Тема лекции 8. Технологический расчет нефтепродуктопровода при последовательной перекачке

Технологическая задача последовательной перекачки похожа с задачой обычной перекачки. Только в этом случае есть несколько продуктов. Расчет проводят сначала согласно предположению, что весь груз состоит из наиболее вязкого нефтепродукта. После получения напорной характеристики НПС, для каждого продукта находят напорную характеристику трубопровода и рабочую точку. При помощи этих данных определяет число дней перекачки каждого из нефтепро­дуктов. Сумма дней перекачки всех нефтепродуктов не должна превышать числа рабочих дней в году, в противном случае число магистральных насосов уменьшает на одну и расчеты проводят повторно, пока не выполняется вышеназванное условие рабочих дней.

В ходе расчета последовательной перекачки решаются следую­щие задачи:

-определение числа насосных станций;

-определение объема смеси, образующейся при вытеснении одной жидкости другой;

-определение объема партий нефтепродуктов;

-определение числа циклов последовательной перекачки;

-определение диаметра отвода от магистрали и др.

Определение числа насосных станций. Исходными данными для расчета нефтепродуктопровода являются данные о годовом объеме (G _год - годовой план перекачки (млн.т/год) и α ₁, α ₂, α ₃,…- массовая доля каждого продукта в общей массе) и свойствах неф­тепродуктов (расчетная плотность и вязкость каждого из продуктов ρ ₁, ν ₁, ρ ₂, ν ₂, ρ ₃, ν ₃,…), предназначенных к транспорту, дальности перекачки L _тр, допустимых концентрациях нефтепродуктов друг в друге ( - 1-продукта во второй, - 2-продукта в первом, и. т. д.), а также профиль трассы (в частности разность нивелирных высот Δ z). При гидравлическом расчете нефтепродуктопроводов сохраня­ется то же правило, что и при расчете нефте- и трубопроводов: он выполняется для наиболее неблагоприятных условий. Расчетная (средняя) часовая пропускная способность нефтепродуктопровода определяется как сумма объемных расходов каждого из неф­тепродуктов:

,

где 8400=350∙24 - количество рабочих часов в году.

Гидрав­лический расчет выполняется с определением потерь напора на всех расчетных участках, определением числа насосных станций, подбором насосов. Если на нефтепродуктопроводе по расчету должны быть промежуточные насосные станции, то расчет потерь напора следует вести по нефте­продукту с наибольшей вязкостью, так как при последовательной пе­рекачке партия наиболее вязкого нефтепродукта на участке между двумя соседними насосными станциями будет «лимитировать» про­пускную способность всего нефтепровода. Если нефтепродуктопровод по расчету не имеет промежуточных насосных станций, то его пропуск­ная способность будет плавно меняться по мере замещения нефте­продукта одной вязкости нефтепродуктом другой вязкости. Поэтому при подборе насосов в этом случае должна быть обеспечена возмож­ность их работы при перекачке каждого нефтепродукта в зоне макси­мального коэффициента полезного действия.

Рассмотрим случай, когда по расчету будут промежуточные насосные станции, по этому определение экономически целесообразного диаметра нефтепродуктопровода производится, исходя из необходимости перекач­ки с расходом Q _чac.ср наиболее вязкого из нефтепродуктов, то есть, сначала будет считаться, что весь G _год состоит из самого вязкого нефтепродукта. Исходя из этого соображения, по известному часовому расходу подбираются основные и подпорные насосы, таким образом, чтобы Q _чac.ср была максимально близка к их номинальной подаче, удовлетворяя условию:

0,8 Q _ном< Q _чac.ср <l,2 Q _ном.

При этом, рабочее давление на выходе головной насосной станции при трех последовательных включенных основных насосах не должно превышать предела прочности закрепляющнй арматуры:

Р ≤ Р _арм.

Здесь Р = ρg (3 h _мн+ H ₂), h _мн = Н ₀ -b Q _чac.ср ² , H ₂ = Н _{0 2}-b₂· Q _чac.ср ², где h _мн, H ₂ -напоры, создавемые основным и подпорным насосами с параметрами a, b, a₂ , b₂, ρ - плотность наиболее вязкого нефтепродукта. Если это условие не выполняется, то надо выбирать другой насос. После выполения условий прочности закрепляющнй арматуры можно определить расчетный напор одной станции для подобранных насосов:

Н _ст =3 h _мн.

Как мы говорили, в нефтепродуктопроводе по расчету будут промежуточные насосные станции, и по этому гидравлический расчет будем выполнять по наиболее вязкому неф­тепродукту по следующему алгоритму.

Найдем средние значения секундного Q объемного расхода:

и средняя скорость потока:

.

Число Рейнольдса:

,

где ν - кинематическая вязкость наиболее вязкого нефтепродукта. Вычислим потери напора на трение:

и полные потери напора в трубопроводе:

,

где iL = h _τ (i -гидравлический уклон, λ - коэффициент гидравлического сопротивления от трения), п _э - количество эксплуатационных участков в трассе, п _э= L/( 400÷600 ), Н _кп - остаточный напор в конечных пунктах эксплуатационных участков, этот напор расходуется при перекачке нефти, или нефтепродуктов в резервуары. Коэффициент 1,02 учитывают потери напора в местных сопротивлениях (в ответвлениях трубопровода, на задвижках, и т. д.). Отсюда число НПС:

.

