|
1. Порядок проектирования маг тдов
21. Изменение температуры по длине «горячих» трубопроводов.
Подогретая нефть, двигаясь по трубопроводу, отдает тепло в окружающую среду и постепенно остывает. Выделим на трубопроводе участок длиной dxи составим для него уравнение теплового баланса (рис. 7.2).
Рис. 7.2. Расчетная схема к выводу закона изменения температуры нефти по длине трубопровода
При движении нефти через рассматриваемый участок она охладится на dT и потеряет в единицу времени количество тепла (изменение теплосодержания)
dq1=-G*cр*dT,
гдеG— массовый расход нефти; с — ее теплоемкость.
Знак «минус» учитывает, что температура нефти по мере удаления от пункта подогрева уменьшается (т. e. dT<0).
Изменение температуры нефти в трубопроводе происходит по следующим причинам:
•отдача тепла в окружающую среду
dq2=K*π*D(T-T0)*dx
• нагрев нефти вследствие выделения тепла трения
dq3 =-G- g*idx;
• нагрев нефти вследствие выделения из нее кристаллов парафина
где К — полный коэффициент теплопередачи от нефти в окружающую среду; D— внутренний диаметр отложений в трубопроводе; Т — температура нефти в сечении х; То— температура окружающей среды; /, — средний гидравлический уклон; е — массовая доля парафина в нефти; хп — скрытая теплота кристаллизации парафина; Тш, Ткп—температуры соответственно начала и конца выпадения парафина.
Как уже отмечалось, dq1— это количество тепла, теряемого в единицу времени нефтью при ее перемещении с массовым расходом Gна расстояние dx. Величина dq2— это количество тепла, отдаваемого нефтью через поверхность π*D-dxпри температурном напоре Т— Т0и полном коэффициенте теплопередачи К. Величину dq3можно интерпретировать как работу (переходящую по закону сохранения энергии в тепло), совершаемую в единицу времени при перемещении нефти с массовым расходом Guс преодолением сопротивления idx. Наконец, величина dq4есть произведение массы парафина Ge, выделяющейся в единицу времени при уменьшении температуры нефти
на dT.
Соответственно, уравнение теплового баланса для нефти, находящейся в участке трубы длиной dx, примет вид
Разделяя переменные, получим
7,2
Интегрируя левую часть уравнения (7.2) от 0 до х, а правую от Тн до 1\х), после ряда преобразований получим
(7.3)
где у, aL—расчетные коэффициенты,
.
Внутренний коэффициент теплоотдачи определяется по формуле
где λн— коэффициент теплопроводности нефти.
Из вышеприведенных формул видно, что при проектировании «горячих» трубопроводов дополнительно надо располагать данными о коэффициенте теплопроводности грунта, а также о теплоемкости и коэффициенте теплопроводности нефти.
- Режимы течения нефти в «горячих» трубопроводах
В большинстве «горячих» трубопроводов при начальной температуре нефть течет в турбулентном режиме. Однако по мере удаления от пункта подогрева нефть остывает, ее вязкость возрастает, турбулентные пульсации молей жидкости ослабевают и на некотором удалении от пункта подогрева число Рейнольдса может стать равным критическому Reкр , при котором турбулентный режим течения переходит в ламинарный. Режим течения нефти, при котором вследствие изменения ее вязкости в трубопроводе одновременно имеют место ламинарный и турбулентный режимы течения, называется смешанным.
Происходящую смену режима течения в «горячем» трубопроводе необходимо учитывать при гидравлическом расчете. Для этого надо знать протяженность участков с турбулентным и ламинарным режимами течения.
Длина участка с турбулентным течением равна
где ср— обобщенная теплоемкость нефти,;
к * О
KТyT — соответственно полный коэффициент теплопередачи и коэффициент у при турбулентном режиме течения нефти.
Аналогично можно выразить длину участка с ламинарным течением
где Тк— температура нефти на входе в пункт подогрева.
При Ткр < Ткв трубопроводе имеет место только турбулентный режим течения и расстояние между пунктами подогрева lТс равно
а при Тн < Ткр. режим течения в трубопроводе только ламинарный и расстояние между пунктами подогрева находится по формуле
22. Подготовка газа к транспорту.
