УМКД ГНП. УМКД, НПС, МиО ГНП , Kovalenko_2005_1. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 170 05 01 Проектирование, сооружение и эксплуатация
 Скачать 6.46 Mb.
|
|
2.4. Гидравлический уклон в магистралях и на участках с лупингами и вставками Гидравлическим уклоном i называются потери напора на трение, отнесенные к единице длинны трубопровода, другими словами, это тангенс угла наклона линии падения напора. Исходя из формулы Дарси-Вейсбаха, 2 1 2 W i D g = λ , (4.29) а из формулы Лейбензона 2 5 m m m Q v i D − − = β (4.30) Лупингом называется участок трубопровода, который прокладывается параллельно основной магистрали с целью уменьшения гидравлического сопротивления, что приводит к увеличению пропускной способности нефтепровода. Схема трубопровода с лупингом изображена на рис. Рис. 4.2. Гидравлический уклон магистрали на лупингах Найдем соотношение между гидравлическим уклоном лупинга ли магистрали, учитывая, что режим движения на обоих участках одинаковый. Для магистрали на участке AB (однониткового участка) 2 5 m m m Q v i D − − = β (4.31) Для участка BC (двойного участка) 2 МЛ) Суммарный объем жидкости на двойном участке Q = МЛ) где МЛ – объем жидкости в магистрали и лупинге соответственно. Разделим выражение (4.31) на (4.32) и с учетом (4.33) получим 2 2 1 m m Л Л M M Q i Q i Q Q − − ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = = + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ . (4.34) Распределение потерь на двойном участке зависит от соотношения диаметров магистрали и лупинга 2 2 5 5 m m m m Л M Л m m Л Q v Q v i D D − − − − = β = β , (4.35) получим 5 2 m m Л Л M Q D Q D − − ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ . (4.36) Выражение (4.34) с учетом (4.36) будет иметь вид 2 5 2 1 m m m Л Л D i i D − − − ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ ⎢ ⎥ = + ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ . (4.37) Обозначим комплекс величин, которые зависят от соотношения диаметров участков и режима движения, 2 5 2 Л = ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ ⎢ ⎥ + ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ . (4.38) Подставив (4.38) в уравнение (4.37), получим Л ⋅ ω . (4.39) Когда диаметр лупинга равен диаметру магистрали, Л = D, тогда 2 1 2 m − ω = . (4.40) Выражение (4.40) принимает значение при ламинарном режиме m = 1, ω = 0,5; при турбулентном режиме в зоне Блазуса m = 0,25, ω = 0,297; при турбулентном режиме в зоне смешанного трения m = 0,123, ω = 0,272; при турбулентном режиме в квадратичной зоне m = 0, ω = 0,25. Анализируя приведенное выше, видим, что на участке трубопровода с лупингом гидравлический уклон меньше, чем на основной магистрали. Для построения линии гидравлического уклона в характерных точках трубопровода (точки подключения лупингов, изменения диаметра) откладываем вверх от условной горизонтали напоры (рис. 4.2) . A A P h g = ρ ; B B P h g = ρ ; C C P h g = ρ , (4.41) где P A , P B , P C – давление в точках A, B, C. Концы полученных отрезков h A , h B , h C соединяем прямой линией. Вставками называются участки трубопроводов другого диаметра, соединенные сваркой в одну нитку с основной магистралью. Схема трубопровода с вставкой большего диаметра изображена на рис. 4.3. Найдем соотношения гидравлическими уклонами вставки i B и магистрали при одинаковых режимах движения в них для основной магистрали (участок AB) 2 5 m m m Q v i D − − = β ; (4.42) для участка с вставкой BC 2 5 m m B m B Q v i D − − = β . (4.43) Разделив (4.43) на (4.42) получим 5 m в в i D i D − ⎛ ⎞ = = Ω ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ , (4.44) или B i i = Ω . (4.45) Если диаметр вставки больше чем диаметр магистрали D B > D, топа- раметр Ω < 1 и гидравлический наклон на участке вставки меньше чем гидравлический наклон магистрали i B < i; при использовании вставки меньшего диаметра D B < D параметр Ω > 1 и гидравлический уклон системы возрастает i B > i. Линия гидравлического уклона для трубопровода с вставкой изображена на рис. 4.3. Рис. 4.3. Гидравлический уклон магистрали и вставки Общее гидравлическое сопротивление трубопровода сложной структуры определяется этим способом. Потери напора на трение для трубопровода с лупингами слаживаются на одно- и двунитковых участках Лили) где L – длинна трубопровода x – длина лупинга. Аналогично для трубопровода с вставкой ( ) 1 l B h i L x = − − Ω ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ , (4.47) где x B – длина вставки. 