что такое перевальная точка на нефтепроводе
Самотечные участки и перевальные точки
Если на каком-то сегменте трубопровода давление жидкости уменьшается до упругости ее насыщенных паров, то жидкость существует на этом сегменте в обоих состояниях: в жидком и в газообразном. В нижней части трубы течет жидкость, а над ней находится неподвижный насыщенный пар. Говорят, что течение на таком участке происходит неполным сечением, а участок называют самотечным. За рубежом самотечные течения называют гравитационными (gravity flow), потому что жидкость течет в трубопроводе не под действием давления, а под действием силы тяжести.
Стационарные самотечные участки в трубопроводе могут существовать только на нисходящих сегментах трубопроводов. Начало первого самотечного участка в нефтепроводе называется перевальной точкой. Она названа так потому, что если насосные станции доставят жидкость в эту точку, то конца участка она достигнет сама под действием силы тяжести. Расход жидкости на самотечном участке в стационарном режиме равен расходу жидкости в заполненных сечениях трубопровода, отсюда следует, что на самотечном участке жидкость движется быстрее, чем на полностью заполненном.
Хорошо или плохо присутствие в трубопроводе самотечного участка? Обычно плохо, так как без столь резкого перепада высот жидкость нигде не переходила бы в парогазовую фазу, требуемый для перекачки напор? и, соответственно, энергозатраты были бы меньше. Часто для снижения перепада устраивают тоннели.
Для погрузки нефти и нефтепродуктов на танкеры в Новороссийске (АО «Черномортранснефть») из резервуарного парка нефтебазы «Грушовая» (расположенной на высоте 300 м перед Кавказским перевалом, имеющим высоту 502 м) избран именно такой вариант решения проблемы: нефтеналивные трубопроводы частично проходят внутри туннеля, проделанного в скальных породах Кавказских гор, и далее — по земле до нефтебазы «Шесхарис». Еще можно привести в качестве примера терминал КТК, где используется тот же принцип.
Следует отметить, что наличие самотечных участков имеет и плюсы: парогазовое скопление внутри трубопровода является надежной преградой для волн повышенного давления, которые могут образовываться в трубопроводе в нештатных ситуациях и приводить к авариям.
Определение перевальной точки и расчетной длины нефтепровода
Перевальной точкой называется такая возвышенность на трассе нефтепровода, от которой нефть приходит к конечному пункту нефтепровода самотеком. Таких вершин в общем случае может быть несколько. Расстояние от начала нефтепровода до ближайшей из них называется расчетной длиной нефтепровода. Рассмотрим это на примере нефтепровода протяженностью L, диаметром D и производительностью Q (рис. 1.9).
Прежде чем приступить к расстановке перекачивающих станций по трассе нефтепровода, необходимо исследовать трассу на наличие перевальной точки. Для этого на сжатом профиле трассы в соответствии с выбранными масштабами длин и высот строится прямоугольный треугольник, изображающий потери напора на некотором участке трубопровода. Построения выполняются в следующем порядке:
§ В горизонтальном масштабе откладывается отрезок ab, соответствующий участку нефтепровода длиной l;
§ Определяется значение потерь напора на трение (с учетом надбавки на местные сопротивления) для участка длиной l
.
Соединив точки b и c, получим треугольник abc, называемый также гидравлическим треугольником. Его гипотенуза bc определяет положение линии гидравлического уклона в выбранных масштабах.
Рис. 1.9. Графическое определение перевальной точки
и расчетной длины нефтепровода
Из конечной точки трассы с учетом требуемого остаточного напора hОТ параллельно гипотенузе bc проведем линию гидравлического уклона 1. Ее пересечение с линией профиля указывает на наличие перевальной точки. Для ее определения проведем параллельно линию гидравлического уклона 2, с расчетом, чтобы она касалась профиля и нигде его не пересекала. Место касания линии 2 с линией профиля обозначает положение перевальной точки, определяющей расчетную длину нефтепровода.
Это говорит о том, что достаточно закачать нефть на перевальную точку, чтобы она с тем же расходом достигла конечного пункта трубопровода. Самотек нефти обеспечен, так как располагаемый напор (zПТ – zK – hОТ) больше напора, необходимого на преодоление сопротивления на участке от перевальной точки до конечного пункта
где lПТ – расстояние от начального пункта нефтепровода до перевальной точки.
