Исследование работы трубопровода в процессе регулирования

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кубанский государственный технологический университет»

(ФГБОУ ВПО «КубГТУ»)

Армавирский механико-технологический институт

Кафедра машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовой работе по дисциплине:

«Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика»

на тему: «Исследование работы трубопровода в процессе регулирования»

 

Выполнил студент группы 11-ФАБ-НД1

Наумов Роман Николаевич

Допущен к защите 

 

Руководитель (нормоконтролер) проекта (работы)

_____________“_________” Беловодский Ю.П.

(подпись,                   дата,              расшифровка подписи)

 

Защищен _______________    Оценка ________________

(дата)

Члены комиссии _________________________________________________

                              _________________________________________________

                              _________________________________________________

(подпись,    дата,   расшифровка подписи)

 

 

2013 г.

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кубанский государственный технологический университет»

(ФГБОУ ВПО  «КубГТУ»)

Армавирский механико-технологический институт

Кафедра машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов

 

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. кафедрой  ____________

   доцент    Беловодский Ю.П.

 

ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование

вариант № Тема 3 вар. 03

 

Студенту Наумову Роману Николаевичу группы 11-ФАБ-НД1   

факультета   АМТИ  

направления  131000 Нефтегазовое дело

(код и наименование  направления)

Тема проекта (работы) Исследование работы трубопровода в процессе регулирования           

Содержание задания: 1. Подобрать насос, обеспечивающий заданную подачу Q.

2. Рассчитать минимальный  диаметр всасывающий линии установки dmin, обеспечивающий бескавитационную работу насоса. Подобрать диаметр по ГОСТу.

3. Провести мероприятия, позволяющие обеспечить заданную  подачу (1 способ – изменение характеристики  сети; 2 способ – изменение характеристики  насоса). Для каждого способа определить  рабочие параметры (HP¸QP) и эффективную мощность насосной установки.

4. Найти толщину  стенки нагнетательного трубопровода  с учетом повышения давления  при внезапной остановки перекачки.

5. Определить диаметр do диффузорного насадка 6 (H=const) при работе в заданном режиме.

 

Объем работы:

а) пояснительная записка к проекту 35 – 50  с.

б) графическая часть   1  лист формата А3

Рекомендуемая литература:

1. Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы,- M.: Машиностроение, 1982.- 422с.

2. Раинкина Л.Н. Гидромеханические расчеты трубопроводных систем с насосной подачей жидкости. Учебное пособие для выполнения курсовой работы. М.: Российский университет нефти и газа им. И. М. Губкина. 2004

3. Раинкина Л.Н. Гидромеханические расчеты трубопроводных систем с насосной подачей жидкости. Задания на курсовую работу и методические указания по её выполнению. М.: Российский университет нефти и газа им. И. М. Губкина. 2004

 

Срок выполнения работы проекта:   с “1” сентября по “ 1 ”     декабря    2013г.

Срок защиты:               декабрь     2013г.

Дата выдачи задания:       “ 26” августа  2013г.

Дата сдачи проекта на кафедру:              декабрь    2013г.

Руководитель проекта                   ____________________           доцент Беловодский Ю.П.

Задание принял студент _____________________ (Наумов Р.Н.)          26 августа  2013г.

 

Реферат

 

Курсовая работа: 32 с., 16 рис., 5 табл., 9 источников, графическая часть: 1 лист формата А3.

 

ГИДРАВЛИКА, ГИДРОНАСОС, ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИе,  РЕЖИМ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ, РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДа, ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СЕТЬ.

 

Объект исследования – гидравлическая сеть с насосной подачей жидкости.

Целью курсовой работы является расчет гидравлической сети в соответствии с заданными характеристиками.

При проведении расчета сети применяются:

• аналитический метод определения параметров бескавитационного режима работы центробежного насоса;

• графико-аналитический метод исследования совместной работы насоса и гидравлической сети;

В основной части пояснительной записки были рассчитаны и исследованы:

1. Рабочие паpаметpы (Qp-Hp) cистемы насосная станция – тpубопpовод.

