книги / Транспортировка нефти, нефтепродуктов и газа

3.6.3. Особенности гидравлическогорасчета трубопроводов на НПС

При подборе технологических насосов на НПС и нефтебазах необходимо учитывать полный напор на трение, то есть на вса­ сывающем участке и нагнетательном.

(3.53)

Всасывающим участком называется участок трубопровода, подводящий нефть (нефтепродукты) к насосу, нагнетательным — после выхода из насоса.

При эксплуатации трубопроводов применяется несколько схем перекачки и обвязки технологических насосов с трубопро­ водом: «из насоса в насос», через буферный резервуар, с подклю­ ченным резервуаром и комбинированный. Насхеме 3.13 показаны эти варианты.

При подборе насосов в условиях работы нефтебаз, где длина всасывающих насосов довольно велика, характеристику трубо­ провода на оси ординат следует строить с точки H =hTm + hrm, то есть с учетом геометрических высот всасывания и нагнетания (рис. 3.12).

Основное требование, предъявляемое к всасывающему тру­ бопроводу, состоит в том, чтобы ни в одной его точке давление не должно быть ниже упругости паров перекачиваемой нефти. В противном случае вточках с низким давлением нефть закипает, образуются паровые пробки, сильно затрудняющие перекачку.

Кроме того, пониженное давление в конечной точке вса­ сывающего трубопровода, то есть во входном патрубке насоса,

ИЛМ

142

НПС-1

НПС-2

нпс-з

1 вар.

2 вар.

3 вар.

4 вар.

Рис. 3.13. Схемырежимовработымагистрального трубопровода:

1— из «насоса в насос»; 2 —с буферным резервуаром; 3 — с подключенным резервуаром; 4—универсальный вариант

может вызвать кавитацию. При кавитационном режиме из про­ текающей в насосе жидкости выделяются пузырьки паров, кото­ рые разрушаются с выходом энергии, которая вызывает эрозию металла на лопатках рабочих колес насосов и быстрый их износ. Явление кавитации сопровождается появлением характерного повышенного шума (с треском), снижением КПД, уменьшением производительности насоса.

В то же время повышение давления на всасывающей линии насоса (насосной станции) приводит к возрастанию давления на нагнетательной линии, то есть к не оправданному увеличению механической нагрузки на трубопровод. Из сказанного следу­ ет, что давление во всасывающем патрубке насоса должно быть предельно низким, но при этом обеспечивающим режим работы насосов без кавитации. Это требование особенно важно при рабо­ те НПС по схеме «из насоса в насос», то есть без промежуточного резервуара (рис. 3.10, вар. 1).

143

Очевидно, что соответствующий этому давлению допускае­ мый напор во входном патрубке насоса (принято обозначать его Япс) может быть выражен в виде:

Д>с=/\,,р/(р£) + ЛЯл0п,

(3-54)

где рупр — давление насыщенных паров перекачиваемой нефти (упругость паров);

АЯД0„ — допускаемый кавитационный запас, определяется экс­ периментально.

Запас кавитации включает в себя потерю напора от входно­ го патрубка насоса до области пониженного давления в насосе и плюс напор в этой области, гарантирующий отсутствие кавита­ ции.

Наиболее благоприятным (без проявления кавитации) режи­ мом работы для насосов будет вариант 2 перекачки через промежу­ точный (буферный) резервуар или с подключенным резервуаром. В этом случае перекачки нефть из магистрального трубопровода предыдущей НПС поступает в буферный резервуар последующей НПС. Насосы последующей станции соответственно подключены к буферному резервуару.

Процесс с подключенным резервуаром (вариант 3) заключа­ ется в том, что перед насосной станцией НПС к магистрали под­ ключается резервуар с открытой задвижкой. В этом случае, если предыдущая НПС «залавливает» последующую НПС, излишки нефти поступают в резервуар. И наоборот, в случае увеличения производительности перекачки в последующей НПС недостача нефти компенсируется из подключенного резервуара.

