Определение диаметра трубопровода

Трубопровод выполняет свое назначение в том случае, если он обеспечивает перекачку необходимого количества нефтепро­дукта. Это количество зависит от ряда факторов: диаметра труб, давления, создаваемого в трубе на выходе из НС, расстановки НС по длине трубопровода, характеристик температуры пере­качиваемого продукта. Взаимосвязь этих факторов настолько существенна, что изменение одного из них требует, как правило, изменения и остальных (при условии сохранения постоянной пропускной способности). Если не требуется выполнения этого условия, то изменение любого из перечисленных факторов неиз­бежно приведет к изменению пропускной способности. Вслед­ствие -этой же взаимозависимости некоторые из факторов при выполнении технологических расчетов не могут быть определены однозначно, т. е. без учета влияния других факторов. Поэтому некоторые из них назначают на основе фактических данных, некоторые — на основе предшествующего опыта. Так, характе­ристики перекачиваемого нефтепродукта определяются на ос­нове лабораторных исследований, температура окружающей трубопровод среды (грунта)—по фактическим замерам или по климатическим справочникам.

Диаметр обычно назначают по опыту предшествующих тру­бопроводов. В табл. 2.3 приведены ориентировочные диаметры

Таблица 2.3. Пропускная способность нефтепроводов и нефтепродуктопроводов

и давления на НС, при которых обеспечивается заданная про­пускная способность.

Диаметр можно найти, используя понятие о средней скорости течения жидкости в трубе: v_cp = q/F, где q = Q/(3,024*10⁷) —се­кундный объемный расход перекачиваемой жидкости; F = = ПD_вн²/4— площадь сечения трубы. Учитывая значения q и F, получаем

Среднюю скорость можно принимать ориентировочно равной 1— 2 м/с. Имея заданную пропускную способность Q, по табл. 2.3 можно определить диаметр. Однако этот диаметр не всегда мо­жет оказаться лучшим.

Дело в том, что и по трубам меньшего, и по трубам боль­шего диаметра, чем выбранный по таблице, можно обеспечить перекачку заданного количества нефти или нефтепродукта. Конечно, при этом изменяются и расстановка, и число НС, и необходимое давление, а значит, и толщина стенок труб и ряд других показателей. Соответственно изменяются и стоимость строительства и затраты на эксплуатацию трубопровода. По­этому задача о выборе диаметра труб — не только техническая, но и экономическая.

Потери напора по длине нефтепровода

Как уже отмечалось, движение любой жидкости (в том числе и нефти) в трубопроводе подчиняется формуле Бернулли (2.2). Отметим сначала некоторые особенности уравнения (2.2) при­менительно к напорному трубопроводу одного диаметра, выпол­ненному из одного материала. Поскольку условия протекания жидкости на каждой единице длины таких труб будут одина­ковы, то потери напора на трение будут также одинаковы. Линия гидравлического уклона будет прямой. Поскольку дви­жение жидкости в трубопроводе будет равномерным, то скорость ее движения будет одинаковой по всей длине, т. е. v ²/(2g) = = const.

Это означает, что линия 0₂0₂ (см. рис. 2.1), называемая ли­нией пьезометрического напора, будет по всей длине парал­лельна линии полного напора 0₁0₁, учитывающей не только на­пор p /p, создаваемый за счет избыточного давления, но и ско­ростной напор v ²/2g. Соответственно отрезок 0₂0₂' будет равен отрезку 0₁0₁' = h_r, т. е. падение (пьезометрической линии 0₂0₂ будет таким же, как и падение напорной линии 0₁0₁.

Как известно из курса гидравлики, потеря напора от тре­ния по длине трубопровода является функцией нескольких вели­чин: так называемого гидравлического сопротивления, характе­ризуемого коэффициентом a, длины / и диаметра D_BH трубопровода, скорости течения жидкости - и

определяется по формуле Дарси—Вейсбаха

Рассмотрим одну из важнейших особенностей течения жидко­сти по трубопроводу, определяющую гидравлический режим трубопровода при заданных пропускной способности Q, длине l и внутреннем диаметре D _вш трубопровода.

Пусть заданы два продольных профиля участков местности, по которым должны быть проложены трубопроводы одинакового диаметра из точки А в точку К (рис. 2.7). Давление, создавае­мое на выходе из НС, одинаково на обоих трубопроводах и равно р. Давление в точке К — атмосферное, т. е. р₂ = 0. Если бы перекачивалась идеальная жидкость, то линия гидравличо ского уклона в обоих случаях была бы горизонтальной 00. По­скольку нефть является жидкостью реальной, то по длине тру­бопровода происходит уменьшение начального давления р или напора р/ р, обусловленное потерями напора на трение. Соот­ветственно в обоих случаях линии гидравлического уклона бу­дут иметь вид, изображенный на рис. 2.7 сплошной линией 00₁. По схеме рис. 2.7,6 напор, созданный в начальной точке Л, обеспечивает компенсацию потерь напора на трение и всех подъемов рельефа, а по схеме рис. 2.7, а линия гидравличе­ского уклона встречается с линией трубопровода в точке С. Проанализируем этот случай. Чтобы нефть пришла в конечный пункт, потери напора на трение должны быть уменьшены так, чтобы линия гидравлического уклона по крайней мере коснулась точки К (линия 00₁ на рис. 2.7, а). В соответствии с (2.2)

так как но условию p₂ = p₂' = 0, то из (2.2)

Поскольку z₂—z₂'>0, то h_r2>h_r1

Обратимся теперь к формуле (2.4). При одинаковых (в со­ответствии с принятыми исходными данными) a, l, D_BH

Следовательно, если по одному трубопроводу (см. рис. 2.7, б) пропускается заданное количество нефти Q со скоростью v₂, то по другому трубопроводу (см. рис. 2.7, а) это количество нефти не пройдет, так как скорость движения ее v\ уменьшится из-за преодоления геодезической высоты z₂— z₁. Скорость v_l можно найти по (2.4) при величине h_r1, определяемой из (2.6). Для того чтобы пропустить по первому трубопроводу заданное ко­личество продукта, необходимо увеличить скорость его движе­ния до v_l = v₂. Это можно сделать, создавая соответствующий гидравлический уклон i за счет установки насосной станции в точке С, поднимающей в трубопроводе напор до значения р_i/ р, при котором линия гидравлического уклона С₁0₁ будет параллельна ОС0₂.

Таким образом, при гидравлическом расчете трубопровода возникают две взаимосвязанные задачи: расстановка НС и определение гидравлического уклона, при которых обеспечива­ется пропуск необходимого количества нефти или нефтепро­дукта.

Приведем основные формулы для определения коэффициента гидравлического сопротивления a,. Как показано в гидравлике коэффициент a, зависит от режима течения: ламинарного или турбулентного. При ламинарном (струйном) течении a, определяется

Принечания, При числах Re. больших указанных в таблице, коэффициент a остается постоянным. Расчетные формулы соответствуют условиям применения цельно­тянутых труб диаметром до 377 мм со средней абсолютной шероховатостью 0,125 мм и свар­ных труб диаметром от 426 мм и более со средней абсолютной шероховатостью 0,1 мм

по Стоксу: a = 64/Re, где Re— критерий Рейнольдса. Ламинарный режим сохраняется до Re~2320; при 2320<Re< <2800 существует так называемый переходный режим. Коэф­фициент К при этом можно определять по формуле К = = (0,16 Re—13) • 10^-4. При Re>2800, т. е. турбулентном режиме течения, коэффициент К можно определять по формулам, при­веденным в табл. 2.4.