Гидравлический уклон определяется по формуле

Гидравлический уклон в соответствии с (2.3) можно охарак­теризовать как

Как уже отмечалось, иногда целесообразно прокладывать параллельно действующую нитку трубопровода—лупинг. Для обоих трубопроводов на участке установки лупинга гидравли­ческий уклон будет одинаков

где d_л, — диаметр лупинга; D_BH — диаметр основной магистрали; t— гидравлический уклон трубопровода без лупинга; т —

коэффициент, характеризующий режим течения (для ламинар­ного режима т=1, для переход­ного режима m = 0,25, для турбу­лентного режима m = 0).

Определение числа и расстановка НС

Задача определения числа НС и их расстановка вдоль трубопровода связаны не только с технологическими параметрами, но и с прочностными характеристиками трубопровода. Основной нагрузкой на трубы является внутреннее давление, поэтому тол­щина их стенки определяется в основном этим давлением. Если известна толщина стенки труб б, то, определив на основании прочностных расчетов внутреннее давление р, можно узнать предельное давление на выходе из каждой НС. Можно посту­пить иначе — задать расчетное давление на выходе из НС, а оп­ределять необходимую толщину стенки труб.

При перекачке нефти по магистральному нефтепроводу напор, развиваемый насосами перекачивающих станций, расходуется на трение жидкости о стенку трубы h_, преодоление местных сопротивлений h_мс, статического сопротивления из-за разности геодезических (нивелирных) отметокz, а также создания требуемого остаточного напора в конце трубопровода h_ост.

Полные потери напора в трубопроводе составят

Следует отметить, что по нормам проектирования расстояния между линейными задвижками составляют 15…20 км, а повороты и изгибы трубопровода плавные, поэтому доля местных сопротивле­ний невелика. С учетом многолетнего опыта эксплуатации трубопроводов с достаточной для практических расчетов точностью можно принять, что потери напора на местные сопротивления составляют 1…3% от линейных потерь. Тогда выражение (1.10) примет вид

Под разностью геодезических отметок понимают разность отметок конца и начала трубопровода z = z_к – z_н. Величинаz может быть как положительной (перекачка на подъем), так и отрицательной (под уклон).

Остаточный напор h_ост необходим для преодоления сопротив­ления технологических коммуникаций и заполнения резервуаров конечного пункта (а также промежуточных перекачивающих станций, находящихся на границе эксплуатационных участков).

Потери напора на трение в трубопроводе определяют по формуле Дарси-Вейсбаха,

либо по обобщенной формуле лейбензона,

где L_р– расчетная длина нефтепровода;

D – внутренний диаметр трубы;

w – средняя скорость течения нефти по трубопроводу;

Q – расход нефти.

 – расчетная кинематическая вязкость нефти;

– коэффициент гидравлического сопротивления;

, m – коэффициенты обобщенной формулы Лейбензона.

Значения ,и m зависят от режима течения жидкости и шероховатости внутренней поверхности трубы. Режим течения жидкости характеризуется безразмерным параметром Рейнольдса

, (1.14)

При значениях Re Re₂.

Значения переходных чисел Рейнольдса Re₁и Re₂ определяют по формулам

,

где – относительная шероховатость трубы;

k_Э– эквивалентная (абсолютная) шероховатость стенки трубы

Гидравлическим уклоном называют потери напора на трение, отнесенные к единице длины трубопровода

(1.16)

Рис. 1.7. Графическое представление линии гидравлического уклона

Как видно из рисунка, линия гидравлического уклона показывает распределение напора по длине трубопровода. Напор в любой точке трассы определяется вертикальным отрезком, отложенным от линии профиля трассы до пересечения с линией гидравлического уклона. При графических построениях (расстановке ПС на профиле трассы) положение линии гидравлического уклона должно учитывать надбавку на местные сопротивления.