Режимы работы с буферным или подключенным резервуа­ ром, как было сказано выше, более благоприятны для работы на­ сосных агрегатов, так как насосы находятся всегда под заливом и с подпором на всасывании. Но в то же время эти схемы менее эко­ номичны, так как требуются дополнительные затраты на строи­ тельство и эксплуатацию буферных резервуаров. Кроме того, в бу­ ферных или подключенных резервуарах происходит интенсивное испарение нефти (нефтепродуктов), в результате чего теряется их количество, снижается качество (по причине испарения ценных легких фракций), загрязняется окружающая среда при выбросе паров нефти из резервуаров.

На рис. 3.13 приведен четвертый вариант — универсальный технологической обвязки насосов и трубопроводов, при котором можно путем закрытия или открытия задвижек на резервуаре и трубопроводе проводить перекачку по любому из выше описан­ ных вариантов.

144

3.6.4. Определение гидравлического уклона в магистрали

Гидравлический уклон трубопровода определяется с учетом принимаемых условий:

—диаметр трубопровода одинаковый по всей длине;

—отсутствуют местные сопротивления;

—расход не изменяется, то есть остается постоянным.

В координатной системе H—L на ординате откладываем величину полного напора Япол и постоянную величину напора Ah = Ягст + #оСТ. На оси абцисс откладываем точку ZTp, означаю­ щую конец трубопровода. На уровне напора Ah проводим линию в\ —в2параллельно оси абцисс до точки Ljp и находим точку в2 по­ строением вертикальной линии. Соединяем точку «а» (полного напора Япол) с точкой в2и получаем линию а - в2. Эта линия будет показывать падение напора по длине трубопровода от Япол до Ah. Тангенс угла наклона полученной прямой будет г и д р а в л и ч е ­ ск и м у к л о н о м .

Из рис. 3.14 видно, что

i = (Япол - Ягст - H0CT)/L, но Н, - ЯгсгЯост = Лтр,

(3.55)

то есть гидравлический уклон—это есть отношение потери напо­ ра на трение от сопротивления к длине трубопровода. То есть, это тангенс угла линии гидравлического уклона к линии напора, не­ обходимого на преодоление сопротивления жидкости на трение в трубопроводе.

Рис. 3.14. Линия гидравлическогоуклона

145

Линия гидравлического уклона наглядно показывает падение давления в трубопроводе по всей его трассе. По линии гидравли­ ческого уклона определяется число насосных станций, которые требуется построить на магистральном трубопроводе.

3.6.5. Уравнение баланса напоров НПС

Смысл уравнения баланса напоров аналогичен смыслу третьего закона Ньютона, гласящего в наиболее упрощенной и доходчивой форме, что энергия в природе не возникает и не ис­ чезает, а преобразуется из одного вида в другой.

Для нашего случая его можно формулировать в виде: «напор, развиваемый насосными станциями магистрального трубопрово­ да, равен его потерям в магистрали трубопровода». Тогда уравне­ ние для устоявшегося режима движения жидкости должно быть представлено в следующем виде:

dp/p = X • dx/D •v2/2 + tfv2/2+ g*dz± N/G = 0,

(3.56)

где N — мощность, N = Q • v • Яст;

G— массовый расход, G—Q *p = Q • v/g

При этом, если на пути потока поставлена турбина, ставится знак «+», если насос — «—».

Если перейти к напорам, то уравнение баланса магистраль­ ного трубопровода с несколькими одинаковыми НПС можно привести к виду

АЯ| +п ‘ Hcr= v L + n-hcl+ kz + Дсп,

(3.57)

где АЯ| — величина перед насосами НПС; п — число НПС на трубопроводе;

Яст — напор, развиваемый насосами одной НПС;

1 • L — потери напора на трение на линейной части трубопровода; Аст — потери напора на коммуникациях насосной станции, они равны потерям напора на всасывающей и на нагнетательной линиях

насосов Лст = /;пс + Л1|аг;

Az — разность геодезических отметок между конечной и перво­ начальной точками трассы трубопровода;

Якп — напор в конечном пункте нефтепровода, включая высоту резервуара, в который принимается нефть из магистрального трубо­ провода.

Баланс напоров и равенство подачи насосов расходу в тру­ бопроводе (материальный баланс перекачки) дают основание для следующего важного вывода:

146

—трубопровод и нефтеперекачивающие станции составля­ ют единую гидравлическую систему.

