Гидравлический расчет сложных нефтепроводов

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет курсового проекта

 

Исходные данные:

1. Длина и профиль участков трассы представлены в таблице 1.

Таблица 1- Профиль участков трассы

1 участок	xi, км.	0	3,4	6,8	10,2	13,6	17
	zi, м.	12	48	67	97	45	67
2 участок	xi, км.	0	5,4	10,8	16,2	21,6	27
	zi, м.	67	97	56	32	11	45
3 участок	xi, км.	0	12,2	24,4	36,6	48,8	61
	zi, м.	67	45	27	37	15	109
4 участок	xi, км.	0	4,2	8,4	12,6	16,8	21
	zi, м.	109	87	67	56	14	38
5 участок	xi, км.	0	6,2	12,4	18,6	24,8	31
	zi, м.	109	117	12	34	45	67

 

2. Физические характеристики перекачиваемого продукта: перекачиваемая среда - нефть, плотность 890 кг/м3, вязкость 15 сСт, давление насыщенных паров 12 кПа.
3. Расходы и давления в конечных пунктах транспортной системы ( не менее): Q1=350 м3/ч,  p1=0,3 МПа, Q2 =750 м3/ч, p2=0,15 МПа, Q3=1550 м3/ч,  p3=0,2 МПа.
4. Трубы подбираем из перечня таблицы 2, абсолютную шероховатость трубопроводов принимаем 0,3 мм.

Таблица 2 – Перечень сортамента труб

D,мм	377	426	530	630	720	820	920	1020	1220
δ,мм	6	8	8	8	9	10	10	10	12

 

Решение. 
1) Построим профиль трассы и определим линию гидравлического уклона для всей системы в целом.

Рис.1 -  Профиль трассы и линия гидравлического уклона

 

Максимальная длина трассы составляет 109 км, суммарный теоретический расход по системе составляет  2650 м3/ч, ориентировочно будем использовать насос с напором  около 230 м. Начальный полный напор выбираем как сумму  геометрической высоты расположения HC (zн=12 м), дифференциального напора насоса и кавитационного запаса (примем кавитационный запас равным 48 м), таким образом найдем H1=290 м. Конечный напор состоит из давления, равного 0,2 МПа и  геометрической высоты, равной 67 м, получаем H2=22,91+67=89,91 м. Таким образом будем подбирать диаметры основной магистрали, чтобы гидравлический уклон был не менее (290-89,91)/109000=0,0018357≈ 1,84.

2) Подберем  диаметр 5 участка так, чтобы гидравлический уклон  был менее 1,84∙10-3 м/м, при условии, что конечное давление равно 0,2 МПа и расход не менее 1550 м3/ч.

В первом приближении диаметр трубопровода вычислим по формуле:

 

Рис.2.- Зависимость скорости перекачки от

производительности нефтепровода

d*=649,5. Примем начальный диаметр трубопровода 7209. Рассчитаем H-Q характеристику для диаметра 7209 и выше и расходами не менее 1550 м3/ч. Результаты сведем в таблицу 3.

Таблица 3. – H-Q характеристика для труб 7209 5 участка

Q, m3/ч	1550	1700	1850	2000	2150	2300
V,м/с	1,1124105	1,220063	1,327716	1,4353684	1,543021	1,650674
Re, б/р	52060,813	57098,96	62137,1	67175,242	72213,39	77251,53
λ,б/р	0,0209464	0,020468	0,020004	0,0196532	0,019301	0,018978
i, м/м	0,0018819	0,002212	0,002565	0,0029398	0,00336	0,003754
Hнач, м	148,24689	158,4827	169,4195	181,04242	193,3383	206,295

 

Таблица 3.1. - H-Q характеристика для труб 82010 5 участка

Q, m3/ч	1550	1700	1850	2000	2150	2300
V,м/с	0,8565631	0,939456	1,022349	1,1052427	1,188136	1,271029
Re, б/р	45683,363	50104,33	54525,3	58946,275	63367,25	67788,22
λ,б/р	0,021642	0,021148	0,020706	0,0203059	0,019942	0,019609
i, м/м	0,0010116	0,001189	0,001379	0,0015803	0,001794	0,002018
Hнач, м	122,64246	128,1448	134,0239	140,2719	146,8816	153,8466

 

Расчет показал, что для удовлетворения условий гидравлического уклона  менее 1,84∙10-3 м/м, необходимо использовать трубопровод  82010, тогда полный напор в начале 5-ого участка будет 122,643 м.