2. Максимально возможный коэффициент сопротивления фильтра из условия отсутствия кавитации.

3. Определена мощность электродвигателя, приводящего в действие центробежный насос.

Спроектирована гидравлическая сеть, отвечающая заданным показателям качества.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение	5
1 Постановка задачи	6
2 Методология  выбора ЦН	8
3 Расчет  всасывающей линии насосной установки	12
4 Расчет гидравлической сети с насосной подачей	15
4.1 Регулирование подачи центробежного насоса в гидравлическую сеть	24
4.2 Регулирование подачи путем изменения частоты вращения вала насоса	25
4.3 Сравнение способов	37
5 Расчет прочности нагнетательного трубопровода	27
6 Истечение через насадки при постоянном напоре	30
Выводы	31
Список используемых источников	32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Насосы представляют собой гидравлические машины, предназначенные для преобразования механической энергии приводного двигателя в гидравлическую энергию потока жидкости. Насосы передают жидкости энергию. Жидкость, получившая энергию от насоса, поднимается на определенную высоту, перемещается на необходимое расстояние в горизонтальной плоскости, или циркулирует в какой либо замкнутой системе.

Первоначально насосы предназначались исключительно для подъёма воды. В настоящее время область их применения широка и многообразна. В нефтегазовом деле насосы применяются, например, для транспорта нефти и нефтепродуктов, в системе промывки и цементирования скважин при бурении, в системах сбора и подготовки нефти к транспорту, в системах обустройства нефтегазопромыслов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Постановка задачи

Центpобежный насос (рисунок 3) заполняет жидкостью, температура которой t , цилиндрический напорный резервуар 1. Жидкость подается из открытого водоема 3 центробежным насосом 2. Регулирование подачи насоса осуществляется с помощью крана 4.

Исходные данные пpедставлены в таблице 1.

Таблица 1- Исходные данные

№ вар.	Перекачиваемая жидкость	t	lв	lн	dн	hв	H1	H2	H3	Q	pм
		°c	м	м	мм	м	м	м	м	л/c	МПа
3	Бензин Б-70	14	15	100	150	2,0	3,0	0	1,5	40	0,015
Рисунок 1 - Схема установки 1. Подобрать насос (приложения 1¸8), обеспечивающий заданную подачу Q. 2. Рассчитать минимальный  диаметр всасывающий линии установки dmin, обеспечивающий бескавитационную работу насоса. Подобрать диаметр по ГОСТу. 3. Провести мероприятия, позволяющие обеспечить заданную  подачу (1 способ – изменение характеристики  сети; 2 способ – изменение характеристики  насоса). Для каждого способа определить  рабочие параметры (HP¸QP) и эффективную мощность насосной установки. 4. Найти толщину стенки  нагнетательного трубопровода с  учетом повышения давления при внезапной остановки перекачки. 5. Определить диаметр do диффузорного насадка 6 (H=const) при работе в заданном режиме. Указания: 1. Насос выбирается из  приложения так, чтобы заданная  производительность попадала в  рабочий режим. 2. Всасывающая и нагнетательная  линии трубопровода изготовлены  из новых стальных труб. 3. Физические свойства  перекачиваемой жидкости определяются  из приложений. 4. При расчетах учесть потери  напора во всех местных сопротивлениях. Величина коэффициентов местных  сопротивлений определяется из  приложения 17.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Методология выбора ЦН

Некоторые сведения о насосах:

По принципу действия насосы подразделяют на гидродинамические и  объемные.

Центробежные   насосы. Из гидродинамических насосов на практике чаще всего используется центробежный насос, схема которого представлена на рисунке 3.

1 - подвод, 2 - рабочее колесо, a - задний (ведущий) диск рабочего колеса, б - передний (ведомый) диск рабочего колеса, в - лопатки рабочего колеса, 3 - спиральная камера (отвод), 4 - диффузор.