В этом случае за расчетную длину трубопровода принимают расстояние LP=lПТ, а разность геодезических отметок принимается равной Dz= zПТ – zH. Если пересечение линии гидравлического уклона с профилем отсутствует, то расчетная длина трубопровода равна его полной длине LP=L, а Dz= zK – zH.
Следует отметить, что перевальная точка не всегда является самой высокой точкой на трассе (рис. 1.9.).
Рассмотрим течение жидкости за перевальной точкой (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Течение жидкости за перевальной точкой
На интервале между перевальной точкой и конечным пунктом выделим два участка: АС длиной l1 и AK длиной l2. Самотечное движение нефти на участке AK обеспечивается напором AE= i∙l2.
На первом участке располагаемый напор CM превышает требуемый напор BM=i∙l1 на величину BC. Следовательно, на участке АС гидравлический уклон должен быть больше i. Это возможно лишь в случае увеличения скорости течения нефти на участке АС. Как следует из уравнения неразрывности
с возрастанием скорости w площадь живого сечения потока F должна уменьшаться. Это говорит о движении жидкости на участке АС неполным сечением трубопровода. Давление жидкости на этом участке ниже, чем в любой точке трубопровода и равно давлению насыщенных паров нефти (то есть абсолютное давление в трубопроводе меньше атмосферного). Пространство над свободной поверхностью жидкости будет заполнено выделившимися из нее парами и растворенными газами. При значительной длине самотечного участка вследствие высокой скорости потока происходит отрыв и унос парогазовых пузырьков в нижней части газовой полости. По мере удаления от самотечного участка давление жидкости возрастает, что приводит к кавитационным процессам из-за резкого схлопывания пузырьков. В свою очередь это может привести к значительной вибрации трубопровода и сопровождается повышенным уровнем шума.
Длительная работа нефтепровода на пониженных режимах перекачки является причиной продолжительного существования газовой полости за перевальной точкой. Повышенное содержание в нефти сернистых соединений может вызвать ускоренное протекание коррозионных процессов на внутренней поверхности стенки трубы над свободной поверхностью жидкости.
Если на конечном пункте нефтепровода поддерживать повышенный напор hоф (рис.1.9), то появления перевальных точек на трассе можно избежать (линия гидравлического уклона 2 будет продолжена пунктирной линией). Разница полезного hоф и требуемого hот напоров может быть использована, например, для привода портативной электростанции. Проект такой электростанции разработан на нефтепроводе Тихорецк–Новороссийск в районе нефтебазы «Грушовая».
1.5.6. Характеристика нефтепровода
Характеристикой нефтепровода называется зависимость потерь напора от расхода. Для трубопровода постоянного диаметра можно записать
, (1.28)
где Nэ – число эксплуатационных участков.
Для определения гидравлического уклона воспользуемся следующей компактной формулой [18]
, (1.29)
где – гидравлический уклон при единичном расходе.
Тогда выражение (1.28) можно переписать в виде
. (1.30)
В общем случае, когда линейная часть нефтепровода оборудована лупингами и вставками, зависимость (1.28) примет вид
, (1.31)
. (1.32)
С учетом (1.28) зависимость (1.32) принимает вид
. (1.33)
Выражения (1.30) и (1.33) являются уравнениями характеристики нефтепровода в аналитической форме. Графически характеристика нефтепровода представлена
на рис. 11.
Рис. 1.11. Характеристика нефтепровода
Величины n, D и LP определяют крутизну характеристики трубопровода. Чем меньше диаметр D и чем больше вязкость нефти n и расчетная длина нефтепровода LР, тем круче его характеристика.
При практических расчетах нет необходимости в построении характеристики H=f(Q) от начальной точки, то есть при Q=0. Вполне достаточно построить характеристику по нескольким точкам, соответствующим узкому интервалу расходов, ожидаемых при эксплуатации рассчитываемого нефтепровода.
1.5.7. Уравнение баланса напоров
Для магистрального нефтепровода постоянного диаметра с n перекачивающими станциями, уравнение баланса напоров имеет вид
. (1.34)
В начале каждого эксплуатационного участка ПС оснащены подпорными насосами. В конце трубопровода и каждого эксплуатационного участка требуется обеспечить остаточный напор hОСТ для преодоления сопротивления технологических трубопроводов и закачки в резервуары.
