Сухарев М.Г., Карасевич А.М. Технологический расчёт и обеспечение надёжности газо- и нефтепроводов

Подождите немного. Документ загружается.

()

gdpdT

TгрT

cdx

∆ρ

−−=

dxzT

Rdx

qzTq

dhpg

−−−=−

∆λ

∆

(1.3.4)

Будем аппроксимировать профиль трассы кусочно-линейной функцией. В первом

равнении системы (1.3.4) положим T(x) = cons

ункци

у t = T

cр

и заменим при вычислении z(p,T) и

ф и p(x), T(x) их средними значениями. Тогда получим

() ()

2522

1LD

⎥

⎦

⎢

⎣

∑

⎡

−

⎤

в начале и конце участка, l

, h

(i = 1,...,n) - задают аппроксимацию про-

трассы

или снижение концевых точек этой

относительно

++=+−

λ∆α

, (1.3.5)

где p

, p

- давления

филя , l

- длина i-й части, h

, h

i+1

- превышение

части начальной точки, h

= h

n+1

- аналогичная величина для конечной точки

участка,

∑

- длина участка,

(

)

zpT Tz

p cp cp cp cp

==,, /, ,

∆ 14 64

ср

– среднее

()

интегральное давление

[

]

pp/

kн

kнcp

Если [q] = млн.м

/ тки, [р] = МПа, [L] = км, то с = 9,0553

⋅

-5

чается

упрощениях

- зводная

су

В случае, когда трассу можно считать горизонтальной, формула (1.3.5) упрощается

−

=−

λ∆

. (1.3.6)

Распределение температур полу из второго уравнения системы (1.3.4) при следующих

- член с производной dh/dx опускается,

прои

dx p

заменяется выражением

(

)

Lp2/

p −

в фун еняются их средними значениями p

, T

е уравнение (1.3.4), получаем

- кциях Di, c

аргументы p(x), T(x) зам

Тогда, интегрируя 2-

()

(

kн

−

)

ср

гр

bLр

DieT

−

−−−

. (1.3.7)

гр

TTxT +=

Здесь Т

гр

- расчетная температура окружающей среды, Т

- температура газа в начале

частк

у а газопровода,

pHc1

cq/DKcb

∆

, [c

] = кDж/кг

⋅

К, [Di] = К/МПа, [К

] = Вт/м

⋅

К,

[x] = км, размерности остальных параметров те же, что и в формуле (1.3.5), с = 0,225.

Формула (1.3.7) позволяет получить среднюю интегральную температуру

() ()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎡

−−

−

−bL

bLbLp

, (1.3.8)

которая фигурирует в формулах (1.3.5), (1.3.6) для расчета давления.

Последнее слагаемое в формулах (1.3.7), (1.3.8) обусловлено снижением

при движении газа по трубе из-за эффекта Джоуля-Томсона. Чем больше расход газа, тем

более значимо влияние этой составляющей. Для труб малого диаметра эффектом Джоуля-

ошение (1.3.7) переходит в формулу Шухова, ко-

торая

, p

если и ь итерационную процедуру.

начальным приближением

⎣

−−

−

грн

грcp

iDe

TT 1

температуры

Томсона можно пренебречь, и тогда соотн

была регламентирована в предыдущих выпусках нормативов.

Формулы (1.3.5) [или (1.3.6)] и (1.3.8) позволяют определить одну из величин q, p

звестны две других. Для расчета необходимо построит

Действительно, пусть, к примеру, задача состоит в том, чтобы найти p

при заданных q и p

Для вычисления z

, T

, необходимо знать р

, которое зависит от p

. Другими словами в

формуле (1.3.5) p

присутствует не только в левой части, но и неявным образом в правой час-

ти через T

, z . Поэтому следует задаться

()

(

)

cp cp

, p

cp cp

, а далее

асчетр строить итеративно. На i - ой итерации сначала находится

()

из формулы (1.3.5), в

правой части которой

()

(

)

(

)

(

)

TT zp T

cp cp

−−−111

,, z

, а затем при этом

(

)

скоррек-

тированные значения

Процедура останавливается, ког

() ()

, T

да

(

)

(

)

−<

, где

- заданная величина, оп-

[14]. Формулы для гидравлического расчета дифференцируются в

висим ти от рабочего давления. Газопроводы систем газоснабжения подразделяются на:

ределяющая точность расчета. Как показывает опыт, обычно требуется не более двух-трех

итераций.

