Тема лекции 8. Технологический расчет нефтепродуктопровода при последовательной перекачке
Технологическая задача последовательной перекачки похожа с задачой обычной перекачки. Только в этом случае есть несколько продуктов. Расчет проводят сначала согласно предположению, что весь груз состоит из наиболее вязкого нефтепродукта. После получения напорной характеристики НПС, для каждого продукта находят напорную характеристику трубопровода и рабочую точку. При помощи этих данных определяет число дней перекачки каждого из нефтепродуктов. Сумма дней перекачки всех нефтепродуктов не должна превышать числа рабочих дней в году, в противном случае число магистральных насосов уменьшает на одну и расчеты проводят повторно, пока не выполняется вышеназванное условие рабочих дней.
В ходе расчета последовательной перекачки решаются следующие задачи:
-определение числа насосных станций;
-определение объема смеси, образующейся при вытеснении одной жидкости другой;
-определение объема партий нефтепродуктов;
-определение числа циклов последовательной перекачки;
-определение диаметра отвода от магистрали и др.
Определение числа насосных станций. Исходными данными для расчета нефтепродуктопровода являются данные о годовом объеме (Gгод - годовой план перекачки (млн.т/год) и α1, α2, α3,…- массовая доля каждого продукта в общей массе) и свойствах нефтепродуктов (расчетная плотность и вязкость каждого из продуктов ρ1, ν1, ρ2, ν2, ρ3, ν3,…), предназначенных к транспорту, дальности перекачки Lтр, допустимых концентрациях нефтепродуктов друг в друге ( - 1-продукта во второй,
- 2-продукта в первом, и. т. д.), а также профиль трассы (в частности разность нивелирных высот Δz). При гидравлическом расчете нефтепродуктопроводов сохраняется то же правило, что и при расчете нефте- и трубопроводов: он выполняется для наиболее неблагоприятных условий. Расчетная (средняя) часовая пропускная способность нефтепродуктопровода определяется как сумма объемных расходов каждого из нефтепродуктов:
,
где 8400=350∙24 - количество рабочих часов в году.
Гидравлический расчет выполняется с определением потерь напора на всех расчетных участках, определением числа насосных станций, подбором насосов. Если на нефтепродуктопроводе по расчету должны быть промежуточные насосные станции, то расчет потерь напора следует вести по нефтепродукту с наибольшей вязкостью, так как при последовательной перекачке партия наиболее вязкого нефтепродукта на участке между двумя соседними насосными станциями будет «лимитировать» пропускную способность всего нефтепровода. Если нефтепродуктопровод по расчету не имеет промежуточных насосных станций, то его пропускная способность будет плавно меняться по мере замещения нефтепродукта одной вязкости нефтепродуктом другой вязкости. Поэтому при подборе насосов в этом случае должна быть обеспечена возможность их работы при перекачке каждого нефтепродукта в зоне максимального коэффициента полезного действия.
Рассмотрим случай, когда по расчету будут промежуточные насосные станции, по этому определение экономически целесообразного диаметра нефтепродуктопровода производится, исходя из необходимости перекачки с расходом Qчac.ср наиболее вязкого из нефтепродуктов, то есть, сначала будет считаться, что весь Gгод состоит из самого вязкого нефтепродукта. Исходя из этого соображения, по известному часовому расходу подбираются основные и подпорные насосы, таким образом, чтобы Qчac.ср была максимально близка к их номинальной подаче, удовлетворяя условию:
0,8Qном< Qчac.ср <l,2 Qном.
При этом, рабочее давление на выходе головной насосной станции при трех последовательных включенных основных насосах не должно превышать предела прочности закрепляющнй арматуры:
Р ≤ Рарм .
Здесь Р=ρg(3hмн+H2), hмн = Н0-b Qчac.ср 2 , H2 = Н02-b2· Qчac.ср 2, где hмн, H2 -напоры, создавемые основным и подпорным насосами с параметрами a, b, a2 , b2, ρ - плотность наиболее вязкого нефтепродукта. Если это условие не выполняется, то надо выбирать другой насос. После выполения условий прочности закрепляющнй арматуры можно определить расчетный напор одной станции для подобранных насосов:
Нст =3hмн.
Как мы говорили, в нефтепродуктопроводе по расчету будут промежуточные насосные станции, и по этому гидравлический расчет будем выполнять по наиболее вязкому нефтепродукту по следующему алгоритму.
Найдем средние значения секундного Q объемного расхода:
и средняя скорость потока:
.
Число Рейнольдса:
,
где ν - кинематическая вязкость наиболее вязкого нефтепродукта. Вычислим потери напора на трение:
и полные потери напора в трубопроводе:
,
где iL=hτ (i-гидравлический уклон, λ - коэффициент гидравлического сопротивления от трения), пэ - количество эксплуатационных участков в трассе, пэ=L/(400÷600), Нкп - остаточный напор в конечных пунктах эксплуатационных участков, этот напор расходуется при перекачке нефти, или нефтепродуктов в резервуары. Коэффициент 1,02 учитывают потери напора в местных сопротивлениях (в ответвлениях трубопровода, на задвижках, и т. д.). Отсюда число НПС:
.
