Работа с программой «Режим»

Предисловие авторов

Широкое внедрение персональных компьютеров во все сферы инженерной деятельности, в том числе в трубопроводный транспорт нефти и газа, требует от современного инженера умения, как минимум, пользоваться готовыми компьютерными программами для решения тех или иных практических задач. Кроме того, подобные программы освобождают инженера от громоздких и рутинных расчетов, связанных с большой затратой физического труда и времени. При наличии современного интерфейса работа с готовыми программами не обременительна, удобна и чем-то даже напоминает игру, хотя получаемые с ее помощью результаты имеют вполне реальное практическое приложение.

Пакеты компьютерных программ, решающих ту или иную технологическую задачу, могут использоваться как тренажеры для проверки правильности выбранных решений, как математические модели для выбора таких решений, а также как эффективные средства для обучения будущих специалистов. Настоящий практикум предназначен для решения последней из перечисленных задач. Его работы составлены так, чтобы учащийся мог закрепить теоретические навыки, полученные на лекциях, путем решения поставленных задач с помощью соответствующих компьютерных программ. Конечно, набор предлагаемых работ не претендует на полный охват проблем трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, это просто невозможно сделать, но он включает некоторые, наиболее распространенные классы проблем в этой области инженерного дела.

Настоящее учебное пособие основано на научных разработках Отраслевой лаборатории нефтегазовой гидродинамики РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, выполняемых для системы ОАО «АК «Транснефтепродукт». Авторами компьютерных программ являются преподаватели и научные сотрудники кафедры «Проектирования и эксплуатации газонефтепроводов».

Программы «Режим», «Комплекс», «Транзит», «Смесь», «Термика» вошедшие в настоящее пособие, разработаны к.т.н., асс. А.С.Дидковской; программа «Гидроудар» - к.т.н. с.н.с. Л.В.Полянской и А.С.Дидковской. Работа осуществлялась с участием и под научно-методическим руководством д.т.н., проф. М.В.Лурье.

Авторы благодарят к.т.н. Л.В.Полянскую, к.ф.-м.н. Л.Н.Лебедеву и к.т.н. В.В.Васильковского, плодотворное участие которых в научной работе лаборатории и создании в ней творческой атмосферы сказалось на получении основных научных результатов, и в том числе, оказало существенное влияние на подготовку данного учебного пособия.

Авторы будут также признательны всем, кто сочтет необходимым дать свои замечания по существу практикума и его методологическим аспектам.

Авторы

Лабораторная работа №1. «Расчет гидравлического режима совместной работы участка нефтепровода и нефтеперекачивающей станции»

Теоретическое введение

Уравнение Бернулли для участка нефтепровода. В основе гидравлических расчетов участка трубопровода, по которому осуществляется перекачка нефти (см. рис.1), лежит хорошо известное уравнение Бернулли:

, (1.1)

в котором p₁ и p₂ – давления в сечениях x₁ и x₂ нефтепровода, соответственно; z₁ и z₂ – высотные отметки этих сечений, ρ – плотность нефти, g – ускорение свободного падения, а – потери напора на участке [x₁, x₂] трубопровода. Отношение называется пьезометрическим напором, а величина – геометрическим напором в сечении трубопровода. Обе величины измеряются в метрах.

Потери напора на участке[x₁, x₂] нефтепровода состоят из двух частей:

. (1.2)

Первое слагаемое называется потерей напора на трение. Оно выражает потери механической энергии за счет сил внутреннего трения слоев вязкой нефти друг о друга. Второе слагаемое называется потерей напора на преодоление местных сопротивлений (сужений, поворотов, задвижек и т.п.). [1, 4, 6]

Рис.1. К гидравлическому расчету участка нефтепровода

Потери напора (м) на трение рассчитывают по формуле

, (1.3)

называемой формулой Дарси-Вейсбаха. В этой формуле – внутренний диаметр трубопровода; – средняя по сечению скорость перекачки ( , где Q – объемный расход перекачки); – длина участка трубопровода между рассматриваемыми сечениями x₁ и x₂; – коэффициент гидравлического сопротивления.

