Технологическая задача магистрального трубопровода.

К исходным данным задачи проектирования относятся масса нефти, или нефтепродуктов G, перевозимые трубопроводом за год, длина трассы L, физико-химические свойства перевозимых нефти, или нефтепродуктов, сжатый профиль трассы, разность начального и конечнего нивелирных высот Δz, рабочая температура, напорные характеристики предлагаемых насосов, стоимостные параметры насосных станций и трубопровода. Зная этих исходных данных можно рассчитать количество НПС, точки их расположения на трассе, внешнего и внутреннего диаметров трубы нефтепровода, фактической пропускной способности трубопровода. В первый очередь найдем средние значения часового Q_ч.ср и секундного Q объемных расходов:

. (182)

В этих выражениях ρ - плотность продукта при рабочей температуре, Т_р - число рабочих дней трубопровода за год, которое определяется при помощи таблицы в зависимости от объема перевозимого груза (если нет данных, то берется Т_р =350 сутки). Во второй очередь из таблицы выбираются рядом стоящие три внешних диаметра трубопровода в зависимости от длины трубопровода L и от массы перевозимого груза за год G.

Для трубопровода с каждым диаметром рассчитывается приведенные затраты и диаметр с наименьшим затратом выбирается как внешний диаметр D_н трубы проектируемого нефтепровода.

В третьи очередь по среднему значению часового расхода Q_ч.ср подбирается марка магистрального насоса из таблицы, для номинальной подачи Q_ном которой, должно выполняться следующее условие:

0,8Q_ном ≤ Q_ч.ср ≤1,2Q_ном. (183)

Если это условие выполняется для двух типов насоса, то расчеты ведутся в двух вариантах для каждого из насосов в отдельности, выбирается наиболее оптимальный вариант.

Таким же образом подбирается марка подпорного насоса из таблицы. При этом подпор должен удовлетворять условию безкавитационной работы магистрального насоса:

≥ Δh_доп, (184)

где Δh_доп - допустимый кавитационный запас магистрального (основного) насоса. Это условие обычно выполняется при условии одинаковости номинальных подач основного и подпорного насосов. При этом напор магистрального насоса при среднем значений часового расхода Q_ч.ср равен: .

Максимальное рабочее давление будет на выходе ГНПС, и оно равно:

Р=ρg[3 + ], (185)

обычно считается, что в каждой станции есть три последовательно соединенные основные насосы. Согласно условием прочности закрепляющнй арматуры

Р ≤ Р_арм . (186)

Если это условие не выполняется, то надо выбирать другой насос (или использовать сменный ротор с малым диаметром), или надо уменьшить количество магистральных насосов станции. После подбора насоса, рабочее давление которой, удовлетворяет условию (186), определяется толщина стенки трубопровода, выдерживающей эту давлению:

, (187)

где D_н - внешний диаметр трубопровода, п- коэффициент надежности по нагрузке (для трубопровода, работающей по схеме «из насоса в насос» п =1,15, а в других случаях п =1,1), R₁ - расчетное сопротивление металла сжатию (растяжению):

; (188)

R_н1=σ_в - нормативная сопротивление, k₁- коэффициент надежности по материалу (задан в таблице обычно k₁=1,34÷1,55), k_н - коэффициент надежности по назначению трубопровода (k_н=1, если D_н<1020мм и k_н=1,05, если D_н>1000мм). m - коэффициент условии работы трубопровода. Относительно назначения и диаметров трубы с учетом меры безопастности, магистральные трубопроводы делятся на 5 категорий: В, I, II, III и IV, относительно этих категорий значение m задается в следующем виде:

m=0,6 для категории В; m=0,75 для категории I и II; m=0,9 для категории III и IV и для линейных участков.

После определений толщины стенки трубопровода по формуле (187) она округляется до большего стандартного целого значения. Тогда внутренний диаметр его трубы определяется следующим образом:

D =D_н-2δ. (189)

В следующий очередь для подачи Q_ч.ср при помощи алгоритма, приведенного в лекции определяется потери напора от трения и полные потери напора в трубопроводе при пропускной способности Q_ч.ср:

1. - значение секундного объемного расхода;

2. - число Рейнольдса;

3. - переходным числом Рейнольдса;

здесь k_э-шероховатость внутренней стенки трубы, обычно для задач k_э=0,2мм;

4. Если 2320<Re<Re_I, то ,

если Re_I ≤ Re < Re_II, то ,

если Re≥ Re_II, то - коэффициент гидравлического сопротивления от трения;

5. - потери напора от трения по формуле Дарси-Вейсбаха;

6. - полные потери напора в трубопроводе при пропускной способности .

Суммарный напор всех станций

H_нпс=nH _ст+ п_э H₂, (80)

здесь H _ст=3 - напор одной станции.

