6. Гидравлическое сопротивление трубопроводов. Методика их расчета.

При проектировании промысловых трубопроводов основной задачей является оценка потерь напора (м) или давления (Па) на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих при движении реаль­ных жидкостей и газов. Потери давления зависят от диаметра трубопровода, состояния его внутренней по­верхности стенок (гладкие, шероховатые), количества прокачиваемой жидкости и ее физических свойств (вязкости и плотности) и определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

где ΔР - перепад давления, обусловленный трением. Па; h - потери напора на трение, м; 1 и D -соответственно длина трубопровода и его внутренний диаметр, м; v - средняя скорость жидкости, м/с; g -ускорение свободного падения, м/с²; р - плотность жидкости, кг/м³; \ - коэффициент гидравлического со­противления, зависящий от режима движения жидкости и относительной шероховатости внутренней стенки трубы.

Режим движения жидкости в трубопроводе характеризуется параметром Рейнольдса:

где Gv - объемный расход жидкости, м³/с; v - кинематическая вязкость жидкости, м³/с; р - дина­мическая вязкость жидкости, Па*с.

Если течение жидкости в трубе ламинарное (Re < 2320), то коэффициент гидравлического сопротив­ления определяется по формуле Стокса: Х = 64/Re и не зависит от шероховатости стенок трубы.

При турбулентном режиме течения жидкости, когда Re . 2320, для определения ^ имеется целый ряд полуэмпирических формул. Наиболее применима формула Блазиуса, дающая достоверные показатели:

А. = 0,3164/Re⁰-²⁵

Источник: Покрепин Б.В Сбор и подготовка скважинной продукции.-М.: ГУ УМК по горному, нефтяному и энергетическому образованию, 200о. – 108с.

7. Гидравлический расчет магистральных нефтепроводов. Подбор и расстановка насосных агрегатов по трассе нефтепроводов.

• В зависимости от конфигурации промысловые трубопроводы делятся на простые и сложные. Простым называется трубопровод с постоянным диаметром без ответвлений на пути движения жидкости, сложным - трубопровод, состоящий из основной магистральной трубы и ряда отходящих от нее ответвлений.

Перепад давления в простом "рельефном" трубопроводе определяется с учетом разности геодезических отметок Дг:

Величина Дг = А z, берется положительной, когда сумма участков подъема больше суммы участков спуска трубопровода, и отрицательной, когда сумма участков подъема трубопровода меньше суммы участков спуска трубопровода.

При гидравлических расчетах трубопроводов (особенно небольшой длины до 1 км) необходимо учитывать местные сопротивления, к которым относятся задвижки, краны, регулирующие клапаны, повороты, колена и т. д.

Потерю напора на местные сопротивления h„c обычно определяют по формуле:

где v - средняя скорость движения жидкости в сечении потока за местным сопротивлением; С, -коэффициент местного сопротивления, зависящий от Re, формы местного сопротивления и шероховатости, а для запорных устройств - от степени их открытия. Значения местных сопротивлений определяются по спе­циальным таблицам.

Таким образом, полный перепад давления с учетом местных сопротивлений и рельефа местности определится из формулы:

Гидравлический расчет простого трубопровода сводится к определению одного из следующих пара­метров: пропускной способности gv; необходимого начального давления Р„; диаметра трубопровода D.

Расчет самотечного трубопровода.

Нефть в напорно-самотечных (при отсутствии газовой фазы) и свободно-самотечном (когда имеется газовая фаза) трубопроводах движется за счет разности геодезических отметок начала и конца трубопрово­да. Если разность отметок начала z„ и конца zk трубопровода отрицательная, т. е. z„ - z,; ⁼⁼ - Az, то по трубопроводу нефть не может течь и он не будет называться самотечным, и наоборот, если Az > 0, то нефть по трубопроводу будет двигаться и он называется самотечным,

Гидравлический расчет напорно-самотечного трубопровода круглого сечения проводится по формулам Дарси-Вейсбаха, а расчет свободно-самотечного трубопровода - по формулам открытых каналов

Свободно-самотечный трубопровод имеет следующую гидравлическую особенность: наибольший расход и скорость могут быть в нем достигнуты при не полном, а частичном заполнении жидкостью (рис.3.1, а). Это объясняется тем, что при заполнении верхней части сечения круглой трубы смоченный периметр растет быстрее, чем площадь s^^D^/A. Поэтому начинает уменьшаться гидравлический радиус сечения R (R= s/^=^l*D²f4*•п.^:'^fD•^:гD/'4), увеличиваются гидравлические сопротивления (h=X*l/2*R* v²/2*g), что приводит к уменьшению скорости v и расхода Gv.

