РЕЖИМЫРАБОТЫТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УЧАСТКОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ И НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ
Учебно-методическое пособие к проведению лабораторных занятий
по дисциплинам
«Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов»
и «Проектирование и эксплуатация систем транспорта и хранения нефти
и газа»
Уфа
В учебно-методическом пособии представлены указания к проведению лабораторных работ по моделированию и регулированию режимов работы технологических участков нефтепроводов и нефтепродуктопроводов на лабораторном стенде, смонтированном в помещении Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Предназначено для бакалавров очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 131000 «Нефтегазовое дело».
Составители: Ташбулатов Р.Р., ст. преподватель
Колчин А.В., ст. преподаватель
Валеев А.Р., доц., канд. техн. наук
Дмитриев М.Е., доц., канд. техн. наук
Каримов Р.М., доц., канд. техн. наук
Рецензент Мастобаев Б.Н., проф., д-р. техн. наук
Оглавление
Введение......................................................................................................... 3
1 Описание лабораторной установки.......................................................... 4
2 Лабораторная работа №1 Снятие напорной характеристики насоса перекачивающей станции.............................................................................. 9
3 Лабораторная работа №2 Снятие напорной характеристики трубопровода 15
4 Лабораторная работа №3 Расчет и регулирование режимов работы магистрального трубопровода..................................................................... 22
5 Лабораторная работа №4 Моделирование изменения режима работы магистрального трубопровода при возникновении утечки........................ 26
Введение
Магистральные нефтепроводы и нефтепродуктопроводы разделяются на технологические участки, в пределах которых перекачивающие станции работают по системе «из насоса в насос». При этом ни один технологический участок не работает с постоянной производительностью в течение расчетного числа суток перекачки. Это связано с целым рядом причин:
• неритмичностью поставок перекачиваемого продукта;
• неравномерностью их приема;
• наличием или отсутствием свободных объемов в резервуарных парках в начале и в конце технологического участка;
• плановыми и внеплановыми остановками трубопровода и т. д.
Для обеспечения плановых объемов перекачки с учетом вышеописанных ограничений трубопровод может работать в различных режимах. Режимы определяются различной комбинацией включенных насосов.
Расчет эксплуатационных режимов заключается в определении производительности нефтепровода, давления на выходе станций и подпоров перед ними при условиях перекачки, отличающихся от проектных. При эксплуатации магистральных трубопроводов одновременно необходимо решать вопросы регулирования работы нефтепровода, алгоритмов действий в случае нештатных ситуаций: определения местоположения утечки, поиск режима работы в случае отключения перекачивающей станции и т.д.
Таким образом, студентам направления «Нефтегазовое дело» необходимо овладеть основными знаниями в области моделирования и регулирования режимов работы технологических участков трубопроводов.
Лабораторные работы выполняются на универсальном учебном стенде фирмы «Festo», смонтированном в помещении Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Учебно-методическое пособие рекомендуется по всем профилям и программам, которые в той или иной мере затрагивают транспорт нефти и нефтепродуктов.
Описание лабораторной установки
Работы по моделированию и регулированию режимов работы технологических участков трубопроводов проводятся на лабораторном стенде, изготовленном фирмой FESTO. В качестве рабочей жидкости используется техническая дистиллированная вода.
Лабораторный стенд представляет собой модель магистрального нефтепровода с тремя насосными станциями, каждая из которых оборудована двумя центробежными насосами, соединенными последовательно. Первый по ходу движения насос на каждой насосной станции имеет частотно-регулируемый привод, обеспечивающий плавное изменение частоты вращения. Частота вращения второго по ходу насоса неизменна. Насосы смонтированы в горизонтальном положении на специальных кронштейнах. Общий вид лабораторного стенда показан на рисунках 1.1 -1.2.
Рисунок 1.1 – Общий вид лабораторного стенда (вид со стороны насосных станций)
Линейная часть трубопровода смонтирована из многослойной пластиковой трубы с внутренним диаметром d=11,4 мм. Прямолинейные отрезки линейных участков трубопровода соединены между собой специальными фитингами с полностью герметичными быстроразъемными соединениями: муфтами, тройниками и поворотами 90°. В качестве запорной арматуры используются полнопроходные сферические краны.
Система гидравлических клапанов представляет собой совокупность отсечных сферических кранов с ручным управлением и двух пропорциональных клапанов с электромагнитным управлением.
Рисунок 1.2 – Общий вид лабораторного стенда (вид со стороны линейных участков)
Перед головной перекачивающей станцией установлена прозрачная акриловая емкость E1 вместимостью 37,5 л, имитирующая резервуарный парк. В качестве рабочей жидкости используется техническая дистиллированная вода.
Емкость Е1 и насосные станции размещены на профильном столе. Линейные участки трубопровода смонтированы горизонтально на эстакаде из коробчатого алюминиевого профиля и закреплены с помощью фасонных пластиковых хомутов.
Перевальный участок трубопровода смонтирован на специальном каркасе из алюминиевого профиля, закрепленном на горизонтальной эстакаде в вертикальной плоскости (рисунок 1.3). Для наблюдения за течением жидкости через перевальный участок установлена прозрачная вставка из пластиковой трубы такого же сечения, что и модельный трубопровод.