1. Очистка газа от мех. примесей. Мех. примеси –это частицы породы выносимые газовым потоком из скв. Строительный шланг, продукты коррозии и эрозии внутри поверхности, жид. включ. конденсата и воды.
По принципу работы аппарата для очистка газа от мех. примесей делят на:
а) работы по принципу «сухого» отделения пыли. В таких аппаратах в осн. use сила гравит. и инерции (циклонные пылеуловители, гравит. сепараторы, фильтры).
б) работы по принципу мокрого улавливания пыли.
В этом случ. удаляемая из газа смесь смаз. промыв.-й ж.-ю кот. отд. от газового потока вывод. из аппарата для регенирации и затем возвращ. в аппарат в вертик или гаризон. маслоуловители.
23Состав сооружений и классификация магистральных газопроводов
Состав сооружений магистрального газопровода:
/ — промыслы; 2 — газосборный пункт; 3 — промысловый коллектор; 4 — установка подготовки газа; 5 — головная компрессорная станция (ГКС); 6 — магистральный трубопровод; 7 — промежуточная КС; 8 — линейные запорные устройства; 9 — подводный переход с резервной ниткой; 10 — переход под железной дорогой; 11 — отвод от магистрального газопровода; 12 — газораспределительная станция (ГРС); 13— конечная ГРС; 14— станция подземного хранения газа (СПХГ); 15— газорегуляторный пункт (ГРП); 16— тепловая электростанция; 17— газоперерабатывающий завод (ГПЗ)
Компрессорные станции (КС) размещаются по трассе газопровода с интервалом 80... 120 км и служат для восстановления давления перекачиваемого газа. В большинстве случаев КС оборудуются центробежными нагнетателями с приводом от газотурбинных установок или электродвигателей. Газораспределительные станции (ГРС) предназначены для снижения (редуцирования) давления газа до рабочего давления газораспределительной системы потребителей. ГРС также оборудуются узлами учета и установками очистки и одоризации газа (придания ему специфического запаха для облегчения обнаружения утечки газа с целью предупреждения взрывоопасных ситуаций и отравления людей).
Для сглаживания неравномерности потребления газа крупными населенными пунктами сооружаются станции подземного хранения газа (СПХГ). Для закачки газа в подземное газохранилище СПХГ оборудуется собственной дожимной компрессорной станцией (ДКС).
К линейным сооружениям относятся собственно магистральный трубопровод, линейные запорные устройства, узлы очистки газопровода, переходы через искусственные и естественные препятствия, станции противокоррозионной защиты, дренажные устройства. К линейным сооружениям также относятся линии технологической связи, отводы от магистрального газопровода для подачи части транспортируемого газа потребителям и сооружения линейной эксплуатационной службы (ЛЭС).
Исходя из величины рабочего давления, магистральные газопроводы подразделяются на два класса:
• 1-й класс — при рабочем давлении свыше 2,5 МПа до 10 МПа включительно;
• 2-й класс — при рабочем давлении свыше 1,2 МПа до 2,5 МПа включительно.
Газопроводы, эксплуатируемые при давлениях ниже 1,2 МПа, к магистральным газопроводам не относятся. Протяженность магистральных газопроводов составляет обычно от нескольких десятков до нескольких тысяч километров, а диаметр — от 150 до 1420 мм включительно. Большая часть газопроводов имеет диаметр от 720 до 1420 мм включительно.
24. Изменение давления по длине газопровода
Рассмотрим участок газопровода протяженностью lкс, с давлением в начале и конце участка соответственно равными Рн и Рк (рис 4.3).
Рис. 4.3. Расчетная схема газопровода
Если газопровод не имеет сбросов и подкачек, то массовый расход газа в нем неизменен.
распределения давления по длине газопровода
-Среднее давление в газопроводе
Среднее давление газа в газопроводе необходимо для определения его физических характеристик, а также для нахождения количества газа, заключенного в объеме трубопровода.
Поскольку изменение давления по длине газопровода происходит по закону параболы (рис. 4.5), то среднее давление необходимо определять как его среднеинтегральное значение
После интегрирования получим
-Влияние рельефа трассы на пропускную способность г\да.ABCиз двух ветвей - восходящей АВ и нисходящей ВС . Нач. и кон.-я высотные отметки (zA = zc). Поскольку давление газа по длине газопровода снижается, то и плотность газа также уменьшается. Поэтому масса газа M1 в участке АВ, больше массы газа М2на участке ВС.
