Практикум. Лабораторная работа 1. Расчет гидравлического режима совместной работы участка нефтепровода и нефтеперекачивающей станции 2

• Название: Лабораторная работа 1. Расчет гидравлического режима совместной работы участка нефтепровода и нефтеперекачивающей станции 2
• Анкор: Практикум
• Дата: 01.03.2022
• Размер: 2.33 Mb.
• Имя файла: Практикум.doc
• Тип: Лабораторная работа; #378072
• страница: 1 из 21

Содержание

Лабораторная работа №1. «Расчет гидравлического режима совместной работы участка нефтепровода и нефтеперекачивающей станции» 2

Теоретическое введение 2

Задания лабораторной работы 12

Работа с программой «Режим» 14

Порядок выполнения работы 19

Лабораторная работа №2. «Расчет гидравлического режима совместной работы НПС и сложного участка нефтепровода (с вставками или лупингом)» 24

Теоретическое введение 24

Задания лабораторной работы 29

Работа с программой «Комплекс» 31

Порядок выполнения работы 37

Лабораторная работа №3. «Расчет гидравлического режима работы участка нефтепровода с промежуточными нефтеперекачивающими станциями» 41

Теоретическое введение 41

Задания лабораторной работы 45

Работа с программой «Транзит» 48

Порядок выполнения работы 53

Лабораторная работа №4. «Расчет гидравлического удара на участке трубопровода» 57

Теоретическое введение 57

Задания лабораторной работы 78

Работа с программой «Гидроудар» 80

Порядок выполнения работы 87

Лабораторная работа №5. «Расчет смесеобразования при последовательной перекачке нефтепродуктов» 90

Теоретическое введение 90

Задания лабораторной работы 96

Работа с программой «Смесь» 97

Порядок выполнения работы 100

Лабораторная работа №6. «Термогидравлический расчет участка трубопровода при перекачке нефтей и нефтепродуктов с подогревом» 102

Теоретическое введение 102

Задания лабораторной работы 107

Работа с программой «Термика» 109

Порядок выполнения работы 115

Рекомендуемая литература 119

Лабораторная работа №1. «Расчет гидравлического режима совместной работы участка нефтепровода и нефтеперекачивающей станции»

Теоретическое введение

Уравнение Бернулли для участка нефтепровода. В основе гидравлических расчетов участка трубопровода, по которому осуществляется перекачка нефти (см. рис.1), лежит хорошо известное уравнение Бернулли:
, (1.1)
в котором p₁ и p₂ – давления в сечениях x₁ и x₂ нефтепровода, соответственно; z₁ и z₂ – высотные отметки этих сечений, ρ – плотность нефти, g – ускорение свободного падения, а – потери напора на участке [x₁, x₂] трубопровода. Отношение называется пьезометрическим напором, а величина – геометрическим напором в сечении трубопровода. Обе величины измеряются в метрах.

Потери напора на участке[x₁, x₂] нефтепровода состоят из двух частей:
. (1.2)
Первое слагаемое называется потерей напора на трение. Оно выражает потери механической энергии за счет сил внутреннего трения слоев вязкой нефти друг о друга. Второе слагаемое называется потерей напора на преодоление местных сопротивлений (сужений, поворотов, задвижек и т.п.). [1, 4, 6]



Рис.1. К гидравлическому расчету участка нефтепровода
Потери напора (м) на трение рассчитывают по формуле

, (1.3)
называемой формулой Дарси-Вейсбаха. В этой формуле – внутренний диаметр трубопровода; – средняя по сечению скорость перекачки ( , где Q – объемный расход перекачки); – длина участка трубопровода между рассматриваемыми сечениямиx₁ и x₂; – коэффициент гидравлического сопротивления.

Потери напора (м) на преодоление местных сопротивлений рассчитывают по формуле
, (1.4)

в которой - коэффициенты местных сопротивлений, а суммирование осуществляется по всем сопротивлениям, имеющимся на участке[x₁, x₂].