3) Подберем  диаметр трубопровода 4-ого участка  так, чтобы начальный напор на участке был не более 122,643 м. Конечное давление не менее 0,15МПа и расход не менее 750 м3/ч. Примем начальный диаметр равным 4268 мм. Расчеты сведем в таблицу.

Таблица 4.- H-Q характеристика для труб 4268 4 участка

Q, m3/ч	750	880	1010	1140	1270	1400
V,м/с	1,5779788	1,851485	2,125011	2,3985278	2,672044	2,94556
Re, б/р	43131,421	50607,53	58083,65	65559,76	73035,87	80511,99
λ,б/р	0,0219552	0,021095	0,020381	0,0197732	0,019247	0,018783
i, м/м	0,0067961	0,00899	0,011441	0,0141411	0,017083	0,020259
Hнач, м	197,89772	243,964	295,4406	352,14387	413,9173	480,6256

 

Таблица 4.1.- H-Q характеристика для труб 5308 4 участка

Q, m3/ч	750	880	1010	1140	1270	1400
V,м/с	1,0040206	1,178051	1,352081	1,5261114	1,700142	1,874172
Re, б/р	34404,441	40367,88	46331,31	52294,75	58258,19	64221,62
λ,б/р	0,0232318	0,022322	0,021566	0,0209229	0,020366	0,019875
i, м/м	0,0023222	0,003072	0,003909	0,0048321	0,005837	0,006923
Hнач, м	103,94728	119,6882	137,278	156,65361	177,7618	200,5562

 

 

Расчет показал, что для трубопровода  4-ого участка 5308 мм начальный напор требуется меньше, чем располагает наша система на главном направлении. Таким образом, для 4  участка будем иметь напор больше, чем необходимо, что приведет к увеличению расхода на участке 4,  по сравнению с расходом заданным в исходных данных. Построим H-Q характеристики и линии тренда для участков 4 и 5. Графическим способом определим увеличенный расход на участке 4.

           Рис.3. – H-Q характеристики для участков 4 и 5

 

Зная, что напор на главной диагонали (начало 5-ого участка) составляет 122,643 м, определим расход на участке 4 с учетом новой величины напора. Расход составит Q4 =927,5 м3/ч.

 

4) Подберем диаметр на участке 3, с учетом того гидравлический уклон должен быть не хуже 1,84•10-3 м/м, расход на участке не менее 927,5+1550=2477,5 м3/ч и полный напор в конце участка не менее 122,643 м (в пересчете на давление, (122,643-109) •9,81•890=0,119 МПа). Примем начальный диаметр трубопровода 720х9. Результаты расчетов сведем в таблицы.

Таблица 5.- H-Q характеристика для труб 720×9 3 участка

Q, m3/ч	2477,5	2582	2686,5	2791	2895,5	3000
V,м/с	1,7780626	1,853061	1,928059	2,0030566	2,078055	2,153053
Re, б/р	83213,332	86723,24	90233,14	93743,051	97252,96	100762,9
λ,б/р	0,0186289	0,018438	0,018256	0,0180822	0,017917	0,017759
i, м/м	0,0042761	0,004597	0,004927	0,0052675	0,005617	0,005977
Hнач, м	588,72293	623,6696	659,6935	696,78395	734,9309	774,1247

 

Таблица 5.1.- H-Q характеристика для труб 820×10 3 участка

Q, m3/ч	2477,5	2582	2686,5	2791	2895,5	3000
Q, m3/с	0,6881944	0,717222	0,74625	0,7752778	0,804306	0,833333
V,м/с	1,3691193	1,426868	1,484617	1,5423661	1,600115	1,657864
Re, б/р	73019,698	76099,64	79179,58	82259,527	85339,47	88419,41
λ,б/р	0,0192476	0,01905	0,018862	0,0186827	0,018512	0,018348
i, м/м	0,0022986	0,002471	0,002649	0,0028316	0,00302	0,003213
Hнач, м	373,18101	391,9668	411,3317	431,26988	451,776	472,8449