1.3.2. Нормативные формулы для расчета систем газоснабжени

Выбор параметров при проектировании систем газоснабжения регламентирован нор-

мативным документом

за ос

- опроводы высокого давления I категории с рабочим давлением от 0,6 до

- газопроводы высокого давления II категории с рабочим давлением

газ

1,2 МПа,

от 0,3 до 0,6 МПа,

газоп влением от 0,005 до 0,3 МПа,

газопр МПа.

101273,0

−−

⋅=−

(1.3.9)

Однако единицы измерения величин по соображениям удобства при расчете приняты

ругим

ормуле (1.3.9) и далее в этом п. приведены к темпера-

ре 0

тр

вычисля-

тся по формуле

- роводы среднего давления с рабочим да

- оводы низкого давления с рабочим давлением до 0,005

Для гидравлического расчета газопроводов среднего и высокого давления предписы-

вается формула, очень близкая к (1.3.6)

тр

ρλ

25322

qLD

д и: [q] = м

/ч, [D] = cм, [L] = м, [p] = МПа, [

] = кг/м

Плотность газа

и расход q в ф

ту

С и давлению 0,101 МПа. Коэффициент гидравлического сопротивления

⎝

⎜

⎠

⎟

011

. (1.3.10)

0,01, для полиэтиленовых тру 0,002

⎛ ⎞

Эквивалентная шероховатость К

([К

] = см) принимается равной для стальных труб

б .

Число Рейнольдса Re выражается через кинематическую вязкость

([ ] = м /с) при

ре 0

С и давлении 0,101 МПа

ν ν

температу

Re ,= 00354

в отличие от вносится не Расчетный запас магистральных газопроводов в коэффици-

, а в длину. Расчетная длина L регламентируется формулой

ент

LL L

∑

(1.3.11)

где L

- действительная длина,

∑

- сумма коэффициентов местных сопротивлений участка

газопровода длиной L, L

- эквивалентная длина прямолинейного участка, потери давления

на котором равны потерям давления на местном сопротивлении со значением коэффициента

=1.

= 0,155

⋅

-3

⋅

Re,

Эквивалентная длина определяется в зависимости от режима течения:

для ламинарного режима Re

≤

2000

для критического режима течения 2000 < Re

≤

4000

= 4,12D

⋅

-0,333

для урбулентного течения

тр

100

П счете сетей низког вления сжимаемос а оказывает очень ое влияние

на плотн Поэтому при выв уравнения движен отность можно считать постоян-

ной величиной. Закон сохранени личества движени ведет для стационарного течения

к форму язывающей переп авления (а не пе квадратов давлен расходом

газа. Пер давления называе апором.

Расчетная формула для с низкого давления вид

−=

⋅≤

≤

⎧

⎨

⎪

−

4 10 2000

157 4000

41 52

13 5 2

Re Re

,Re Re

, 2000 <

, (1.3.12)

х любых флюидов. При течении

жидкости в длинных трубопроводах эффект сжимаемости обычно несущественен, поэтому

равнением состояния служ

арного (1.3.1). Полагая

ри ра о да ть газ мал

ость. оде ия пл

я ко я при

ле, св ад д репад ия) с

епад тся н

етей имеет

LD q

−−

LD q

тp

⎩

⎪

−

627 4000

λρ

где

тр

определяется по формуле (1.3.10).

