1. Тепловий режим системи "труба-ґрунт" і визначення кількості пунктів підігріву

2. Режими руху рідини в трубопроводі при перекачуванні нафти з підігрівом

3. Повний коефіцієнт теплопередачі

4. Втрати напору на тертя при перекачуванні підігрітої нафти

5. Розміщення НПС

Тепловий режим системи "труба-ґрунт" і визначення кількості пунктів підігріву

Розрахунок теплової взаємодії трубопроводу з оточуючим середовищем необхідний для вибору способу його прокладання, раціонального методу перекачування, визначення потужності нафтоперекачувальних (НС) і теплових (ТС) станцій і т. д. Особливо важливе врахування теплових процесів для нафтопроводів, по яких нафта транспортується з підігрівом - найбільш поширеному способі перекачування високов'язких і застигаючих нафт.

Мета теплового розрахунку при проектуванні магістральних трубопроводів - це визначення закономірностей розподілу температури по його довжині і оцінювання теплових втрат. На основі теплового розрахунку визначається пропускна здатність трубопроводу, відстань між НС і ТС. розраховується трубопровід на міцність і стійкість, вибирається тип і товщина теплової ізоляції.

Дія трубопроводів, що знаходяться в експлуатації, результати теплового розрахунку використовуються для знаходження безпечного часу зупинки перекачування високов'язких нафт, вибору способу виштовхування охолодженої нафти із зупиненою трубопроводу, вибору оптимального варіанта запуску нафтопроводу в експлуатацію, визначення безпечного часу відключення і силових станцій.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Загалом перекачування по трубопроводу підігрітої нафти здійснюється при нестаціонарному режимі, тобто витрата і температура нафти змінюються в часі. Зміна температури нафти у часі зумовлена зміною температури ґрунту на глибині укладання трубопроводу на протязі року. Практично неможливо здійснювати перекачування тривалий час без зупинок, що призводить до зміни температури, а також важко на протязі довгого часу подавати нафту в трубопровід з постійною початковою температурою і витратою. Але в деяких випадках при тривалій експлуатації трубопроводів, по яких здійснюється перекачування з підігрівом, впливом короткочасних зупинок і коливаннями початкової температури нафти можна знехтувати. Зміна температури ґрунту протягом року також проходить досить повільно. Тому тепловий і гідравлічний розрахунок "гарячих" трубопроводів часто виконують за формулами, що одержані для стаціонарного режиму.

Закономірність зміни температури по довжині трубопроводу, по якому здійснюється перекачування нафти з підігрівом, зображена на рисунку 7.7, де - температура нафти на початку трубопроводу (температура підігріву), - температура оточуючого середовища на глибині укладання трубопроводу.

В трубопровід подасться нафта, підігріта до температури . На деякій віддалі від початку трубопроводу внаслідок теплообміну з оточуючим середовищем температура нафти знизиться до значення .

Для одержання закону падіння температури по довжині трубопроводу на відстані від початку трубопроводу виділяємо елементарну ділянку довжиною і розглядаємо її тепловий баланс.

Рисунок 7.7 - Графік зміни температурі по довжині трубопроводу

Рівняння теплового балансу для ділянки трубопроводу довжиною має вигляд

(7.7)

де К - повний коефіцієнт теплопередачі; - внутрішній діаметр трубопроводу; - поверхня, через яку проходить теплопередача; - густина нафти; - об'ємна витрата; - масова питома теплоємність нафти. Відокремивши змінні у виразі (7.7)

і проінтегрувавши вираз (7.8), одержуємо вираз, що носить назву формули Шухова

Безрозмірний комплекс величин називається параметром Шухова.

Із виразу (7.9) температура нафти в кінці трубопроводу дорівнює

Відповідно температуру в будь-якому перерізі трубопроводу на відстані від його початку можна визначити за формулою

Використовуючи формулу (7.9), можна визначити відстань між пуншами підігріву

Необхідна кількість пунктів підігріву на трубопроводі дорівнює

Кількість пунктів підігріву заокруглюється до цілого числа. При заокругленні в меншу сторону необхідно перевіряти, щоб температура в кінці перегону між пунктами підігріву не була меншою від температури застигання нафти

Режими руху рідини в трубопроводі при перекачуванні нафти з підігрівом

При перекачуванні підігрітих високов'язких нафт можливі випадки, коли течія нафти на початковій ділянці трубопроводу (температура нафти висока, а в'язкість мала) – турбулентна на. на кінцевій ділянці внаслідок остигання нафти - ламінарна (рисунок 7.8).

Рисунок 7.8 - Схема зміни режиму руху рідини в трубопроводі при перекачуванні нафти з підігрівом

Позначимо і температуру і в'язкість нафти в перерізі, де проходить зміна режиму руху

, звідки

При перекачуванні високов'язких нафт приймають .

Оскільки в'язкість нафти однозначно залежить від температури, то величині відповідає цілком певна температура при якій проходить зміна режиму руху нафти. Величину критичної температури можна знайти із графічної залежності або із емпіричних в'язкісно-температурних залежностей.