Правая часть уравнения (1.34) представляет собой полные потери напора в трубопроводе, то есть Н. В случае наличия вставок или лупингов по трассе правая часть уравнения (1.34) определяется по формуле (1.32).
Левая часть уравнения (1.34) – суммарный напор, развиваемый всеми работающими насосами перекачивающих станций (активный напор). С помощью коэффициентов характеристик насосов активный суммарный напор может быть представлен зависимостью
, (1.35)
где mМ – количество работающих магистральных насосов на одной ПС;
mП – количество работающих подпорных насосов на ГПС (или на ПС в начале эксплуатационного участка), включенных параллельно;
аП, bП, hП – коэффициенты характеристики и напор, развиваемый подпорным насосом при подаче Q;
аМ, bМ, hМ – то же для магистрального насоса.
и
,
, (1.36)
Выразив левую часть уравнения (1.34) через (1.35), а правую часть – через (1.30), получим уравнение баланса напоров в аналитической форме
. (1.37)
Раскрывая скобки и решая уравнение (1.37) относительно расхода, имеем
. (1.38)
Если в общем случае на линейной части имеются лупинги и вставки, уравнение (1.38) примет вид
. (1.39)
Определив расход Q, можно вычислить напор, развиваемый перекачивающими станциями, а также суммарные потери напора в трубопроводе. Обе эти величины одинаковы (условие баланса напоров).
Тот же результат можно получить графически, построив совмещенную характеристику трубопровода и насосных станций. Точка пересечения характеристик называется рабочей точкой (А), которая характеризует потери напора в нефтепроводе и его пропускную способность при заданных условиях перекачки (рис. 1.12). Равенство создаваемого и затраченного напоров, а также равенство подачи насосов и расхода нефти в трубопроводе приводят к важному выводу: трубопровод и перекачивающие станции составляют единую гидравлическую систему.
Изменение режима работы ПС (отключение части насосов или станций) приведет к изменению режима нефтепровода в целом. Изменение гидравлического сопротивления трубопровода или отдельного его перегона (изменение вязкости, включение резервных ниток, замена труб на отдельных участках трассы и т. п.) в свою очередь окажет влияние на режим работы всех перекачивающих станций.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Что такое перевальная точка на нефтепроводе
Учитывая, что Qi + Q2 = Q> получим
Если Ол = D, го (1) = 1/2-«». В этом случае при ламинарном режиме ш = 0,5, при турбулентном режиме в зоне Блазиуса ю = 0,297, для квадратичной области и = 0,25.
Аналогично для вставки
Учитывая (4.8), можно также написать, что Л,. = i [L-х (1-со)].
Полная потеря напора для трубопровода с лупингом
Для трубопровода со вставкой выражение для потери напора имеет аналогичный вид.
Если надо потерю напора выразить в зависимости от Q, то будем пользоваться формулой
Лупинги или вставки прокладывают в тех случаях, когда необходимо уменьшить гидравлическое сопротивление трубопровода. Очевидно, что для действуюш,его нефтепровода реальной оказывается лишь прокладка лупинга. При проектировании же требуемый эффект может быть достигнут как при помощи лупингов, так и при помощи вставок. Наилучший вариант может быть определен сравнением капитальных затрат на сооружение. Специальные расчеты позволили сделать следующий вывод. По металловатратам во всех имеющих практическое значение случаях вставки оказываются выгоднее лупингов. При этом расход металла на вставки уменьшается с уменьшением их диаметра.