—изменение режима работы одной из НПС нарушит режим работы всего трубопровода, поэтому работа трубопровода и НПС всегда рассматривается в совместном варианте.

3.6.6.Уравнение баланса трубопровода на перегонах

Перегоном считается часть трубопровода, включающего в себя нефтеперекачивающую станцию (НПС) и примыкающий

кней трубопровод. Для этого элемента характеристикой трубо­ провода принято считать зависимость напора в начальной точке трубопровода от расхода, а характеристикой нефтеперекачиваю­ щей станции — зависимость напора от расхода на выходе из блока регуляторов давления. Выход из блока регуляторов принимается за начальную точку трубопровода (перегона), а конечная — точка врезки всасывающего трубопровода насоса следующей станции.

Напор на выходе из НПС равен напору в начальной точке трубопровода (перегона междустанциями). Для головного (перво­ го) участка нефтепровода, состоящего из НПС и примыкающего

кней перегона, это условие выражается в виде:

н„ +нтф— =('/,+ Az, +дЯ,.	(3.58)
Для второго участка, для участка, допустим, имеющего но­
мер с, и для последнего /7-го участка будем иметь
ДЯ2 + Яяиф _А.т= а2+ AZ2 + АЯ3-	(3.59)
А Я с + Я л„ф - Аст = *4 + Д О + А Я с+ 1,	(3.60)
АЯ„-1 + H ^ - h „ = //„+ Дг„+ ДНк,	(3.61)

где НП— напор подпорной станции на НПС; Нтф — дифференциальный напор, развиваемый основными насо­

сами НПС;

h„ — потери в коммуникациях станции;

/V, - потери напора на первом перегоне трубопровода;

Az, — разность геодезических отметок между второй ипервой НПС; ДН2— остаточный напор (подпор) в конце первого перегона.

Сложив первые с выражений, получим уравнение баланса на­ поров для участка от головной НПС до станции с+ 1, а сложив все п участков — уравнение баланса напоров для всего нефтепровода:

я „ + с(Я,,|ф- Л сг) = /1с+, + A zct, + ДЯс+„	(3.62)
H„ + n ( H ^ - h J = iL + A z + H<.	(3.63)

147

3.6.7. Определение количества Н ПС и мест ихрасстановки

Потребное число насосных станций на магистральном тру­ бопроводе с достаточной точностью можно определить по фор­ муле

n = (/X + Дг)/#ст,

(3.64)

где Яст—напор, развиваемый одной станцией, в м;

(iL+Az) — потери напора на сопротивление в трубопроводе и на преодоление разности геодезических отметок между конечной и на­ чальной точками трассы трубопровода, в м.

Полученное число НПС округляется в большую или меньшую сто­ рону. Графически это показано на рис. 3.15.

Недостатком теоретического расчета количества НПС является то, что он не учитывает в полной мере конкретные условия профиля трассы трубопровода. При таком расчете месторасположение насосной станции можетопределиться втруднодоступноминеудобномдля еестроительства и эксплуатации месте.

На практике решение задачи по расстановке на трассе трубо­ провода НПС чаще осуществляется графическим методом, который был предложен инженером В. Г. Шуховым. Смысл решения задачи состоит в том, чтобы НПС располагались в точках пересечения ги­ дравлического уклона с профилем трассы.

В соответствии с проведенным гидравлическим расчетом трубопровода становится известным общая потеря напора, и по из-

Рис. 3.15 Теоретическое определение числа НПС

Примечание: Для наглядности чертежа сумма гидростатического напора и оста­ точного напораAz+tfKприняты равным нулю.

148

вестным характеристикам можно графически определить число на­ сосных станций простым построением уклонов от головной станции трубопровода по всей трассе трубопровода (рис. 3.15). Кроме того, изменением диаметра рабочих колес и числа оборотов центро­ бежных насосов можно менять их характеристику в известном соотношении:

DJDX= QJQ{	DJD, =	(3.65)
V « i = QJQ\	« А = ^Щн,.	(3.66)

Это очень важно, так как, изменяя диаметр рабочего колеса насоса, можно изменять величину напора на его выходе и изменять на графике положение линии гидравлического уклона по верти­ кали. Обычно центробежные насосы для НПС комплектуются рабочими колесами с четырьмя диаметрами, но можно изменять диаметры рабочих колес обычной обточкой. Если необходимо, чтобы характеристика насоса проходила через точку с координа­ тами (?2, Я2, находящуюся подхарактеристикой, соответствующей диаметру колеса Я2, то диаметр колеса после обточки может быть найден по формуле

D ^D dW + bQ J/a,

(3.67)

где а и b — постоянные величины, определяемые обработкой ко­ ординат точек, взятых из рабочей области характеристики насоса, характеризуют ее крутизну.