 

Таблица 5.2.- H-Q характеристика для труб 920×10 3 участка

Q, m3/ч	2477,5	2582	2686,5	2791	2895,5	3000
V,м/с	1,0817733	1,127402	1,173031	1,2186597	1,264288	1,309917
Re, б/р	64906,399	67644,13	70381,85	73119,58	75857,31	78595,03
λ,б/р	0,0198228	0,019619	0,019425	0,019241	0,019065	0,018897
i, м/м	0,0013137	0,001412	0,001514	0,0016183	0,001726	0,001836
Hнач, м	265,82286	276,5592	287,6264	299,02136	310,7409	322,782

 

Расчет показал, что для трубопровода 920x10 гидравлический уклон не хуже чем, требуемый и полный напор в начале участка составляет 265,823 м.

 

5) Подберем  диаметр 2 участка, чтобы начальный напор на участке был не более 265,823 м при условии, что расход на участке не менее 350 м3/ч, а конечное давление не менее 0,3 МПа. Примем начальный диаметр равным 530x8 мм.

Расчет сведем в таблицы.

Таблица 6.- H-Q характеристика для труб 530×8 2 участка

Q, m3/ч	350	450	550	650	750	850
V,м/с	0,468543	0,602412	0,736282	0,8701512	1,004021	1,13789
Re, б/р	16055,406	20642,66	25229,92	29817,182	34404,44	38991,7
λ,б/р	0,0281081	0,026396	0,025105	0,024078	0,023232	0,022516
i, м/м	0,0006119	0,00095	0,00135	0,0018078	0,002322	0,002891
Hнач, м	95,881541	105,0076	115,7981	128,17096	142,061	157,4148

 

Таблица 6.1.- H-Q характеристика для труб 426×8 2 участка

Q, m3/ч	350	450	550	650	750	850
V,м/с	0,7363901	0,946787	1,157184	1,3675816	1,577979	1,788376
Re, б/р	20127,996	25878,85	31629,71	37380,565	43131,42	48882,28
λ,б/р	0,0265636	0,024946	0,023725	0,0227549	0,021955	0,021279
i, м/м	0,0017907	0,00278	0,003949	0,0052905	0,006796	0,00846
Hнач, м	127,70923	154,4168	185,9955	222,20486	262,8545	307,7876

 

Расчет показал, что для трубопровода  2-ого участка 4268 мм начальный напор требуется меньше, чем располагает наша система на главном направлении. Таким образом, для 2  участка будем иметь напор больше, чем необходимо, что приведет к увеличению расхода на участке 2,  по сравнению с расходом заданным в исходных данных. Построим H-Q характеристики и линии тренда для участков 2 и 3. Графическим способом определим увеличенный расход на участке 2.

Зная, что напор на главной диагонали (начало 3-ого участка) составляет 265,823 м, определим расход на участке 2 с учетом новой величины напора.  Расход составит Q2 =750 м3/ч.

 

Рис.4. – H-Q характеристики для участков 2 и 3

 

6) Подберем  диаметр на участке 1, с учетом того, что гидравлический уклон должен быть не хуже 1,84∙10-3 м/м, начальный полный напор не более 290 м, расход на участке не менее 3227,5 м3/ч (фактический расход на участке составляет 2477,5+750=3227,5 м3/ч), полный напор в конце участка не менее 265,823 м (в пересчете на давление (265,823-67) •9,8•890=1,735904 МПа). Примем начальный диаметр трубопровода 920х10. Результаты сведем в таблицы.