Иногда наличие местных сопротивлений в магистральном нефтепроводе учитывают огрубленно, полагая, что потери напора на местных сопротивлениях составляют примерно 2% от потерь напора на трение, т.е. принимают, что . В этом случае полные потери напора на участке нефтепровода между сечениями и вычисляются по формуле:
. (1.5)
Если учесть, что коэффициент λ гидравлического сопротивления есть функция от числа Рейнольдса (ν – кинематическая вязкость нефти) и относительной шероховатости ε внутренней поверхности труб: . А значит, коэффициент λ зависит (через число Re) от скорости перекачки и, следовательно, от расхода нефти. Уравнение Бернулли (1.1) с учетом формул (1.2) – (1.4), записанное в форме
, (1.6)
является соотношением, связывающим давления в сечениях x₁ и x₂ со скоростью перекачки, а, следовательно, и с ее расходом .

Коэффициент гидравлического сопротивления. Для расчета коэффициента λ гидравлического сопротивления можно использовать следующие формулы [4, 6].

• 
  Если число Рейнольдса <2320, то течение нефти ламинарное. Для него
  

(формула Стокса). (1.7)
Ламинарное течение может реализоваться для высоковязких нефтей, течение которых характеризуется относительно небольшими числами Рейнольдса.

• 
  Если , то режим течения нефти «переходный турбулентный» и
  

(1.8)
где – так называемый коэффициент перемежаемости.

• 
  Если ( – относительная шероховатость внутренней поверхности трубопровода, являющаяся отношением абсолютной шероховатости Δ труб и внутреннего диаметра d трубопровода), то течение нефти происходит в развитом турбулентном режиме, в зоне так называемых «гидравлически гладких труб» (коэффициент не зависит от шероховатости):
  

(формула Блазиуса). (1.9)

• 
  Если , то течение нефти происходит в зоне так называемого «смешанного трения», для которой коэффициент гидравлического сопротивления можно вычислить, например, по формуле:
  

(формула Альтшуля). (1.10)

• 
  Если , то течение нефти происходит в зоне «квадратичного трения» (т. к. если не зависит от скорости течения, то потери напора пропорциональны квадрату скорости течения) и
  

(формула Шифринсона). (1.11)
Гидравлический уклон. Прямая АВ, представляющая зависимость полного напора от координаты вдоль оси трубопровода: (рис.1) называется линией гидравлического уклона. Абсолютная величина тангенса угла ее наклона к горизонтали называется гидравлическим уклоном:
; (1.12)
Гидравлический уклон – это безразмерная величина, характеризующая быстроту падения напора в рассматриваемом нефтепроводе. Гидравлический уклон для данного нефтепровода зависит от производительности перекачки, при этом, чем больше , тем быстрей уменьшается напор, тем больше величина гидравлического уклона .

Величина 1000 дает падение напора в м на км пути. Так, например, гидравлический уклон означает падение напора 3 м на 1 км пути, – 0,75 м на 1 км пути и т. д.

Уравнение баланса напоров для участка нефтепровода. Начальный напор в линии нагнетания перекачивающей станции складывается из трех составляющих (см. рис.1):

,
где – подпор перед станцией (напор в линии всасывания станции) и – дифференциальный напор станции (т.е. напор, создаваемый насосами станции). Последний зависит от производительности нефтепровода и определяется, главным образом, –характеристиками насосов, их типом и числом, а также характеристиками трубопроводной обвязки станции.

Напор в конце участка нефтепровода складывается из двух составляющих: геометрического напора и конечного напора :
.
Уравнение Бернулли (1.1), записанное для начального и конечного сечений участка нефтепровода, имеет вид:
,


или

. (1.13)
Это уравнение называется уравнением баланса напоров для участка нефтепровода. Оно служит для определения производительности перекачки. В левой части уравнения стоит пьезометрический напор , имеющийся в начале нефтепровода, а в правой – сумма двух «противонапо­ров» и потерь напора на рассматриваемом участке. Иными словами, уравнение (1.13) означает, что имеющийся в начале участка нефтепровода напор компенсирует противонапоры и потери напора из-за работы сил вязкого трения слоев нефти друг о друга.

