Расчет магистрального нефтепровода

 

Расчет  магистрального нефтепровода

 

Выполнить расчет магистрального нефтепровода, предназначенного для работы в системе  трубопроводов (k_НП=1,05), с годовой производительностью G=15 млн. т/год; протяженность трубопровода (перенальные точки отсутствуют) равна L=900 км; разность геодезических отметок составляет Δz =z_к – z_н =208-136=72 м. По нефтепроводу транспортируется нефть со свойствами: ρ₂₉₃=860 кг/м³; ν₂₇₃=33,4 мм²/м; ν₂₉₃=7,5 мм²/м; расчетная температура перекачки Т=275 К. Допустимое рабочее давление принять равным 6,4 МПа.

Подобрать стандартный диаметр трубопровода и насосное оборудование. Рассчитать толщину стенки трубы. Определить потери напора при заданном объеме перекачки. Определить число перекачивающих станций.

 

 

Решение:

1. Расчетные значения плотности  и вязкости перекачиваемой нефти

 

1.1 Значение расчетной плотности нефти при Т_р по формуле Д.И. Менделеева

 

,                                                                                        (1)

,                                                                (2)

где температурная поправка, кг/м³К

тогда,

кг/м³К,

кг/м³

 

1.2 Значения кинематической вязкости по формуле Вальтера

 

Вычисляем значения эмпирических коэффициентов А и B по формулам

 

 ,                              (3)

где ν_т – кинематическая вязкость нефти, мм²/с; А_ν и В_ν – постоянные коэффициенты, определяемые по двум значениям вязкости ν₁ и ν₂ при двух температурах Т₁ и Т₂:

 

_{,                                               (4)}

 

_{,                        (5)}

 

_{Из  формулы (3)}

,                                                                         ₍₆₎

 _мм²/с;

2. Выбор насосного оборудования нефтеперекачивающей станции и расчет рабочего давления

2.1 Расчетное число рабочих дней магистрального нефтепровода N_Р определяется с учетом затрат времени на техническое обслуживание, ремонт и ликвидацию повреждений. Оно зависит от условий прокладки трубопровода, его протяженности и диаметра (табл. 1.1).

 

Таблица 1.1 - Расчетное число рабочих  дней магистральных нефтепроводов

 

Протяженность нефтепровода, км	Диаметр нефтепровода, мм
	до 820 включ.	свыше 820
до 250	357	355
от 250 до 500	356 / 355	353 / 351
от 500 до 700	354 / 352	351 / 349
свыше 700	352 / 350	349 / 345

 

В числителе указаны значения N_Р для нормальных условий прокладки, в знаменателе – при прохождении нефтепроводов в сложных условиях (заболоченные и горные участки, доля которых в общей протяженности трассы составляет не менее 30%).

По таблице 1.1 определяем число рабочих дней N_р = 350

 

2.2 Определим расчетную часовую пропускную способность нефтепровода по формуле                              

м³/ч.

В соответствии с  найденной расчетной часовой  производительности нефтепровода подбирается  магистральные и подпорные насосы нефтеперекачивающей станции исходя из условия

0,8Q_ном<Q_ч<1,2 Q_ном,

2000 м³/ч <2149 м³/ч <3000 м³/ч

 

2.3 Согласно приложений Е и Ж, выбираем насосы:

магистральный насос НМ 2500-230 и подпорный насос НПВ 2500-80.

Напор насосов определяется по формуле

 

         Н_мн(пн)= а –вQ _ч²                                                                               (7)

 

Напор магистрального насоса (D₂= 440 мм) составит:

Н_мн=279,6–8,0256·10^-6·2149²=242,54 м,

Напор подпорного насоса (D₂= 540 мм) составит

Н_пн=102,4–3,7584·10^-6·2149²=85,04 м

2.4 Далее рассчитывается рабочее давление на выходе головной насосной станции по формуле (8), при условии, что число последовательно работающих магистральных насосов m_мн=3:

                                          (8)

 

 

Найденное рабочее давление должно быть меньше допустимого из условия прочности запорной арматуры

Р<Р_доп, где Р_доп=6,4 МПа.

 

Т.к. рабочее  давление превышает допустимое значение 6,4 МПа, примем для всех магистральных насосов значение диаметра рабочего колеса D₂= 405 мм, для которого Н_мн=219,15 м.

Тогда рабочее  давление составит Р_р=6,36 МПа.

Условие  6,36 МПа < 6,4 МПа выполняется.

 

3. Определение диаметра  и толщины стенки трубопровода

3.1 Внутренний  диаметр нефтепровода вычисляется по формуле

                                                                                      (9)

 

- рекомендуемая ориентировочная скорость перекачки, определяемая из графика рис. 1.1, =1,7 м/с

Рисунок 1.1 - Зависимость рекомендуемой скорости перекачки

           от  плановой производительности нефтепровода

 

По вычисленному значению внутреннего диаметра, принимается  ближайший стандартный наружный диаметр нефтепровода - 720 мм_. Значение наружного диаметра также можно определить по таблице 1.2, в зависимости от производительности нефтепровода  D_н= 720 мм.

