Определение перевальной точки и расчетной длины нефтепровода

Перевальной точкой называется такая возвышенность на трассе нефтепровода, от которой нефть приходит к конечному пункту нефтепровода самотеком. Таких вершин в общем случае может быть несколько. Расстояние от начала нефтепровода до ближайшей из них называется расчетной длиной нефтепровода. Рассмотрим это на примере нефтепровода протяженностью L, диаметром D и производительностью Q (рис. 1.9).

Прежде чем приступить к расстановке перекачивающих станций по трассе нефтепровода, необходимо исследовать трассу на наличие перевальной точки. Для этого на сжатом профиле трассы в соответствии с выбранными масштабами длин и высот строится прямоугольный треугольник, изображающий потери напора на некотором участке трубопровода. Построения выполняются в следующем порядке:

§ В горизонтальном масштабе откладывается отрезок ab, соответствующий участку нефтепровода длиной l;

§ Определяется значение потерь напора на трение (с учетом надбавки на местные сопротивления) для участка длиной l

.

§ Из точки a перпендикулярно вверх откладываем отрезок ac, равный величине h_l в масштабе высот.

Соединив точки b и c, получим треугольник abc, называемый также гидравлическим треугольником. Его гипотенуза bc определяет положение линии гидравлического уклона в выбранных масштабах.

Рис. 1.9. Графическое определение перевальной точки

и расчетной длины нефтепровода

Из конечной точки трассы с учетом требуемого остаточного напора h_ОТ параллельно гипотенузе bc проведем линию гидравлического уклона 1. Ее пересечение с линией профиля указывает на наличие перевальной точки. Для ее определения проведем параллельно линию гидравлического уклона 2, с расчетом, чтобы она касалась профиля и нигде его не пересекала. Место касания линии 2 с линией профиля обозначает положение перевальной точки, определяющей расчетную длину нефтепровода.

Это говорит о том, что достаточно закачать нефть на перевальную точку, чтобы она с тем же расходом достигла конечного пункта трубопровода. Самотек нефти обеспечен, так как располагаемый напор (z_ПТ – z_K – h_ОТ) больше напора, необходимого на преодоление сопро­тивления на участке от перевальной точки до конечного пункта

(z_ПТ – z_K – h_ОТ)>i∙(L– l_ПТ),

где l_ПТ – расстояние от начального пункта нефтепровода до перевальной точки.

В этом случае за расчетную длину трубопровода принимают расстояние L_P=l_ПТ, а разность геодезических отметок принимается равной Dz= z_ПТ – z_H. Если пересечение линии гидравлического уклона с профилем отсутствует, то расчетная длина трубопровода равна его полной длине L_P=L, а Dz= z_K – z_H.

Следует отметить, что перевальная точка не всегда является самой высокой точкой на трассе (рис. 1.9.).

Рассмотрим течение жидкости за перевальной точкой (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Течение жидкости за перевальной точкой

На интервале между перевальной точкой и конечным пунктом выделим два участка: АС длиной l₁ и AK длиной l₂. Самотечное движение нефти на участке AK обеспечивается напором AE= i∙l₂.

На первом участке располагаемый напор CM превышает требуемый напор BM=i∙l₁ на величину BC. Следовательно, на участке АС гидравлический уклон должен быть больше i. Это возможно лишь в случае увеличения скорости течения нефти на участке АС. Как следует из уравнения неразрывности

Q = w∙F,

с возрастанием скорости w площадь живого сечения потока F должна уменьшаться. Это говорит о движении жидкости на участке АС неполным сечением трубопровода. Давление жидкости на этом участке ниже, чем в любой точке трубопровода и равно давлению насыщенных паров нефти (то есть абсолютное давление в трубопроводе меньше атмосферного). Пространство над свободной поверхностью жидкости будет заполнено выделившимися из нее парами и растворенными газами. При значительной длине самотечного участка вследствие высокой скорости потока происходит отрыв и унос парогазовых пузырьков в нижней части газовой полости. По мере удаления от самотечного участка давление жидкости возрастает, что приводит к кавитационным процессам из-за резкого схлопывания пузырьков. В свою очередь это может привести к значительной вибрации трубопровода и сопровождается повышенным уровнем шума.

Длительная работа нефтепровода на пониженных режимах перекачки является причиной продолжительного существования газовой полости за перевальной точкой. Повышенное содержание в нефти сернистых соединений может вызвать ускоренное протекание коррозионных процессов на внутренней поверхности стенки трубы над свободной поверхностью жидкости.

При увеличении расхода перекачиваемой нефти перевальная точка может исчезнуть, однако процесс растворения парогазового скопления продолжается длительное время. Если скорость течения достаточно велика, скопления газа выносятся потоком жидкости и могут достичь резервуара на конечном пункте нефтепровода. Сопровождающий это явление гидравлический удар приводит к повреждению резервуаров и их оборудования.

