Гидравлический расчет магистрального нефтепровода при заданной пропускной способности трубопровода

Определяется расчётная часовая производительность нефтепровода:

, м³/ч

Q _р = (86 · 10⁹) / 350 · 24 · 850) · 1,07 = 12887,95 м³/ч

Определяется расчётная секундная производительность нефтепровода:

Q^с_р = Q_p / 3600, м³/с

Q^с_р = 12887,95 / 3600 = 3,57м³/с

Определяется скорость течения нефти, м/с при производительности, равной пропускной способности:

 

где Q^с_р – секундный расход, м³/с;

W - фактическая скорость течения нефти в трубопроводе

D - внутренний диаметр трубопровода, [м].; D= D_н – 2d

D_н - нар. диаметр труб, мм

d - толщина стенки труб, мм

 

W = (4 · 3,57) / (3,14 · 1,192 ²) = 3,2 м/с

D = 1220 – 2·14 = 1,192 мм

Определяется число Рейнольдса

 

Re = (3,2 · 1,192) / (1,5 · 10^-5) = 2,542· 10⁵=254200

 

где ν_р – расчетное значение кинематической вязкости, м²/с

Предельные значения , и значения приведены в таблице 1

Таблица 1

Наружный диаметр, мм
	73 000	3 200 000	0,0130
	100 000	4 500 000	0,0124
	110 000	5 000 000	0,0123
	115 000	5 500 000	0,0122
	120 000	6 000 000	0,0121
	125 000	6 800 000	0,0120

 

 

 

λ = 0,0120 + (1,7 / 254200°⁵) = 0,0153 (А4)

 

Гидравлический уклон в заданных условиях составит:

где - коэффициент гидравлического сопротивления;

- ускорение силы тяжести ( = 9,81 м/с²).

 

i = 0,0153 · (1 / 1,192) · (3,2 ² / 2 · 9,81) = 0,0066

 

Суммарные потери в (требуемый напор на выходе НПС) будут равны

H_ст =i L + ∆ z + hк

 

где ∆ z - разность геодезических отметок между конечной и начальной точками трубопровода, м

hк – необходимый конечный напор, м

L- длина трубопровода, м

 

H_ст = 0,0066 · 100000 + (- 70) + 25 = 605 м

 

Суммарные потери в (требуемый напор НПС) не должны превышать допустимого рабочего давления на выходе НПС

Таблица 2

 

Производительность нефтепровода, Млн.т/год	Диаметр (наружный), Мм	Рабочее давление
МПа	кгс/см2
4-9		5,3-6,1	54-62
7-13		5,1-5,5	52-56
11-19		5,6-6,1	58-62
15-27		5,5-5,9	56-60
23-55		5,3-5,9	54-60
41-90		5,1-5,5	52-56

 

Определение суммарного требуемого дифференциального напора работающих основных насосов (H_нас)

Суммарный требуемый дифференциальный напор работающих основных насосов (H_нас) определяется по требуемому напору на станции за регуляторами (H_ст) с учетом потерь напора от первого насоса до выхода регуляторов (h_к) и за вычетом напора на входе первого насоса станции (h_подп):

 

+ h_вых,

 

где: Н_ст – требуемый напор на выходе станции определяемый по результатам гидравлического расчета, м;

Н_нас – требуемый дифференциальный напор насосов станции, м;

h_к – гидравлические потери от первого насоса и до выхода регуляторов, h_к ≈ 20-30 м;

h_{вых -} гидравлические потери от регуляторов и до выхода НПС, h_вых≈ 5-10 м;

h_подп – напор на входе первого насоса станции, м.

