Гидравлический расчет изотермических трубопроводов
Для технически правильной эксплуатации нефтебаз необходимо иметь гидравлические характеристики трубопроводно-насосных систем, без которых нельзя правильно решить вопросы производительности трубопроводов.
Конечная цель гидравлического расчета трубопроводов - обеспечение заданной производительности перекачки. При применении насосной установки рассчитывается рабочий режим насосной установки, определяют мощность двигателя. При самотечных трубопроводах определяют требуемую разность отметок для необходимой производительности при заданном диаметре труб или необходимый диаметр трубопровода при заданной разности отметок и производительности.
Исходными данными для гидравлического расчета являются: расход, физические свойства перекачиваемого продукта (вязкость, плотность, давление насыщенных паров, температура), профиль и план трассы, а также технологическая схема с указанием всех местных сопротивлений и длин отдельных участков трубопроводов.
Гидравлический расчет трубопроводов, перекачивающих нефтепродукты, выполняется для наиболее неблагоприятных условий.
Расчет всасывающих трубопроводов для транспортировки светлых нефтепродуктов с высокой упругостью паров /бензин и др./ необходимо вести при максимальной температуре нефтепродукта, чтобы избежать разрыва струи и обеспечить нормальную работу насоса. Всасывающие трубопроводы для темных нефтепродуктов рассчитывают для наиболее низкой температуры нефтепродукта, при которой потери напора на трение будут наибольшими.
Расчет нагнетательных трубопроводов для перекачки светлых и темных нефтепродуктов ведется по минимальной температуре нефтепродуктов для наиболее удаленных и высоко расположенных точек коммуникаций и объектов.
Следует иметь в виду, что при выполнении технологических операций один и тот же трубопровод может быть как всасывающим, так и нагнетательным.
Теоретически необходимый внутренний диаметр трубопровода определяется из уравнения неразрывности потока по формуле:
где Q - производительность трубопровода, м3/с; V - скорость движения жидкости в трубах, м/с, принимаемая в зависимости от вязкости нефтепродуктов (табл.7.1).
Таблица 7.1
| Кинематическая вязкость нефтепродукте в n ·106, м2/с | Средняя скорость, м/с | |
| Для всасывания | для нагнетания | |
| 1,0 - 11,4 | 1,5 | 2,5 |
| 11,4 - 28,4 | 1,3 | 2,0 |
| 28.4 - 74,0 | 1,2 | 1,5 |
| 74,0 - 148,2 | 1,1 | 1,2 |
| 148,2 - 444,6 | 1,0 | 1,1 |
| 444,6 - 889,2 | 0,8 | 1,0 |
По сортаменту на трубы подбирается ближайший больший наружный диаметр трубы.
Фактический внутренний диаметр трубопровода будет равен:
/19/
где dн- наружный диаметр трубы, м; δ - толщина стенки трубы, м.
Фактическая скорость движения жидкости в трубопроводе:
/20/
Общие потери напора в трубопроводе равны:
/21/
hтр- потери напора на трение в трубопроводе, м;
hск- скоростной напор жидкости в трубопроводе, м;
- разность нивелирных отметок конца и начала трубопровода, м.
Потери напора на трение в трубопроводах определяются по формуле Дарси - Вейсбаха:
(22)
где λ - коэффициент гидравлического сопротивления; lпр - приведенная длина трубопровода, м.
Коэффициент гидравлического сопротивления λ зависит от характера движения жидкости в трубопроводе и относительной шероховатости стенок труб.
Характер движения жидкости в трубопроводе определяется безразмерным параметром Рейнольдса:
/23/
Относительная шероховатость стенок труб:
/24/
где 
- абсолютная высота выступов шероховатости, м /табл. 7.2/.
Таблица 7.2
Абсолютная высота выступов шероховатости
| Трубы | ∆, мм |
| Новые цельнотянутые стальные Стальные с незначительной коррозией Новые чугунные Асбоцементные Старые стальные | 0,05 - 0,15 0,2 - 0,3 0,3 0,3 - 0,8 0,5 - 2,0 |
При ламинарном режиме движения жидкости (Re< 2320) коэффициент λ зависит только от критерия Re и определяется по формуле Стокса:
/25/
При турбулентном режиме движения 
коэффициент λ определяется (зона гидравлически гладких труб):
/26/
При турбулентном режиме ( 
)
коэффициент λ определяется по формуле Черникина:
/27/
При турбулентном режиме (Re≥ Re2) коэффициент λ зависит только от степени шероховатости труб и определяется по формуле Никурадзе (квадратичная зона):
/28/
Приведенная длина трубопровода lпр. определяется по формуле
/29/
где lф - фактическая длина трубопровода, м; lэ - эквивалентная местным сопротивлениям, м.
Эквивалентная длина определяется по формуле:
/30/
где 
- коэффициент, соответствующий местному сопротивлению (табл. 7.3).
