Физические свойства жидкостей, транспортируемых по трубопроводам

   

   Рассмотрим  нефтепровод с  нефтеперекачивающими станциями. В случае отсутствия сбросов и подкачек для такого нефтепровода можно записать систему из уравнений баланса напоров для каждого участка: (1), где - остаточный напор в конце трубопровода; - высотная отметка конца трубопровода. Сложив все уравнения получим: (2) - уравнение баланса напора для всего трубопровода. В этом уравнении левая часть - суммарная гидравлическая характеристика всех нефтеперекачивающих станций, а правая часть - суммарная гидравлическая характеристика всего трубопровода.

   С помощью системы (1) можно определить величину подпоров на входе в каждую нефтеперекачивающую станцию: . Зная величину подпора на второй нефтеперекачивающей станции, можно определить давление на входе второй нефтеперекачивающей станции и давление на нагнетании второй нефтеперекачивающей станции .

   Если  сложить первые уравнений системы (1) можно получить подпор перед -ой нефтеперекачивающей станцией: (3), зная который можно вычислить давление на входе -ой нефтеперекачивающей станции и давление на нагнетательной линии -ой нефтеперекачивающей станции .

   Величина  подпора на любой станции должна больше величины анти кавитационного запаса работы насоса, то есть (4). Давление на нагнетательной линии любого насоса должно превосходить давление, определяемое прочностью труб и корпуса насоса, то есть (5).

   Для нормальной работы нефтепровода необходимо выполнение уравнения баланса напора (2) и условий (4) и (5), которые определяются с помощью уравнения (3), и называются условиями согласования работы нефтепровода.

   Самотёчные  участки нефтепроводов.

   При эксплуатации нефтепроводов могут  существовать такие гидравлические режимы, при которых жидкость на отдельных участках движется неполным сечением или самотёком только под действием силы тяжести. Давление в парогазовой полости над свободной поверхностью жидкости на самотёчном участке равно . Разность напоров между началом и концом самотёчного участка определяется разностью высотных отметок, то есть . Начало самотёчного участка называется перевальной точкой нефтепровода. Величина гидравлического уклона на самотёчном участке равна тангенсу угла наклона профиля нефтепровода к горизонту, то есть .

    Закон сохранения массы: . Поскольку , то очевидно, что , то есть на самотёчном участке жидкость движется быстрее.

   Рассмотрим алгоритм графического определения самотёчных участков в нефтепроводе. Линию гидравлического уклона начинают строить с конца трубопровода. На участке линия гидравлического уклона проходит выше линии профиля трассы, поэтому на этом участке невозможно самотёчное движение жидкости. В точке линия гидравлического уклона подходит к линии профиля трассы, таким образом, точка является концом самотёчного участка. Ближайшая предыдущая к ней вершина профиля является точкой начала самотёчного участка. От перевальной точки строится линия гидравлического напора , которая параллельна линии .

 

   

   Нефтепроводы  со вставками и лупингами.

   В определённых случаях нефтепровод может иметь структуру, отличную от структуры обычного трубопровода.

   Вставка – участок трубопровода с отличным от основного диаметром.

    Вставка представляет собой последовательное соединение трубопроводов с различными диаметрами, и служит для увеличения пропускной способности трубопровода и для снижения потерь напора.

   Расход:

   Потери: .

   Скорости: ; .

   Лупинг – дополнительный трубопровод, проложенный параллельно основному и соединённый с ним.

    Лупинг представляет собой два  параллельно соединённых трубопровода, и служит для увеличения пропускной способности трубопровода и для снижения потерь напора.

   Расход: .

   Потери: .

   Система уравнений  легко разрешима в двух случаях.

   Если  режим течения в обеих ветвях трубопровода находится в зоне гидравлически  гладких труб, то и .

   Если  режим течения в обеих ветвях трубопровода находится в зоне квадратичного трения, то и .

   Потери  напора и, соответственно, значения гидравлического  уклона на участках с лупингами и вставками меньше, чем в основной магистрали.

   Определение числа нефтеперекачивающих станций.

   Число нефтеперекачивающих станций определяется из уравнений баланса напоров. При  этом полагается, что дифференциальные напоры всех станций одинаковы, то есть .

   Уравнение баланса напоров: , где - суммарные потери напора во всём трубопроводе. Из уравнения баланса напоров можно найти нужное количество нефтеперекачивающих станций: (2).

   Число нефтеперекачивающих станций, как  правило, оказывается дробным, поэтому оно может быть округлено как в большую, так и в меньшую сторону.

   Если  число нефтеперекачивающих станций  округляется в большую сторону, то для выполнения уравнения баланса напоров требуется увеличить расход перекачки , или уменьшить напор, создаваемый станциями.

   Если  число нефтеперекачивающих станций  округляется в меньшую сторону, то для выполнения уравнения балансов напоров требуется уменьшить расход перекачки , или уменьшить потери напора в трубопроводе, что может быть сделано с помощью вставок или лупингов.

