Расчет всасывающей линии насоса

 

Оглавление

 

 

Введение1

Теоретическая часть2

Местные гидравлические сопротивления3

Расчет линии всасывания5

Содержание работы8

Расчетная часть9

1.1Определение плотности нефти9

1.2Определение вязкости нефти9

1.3Уравнение Бернулли10

1.4Сопротивления в трубопроводе11

1.5Давление столба нефти13

1.6Расход жидкости13

2.Изменение расхода при изменении температуры14

3.Изменение расхода при отложениях на стенках трубопровода14

4.Изменение расхода при изменении уровня нефти15

5.Изменение расхода при закрытии задвижки в 2 раза15

6.Изменение давления в резервуаре для поддержки напора15

7.Изменение давления на входе в насос16

Заключение17

Литература18

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

В нефтегазовой промышленности уже не обойтись без насосных установок. С помощью них транспортируют ресурсы для потребления и переработки.

Задача моей курсовой работы на сегодняшний день довольна актуальна. На нефтехранилищах нефть хранят в больших резервуарах находящихся на земле или уходящих под землю. Главной задачей инженеров для данных устройств правильно рассчитать напор и его потери, а так же оценить давления, как в резервуаре, так и перед насосом, учитывая все нюансы данной конструкции.

В этой курсовой работе я  постараюсь произвести расчет напора во всасывающей линии насоса, а  так же проанализировать полученные результаты, и изучить изменение параметров напора при изменении всасывающей линии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теоретическая часть.

Местные гидравлические сопротивления.

Для расчета трубопроводов  используется уравнение Бернулли.

,

где величина является характеристикой потерь механической энергии при течении жидкости. Для несжимаемой жидкости эти потери связаны с превращением механической энергии потока в тепло за счет работы  внутренних сил вязкого трения. Подчеркнем, что работа сил трения на внутренней поверхности трубы равна нулю, так как в силу условий прилипания равна нулю скорость частиц жидкости на этой поверхности. Следовательно, диссипация механической энергии происходит только внутри объема движущейся жидкости.

При движении жидкости в цилиндрической трубе постоянного диаметра потери механической энергии (потери напора на трении) определяются по формуле Дарси –Вейсбаха.

в которой коэффициент  гидравлического сопротивления  зависит в общем случае от числа Рейнольдса и от относительной шероховатости внутренней поверхности трубы.

 

Если  то коэффициент зависит только от числа Ренйнольдса и не зависит от шероховатости внутренней поверхности трубы.

Если  то .

Если  или даже в более широком диапазоне используется формула Блазиуса .

Трубы из цветных металлов, пластмассовые и стеклянные трубы могу считаться гидравлически гладкими практически во всем диапазоне чисел Re, а технические трубы – до значений , как это принято в большинстве экспериментов. В данном диапазоне чисел Рейнольдса потери напора пропорциональны средней скорости течения в степени 1,75

.

В переходной области, где  турбулентное течение сформировалось не полностью 2320<Re<6000 (3.37<lgRe<3.78) для расчета можно воспользоваться формулой Л.А. Вулиса-И.П. Гинзбурга:

.

в которой коэффициент  , называют коэффициентом перемежаемости.

Если Re>30000-40000 (lgRe>4.48÷4.60), то в этой области начинает проявляться шероховатость внутренних поверхности труб и при одних и тех же числах Рейнольдса, коэффициент имеет различные значения для труб с разной шероховатостью. В этой области зависит как от числа Re, так и от . Наиболее удобной формулой для вычисления является формула А.Д. Альтшуля

 

которая при малых значениях  переходит в формулу Блазиуса. Так же можно пользоваться формулой Н.З. Френкеля:

Так же есть область, где  перестают сказываться числа Рейнольдса и все определяется лишь состоянием внутренней поверхности трубы, т.е. ее шероховатостью. В этой области вычисляется по формуле И.И Никурадзе

 

или по формуле Б.Л. Шифринсона

 

 

Однако структура ламинарного  и турбулентного потока существенно  нарушается в тех местах трубопровода, где имеются различного рода местные препятствия, например, внезапное сужение или расширение трубы, резкий поворот, задвижка, кран и т.д.

Эти препятствия способствуют дополнительному вихреобразованию, отрыву вихрей и образованию застойных зон. Поэтому при расчете трубопровода к потерям энергии по длине потока, необходимо добавить потери, которые в гидравлике называются потерями напора на местные сопротивления или местными потерями напора и обозначаются .

Потери напора на местные  сопротивления  , так же как и потери напора на трение , имеют размерность длины.  Их можно высчитать по формуле

,

где - безразмерный коэффициент, называемый коэффициентом местного сопротивления.

Данные о коэффициентах  местных сопротивлений различного вида необходимы для выполнения всевозможных гидравлических расчетов в самых разных областях техники, поэтому существует ряд фундаментальных справочников, которые содержат такие данные.

Расчет линии  всасывания.

Для расчета линии всасывания, расположенной между сечениями 1-1 и 2-2 уравнение Бернулли имеет вид:

,

где - длина и диаметра линии всасывания; - коэффициент ее гидравлического сопротивления: - коэффициент i-го местного сопротивления, имеющегося в этой линии (например, всасывающие коробки К, фильтра, поворотного колена, полуприкрытые заслонки и т.п.)

