IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВСТАВКИ И ЛУПИНГА ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ НЕФТЕПРОВОДА.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
– разработан алгоритм расчета длины вставки при заданных параметрах трубопроводов и пропускной способности;
– разработан алгоритм расчета длины лупинга при заданных параметрах трубопроводов и пропускной способности;
– разработан листинг программ в системе Maple расчета и графического представления данных.
1 Способы увеличение пропускной способности нефтепровода
1.1 Определяющие соотношения гидравлического течения нефти
Основными гидравлическими уравнениями для расчетов установившихся течений однородной несжимаемой жидкости в трубопроводе является уравнение Бернулли:
где – давление в произвольных сечениях с координатами ;
z1, z2– высотные отметки рассматриваемых сечений.
Величина z – называется геометрическим напором или удельной потенциальной энергией положения, как показано на рисунке 1.
Отношение p /ρg называется пьезометрическим напором или удельной потенциальной жидкости давления.
– эта величина называется скоростным напором
– потери напора (энергии) при движении жидкости на рассматриваемом участке трубопровода.
Рисунок 1 – Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли
Средняя скорость потока определяется отношением объемного расхода Qк площади живого сечения потока [2].
Отсюда:
. (1.2)
Если сечение трубопровода с внутренним диаметром d полностью занято жидкостью, то ее расход определяется как:
При движении реальной жидкости снижение удельной энергии потока происходит в направлении движения. Линия гидравлического уклона представляет зависимость полного напора от координаты вдоль оси трубопровода.
Безразмерную величину i, определяющую уменьшение напора на единицу длины L трубопровода, называют гидравлическим уклоном:
Для трубопровода с постоянным диаметром существует следующее равенство:
Размерность всех слагаемых в уравнении (2.1) линейная – метры. Иногда гидравлический уклон измеряют в м/км, то есть в метрах падения напора на 1 км протяженности трубопровода (1 м/км соответствует i = 0001).
Потери напора на участке 1-2 трубопровода состоят из двух частей: потерь напора на трение и потерь напора на преодоление местных сопротивлений :
Потери напора на трение можно найти по формуле Дарси-Вейсбаха [10]:
где λ – коэффициент гидравлического сопротивления трению или коэффицеинт Дарси-Вейсбаха;
L – длина расчетного участка трубопровода.
Потери напора на преодоление местных сопротивлений рассчитываются по формуле Вейсбаха:
где – коэффициенты местных сопротивлений.
Например, один сварной стык двух труб обеспечивает следующие значение коэффициента:
где ∆ – высота сварного шва.
По всем местным сопротивлениям, имеющимся на расчетном участке, производится их сложение. Потери напора в местных сопротивлениях обычно составляют 2 % от потерь напора на трение. Поэтому ими пренебрегают или учитывают приблизительно.
Применение вставки и лупинга в случае, когда необходимо увеличить пропускную способность с сохранением прежнего напора перекачивающей станции целесообразно, поскольку на участках с лупингами и вставками потери напора и значения гидравлического уклона меньше, чем в основной магистрали.
1.2 Метод вставки
Вставкой – это трубопроводный сегмент (ВС), как правило, большего диаметра, чем основная магистраль. Вставка подключается последовательно к магистрали с целью снижения гидравлического сопротивления и увеличения пропускной способности в соответствии с рисунком 2 [1,3].
A B C
Рисунок 2 – Участок трубопровода со вставкой
Для вставки: справедливы соотношения:
– расходы нефти в основной магистрали и во вставке одинаковы:
(1.2.10)
– потери напора на общем участке из потерь в каждом из последовательно соединенных трубопроводов:
(1.2.11)
Тогда, пренебрегая потерями на местное сопротивление, с учетом (1.3) и (1.7) получим следующую систему уравнений:
где L1, ,, , и −длины и внутренние диаметры составляющих сегментов;
– коэффициенты гидравлического сопротивления в составляющих сегментах
средняя скорость движение потока в соотвествующих сегментах
2.3 Метод лупинга
Лупинг – это дополнительный трубопровод, который применяется для увеличения пропускной способности нефтепровода. Его прокладывают параллельноосновной магистрали и соединяют с ней в двух сечениях: начальном x1и конечном - x2, рисунок 3.
Рисунок 3 – Схема участка трубопровода с лупингом
Для лупинга справедливы соотношения:
(1.3.13)
Они означают, что при разделении (или слиянии) потоков жидкости в точках разветвления расходы q1 и q1 складываются, а потери напора h(1)1-2 и h(2) 1-2 в каждом из параллельно соединенных трубопроводов приравниваются.
В развернутом виде система уравнений (1.3.13) имеет вид:
Эта система служит для определения двух неизвестных: и – скоростей течения жидкости в каждой из ветвей трубопровода.
Коэффициент вычисляется с учетом числа Рейнольдса Reпо следующим правилам.
Если течение нефти в трубопроводе – ламинарное то используется формула Стокса:
Если Re> 2300, то применяется формула Альтштуля, справедливая в широком диапазоне чисел Рейнольдса, начиная от 104 до 106 и выше:
где k – коэффициент шероховатости внутренней поверхности трубопровода.
Число Рейнольдса вычисляется по формуле [2]:
где: v – кинематическая вязкость, м/сек.