Округляем его до следующего большого числа. Далее строится совмещенная характеристика насосных станций и трубопровода при работе на каждом из нефтепродуктов. По совме­щенной характеристике определяют соответствующие рабочим точ­кам производительности перекачки каждого из нефтепродуктов Эти числа показывают, что какой объем каждого нефтепродукта за час перекачивает станция с выбранными насосами. Тогда фактическое число суток перекачки каждого неф­тепродукта:

Так, как суммарная продолжи­тельность перекачки всех нефтепродуктов в течение года не превы­шает 350 суток, то должно выполняться условие:

.

Проверку выполнения данного неравенства целесообразно вы­полнить не только для найденного числа насосных станций, но и для меньшего n -1, n -2, и т. д. Это связано с тем, что гидравлический расчет нефтепродуктопровода при принятых допущениях выполняется, как пра­вило, с большим запасом. К дальнейшему расчету принимается то количество насосных станций, которому соответствует суммарное число дней перекачки нефтепродуктов, ближайшее меньшее по отношению к 350. Таким образом, можем найти наименьшее количество насосных станций n _min. В этой задаче наиболее трудоемкими вычислениями являются построения совмещенных характеристик насосных станций и трубопровода при работе на каждом из нефтепродуктов. Построения графиков и нахождения рабочих точек чреваты большими погрешностями (такая постановка решении задач устарела). С этой задачей легко справится любая компьютерная Приведем решения задачи нахождения рабочих точек. Определим следующих три функций.

1. Функция коэффициента гидравлического сопротивления от трения λ = λ (ν, Q _чac):

, , , , где k _э-шероховатость внутренней стенки трубы.

Тогда , если Re≤ 2320,

, если 2320 <Re≤Re _I,

, если Re _I ≤ Re < Re _II,

и при Re ≥ Re _II.

2. Функция полной потери напора в трубопроводе Н = Н (ν, Q _чac):

, .

3. Функция полного напора всех перекачивающих станций трубопровода Н _НПС= Н _НПС (n, Q _чac):

Н _НПС=3 n (Н ₀ -bQ _час²)+ п _э (Н _{0 2}-b₂·Q _час²).

Тогда рабочие точ­ки, определяющие производительности перекачки каждого из нефтепродуктов есть решения уравнений:

Н (ν ₁, Q _чac)= Н _НПС (n, Q _чac) при ,

Н (ν ₂, Q _чac)= Н _НПС (n, Q _чac) при ,

Н (ν ₃, Q _чac)= Н _НПС (n, Q _чac) при ,…,

и т.д. Нахождение решений уравнений можно по любым приближенными методами, такими, как метод хорд, метод касательных и пр.

В трубопроводе большой протяженности с промежуточными насос­ными станциями обычно находится несколько чередующихся партии нефтепродуктов, так как объем каждой партии в несколько раз меньше объема всего трубопровода. Так, в магистральном нефтепродуктопроводе протяженностью 1000 км могут одновременно находиться 5-6 партий разнородных нефтепродуктов, например бензин и дизельное топливо. Пропускная способность такого трубопровода будет ограни­чиваться (лимитироваться) пропускной способностью одного из участ­ков, занятого партией более вязкого нефтепродукта. И хотя на участ­ках, занятых менее вязким нефтепродуктом, будет при этом оста­ваться неиспользуемый напор, передать его на участки с более вяз­ким нефтепродуктом полностью не удается из-за ограничения макси­мального давления в трубопроводе прочностью труб. По мере пере­мещения партий нефтепродуктов по трубопроводу лимитирующая пропускная способность может изменяться.

Определить максимальную пропускную способность трубопровода с промежуточными насосными станциями в этом случае можно мето­дом последовательных приближений, который заключается в следую­щем. При известном расположении партий нефтепродуктов, полагая включенными все насосы на насосных станциях, из уравнения баланса давлений определяют пропускную способность трубопровода (нуле­вое приближение). Затем при найденной таким образом пропускной способности проверяют выполнение ограничений по максимальному давлению нагнетания после каждой насосной станции и по минималь­ному давлению подпора перед каждой насосной станцией, начиная с первой.

При первом же невыполнении этих ограничений давление на дан­ной насосной станции принимают равной предельно допустимой и определяют новое значение пропускной способности, после чего по­вторяют процедуру проверки ограничений. В результате расчета оп­ределяют «лимитирующий» участок трубопровода, где давления на­гнетания и подпора равны предельно допустимым и определенная для этого случая пропускная способность всего трубопровода будет максимально возможной при данном расположении партий нефтепро­дуктов.

Основная литература: 1 осн. [205-217], 2 осн. [87-92], 3 осн. [260-266] ],

4 осн. [1183-185, 197-216]

Дополнительная литература: 5 доп. [35-39]

Контрольные вопросы:

1. Какие задачи решаются в ходе расчета последовательной перекачки?
2. Что является исходными данными для расчета нефтепродуктопровода?
3. Как определяется число НПС ходе расчета последовательной перекачки?