1.4. Стационарные течения нефти и нефтепродуктов в трубопроводах

1.4.1. Стационарное изотермическое течение жидкостей

Законы сохранения массы, количества движения и энергии в той форме, как они пред-

ставлены в р.1.1.2-1.1.4, имеют место для течения в труба

у ит соотношение

= const. (1.4.1)

Относительно небольшие скорости течения позволяют для жидкостей, как и для га-

зов, пренебречь членом

по сравнению с р в системе (1.1.7) и для исследования стацио-

н изотермического течения пользоваться соотношением

const, получим

−+=

−

, (1.4.2)

где индексы н, k относятся к начальной и конечной точкам трубопровода. Левая часть фор-

улы имеет простую физическую интерпретацию: величина

- это высота,

на которую поднимется жидкость в пьезометре под действием избыточного давления р

, то

H =

есть начальной точке трубопровода. Аналогичный смысл имеет величина

Hpg

высот

Значит, формула (1.4.2) выражает зависимость разности напоров от расхода и разности пье-

зометрических

−+=−=

Коэффициент гидравлического сопротивления

принято представлять различными

аналитическими выражениями в зависимости от числа Рейнольдса

Re=

πν

В зоне ламинарных течений Re < 2000

. (1.4.3)

ри турбулентном течении пользуются различными эмпирическими формулами, из

них простой вид имеет формула Альтшуля

⎛

⎝

⎜

⎞

⎠

⎟

011

025

. (1.4.4)

При

Re/ > 500

вторым слагаемым в скобках можно пренебречь, и

оказыва-

ется от Re. Это зона квадратичного трения.

Для аналитических расчетов

не зависящим

удобно пользоваться формулой Лейбензона

, (1.4.5)

где дл

0,25, А = 0,3164, в зоне квадратичного

рения m

я ламинарного течения А = 64, m = 1, для турбулентного течения при относительно

небольших числах Рейнольдса - в зоне Блазиуса - m =

т = 0,

= 0,11(К

/D)

0,25

Нормативами технологического проектирования магистральных нефтепроводов [ 15]

регламентируется следующая формула

+<<

⎨

⎪

⎩

⎪

−

0 3164

025

,Re,

, Re , Re Re

,Re ,

2800 < Re < Re

Re > R e

(1.4.6)

()

⋅

−⋅

⎧

⎪

−

016 13 10

Re ,

,Re ,

Re < 2000

2000 <

Re < 2800

Значения параметров Re

, Re и B приведены в табл. 1.2 в зависимости от наружного

диаметра трубы D .. При этом для труб диаметром до 377мм включительно приняты абсо-

лютная шероховатость К = 0,125мм, а для труб большего диаметра К =0,100мм.

1.4.2. Стационарное неизотермическое течение нефти и нефтепродуктов

Распределение температуры вдоль трубопровода при перекачке подогретой нефти оп-

ределяется из уравнения баланса энергии. Соотношение, аналогичное (1.3.7) для нефти

удобно записать в виде

T(x)=T

гр

+(T

-T

гр

)e , (1.4.7)

где b =

. Формула (1.4.7) получена выдающимся русским

⋅

-3

⋅

-3

⋅

1 2

э э

-bx

/cq

, c - теплоемкость нефти

инженером В.Г.Шуховым более 100 лет назад и носит его имя.

Таблица 1.2

Значения параметров для расчета гидравлического сопротивления магистральных нефтепро-

водов

, мм

219

273

325

377

820

110

1000

1800

3200

3900

5000

157

151

147

143

134

130

126

123

1200

1600

426

2500

530

630

720

920

1020

1220

100

115

120

125

4500

5500

6000

6800

124

122

121

120

Формула (1.4.7) и уравнение (1.3.1) служат основой для модели нестационарного не-

изотермического течения нефти. К ним надо, однако, добавить зависимость физических ха-

рактеристик нефти от температуры. Наиболее существенное влияние на потери напора ока-

зывает вязкость. В зависимости от состава (консистенции) при перекачке нефтей могут про-

являться не только вязкие, но и пластические свойства. Не желая рассматривать вязко-

пластические эффекты при течениях в трубах приведем ссылку на две монографии, посвя-

щенные этой проблеме [17,18]. Здесь же ограничимся случаем ньютоновской вязкости и

примем для кинематической вязкости формулу Рейнольдса

()

−

νν

. (1.4.8)

Здесь

- кинематическая вязкость при температуре Т

, а

- эмпирический коэффициент.