9. Перевальная точка и расчетная длина нп

Перевальной точкойназывается 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 называетсярасчетной длиной нефтепровода. Рассмотрим это на примере нефтепровода протяженностьюL, диаметромDи производительностьюQ(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 aперпендикулярно вверх откладываем отрезокac, равный величинеh_lв масштабе высот.

Соединив точки bиc, получим треугольникabc, называемый также гидравлическим треугольником. Его гипотенузаbcопределяет 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_ОТпараллельно гипотенузеbcпроведем 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

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z=z_ПТ –z_H. Если пересечение линии гидравлического уклона с профилем отсутствует, то расчетная длина трубопровода равна его полной длинеL_P=L, аz=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 иAKдлиной l₂. Самотечное движение нефти на участкеAKобеспечивается напоромAE=i∙l₂.

На первом участке располагаемый напор CMпревышает требуемый напорBM=i∙l₁на величинуBC. Следовательно, на участке АС гидравлический уклон должен быть большеi. Это возможно лишь в случае увеличения скорости течения нефти на участке АС. Как следует из уравнения неразрывностиQ=w∙F, с возрастанием скоростиwплощадь живого сечения потокаFдолжна 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 полезногоh_офи требуемогоh_отнапоров может быть использована, например, для привода портативной электростанции. Проект такой электростанции разработан на нефте­проводе Тихорецк–Новороссийск в районе нефтебазы «Грушовая».

Если на профиле перегона отложить начальный и конечный напоры Н₁ и Н₂, как это показано рис.6.1, и соединить концы полученных отрезков, то получим наклонную прямую АБ. Эта прямая называется линией гидравлического уклона и представляет собой зависимость полного напора от координаты x вдоль оси трубопровода. Тангенс угла наклона этой прямой называется гидравлическим уклоном i. Предполагается, что диаметр трубопровода – одинаковый по всей длине, местных со­противлений нет, расход по длине не изменяется.

Рис. 6.1. Линия гидравлического уклона

Из рисунка видно, что

. (6.13)

Следовательно, физический смысл гидравлического уклона – потеря напора на трение, отнесенное к единице длины трубопровода, а тангенс угла наклона – геометрический смысл.

С учетом (6.1), (6.3) и (6.13) гидравлический уклон равен

(6.14)

(6.15)

Пользуясь равенством (6.5), можно определить давление в любой точке участка горизонтального нефтепровода:

, (6.16)

где Р₀ – давление в любой точке гидравлического участка нефтепровода, Па; Р₁ – давление на выходе НПС, Па; x – расстояние от начала участка, м

Для реального трубопровода изменение давления по длине участка будет зависеть от Dz:

, (6.17)

где P – давление в любой точке участка реального МН, Па; Δz_x = z_x – z₁ – разность геодезических отметок участка, м.

Разность геодезических отметок может значительно повлиять на распределение давления по длине участка. Поэтому максимальное давление может быть не только в начальной точке, но и в самой низкой точке профиля, в точке х на рис.6.1.

Гидравлический уклон нефтепровода зависит от расхода Q, при этом, чем больше Q, тем быстрей уменьшается напор, тем больше значение гидравлического уклона i. Расход в свою очередь зависит от диаметра и скорости.

Для того чтобы уменьшить гидравлическое сопротивление, и тем самым добиться уменьшения потерь напора или увеличения производительности трубопровода, на практике применяют прокладку лупингов и вставок. Вставкой называется сегмент трубопровода большего диаметра, чем основная магистраль. Лупинг (англ. – петля) – это дополнительный трубопровод, проложенный параллельно основной магистрали и соединенный с ней в двух сечениях. Лупинги также могут быть резервными нитками МН, например, на подводных переходах. Изменение уклона при устройстве лупинга и вставки показано на рис.6.2 (стр. 284).

Рис. 6.2. Гидравлический уклон на различных участках трубопровода.

Уравнение баланса напоров при наличии лупинга

. (6.18)