Для ламинарного режима значения коэффициентов местных сопротивлений определяются:
/31/
где коэффициент φ в зависимости от значения параметра Re. принимается по табл. 7.4.
Таблица 7.3
Значения коэффициентов местного сопротивления
| № п/п | Сопротивления | ξ |
| 1. | Выход из резервуара без хлопушки | 0,5 |
| 2. | Выход из резервуара через хлопушку | 0,9 |
| 3. | Выход из резервуара через подъемную трубу | 2,2 |
| 4. | Колено сварное под углом 45° | 0,3 |
| 5. | Колено сварное под углом 90° | 1,3 |
| 6. | Фильтр для светлых нефтепродуктов | 1,7 |
| 7. | Фильтр для темных нефтепродуктов | 2,2 |
| 8. | Приемный сетчатый фильтр | 9,5 |
| 9. | Гидравлический затвор 53 мм | 3,5 |
| - " - 80,5 мм | 2,0 | |
| 10. | Счетчик | 10-15 |
| 11. | Обратный клапан в зависимости от | |
| диаметра трубы, мм: | ||
| 22,0 | ||
| 18,0 | ||
| 13,5 | ||
| 10,0 | ||
| 8,0 | ||
| 7,0 | ||
| 6,5 | ||
| 5,5 | ||
| 4,5 | ||
| 3,5 | ||
| 3,0 | ||
| 2,5 | ||
| 2,0 | ||
| 1,8 | ||
| 12. | Вентиль при полном его открытии: | |
| прямоточный | 0,44 - 0,8 | |
| нормальный | 2,9 - 5.0 | |
| 13. | Задвижка в зависимости от степени ее открытия: | |
| полностью открытая | 0,05 | |
| закрытая на 1/8 | 0,07 | |
| закрытая на 2/8 | 0,26 | |
| закрытая на 3/8 | 0,81 | |
| закрытая на 4/8 | 2,06 | |
| закрытая на 5/8 | 5,52 | |
| закрытая на 6/8 | 17 , 0 | |
| закрытая на 7/8 | 97,8 | |
| 14. | Кран в зависимости от угла поворота пробки /в градусах/: | |
| 0,25 | ||
| 1,56 | ||
| 5,47 | ||
| 17,3 | ||
| 52,6 | ||
| 15. | Дроссельный клапан в зависимости от угла поворота /в градусах/: | |
| 0,52 | ||
| 1,54 | ||
| 3,91 | ||
| 10,8 | ||
| 32,6 | ||
| 16. | Тройник в зависимости от направления течения жидкости: | |
| 0,05 | |
| 1,0 | ||
| 1,5 | ||
| 3,0 | ||
| 0,05 | ||
| 0,1 | ||
| 0,15 | ||
| 2,0 | ||
| 3,0 | ||
| 17. | Внезапное расширение потока при отношении меньшей площади сечения к большей: | |
| 0,9 | 0,01 | |
| 0.7 | 0,09 | |
| 0 , 5 | 0,25 | |
| 0,3 | 0,49 | |
| 0,1 | 0,81 | |
| 0,01 | 0,98 | |
| 18. | Внезапное сужение потока при отношении меньшей площади сечения к большей: | |
| 0,9 | 0,09 | |
| 0,7 | 0,20 | |
| 0,5 | 0,30 | |
| 0,3 | 0,38 | |
| 0 , 1 | 0,47 | |
| 0,01 | 0,5 | |
| 19. | Диафрагма при отношении меньшей площади сечения к большей: | |
| 0,9 | 0,06 | |
| 0,7 | 0,79 | |
| 0,5 | 3,77 | |
| 0,3 | 18,3 | |
| 0,1 | 243,0 | |
| 20. | Компенсаторы: | |
| круглый, лирообразный | 2,5 | |
| П-образный | 2,0 | |
| сальниковый | 0,5 | |
| линзовый со вставкой | 0,3 |
Таблица 7.4
| Re | φ | Re | φ | Re | φ |
| 4,2 | 3,22 | 2 , 90 | |||
| 3,81 | 3,12 | 2 , 84 | |||
| 3 , 53 | 3 , 01 | 2 , 48 | |||
| 3 , 37 | 2 , 95 | 2 , 26 |
Скоростной напор жидкости в трубопроводе рассчитывается по формуле:
/32/
Расчет всасывающей и нагнетательных частей трубопровода производится раздельно с целью проверки работы насоса на всасывание.
Условием бесперебойной работы насоса при всасывании является
/33/
где Нвс - потери напора на всасывающей линии насоса, м;
Нвс.нас –и допустимая высота всасывания насоса, м.
Во многих случаях потери напора на трение удобнее вычислять по формуле Лейбензона, представляющей разновидность формулы Дарси - Бейсбаха, в которой принимается 
Тогда:
/35/
Обозначая 
получим 
/35 a/
где β и m - коэффициенты, зависящие от режима течения жидкости.