2 Расчетные модели
2.1 Постановка задачи
По участку нефтепровода с длиной L = 125 км, диаметром D = 530x7 мм, k = 0,2 мм, транспортируется нефть с расходом Q = 1000 м3/ч, коэффициент кинематической вязкости v = 8 cCт. Провести моделирование вставки и лупинга целью увеличении пропускной способности нефтепровода без повышение напора перекачивающей станции. Использовать трубы для вставки:
D1 = 720x10 мм, k1 = 0,15 мм; для лупинга: D = 530x7 мм, k = 0,2 мм; D1 = 720x10 мм, k1 = 0,15 мм.
По горизонтальному
2.2 Моделирование вставки
Для решения системы (2.12) определим необходимые параметры согласно Листингу А.1.
1. Внутренний диаметр, пропускная способность и средняя скорость течения нефти в основной магистрали будут:
d = D– 2δ (2.1)
d = 0,516 м.
Секундный расход нефти:
Q = 1000/3600 = 0,278 м3/с.
Скорость движения нефти при данном расходе согласно формуле (1.3):
2. Находим число Re и согласно полученной скорости движении нефти по (1.3.17):
При и выше для расчета справедлива формула Альтштуля (1.3.16).
3. Потери напора в магистрали (без вставки) по формуле (1.7):
4. Обозначим длину вставки х, длину первого участка, потери напора и скорость движения нефти в первом участке соответственно L–x, h1, , а во втором участке соответственно h2, . Тогда, уравнением баланса напора будет:
С учетом (2.1), (2.2) получим зависимость длины вставки от пропускной способности магистрали q:
Согласно Листингу А.2 и (2.4) на рисунке 4 показан график зависимости длины вставки от абсолютного значение пропускной способности. На рисунке 6 представлен график зависимости длины вставки от относительного увеличения пропускной способности в соответствии с Листингом А.3.
Рисунок 4 – Зависимость длины вставки от пропускной способности
Рисунок 5 – Зависимость длины вставки от относительного увеличения
пропускной способности
Результаты показывают, что для увеличения пропускной способности нефтепровода на 20% требуется вставка длинной 45662 м. Увеличение пропускной способности на 100% потребует замены практически всего трубопровода.
2.3 Моделирование лупинга
В случае лупинга магистраль можно рассматривать так же состоящей из двух участков – без лупинга и с лупинга. Обозначим длину лупинга х. Уравнение баланса напора будет определятся аналогично (2.3). Согласно Листингу А.4 связь между длиной лупинга с диаметром 0,7 м и пропускной способностью будет:
На рисунке 6 представлена графическая зависимость длины лупинга от пропускной способности.
Рисунок 6 – Зависимость длины лупинга от пропускной способности нефтепровода
На рисунке 7 показана зависимость длины лупинга от относительного увеличения пропускной способности нефтепровода.
Рисунок 7 – Зависимость длины лупинга от относительного увеличения
пропускной способности нефтепровода
В этом случае результаты показывают что для увеличения пропускной способности нефтепровода на 20% требуется лупинг длинной 37657 м.
Для увеличения пропускной способности на 100% потребуется лупинг длиной 100 км.
На рисунках 8 и 9 представлены результаты моделирования лупинга с внутренним диаметром 0,516 м т.е. с диаметром, равным диаметру основной магистрали.
Рисунок 8 – Зависимость длины лупинга с диаметром 0,516 м от пропускной способности нефтепровода
Рисунок 9 – Зависимость длины лупинга с диаметром 0,516 м от относительного увеличения пропускной способности нефтепровода
В этом случае для увеличения пропускной способности нефтепровода на 20 % требуется лупинг длинной 47438 м.
Таким образом, при одинаковом увеличении пропускной способности, длина лупинга с трубой большего диаметра в 1,25 раза меньше, по сравнению с трубой меньшего диаметра. С другой стороны, при одинаковых диаметрах труб длина вставки так же в 1,25 раза больше длины лупинга. Выбор метода увеличения пропускной способности таком случае определяется экономическими расчетами.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
-
Алиев Р.А. Трубопроводный транспорт нефти и газа. / Белоусов В.Д, Немудров А.Г. - М.: Недра, 1988–368 с.
-
Тетельман В.В., Язев, В.А. Магистральные нефтегазопроводы. Учебное пособие/ Тетельман В.А., Язев В.А. – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2013 – 352 с.
-
Лурье М.В. Сборник задач по трубопроводному транс- порту нефти, нефтепродуктов и газа// - М.: Нефть и газ, 1995.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Листинги программ в системе Maple
Листинг А.1 – Программа расчета характеристик основной магистрали
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
Листинг А.2 – Определение в зависимости длины вставки от пропускной способности
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
Листинг А.3 – Программа определение зависимости длины вставки от относительного увеличения пропускной способности.
>
>
>
>
>
>
Листинг А.4 – Определение длины лупинга с диаметром 0,7 м при увеличении пропускной способности нефтепровода
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
Листинг А.5 – Программа определение зависимости длины лупинга от относительного увеличения пропускной способности
>
>
>
>
>
>
Листинг А.6 – Определение длины лупинга с диаметром 0,516 м при увеличении пропускной способности нефтепровода
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
>
Листинг А.7 – Программа определение зависимости длины лупинга с диаметром 0,516 м от относительного увеличения пропускной способности
>
>
>
>
>
>