Управление работой стенда включает персональный компьютер, специализированное программное обеспечение, промышленный контроллер, датчики расхода и давления жидкости, преобразователи сигналов. Система управления лабораторным стендом установлена в одном из оснований профильного стола.
Принципиальная гидравлическая схема лабораторного стенда представлена на рисунке 1.4
Рисунок 1.3 – Схема монтажа лабораторного стенда
Рисунок 1.4 – Принципиальная гидравлическая схема лабораторного стенда
Характеристики линейной части трубопровода представлены в таблицах 1.1-1.2.
Таблица 1.1 – Характеристика элементов линейной части лабораторного стенда
| Показатели и их размер-ности | Элемент линейной части трубопровода | ||||
| Внутренний диаметр d, мм | 1-й ли-нейный участок | 2-й ли-нейный участок | 3-й ли-нейный участок | лупинг | трубопровод сброса |
| Внутренний диаметр d, мм | 11,4 | ||||
| Длина, м | 17,62 | 18,17 | 18,66 | 8,16 | 7,40 |
| Разность высотных отметок, м | |||||
| Количество местных со-противлений: кран шаровый | – | – | – | ||
| тройник | |||||
| поворот 90° | |||||
| муфта соединительная |
Таблица 1.2 – Значения коэффициентов местного сопротивления
| Вид местного сопротивления | Значение коэффициента |
| Поворот 90° | 0,55 |
| Тройник | 0,34 |
| Муфта | 0,07 |
| Кран (задвижка) | 3,54 |
2 Лабораторная работа №1
Снятие напорной характеристики насоса перекачивающей станции
Цель работы
Получение экспериментальных напорных характеристик насосов нефтеперекачивающих станций с постоянной частотой вращения и их аппроксимация неполным полиномом второй степени во всем диапазоне изменения расхода.
Теоретическая часть
Для центробежных насосов магистральных нефтепроводов напорные характеристики (зависимость напора H от подачи Q) имеют вид полого падающих кривых. Рабочая область этой характеристики достаточно хорошо аппроксимируется выражением
| (2.1) |
где a - постоянный коэффициент, характеризующий напор при нулевой подаче;
b - постоянный коэффициент, характеризующий крутизну напорной характеристики.
Коэффициенты a и b обычно определяются при аппроксимации N экспериментально полученных значений напора и подачи или по заводской характеристике насоса, снятых на воде.
Напор, развиваемый насосом, можно найти по формуле:
| (2.2) |
где 
и 
– давление перекачиваемого продукта до и после насоса соответственно;
– плотность перекачиваемого продукта;
– ускорение свободного падения.
Последовательное соединение насосов используется для увеличения напора перекачиваемой жидкости. При этом эффективность такого соединения достигается только в случае, если подачи этих насосов при оптимальных режимах близки друг к другу. Последовательная схема включения используются на нефтеперекачивающих станциях для создания большого напора.
При последовательном соединении производится сложение напоров насосов, соответствующих одинаковым подачам (рисунок 2.1).
При последовательном соединении s однотипных насосов аналитическая зависимость суммарной напорной характеристики может быть представлена в виде
| (2.3) |
1 – напорная характеристика одного насоса; 2 – напорная характеристика двух насосов; 3 – напорная характеристика трех насосов
Рисунок 2.1 - Суммарная характеристика H(Q) центробежных насосов при последовательном соединении
В качестве основного допущения для выполнения данной лабораторной работы примем, что все насосы на исследуемом стенде имеют одинаковую напорную характеристику. При этом развиваемый насосами перепад давления непосредственно можно измерить только на станциях НС2 и НС3, которые оснащены датчиками давления на входе и на выходе станции. Датчиками давления измеряется суммарный перепад давления, развиваемый двумя последовательно соединенными насосами. Отключение одного из насосов на измеряемой линии повлечет необходимость учета потерь давления на трубопроводе от включенного насоса до датчика давления. Поэтому на измеряемой линии должны работать оба насоса. Вышеописанным ограничениям для аппроксимации напорной характеристики соответствуют следующие режимы работы трубопровода: 2-2-2 (измерение перепада давления на НС2 и НС3); 2-2-1 (измерение перепада давления на НС2); 2-2-0 (измерение перепада давления на НС2); 1-2-0 (измерение перепада давления на НС2).
Для аппроксимации напорной характеристики необходимо изменять расход перекачиваемой жидкости, смещая напорную характеристику трубопровода с помощью регуляторов давления РД1 и РД2, включением и отключением лупинга. При этом регулирование необходимо проводить таким образом, чтобы не допускать давления меньше нуля перед перекачивающими станциями (условие имитации безкавитационной работы насосов).
ПРИ РЕГУЛИРОВАНИИ НЕ ДОПУСКАЙТЕ СТЕПЕНЬ ОТКРЫТИЯ РД1 НИЖЕ 30 И РД2 НИЖЕ 20!
Используя для аппроксимации только один из вышеупомянутых режимов, не получится исследовать весь возможный диапазон изменения расхода. Поэтому необходимо использовать различные режимы. Для этого необходимо все опытные данные режимов работы трубопровода приводить к режиму с 6 включенными насосами, при котором минимизируется погрешность округления промежуточных расчетов. Тогда, используя экспериментальные данные, коэффициенты 
и 
, соответствующие суммарной характеристике 6 работающих насосов, можно найти из системы уравнений:
| (2.4) |
где 
– количество включенных насосов при данном режиме.