Потери напора (м) на преодоление местных сопротивлений рассчитывают по формуле

, (1.4)

в которой - коэффициенты местных сопротивлений, а суммирование осуществляется по всем сопротивлениям, имеющимся на участке[x₁, x₂].

Иногда наличие местных сопротивлений в магистральном нефтепроводе учитывают огрубленно, полагая, что потери напора на местных сопротивлениях составляют примерно 2% от потерь напора на трение, т.е. принимают, что . В этом случае полные потери напора на участке нефтепровода между сечениями и вычисляются по формуле:

. (1.5)

Если учесть, что коэффициент λ гидравлического сопротивления есть функция от числа Рейнольдса (ν – кинематическая вязкость нефти) и относительной шероховатости ε внутренней поверхности труб: . А значит, коэффициент λ зависит (через число Re) от скорости перекачки и, следовательно, от расхода нефти. Уравнение Бернулли (1.1) с учетом формул (1.2) – (1.4), записанное в форме

, (1.6)

является соотношением, связывающим давления в сечениях x₁ и x₂ со скоростью перекачки, а, следовательно, и с ее расходом .

Коэффициент гидравлического сопротивления. Для расчета коэффициента λ гидравлического сопротивления можно использовать следующие формулы [4, 6].

· Если число Рейнольдса <2320, то течение нефти ламинарное. Для него

(формула Стокса). (1.7)

Ламинарное течение может реализоваться для высоковязких нефтей, течение которых характеризуется относительно небольшими числами Рейнольдса.

· Если , то режим течения нефти «переходный турбулентный» и

(1.8)

где – так называемый коэффициент перемежаемости.

· Если ( – относительная шероховатость внутренней поверхности трубопровода, являющаяся отношением абсолютной шероховатости Δ труб и внутреннего диаметра d трубопровода), то течение нефти происходит в развитом турбулентном режиме, в зоне так называемых «гидравлически гладких труб» (коэффициент не зависит от шероховатости):

(формула Блазиуса). (1.9)

· Если , то течение нефти происходит в зоне так называемого «смешанного трения», для которой коэффициент гидравлического сопротивления можно вычислить, например, по формуле:

(формула Альтшуля). (1.10)

· Если , то течение нефти происходит в зоне «квадратичного трения» (т. к. если не зависит от скорости течения, то потери напора пропорциональны квадрату скорости течения) и

(формула Шифринсона). (1.11)

Гидравлический уклон. Прямая АВ, представляющая зависимость полного напора от координаты вдоль оси трубопровода: (рис.1) называется линией гидравлического уклона. Абсолютная величина тангенса угла ее наклона к горизонтали называется гидравлическим уклоном:

; (1.12)

Гидравлический уклон – это безразмерная величина, характеризующая быстроту падения напора в рассматриваемом нефтепроводе. Гидравлический уклон для данного нефтепровода зависит от производительности перекачки, при этом, чем больше , тем быстрей уменьшается напор, тем больше величина гидравлического уклона .

Величина 1000 дает падение напора в м на км пути. Так, например, гидравлический уклон означает падение напора 3 м на 1 км пути, – 0,75 м на 1 км пути и т. д.

Уравнение баланса напоров для участка нефтепровода. Начальный напор в линии нагнетания перекачивающей станции складывается из трех составляющих (см. рис.1):

,

где – подпор перед станцией (напор в линии всасывания станции) и – дифференциальный напор станции (т.е. напор, создаваемый насосами станции). Последний зависит от производительности нефтепровода и определяется, главным образом, –характеристиками насосов, их типом и числом, а также характеристиками трубопроводной обвязки станции.

Напор в конце участка нефтепровода складывается из двух составляющих: геометрического напора и конечного напора :

.