169 2.5. Эквивалентные нефтепроводы Современные нефтепроводные системы имеют сложную структуру, так как включают в себя участки параллельно работающих ниток или участки со сменным внешним диаметром или разной толщиной стенки труб. Для упрощения расчетов трубопроводов со сложной структурой его заменяют эквивалентным нефтепроводом постоянного диаметра по длине, который имеет такую же пропускную способность, как и сложный нефтепровод с лупингами и вставками разного диаметра. Нефтепровод переменного диаметра Рассмотрим сложный нефтепровод, который имеет участки с различными диаметрами. Необходимо определить размер эквивалентного ему нефтепровода (рис. 4.4). Рис. 4.4. Расчетная схема нефтепровода переменного диаметра Объем нефти в сложном и эквивалентном трубопроводе одинаковы и равны Q. Потери напора на трение ив местных сопротивлениях на первом участке длинною l 1 и диаметром D 1 (потери напора в местных сопротивлениях принимаем равными 2 % от потерь напора на трение) равны 2 1 1 5 1 1,02 m m m l h Q v D − − = β (4.48) Аналогично определяются потери напора для второго и третьего участка 2 2 2 5 2 1,02 m m m l h Q v D − − = β ; (4.49) 2 3 3 5 3 1,02 m m m l h Q v D − − = β . (4.50) D 1 , l 1 , h 1 D 2 , l 2 , h 2 D 3 , l 3 , экв, экв, экв Суммарные потери напора в сложном трубопроводе H = h 1 + h 2 + h 3 , (4.51) или 2 3 1 2 5 5 5 1 2 3 1,02 m m m m m l l l H Q v D D D − − − − ⎡ ⎤ = β + + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ . (4.52) Для эквивалентного простого нефтепровода потери напора выражаются через эквивалентную длину экв и эквивалентный внутренний диаметр экв 5 1,02 m m экв m экв L H Q v D − − = β . (4.53) Левые части уравнений (4.52) и (4.53) равны, поэтому после некоторых математических преобразований получаем 3 1 2 5 5 5 5 1 2 3 экв m m m m экв L l l l D D D D − − − − ⎡ ⎤ = + + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ . (4.54) Для некоторого числа n последовательно соединенных участков нефтепровода с разными диаметрами 1 5 5 1 i экв экв. (4.55) При практических расчетах принимают 1 i экв l L l = = = ∑ , (4.56) и получают выражение для эквивалентного диаметра трубопровода D экв Параллельные нефтепроводы Суммарный объем нефти для системы параллельных нефтепроводов рис. 4.5) Q = Q 1 + Q 2 +Q 3 , (4.57) Рис. 4.5. Расчетная схема параллельно соединенных нефтепроводов D 1 , l 1 , Q 1 , h D 2 , l 2 , Q 2 , h D 3 , l 3 , Q 3 , h экв, экв, экв, h Для параллельно работающих трубопроводов потери давления одинаковы для каждой нитки. Применим упрощенную формулу Лейбензона для потерь напора на трение относительно объемной потери жидкости в каждой параллельной нитке трубопровода 1 5 2 1 1 1 1,02 m m m hD Q v l − − ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ β ⎝ ⎠ ; (4.58) 1 5 2 2 2 2 1,02 m m m hD Q v l − − ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ β ⎝ ⎠ ; (4.59) 1 5 2 3 3 3 1,02 m m m hD Q v l − − ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ β ⎝ ⎠ . (4.60) Для эквивалентного нефтепровода аналогичное выражение имеет вид 1 5 2 1,02 m m экв m экв hD Q v l − − ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ β ⎝ ⎠ . (4.61) После подстановки (4.58) – (4.60) в выражение (4.57) и некоторых математических действий получим 1 1 1 1 5 5 5 5 2 2 2 2 3 1 2 1 2 3 т т т т m m m m экв экв D D D D L L L L − − − − − − − − ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = + + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ , (4.62) или для n параллельных ниток расчетная формула приобретает вид 1 1 5 5 2 2 1 т т i n т т экв i i экв i D D L l − − = − − = ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ∑ . (4.63) Если длина каждой параллельной нитки одинакова 1 экв = = = = , (4.64) тогда получаем следующую формулу для определения эквивалентного диаметра 5 5 2 1 m i экв. (4.65) 2.6. Определение рабочих режимов насосов при