Рисунок 3 - Схема центробежного насоса.

Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов - подвода 1, рабочего колеса 2 и спиральной камеры 3. По подводу жидкость подается в насос из подводящего (всасывающего) трубопровода.

Рабочее колесо 2 состоит из заднего а и переднего б дисков, между которыми находятся криволинейные лопатки в, изогнутые, как правило, в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Ведущим задним диском рабочее колесо крепится на валу. Жидкость движется через колесо из центральной его части к периферии и, далее, по отводу 3 отводится к напорному патрубку.

При вращении рабочего колеса появляется центробежная сила, которая отбрасывает жидкость от центра к периферии, освобождая при этом объём на входе в насос. Увеличение объёма приводит к понижению давления в жидкости (вспомним: давление - напряжение сжатия, сжатие жидкости уменьшается - давление падает). Создается разность давлений между уровнем жидкости в приемном резервуаре и входом в насос и непрерывное движение жидкости через насос.

Назначение рабочего колеса 2 - передача жидкости энергии от приводного двигателя.

Механическая энергия, подводимая к валу насоса от приводного двигателя, преодолевает момент реактивных сил со стороны жидкости и приводит колесо во вращение. Лопатки рабочего колеса насоса при своем вращении оказывают силовое воздействие на жидкость, в результате чего растет давление в ней и происходит движение жидкости с расходом Q. При этом, согласно закону сохранения энергии, механическая энергия приводного двигателя превращается в  гидравлическую энергию потока жидкости.

1 - насос, 2 - всасывающий трубопровод, 3 - нагнетательный трубопровод, 4 - вакуумметр, 5 - манометр, 6 - регулировочный вентиль (кран), 7 - обратный клапан, А - приёмный резервуар, Б - напорный резервуар.

Рисунок 4 - Трубопровод с насосной подачей жидкости.

Насос является источником энергии, необходимой для перемещения жидкости в гидравлической сети. На рис.4 изображена система, в которой жидкость поступает в насос через обратный клапан 7 из открытого приёмного резервуара А, расположенного ниже оси установки насоса. При этом давление на входе в насос меньше атмосферного. Разность атмосферного давления и абсолютного давления (величину рv ) фиксирует вакуумметр 4. При движении через насос давление жидкости увеличивается и на выходе из насоса становится больше атмосферного. Разность абсолютного давления на выходе из насоса и атмосферного давления (величину рм) фиксирует манометр 5.

При прохождении через насос гидравлическая энергия жидкости увеличивается, и за счет этого жидкость поднимается на высоту ho, преодолевая противодавление рмо в напорном резервуаре Б и гидравлические сопротивления в системе.

Центробежные насосы не обладают свойством самовсасывания, поэтому перед пуском насос и весь подводящий трубопровод заполняют жидкостью. Обратный клапан 7 при этом должен быть закрыт. При остановке насоса обратный клапан также закрывается, и система остаётся заполненной жидкостью.

Основные параметры работы насоса.   Напор насоса H равен разности удельных энергий на выходе и на входе в насос (рисунок 5).

Рисунок 5 - Иллюстрация к определению напора насоса.

Согласно уравнению Бернулли, записанному для сечений 1-1 и 2-2, напор насоса равен:

.

(1)

 

В частном случае, когда z2= z1, J2= J1 (если d2= d1 ), вместо (1) получаем:

(2)

 

Абсолютное давление на выходе из насоса р2 и на входе р1 выразим через показания приборов:

р2 = рат + рм ;

р1  = рат  - рv .

Тогда напор насоса определится через показания приборов следующим образом:

.