Уравнение Бернулли (1.1), записанное для начального и конечного сечений участка нефтепровода, имеет вид:

,

или

. (1.13)

Это уравнение называется уравнением баланса напоров для участка нефтепровода. Оно служит для определения производительности перекачки. В левой части уравнения стоит пьезометрический напор , имеющийся в начале нефтепровода, а в правой – сумма двух «противонапо­ров» и потерь напора на рассматриваемом участке. Иными словами, уравнение (1.13) означает, что имеющийся в начале участка нефтепровода напор компенсирует противонапоры и потери напора из-за работы сил вязкого трения слоев нефти друг о друга.

На рис.2 представлена графическая интерпретация уравнения (1.13).

На плоскости переменных изображены графики левой и правой части уравнения (1.13), называемых соответственно:

· кривая – (Q-H)–характеристикой нефтеперекачивающей станции;

· кривая – (Q-H)–характе­ристикой участка нефтепровода.

Рис.2. Совмещенные характеристики участка нефтепровода и нефтеперекачивающей станции (НПС):

1 – трубопровода, 2 - НПС

Координаты точки пересечения этих кривых, называемых также совмещенными (Q-H) – характеристиками нефтеперекачивающей станции и участка нефтепровода, дают графическое решение уравнения (1.13). Абсцисса точки есть решение уравнения (1.13), а ее ордината определяет напор на «выходе» станции. Точка называется рабочей точкой системы «трубопровод - нефтеперекачивающая станция».

Потери напора , входящие в (Q-H) – характеристику участка нефтепровода и происходящие из-за диссипации механической энергии вследствие сил вязкого трения слоев нефти друг о друга, представляются формулой (1.5) Дарси-Вейсбаха

(с поправкой на местные сопротивления), в которой протяженность рассматриваемого участка нефтепровода. При этом предполагается, что участок полностью заполнен жидкостью.

Однако могут существовать режимы перекачки, в которых нефть на отдельных участках трубопровода движется неполным сечением или, как говорят, самотеком. Такие участки называются самотечными.

Самотечные участки нефтепровода.Самотечным называется участок [x₁, x₂] трубопровода, на котором нефть движется неполным сечением (самотеком) под действием силы тяжести (рис.3). [1, 4]

Рис.3. Схема самотечного участка нефтепровода

Давление в парогазовой полости остается практически постоянным и равным давлению p_у упругости насыщенных паров данной нефти, поэтому течение на самотечном участке называется безнапорным. Однако разность напоров между сечениями (началом самотечного участка) и (концом самотечного участка) все же существует, она равна разности геометрических высот этих сечений.

Стационарные самотечные участки с расслоенным течением жидкости могут существовать только на нисходящих участках нефтепровода.

Начало каждого самотечного участка называется перевальной точкой. Перевальная точка всегда совпадает с одной из вершин профиля трубопровода.

Линия гидравлического уклона на самотечном участке проходит параллельно профилю трубопровода на расстоянии над ним. Отсюда следует, что гидравлический уклон i_с на самотечном участке равен абсолютной величине тангенса угла α_п наклона профиля нефтепровода к горизонту: .

Расход нефти на самотечном участке в стационарном режиме равен расходу нефти в заполненных сечениях трубопровода:

. (1.14)

Из чего можно заключить, что скорость движения жидкости на самотечном участке больше скорости движения жидкости на заполненных участках нефтепровода, поскольку площадь части сечения, занятого жидкостью на каждом самотечном участке, меньше площади полного сечения трубопровода:

Степень заполнения самотечного участка нефтьюможет быть различной. Она зависит от отношения гидравлических уклонов на самотечном участке ( ) и на участках трубопровода, полностью заполненных нефтью ( ). Обобщая многочисленные исследования в области безнапорных течений в каналах кругового сечения, можно предложить следующие аппроксимационные формулы для расчета степени заполнения сечения трубы нефтью на самотечном участке при расслоенном течении.

· Если то . В этом случае сечение трубы заполнено полностью.

· Если то

.

· Если то

. (1.15)

· Если то

.