Округляем его до следующего большого числа. Далее строится совмещенная характеристика насосных станций и трубопровода при работе на каждом из нефтепродуктов. По совмещенной характеристике определяют соответствующие рабочим точкам производительности перекачки каждого из нефтепродуктов Эти числа показывают, что какой объем каждого нефтепродукта за час перекачивает станция с выбранными насосами. Тогда фактическое число суток перекачки каждого нефтепродукта:
Так, как суммарная продолжительность перекачки всех нефтепродуктов в течение года не превышает 350 суток, то должно выполняться условие:
.
Проверку выполнения данного неравенства целесообразно выполнить не только для найденного числа насосных станций, но и для меньшего n-1, n-2, и т. д. Это связано с тем, что гидравлический расчет нефтепродуктопровода при принятых допущениях выполняется, как правило, с большим запасом. К дальнейшему расчету принимается то количество насосных станций, которому соответствует суммарное число дней перекачки нефтепродуктов, ближайшее меньшее по отношению к 350. Таким образом, можем найти наименьшее количество насосных станций nmin. В этой задаче наиболее трудоемкими вычислениями являются построения совмещенных характеристик насосных станций и трубопровода при работе на каждом из нефтепродуктов. Построения графиков и нахождения рабочих точек чреваты большими погрешностями (такая постановка решении задач устарела). С этой задачей легко справится любая компьютерная Приведем решения задачи нахождения рабочих точек. Определим следующих три функций.
1. Функция коэффициента гидравлического сопротивления от трения λ=λ(ν,Qчac):
,
,
,
, где kэ-шероховатость внутренней стенки трубы.
Тогда , если Re≤2320,
, если 2320<Re≤ReI ,
, если ReI ≤ Re < ReII ,
и при Re≥ ReII.
2. Функция полной потери напора в трубопроводе Н=Н (ν, Qчac):
,
.
3. Функция полного напора всех перекачивающих станций трубопровода ННПС=ННПС (n, Qчac):
ННПС=3n(Н0-bQчас2)+ пэ (Н02-b2·Qчас2).
Тогда рабочие точки, определяющие производительности перекачки каждого из нефтепродуктов есть решения уравнений:
Н (ν1, Qчac)= ННПС (n, Qчac) при ,
Н (ν2, Qчac)= ННПС (n, Qчac) при ,
Н (ν3, Qчac)= ННПС (n, Qчac) при ,…,
и т.д. Нахождение решений уравнений можно по любым приближенными методами, такими, как метод хорд, метод касательных и пр.
В трубопроводе большой протяженности с промежуточными насосными станциями обычно находится несколько чередующихся партии нефтепродуктов, так как объем каждой партии в несколько раз меньше объема всего трубопровода. Так, в магистральном нефтепродуктопроводе протяженностью 1000 км могут одновременно находиться 5-6 партий разнородных нефтепродуктов, например бензин и дизельное топливо. Пропускная способность такого трубопровода будет ограничиваться (лимитироваться) пропускной способностью одного из участков, занятого партией более вязкого нефтепродукта. И хотя на участках, занятых менее вязким нефтепродуктом, будет при этом оставаться неиспользуемый напор, передать его на участки с более вязким нефтепродуктом полностью не удается из-за ограничения максимального давления в трубопроводе прочностью труб. По мере перемещения партий нефтепродуктов по трубопроводу лимитирующая пропускная способность может изменяться.
Определить максимальную пропускную способность трубопровода с промежуточными насосными станциями в этом случае можно методом последовательных приближений, который заключается в следующем. При известном расположении партий нефтепродуктов, полагая включенными все насосы на насосных станциях, из уравнения баланса давлений определяют пропускную способность трубопровода (нулевое приближение). Затем при найденной таким образом пропускной способности проверяют выполнение ограничений по максимальному давлению нагнетания после каждой насосной станции и по минимальному давлению подпора перед каждой насосной станцией, начиная с первой.
При первом же невыполнении этих ограничений давление на данной насосной станции принимают равной предельно допустимой и определяют новое значение пропускной способности, после чего повторяют процедуру проверки ограничений. В результате расчета определяют «лимитирующий» участок трубопровода, где давления нагнетания и подпора равны предельно допустимым и определенная для этого случая пропускная способность всего трубопровода будет максимально возможной при данном расположении партий нефтепродуктов.
Основная литература: 1 осн. [205-217], 2 осн. [87-92], 3 осн. [260-266] ],
4 осн. [1183-185, 197-216]
Дополнительная литература: 5 доп. [35-39]
Контрольные вопросы: