ПЕРЕКАЧЕННЯ НАФТИ І НАФТОПРОДУКТІВ
7. ПЕРЕКАЧЕННЯ НАФТИ І НАФТОПРОДУКТІВ
7.1. Гідравлічний розрахунок трубопроводів
Основним завданням гідравлічного розрахункує визначення діаметраdтрубопроводу та втрати напоруhпо заданій продуктивностіQ(об'ємному або масової витрати).
Розрахунок новопроектованого трубопроводу починають з попереднього вибору діаметра та орієнтовно обраної швидкості руху рідини [51, 60]. Рекомендована швидкість у напірному трубопроводі залежить від в'язкості нафтопродукту та вибирається в межах 1 – 2,5 м/c. Чим менша в'язкість нафтопродукту, тим більша його швидкість.
Основною властивістю рідини, що впливає на тиск і продуктивність перекачування, є в'язкість, що характеризує внутрішнє тертя рідини. У формулах гідравліки трубопроводів зазвичай фігурує кінематична в'язкість, що вимірюється в квадратних метрах на секунду (м 2 /с), стоксах (см 2 / с), або сантистоксах (мм 2 / с).
Динамічна в'язкість вимірюється в (Н/м 2 )∙с або Па∙с (Паскаль – секунда). Для перекладу кінематичної в'язкості динамічну її значення в м 2 /с необхідно помножити на щільність в кг / м 3 .
За швидкістю, діаметромdі кінематичної в'язкості встановлюється безрозмірний параметр Рейнольдса Re і характер руху рідини. Потім визначають коефіцієнт гідравлічного опору, втрати натискуhна тертя у трубопроводі та гідравлічний ухилi.
У гідравліці розрізняють два основних режими руху рідини -ламінарний (спокійний) і турбулентний (вихровий). без перемішування. Прикладом ламінарного руху може бути переміщення нафти у трубі. При турбулентному (turbulentus- Лат.вихровий) частинки рідини рухаються із завихреннями, маючи складні траєкторії. На вихроутворення витрачається частина енергії потоку рідини, що призводить до великих втрат.
Режим руху рідини визначають за кількістю Рейнольдса:
, (7.1)
де – швидкість руху рідини у трубопроводі, м/с;d- діаметр трубопроводу, м;- кінематична в'язкість, м2/с.
Встановлено, що за Re > 2320 у трубопроводі кругового перерізу завжди має місце турбулентний режим, а при Re 2/4. Гідравлічно радіус Rг дорівнюватиме d /4.
Переміщення рідини пов'язане із втратою напору. Втрати напору залежить від величини швидкості руху рідини і пропорційні швидкості у квадраті.
Напір- це енергія, віднесена до одиниці ваги. Напір вимірюють одиницями довжини (м, см, мм). Розрізняють натиск геометричний, п'єзометричний та швидкісний. Геометричний тиск залежить від висоти положення, наприклад, резервуара. При підйомі резервуару з рідиною щільністю 1000 кг/м 3 на висоту 10 м у шлангу (трубопроводі) на площині порівняння (під підставою) діятиме надлишковий тиск 0,98∙10 5 Н/м 2 (1 атм.). П'єзометричний (п'єзо – грец.тиск) напір залежить від величини тиску, що діє на стінки труби з боку рідини (газу). П'єзометричний натиск визначають з виразу. Швидкісний тиск залежить від величини середньої швидкості і визначається виразом.
При переміщенні рідини трубопроводами насос повинен розвивати напір, необхідний для подолання гідравлічних опорів тертя по довжині трубопроводу; місцевих опорів (вентилі, вигини, повороти); геометричної висоти, що дорівнює різниці відміток рівнів рідини в кінцевому та початковому пунктах перекачування, а також настворення швидкісного тиску рідини (вільного тиску на виході).
Величина втрати напору на тертя по довжині для трубкруглого перерізу виражається наступним рівнянням гідравліки, запропонованим вченими Дарсі та Вейсбахом у 1755 р. [37, 61]:
, (7.2)
де - Коефіцієнт гідравлічного опору; - Середня швидкість руху рідини, м / с;l –довжина труби, м;d– внутрішній діаметр труби, м;g= 9,81 м/с 2 – прискорення вільного падіння.
Втрату напору можна виразити через об'ємну витрату, яка визначається виразом:
, (7.3)
деF –площа труби.
Визначивши значенняі підставивши їх у вираз 7.2, отримаємо:
. (7.4)
(7.5)
де залежить від режиму руху рідини та від ступеня шорсткості стінок трубопроводу.
Під шорсткістю розуміють нерівності (виступи) внутрішніх поверхонь стін. Розрізняють природну та еквівалентну шорсткість. Еквівалентна (усереднена) шорсткість дорівнює 0,5 - 0,7 від максимальної величини природної шорсткості.
Значення еквівалентної шорсткості для сталевих та чавунних труб такі:
1. Сталеві нові – 0,02 – 0,1 мм.
2. Сталеві, що знаходяться в експлуатації, до 1,0 мм.
3. Чавунні нові – 0,25 – 1,0 мм.
4. Чавунні, що знаходяться в експлуатації, до 1,5 мм.
При розрахунку втрат напору у сталевих трубах нафтопроводів та газопроводів значення еквівалентної шорсткості беруть рівним 0,1 – 0,2 мм.
Трубопроводи поділяються на гідравлічно гладкі та гідравлічно шорсткі. Гідравлічно гладкими називаються трубопроводи, в яких окремі струмені потоку, рухаючись паралельно один одному, плавно обтікають усі нерівності внутрішньоїповерхні труби, внаслідок чого шорсткість не впливає на опір потоку. Таке явище спостерігається за ламінарного режиму. Коефіцієнт гідравлічного опору для гідравлічно гладких труб залежить від числа Re і не залежить від ступеня шорсткості стінок труб.
Зі збільшенням турбулентності товщина прикордонного шару зменшується, стає меншою за природну. Потік рідини, що рухається, стикається з шорсткістю труби, і втрати напору по довжині труби збільшуються.
Виходять додаткові завихрення, створювані виступами, з допомогою яких величина коефіцієнта гідравлічного опору збільшується. У цьому випадку коефіцієнт опору залежить від шорсткості стінок трубопроводу та числа Рейнольдса (зона змішаного тертя). При подальшому збільшенні числа Рейнольдса підвищується турбулентність потоку і, починаючи з певного значення Рейнольдса, коефіцієнт залежатиме лише від шорсткості труб (квадратична зона). При перекачуванні нафти режим квадратичного опору немає. Він зустрічається під час транспортування газу. У нафтопроводах найчастіше зустрічається режим гідравлічно гладкого тертя.
Величина коефіцієнта гідравлічного опору при ламінарному режимі, коли Re , (7.10)
де ∑h– сума втрат напору на тертя по довжині в трубі, яка має ділянки з різними перерізами;
∑h м– сума втрат напору у місцевих опорах.
Слід зазначити, що втрати напору по довжині труби постійного перерізу змінюються пропорційно до довжини (лінійно), а в місцевих опорах втрати напору змінюються стрибком (у конкретному перерізі). У разі знаходження загальних втрат втрати на окремих ділянках підсумовують.
Технологічні схеми трубопроводів бувають простимита розгалуженими (складними). При розрахунку розгалужених (паралельних) систем необхідно пам'ятати, що витрата нафтопродукту до розгалуження дорівнюватиме витратам, наприклад, що рухаються по двох відгалуженнях. Визначивши внутрішні діаметри труб (за допустимою швидкістю та витратою), визначають втрати напору за формулами, наведеними вище.
Гідравлічний розрахунок трубопроводів закінчується визначенням величини втраченого напору за довжиною та у місцевих опорах. Втрати напору мають бути мінімальними, забезпечуючи високу ефективність під час експлуатації технологічних схем.
Визначивши діаметр технологічного трубопроводу, проводять розрахунок на міцність, оцінюють товщину стінки та вибирають його марку (сортамент). Потім вибирають тип, розмір насоса по потрібній подачі та необхідному натиску.