Пологая, что , и пренебрегая скоростным напором в сечении 1-1( ), получаем:

Если расход  Q жидкости задан, т.е. известна скорость течения, то уравнение позволяет вычислить давление непосредственно перед наосом, в том числе, существующий вакуум:

.

Линия всасывания может работать, если , т.е. если давление в сечение 2-2 больше давления насыщенных паров жидкости. Это должно препятствовать вскипанию жидкости из-за уменьшения давления. Проверка этого условия равносильна проверке выполнения неравенства

Из этого равенства  видно, что если имеет слишком большое значения, то неравенство будет нарушено, и давление в сечении 2-2 окажется меньше давления насыщенных паров жидкости. Следовательно, если насос установлен слишком высоко над уровнем жидкости в колодце, то жидкость к такому насосу подаваться не будет. Например, для воды

 первая часть неравенства  дает:

.

Это означает, что насос на высоте большей, чем 10 м над уровнем воды в колодце устанавливать нельзя. На самом деле высота должна быть еще меньше, потому что в линии всасывания существует потеря напора , которая может составлять несколько метров, тем больше, чем больше расход жидкости Q.

Кроме того, для нормальной работы целого ряда насосов требуется так называемый кавитационный запас . Если жидкость движется вдоль профилированной лопатки центробежного насоса, то давление в некоторых точках лопатки может уменьшиться до значения давления насыщенных паров, в результате чего жидкость вскипит. Кавитацией называется явление образования пузырьков, заполненных паром, при уменьшении давления в жидкости. Образовавшиеся пузырьки попадают затем в область высокого давления и там схлопываются, причем в момент схлопывания развивается огромное точечное давление, которое как удар действует на элементы проточной части насоса, разрушая их. Кавитации противодействуют тем, что увеличивают давление на входе в насос на величину , поэтому давление на входе в насос должно быть больше . Отметим, что величина допустимого вакуума зависит также от температуры жидкости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание  работы

На рисунке представлена схема всасывания насоса. Даны: геометрические размеры этой схемы, свойства жидкости при  температуре     t₀ = 0 ^оC. Оценить расход и всасывающую способность насоса, если давление на входе не должно опускаться ниже р = 20 кПа. При расчетах учесть местные сопротивления: 2 задвижки, расширение трубы, 2 поворота. Трубы стальные бесшовные новые.

1. Найти расход в трубопроводе, рассчитав предварительно физические свойства нефти при заданной температуре.
2. Как изменится расход в трубопроводе, если температура нефти возрастает до 25 С^о?
3. Как изменится по пункту 1 расход в трубопроводе, если в трубах образуются отложения?
4. Как изменится расход в системе, если для пункта 3 уровень нефти в резервуаре z₁, упадет в 2 раза?
5. Как изменится расход в системе, если для случая 4 задвижка на входе в насос будет прикрыта в 2 раза?
6. Какое нужно установить давление Р₀, чтобы при расходе по пункту 5 задвижку на входе прикрыть в 5 раз?
7. Как изменится на входе в насос давление, если расход по пунктам 1, 2, 3 увеличить на 30 %?

 

 

Расчетная часть

1.Нахождение расхода в трубопроводе. И предварительный расчет физических свойств нефти при температуре t=30 °.

 

Данные:

L₁=500 м.

L₂=200 м.

d₁=0.25 м.   

d₂=0.2 м.

z₁=3 м.

z₂=2 м.

p₀*10^-5=1.4 Па.

=0,5 м²*с.

t = 30° C

Состояние труб – средние

 

 

1.1 Определим  плотность нефти при температуре 30°. Для определения плотности нефти воспользуемся формулой 

  (1)

где, - номинальная плотность при номинальной температуре , - коэффициент объемного расширения. Значения коэффициента приведены в таблице. Подставляя значения в формулу, получаем

 

1.2 Определяем  вязкость нефти при температуре  30°. 

Для того, чтобы рассчитать вязкость нужно воспользоваться формулой О. Рейнольдса - П.А. Филонова

, где 

-кинематическая вязкость жидкости  при температуре 

k- опытный коэффициент. который равен

 

 

Так как в данной работе у меня нет еще одного значения вязкости при другой температуре, рассчитать вязкость по этой формуле я не могу, поэтому берем табличное значение кинематической вязкости нефти при  температуре t=30° С, равный

 

1.3 Составим  уравнение Бернулли для сечения  2-2 и 0-0.

Расход жидкости вычислим по формуле 

Скорость  (до сужения трубопровода) связана со скоростью (после сужения) отношением:

.

 

В данной задаче: геометрический напор в сечении 0-0 примем равным нулю, - безразмерные коэффициенты Кориолиса, учитывающие неравномерность распределения скоростей потока по сечению трубы, равные 1 при турбулентном течении жидкости. Давление . Подставляем все данные в исходное уравнение Бернулли, получаем:

 

 

 

1.4 Подсчет  сопротивлений.