(3)

 

          Часто манометрическое давление по крайней мере на порядок (в 10 раз) больше вакуумметрического давления (давление pv не может быть больше одной атмосферы или 0,1 МПа). В тех случаях, когда pм >> pv, напор насоса можно определять так:

(4)

 

Гидравлическая мощность потока жидкости на выходе из насоса (полезная мощность):

Nпол =r·g·H× Q×t/t==r·g·H× Q,

(5)

 

где t - время, r·g·Q ×t =G- вес жидкости, прошедшей через насос,

G×H - энергия, G×H/t - мощность.

Чтобы подобрать двигатель для привода насоса, необходимо знать мощность на его валу:

Nв =Nпол./hн ,

(6)

 

где  hн - коэффициент полезного действия насоса.

С другой стороны, коэффициент полезного действия насоса равен:

h=hо× hг× hмех.

(7)

 

 hо  - объемный к.п.д. насоса, учитывает утечки жидкости через неплотности и сальники, а также перетоки из напорной магистрали во всасывающую через зазоры в уплотнениях.

hо =Q/Qт,

где Q - действительная подача насоса, а Qт - теоретическая подача (без учета утечек).

 hг  - гидравлический к.п.д. , учитывает потери напора на преодоление сил трения при движении жидкости в проточной части насоса;

hмех - механический к.п.д., учитывает потери напора на преодоление сил трения в подшипниках и уплотнениях вала при его вращении.

Напорная характеристика насоса.  Зависимость давления на выходе из насоса от подачи при постоянной частоте вращения вала называется напорной характеристикой  насоса.

H = f(Q).

 

Подачу центробежного насоса можно определить как произведение радиальной составляющей скорости движения жидкости в межлопаточном канале на площадь сечения потока, перпендикулярную к ней:

Q = JR×p×D×b,

 

где p×D×b - боковая поверхность цилиндра, D- наружный диаметр рабочего колеса, b - ширина колеса. Здесь не учитывается уменьшение сечения за счет толщины лопаток и утечки.

При увеличении степени закрытия крана 6 на напорном трубопроводе (рисунок 4) сопротивление движению жидкости возрастает. Это приводит к увеличению давления на выходе из насоса и, следовательно, его напора. Поскольку выход из насоса и вход в него постоянно соединены между собой через межлопаточные каналы (рис.3), поток жидкости на входе "почувствует" увеличение давления на выходе и отреагирует изменением угла входа потока в межлопаточный канал, при этом радиальная составляющая скорости и, следовательно, подача насоса уменьшается.

Ввиду сложности гидродинамических процессов, происходящих при работе центробежного насоса, получить аналитическую зависимость напора насоса от его подачи не представляется возможным. На практике напорную характеристику насоса получают непосредственно в заводских условиях и приводят её в паспортных данных насоса в виде графика или таблицы. Там же приводится и зависимость  к. п. д. насоса от подачи.

Характеристика  центробежного насоса 6НК, при n=1450 об/мин. приведенена на рисунке 2.

 

Выбираем насос из приложения 1-8, обеспечивающий заданную подачу Q=40×10-3м3/с и при котором к.п.д. насоса близок к максимальному значению.

Исходные данные представлены в таблице 1.

DQ - область номинальных подач при работе насоса, где к.п.д. близок к максимальному.

Рисунок 2 - Характеристика центробежного насоса 6НК, при n=1450 об/мин.   

 

3 Расчет всасывающей линии насосной установки

В большинстве практических случаев жидкость поступает в насос из резервуара, расположенного ниже оси установки насоса.

Запишем уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 относительно плоскости сравнения 0-0, преобразуем его в соответствии с данной задачей и определим давление на входе в насос:

 

z1 =0;    p1 =pат ;      J1 »0;     J2 =Q/wтр ; z2 =hвс; wтр=pd2/4;

 

(26)

 

      Анализ уравнения  показывает, что абсолютное давление на входе в насос меньше атмосферного, и при некоторых значениях параметров Q, hвс и d его величина может стать равной нулю и даже принимает отрицательное значение. Возможны ли такие ситуации в реальной жизни?  Нет!