Довжину ділянки з турбулентною течією рідини можна визначити із формули Шухова:

Решта ділянки трубопроводу буде з ламінарним режимом руху.

Якщо початкова темпера і ура підігріву нафти менша від критичної (), то в трубопроводі буде тільки ламінарний режим на всій довжині. Якщо ж довжина ділянки з турбулентною течією буде більша загальної довжини трубопроводу () і кінцева температура нафти більша від критичної

('), то течія нафти на всій довжині буде турбулентною.

За наявності на трубопроводі ділянок з різними режимами течії розрахунок його виконується по ділянках.

Для ділянки з турбулентним режимом розрахункове рівняння маг вигляд (без врахування тепла тертя і теплоти кристалізації парафіну):

,

а для ділянки з ламінарним режимом

,

де - повний коефіцієнт теплопередачі на ділянках з турбулентним і ламінарним режимом течії відповідно.

Повний коефіцієнт теплопередачі

Повний коефіцієнт теплопередачі , що входить у формули для теплового розрахунку нафтопроводу, залежить від режиму руху рідини, її фізичних властивостей, фізичних властивостей оточуючого середовища (для підземних трубопроводів - грунту), антикорозійної ізоляції трубопроводу, теплової ізоляції, відкладень парафіну і забруднень. Значення повного коефіцієнта теплопередачі можна знаходити за аналітичними формулами або за результатами експериментів.

Для трубопроводу без теплової ізоляції повний коефіцієнт теплопередачі можна визначити із виразу

де - внутрішній і зовнішній діаметр трубопроводу відповідно; - внутрішній коефіцієнт тепловіддачі (від нафти до стінки труби); - зовнішній коефіцієнт тепловіддачі (від стінки труби в оточуюче середовище); - коефіцієнт теплопровідності металу труби.

Для трубопроводу з тепловою ізоляцією

де зовнішній діаметр - го і останньої о шару ізоляції; - внутрішній діаметр трубопроводу -го шару ізоляції; - коефіцієнт теплопровідності металу труби і шарів теплової ізоляції.

Враховуючи, що для труб без теплової ізоляції порівняно великого діаметра і з малою товщиною стінки , для підземних трубопроводів можна записати спрощений вираз

Внутрішній коефіцієнт тепловіддачі щ залежить від режиму течії рідини, отже величина повного коефіцієнта К навіть при однорідних по трасі ґрунтах змінюється при зміні режимів течії рідини. За інших рівних умов Кт > Кл.

Втрати напору на тертя при перекачуванні підігрітої нафти

При перекачуванні нафти з підігрівом змінюється температура по довжині трубопроводу. Зміна температури особливо сильно впливає на в'язкість транспортованої рідини. В'язкість змінюється як вздовж трубопроводу, так і в радіальному напрямах. Тому при перекачуванні нафти з підігрівом втрати напору на тертя необхідно визначати із врахуванням зміни темератури нафти як по довжині так і по радіусу труби.

Дана задача розв'язується при таких припущеннях:

нафта в області температур, при яких здійснюється перекачування, є ньютонівською рідиною;

режим роботи трубопроводу стаціонарний, тобто в будь-якому перерізі трубопроводу температура не змінюється в часі.

Як вихідне рівняння використовуємо формулу для елементарної ділянки "гарячого" трубопроводу

поправка на неізотермічність потоку в радіальному напряму. змінюється мало по довжині трубопроводу, тому можна прийняти, що (практично ця поправка змінюється в діапазоні = 1,01 - 1,1; при розрахунках можна при­ймати середнє значення = 1,05).

Проінтегруваши вираз (), одержимо:

Множимо і ділимо вираз (7.39) на величину:

Вводимо поняття середньоінтегральної в'язкості нафти за умовою:

Тоді аналітичний вираз () набуває вигляду:

Інтеграл у виразі (7.41) являє собою площу криволінійної трапеції, яку можна замінити рівновеликим прямокутником, висота якого дорівнює (рисунок 7.8).

Рисунок 7.8 - Геометричне тлумачення величини

Для визначення можна використовувати різні в'язкісно-температурні залежності, що наведені в розділі 1.

Вперше аналітичний вираз для визначення одержав В. І.Чернікін при використанні в'язкісно-температурної залежності Рейнольдса-Філонова:

,

де кінематична в'язкість нафти при температурі оточуючого середовища .

Із рівняння теплового балансу (7.7) маємо:

Під ставимо вирази і у :

;

Враховуючи, що і ввівши позначення вираз переписуємо в такому вигляді:

Вираз називається інтегральною показниковою функцією. Інтеграл не береться в елементарних функціях, і може розрахований наближено математичними методами. Одержані результати на­водяться в таблицях довідникової літератури.

Після повернення до початкових змінних одержуємо

Із врахуванням (7.47) формула (7.42) набуває вигляду

Виконуючи деякі математичні перетворення, одержуємо вираз для визначення втрат напору на тертя в такому вигляді:

Або

- втрати напору на тертя при ізотермічній течії рідини при температурі .