 

 

Таблица 7.1.- H-Q характеристика для труб 920×10 1 участка

Q, m3/ч	3227,5	3362	3496,5	3631	3765,5	3900
V,м/с	1,4092526	1,467981	1,526709	1,5854365	1,644164	1,702892
Re, б/р	84555,157	88078,83	91602,51	95126,189	98649,87	102173,5
λ,б/р	0,0185546	0,018366	0,018187	0,0180161	0,017853	0,017697
i, м/м	0,0020868	0,002241	0,002401	0,0025646	0,002733	0,002906
Hнач, м	301,29919	303,9267	306,6342	309,42103	312,2864	315,2295

 

Таблица 7.2.- H-Q характеристика для труб 1020×10 1 участка

Q, m3/ч	3227,5	3362	3496,5	3631	3765,5	3900
V,м/с	1,1414946	1,189064	1,236634	1,2842036	1,331773	1,379343
Re, б/р	76099,641	79270,95	82442,26	85613,57	88784,88	91956,19
λ,б/р	0,0190498	0,018856	0,018672	0,018497	0,01833	0,018169
i, м/м	0,0012651	0,001359	0,001455	0,0015548	0,001657	0,001762
Hнач, м	287,33046	288,9234	290,5648	292,25433	293,9914	295,7757

 

7) Расчетные диаметры имеют значения

8)   Подберем насос, который удовлетворяет по условиям напора 287,331 м и расхода 3227,5 м3/ч. Используя приложения, где представлены основные характеристики насосов НМ выберем те насосы, которые подходят для наших условий:

 

 

Таблица 8 Характеристики насосов

п/н	насосы	Коэф. к формуле			кав.запас, м	геод выс z, м
		а0	aj	a2
1	НМ 3600-230 1,0 Он ротор 460	303,36	2,9242E-03	-6,2727E-06	40	12
2	НМ 3600-230 1,0 Oн ротор 425	272,7	2,0424E-03	-6,0606E-06	40	12
3	НМ 3600-230 0,7 Oн	290,72	-1,5325E-02	-4,0873E-06	37	12
4	НМ 7000-210  0,5Oн	248,61	-3,5545E-02	-3,0973E-06	50	12
5	HM 3600-230 1,25Oн	324	-1,6017E-03	-5,2251E-06	45	12
6	HM 7000-210 1,0 Oн ротор 475	309,75	-6,1805E-03	-1,25E-06	60	12
7	HM 10000-10 0,7 Oн	304,44	7,4362 E-04	-2,2469E-06	50	12

 

 

 

 

Построим зависимости H-Q для насосов c учетом геометрического напора и кавитационного запаса по формуле и H-Q характеристику для участка (1).

 

 

 

 

          Рис. 5- Расчет рабочего расхода и напора по системе

На линии пересечения расходно-напорных характеристик насоса и трубопроводной системы отыщем рабочий расход и начальный полный напор. Подберем такой насос, для которого рабочий расход и начальный полный напор окажется удовлетворяющим условиям для обеспечения заданного расхода по системе.

Выбираем насос №1, рабочий расход составит 3534,3 м3/ч, напор насоса с учетом кавитационного запаса и геодезической высоты составит 290,1 м.

 

       9) Выполним поверочный расчет системы

         Построим зависимость i=f(Q) для всех участков на основании данных, которые мы рассчитали при определении предварительных диаметров по таблицам

 

Таблица 7.2 - 1 участок, диаметр 1020x10

Q, т3/ч	3227,5	3362	3496,5	3631	3765,5	3900
i, м/м	0,0012651	0,001359	0,001455	0,0015548	0,001657	0,001762

 

Таблица 6.1 - 2 участок, диаметр 426x8

Q, т3/ч	350	450	550	650	750	850
i, м/м	0,0017907	0,00278	0,003949	0,0052905	0,006796	0,00846

 

Таблица 5.2 - 3 участок, диаметр 920x10

Q, т3/ч	2477,5	2582	2686,5	2791	2895,5	3000
i, м/м	0,0013137	0,001412	0,001514	0,0016183	0,001726	0,001836

 

Таблица 4.1 - 4 участок, диаметра 530x8

Q, т3/ч	750	880	1010	1140	1270	1400
i, м/м	0,0023222	0,003072	0,003909	0,0048321	0,005837	0,006923

 

Таблица 3.1 - 5 участок, диаметр 820x10

Q, т3/ч	1550	1700	1850	2000	2150	2300
i, м/м	0,0010116	0,001189	0,001379	0,0015803	0,001794	0,002018

 

По данным таблицы построим график (см. рис. 6).