работе на трубопровод Режим работы центробежного насоса всегда следует рассматривать в связи с гидравлической характеристикой трубопровода. Наиболее целесообразно определять режимы работы насоса графически – путем построения на одном чертеже ив одинаковом масштабе кривой Н насоса и кривой, характеризующей гидравлический режим (гидравлическая характеристика) трубопровода. Рабочий режим определяет точка пересечения обеих кривых. Гидравлическая характеристика трубопровода представляет собой графическое изображение зависимости полного напора h, необходимого для перекачки жидкости по трубопроводу, от расхода Q. Полный напор складывается из геодезической высоты г, напора п, необходимого для преодоления гидравлических потерь, и напора и, определяющего избыточное давление в концевом сечении трубопровода h = г + п + h и Потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в трубопроводе зависят от расхода, а сумма г + и определяет статический напор, который не зависит от расхода и может быть положительным риса, отрицательным (рис. 4.6, били равным нулю (рис. 4.6, в) h = ст + f Q 2- m , (4.66) где 5 2 8 ; 4 m m m m V L A f D g − − = β β Значения m, A, β указаны в табл. 4.4. Таблица 4.4 Значения m, A, Режим течения m А β Ламинарный 1 64 128/ π g Турбулентный в зоне Блазиуса 0,25 0,3164 0,242/g Турбулентный в переходной зоне 0,123 - 0,0802 э – Турбулентный в зоне квадратичного закона трения 0 l 8 λ /(π 2 g) Для горизонтального трубопровода (ст = 0, и – мало) гидравлическая характеристика представляет собой кривую, вершина которой проходит через начало координат (рис. 4.6, г, кривая 3). Рабочий режим насоса определяется пересечением кривой 3 с кривой Н (точка А. Если кроме сопротивления трубопровода насос должен преодолеть высоту подъема г, то гидравлическую характеристику трубопровода можно построить путем сложения статического напора ст с напорами, характеризующимися ординатами кривой 3 (кривая 1). Рис. 4.6. Совмещенные характеристики трубопровода и центробежного насоса 1 – характеристикатрубопровода с подъемом на высоту га характеристикатру- бопровода с уклоном на величину г б 3 – характеристикагоризонтального трубопровода (в 4 – характеристика центробежного насоса. Если пункт С расположен ниже насосной станции, то полный напор насоса, необходимый для перемещения жидкости по трубопроводу, уменьшается на разность отметок указанных точек, те. при определенных расходах жидкость может перемещаться самотеком. Гидравлическую характеристику трубопровода строят путем вычитания из ординат кривой 3 величины ст кривая 2). В свою очередь ст = г – и. В обоих случаях режим работы насоса определяют точки пересечения кривых 1 и 2 с кривой Н (точки A 1 и A 2 ). Причинами изменения режима работы насоса могут быть смена перекачиваемой жидкости, влияние сезонных колебаний температуры жидкости, различная технология перекачки. Пусть жидкость перекачивается по горизонтальному трубопроводу и кривая 1 (рис. 4.7) – гидравлическая характеристика этого трубопровода, подсчитанная по средней годовой температуре на глубине его заложения. Характеристика насоса, соответствующая этой вязкости жидкости, – кривая. Точка А определяет режим работы насоса на данный трубопровод НА, А) при вязкости перекачиваемой жидкости, подсчитанной по средней годовой температуре на глубине заложения трубопровода. В зимний период вязкость жидкости больше, поэтому рабочая точка переместится в положение А (пересечение гидравлических характеристик трубопровода – кривая 1' и насоса – кривая 2'). В летний период вязкость жидкости меньше и рабочая точка переместится в положение А (пересечение гидравлических характеристик трубопровода – кривая 1" и насоса – кривая 2"). Очевидно, правильно подобранным для данного трубопровода следует считать такой насосу которого максимальные значения КПД (кривая 3) лежат в диапазоне расходов от Q A1 до Q A2 . Эта зона называется рабочей. Рис. 4.7. Режим работы трубопровода при изменении температуры перекачиваемой жидкости Указанный метод определения рабочей точки достаточно прост, если рассматривается работа только одного насоса на один трубопровод постоянного диаметра. На практике для получения большого напора или расхода применяют несколько насосов. Трубопровод может состоять из нескольких участков различного диаметра, расположенных в местах с разными геодезическими отметками, или по пути следования потока осуществляется частичный сброс на эстакаду и т. п. В этих случаях построение гидравлической характеристики трубопровода, определение режима работы станции и каждого насосав отдельности становятся более сложными. Рассмотрим несколько случаев. 