Более наглядное представление о методе В. Г. Шухова полу­ чается при определении числа НПС на горизонтальном профиле трубопровода.

Для этих целей в координатах Н — Lпараллельно оси абсцисс откладывается линия, соответствующая напору ДЛ, необходимо­ му в конце перегона для преодоления потери сопротивления на трение в коммуникациях НПС и на преодоление разности геоде­ зических отметок и на закачку резервуара (на рис. 3.16 эта линия для наглядности не откладывается, то есть этот напор принима­ ется равным нулю).

Далее откладывается на оси ординат точка, соответствующая максимальному напору Ямах, развиваемому насосом с максималь­ ным диаметром рабочего колеса. Из этой точки откладывается линия гидравлического уклона до пересечения с линией /.(точ­ ка 2") Это будет местонахождением второй НПС на трассе тру­ бопровода. Затем через эту точку от оси абциссы вновь прово­ дится вертикальная линия до горизонтальной линии Ямах, из

149

н

Рис. 3.16. Схема расстановки нефтеперекачивающих станций:

—— Линия гидравлических уклонов при теоретическом расчете числа НПС

—• — • — — Линия гидравлического уклона и число НПС с минимальным диаметром рабочейго колеса

м■ ■ — — Линия гидравлического уклона и число НПС с максимальным диаметром рабочего колеса

полученной точки пересечения вновь откладывается линия ги­ дравлического уклона до пересечения с линией L. Полученная точка пересечения будет местонахождением НПС № 3 и так далее. Из рисунка 3.16 видно, что трех НПС недостаточно, а строитель­ ство четвертой НПС будет нерациональным. При минималь­ ном диаметре колеса насоса потребуется установить пять НПС (1',2',3',4',5').

Построив линии гидравлического уклона для других диа­ метров колес, мы найдем оптимальный вариант. При этом не­ обходимо всегда учитывать, что строительство каждой дополни­ тельной НПС значительно увеличивает стоимость строительства трубопровода и эксплуатационные расходы.

Далее повторяем аналогичное построение графика измене­ ния гидравлического уклона для рабочего колеса с минималь­ ным диаметром (см. пунктирнуюлиниюнарис). Во втором случае необходимо будет построить 7 или 8 НПС. Повторив операции со 2 и 3 штатными колесами, можно с достаточной точностью определить оптимальное количество НПС, которое необходимо расположить по трассе трубопровода, и найти их местонахожде­ ние.

150

Определение числа НПС на горизонтальном профиле, ко­ торый рассмотрен выше, не учитывает условий местности в рас­ четных точках расположения НПС. Иногда требуется перемещать их расположение в ту или иную сторону. Например, нельзя будет строить НПС на болоте, у берега реки и так далее. Поэтому при проектировании необходимо определять зону возможного сме­ щения НПС.

Определение границ этих зон связано с выполнением требо­ вания напор на выходе любой НПС не должен выходить за пре­ делы Нтах и tfmin, соответствующие максимальному и минималь­ ному диаметру рабочего колеса и условию прочности трубопро­ вода.

Прием нахождения зон возможного расположения НПС мо­ жет быть показан наиболее просто для трубопровода с горизон­ тальным профилем (рис. 3.17).

Для этого необходимо повторить построение линии гидрав­ лического уклона, но уже без учета напора АИ. От начальной точки профиля трассы, где должна быть расположена первая станция, откладываем по вертикали вверх напоры # mjnДА и tfmaxДА.

От концов отрезков tfminДА и # тах-ДА проводим линии гид­ равлического уклона до пересечения с профилем. Получим точки

а2и Ьг

Рис. 3.17. Схема расстановки нефтеперекачивающих станций

151