Напор на входе первого насоса (h_подп) должен быть не менее величины, обеспечивающей бескавитационную работу насоса:

Величина напора на входе первого насоса, с учетом потерь на входе станции связана с напором на входе станции формулой:

 

,

где: Н_вх – напор на входе НПС, м;

h_вх – гидравлические потери от входа НПС до входа в первый насос

Напор на входе НПС определяется по допустимому рабочему давлению на входе

 

Н_вх = p /r_{н ٠} g

 

Р - допустимое рабочее давление на входе, Па

- плотность перекачиваемой нефти

 

Н_вх = 0,8 /850 _٠ 9,81 = 800000/850 _٠ 9,81 =95,94 м

 

Н_подп = 95,94– 15 = 80,94 м

 

Н_нас = 605 + 25 – 80,94+ 7 = 556,06 м

 

Выбор применяемых насосов

Выбор применяемых насосов производится в соответствии с расчётной часовой произ- водительностью нефтепровода, марки насоса и размером ротора насоса в соответствии с Порядком определения требуемых характеристик насосных агрегатов.

Напор, создаваемый насосами при заданной подаче, определяют по их характеристикам графически или аналитически.

Напорная характеристика центробежных насосов магистральных нефтепроводов (зависимость напора Н от подачи Q) имеет вид полого падающей кривой (рис. 6.1) и аналитически может быть представлена выражением

 

(1.12)

где a, b, – постоянные коэффициенты (табл. 4)

Выбирается насос НМ 10000-210 с ротором 1,25 Q_h

 

Н = 364,5– 9,4947×10^-7 · 12887,95² =206.9 м

 

Определяется количество работающих последовательно насосов путем деления суммарного требуемый дифференциальный напор работающих основных насосов (H_нпс) на напор выбранного насоса при подаче равной часовой производительности нефтепровода H_нас1

n = H_нпс / H_нас1.

 

n = 556,06 / 206.9 =3

 

Определяется требуемый дифференциальный напор одного насоса.

 

H_{нас1треб} = H_нпс / n

 

H_{нас1треб} = 556,06 / 3 = 185,3

 

Определяется величина необходимого снижения напора ΔH при заданной подаче (производительности трубопровода).

 

ΔH = H_нас1.- H_{нас1треб} или ΔH = H_нпс.- H_{нпс треб}

 

ΔH = 206.9 – 185,3= 21.6 м

 

Определяется величина коэффициента быстроходности для выбранного насоса по таблице 6.

Определяется показатель степени r для выбранного насоса по таблице 3.

Таблица 3 - Основные параметры магистральных насосов серии НМ

Марка насоса	Ротор	Диапазон изменения подачи насоса, м3/ч	Номинальные параметры
Подача, м3/ч	Напор, м	Доп. Кавит. запас, м	К.П.Д.,%
НМ 1250-260	0,7· Qн	650 – 1150
1,0· Qн	820 – 1320
1,25· Qн	1100 – 1800
НМ 2500-230	0,5· Qн	900 – 2100
0,7· Qн	1300 – 2500
1,0· Qн	1700 – 2900
1,25· Qн	2400 – 3300
НМ 3600-230	0,5· Qн	1300 – 2600
0,7· Qн	1600 – 2900
1,0· Qн	2700 – 3900
1,25· Qн	3600 – 5000
НМ 7000-210	0,5· Qн	2600 – 4800
0,7· Qн	3500 – 5400
1,0· Qн	4500 – 8000
1,25· Qн	7000 – 9500
НМ 10000-210	0,5· Qн	4000 – 6500
0,7· Qн	5500 – 8000
1,0· Qн	8000 – 11000
1,25· Qн	10000 – 13000

Рисунок 6.1 - Выбор типа насоса по условию соответствия рабочей зоны насоса и заданной производительности трубопровода

 

 

Таблица 4 - Коэффициенты Q-H характеристики нефтяных магистральных насосов серии НМ

