Материалы к занятиям по дисциплине «Сооружение, транспорт, хранение и сбыт нефти, нефтепродуктов и газа».

Национальный исследовательский университет Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина Материалы к занятиям по дисциплине «Сооружение, транспорт, хранение и сбыт нефти, нефтепродуктов и газа» (для групп ЭЭ-19-01, ЭЭ-19-02, ЭЭ-19-03, ВМ-19-01) Голунов Никита Николаевич, к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов e-mail: [email protected] Москва, 2020 Национальный исследовательский университет Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина Лекция 3 Голунов Никита Николаевич, к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов e-mail: [email protected] Магистральные нефтепроводы. Классы нефтепроводов Магистральный нефтепровод (МН) комплекс инженерных сооружений, предназначенных для транспортировки нефти из района добычи в районы ее переработки I — от 1000 до 1200 мм II — от 500 до 1000 мм III – от 300 до 500 мм IV – до 300 мм четыре класса МН в зависимости от диаметра 1 – нефтяной промысел; 2 – нефтесборный пункт; 3 – подводящие трубопроводы; 4 – головные сооружения (резервуары, насосная станция, электростанция и пр.); 5 – камера пуска скребка; 6 – линейная задвижка; 7 – переход магистрального нефтепровода под железной дорогой; 8 – переход магистрального нефтепровода через реку; 9 – переход магистрального нефтепровода через овраг; 10 – конечный пункт нефтепровода (нефтеперерабатывающий завод, морской порт, железнодорожная эстакада, резервуарный парк) 3 Изменение геометрических параметров магистральных нефтепроводов под действием давления 1. 2. 3. «Варианты» (способы) определения объема трубопровода: Просто геометрический объем (как произведение площади поперечного сечения на длину) Геометрический объем трубопровода с учетом его «расширения» (увеличения диаметра) за счет давления транспортируемой жидкости; Вариант (способ) 2 + сжатие транспортируемой жидкости за счет давления. 4 Режимы течения жидкости в трубопроводе. Число Рейнольдса. Ламинарное и турбулентное течение жидкости Ламинарное течение (Re ≤ 2300) – слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления. υd ρ Re  μ  – скорость течения жидкости, (м/с) d – внутренний диаметр трубы, (м)  – плотность жидкости, (кг/м3) μ – коэффициент динамической вязкости (кг/мс)  – коэффициент кинематической вязкости (м2/с) Турбулентнное течение (Re ≥10 000) – хаотичное течение жидкости с постоянным перемешиванием ее частиц, пульсацией скорости и давления. Re  υd ν Исходя из числа Рейнольдса Re определяется коэффициент гидравлического сопротивления λ  величина, характеризующая потери энергии в трубопроводе 5 Гидравлические аспекты транспорта по трубопроводам Движение жидкости в трубопроводе Направление перекачки R Х Критерии определения толщины стенки трубопровода :  Несущая способность трубопровода (способность выдержать внутреннее давление)  Компенсация продольных и поперечных напряжений  «Противокоррозионный» запас на внешнюю среду 6 Расчет гидравлического режима магистрального трубопровода. Уравнение Бернулли Основное уравнение гидравлики – уравнение Бернулли. Физический смысл: закон сохранения механической энергии для движущейся в трубе жидкости  P1   P2  v12 v22    z1      z 2   h1 2  h τ  h м  ρ  g 2g   ρ  g 2g  Н – напор в трубопроводе, [м] Р – давление в трубопроводе, [Па]  – скорость потока жидкости, [м/с] z – геодезическая высотная отметка, [м]  – плотность перекачиваемой жидкости, [кг/м3] g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2) h1-2 – потери напора по длине трубопровода, [м] h – потери напора на трение, [м] hм – потери напора на местных сопротивлениях, [м] Основная причина потерь напора по длине трубопровода – трение между перекачиваемой жидкостью и стенками трубопровода Напор в трубопроводе определяется исходя из объема транспортируемого продукта, расстояния до потребителя, профиля земной поверхности, несущей способности трубы. 7 Расчет гидравлического режима магистрального трубопровода. Уравнение Бернулли В уравнении Бернулли сумма в скобках в левой части называется полным напором. Полный напор состоит из трех составляющих в конкретной точке (сечении) трубопровода: 1. Пьезометрический (избыточный) напор, связанный с действием силы давления): H пьез  p g 2. Геометрический напор (геодезическая отметка), связанный с действием силы тяжести: H геом  z 3. Скоростной напор, связанный с изменением кинетической энергии движущейся жидкости (при изменении скорости, например, при изменении диаметра): H скор v2  2g 8 Расчет гидравлического режима магистрального трубопровода. Уравнение Дарси-Вейсбаха и гидравлический уклон i 9 Расчет гидравлического режима магистрального трубопровода. Определение коэффициента гидравлического сопротивления λ    d Δ – абсолютная шероховатость внутренней поверхности трубы (м). Значения Δ при расчётах: новые трубы – 0,05 мм; трубы после нескольких лет эксплуатации – 0,15 ÷ 0,25 мм; старые – 0,5 ÷ 1,0 мм. 10 Удельный расход электроэнергии (кВт*ч/1000т*км), металловложения и стоимость магистральных нефтепроводов различного диаметра Диаметр нефтепровода, мм Скорость перекачки нефти, м/с 219 273 325 377 426 530 720 820 1020 1220 0,8 0,9 30,6 44,9    31,2 23,6 18,7             1,0 1,1 36,5 43,4 23,8 35,7 23,1 27,9 16,5 18,5 12,3 14,0         1,2 1,3 53,4 61,9   50,3  44,6  20,4 23,4 15,8 18,1 10,3 11,8 8,4 10,4  8,6   1,4 1,5 1,6          34,0 41,5    23,6   13,3 14,8 16,4 11,5 12,8 13,9 9,5 10,5 11,4 10,2 1,7 1,8           20,5 23,6 27,4   18,4 20,4 15,2 16,6 12,2 13,3 10,6 11,1 1,9       22,8 18,3 14,4 11,5 Металловложения (т/км) 31-37 46-52 55-64 64-82 85-102 95-105 Стоимость строительства (тыс. долл. за 1 км) - - - - - 350   150-165 174-192 268-298 396-430 500 650 1000 1250 Пропускная способность, млн.