На рис.2 представлена графическая интерпретация уравнения (1.13).

На плоскости переменных изображены графики левой и правой части уравнения (1.13), называемых соответственно:

• 
  кривая – (Q-H)–характеристикой нефтеперекачивающей станции;
  

• 
  кривая – (Q-H)–характе­ристикой участка нефтепровода.
  

Рис.2. Совмещенные характеристики участка нефтепровода и нефтеперекачивающей станции (НПС):

1 – трубопровода, 2 - НПС
Координаты точки пересечения этих кривых, называемых также совмещенными (Q-H) – характеристиками нефтеперекачивающей станции и участка нефтепровода, дают графическое решение уравнения (1.13). Абсцисса точки есть решение уравнения (1.13), а ее ордината определяет напор на «выходе» станции. Точка называется рабочей точкой системы «трубопровод - нефтеперекачивающая станция».

Потери напора , входящие в (Q-H) – характеристику участка нефтепровода и происходящие из-за диссипации механической энергии вследствие сил вязкого трения слоев нефти друг о друга, представляются формулой (1.5) Дарси-Вейсбаха

(с поправкой на местные сопротивления), в которой протяженность рассматриваемого участка нефтепровода. При этом предполагается, что участок полностью заполнен жидкостью.

Однако могут существовать режимы перекачки, в которых нефть на отдельных участках трубопровода движется неполным сечением или, как говорят, самотеком. Такие участки называются самотечными.

Самотечные участки нефтепровода. Самотечным называется участок [x₁, x₂] трубопровода, на котором нефть движется неполным сечением (самотеком) под действием силы тяжести (рис.3). [1, 4]

Рис.3. Схема самотечного участка нефтепровода

Давление в парогазовой полости остается практически постоянным и равным давлению p_у упругости насыщенных паров данной нефти, поэтому течение на самотечном участке называется безнапорным. Однако разность напоров между сечениями (началом самотечного участка) и (концом самотечного участка) все же существует, она равна разности геометрических высот этих сечений.

Стационарные самотечные участки с расслоенным течением жидкости могут существовать только на нисходящих участках нефтепровода.

Начало каждого самотечного участка называется перевальной точкой. Перевальная точка всегда совпадает с одной из вершин профиля трубопровода.

Линия гидравлического уклона на самотечном участке проходит параллельно профилю трубопровода на расстоянии над ним. Отсюда следует, что гидравлический уклон i_с на самотечном участке равен абсолютной величине тангенса угла α_п наклона профиля нефтепровода к горизонту: .

Расход нефти на самотечном участке в стационарном режиме равен расходу нефти в заполненных сечениях трубопровода:
. (1.14)
Из чего можно заключить, что скорость движения жидкости на самотечном участке больше скорости движения жидкости на заполненных участках нефтепровода, поскольку площадь части сечения, занятого жидкостью на каждом самотечном участке, меньше площади полного сечения трубопровода:

Степень заполнения самотечного участка нефтью может быть различной. Она зависит от отношения гидравлических уклонов на самотечном участке ( ) и на участках трубопровода, полностью заполненных нефтью ( ). Обобщая многочисленные исследования в области безнапорных течений в каналах кругового сечения, можно предложить следующие аппроксимационные формулы для расчета степени заполнения сечения трубы нефтью на самотечном участке при расслоенном течении.

• 
  Если то . В этом случае сечение трубы заполнено полностью.
  
• 
  Если то
  

.

• 
  Если то
  

. (1.15)

• 
  Если то
  

.

Формулы (1.15) позволяют рассчитать степень заполнения сечения трубопровода нефтью по известному отношению гидравлических уклонов и на напорном и самотечном участках, соответственно.