Гидравлический расчет нефтепроводов при изотермическом
движении потока
Задача 3-1
Дебит скважины по жидкости 50 м3/сут. (40% нефти и 60% воды); относительный удельный вес жидкости 0,95; известна кинематическая вязкость до обводнения – 28,5 сСт; температура нефти и окружающей трубопровод среды 20 0С; длина выкидной линии 900 м; нивелирная разность отметок конца и начала выкидной линии плюс 8 м; потери на местные сопротивления 1 м; а линейные потери равны 3 кгс/см2. Вычислить диаметр выкидной линии.
Указания к решению.
При изотермическом потоке гидравлический расчет нефтепровода для безводной, эмульсионной и парафинистой нефти ведется по формуле Дарси-Вейсбаха. При гидравлическом расчете основную трудность представляет определение коэффициента гидравлического сопротивления ввиду сложности установления вязкости.
Вязкость эмульсионной нефти зависит от свойств нефти, пластовой воды, степени диспергирования внутренней фазы и других факторов. Обычно расчетная величина вязкости берется по графикам полученных в лабораторных условиях для конкретного месторождения. Определив по рис.1 и 2 вязкость эмульсионной нефти и переведя все параметры в единую систему измерений СИ, вычисляется диаметр нефтепровода.
Средняя оптимальная скорость эмульсии в трубопроводе зависит от ее вязкости. Для эмульсионной нефти значение скорости будет в пределах 0,5-1,0 м/с.
Уравнение Дарси-Вейсбаха для данной задачи содержит четыре неизвестных (∆p, λ, V, d). Если предварительная задаться диаметром трубопровода, то неизвестным остается лишь перепад давления. Поэтому вести вычисления, задавшись несколькими значениями диаметра, а затем выбрать тот, при котором расчетный перепад давления нас устраивает.
/>
Рис.1 Зависимость относительной вязкости нефтей и эмульсий от температуры.
1-девонские 2- угленосные
/>
Рис.2 Зависимость отношения вязкости эмульсии к вязкости безводной нефти (при одинаковых температурах) от содержания воды в эмульсии.
Задача 3-2
Выбрать насос и рассчитать диаметр трубопровода, по которому транспортируется парафинистая нефть угленосной свиты Башкирии расхода 1860 м3/сут, удельным весом 380 кгс/м3. Известны: содержание парафина 4,5%, асфальтено-смолистых веществ – 23сПз; средняя температура перекачки 300С; длина нефтепровода 25 км; местность ровная.
Указания к решению.
Парафинистые нефти обладают структурной вязкостью, которая при увеличении градиента скорости непрерывно уменьшается. При достижении определенного напряжения сдвига происходит полное разрушение структурного каркаса и вязкость разрушенной структуры становится постоянной. Транспортировка парафинистой нефти, как правило, осуществляется при разрушенной структуре.
Для определения расчетной вязкости парафинистой нефти можно пользоваться номограммой Г.В. Рудакова [10]. Согласно номограмме (рис.3), вязкость парафинистой нефти аддитивно складывается из вязкостей ее компонентов, т.е. асфальтенов и силикалегелевых смол и твердых парафинов.
/>, (3.1)
где ƞ–расчетное значение динамической вязкости, сПа;
с –нормирующий множитель; АСВ – содержание асфальтено — смолистых веществ, %; П – содержание твердых парафинов, %.
Нормирующий множитель с не является постоянной величиной и с увеличением вязкости снижается, что можно объяснить подавлением кристаллизации парафинов асфальтено-смолистыми веществами, которые обволакивают собой зародыши их кристаллов.
В процессе транспортировки нефти парафин откладывается на внутренней поверхности трубопровода, уменьшая его проходное сечение. В расчетах это обычно не принимают в учет, т.к. отложения должны систематически удаляться.
Расчет диаметра трубопровода производится по обычной формуле Дарси-Вейсбаха. Поскольку в ней неизвестными являются четыре параметра: перепад давления ∆Р, коэффициент гидравлического сопротивления λ, диаметр трубопровода dи средняя скорость V, обычно задаются диаметром и вычисляют остальные параметры. Если вычисленный перепад давления удовлетворяет выбранному насосу, то по ГОСТ 8732-70 окончательно выбирают трубы.
/>
Рис. 3. Номограмма для определения расчетной вязкости нефтей.
Расчет нефтепроводов при неизотермическом движении потока
Задача 3-3
Определить гидравлические потери при перекачке вязкой нефти по нефтепроводу диаметром D=359 мм на расстоянии L=20 км расходом Q=500м3/час. Температура окружающей трубопровод среды t0=00С. Полный коэффициент теплопередачи на участке турбулентного движения Kt=3,5 ккал/м2 час ∙ 0С, на участке ламинарного движения.
kл=2,5 ккал/м2 час ∙ 0С. Плотность перекачиваемой нефти
т/м3. Теплоемкость нефти Ср=2,09/>кДж/кг∙ 0С.
Начальная температура нефти tн=900С, конечная tк=250С.
Зависимость вязкости нефти от температуры приведена в таблице 1.
Таблица 1.
t, 0C
25
30
40
50
60
70
80
90
100
V, см2/с
37,55
28,50
13,20
6,50
3,24
1,61
0,80
0,39
0,20 --PAGE_BREAK--
Указания к решению.
Расчет ведем по методике, приведенной в [8].
Коэффициент крутизны вискограммы
/>, (3.2)
где ν1 и ν2- вязкости при произвольных температурах t1 и t2;
Критическая температура жидкости, при которой турбулентный режим переходит в ламинарный
/>, (3.3)
tх- температура выбираемая в рабочем интервале температур, />
0С (в данном случае примем конечную температуру tх=tк=250С);
Vк- кинетическая вязкость нефти в м2/с при температуре tх;
D-наружный диаметр трубопровода, м;
Reкр- критическое число Рейнольдса, равное 2300;
Q-объемный расход жидкости, м3/с
Длина трубопровода с турбулентным режимом движения нефти определяется по формуле
/>(3.4)
Гидравлические потери в турбулентном участке движения определяется по формуле
/>(3.5)
Здесь d – внутренний диаметр трубопровода, м;
/>(3.6)
где V – скорость нефти в трубопроводе,
/>(3.7)
Гидравлические потери в ламинарном участке определяются по следующей формуле
/>(3.8)
Здесь />(3.9)
Общая потеря от гидравлического трения составит
/>(3.10)
Решение
Подставив численное значение вязкостей при t1=250С и t2=900С в формулу (3.2), получим
/>
Подставив численные значения в формулу (3.3), получим
/>
Таким образом, при температуре жидкости ниже 660С режим движения жидкости в трубопроводе ламинарный, а выше- турбулентный.
Длину трубопровода с турбулентным режимом вычислим по формуле (3.4)
/>
Гидравлические потери в турбулентном участке трубопровода согласно формуле (3.5)
/>
/>.
Здесь значение параметра />вычислено по формуле (3.6)
/>,
Скорость нефти в трубопроводе – по (3.7)
/>,
Подставим численные значения в формулы (3.8) и (3.9), получим гидравлические потери в ламинарном участке трубопровода
/>
/>=
/>
По формуле (3.10) находим суммарные гидравлические потери
/>.