1) Трубопровод состоит из двух последовательно соединенных участков с диаметрами d 1 ириса. Жидкость перекачивается из пункта В в пункт D, разница отметок составляет г. Характеристика первого участка трубопровода – кривая 1, второго – кривая 2 (рис. 4.8, б. Суммарную гидравлическую характеристику трубопровода BD (кривая 3) получаем сложением кривых 1 и 2 и статического напора ст при одних и тех же подачах. Рабочая точка А определяется по пересечению кривых hQ и Н кривых 3 и 4). Рис. 4.8. Совмещенные характеристики центробежного насоса и трубопровода, имеющего последовательно соединенные участки разного диаметра а – схема трубопровода б – графическое определение рабочей точки. 2) Трубопровод (риса) состоит из двух параллельных участков ВС и BD (разной длины и разных диаметров. Пункты Си расположены на том же уровне, что и пункт В, где установлен насос. На рис. 4.9, б кривая характеристика участка ВС, кривая 2 – характеристика участка BD. Суммарную гидравлическую характеристику трубопровода (кривая 3) получаем сложением расходов обеих характеристик для одних и тех жена- поров. Например, при напоре h 1 отрезки kl и km – расходы в соответствующих ветвях. Суммарный расход при этом напоре kn = kl + km. Итак для всего диапазона напоров. Рабочая точка А определяется по пересечению результирующей кривой 3 с кривой 4 характеристики насоса. Расход в трубопроводах при режиме А определяется по пересечению кривой напора НА с кривыми соответствующих характеристик участков трубопроводов. Подача Q A равна сумме расходов Q 1 и Q 2 участков трубопровода ВС и BD. б Рис. 4.9. Совмещенные характеристики центробежного насоса и трубопровода, имеющего параллельные участки разного диаметра и длины а – схема трубопровода б – графическое определение рабочей точки. 3) Трубопровод (риса) имеет конечные пункты Си, расположенные выше пункта В соответственно наги h г2 Порядок определения суммарной гидравлической характеристики трубопровода и рабочей точки остается таким же, как в случае 2. Рис 4.10. График рабочего режима с учетом нивелирных отметок а – схема трубопровода б – графическое определение рабочей точки. 4) Трубопровод (риса) на некотором расстоянии от начального пункта В имеет пункт сброса С с постоянным расходом Q 1 . Для определения рабочего режима насоса необходимо построить гидравлическую характеристику участка трубопровода ВС (кривая 1, рис. 4.11, б) для всего диапазона расходов и гидравлическую характеристику участка CD (кривая 2). При сложении ординат кривых 1 и 2, поскольку участки ВС и CD представляют последовательное соединение, для одних и тех же значений расхода получаем гидравлическую характеристику трубопровода BD без сброса в пункте С (кривая 3). Точка А' определяет режим работы насоса на трубопровод без сброса. Затем строят характеристику для участка CD кривая) так, чтобы нулевая точка была смещена от начала координат навели- чину сброса Q 1 . Это количество жидкости подается через участок трубопровода ВС, так как Q = Q 1 + Q 2 , ноне проходит через участок CD. Результирующая характеристика (кривая 3') трубопровода BD при действующем сбросе получается при сложении ординат кривых 1 и 2' для одних и тех же значений расходов. Рабочая точка А определяется по пересечению кривых hQ и Н. По графику можно легко найти количество жидкости Q 2 , поступающей в пункт D. Если сброс прекратить, то режим работы насоса переместится в точку Атак как сопротивление возрастет, а подача насоса упадет с Q до Q'. Рис. 4 11. График рабочего режима центробежного насоса при наличии сброса части жидкости: а – схема трубопровода б – графическое определение рабочей точки. Трубопровод (риса) на некотором расстоянии от начального пункта В имеет пункт С с постоянной