по заданной готовой пропускной способности и двух конкурирующих диаметров.
2. Расчёт толщины стенки трубы для основного и двух конкурирующих диаметров.
3. Определение величины потерь напора в трубопроводе для основного и двух конкурирующих диаметров.
4. Определение числа нефтеперекачивающих станций для основного и двух дополнительных диаметров.
5. Выбор экономически наиболее выгодного варианта
6. Расстановка нефтеперекачивающих станций на трассе.
7. Расчёт эксплуатационных режимов магистрального нефтепровода.
4. Разработка рабочей документации на строительство трубопровода.
5. Экспертиза принятых решений.

   Пример  профиля трассы:

    Масштабы по оси абсцисс и оси  ординат выбираются разными, чтобы  структура профиля была видна более чётко.

   Профили трассы обычно бывают километровыми и стометровыми.

   Фрагмент  таблицы норм технологического проектирования:

   Диаметр трубопровода определяют по формуле: , где - расход, - рекомендуемая скорость перекачки.

   Гидравлический  расчёт магистрального нефтепровода.

   Уравнение Бернулли для участка трубопровода.

   Установившееся  течение жидкости в трубе описывается  двумя уравнениями:

1. Уравнение Бернулли: .
2. Уравнение сохранения массы: .

   Если  трубопровод имеет постоянный диаметр  и жидкость, текущая по нему, несжимаемая, то из уравнения сохранения массы следует, что скорость движения жидкости постоянная и уравнение Бернулли принимает вид: , где - потери напора.

   Потери  напора на трение обусловлены трением слоёв жидкости относительно друг друга и находятся по формуле: .

   Потери  напора на местное сопротивление , где зависит от числа Рейнольдса и от параметров местного сопротивления. При расчёте магистральных нефтепроводов обычно принимают величину .

    Коэффициент гидравлического сопротивления: , где , .

1. Ламинарный режим течения, при котором . Формула Стокса: .
2. Турбулентный переходный режим, при котором . , где - коэффициент перемежаемости.
3. Развитый турбулентный режим:
1. Зона гидравлически гладких труб, в которой . Формула Блазиуса: .
2. Зона смешанного трения, в которой . Формула Альтштуля: .
3. Зона квадратичного трения, в которой . Формула Шефринсона .

 

   

    Линия гидравлического  уклона – линия , представляющая собой зависимость полного напора от координаты по оси трубопровода.

   Гидравлический  напор – величина, равная тангенсу угла наклона линии гидравлического наклона к горизонту, которую можно найти по следующей формуле: .

   Уравнение баланса напоров для участка  нефтепровода.

    Под участком нефтепровода в дальнейшем будем понимать перегон между  двумя соседними нефтеперекачивающими станциями.

   Величина  полного напора на выходе из нефтеперекачивающую станции в начале участка можно найти по следующей формуле: (1), где - высотная отметка начала участка; - подпор на входе в нефтеперекачивающую станцию; - дифференциальный напор нефтеперекачивающей станции (величина напора создаваемого непосредственно насосами нефтеперекачивающей станции).

   Величину  полного напора на входе нефтеперекачивающей  станции можно найти по следующей  формуле: (2), где - высотная отметка конца участка; - остаточный напор в конце участка.

   С учётом формул (1) и (2) уравнение Бернулли для рассматриваемого участка может  быть представлено в следующем виде: . Преобразовав его, получим: (3) – уравнение баланса напоров для участка нефтепровода. Оно служит для определения расхода перекачки . В этом уравнении левая часть - гидравлическая характеристика нефтеперекачивающей станции, а правая часть - гидравлическая характеристика участка трубопровода.

   Рассмотрим  графическое решение уравнения  баланса напоров.

   График, приведённый на рисунке, называется совмещённой характеристикой нефтеперекачивающей станции и участка трубопровода. Точка пересечения этих кривых гидравлической характеристики нефтеперекачивающей станции и гидравлической характеристики участка трубопровода называется рабочей точкой участка трубопровода. Величина является решением уравнения баланса напоров (3) и соответствует расходу перекачки. Величина показывает значение напора на выходе нефтеперекачивающей станции в начале участка.

   

   Нефтепровод с промежуточными нефтеперекачивающими станциями.