Т. о., необходимо учитывать не только нач. и кон.-ю высотные отметки, но и высотные отметки промеж.-х точек трассы.
Влияние рельефа следует учитывать в тех случаях, когда на трассе имеются точки, расположенные выше или ниже нач.-го пункта г\да более чем на 100 м. Расчет в таком случае следует выполнять с учетом слагаемого g•dzв ур.-ии удельной энергии. При этом отметка нач. точки г\да принимается равной нулю (zB=0). Отметки характерных точек профиля, находящихся выше нач. точки, будут иметь положительные значения, ниже — отрицательные. Рассмотрим некоторые частные случаи расчета негоризонтальных г\дов. 25.Расход газа в г\де. При установившемся реж. работы г\да (без отборов и подкачек) массовый расход г. в любом его сечении остается неизменным, т.е.
где F—площадь живого сечения г\да; р1,w - соответственно плотность и средняя скорость движения г. в рассматриваемом сечении; 1...п — индексы соответственно 1-го и n-го произвольных сечений.
Г. явл. сжимаемой средой, с удалением от КС (и соотв.-м падением давления) его плотность уменьшается. Это приводит к возрастанию скорости движения г. Ур.-е баланса удельной энергии м. записать только в диф. форме
В большинстве случаев м. пренебречь силами инерции
и разностью геодезических отметок g • dz.
Ур.-е энергии м. переписать в виде
В случае изотерм. установившегося движения г. воспольз. ур.-м состояния
ур.-м неразрывности
ур.-м Дарси-Вейсбаха
где Т - температура г.; х - продольная координата для произвольного сечения; D – внутр. диаметр г\да.
В рез.-те выражение м. представить в виде
или
Интегрируя левую часть ур.-я от Рндо Рк, а правую от 0 до lкси освобождаясь от минуса, получим
где Рн, Рк - соответственно давление в нач. и конце участка г\да; 1КС - длина линейного участка г\да м\ду КС.
Параметры Рейнольдса определяют по формуле
где Q,G — соотв.-нно объемная и массовая произв.-ть г\да.
движении г. вел.-на параметра Re, а след.-но, и значение коэф.-та гидравл. сопр.-я λпо длине г\да остаются практически неизменными. Например,
Если известны давления в нач. и конце участка г\да, ур.-е м. решить относит. массового расхода газа
где ρст - плотность г. при станд. условиях; ZCT – коэф. сжимаемости г. при станд. условиях, ZCT=1
-Температурный режим в г\де При стационарном изотермич. движении г. массовый расход в г\де составляет
Фактически движение г. в г\де всегда явл.-ся неизотермическим. В процессе компримирования г. нагревается. Даже после его охлаждения на КС температура поступающего в т\д г. составляет порядка 20...40 °С, что существенно выше температуры окруж. среды (Т0). Практически температура г. становится близкой к температуре окруж.-ей среды лишь у г\дов малого диаметра (Dу < 500 мм) на удалении 20...40 км от КС, а для г\дов большего диаметра всегда выше Т0. Кроме того, следует учесть, что транспортируемый по т\ду г. явл.-ся реальным газом, которому присущ эффект Джоуля — Томсона, учит.-ий поглощение тепла при расширении г.
При изменении температуры по длине г\да движение г. описывается системой уравнений:
1)удельной энергии
2)неразрывности
3)состояния
4)теплового баланса
Рассмотрим в первом приближении ур.-ие теплового баланса без учета эффекта Джоуля — Томсона. Разделяя переменные и интегрируя ур.-ие теплового баланса получим:
(1)
где аt — расчетный коэф.-т
Кср - средний на участке полный коэф. теплопередачи от г. в окруж. среду.
