Технологический расчет трубопроводов  при

проектировании

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Самара 2005

Введение

    Технологический расчет трубопровода (ТРТ) выполняется при проектировании трубопроводов для определения параметров:

    трубы: диаметр и толщина стенки с  учетом прочностных характеристик  металла;

    перекачивающих  агрегатов, обеспечивающих транспортировку заданного (планового) объема продукта с учетом его физических свойств на заданное расстояние с учетом высотных отметок начала и конца трубопровода.

    Получаемые  в процессе расчета величины уточняются выбором из нормализованного ряда стандартных значений, а расчетные потери напора в трубопроводе при транспортировке продукта сравниваются с напором, развиваемым перекачивающими станциями.

    Естественно, что ТРТ заканчивается, когда  вышеуказанные величины равны между  собой (допустимое отличие 1%), однако, на практике, первый «проход» не приводит к равенству и ТРТ дополняется:

либо  расчетом длины лупинга или вставки  трубы другого диаметра;

либо  расчетом обрезки рабочих колес  перекачивающих агрегатов.

Общий алгоритм ТРТ выглядит так: 

 

 
 

1. Исходные данные для технологического расчета

    трубопровода

    Исходные  данные подразделяются на основные, без  которых ТРТ вообще невозможен, и  вспомогательные, накладывающие дополнительные условия (ограничения) на производимый расчет.

    К основным относятся:

расчетная длина трубопровода;

    геодезические отметки конечного и начального пунктов трубопровода;

    необходимый остаточный напор на конечном пункте трубопровода;

    планируемый годовой объем перекачки продукта по трубопроводу;

    расчетная температура перекачиваемого продукта;

    физические  свойства перекачиваемого продукта: плотность и вязкость.

    Используемые  константы: ускорение свободного падения  g = 9,81 м/с²; число π = 3,14.

    К вспомогательным относятся:

    допустимое  давление, развиваемое перекачивающей станцией, исходя из прочностных  свойств  корпуса  насоса  и  запорной  арматуры  (по  умолчанию равно 7,4 МПа);

    число эксплуатационных участков, под которыми подразумеваются участки, расположенные  между резервуарными парками. Промежуточные станции, имеющие в своем составе резервуарные парки, обычно являются конечными пунктами для предыдущего участка трубопровода и головными станциями для последующего участка трубопровода (по умолчанию равно 1);

    расчетное время работы трубопровода (по умолчанию равно 350 сут/год);

    рекомендуемое количество последовательно работающих магистральных насосов (по умолчанию  равно 3);

    механические  характеристики трубных сталей (табл. П 1.1, прил.1);

    сведения   о   насосах,   используемых   на   перекачивающих   станциях

(табл. П 1.2, прил. 1);

    рабочие  характеристики  Q-H  насосов (приложение 3).

    Значения  плотности и вязкости транспортируемого  продукта, отражаемые в исходных данных и взятые из паспортных (или справочных) данных, приводятся при каких-то стандартных температурах, как правило, 15°С, 20°С и т.п.

    Для ТРТ необходимо пересчитать эти  значения для расчетной температуры, которая либо определяется заданием, либо принимается равной среднемесячной температуре грунта самого холодного  месяца на уровне оси подземного трубопровода.

    Расчетное значение плотности ρ_р, кг/м³ и кинематической вязкости продукта ν_p, м²/с определяются по известным формулам:

                              ρ_р = ρ_з - (1,825 - 0,001315×ρ_з)×(t_p - t_з) ,   (1.1)

где ρ_з – заданная плотность при заданной температуре t_з, °С;

      ρ_р – расчетная плотность продукта при расчетной температуре t_p, °С.

                              lglg(ν_p + 0,8) = a + в×lg T_p ,    (1.2)

где ν_p – расчетная кинематическая вязкость продукта (в сСт) при расчетной температуре Т_р, °К, в свою очередь определяемой из соотношения

                              Т_р = 273 + t_p ,      (1.3)

      а  и в – коэффициенты, определяемые из системы уравнений

                              а = lglg(ν₁ + 0,8)-в×lg·T₁ ,

                               ,      (1.4)

где ν₁ и ν₂ – заданные значения кинематической вязкости продукта (в сСт) при заданной температуре t₁ и t₂ (°С).

 

2. Последовательность технологического

    расчета трубопровода

      2.1. Расчетная пропускная способность  трубопровода определяется, исходя  из заданного годового времени  работы трубопровода и годового  планового задания по перекачке

                                м³/час или м³/с , (2.1)

где  G_т – заданный массовый годовой план перекачки, кг;

      ρ_р – расчетная плотность продукта, кг/м³;

      Ч – заданное время работы трубопровода в году, ч.

    2.2. Расчетное значение внутреннего диаметра трубопровода

                               , м,      (2.2)

где W_р – рекомендуемая расчетная скорость перекачки, м/с, определяемая из графика на рис. 2.1. 

 
 

                  Рис. 2.1. Зависимость рекомендуемой скорости перекачки

                        от пропускной способности трубопровода

      По  расчетному значению D_р принимается ближайшее в большую сторону значение наружного диаметра трубы D_н из стандартного ряда (см. табл. П 1.1, прил. 1).

