Расчет трубопроводов при неизотермическом движении однофазной жидкости.
Говоря об изотермическом движении однофазных жидкостей по трубопроводам, мы полагали, что температура, а следовательно, плотность и вязкость жидкости, остается неизменной на всем протяжении потока и в любой точке его поперечного сечения. Однако, реальные потоки жидкости или подогревают в различных печах или теплообменниках или их естественная теплота рассеивается в окружающей среде.
При движении продукции скважины от забоя к устью и далее до установок подготовки нефти происходит постепенное понижение температуры и разгазирование флюидов (нефти и воды), транспортируемых по одному трубопроводу. С понижением температуры и разгазированием флюидов увеличивается вязкость нефти (эмульсии), понижается Re и, в конечном итоге, увеличивается гидравлическое сопротивление:
t↓→ν↑→Rе¯→λ↑.
Падение температуры и глубокое разгазирование особенно нежелательны для высоковязких и парафинистых нефтей.
Также по этой причине транспортирование нефтей на месторождениях Севера должно осуществляться в газонасыщенном состоянии, чтобы снизить их вязкость, а следовательно, и потери от гидравлических сопротивлений.
Последняя ступень сепарации в данном случае должна устанавливаться на центральном пункте сбора нефти или на НПЗ.
Знание законов распределения температуры флюидов по длине нефтепровода необходимо как для проектировщиков нефтесборной системы, так и для эксплуатационников: для правильной расстановки подогревателей и настройки режима их работы.
Для установления закона изменения температуры жидкости по длине трубопровода выделим на расстоянии X от начала трубопровода элементарный участок длиной dX и составим для него уравнение теплового баланса.
Потери теплоты от элементарного участка dX в единицу времени в окружающую среду составят:
(4.47)
где 
– поверхность охлаждения элементарного участка, м;
k- коэффициент теплопередачи от нефти в окружающую среду.
При движении жидкости через рассматриваемый участок dX она охладится на dt oC и потеряет количество теплоты, равное:
(4.48)
- так как температура жидкости по мере удаления от начала трубопровода падает.
При установившемся режиме потери теплоты жидкостью должны быть равны теплоте, отдаваемой ею в окружающую среду:
(4.49)
где k – коэффициент теплопередачи от нефти в окружающую среду, Вт/(м2 К);
t - температура жидкости на расстоянии X от начала трубопровода;
t0 - температура окружающей среды;
d - внутренний диаметр трубопровода;
G - массовый расход нефти, кг/с;
CP - удельная массовая теплоемкость нефти, кДж/(кг град).
При этом tH > t > t0.
При стационарном режиме изменением k по длине трубопровода можно пренебречь.
Формулу Шухова используют для расчета температуры в любой точке неизитермического трубопровода:
(4.50)
Это и есть закон распределения температуры жидкости по длине трубопровода.
Температура в конечной точке трубопровода при x=l
, (4.51)
где Шу – параметр Шухова:
(4.52)
В неизотермическом трубопроводе в общем случае могут наблюдаться два режима течения: на начальном участке при сравнительно высокой температуре жидкости – турбулентный режим, а в конце- ламинарный. Температура, соответствующая переходу турбулентного режима в ламинарный, называется критической.
(4.43)
где t - температура нефти, при которой требуется узнать вязкость, oC;
tx - произвольная температура, выбранная в рабочем интервале температур;
νx - кинематическая вязкость нефти при температуре tx.
Если мы не располагаем экспериментальной кривой температурной зависимости вязкости, то для аналитического определения показателя крутизны вискограммы u необходимо знать вязкость нефти ν1 и ν2 при двух температурах t1 и t2:
(4.54)
Для ориентировочного определения вязкости нефтей в зависимости от их температуры и плотности можно пользоваться графическими зависимостями.
Очевидно, что при tKP ≥ tH в трубопроводе только ламинарный режим, а при tKP ≤ tК - режим только турбулентный. При tH >tKP >tK в трубопроводе имеют место оба режима.
Длина турбулентного участка lt определится из формулы Шухова:
(4.55)
По этой же формуле определится длина ламинарного участка, заменяя tH на tKP - в числителе и tKP на tK - в знаменателе, а также KT на KЛ.
Если в трубопроводе два режима, то температура потока в конце трубопровода:
(4.56)
Коэффициент теплопередачи в (4.52) зависит от внутреннего α1 и внешнего α2 коэффициентов теплоотдачи, а также от термического сопротивления стенки трубы, изоляции, отложения парафина и определяется из формулы:
(4.57)
где λi, dнi, di - соответственно коэффициент теплопроводности, Вт/(м.оС), наружный и внутренний диаметры трубы, изоляции, м;
α1 и α2 - коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2.грС).
Коэффициент теплоотдачи α1 определяют из формулы Михеева:
Дата добавления: 2015-05-19; просмотров: 1909;