подкачкой п. Рабочий режим системы определяется следующим образом. Строится гидравлическая характеристика участка ВС (кривая 5, рис. 4.11, б) для всего диапазона расходов и гидравлическая характеристика участка CD (кривая 6). Затем кривую 6 необходимо сместить влево на величину постоянной подкачки п – получится кривая 4, которая характеризует режим работы участка CD во всем диапазоне расходов с постоянной подкачкой п Складывая ординаты кривых 4 и 5 (соединение участков ВС и BD при включенном пункте подкачки С – последовательное, получим кривую, которая пересекает кривую 1 в точке А, определяющую режим работы системы при включенном пункте подкачки С. Насос создает напор Н А при подаче Q A . В пункт D поступает количество жидкости Q = Q A + п. При отключении пункта подкачки режим системы определяет точка Б (результат пересечения кривой 1 с кривой 3, которая получается сложением ординат кривых 5 и 6, характеризующих режим работы отрезков трубопровода ВС и CD без подкачки. Из рисунка видно, что Q всегда будет меньше б + пи следует подчеркнуть, что эффективность использования подкачки будет тем меньше, чем больше крутизна характеристики участка CD. Рис. 4.12. График рабочего режима центробежного насоса при наличии подкачки с постоянным расходом Па схема трубопровода б – графическое определение рабочей точки. 6) Сложный трубопровод (риса, состоящий из параллельных участков ВС и ЕС и последовательно присоединенного к ним участка CD. В пунктах В и С установлены одинаковые насосы № 1 и № 2 с напорной характеристикой, определяемой кривой 1 (рис. 4.13, б. Суммарная напорная характеристика параллельно работающих одинаковых насосов – кривая. Гидравлические характеристики участков ВС, ЕС и CD представлены кривыми 3, 4 и 7; суммарная гидравлическая характеристика параллельных участков ВС и ЕС – кривой 6, а всей параллельно- последовательной системы – кривой 5. Точка А пересечения суммарных кривых 2 и 5 определяет режим работы системы. Каждый из насосов создает напор НА, а расход Б, причем Q A = 2 Б. При расходе Б на участке ВС требуется напор Н Б1 , а на участке ЕС – Н Б2 . Отрезки Н А Н Б1 и НН Б2 характеризуют влияние сопротивления участка CD на соответствующий насос. Режим работы системы при отключении какого-либо насоса определяется точкой пересечения кривой 1 с соответствующей суммарной кривой, найденной сложением ординат кривых 3 и 7 или 4 и 7. С увеличением крутизны кривой 7 снижается эффективность работы насоса. Особенно внимательно следует проверять режим работы такой сложной системы при использовании разных насосов. На рис. 4.7 кривые 1 и 1' определяют напорные характеристики разных центробежных насосов № 1 и № 2 (см. риса. Остальное построение аналогично рассмотренному на (рис. 4.13, б. Режим системы определяет точка А. Насос № 1 работает в режиме, определяемом точкой Б, а № 2 – точкой Б. Подача насосов соответственно Б и Б, а напор, создаваемый ими, – НА, причем Q A = Б + Б. При указанных подачах на участке ВС требуется напора на участке ЕС – h 2 > H A . Последнее противоречит физическому смыслу, следовательно, насос № 2 необходимо поставить в пункте В, а насос № 1 – в пункте Е. Тогда на участке ВС при расходе Б, потребный напор будет, а на участке ЕС при расходе Б – h 2 '. Здесь следует подчеркнуть, что насос с меньшей напорной характеристикой следует ставить на участке с большей крутизной гидравлической характеристики, а насос с большей напорной характеристикой, наоборот, на участке с меньшей крутизной гидравлической характеристики. Отрезки НА' и НА' характеризуют влияние сопротивления участка CD на соответствующий насос. С увеличением крутизны кривой 7, тес увеличением сопротивления в трубопроводе на участке CD, эффективность работы насосов будет еще ниже. Рис. 4.13. График рабочего режима одинаковых центробежных насосов при работе на трубопровод, имеющий параллельно-последовательно соединенные участки разного диаметра и длинны а – схема трубопровода б – графическое определение рабочей точки. Рис. 4.14. График рабочего режима разных центробежных насосов при работе на трубопровод, имеющий параллельно-последовательно соединенные участки разного диаметра и длинны |