В формуле (1.4.2) зависимость от тем д-

равлического сопротивления

. Если

выразить соотношением (1.4.5) и учесть определение

числа Рейнольдса, то уравнение (1.3.1) примет вид

пературы проявляется через коэффициент ги

mm2

−−=

−

, (1.4.9)

где

- числовой множитель.

Если

заменить средним значением, то уравнение (1.4.9) интегрируется непосредственно.

Его решение записывается в форме (1.4.2)

−+=

−

∆

. (1.4.10)

Множитель

∆

m2− m

вводится для того, чтобы учесть неизотермичность в радиальном на-

правлении. Среднее значение функции

(Т) при использовании формул (1.4.7) и (1.4.8) бу-

дет выражаться интегралом

(

[

∫

−=

Tmaexp

νν

)

()

]

=−−

dxbxexpT

()

[]

()

][]

()

[

{}

bLp

−

exTTmaEiTTmaEiTTmaexp

гpн1гpн1гp01

−−−−−−=

(1.4.11)

где Ei - интегральная показательная функция

()

∫

∞−

dze

xEi

. Поправочный множитель

газа, аккумулированного в трубах. Причем, эти изменения

столь зна-

∆

вычисляется по формуле: для ламинарного течения

()

∆

= 09

νν

для турбулент-

ного течения

∆

=1,

- вязкость нефти при средней температуре грунта,

- при средней

температуре флюида, вычисляемой по формуле Шухова.

Стремление к уточнению поправочных коэффициентов должно быть соразмерено с

точностью самой модели течения, в частности с точностью выполнения закона теплопереда-

чи к грунту (1.1.5), возможностей определения коэффициента К

ср

и т.д. К тому же следует

учесть, что расчетный “запас прочности”, определяемый проектными нормами, превышает

эффекты от введения поправочных коэффициентов, уточняющих влияние неизотермичности

течения на гидравлическое сопротивление трубопроводов.

Подробное изложение вопросов, связанных с гидравлическим расчетом нефтепро-

дуктопроводов, дано в книге [37].

1.5. Нестационарные течения в длинных трубопроводах

1.5.1. Эффекты нестационарности при течениях в трубопроводах для газа и несжи-

маемых жидкостей весьма отличаются друг от друга.

При внезапном (быстром) перекрытии трубопровода, перекачивающего капельную

жидкость, возникает явление гидравлического удара, исследованное впервые в классической

работе Н.Е.Жуковского. Гидравлический удар представляет опасность: он может привести к

разрыву трубы и выходу из строя перекачивающего оборудования. В математическом плане

гидравлические удары связываются с ударными волнами. Система уравнений, описывающая

нестационарное течение капельной жидкости относится к гиперболическому типу и допус-

кает решения вида ударной волны. Мы не ставим перед собой задачу объяснить модели для

исследования гидравлического удара в трубах.

Ударные волны в длинных газопроводах также имеют место, но эти волны относи-

тельно слабо влияют на технологические объекты и не доставляют особых неприятностей

при их эксплуатации. Объясняется это небольшими по сравнению со скоростью звука скоро-

стями течения в магистральных газопроводах. Для них нестационарность течения проявляет-

ся в изменении объема

чительны, что должны учитываться при составлении балансов газотранспортных предпри-

ятий. Изменение давления газа и объемов, аккумулированных в трубах, происходит при

штатных режимах довольно медленно. Большие скорости газа и быстрые изменения пара-

метров процесса характерны только для аварийных, нештатных ситуаций.