Марка насоса	Ротор	Диаметр рабочего колеса D 2, мм	Коэффициенты Q-H характеристики насоса
НМ 1250-260	0,7× QН		a = 284,9 b = 3,6354×10-5
1,0× QН		a = 317,0 b = 3,7109×10-5
	a = 291,9 b = 3,9043×10-5
	a = 268,9 b = 4,2540×10-5
1,25× QН		a = 322,0 b = 2,1749×10-5
НМ 2500-230	0,5× QН		a = 246,6 b = 1,6856×10-5
0,7× QН		a = 248,0 b = 7,3338×10-6
1,0× QН		a = 279,6 b = 8,0256×10-6
	a = 258,7 b = 8,5641×10-6
	a = 236,4 b = 8,5604×10-6
1,25× QН		a = 279,2 b = 5,2985×10-6
НМ 3600-230	0,5× QН		a = 273,4 b = 1,4804×10-7
0,7× QН		a = 282,4 b = 8,4221×10-6
1,0× QН		a =305,4 b =5,5960×10-6
	a =274,1 b =5,5879×10-6
	a =247,2 b =5,4834×10-6
1,25× QН		a =324,0 b =5,2277×10-6
НМ 7000-210	0,5× QН		a =245,9 b =3,7674×10-6
0,7× QН		a =282,2 b =3,0980×10-6
1,0× QН		a =295,1 b =1,8752×10-6
	a =262,5 b =1,8173×10-6
	a =240,9 b =1,9873×10-6
1,25× QН		a =323,3 b =1,4795×10-6
НМ 10000-210	0,5× QН	475/455	a =265,0 b =2,0560×10-6
0,7× QН	506/486	a =304,8 b =2,1443×10-6
1,0× QН	505/495	a =293,7 b =8,7817×10-7
485/475	a =280,1 b =8,7549×10-7
470/460	a =264,5 b =8,6302×10-7
1,25× QН		a =364,5 b =9,4947×10-7
	a =358,5 b =9,6470×10-7
	a =345,1 b =9,9839×10-7

Расчет обрезки колеса, если известно что до обрезки насос при заданной подаче развивал напор Н, а требуется напор H₁ при той же подаче.

Допустимая степень обрезки рабочего колеса определяется заводом изготовителем. Ориентировочно для насосов с номинальной подачей до 2500 м³/ч включительно, максимальная обрезка рабочего колеса составляет 20%. Для насосов с номинальной подачей более 2500 м³/ч, максимальная обрезка рабочего колеса составляет ориентировочно 10%.

В пределах рабочей зоны насоса, степень обрезки колеса может быть приближенно рассчитана с применением формулы:

(6.40)

где: H, H₁ – напор насоса до и после обточки рабочего колеса соответственно, м;

D, D₁ – диаметр рабочего колеса насоса до и после обточки соответственно, м;

L, r – показатели, принимаемые для каждого типа насоса в соответствии с коэффициентом быстроходности согласно таблице 5.

 

D₁ / 1,192 = (206.9 / 185,3)^1/2,35

 

D₁ / 1,192 = 1.04

 

D₁ = 1192 · 1.04 = 1239.6

 

Определяется относительная величина обрезки рабочего колеса

 

(1192 – 1239.6) · 100% / 1192 = 4 %

 

Таблица 5 – Зависимость показателей степени L, r от коэффициента быстроходности
Коэффициент быстроходности насоса	Снижение в % к.п.д. η насоса на каждые 10% обточки	Показатель L в формуле 6.36	Показатель r в формуле 6.37
70 - 125	1,0 – 1,5
125 - 175	1,5 – 2,5	1,3	2,2
< 175	2,5 – 3,5	1,85	2,35

Значения коэффициента быстроходности и некоторых других параметров для типовых насосов приведено в таблице 6

 

Таблица 6 – Характеристики типовых насосов

Типоразмер насоса	Ротор	Коэффициент быстроходности	Ширина лопаток раб. Колеса, мм	Диаметр входного патрубка, мм	Наружный диаметр раб. колеса, мм
НМ1250-260	0,7
1,25
НМ2500-230	0,5
0,7
1,25
НМ3600-230	0,5
0,7
1,25
НМ7000-230	0,5
0,7
1,25
НМ10000-230	0,5
0,7
1,25

При расчете степени обрезки колес, следует выполнять проверку непревышения максимально допустимой степени обрезки для заданного насоса.