т/год 5-10 10-20 15-30 20-50 40-80 Условный диаметр трубопровода, мм 500 700 800 1000 1200 11 Неустановившиеся процессы в трубопроводах Неустановившиеся (или нестационарные) процессы – такие, при которых характеристики потока перекачиваемой жидкости (давление, скорость, расход, температура) меняются не только от сечения к сечению, но и в каждом сечении в зависимости от времени. Неустановившиеся процессы возникают при проведении технологических операций, в том числе: - включение/отключение насосов; - полное/частичное закрытие задвижки; - полное/частичное открытие задвижки; - переключение резервуаров; - сброс/подкачка нефти в трубопровод. Николай Егорович Жуковский (1847-1921) – русский ученый, создатель аэродинамики как науки, заслуженный профессор Московского университета, член-корреспондент Императорской Академии наук по разряду математических наук (1894). Впервые описал гидроудар в работе «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах» (1899) Гидравлический удар – скачок давления в системе, заполненной жидкостью, вызванный резким изменением скорости потока за малый промежуток времени. Суть гидроудара – инерционные свойства потока, т.е. стационарное течение жидкости нарушается в результате резкого закрытия (открытия) задвижки, включения (отключения) насоса и пр., в результате чего происходит скачкообразное резкое торможение (ускорение) потока и ударное сжатие его частиц. ΔP  ρ  c  Δυ 12 Неустановившиеся процессы в трубопроводах Способы защиты от гидроудара. Система сглаживания волн давления (ССВД) 1. 2. 3. Увеличение диаметра трубы (коллектора), предназначенное для снижения скорости потока; Увеличение времени закрытия запорной арматуры; Применение демпфирующих устройств: - регуляторы давления; ССВД предназначена для уменьшения - предохранительные клапаны; крутизны фронта ударной волны, - системы сглаживания волн давления. возникающей на приеме НПС при ее пуске/остановке, снижая воздействие на МН (Ду700 – 1200мм) волны давления, сбрасывая часть потока нефти из приемной линии магистрального нефтепровода в резервуары-сборники, снижая величину и скорость роста давления. ССВД устанавливается перед НПС, чтобы защитить участок трубопровода выше (по течению) от НПС от волн повышенного давления в случае отключения насосов. 13 Гидравлический расчет нефтепровода. Уравнение баланса напоров на участке нефтепровода Под участком нефтепровода будем понимать перегон между 2 соседними НПС, включающий первую по ходу течения нефти станцию. 14 Гидравлический расчет нефтепровода. Уравнение баланса напоров на участке нефтепровода 15 Гидравлический расчет нефтепровода. Уравнение баланса напоров на участке нефтепровода 2 8Q L баланса напоров для участка НП. Уравнение называется уравнением h12 1,02относительно Обычно онорешается неизвестного расхода Q методом итераций. 2 5  gd 8Q 2 L hп  H ст Q   hк  z 2  z1   1,02 2  gd 5 Гидравлическая характеристика НПС Гидравлическая характеристика участка (линейной части) НП H 1 Q   hп  H ст Q  8Q 2 L H 2 Q   hк  z 2  z1   1,02  2 5  gd Графическое решение уравнения баланса напоров для участка НП называется совмещённой характеристикой НПС и участка НП. 16 Гидравлический расчет нефтепровода. Уравнение баланса напоров на участке нефтепровода. Графическая интерпретация Точка А пересечения гидравлических характеристик НПС и участка трубопровода называется рабочей точкой участка. Координаты рабочей точки: Q* - фактический (рабочий) расход нефти на участке НП; H* - фактический (рабочий) напор на выходе НПС 17 Гидравлический расчет нефтепровода. Образование самотечного участка в трубопроводе (только на нисходящих участках) Расход жидкости на самотечном участке равен расходу в в полненном сечении (исходя из закона сохранения массового расхода) 18 Гидравлический расчет нефтепровода. Влияние самотечного участка в трубопроводе – увеличение напора на НПС, что приводит к росту количества электроэнергии и снижению энергоэффективности 19 Гидравлический расчет нефтепровода. Методы увеличения пропускной способности  строительство новых насосных станций;  увеличение давления (напора) в трубопроводе за счет установки более мощных насосных агрегатов;  строительство трубопроводов, параллельных основному магистральному трубопроводу (лупингов);  строительство трубопроводов большего диаметра, чем основной магистральный трубопровод (вставок);  термообработка (подогрев) транспортируемого потока;  использование депрессорных присадок, повышающих текучесть транспортируемой жидкости;  использование противотурбулентных присадок, изменяющих структуру турбулентности в направлении уменьшения гидравлического сопротивления и пр. 20 Гидравлический расчет нефтепровода. Методы увеличения пропускной способности. Лупинг 21 Гидравлический расчет нефтепровода. Методы увеличения пропускной способности. Вставка 22 Гидравлический расчет нефтепровода. Изменение линии гидравлического уклона при обустройстве лупинга и вставки 23