Согласно баланса напоров, полные потери напора в трубопроводе H равно суммарным напорам всех станций H_нпс:

H_нпс=H, (81)

или nH _ст+ п_э H₂= H. Отсюда число НПС

. (82)

Обычно число насосных станций получается дробным числом. Ее округляет до целого числа n. Можно округлить двумя способом. Сначала найдем фактическая пропускная способность трубопровода при округлении в большую сторону (n > n₀). Для этой цели построим напорные характеристики трубопровода и НПС (рис.5), а также найдем рабочих точек Q_ч1, Q_ч2 и Q_ч3. То, есть трубопровод может работать с такими пропускными способностями при различных числах основных насосов, равных 3п-2, 3п-1 и 3п соответственно. В случае, показанной на рис. 5 рабочая точка Q_р = Q_ч2, а количество магистральных насосов 3п-1. Фактическая годовая (массовая) пропускная способность трубопровода тогда будет равным:

. (83)

Если дробную числу НПС округлить в меньшую сторону (n<n₀), то порядок расчета будет то же самый. Только при построении напорной характеристики НПС принимает, что количество магистральных насосов п_нс=3п. Напорные характеристики трубопровода и НПС в таком случае пересекается только в одной точке (Q_р = Q_ч) и эта точка будет рабочей точкой. Количество магистральных насосов тогда одинаково во всех НПС (равно трем).

В обоих случаях фактическая пропускная способность трубопровода получается отличной от проектного. Если полученный расчет удовлетворяет заказчика, то найденный вариант принимается. А если не удовлетворяет, то надо будет делать дополнительные расчеты. Считая, что вариант принимается, распределяем магистральные насосы по станциям. В первом, большое число насосов должно находиться на НПС, расположенных на начальной стороне трубопровода, а во втором, длина последних перегонов по возможности, должны быть равными. Тогда, например 13 насос распологается по станциям в порядке 3-3-3-2-2, 14 насос - в порядке 3-3-3-3-2. А напор, развиваемый i - ой насосной станцией определяется этими порядками расположения манистральных насосов:

H _ст.1 =3h_мн, H _ст.2 =2h_мн, (84)

здесь h_мн= - напор основного (магистрального) насоса при подаче Q_р; 3, или 2- числа основных (магистральных) насосов рассматириваемой станции. Напор подпорного насоса при подаче Q_р равен H₂=a₂-b₂·Q_р². Считается, что остаточный напор Н_кп в конечных пунктах эксплуатационных участков задан.

Теперь делаем расстановку НПС на сжатый профиль трассы. Сначала для значений (для рабочей точки!) Q_ч=Q_р по алгоритму, приведенного в лекции 6, найдем скорость потока и коэффициент гидравлического сопротивления. Затем определим значение гидравлического уклона i_м при учете местных сопротивлений:

. (85)

Для нахождения линий гидравлического уклона рассчитаем местоположение 1-станции в случае горизонтального профила трассы: . Тогда и образует прямоугольный треугольник с гипотенузой в виде линий гидравлического уклона. Расстановка НПС в сжатом профиле трассы показана на рис. 9.

Сначала в пункте М₁ построим напор (вертикально) , с его конца проводим линию гидравлического уклона с координатами ( , ) (а остальные линий уклона будут параллельными к этой линий). Эта линия гидравлического уклона пересекает сжатый профиль в точке М₂, в эту точку расположим 2-станцию. В 2-пункте подпор сохраняется. Теперь в пункте М₂ поднимем напор , с конца которого, проводим линию гидравлического уклона, параллельной первоначальной. Она пересекает сжатый профиль трассы в пункте М₃, и т.д. Пункты М₁ и М₄ – начала эксплуатационных участков, там есть подпорные насосы. Пункты М₄ и М_n+1 –концы эксплуатационных участков, там остаются остаточные напоры Н_кп, эти напоры теряются после перекачки продуктов в резервуары.

Расстановка НПС в сжатом профиле трассы по методу Шухова делается по графическому методу и требует большую точность от исполнителя. Предлагаем для этой цели аналитико- графический метод (рис.10; приведен случай расстановки НПС в сжатом профиле трассы 3-3-3-3-2).

В этом методе расстановка НПС сначала делается в горизонтальном профиле трассы, когда расстояние между НПС заранее известно: - расстояние до следующей станций после 3-х насосных и - после 2-х насосных. Если расстояние с начального пункта эксплуатационного участка до найденной станции превышает 400 км, то эта станция является начальным пунктом следующего эксплуатационного участка. Тогда эта станция ставится дальше на дополнительное расстояния. Конкретное расположение НПС при учете рельефа трассы легко находится: линия гидравлического уклона уже найдена и она пересекает рельеф в нужном месте!

Если полученный расчет фактической пропускной способности не удовлетворяет заказчика, то возможно 2 решение задачи. Первое из них, в случае округления в большую сторону (n > n₀), проектную пропускную способность можно получить, уменьшая напорную характеристику магистрального насоса. Для этой цели уменьшает диаметр d рабочего колесо насоса при помощи ее обточки. Или уменьшает частоту вращения N рабочего колесо насоса.

При уменьшении диаметра рабочего колесо насоса до значения d₁, или частоты – до значения N₁ подача и напор насоса уменьшается до величин:

, (86)

или

. (87)

Если требуется провести напорную характеристику магистрального насоса через точек Q₁, H₁, то диаметр рабочего колеса должен быть следующим:

. (88)

где Q₁=Q_ч.ср, .