Минимально возможное давление в жидкости равно давлению насыщенного пара, то есть тому давлению, при котором жидкость начинает кипеть. Давление насыщенного пара зависит от рода жидкости и температуры .

Рисунок 7 - Зависимость давления насыщенного пара бензина от температуры

  Явление кипения жидкости при давлениях меньших атмосферного и нормальных температурах (10°, 20°,30°,.....), сопровождающееся схлопыванием пузырьков пара в областях повышенного давления, называется кавитацией.

Пузырьки пара, выделяющиеся при кавитации, разрывают межмолекулярные связи, поток жидкости при этом теряет сплошность, столб жидкости во всасывающем трубопроводе отрывается от насоса и процесс всасывания прекращается. Кроме того, пузырьки пара, попадая вместе с жидкостью внутрь насоса, где давление больше давления насыщенного пара, лопаются. При схлопывании пузырька на твердой поверхности жидкость, устремившаяся в освободившееся пространство, останавливается. При этом ее кинетическая энергия превращается в потенциальную и происходят местные гидравлические удары. Это явление сопровождается существенным ростом давления и температуры и приводит к разрушению материала поверхности. В инженерной практике существует правило: Не допускать кавитации!Для этого необходимо, чтобы в сечениях потока, где давление меньше атмосферного, было выдержано условие: 

Давление в жидкости больше давления насыщенного пара (р > pн.п). Это условие отсутствия кавитации.

Определим минимальный диаметр всасывающего трубопровода из условия отсутствия кавитации.

Последовательность решения задачи

Минимальный диаметр определяем из условия, что даавление в сечении 2-2 равно давлению насыщенного пара. Тогда уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 имеет вид:

(33)

 

 Преобразуем уравнение  Бернулли  следующим образом: в левой части сгруппируем слагаемые, не зависящие от диаметра, а в правой части - зависящие от диаметра.

(34)

 

Задача заключается в определении диаметра из уравнения (34). Поскольку при разных значениях диаметра может быть различный режим движения в трубопроводе (Re=J×d×/n), и коэффициент гидравлического трения l зависит от диаметра сложным образом: l=64/Re при ламинарном режиме и  l =0,11×(68/Re+ Dэ /d)0,25  при турбулентном режиме, уравнение (34) в общем случае является трансцендентным. Трансцендентным называется уравнение, которое не решается алгебраическими методами. Такие уравнения решаются графическим способом или численными методами с помощью ЭВМ.

 Графический метод решения уравнения (34).

Обозначим:

 

Задается несколькими значениями диаметра d, вычисляем значение функции f (d) и строим график этой функции. Далее определяем диаметр в точке пересечения графика функции с осью х.

Вычисления выполнены с помощью Microsoft Excel

Таблица 2 - Определение минимального диаметра всасывающего трубопровода

Q	40	40	40	40	40	40
d, мм	40	80	120	160	200	240
Re	1,75E+06	8,73E+05	5,82E+05	4,36E+05	3,49E+05	2,91E+05
l	0,020843	0,017911	0,016718	0,016182	0,015975	0,015951
f(d)	600,2271	23,3856	3,825174	1,096863	0,423395	0,19631
левая часть	10,17	10,17	10,17	10,17	10,17	10,17

 

 

Рисунок 8 - Определение минимального диаметра всасывающего трубопровода

На пересечении графика функции f(d) с расчетным значением этой функции

числом 10,17 получаем точку, абсцисса которой равна 166 мм. Это и есть ис-

комое минимальное значение диаметра трубопровода из условия отсутствия кавитации: dmin = 96 мм.

Увеличиваем диаметр всасывающего трубопровода до ближайшего большего по Госту. Принимаем d=106 мм (Приложение 7).

 

4 Расчет гидравлической сети с насосной подачей

Рабочая точка насоса -это точка пересечения характеристики насоса с характеристикой гидравлической сети.