Рис.6- Величина гидравлического уклона в зависимости от расхода и линии тренда в виде полинома второй степени для трубопроводов разного диаметра

         

          Определим величину напора в конце участка (1). Начальный напор составляет 290,1 м, расход 3534,3 м3/ч. Зная значение расхода по графику рис.6 определим значение линии гидравлического уклона на (1) участке при данном расходе. Значение гидравлического уклона равно 0,00135 м/м. Определим фактическое значение полного напора в конце участка (1).

 

hK=hH-i•L=290,1-0,00135•17000=267,15 м.

На (2) участке начальный напор равен 267,15 м, а конечное давление по условию задачи равно 0,3 МПа. Определим конечный напор на участке (2).

hK=p/(p•g)+z=300000/(890•9,81)+45 =79,361 м.

Определим величину гидравлического уклона на участке (2)

i=(hн-hк)/L=(267,15-79,361)/27000=0,0069552

По графику рис.6 определим значение расхода по значению гидравлического уклона на (2) участке. Расход равен 756,7574 м3/ч. Таким образом, расход на (3) участок это разница расходов на первом и втором участке 3534,3-756,7574=2777,543 м3/ч.

Зная значение расхода по графику (рис.6) определим величину гидравлического уклона на (3) участке при данном расходе. Значение гидравлического уклона равно 0,00165 м/м. Определим фактическое значение полного напора в конце участка (3).

hK=hH-i•L=267,15-0,00165•61000=166,5 м.

На (4) участке начальный напор равен 166,5 м, а конечное давление по условию задачи равно 0,15 МПа. Определим конечный напор на участке (4).

hK=p/(p-g)+z=150000/(890•9,81)+38=55,18 м.

Определим величину гидравлического уклона на участке (4)

                      i=(hH-hк)/L=(166,5-55,18)/21000= 0,005301

По графику рис.6 определим значение расхода по значению гидравлического уклона на (4) участке. Расход равен 1212,202 м3/ч. Таким образом, расход на (5) участке это разница расходов на третьем и четверном участке 2777,543-1212,202=1565,341м3/ч.

Зная значение расхода на участке (5) по графику (рис. 3.15) определим значение величины гидравлического уклона при расходе 1565,341 м3/ч. Значение гидравлического уклона равно 0,001 м/м. Определим фактическое значение полного напора в конце участка (5).

hк= hH-i•L =166,5-0,001•31000=135,5 м.

Определим конечное давление третьего потребителя

                  p= (hK-z) •p•g=(135,5-67) •9,81•890=0,5981 МПа

Видим, что конечный напор в конце (5) участка больше заданной величины, поэтому считаем, что расчет сошелся и подбор труб выполнен верно. Результаты расчета представлены на рис.7

              Рис.7 – Результаты поверочного расчета

                   Вывод

Выполнили гидравлический расчет системы нефтеснабжения, подобрали диаметры труб системы и определили реальную величину расхода нефтепродуктов по участкам, которые по результатам расчетов составили:

1 участок- d=1020x10, Qрасч=3534,3 м3/ч, что превышает теоретическое значение Qтеор=2650 м3/ч на 884,3 м3/ч.

2 участок- d=426x8, Qрасч=756,76 м3/ч, что превышает теоретическое значение Qтеор=350 м3/ч на 406,76 м3/ч. Расчетное давление совпало с теоретическим и составило: pрасч=pтеор=0.3 Мпа.

3 участок- d=920x10, Qрасч=2777,54 м3/ч

4 участок- d=530x8, Qрасч=1212,2 м3/ч, что превышает теоретическое значение Qтеор=750 м3/ч на 462,2 м3/ч. Расчетное давление совпало с теоретическим и составило: pрасч=pтеор=0.15 Мпа.