      2.3. Магистральные и подпорные насосы  перекачивающих станций выбираются, исходя из выполнения условия

Q_min ≤ Q^ч_р ≤ Q_max ,      (2.3)

где Q_min, Q_max – соответственно нижняя и верхняя границы рабочего диапазона производительности насоса (см. табл. П 1.2, прил. 1).

      2.4. Рабочее давление, развиваемое перекачивающей  станцией при последовательном соединении насосов

Р = ρ_рg(m_p×h_м + h_n)×10^-6 ≤ {Р} , МПа ,   (2.4)

где h_м, h_n – соответственно напор, м, развиваемый магистральным и подпорным насосами при расчетной подаче Q^ч_р и определяемый по рабочим характеристикам насосов (см. прил. 2);

 

 m_р – число последовательно работающих магистральных насосов;

      {Р}  – допустимое давление на выходе перекачивающей станции, исходя из прочности корпуса насоса или запорной арматуры.

    2.5. Расчетная толщина стенки трубы,  исходя из выбранного материала

                                   , м,     (2.5)

где n – коэффициент надежности по нагрузке (рабочему давлению): для труб диаметром от 720 до 1220 мм принято n = 1,15;

      R₁ – расчетное сопротивление металла трубы, определяемое из соотношения

                                     , МПа,     (2.6)

где  σ_в – предел прочности металла трубы, МПа;

      m_у – коэффициент условий работы трубопровода, зависящий от его кате-гории: для подземных магистральных нефтепродуктопроводов принято m = 0,9;

      К₁ – коэффициент надежности по материалу: для сварных труб из горячекатанной   и   нормализованной   низколегированной   стали   принято   К₁ = 1,47;

      К_н – коэффициент надежности по назначению трубопровода:

      - для нефтепроводов диаметром  1020 мм и менее принято К_н = 1,0;

      - для нефтепровода диаметром 1220 мм принято К_н = 1,05.

      Вычисленное значение толщины стенки трубы  δ_р округляется в большую сторону до ближайшего стандартного значения δ (см. табл. П 1.1, прил. 1).

      2.6. Внутренний диаметр трубопровода

                              D = D_н - 2δ , м.     (2.7)

    2.7. Фактическая скорость перекачки

                                   , м/с.     (2.8)

    2.8. Параметр Re (число Рейнольдса)

                                   .      (2.9)

    2.9. Гидравлический уклон

                                     ,   (2.10)

где λ – коэффициент гидравлического сопротивления;

      β, m – в формуле Лейбензона коэффициенты, зависящие от режима течения.

      2.10. Коэффициент гидравлического сопротивления l рассчитывается по приведенным ниже формулам в зависимости от режима течения жидкости в трубопроводе.

      Как известно, различают два режима - ламинарный и турбулентный, а последний, в свою очередь, делится на 3 зоны:

      зона  гидравлически гладких труб;

      зона  смешанного трения;

      зона  квадратичного трения.

      Переход из режима в режим и из зоны в  зону определяется значениями критических (переходных) чисел Рейнольдса, зависящих для данного диаметра (D) трубопровода и данной вязкости (ν_р) продукта от скорости перекачки W.

      Таким образом, определяя критические  числа Рейнольдса и истинное значение Re, выбираем для расчета λ одну из четырех рекомендуемых формул.

      При ламинарном режиме течения

                              Re ≤ 2320.

      Коэффициент гидравлического сопротивления  определяется по формуле Стокса

                              λ = 64 / Re,       (2.11)

коэффициенты  т и β в формуле Лейбензона имеют значения т=1; β = 4,15 с²/м.

      При турбулентном режиме течения в зоне гидравлически гладкого трения

      2320 Re ,

где относительная эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб;

      К_э – эквивалентная шероховатость труб:

    - для стальных новых бесшовных  труб принято К_э = 0,015 мм;

    - для  стальных  сварных  труб  с  незначительной  коррозией  принято

К_э = 0,15 мм.

      Коэффициент гидравлического сопротивления  определяется по формуле Блазиуса

                        l = 0,3164 / ,      (2.12)

коэффициенты  т  и  β  в  формуле  Лейбензона  имеют  значения  т = 0,25;

β = 0,0246 с²/м.

    При турбулентном режиме течения в зоне смешанного трения

                                 Re .

    Коэффициент гидравлического сопротивления определяется по формуле Альтшуля

                              l = 0,11 ,     (2.13)

коэффициенты  т и  β  в  формуле  Лейбензона  имеют  значения  m = 0,125;

β = 0,802·10^{0,125·lg ·К-0,6233} с²/м.

    При турбулентном режиме течения в зоне квадратичного трения

                                < Re.

 

 Коэффициент гидравлического  сопротивления определяется по формуле  Шифринсона

                               ,      (2.14)

коэффициенты  т  и β  в формуле Лейбензона  имеют значения  т = 0;

β = 0,0827·l с²/м.