Рис. 7 Свободно-самотечный трубопровод.

а - сечение трубопровода со свободным уровнем жидкости;

б - кривые зависимости модуля расхода А и модуля скорости В от отношения h/ho (А=К/Ко; B=w/wo).

На рис. 7, а показан трубопровод круглого сечения с частичным заполнением жидкостью. Пользуясь графи­ком (рис. 21, б), можно

скорость м и расход жидкости Gv определить по формулам:

Модуль расхода k определится из формулы:

Модуль скорости w определится из формулы:

При гидравлических расчетах самотечных трубопроводов решают следующие задачи: 1) определение пропускной способности данного трубопровода; 2) определение уклона трубопровода для пропуска заданного расхода жидкости с известной глубиной заполнения h: 3) определение глубины наполнения трубопровода ho для пропуска данного расхода жидкости Gy при известном уклоне трубопровода i.

Гидравлический расчет трубопроводов при движении в них нефтегазовых смесей.

На промыслах 70 % трубопроводов транспортируют нефтегазовые смеси, то есть являются трубопроводами с неполным заполнением сечения.

Рис. 8. Структуры газожидкостных потоков в горизонтальных трубах.

а - пузырьки газа в верхней образующей; б - начало образования газовых пробок; в - разделенная структура; г - пробково-диспергированная: д - пробковая; е - пленочно-диспергированная.

В зависимости от количества нефти и газа, протекающих по трубопроводу, может образоваться не­сколько структур течения, характеризующих взаимное расположение газовой и жидкой фаз в процессе их движения (рис. 8). Последовательность указанных на рисунке структур объясняется постепенным увеличением газовой фазы в потоке нефти. Трубопроводы с первыми двумя структурами потока без особых погрешностей можно рассчитывать по формулам Дарси-Вейсбаха.

Основная задача, возникающая при гидравлическом расчете трубопроводов, транспортирующих неф­тегазовые смеси, - определение перепадов давления. Расчетное уравнение для "рельефных" (негоризонталь­ных) нефтепроводов записывается в следующем виде:

∆P = ∆Pтр см + ∆Pсм

где ∆P - перепад давления, обусловленный весом столба газожидкостной смеси, а для горизон­тального трубопровода это значение отсутствует.

Перепад давления- обусловленный гидравлическим сопротивлением нефтегазового потока, можно определять по формуле:

где λ см - коэффициент гидравлического сопротивления, который находится по формуле:

Число Рейнольдса для смеси определяется как:

Кинематическая вязкость двухфазного потока Vсм определяется по формуле Манна:

где р. - объемное расходное газосодержание двухфазного потока:

где G, и Он - соответственно объемный расход газа и нефти при средних давлении и температуре в трубопроводе.

Плотность нефтегазовой смеси р.„, определяется из выражения:

где рц и рг - соответственно плотность нефти и газа при средних давлении и температуре смеси в трубопроводе; <р. - истинное газосодержание нефти определяется как отношение площади сечения потока, занятого газовой фазой Sr, к полному поперечному сечению потока s, то есть:

Вся трудность решения задач, связанных с движением нефтегазовых смесей по трубопроводам, сво­дится к отысканию закономерности изменений истинного газосодержания (р, зависящего от физических свойств нефти и газа, их расхода, диаметра и наклона трубопровода. Закономерности изменения (р от ука­занных параметров устанавливаются только опытным путем при помощи мгновенных отсечек потока или просвечивания труб гамма-лучами.

Общий перепад давления в "рельефном" трубопроводе, обусловленный гравитационными силами и силами трения смеси, определяется из уравнения:

где Zп и Zсп - высоты отдельных восходящих (подъемов) и нисходящих (спусков) участков трубо­провода; pп и pсп - плотность смеси соответственно на подъемах и спусках, определяемая из формул:

Источник:

Коршак А.А., Нечваль А.М. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов. – СПб: Недра, 2008. – 488с.