4.4. ВСАСЫВАЮЩИЙ УЧАСТОК- ПЕРЕВАЛЬНЫЕ ТОЧКИ И РАСЧЕТНАЯ ДЛИНА НЕФТЕПРОВОДА
Участок нефтепровода, подводящий нефть к насосу, называется всасывающим. Основное требование, предъявляемое к всасывающему трубопроводу, состоит в том, что ни в одной его точке давление не должно быть ниже упругости паров перекачиваемой нефти. В противном случае в точках с низким давлением нефть закипает, образуются паровые пробки, сильно затрудняющие перекачку. Пониженное давление в конечной точке всасывающего трубопровода, т. е. во входном патрубке насоса, может вызвать кавитацию. При кавитационном режиме из протекающей в насосе жидкости выделяются пузырьки паров и затем разрушаются, схлопываются (закипание и затем конденсация). В результате появляется шум, возрастает износ, снижается к. п. д., уменьшается подача. Но повышение давления на всасывающей стороне насоса (насосной станции) приводит к возрастанию давления на нагнетательной стороне, т. е. к ничем не оправданному увеличению механической нагрузки на трубопровод. Из сказанного следует, что давление во всасывающем патрубке насоса должно быть предельно низким, но при этом обеспечивающим режим работы без кавитации.
Рис. 4.5. Схема к определению перевальной точки
Рис. 4.6. Схема течения нефти за перевальной точкой
вующем профиле перевальная точка может появиться при изменении режима работы нефтепровода; при отключении какой-либо станции или при изменении вязкости перекачиваемой нефти.
4.5. ХАРАКТЕРИСТИКА ТРУБОПРОВОДА. ХАРАКТЕРИСТИКА НАСОСА И НАСОСНОЙ СТАНЦИИ, СОВМЕЩЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА!
Разделы 4.5, 4.6, 4.7 написаны при участии Л М. Беккера.
8.Потери напора в трубопроводе
При перекачке нефти по магистральному нефтепроводу напор, развиваемый насосами перекачивающих станций, расходуется на трение жидкости о стенку трубы h, преодоление местных сопротивлений hмс, статического сопротивления из-за разности геодезических (нивелирных) отметок z, а также создания требуемого остаточного напора в конце трубопровода hост.
Полные потери напора в трубопроводе составят
потери напора на местные сопротивления составляют 1…3% от линейных потерь. Тогда выражение (1.10) примет вид
Остаточный напор hост необходим для преодоления сопротивления технологических коммуникаций и заполнения резервуаров конечного пункта Потери напора на трение в трубопроводе определяют по формуле Дарси-Вейсбаха
, (1.12)
либо по обобщенной формуле лейбензона
, (1.13)
где Lр – расчетная длина нефтепровода;
w – средняя скорость течения нефти по трубопроводу;
– расчетная кинематическая вязкость нефти;
– коэффициент гидравлического сопротивления;
, m – коэффициенты обобщенной формулы Лейбензона.
Значения , и m зависят режима течения жидкости и шероховатостью внутренней поверхности трубы. Режим течения жидкости характеризуется безразмерным параметром Рейнольдса
, (1.14)
Гидравлическим уклоном называют потери напора на трение, отнесенные к единице длины трубопровода
(1.15)
С учетом (1.15) уравнение (1.11) принимает вид
(1.16)
9 Определение перевальной точки и расчетной длины нефтепровода
Перевальной точкой называется такая возвышенность на трассе нефтепровода, от которой нефть приходит к конечному пункту нефтепровода самотеком. Таких вершин в общем случае может быть несколько. Расстояние от начала нефтепровода до ближайшей из них называется расчетной длиной нефтепровода. Рассмотрим это на примере нефтепровода протяженностью L, диаметром D и производительностью Q
.
Соединив точки b и c, получим треугольник abc, называемый также гидравлическим треугольником. Его гипотенуза bc определяет положение линии гидравлического уклона в выбранных масштабах.
. Место касания линии 2 с линией профиля обозначает положение перевальной точки, определяющей расчетную длину нефтепровода.
Это говорит о том, что достаточно закачать нефть на перевальную точку, чтобы она с тем же расходом достигла конечного пункта трубопровода. Самотек нефти обеспечен, так как располагаемый напор (zПТ – zK – hОТ) больше напора, необходимого на преодоление сопротивления на участке от перевальной точки до конечного пункта
где lПТ – расстояние от начального пункта нефтепровода до перевальной точки.
В этом случае за расчетную длину трубопровода принимают расстояние LP=lПТ, а разность геодезических отметок принимается равной z= zПТ – zH. Если пересечение линии гидравлического уклона с профилем отсутствует, то расчетная длина трубопровода равна его полной длине LP=L, а z= zK – zH.
10.Для магистрального нефтепровода постоянного диаметра с n перекачивающими станциями, уравнение баланса напоров имеет вид
.