      2.11. Общий напор в трубопроводе равен

                              Н = (Z₂ – Z₁) + ( ) + h_пот, м,

где Р₁ – избыточное давление в резервуаре головной станции, Па, Р₁ = 0;

      Р₂ – избыточное давление в конце участка, Па;

      Z₁ – высотная (геодезическая) отметка начала трубопровода, м;

      Z₂ - высотная (геодезическая) отметка конца трубопровода, м;

      h_пот – потери напора на сопротивление в трубопроводе, м.

      Используя гидравлический уклон i, общий напор в трубопроводе можно выразить:

                              Н=DZ + ( ) + 1,02×i×L_p, м ,    (2.15)

где 1,02 – коэффициент, учитывающий потери напора в местных сопротивлениях линейной части трубопровода;

      L_p – расчетная длина трубопровода, равная геометрической длине трубопровода  или  расстоянию  от  начала  трубопровода  до  перевальной точки, м;

      ΔΖ  – разность геодезических отметок конца и начала трубопровода, м.

      2.12. Расчетный суммарный напор, развиваемый  магистральными насосами перекачивающей  станции при выполнении условия (2.4)

                               , м,      (2.16)

где m_p – число работающих одновременно насосов.

    Если  условие (2.4) не выполняется, т.е. развиваемое  давление превышает допустимое, то Н_ст определяется по формуле

                               , м ,    (2.17)

где h°_м – измененный напор одного магистрального насоса, м.

      2.13. Магистральный трубопровод может  состоять из одного, двух и  более эксплуатационных участков. Общий напор, развиваемый насосами  всех перекачивающих станций  трубопровода, в этом случае можно записать следующим образом:

                              H = N_э×h_п + n_pH_ст, м,     (2.18)

где n_p – расчетное число перекачивающих станций;

      N_э – число эксплуатационных участков.

      Используя выражения (2.15–2.18), баланс напоров трубопровода можно представить уравнением:

                              N_э×h_п + n_pH_ст = DZ + 1,02×i×L_p + N_э×h_к.п.  (2.19)

или, преобразовывая

                              n_pH_ст = DZ + 1,02×iL_р - N_э(h_п - h_к.п.),   (2.20)

где h_к.п. – остаточный напор на конечном пункте эксплуатационного участка трубопровода, м.

      Величина  N_э(h_п - h_к.п.) указывает, что при наличии промежуточных резервуарных парков или иначе промежуточных головных станций, напоры h_п, h_к.п. будут использованы N_э раз.

    Расчетное число перекачивающих станций определяется из  уравнения  (2.20)

                         ,  (2.21)

где H_m = DZ + 1,02iL_р.

      Обычно  при расчете n_р получается дробным числом. Оно может быть округлено как в большую, так и в меньшую сторону (окончательно вопрос должен решаться технико-экономическим расчетом).

      Вариант I (n_о > n_р).

      При округлении n_р в большую сторону до значения n_o излишний расчетный суммарный напор магистральных насосов перекачивающей станции можно снизить до Н^о_ст  обточкой  рабочих колес, в общем случае не превышающий 10 %.

      2.14. Величина сниженного расчетного напора

                               , м,    (2.22)

где n_о – округленное в большую сторону число насосных станций.

    2.15. Напор, развиваемый магистральным  насосом с обточенным рабочим  колесом, равен:

                         , м.       (2.23)

    2.16. Диаметр обточенного колеса определится  из соотношения

                       ,      (2.24)

где – напор насоса с обточенным рабочим колесом, м;

      h_м – напор насоса с заводским рабочим колесом, м;

      D_o – диаметр обточенного рабочего колеса, м;

      D_З – диаметр заводского рабочего колеса, м.

    Для построения характеристики насоса с  измененным диаметром рабочего колеса используют соотношения:

                               ,    (2.25)

где Q_о, Q₃ – объемные расходы для обточенного и заводского рабочих колес, м³/ч.

 

 Вариант II (n_х < n_р).

      При округлении n_р в меньшую сторону до значения n_x излишние потери напора на трение в трубопроводе можно снизить либо прокладкой лупинга, либо вставкой участка трубы большего диаметра.

    2.17. Длина лупинга

                               , м,     (2.26)

где n_x – число станций, округленное в меньшую сторону;

      i_л – гидравлический уклон лупинга, вычисляемый по формуле

                              i_л=ω×i ,       (2.27)

                               ,     (2.28)

где D_л – внутренний диаметр лупинга.

    2.18. Длина вставки

                               , м,     (2.29)

где i_в – гидравлический уклон вставки, вычисляемый по формуле

                               , м,      (2.30)

где D_в – внутренний диаметр вставки.

      Окончательный вариант размещения станций определяется технико-экономическими расчетами. 

      3. РАССТАНОВКА СТАНЦИЙ ПО ДЛИНЕ УЧАСТКА

          тРУБОПРОВОДА

      Расстановка станций производится для двух вариантов:

      1) вариант работы с обточенными  колесами;

      2) вариант работы с наличием  лупинга.

      Для расстановки применяется метод графического построения линий гидравлического уклона по участку трубопровода между станциями.

      Расстановка станций по варианту 1 показана на рис. 3.1.