Величина произведения аt•lKCбезразмерна и наз.-ся числом Шухова
Решая ур.-ие относит. температуры г. в конце г\да, получим
Рассмотрим влияние изменения температуры г. на производ.-ть г\да
Умножив обе части ур.-ия удельной энергии на ρГ2и заменив величину dhна формулу Дарси—Вейсбаха
получим
Выразим плотность г. в левой части выражения из ур.-ия состояния
произведение рг • w из урав-я неразр..-ти
dх. из уравнения теплового баланса
ур.-е удельной энергии принимает вид
Обозначив
и интегрируя левую часть ур.-ия от PH до PK а правую от TH до ТK, получим
Произведя интегрирование в указанных пределах, получим
где φH—поправочный коэф., учит.-щий изменение температуры по длине г\да (неизотермичность газового потока),
зависимость для опред.-ия массового расхода газа примет вид
Значение φнвсегда больше единицы, следовательно, массовый расход г. при изменении температуры по длине г\да всегда меньше, чем при изотермическом режиме. Произведение Т0 • фнназывается среднеинтегр.-ой температурой г. в г\де.
С учетом эффекта Джоуля — Томсона закон изменения температуры по длине г\да принимает вид
где РСР — среднее давление на участке г\да; Di — коэф. Джоуля— Томсона.
Средняя температура г. ТСРна участке г\да определяется по формуле
значение коэф.-та теплопередачи при подземной прокладке г\да:
где D - внутренний диаметр г\да, м; К — базовый коэф.-нт теплопередачи для г\да диаметром 1 м.
26.Оценка эффектив.-сти перемычек. Системы маг. транспорта г. сооружаются многониточными, что позволяет сделать их работу более надежной.
Рассмотрим участок многониточного г\да длиной l, состоящий из п труб диаметром D
Ф.-ла в случ. аварии на г\де
Пусть на участке длиной l1газ перекачивается по всем п «ниткам», а на остальной длине перегона - по (п—р) «ниткам». Определим изменение производительности системы в этом случае.
Находим D эквив.-ти длиной в l.
при
Диаметр газопровода, эквивалентного всей системе
где l- - относительная длина участка с n работающими нитками»
Расход г. до и после аварии
Чем чаще установлены перемычки, тем в меньшей степени пострадает производительность многониточного г\да при отказах нар «нитках».
27.Основные этапы технологического расчета магистрального газопровода Целью режимно-технол.-го расчета газопровода явл.-ся решение след.-х задач: определение диаметра гп\ровода; опред.-е необх.-го кол.-ва компрессорных станций и расстановка их по трассе г\провода; расчет режимов работы КС; уточненный гидравлический и тепловой расчет линейных участков и режимов работы и промежуточных КС до конечного пункта г\провода.
Для выполнения технол.-го расчета г\да необ-ходимы след.-е исходные данные: компонентный состав транспор-тируемого природного газа; годовая производительность газопровода Qpмлрд м3/год; протяженность г\провода Lи условия прокладки, профиль; трассы, климатические и теплофизические данные по ней
Определение диаметра газопровода и числа компрессорных станций Расчет выполняется в следующем порядке.
1) Опред. основные физ. свойства г.: плотность г. при станд.-х условиях рСТ; относит. плотность г. по воздуху ∆; молярная масса газа МГ; псевдокритические температура ТПКи давление Рпк; газовая постоянная R.
2) В соотв.-ии с табл. прин.-ся ориентировочное значение диаметра г\да. В настоящее время маг.-е г\ды проектируются на раб. давление Р = 7,5 МПа. Проектирование г\дов на раб. давление Р = 5,6 МПа производится только для случаев соединения проектир.-х г\дов с системой существующих г\дов такого же раб. давления.
3) Рассчитывается оценочная пропускная способность г\да (коммерческий расход, млн м3/сут)
где оценочный коэф. пропускной способности г\да; кю – коэф.-т расчетной обеспеченности потребителей, кт — 0,95; кЭТ – коэф. учета экстремальных температур, кэт= 0,98; кнд - оценочный коэф. надежности г\да, завис.-й от длины и диаметра г\да.
4)Выбир.-ся тип ЦН и привода. Опред. номин. давления всасыв. и нагнетания.
5)Вычисляется толщина стенки δог\да. Коэф. надеж.-ти по нагрузке приним.-ся равным np =1,1. Вычисл.-е знач.-е δоокругляется в большую сторону до стандартной величины δиз рассм.-го сортамента труб, после чего опред.-ся значение внут.-его диаметра D.
6)Опред.-ся давления в начале и в конце линейного участка г\да
7)Рассчитывается среднее давление в линейном участке г\да.