В начале каждого эксплуатационного участка ПС оснащены подпорными насосами. В конце трубопровода и каждого эксплуатационного участка требуется обеспечить остаточный напор hОСТ для преодоления сопротивления технологических трубопроводов и закачки в резервуары.
Правая часть уравнения (1.34) представляет собой полные потери напора в трубопроводе, то есть Н. В случае наличия вставок или лупингов по трассе правая часть уравнения (1.34) определяется по формуле (1.32).
Левая часть уравнения (1.34) – суммарный напор, развиваемый всеми работающими насосами перекачивающих станций (активный напор). С помощью коэффициентов характеристик насосов активный суммарный напор может быть представлен зависимостью
,
аП, bП, hП – коэффициенты характеристики и напор, развиваемый подпорным насосом при подаче Q;
и
,
, (1.36)
Выразив левую часть уравнения (1.34) через (1.35), а правую часть – через (1.30), получим уравнение баланса напоров в аналитической форме
. (1.38)
Если в общем случае на линейной части имеются лупинги и вставки, уравнение (1.38) примет вид
. (1.39)
11.Точка пересечения характеристик называется рабочей точкой (А), которая характеризует потери напора в нефтепроводе и его пропускную способность при заданных условиях перекачки (рис. 1.12). Равенство создаваемого и затраченного напоров, а также равенство подачи насосов и расхода нефти в трубопроводе приводят к важному выводу: трубопровод и перекачивающие станции составляют единую гидравлическую систему. Изменение режима работы ПС (отключение части насосов или станций) приведет к изменению режима нефтепровода в целом. Изменение гидравлического сопротивления трубопровода или отдельного его перегона (изменение вязкости, включение резервных ниток, замена труб на отдельных участках трассы и т. п.) в свою очередь окажет влияние на режим работы всех перекачивающих станций.
1.5.4. Трубопроводы с лупингами и вставками
На практике в ряде случаев трубопроводы оборудуются параллельными участками (лупингами), а также участками другого диаметра (вставками). В этом случае гидравлический уклон на таких участках будет отличаться от гидравлического уклона основной магистрали. Согласно уравнению неразрывности для трубопроводов без сбросов и подкачек
где w1…wn – скорость течения жидкости в сеченияхF1…Fn.
Таким образом, чем больше площадь сечения трубопроводаF, тем меньше скорость течения, следовательно, меньше и значение гидравлического уклона (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Соотношение гидравлических уклонов
на различных участках трубопровода
Определим соотношение между гидравлическими уклонами лупинга (вставки) и магистрали. Будем при этом полагать, что режим течения нефти на этих участках одинаков (m, = idem).
По формуле Лейбензона гидравлический уклон магистрали равен
; (1.18)
для участка с лупингом величина гидравлического уклона составит
. (1.19)
Из выражений (1.18) и (1.19) следует, что
. (1.20)
Выражая расход Q2черезQ1, получим
. (1.21)
. (1.22)
Из очевидного соотношения , запишем с учетом (1.22) выражение для гидравлического уклона участка с лупингом
. (1.23)
При равенстве D = DЛвеличина.
Тогда при ламинарном режиме =0,5; при турбулентном режиме в зоне гидравлически гладких труб=0,297; в зоне смешанного трения=0,272; в зоне квадратичного трения=0,25.
Рассуждая аналогично, получим соотношение гидравлических уклонов для участков со вставкой. На участке со вставкой величина гидравлического уклона определяется из выражения
. (1.24)
Из (1.18) и (1.24) вытекает очевидное соотношение
. (1.25)
Поскольку расходы нефти в магистрали и на участке со вставкой одинаковы, т. е. Q=QВ, можно записать
. (1.26)
. (1.27)
1.5.5. Определение перевальной точки и расчетной длины нефтепровода
Перевальной точкойназывается такая возвышенность на трассе нефтепровода, от которой нефть приходит к конечному пункту нефтепровода самотеком. Таких вершин в общем случае может быть несколько. Расстояние от начала нефтепровода до ближайшей из них называетсярасчетной длиной нефтепровода. Рассмотрим это на примере нефтепровода протяженностьюL,диаметромD и производительностьюQ (рис. 1.9).
