Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов 3 курс / UP_KrausYuA_PEMNP

5.2.4 Гидравлический расчёт простого трубопровода с самотечными участками

При движении нефти, давление в ней падает, причем, чем выше скорость движения, тем больше потери давления на единицу длины трубопровода. Если абсолютное давление нефти P при этом достигает значения равного ДНП при данной температуре P_S, то в данном месте потока наблюдается интенсивное парообразование и выделение газов, что может привести к кавитационным процессам или нарушению сплошности потока. Течение жидкости в описанном случае может быть самотечным расслоенным или иметь более сложную (пробковую) структуру, в которой порции жидкости чередуются с парогазовыми пузырями.

Самотечное расслоенное течение является разновидностью безнапорного течения, при котором жидкость движется неполным сечением под действием силы тяжести, причём остальная часть сечения трубы занята парами этой жидкости. Участки, на которых возникают указанные течения, называются самотечными. При этом давление в парогазовой полости самотечного участка остаётся практически постоянным и равным ДНП нефти. Стационарные самотечные участки могут существовать только на нисходящих участках трубопровода. Начало каждого самотечного участка, которое всегда совпадает с одной из вершин профиля, называется перевальной точкой, причём таких точек может быть несколько. Однако отметим, что не всегда самая высокая точка трассы является перевальной (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3. Перевальной точка и расчетная длина нефтепровода

Из рис. 5.3. видно, что причиной появления самотечных участков может быть снижение расхода в трубопроводе, обусловленное снижением давления в начальном сечении с p”_н до p_н (переход на пониженный режим перекачки). Однако при возврате к прежнему давлению не удаётся достичь прежнего значения расхода, так как образовавшиеся парогазовые скопления создают дополнительное сопротивление, а процесс их растворения продолжается длительное время. Таким образом, возврат к прежнему расходу будет осуществлён в течение достаточно продолжительного периода времени.

Растворения парогазового скопления происходит, если скорость потока достаточна для отрыва и уноса парогазовых пузырьков из нижней части газовой полости вниз по течению, при этом по мере удаления от самотечного участка давление жидкости возрастает и пузырьки схлопываются, вызывая кавитацию. Это может привести к значительной вибрации трубопровода и сопровождается повышенным уровнем шума. При дальнейшем увеличении скорости потока до определённого значения скопление страгивается с места и выносится потоком целиком (единой пробкой) и может достичь резервуара на конечном пункте нефтепровода. Сопровождающий это явление гидравлический удар приводит к повреждению резервуаров и их оборудования.

Наличие самотечных участков приводит к увеличению давления в начале трубопровода, а значит требует более высоких затрат энергии на перекачку. Если продлить линию гидравлического уклона за самотечным участком до начального сечения, то можно определить p’_н, которое необходимо для перекачки нефти с тем же расходом по трубопроводу тех же длины и диаметра, но без самотечных участков. Из рис. 2.3. видно, что p’_н< p_н.

Перекачку с той же производительностью, но без самотечных участков можно организовать при увеличении давления в конце трубопровода до p_Ф. Разница полезного и требуемого давления может быть использована, например, для привода небольшой электростанции (проект такой электростанции разработан для нефтепровода Тихорецк–Новороссийск в районе нефтебазы «Грушовая» [2]).

При появлении самотечного участка между промежуточными НПС, участки МН до и после перевальной точки перестают быть гидравлически связанными. Если по какой-либо причине производительность участка после перевальной точки возрастет, а на начальном участке будет сохраняться на прежнем уровне, давление на всасывании перекачивающей станции следующей за перевальной точкой начнет снижаться и может достигнуть нижнего допустимого предела.

Повышенное содержание в нефти сернистых соединений может вызвать ускоренное протекание коррозионных процессов на внутренней поверхности стенки трубы над свободной поверхностью жидкости.

При гидравлическом расчете трубопровода с самотечными участками уравнение (5.11) преобразуется к следующему виду

, (5.15)

где L_р – расчётная длина МН, за которую принимается расстояние от начального пункта до ближайшей перевальной точки, м;

z’=(z_П–z_Н) – разность геодезических отметок перевальной точки и начального пункта, м;

p_y=(P_s–P_a) – упругость паров нефти, которая может быть как положительной, так и отрицательной, Па. Однако как правило для нефтей (при p_y<0) согласно [3, 25, 26] третьим членом в уравнении (5.15) пренебрегают.

Рассмотрим течение жидкости за перевальной точкой (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Течение жидкости за перевальной точкой

Линия гидравлического уклона на самотечном участке проходит параллельно профилю трубопровода на расстоянии p_y/(g), откуда следует, что гидравлический уклон на самотечном участке равен тангенсу угла наклона профиля трубопровода к горизонту i=tgα_п.

Так как согласно уравнению (5.1)

то скорость движения жидкости на самотечном участке w больше скорости течения жидкости на заполненных участках трубопровода w₀ поскольку при том же расходе площадь S, занятая жидкостью на самотечном участке меньше площади полного сечения трубы S₀. Отношение указанных площадей

называется степенью заполнения сечения трубопровода, которую в зависимости от отношения гидравлического уклона полностью заполненного участка к гидравлическому уклону самотечного участка

можно определить по одной из следующих аппроксимационных зависимостей, приведённых в таблице 5.3 [9, 23].

Таблица 5.3

Степень заполнения σ	Критерий	Примечания
1	γ1	Сечение заполнено полностью
	32,32λ₀  γ < 1	Сечение заполнено не полностью
	4,87λ₀  γ < 32,32λ₀
	γ < 4,87λ₀

Протяжённость самотечного участка можно определить графически или выразив из уравнения Бернулли для участка AK (см. рис. 5.4)

. (5.16)

Геодезическую отметку конца самотечного участка z_A можно определить, зная z_П и координаты ближайшей точки трассы x и z_x, из простых геометрических соотношений

(5.17)

Подставляя уравнение (5.17) в (5.16) и выражая l_с.у. получим

. (5.18)

Для нахождения перевальной точки достаточно определить избыточное давление в каждой вершине профиля, начиная с конца: если p<p_y, то вершина является началом самотечного участка, с учётом этого находятся избыточные давления в следующих вершинах. Ближайшая к началу нефтепровода вершина, являющаяся началом самотечного участка, и будет перевальной точкой.

Содержание