8)Для расчета расстояния м\у КС задаемся в первом приближении ориентир.-ым знач.-ем сред. температуры на линейном участке
где Тн— нач.-я температура на входе в лин.-ый уч.-ок. В первом приближении можно принять Тн =293...303 К (20...30 °С); То-температура окруж. среды на уровне оси г\да.
9)При Р = Рср и Т = Тсррассчитываются приведенные температура Тпри Рпр.
10)Опред.-ся коэф. сжимаемости Zcp.
11)Полагая в первом приближении режим течения газа квадратичным, рассчит.-ся коэф. гидравл.-го сопротивления λтри λ.
12)Определяется среднее ориентировочное расстояние между КС
13)Опред.-ся число КС
кот. округляется до целого пкс(как правило, в большую сторону).
14) Уточняется расстояние м\ду КС
На этом первый этап техн.-ого расчета г\да завершается.
Уточненный тепловой и гидравл. расчет участка г\да м\ду двумяКС Абсолютное давление в конце участка г\да опред.-ся из формулы расхода
В этом ур.-ии величина λ рассч.-тся с учетом коэф. динамической вязкости (лГпри средних значениях температуры и давления.
Уточн.-й расчет участка г\да выполняется в следующем порядке:
1)принимаются в качестве первого приближения значения λ и Zcpи Тсриз предварительных вычислений;
2)определяется по формуле (4.122) первое приближение величины Рк;
3)по известным значениям Рни Рк) опред.-ся уточненное сред. давление Рср;
4)по формуле (4.11) определяются средние приведенные давление РПри температура Тпр;
5)для расчета конечного давления во втором приближении вычисляется уточненное значение Тср: для этого используют величины средней удельной теплоемкости Ср, коэф.-та Джоуля-Томсона Diи коэф.-та at.
где Кср-средний на уч.-ке общий коэф. теплопередачи от г. в окруж. среду
6)во втором приближении при Р = РсриТ=ТСРвычисл.-тся Рпр ,Тпр, µ иZCp.;
7)опред.-ся значения Re, λт р и λ;
8)определяется конеч. давление Ркво втором приближении;
9)Если полученный результат отличается от предыдущего приближения более чем на 1 %, имеет смысл уточнить расчеты, выполняя 3-е приближение, нач. с п.3, а если рез.-т удовл.-ет требованиям точности расчетов, переходим к след.-му пункту;
10)уточняется среднее давление РСР;
11)при х=lксопред/-ся температура г Ткв конце линейного участка.
Расчет режима работы КС Исход. данными для расчета режима работы КС явл. :давление и температура г. на входе в КС (равные уточн.-м знач. давления и температуры в конце линейного участка);
- температура окруж.-го воздуха Тюзд;
- физич.-ие свойства г. (рст, Рпк, Тпк ,R).
По паспортным данным ЦН необх. знать: Q– номин. производ.-ть ЦН при станд. условиях; номин. мощность ГПА; номин.-ую частоту вращения вала ЦН; диапазон возможных частот вращения ротора ЦН; привед.-ую характ.-ку ЦН.
Порядок расчета:
1)опред.-м давление Рки темпер.-ру Ткг. на входе в ЦН; 2)опред.-ся плотность рвси коэф.-нт сжим.-ти г. ZKпри условиях всасывания; 3)определяется требуемое кол.-во нагнетателей mm = QKC/QH, которое округляется до целого значения; 4)рассч.-тся производ.-сть нагнетателя при условиях всасывания; 5)задаваясь номин.-м значением давления нагнетания Рнаг вычисляется требуемая степень повыш. давления ε; 6)с помощью построенной линии расчетных режимов опред.-ся значения Qnp, ηпол и [Ni/ρВС]ПС; 7)вычисляется фактическая частота вращения ротора
кот.-я должна удовлетворять условию
8)вычисляется внут.-я мощность Ni, потребляемая ЦН; 9)рассчит.-ся мощность на муфте привода Ne; 10)вычисляется располагаемая мощность ГПА
где NeH— номинальная мощность ГПА; kN— коэф.-т тех.-го состояния по мощности; к0БЛ— коэф.-нт, учит.-ий влияние системы противообледенения (при отключенной системе кОБЛ= 1); ку-коэф.-нт, учит.-й влияние системы утилизации тепла; kt — коэф.-нт, учитывающий влияние атмосферного воздуха на мощность ГПА; Твозд, Твоздн- соответственно фактич.-я и номинальная температура воздуха, К.