- поправка на неізотермічність потоку в осьовому напрямку.

.

Розміщення станцій на трубопроводі при перекачуванні нафти з підігрівом

На трубопроводах, по яких здійснюється перекачування нафти з підігрівом, можлива установка трьох типів станцій: теплових (ТС), насосних (НС) і насосно-теплових (НТС).

при цьому практично можливі три види поєднань станцій на трубопроводі:

1. тільки НТС;

2. НТС і ТС (на трубопроводах малої продуктивності);

3. НТС і НС (на трубопроводах великої продуктивності).

Розміщення перекачувальних станцій у випадку перекачування нафт з підігрівом проводиться, як і при перекачуванні нафти при ізотермічному режимі, за методом Шухова. Особливістю розміщення станцій в даному випадку є те, що лінія гідравлічного нахилу не пряма лінія, а крива. Це пов'язано з тим, що температура нафти по довжині трубопроводу зменшується, отже і в'язкість нафти з віддаленням від пункту підігріву збільшується.

Розглянемо, як розміщаються станції на трубопроводі в кожному випадку поєднання станцій при графоаналітичному методі.

7.8.1 Розміщення НТС

В початковій точці трубопроводу на стислому профілі тра­си на вертикальній лінії відкладаємо підпір і напір, що створюють основні насоси . За формулою Шухова визначається відстань, де турбулентний режим переходить у ламінар­ний.

Ділянка з турбулентним потоком розбивається на декілька ділянок по 10-20 км і на кожній з них знаходяться втрати на­пору, вважаючи, що рух нафти відбувається в зоні гідравлічно гладких труб (т = 0,25). За одержаними даними будується лі­нія гідравлічного нахилу (рисунок 7.9).

Якщо лінія гідравлічного нахилу перетне профіль траси, то на всьому перегоні до наступної НТС буде турбулентний ре­жим. Якщо ж крива не перетне профіль траси, то від пункту, де турбулентний режим переходить в ламінарний, визначаємо втрати напору на ділянках довжиною 10-20 км при т = 1 і продовжуємо побудову лінії гідравлічного нахилу до перети­ну з профілем траси. Далі, відступивши назад по профілю до точки, де залишковий напір дорівнює величині необхідного підпору, відкладаємо від лінії гідравлічного нахилу напір Н, який розвивають магістральні насоси. На другому перегоні будуємо лінію гідравлічного нахилу, як і для ділянки між НТС на першому перегоні.

Розміщення НТС і ТС

На початку траси трубопроводу відкладається напір головної НТС (рисунок 7.10). Визначається відстань від НТС до пункту, де температура нафти знижується до і відстань від НТС до пункту, де турбулентний режим переходить в ламінарний за формулами

Розміщення станцій при установці на трубопроводі НТС і ТС

Якщо відстань , то на всьому перегоні буде турбулентний режим, інакше будуть реалізуватись два ре­жими перекачування.

Перегони з турбулентним і ламінарним режимами діляться на декілька ділянок, на кожній з яких визначаються втрати напору при т = 0,25 (турбулентний режим) і т -1 (ламінарний режим). За результатами розрахунків будується лінія гідравлічного нахилу.

Якщо лінія гідравлічного нахилу перетинає профіль на відстані меншій ніж , то додаткових ТС будувати не треба, а в місці перетину лінії нахилу з профілем (при врахуванні підпо­ру) установлювати наступну НТС. Якщо ж лінія гідравлічного нахилу не перетне профіль, то на відстані від головної НТС треба будувати ТС, яка знову піднімає температуру нафти до . Далі визначаємо відстань до пункту, де температура знизиться до , а також видстань і проводимо такі ж, як і попередньо, розрахунки і побудови. Ці розрахунки повторюємо до тих пір, поки лінія гідравлічного нахилу не перетне профіль траси. Між двома НТС може бути декілька ТС. В місцях установки ТС лінія гідравлічного нахилу змінює крутизну (зразу після ТС стає менш крутою).

Оптимальна температура підігріву нафти й нафтопродуктів при «гарячій» перекачуванні

Умова вигідності підігріву має вигляд

де Шу0 - параметр Шухова при температурі навколишнього середовища,

- втрати напору на тертя в трубопроводі при перекачуванні без підігріву.

Оптимальну температуру підігріву при перекачуванні гарячих нафтопродуктів по магістральному трубопроводі визначають виходячи з мінімуму сумарних витрат на перекачування й підігрів

де - одинична вартість енергії, затрачуваної на привод насосів і підігрів нафтопродукту; - к. п. д. буд. насосних агрегатів і підігрівальних пристроїв; - температура на початку й кінці перегону між тепловими станціями; - повні втрати напору між ними; у загальному випадку.

де - різниця нівелірних оцінок кінця й початку перегону.

Гідравлічні ухили і є змінними, тому що кінематична в'язкість залежить від температури. Взаємозалежними є також і У зв'язку із цим аналітичне рішення поставленого завдання є досить складним. Воно було виконано і має вигляд