Характеристика гидравлической сети - зависимость удельной энергии (напора), необходимой для перемещения жидкости в данной системе, от расхода жидкости в ней.

Уравнение гидравлической сети выражает закон сохранения энергии для начального и конечного сечений гидравлической системы. Энергия, которую необходимо передать жидкости, записывается при этом в левую часть уравнения в виде потребного напора Hпотр.

Характеристику гидравлической сети часто называют кривой потребного напора.

 

 Рисунок 6 - Иллюстрация включения насоса в гидравлическую сеть

Для любой насосной трубопроводной системы закон сохранения энергии имеет вид:

eн + Hпотр = eк + hн-к ,

(11)

 

где eн - удельная (на единицу веса) энергия жидкости в начальном сечении н-н , eк - удельная (на единицу веса) энергия жидкости в конечном сечении к-к , Hпотр- потребный напор насоса, а hн-к - потери удельной энергии на преодоление гидравлических сопротивлений.

Чтобы получить уравнение гидравлической сети, необходимо:

1). Выбрать сечения для составления уравнения сети и горизонтальную плоскость О - О  отсчета величин z, которую удобно совместить с начальным сечением;

2).Записать закон сохранения  энергии (11), раскрывая содержание  энергий eн и eк по уравнению Бернулли:

;

(12)

 

3). Из уравнения (12) определить  потребный напор насоса

;

(13)

 

4). Раскрыть содержание  слагаемых уравнения (13) для данной  гидравлической системы. Здесь:

zн, pн, Jн- соответственно вертикальная отметка относительно плоскости 0-0, абсолютное давление и средняя скорость в начальном сечении потока, а zк, pк, Jк -то же в конечном сечении. Если сечение расположено ниже плоскости 0-0, отметка z берется со знаком минус.

Потери энергии hн-к  представляют собой сумму потерь энергии на трение по длине и местных гидравлических сопротивлений:

(14)

 

 где J- скорость движения жидкости в трубопроводе, коэффициенты местных сопротивлений xi определяются по справочным данным, а коэффициент гидравлического трения l по следующим формулам:

l=64/Re	- ламинарный режим	(15)
l=0,11(68/Re+Dэ/d)0,25	- турбулентный режим	(16)

 

5). Выразить скорости движения  и число Re  через расход жидкости:

Jн=Q/wн , Jк=Q/wк , J=Q/wтр,   Re=4Q/pdn,

(17)

 

где wн , wк, wтр - площади соответствующих сечений потока, d- диаметр трубопровода, а n- кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Результат выполнения пунктов 4 и 5, имеет вид:

.

(18)

 

6). Анализируем уравнение (18). Поскольку площади начального  и конечного сечений много  больше площади сечения трубопровода, первыми двумя слагаемыми в  скобках уравнения (18) можно пренебречь. Тогда:

.

(19)

 

7). Изображаем уравнение  сети (19) на том же графике, что  и напорная характеристика насоса  и находим точку их пересечения.

 Для построения характеристики сети задаемся значениями расхода Q в диапазоне подач насоса, начиная от нуля, подставляем эти значения в уравнение (19) и определяем H. При решении задачи в общем виде (без численных значений), характеристику сети проводим качественно, по виду функции (19).

Рисунок 9 - Определение рабочей точки насоса.

 

В нашем случае при Q=0, H=h (допустим 7 м, рисунок 9). Далее, при увеличении расхода Q до Qкр имеет место ламинарный режим движения в трубе, коэффициент трения l обратно пропорционален расходу ( определяется по формуле (15)). При этом в уравнении (19) первое слагаемое справа (h)- постоянно, второе слагаемое (потери по длине) пропорционально Q в первой степени, в третье слагаемое (местные потери) пропорционально Q2. В итоге характеристика сети имеет вид параболы.

 На пересечении характеристик насоса и сети определяется точка, в которой напор насоса равен потребному. Это и есть рабочая точка насоса в данной гидравлической сети. Её координаты - Hн и Qн.