 

Таблица 1.2 – Параметры магистральных нефтепроводов

 

Производительность, G, млн. т/год	Наружный диаметр Dн, мм	Рабочее давление, Рр, МПа
0,7 – 1,2	219	8,8 – 9,8
1,1 – 1,8	273	7,4 – 8,3
1,6 – 2,4	325	6,6 – 7,4
2,2 – 3,4	377	5,4 – 6,4
3,2 – 4,4	426	5,4 – 6,4
4,0 – 9,0	530	5,3 – 6,1
7,0 – 13,0	630	5,1 – 5,5
11,0 – 19,0	720	5,6 – 6,4
15,0 – 27,0	820	5,5 – 5,9
23,0 – 50,0	1020	5,3 – 5,9
41,0 – 78,0	1220	5,1 - 5,5

 

Примем  для сооружения нефтепровода прямошовные трубы Выксунского металлургического завода, изготавливаемые по ТУ 14-3-1573-99 из стали марки 13ГС (временное сопротивление стали на разрыв σ_вр=510 МПа,  σ_т=360 МПа коэффициент надежности по материалу k₁=1,34).

Перекачку предполагается вести по системе «из насоса в насос», тогда коэффициент надежности по нагрузке n_р=1,15; коэффициент надежности по назначению k_н=1; коэффициент условий работы m=0,9.

Определяем расчетное сопротивление металла трубы по формуле

                                      (10)

где расчетное сопротивление материала стенки трубопровода;

n_р - коэффициент надежности по нагрузке, равный 1,15 - для нефтепроводов, работающих в системе «из насоса в насос»; 1,1 - во всех остальных случаях;

Р - рабочее (нормативное) давление, МПа;

m - коэффициент условий работы трубопровода, для I, II категории трубопроводов m=0,75; для III, IV категории трубопроводов m=0,9; для В категории трубопроводов m=0,6;

 k₁ - коэффициент надежности по материалу;

 k_н - коэффициент надежности по назначению трубопровода, зависящий от его диаметра.

3.2 Определяется расчетное значение толщины стенки трубопровода по формуле

 

                      (11)

 

Полученное  значение округляем в большую  сторону до стандартного значения и  принимаем толщину стенки равной - 8 мм.

3.3 Внутренний диаметр трубопровода определяется по формуле

D = D_н – 2d = 704 мм=0,704 м                    (12)

 

4  Гидравлический расчёт трубопровода

 

4.1 Гидравлический расчет нефтепровода, определение числа перекачивающих станций

 

Определяем  секундный расход нефти и ее среднюю  скорость по формулам

 

,

Определяем  режим течения

 

При Re<2320 – режим течения ламинарный.

При Re>2320, режим течения жидкости турбулентный.

Область турбулентного течения подразделяется на три зоны:

• гидравлически гладкие трубы   2320<Re< Re₁;
• зона смешанного трения Re₁<Re< Re₂;
• квадратичное (шероховатое) трение Re> Re₂

 

4.2 Определим зону трения

 

Для этого определяем относительную  шероховатость труб при k_э=0,2 ·10^{- 4} мм

 

 

Первое переходное число Рейнольдса

 

 

 

Второе переходное число Рейнольдса

 

Таблица 1.3 – Значения коэффициентов l, b и m     для различных

режимов течения  жидкости

Режим течения		l	m	b, с2/м
ламинарный		64/Re	1	4,15
турбулентный	гидравлически гладкие трубы	0,3164/Re0,25	0,25	0,0246
	смешанное трение		0,123
	квадратичное трение		0	0,0826·l

 

4.3 Так как Re₁<Re< Re₂, то течение нефти происходит в зоне смешанного трения гладких труб, поэтому коэффициент гидравлического сопротивления вычисляем по формуле из таблицы 1.3

4.4 Потери  напора на трение в трубопроводе  определяют по формуле Дарси-Вейсбаха 

,     (10)

Определяем  гидравлический уклон в нефтепроводе по формуле

 

                                                    (11)

4.5 Определяем полные потери в трубопроводе, приняв остаточный напор в конце эксплуатационного участка h_ост=40 м.

 

 ,                                                         (12)

где N_э – число эксплуатационных участков.

 

Число эксплуатационных участков определяется по формуле

.

 

4.6 Определяем расчетный напор одной станции по формуле

 

                                                                 ₍₁₃₎

 

4.7 Расчетное число насосных станций определяем по формуле

.             (14)

Принимаем  число насосных станций n=6