Порядок определения требуемых характеристик насосных агрегатов

1. Определяется часовая и секундная производительность нефтепровода по формулам 10 и 11

2. Рассчитывается скорость течения нефти при этой производительности по формуле 12

3. Определяется число Рейнольдса по формуле 13

4. Определяется коэффициент гидравлического сопротивления в соответствии с рассчитанным числом Рейнольдса по формулам А3 или А4

5. Рассчитывается гидравлический уклон в заданных условиях по формуле 3.14

6. Определяется требуемый напор на выходе НПС по формуле 3.15

7. Определяется требуемое давление на выходе НПС по формуле P = H ٠ r_{н ٠} g

Давление на выходе НПС сравнивается с табличным Таблицы 2. Давление на выходе НПС не должны превышать допустимого рабочего давления на выходе НПС

8. Рассчитывается напор на входе НПС по допустимому рабочему давлению на входе по формуле 6.6

9. Определяется величина напора на входе первого насоса, с учетом потерь на входе станции по формуле 6.5

10. Рассчитывается суммарный требуемый дифференциальный напор работающих основных насосов (H_{нпс треб}) по формуле 6.1

11. По часовой производительности нефтепровода и диапазону изменения подачи насоса таблицы 3 определяется тип насоса и тип ротора

12. Используя коэффициенты Q-H характеристики насоса таблицы 4 и формулу зависимости напора (Н) от подачи (Q) насоса Н = a – b Q² ,

рассчитывается напор выбранного насоса при подаче равной часовой производительности нефтепровода H_нас1

13. Определяется количество работающих последовательно насосов путем деления суммарного требуемый дифференциальный напор работающих основных насосов (H_нпс) на напор выбранного насоса при подаче равной часовой производительности нефтепровода H_нас1.

n = H_нпс / H_нас1.

Полученное число последовательно включенных насосов округлить ло наиболее близкого целого числа, но не более n = 3.

Если в характеристиках насосов одного типа и подачи имеется несколько диаметров ротора, то необходимо рассчитать напоры насосов с разными диаметрами роторов насоса при заданной подаче и выбрать наиболее оптимальный, где необходимая величина обточки колес будет минимальной

В зависимости от величины необходимого снижения напора ΔH должна применяться обрезка рабочих колес одного, двух или трех насосов.

14. С учетом проведенных выше расчетов и оценок, определяется требуемый дифференциальный напор одного насоса H_{нас1треб} = H_нпс / n

15. Определяется величина необходимого снижения напора ΔH при заданной подаче (производительности трубопровода). ΔH = H_нас1.- H_{нас1треб} или ΔH = H_нпс.- H_{нпс треб}

16. Определяется величина коэффициента быстроходности для выбранного насоса по таблице 6.

17. Определяется показатель степени r для выбранного насоса по таблице 5.

18. Рассчитывается требуемое значение диаметра обрезанного рабочего колеса по формуле 6.40.

19. Проверяем выполнение условие не превышения максимальной обрезки рабочего колеса:

Определяется относительная величина обрезки рабочего колеса (D - D₁ ) х 100%/ D и сравнивается с допустимой величиной.

Список литературы и НТД рекомендуемой для выполнения курсового проекта

1. РД- 91.020.00-КТН-335-06 Нормы проектирования НПС

2. ОТТ-16.01-74.20.11-КТН-059-05 Типовые технические решения по проектированию НПС.

3. ГОСТ Р 53675-2009 Насосы нефтяные для магистральных трубопроводов

4. ГОСТ 12124—87 Насосы центробежные нефтяные для магистральных трубопроводов

5. Учебное пособие по дисциплине «Насосы и перекачивающие станции». Требования к нефтеперекачивающим станциям магистральных нефтепроводов

6. Учебное пособие по дисциплине «Насосы и перекачивающие станции». Техническое обслуживание и ремонт оборудования и сооружений нефтеперекачивающих станций

7. Учебно - методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Насосы и перекачивающие станции»

Графическая часть