Если на конечном пункте нефтепровода поддерживать повышенный напор h_оф (рис.1.9), то появления перевальных точек на трассе можно избежать (линия гидравлического уклона 2 будет продолжена пунктирной линией). Разница полезного h_оф и требуемого h_от напоров может быть использована, например, для привода портативной электростанции. Проект такой электростанции разработан на нефте­проводе Тихорецк–Новороссийск в районе нефтебазы «Грушовая».

1.5.6. Характеристика нефтепровода

Характеристикой нефтепровода называется зависимость потерь напора от расхода. Для трубопровода постоянного диаметра можно записать

, (1.28)

где N_э – число эксплуатационных участков.

Для определения гидравлического уклона воспользуемся следующей компактной формулой [18]

, (1.29)

где – гидравлический уклон при единичном расходе.

Тогда выражение (1.28) можно переписать в виде

. (1.30)

В общем случае, когда линейная часть нефтепровода оборудована лупингами и вставками, зависимость (1.28) примет вид

, (1.31)

или учитывая, что i_л=i∙w и i_В=i∙W

. (1.32)

С учетом (1.28) зависимость (1.32) принимает вид

. (1.33)

Выражения (1.30) и (1.33) являются уравнениями характеристики нефтепровода в аналитической форме. Графически характеристика нефтепровода представлена

на рис. 11.

Рис. 1.11. Характеристика нефтепровода

Начальная точка характеристики трубопровода совпадает с величиной отрезка Dz+N_Эh_ОСТ. В диапазоне расходов от 0 до Q_КР=p×D×n×Re_КР/4 (область ламинарного режима течения при Re_КР=2320) зависимость H от Q линейная. При Q> Q_КР характеристика имеет вид параболы вида Q^2–m.

Величины n, D и L_P определяют крутизну характеристики трубопровода. Чем меньше диаметр D и чем больше вязкость нефти n и расчетная длина нефтепровода L_Р, тем круче его характеристика.

При практических расчетах нет необходимости в построении характеристики H=f(Q) от начальной точки, то есть при Q=0. Вполне достаточно построить характеристику по нескольким точкам, соответствующим узкому интервалу расходов, ожидаемых при эксплуатации рассчитываемого нефтепровода.

1.5.7. Уравнение баланса напоров

Для магистрального нефтепровода постоянного диаметра с n перекачивающими станциями, уравнение баланса напоров имеет вид

. (1.34)

В начале каждого эксплуатационного участка ПС оснащены подпорными насосами. В конце трубопровода и каждого эксплуатационного участка требуется обеспечить остаточный напор h_ОСТ для преодоления сопротивления технологических трубопроводов и закачки в резервуары.

Правая часть уравнения (1.34) представляет собой полные потери напора в трубопроводе, то есть Н. В случае наличия вставок или лупингов по трассе правая часть уравнения (1.34) определяется по формуле (1.32).

Левая часть уравнения (1.34) – суммарный напор, развиваемый всеми работающими насосами перекачивающих станций (активный напор). С помощью коэффициентов характеристик насосов активный суммарный напор может быть представлен зависимостью

, (1.35)

где m_М – количество работающих магистральных насосов на одной ПС;

m_П – количество работающих подпорных насосов на ГПС (или на ПС в начале эксплуатационного участка), включенных параллельно;

а_П, b_П, h_П – коэффициенты характеристики и напор, развиваемый подпорным насосом при подаче Q;

а_М, b_М, h_М – то же для магистрального насоса.

Обозначив

и

,

можно записать

, (1.36)

Выразив левую часть уравнения (1.34) через (1.35), а правую часть – через (1.30), получим уравнение баланса напоров в аналитической форме

. (1.37)

Раскрывая скобки и решая уравнение (1.37) относительно расхода, имеем

. (1.38)

Если в общем случае на линейной части имеются лупинги и вставки, уравнение (1.38) примет вид

. (1.39)

Определив расход Q, можно вычислить напор, развиваемый перекачивающими станциями, а также суммарные потери напора в трубопроводе. Обе эти величины одинаковы (условие баланса напоров).

Тот же результат можно получить графически, построив совмещенную характеристику трубопровода и насосных станций. Точка пересечения характеристик называется рабочей точкой (А), которая характеризует потери напора в нефтепроводе и его пропускную способность при заданных условиях перекачки (рис. 1.12). Равенство создаваемого и затраченного напоров, а также равенство подачи насосов и расхода нефти в трубопроводе приводят к важному выводу: трубопровод и перекачивающие станции составляют единую гидравлическую систему.

Изменение режима работы ПС (отключение части насосов или станций) приведет к изменению режима нефтепровода в целом. Изменение гидравлического сопротивления трубопровода или отдельного его перегона (изменение вязкости, включение резервных ниток, замена труб на отдельных участках трассы и т. п.) в свою очередь окажет влияние на режим работы всех перекачивающих станций.

Дата добавления: 2014-01-05