ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ НЕФТЕПРОВОДА
1.1. Секундный расход нефти:
, м3/с (1)
где N г - расчетное число рабочих дней для магистрального нефтепровода в зависимости от диаметра и его длины определяется по таблице 4
Таблица 4
Расчетное число рабочих дней магистральных нефтепроводов
| Протяженность, км | Диаметр нефтепровода, мм | |
| до 820 включительно | свыше 820 | |
| до 250 свыше 250 до 500 свыше 500 до 700 свыше 700 | 356/355 354/352 352/352 | 353/351 351/349 349/350 |
Примечание. В числителе указаны значения N г для нормальных условий прокладки, в знаменателе – при прохождении нефтепроводов в сложных условиях, когда заболоченные и горные участки составляют не менее 30% общей протяженности трассы.
1.2. Внутренний диаметр трубопровода:
d = D -2*δ, м. (2)
1.3. Средняя скорость течения нефти по трубопроводу рассчитывается по формуле:
, м/с. (3)
1.4. Проверка режима течения
. (4)
Если Re < 2000 в трубопроводе наблюдается ламинарный режим течения и l является функцией только Re. В этом случае используется формула Стокса
. (5)
При Re > 3000 ламинарный режим переходит в турбулентный. В пристенном слое нефти, однако, сохраняется ламинарный подслой, покрывающий шероховатость труб. С увеличением Re толщина подслоя уменьшается и при Re=ReI толщина подслоя становится равной е. Таким образом, при 3000 < Re < Re I l=f(Re) и эта зона турбулентного режима получила название зоны гидравлически гладких труб
| (4.16) |
. (6)
l определяется в этой зоне по формуле Блазиуса (зона Блазиуса)
. (7)
Далее до ReII = 500· 
, Re I < Re < Re II имеет место зона смешанного трения, где Re = f (Re, e). В настоящее время в этой зоне l определяется из формулы Альтшуля
. (8)
При Re > ReII влияние числа Рейнольдса становится незначительным и l = f(e), трубопровод переходит в квадратичную зону. По формуле Шифринсона
. (9)
Реально МН работает в зонах смешанного трения и гидравлически гладких труб (Блазиуса).
Если в формулу Дарси-Вейсбаха подставить обобщенную формулу
,
Определяем зону и режим течения трубопровода.
1.5. Находим коэффициент гидравлического сопротивления
(10)
1.6. Гидравлический уклон находим по формуле:
(11)
1.7. Потери напора на трение в трубопроводе:
м (12)
Потери напора на местные сопротивления:
м (13)
Полные потери напора в трубопроводе:
м (14)
РАССТАНОВКА НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
2.1. Напор, развиваемый одной насосной станцией:
м (15)
2.2. Необходимое число насосных станций:
(16)
2.3. Округляем число станций в большую сторону n1
Размещение насосных станций по трассе нефтепровода выполняем по методу В.Г.Шухова (см. рис. 1). Из точки начала нефтепровода в масштабе высот
(М 1:20) откладываем напор, развиваемый всеми станциями
ΣНст=Нст*nст, м.
Полученную точку соединяем с точкой конца нефтепровода прямой линией. Уклон этой линии больше гидравлического уклона, т.к. округление станций сделано в большую сторону.
Прямую суммарного напора всех станций делим на шесть равных частей. Из точек деления проводим линии, параллельные наклонной прямой. Точки пересечения с профилем дают местоположение насосных станций от первой до шестой.
Фактическая производительность:
м3/с;
(17)
где m=….. коэффициент [2, табл 5.3]
Фактическая производительность больше расчетной на …… %.
2.4. Если нет ресурсов для увеличения расчетного расхода, то станции будут работать на пониженном напоре, а именно:
м. (18)
На рис. 1 линии падения напора изображены штриховыми линиями.
2.5. Выполним округление расчетного числа станций в меньшую сторону n2. В этом случае суммарного напора недостаточно для компенсации гидравлических потерь в трубопроводе. Уменьшим гидравлическое сопротивление с помощью лупинга, приняв его диаметр равным диаметру основной магистрали.