Прежде чем приступить к расстановке перекачивающих станций по трассе нефтепровода, необходимо исследовать трассу на наличие перевальной точки. Для этого на сжатом профиле трассы в соответствии с выбранными масштабами длин и высот строится прямоугольный треугольник, изображающий потери напора на некотором участке трубопровода. Построения выполняются в следующем порядке:
В горизонтальном масштабе откладывается отрезок ab, соответствующий участку нефтепровода длиной l;
Определяется значение потерь напора на трение (с учетом надбавки на местные сопротивления) для участка длиной l
.
Из точки aперпендикулярно вверх откладываем отрезокac, равный величинеhl в масштабе высот.
Соединив точки b иc,получим треугольникabc, называемый также гидравлическим треугольником. Его гипотенузаbcопределяет положение линии гидравлического уклона в выбранных масштабах.
Рис. 1.9. Графическое определение перевальной точки
и расчетной длины нефтепровода
Из конечной точки трассы с учетом требуемого остаточного напора hОТпараллельно гипотенузеbc проведем линию гидравлического уклона 1. Ее пересечение с линией профиля указывает на наличие перевальной точки. Для ее определения проведем параллельно линию гидравлического уклона 2, с расчетом, чтобы она касалась профиля и нигде его не пересекала. Место касания линии 2 с линией профиля обозначает положение перевальной точки, определяющей расчетную длину нефтепровода.
Это говорит о том, что достаточно закачать нефть на перевальную точку, чтобы она с тем же расходом достигла конечного пункта трубопровода. Самотек нефти обеспечен, так как располагаемый напор (zПТ –zK – hОТ)больше напора, необходимого на преодоление сопротивления на участке от перевальной точки до конечного пункта
где lПТ – расстояние от начального пункта нефтепровода до перевальной точки.
В этом случае за расчетную длину трубопровода принимают расстояние LP=lПТ, а разность геодезических отметок принимается равнойz= zПТ –zH. Если пересечение линии гидравлического уклона с профилем отсутствует, то расчетная длина трубопровода равна его полной длинеLP=L, аz= zK –zH.
Следует отметить, что перевальная точка не всегда является самой высокой точкой на трассе (рис. 1.9.).
Рассмотрим течение жидкости за перевальной точкой (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Течение жидкости за перевальной точкой
На интервале между перевальной точкой и конечным пунктом выделим два участка: АС длиной l1 иAKдлиной l2. Самотечное движение нефти на участкеAK обеспечивается напоромAE= i∙l2.
На первом участке располагаемый напор CMпревышает требуемый напорBM=i∙l1 на величинуBC. Следовательно, на участке АС гидравлический уклон должен быть большеi. Это возможно лишь в случае увеличения скорости течения нефти на участке АС. Как следует из уравнения неразрывности
с возрастанием скорости w площадь живого сечения потокаF должна уменьшаться. Это говорит о движении жидкости на участке АС неполным сечением трубопровода. Давление жидкости на этом участке ниже, чем в любой точке трубопровода и равно давлению насыщенных паров нефти (то есть абсолютное давление в трубопроводе меньше атмосферного). Пространство над свободной поверхностью жидкости будет заполнено выделившимися из нее парами и растворенными газами. При значительной длине самотечного участка вследствие высокой скорости потока происходит отрыв и унос парогазовых пузырьков в нижней части газовой полости. По мере удаления от самотечного участка давление жидкости возрастает, что приводит к кавитационным процессам из-за резкого схлопывания пузырьков. В свою очередь это может привести к значительной вибрации трубопровода и сопровождается повышенным уровнем шума.
Длительная работа нефтепровода на пониженных режимах перекачки является причиной продолжительного существования газовой полости за перевальной точкой. Повышенное содержание в нефти сернистых соединений может вызвать ускоренное протекание коррозионных процессов на внутренней поверхности стенки трубы над свободной поверхностью жидкости.
Если на конечном пункте нефтепровода поддерживать повышенный напор hоф(рис.1.9), то появления перевальных точек на трассе можно избежать (линия гидравлического уклона 2 будет продолжена пунктирной линией). Разница полезногоhофи требуемогоhотнапоров может быть использована, например, для привода портативной электростанции. Проект такой электростанции разработан на нефтепроводе Тихорецк–Новороссийск в районе нефтебазы «Грушовая».