1. Совмещённая характеристика всего трубопровода.
2. Совмещённая характеристика трубопровода, с числом нефтеперекачивающих станций , которое округлёно вверх.
3. Совмещённая характеристика трубопровода, с числом нефтеперекачивающих станций , которое округлено вниз.
4. Совмещённая характеристика трубопровода, с числом нефтеперекачивающих станций , которое округлено вниз, с использованием вставок или лупингов.

   Как правило, при проектировании магистральных  нефтепроводов, число нефтеперекачивающих станций округляется в большую сторону.

 

   

   Расстановка нефтеперекачивающих станций.

   

   Начальная, огрублённая расстановка нефтеперекачивающих  станций по трассе магистрального трубопровода осуществляется с помощью графического метода Шухова:

1. На профиле трассы в точке, где будет располагаться НПС-1, от линии профиля откладывается вертикальный отрезок длиной .
2. Из конца полученного отрезка проводится линия гидравлического уклона до её пересечения с линией профиля трассы.
3. В точке, где линия гидравлического уклона подходит к линии профиля трассы на величину , будет располагаться НПС-2.
4. Из точки пересечения положения НПС-2 и линии гидравлического уклона откладывается величина .

   При использовании графического метода Шухова предполагается, что величины и одинаковы для всех нефтеперекачивающих станций. Расположение нефтеперекачивающих станций, определённое по методу Шухова, может быть изменено в определённых пределах.

   Предположим, что НПС-3 должна быть сдвинута назад по ходу трассы (влево), в этом случае следует следить за выполнением условия . 

   Перекачка высоковязких и высокозастывающих  нефтей и нефтепродуктов.

   Высоковязкая  нефть (нефтепродукт) – нефть (нефтепродукт), у которой величина кинематической вязкости при температуре окружающей трубопровод среды велика настолько, что перекачка такой нефти связана с очень большими потерями напора.

   Высокозастывающая нефть – нефть, температура застывания которой равна или выше минимальной температуры окружающей трубопровод среды.

   Для перекачки таких нефтей применяются  специальные технологии, которые  можно разделить на следующие  группы:

1. Технологии, не изменяющие реологических свойств нефтей:
1. Создание внутреннего пристенного слоя из маловязкой жидкости.
2. Уменьшение шероховатости внутренней поверхности труб.
3. Последовательная перекачка партий воды и нефти.
4. Перекачка нефти в капсулах, движущихся в маловязкой жидкости или газе.
2. Технологии, изменяющие реологические свойства нефтей.
1. Разрушение парафинистой структуры нефти путём предварительного подогрева.
2. Подогрев нефти в процессе перекачки на станциях подогрева нефти.
3. Применение трубопроводов-спутников с теплоносителем.
4. Путевой электроподогрев.
5. Разбавление нефти маловязкими углеводородными разбавителями, в основном нефтепродуктами.
6. Перекачка со специальными присадками, уменьшающими вязкость нефти.

   В настоящее время наиболее широко распространён подогрев нефти в  процессе перекачки на станциях подогрева нефти. Такой способ получил сокращённое название «горячая» перекачка.

   Трубопроводы, по которым ведётся «горячая»  перекачка, оборудуются дополнительным слоем теплоизоляции.

    Для трубопровода перекачивающего  высоковязкие нефти производят тепловой и гидравлический расчёты. Целью теплового расчёта является определение распределения температуры по длине трубопровода. Такое определение осуществляется с помощью формулы Шухова: , где - температура окружающей среды; - начальная температура жидкости в начале трубопровода; - полный коэффициент теплопередачи от жидкости в окружающую среду, который определяется по следующей формуле: , ; - внутренний диаметр; - наружный диаметр; - коэффициент теплопередачи от жидкости к внутренней поверхности металла трубы; , - наружный и внутренний диаметры -ого изолирующего слоя, включая металл трубы; - коэффициент теплопроводности -ого изолирующего слоя, включая металл трубы; - коэффициент теплопередачи от внешней поверхности внешнего изолирующего слоя в окружающую среду; - диаметр трубопровода с учётом всех слоёв изоляции; - плотность нефти; - расход; - удельная теплоёмкость при постоянном объёме перекачиваемой жидкости, .

    .

 

   

   Формула Шухова: ;

    ;

    ; ;

    .

   При перекачке высоковязких нефтей возможна ситуация, при которой на начальном участке трубопровода режим течения жидкости будет турбулентным, а на конечном участке, вследствие увеличения вязкости нефти, режим течения будет ламинарным. Найдём координату сечения трубопровода , в котором будет происходить этот переход.

    ; .

   Формула Рейнольдса-Филонова: .

    ; ; ;

    ; ;

    ; ;

    .

   Гидравлический  режим «горячего» нефтепровода определяется условиями его теплообмена с окружающей средой. По мере понижения температуры на участке трубопровода вязкость перекачиваемой нефти увеличивается и, следовательно, возрастают потери напора. Для определения потерь напора при «горячей» перекачке используется формула Дарси-Вейсбаха в дифференциальной форме: , тогда изменение потерь напора на участке длиною можно найти по формуле: .