Гидравлический уклон лупинга для переходной зоны:
(19)
Необходимая длина лупинга:
(20)
Размещение насосных станций и лупингов выполнено по методу В.Г. Шухова (см.рис.2). Откладываем в масштабе высот отрезок ОМ, представляющий собой суммарный напор четырех станций. Далее в точках М и В, как в вершинах, строим параллелограмм гидравлических уклонов. Стороны параллелограмма параллельны линиям nt и kt треугольников гидравлических уклонов. Отрезки en и еk представляют потерю напора на стокилометровом участке трубопровода. Отрезок ОМ делим на две равные части и из точки деления строим подобный параллелограмм со сторонами, параллельными первому. Точки пересечения сторон параллелограмма с профилем определяют зоны расположения станций. Для второй станции зона возможного расположения определяется расстоянием аа1. Лупинг ставят в конце перегона, чтобы труба испытывала меньшие внутренние давления по длине.
Размещение насосных станций по трассе нефтепровода выполняем по методу В.Г.Шухова, изложенной в [1]. Например, из точки начала нефтепровода в масштабе высот откладываем напор, развиваемый всеми четырьмя станциями ΣHст= Hст · 4 = 614,94·4=2459,76 м, по длине трассы нефтепровода L=560 км.
Точку А соединяем с точкой B прямой линией (рис. 1),. Уклон этой линии больше гидравлического уклона, так как округление станций сделано в большую сторону. Прямую 0A делим на 4 равных отрезка, т.е. каждый отрезок представляет собой напор одной станции. Из точек деления проводим линии, параллельные наклонной прямой АB. Точки пересечения с профилем дают местоположение станций от 1 до 4.
Рисунок 1 – Расстановка станций по методу В.Г.Шухова
Фактическая производительность:
; (21)
где m=…. – коэффициент.[2, табл 5.3]
Q1=…м3/с
Определить на сколько % фактическая производительность больше расчетной.
5.4. Если нет ресурсов для увеличения расчетного расхода, то станции будут работать на пониженном напоре, а именно:
. (22)
На рис. 1 линии падения напора изображены тонкими линиями с кружочками.
5.5. Выполним округление расчетного числа станций в меньшую сторону n2 = …. В этом случае суммарного напора недостаточно для компенсации гидравлических потерь в трубопроводе. Уменьшим гидравлическое сопротивление с помощью лупинга, приняв его диаметр равным диаметру основной магистрали.
Например: гидравлический уклон лупинга для переходной зоны:
(23)
где ω=0,297- для зоны Блазиуса.
Необходимая длина лупинга:
Хлуп =Нст1· 
(48)
Размещение насосных станций и лупингов выполнено по методу В.Г. Шухова (см.рис.2). Откладываем в масштабе высот отрезок ОМ, представляющий собой суммарный напор трех станций. Далее в точках М и В, как в вершинах, строим параллелограмм гидравлических уклонов. Стороны параллелограмма параллельны линиям nt и kt треугольников гидравлических уклонов. Отрезки en и еk представляют потерю напора на стокилометровом участке трубопровода. Отрезок ОМ делим на две равные части и из точки деления строим подобный параллелограмм со сторонами, параллельными первому. Точки пересечения сторон параллелограмма с профилем определяют зоны расположения станций. Для второй станции зона возможного расположения определяется расстоянием аа1. Лупинг ставят в конце перегона, чтобы труба испытывала меньшие внутренние давления по длине.
Например: Хлуп=168,1км.
Рисунок 2 – Расстановка лупингов по методу В.Г.Шухова
1.6. Расстановка перекачивающих станций по трассе нефтепровода
Расстановка перекачивающих станций выполняется графически на сжатом профиле трассы. Метод размещения станций по трассе впервые был предложен В. Г. Шуховым и носит его имя.
Рассмотрим реализацию этого метода для случая округления числа перекачивающих станций в большую сторону на примере одного эксплуатационного участка. В работе находятся три перекачивающие станции, оборудованные однотипными магистральными насосами и создающие одинаковые напоры HСТ1= HСТ1= HСТ1. На ГПС установлены подпорные насосы, создающие подпор hП. В конце трубопровода (эксплуатационного участка) обеспечивается остаточный напор hОСТ (рис. 1.16).
| hОСТ |
| i |
| c |
| b |
| a |
| l |
| 1,02·i·l |
| HCT1 |
| HCT2 |
| HCT3 |
| HCT2 |
| HCT3 |
| hОСТ |
| hП |
| hП |
| l2 |
| l3 |
| l1 |
| Lp=L |
| zН |
| zК |
| M |
| C |
| C1 |
| N |
| B |
| B1 |
| hП |
| A |
Рис. 1.16. Расстановка перекачивающих станций по трассе нефтепровода постоянного диаметра
По известной производительности нефтепровода определяется значение гидравлического уклона i. Строится треугольник гидравлического уклона abc (с учетом надбавки на местные сопротивления) в принятых масштабах сжатого профиля трассы.