Знач.-я NeH, кN, к0БЛ, ку, кt Тюзднприн.-ся по справочным данным о ГПА.
11) производится сравнение Neи Nep, при этом должно выпол.-ся учловие
(при несоблюдении увел.-ть число тЦНна единицу и повторить расчет режима работы КС нач. с п.4); 12)определяется температура газа на выходе из ЦН
где к–показ.-ль адиабаты пр. г. к=1,31.
Далее послед.-но рассчит.-ся линейные участки и режимы работы остальных КС.
28.Определение расхода и эквивалентного диаметра при послед. случае соединения участков. Однониточный газопровод с участками различного диаметра
Рассмотрим однониточный г\д с участками различн. диаметра с постоянным линейным коммерческим расходом Q.
Воспользуемся формулой для опред. пропускной способности простого г\да
Для каждого из участков сложного г\да можем записать
Выразим из полученных равенств разности квадратов давлений, имея в виду, что Q1 = Q2=... = Qn = Q
Проведя почленное сложение данных выражений в предположении получаем
Для эквивалентного г\да выражение имеет вид
Т. как левые части и равны, то, следовательно, равны и правые. После сокращения одинаковых сомножителей получ. ур.-е связи параметров эквивалентного и реального г\дов
При квадратичном режиме в соответствии с величина λi обратно пропорциональна Di0,2. Следовательно, можем переписать в виде
В соотношении сразу 2 неизвестные величины: lэи Dэ.
Задаваясь одной из них, например lэ = ∑li легко найти вторую.
29.Определение расхода и эквивалентного диаметра при парал. случае соединения участков.
Параллельные г\ды рассмотрим сложный г\д, состоящий из нескольких параллельных ниток различного диаметра.
Поскольку нач. и конечное давление для каждой нитки параллельной системы г\дов одинаково, из ур.-я материального баланса следует, что
Расход г. в каждой отдельной нитке г\да описывается формулой:
Соответственно, для системы параллельных газопроводов
Для эквивалентного г\да величина расхода г. также описывается ур.-м (4.88), где вместо lи Dподставлены соответственно lэи Dэ
Приравняв правые части данных выражений и сократив одинаковые сомножители ZCP*Tcр=Zср*Тср,, получаем
В частном случае при квадратичном режиме течения г. принимает вид
Для i-й параллельной нитки г\да
Получаем ур.-е связи расхода в i-й нитке и системе параллельных г\дов в целом при квадратичном режиме течения
Если длины параллельных ниток одинаковы, то справедливо соотношение
30.Аккумулирующая способность участка газопровода
Одной из характерных особенностей работы МГ является неравномерность потребления газа на конечном пункте. Неравномерность газопотребления может быть сезонной и суточной.
Сезонная неравномерность зависит от климатических условий, то есть обусловлена различным потреблением газа летом и в зимний отопительный период. Сезонная неравномерность компенсируется изменением режима работы КС либо подключением СПХГ.
Суточная неравномерность обусловлена различными режимами потребления газа в дневное и ночное время. В дневные часы потребление газа больше среднесуточного, в ночные часы - меньше. Вследствие суточной неравномерности отбор газа из последнего участка не постоянен. Следовательно, масса газа, заключенного в нем, изменяется во времени. В ночное время происходит накопление газа, начало этого процесса соответствует точке а (рис. 4.17). Точка Ь характеризует момент завершения периода накопления газа и начало процесса отбора. В этот момент времени в последнем участке газопровода содержится наибольшее количество газа. Период отбора заканчивается в момент времени, соответствующий точке с, при этом количество газа в последнем участке будет наименьшим.
Q
ночные часы дневные часы Время
Рис. 4.17. График сyroчной неравномерности газопотребления
Расчет аккумулирующей способности участка газопровода методом последовательной смены стационарных состояний приводит К погрешности, не превышающей 15 ... 20 % в сторону уменьшения фактической компенсации суточной неравномерности газопотребления (то есть расчет обеспечивает запас в 15 ... 20 %).
Машины и оборудование
|
|
|