Коэффициенты потери напора

	0,5
	0,23
	0,15

Сопротивление на входе в насос:

 

Сопротивление на изгибе трубы. Учтем что в поставленной задаче два одинаковых изгиба, имеем:

Сопротивление на 1 задвижке:

Сопротивление на 2 задвижке:

 

Потери напора при сужении трубопровода. Чтобы посчитать потери напора на сужении, нужно сначала посчитать коэффициент потерь при сужении, он равен , тогда потери равняются:

Для расчета потерь напора на преодоление сил трения при движении жидкости по длине трубопроводе воспользуемся формулой: .

Чтобы определить коэффициент гидравлического сопротивления найдем число Рейнольдса для двух участков трубопровода по формуле: , где - скорость на i участке трубопровода, - диаметр i участка трубопровода, - кинематическая вязкость.

 

Число Рейнольдса для первого и второго участка лежит в интервале Re>30000-40000, тогда для определения коэффициента потери напора по длине используем формулу А.Д. Альтшуля:

 

Для труб среднего состояния 

Посчитаем коэффициенты гидравлического  сопротивления:

Подставим значения коэффициентов  в формулу сопротивления, получим:

 

1.5 Давление  столба нефти.

Посчитаем давление, которое  создает столб нефти в резервуаре:

 

1.6 Расход жидкости.

Найденные значения потерь напора и найденное давление столба нефти подставляем в уравнение Бернулли, и находим расход жидкости.

 

 

Решаем это уравнение  с помощью программы Mathcad, получаем Q=0.0341м³/с.

.

2. Как измениться расход в трубопроводе, если температура нефти возрастет до 25С°?

Вязкость жидкости при 25С° будет равняться  м²/с. Числа Рейнольдса станут равняться и . Коэффициенты потери напора станут равняться и . Подставив новые значения в уравнение и решив его получим изменение расхода на одну миллионную в меньшую сторону. Для сравнения Q_{при t=30}=0,034122 м³/с, а Q_{при t=25}=0,034121 м³/с.

 

3.Как  измениться по пункту 1 расход в трубопроводе, если в трубах образуются отложения?

При образовании отложений  на стенках трубопровода (средняя высота выступов шероховатости) увеличится =0,3 , следовательно, относительная эквивалентная шероховатость по формуле , тоже увеличиться. Тогда коэффициенты потери напора по длине увеличатся, и станут равняться:

и , а расход уменьшиться до значения Q=0.0304 м³/с.

 

4.Как  измениться расход в системе,  если для пункта 3 уровень нефти  в резервуаре  , упадет в 2 раза.

Если упадет уровень нефти, то давление в резервуаре станет:

отношение первоначального  давления и давления после изменения  уровня нефти:

 

То есть первый член в  уравнении Бернулли станет в 1,08 раз  меньше. Тогда расход станет меньше и станет равняться:

 

 

Решаем это уравнение  в Mathcad и получаем Q=0.0290 м³/с.

 

5.Как  измениться расход в системе,  если для случая 4 задвижка на  входе в насос будет прикрыта  в 2 раза.

При закрытии задвижки перед  насосом в 2 раза, изменяется коэффициент  потери напора. При полностью открытой задвижке , а при закрытой в 2 раза . То есть потери напора на задвижке возрастут в . При этом увеличится сумма потерь напора на местных сопротивлениях. Но это незначительно скажется на расходе. С учетом новых данных получим:

Решая уравнение в Mathcad получаем, Q=0.0289 м³/с 

6.Какое  нужно установить давление P₀, чтобы при расходе по пункту 5 задвижку на входе прикрыть в 5 раз?

При закрытии задвижки в 5 раз  коэффициент потери напора становиться  равным , при этом потери напора на задвижке . Составим уравнение Бурнулли с новыми значениями.

Решая уравнение, получаем, что нужно установить давление равное p₀=1.52*10⁵ Па.

 

7.Как  измениться на входе в насос  давление, если расход по пунктам  1, 2, 3 увеличиться на 30%?

При увеличении напора на 30% по пунктам 1,2,3 приблизительно напор  будет лежать в интервале Q_1,2,3 0,04÷0,044. При увеличении расхода увеличивается величина напора, а, следовательно, и увеличивается давление на входе в насос. Ниже представлена характеристика трубопроводной системы, на которой наглядно видна зависимость напора от расхода.

 

Заключение

 

Полученные результаты позволяют  определить расход нефтепродуктов в  зависимости от параметров гидравлической системы и физических свойств  жидкости. Проанализировать давление в резервуаре с нефтью в зависимости  от заданных параметров гидравлической системы. 

В расчетах данной работы все  полученные результаты поддаются основным законам гидравлики и могут  частично или полностью применяться в проектировании подобных систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

 

1. М.В. Лурье, И.М. Астрахан, В.В. Кадет «Гидравлика и ее приложения в нефтегазовом производстве» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2010.
2. Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т., Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Высшая школа, 1985.
3. В. В. Вакина, И. Д. Денисенко, А. Л. Столяров «Машиностроительная гидравлика» Примеры расчетов. Головное изд-во, 1986..
4. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1975