Из начальной точки трассы вертикально вверх в масштабе высот строится отрезок AC, равный суммарному активному напору перекачивающих станций AC=hП+n·HСТ.
Вычитая из суммарного активного напора отрезок СС1, равный величине hОСТ, строим через точки С1B1 прямую линию, параллельную гипотенузе гидравлического треугольника abc. Точка C1 должна совпадать с конечной отметкой zК нефтепровода.
Место положения на трассе второй перекачивающей станции определяется с помощью отрезка, проведенного из вершины напора HСТ1 параллельно линии гидравлического уклона до пересечения с профилем. Расположению второй перекачивающей станции будет соответствовать точка M на профиле трассы.
Аналогичными построениями определяется место размещения следующей станции (точка N). Добавляя к напору станций подпор, передаваемый с головной ПС, получим линию распределения напоров по длине нефтепровода.
При округлении числа перекачивающих станций в меньшую сторону рассчитывается длина лупинга (вставки) и гидравлический уклон на участке с лупингом (вставке). Рассмотрим особенности расстановки ПС по трассе нефтепровода в этом случае. Исходные данные для построения примем как в случае, рассмотренном выше.
Дополнительно строится гидравлический треугольник abd. Его гипотенуза bd определяет положение линии гидравлического уклона на участке с лупингом iЛ (рис. 1.17).
Из точек С1 и B1 строится параллелограмм C1F1B1K1, стороны F1B1 и C1K1 которого параллельны линии bd, а стороны C1F1 и B1K1 – параллельны линии bc гидравлических треугольников abc и abd. При этом горизонтальные проекции отрезков C1F1 и B1K1 равны протяженности лупинга в горизонтальном масштабе.
Как видно из рисунка, при размещении всего лупинга в начале нефтепровода, линия падения напора будет изображаться ломаной C1F1B1, а в случае расположения его в конце нефтепровода – ломаной B1K1C1. По правилу параллелограмма лупинг можно размещать в любом месте трассы, поскольку все варианты гидравлически равнозначны. Лупинг также можно разбивать на части. Однако предпочтительнее размещать лупинг (или его части) в конце трубопровода (перегонов между перекачивающими станциями).
Расстановка перекачивающих станций по трассе в случае прокладки лупинга выполняется в следующем порядке. Из точек C2 и C3 строятся части аналогичных C1F1B1K1 параллелограммов до пересечения с профилем трассы. Таким образом, вторую перекачивающую станцию можно разместить в зоне возможного расположения B2K2, а третью – в зоне B3K3. Предположим, что исходя из конкретных условий, станции решено расположить в точках X и Y.
| HCT1 |
| HCT2 |
| HCT3 |
| HCT2 |
| HCT3 |
| hОСТ |
| hП |
| hП |
| l2 |
| l3 |
| l1 |
| Lp=L |
| zН |
| zК |
| X |
| C |
| C1 |
| Y |
| B |
| B1 |
| hП |
| A |
| B2 |
| B3 |
| K2 |
| K3 |
| i |
| c |
| b |
| a |
| l |
| 1,02·iЛ·l |
| iЛ |
| 1,02·i·l |
| lЛ1 |
| lЛ2 |
| lЛ3 |
| lЛ = lЛ1+ lЛ2+ lЛ3 |
| hОСТ |
| C2 |
| C3 |
| hОСТ |
| hП |
| F1 |
| K1 |
| F2 |
| F3 |
Рис. 1.17. Расстановка перекачивающих станций и лупингов по трассе нефтепровода
Проводя из точки X линию, параллельную iЛ, до пересечения с линией C2B2, определяется протяженность лупинга lЛ1. Аналогичные построения выполняются для размещения остальных лупингов и станций. Сумма длин отрезков lЛ1, lЛ2 и lЛ3 должна равняться расчетной длине лупинга lЛ, найденной из выражения (1.43).