Сжимаемость газов приводит к тому, что режимы газопроводов инерционны, резкие

изменения, например, при включении и выключении агрегатов, перекрытии задвижек, демп-

фируются, сглаживаются. Ниже приводятся уравнения, характеризующие эти явления.

1.5.2. Нестационарные течения газа

Систему (1.1.1), (1.1.3), (1.1.4) используют для описания нестационарных течений

флюидов в трубопроводах. Из-за относительно малых скоростей течения (намного меньше

скорости звука) в уравнениях можно провести упрощения, пренебрегая членом w

по сравне-

нию с членом p/

. Получим следующую систему уравнений

xft

∂

∂ρ

()

TTDK

ргc

−+=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−−=+

ρ∂

∂

∂ρ

∂

(1.5.1)

Полная энергия Е единицы массы может быть выражена через энталь-пию i

=− +

. (1.5.2)

В работе [16] для вычисления энтальпии рекомендуется формула

dTci

∫∫

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+=

−

∂

∂ρ

. (1.5.3)

Здесь

()

ccpT

- теплоемкость газа при постоянном объеме. Производная

∂ρ ∂

−1

вычисляется при постоянном давлении. При сравнительно медленных течениях

в длинных трубопроводах кинетическая энергия единицы массы газа

составляет незна-

чительную долю полной энергии, и соответствующие слагаемые могут быть опущены в по-

следнем уравнении системы (1.5.1).

Используя уравнение состояния (1.1.8), соотношения (1.5.1) можно рассматривать как

систему уравнений в частных производных относительно неизвестных функций

(

x,t

)

(

x,t

)

(

x,t

)

Для ее численного интегрирования применяют методы конечных разностей или ко-

нечных элементов.

Так же, как и для случая стационарных течений, систему можно “расщепить”, считая

во 2-м уравнении функцию

(

x,t

) постоянной. Тогда первые 2 уравнения (1.5.1) дадут совме-

стно с (1.1.8) полную систему для определения неизвестных, например,

(

x,t

)

, M

(

x,t

∂ρ

∂

dxx

∂

−−=+

(1.5.4)

Решение системы (1.5.4) будет полностью определено, если задать начальные и гра-

ничные условия. В качестве начальных условий обычно рассматривают стационарное тече-

ние

(

x,0

)

= const, p

(

x,0

)

= p

(

)

где

(

) является решением соответствующей системы

уравнений (см.п.1.1). Как показывает анализ, система (1.5.4) относится к параболическому

типу. Чтобы граничные условия были корректными, их надо задавать на разных концах от-

резка интегрирования. Например функций

(

0,t

)

(

L,t

) или

Система (1.5.4) нелинейна из-за члена во 2-м уравнении, содержащег множитель

, естественным будет задание

(

0,t

)

(

L,t

) и т.д.

MM /

. И.А.Чарный ил заменить этот член линейным, указав несколько

возможных способов линеаризации. Это предложение большой резонанс, жив

достатки, которые обычно сводятся к тому, что либо нарушается усло

[3] предлож

имело послу

отправной точкой огромного числа работ. Однако любая линеаризация имеет весомые не-

вие материального

лне приемлемую для исследования нестационарных квазиизотермических течений.

Она со

ьзование системы гиперболического типа, решения кото-

рой могут иметь особенности типа ударной волны.

баланса, либо имеет место нестыковка предельного стационарного режима с принятой для

проектных и эксплуатационных расчетов формулой (1.3.6).

В настоящее время успехи компьютеризации позволяют рассматривать модель (1.5.4)

как впо

поставима по сложности с линеаризованной системой уравнений.

При выборе модели для описания технологического процесса надо соразмерять слож-

ность модели с точностью располагаемой информации и добиваться качественного

соответ-

ствия поведения формальных решений и физических особенностей протекания процесса.

Например, если процесс сопровождается (или может сопровождаться) появлением ударных

волн, то его вряд ли можно охарактеризовать системой уравнений параболического типа. И,

наоборот, вполне оправдано испол