Формулы (1.15) позволяют рассчитать степень заполнения сечения трубопровода нефтью по известному отношению гидравлических уклонов и на напорном и самотечном участках, соответственно.

Задания лабораторной работы

Основное задание. Найти расход нефти (плотность – ρ, кинематическая вязкость – ν, давление упругости насыщенных паров – p_у) и давление в начале участка нефтепровода длиной L = 120 км (внешний диаметр труб–D, толщина стенки – δ, абсолютная шероховатость – Δ= 0,2 мм). Известно, что на НПС включены последовательно два насоса марки НМ. Подпор перед станцией составляет h_п = 40 м, давление в конце участка равно p_к = 0,30 МПа.

Исходные данные к расчету по вариантам представлены в таблицах 1, 2.

Дополнительные задания.

1. Рассчитать, как изменятся расход перекачки и давление в начале участка, если первый насос выйдет из строя.

2. Определить, на сколько уменьшится расход перекачки, если бы вязкость транспортируемой нефти была в 1,5 раза больше.

3.Определить, на сколько изменится расход перекачки, если бы высотная отметка трубопровода в сечении x =60 км увеличится на 200 м.

4. Определить, на сколько изменится расход перекачки, если давление в конце участка было бы равно 0,40 МПа.

5. Определить, как и на сколько нужно изменить давление в конце участка нефтепровода, чтобы ликвидировать в нем самотечные участки? Что произойдет в этом случае с расходом перекачки?

Указание. Для выполнения основного и дополнительного заданий использовать компьютерную программу «Режим».

Таблица 1

Таблица 2

Работа с программой «Режим»

Компьютерная программа «Режим» предназначена для расчета гидравлических режимов совместной работы участка нефтепровода и нефтеперекачивающей станции (НПС).

По заданному давлению в конечном сечении участка трубопровода, его профилю, типу и числу насосов, установленных на НПС программа позволяет определить расход перекачки и давление в начале участка.

Программа учитывает возможность существования в трубопроводе самотечных (безнапорных) участков, находит их число, место расположения и степень заполнения.

Программа позволяет представлять результаты расчета в графическом виде. На экране компьютера вычерчиваются профиль трубопровода и линия гидравлического уклона, по которым можно рассчитать напор и давление в любом сечении трубопровода.

Окно исходных данных.В верхней части окна исходных данных программы (рис.4) расположено главное меню, которое содержит все необходимые средства для работы с программой. Все опции главного меню представляют собой опции-заголовки, открывающие доступ к выпадающим меню второго уровня. Ниже расположена панель с набором пиктографических кнопок, которые открывают быстрый доступ к наиболее важным опциям главного меню. Кроме того, все опции дублируются клавишами клавиатуры.

Опция меню «Вариант/создать новый» (клавиша F3) позволяет создать новый вариант.

Опция меню «Вариант/сохранить» (клавиша F4) сохраняет вариант.

Опция меню «Вариант/сохранить как…» (клавиша F5) сохраняет вариант под заданным именем.

Опция меню «Вариант/открыть архив» (клавиша F6) открывает архив вариантов.

Опция меню «Вариант/печать» (клавиша F7) выводит на печать окно исходных данных.

Опция меню «Вариант/выход» (клавиша F10) прекращает работу программы.

Опция меню «Расчет/выполнение расчета» (клавиша F9) запускает вариант на выполнение.

Рис.4.Окно исходных данных

Опция меню «Помощь/инструкция» (клавиша F1) показывает инструкцию к программе.

Опция меню «Помощь/о программе» (клавиша F2) предоставляет сведения о разработчиках программы.

При загрузке программы окно исходных данных содержит данные варианта, с которым пользователь работал последним. Для ввода исходных данных предназначены специальные окошки редактирования и таблица. Перемещение между окошками редактирования исходных данных осуществляется клавишей табуляции или мышью.

Марки работающих насосов выбираются из списка, выпадающего по щелчку мыши по кнопке со стрелкой, расположенной в правой части соответствующего окна редактирования. Отключение насоса производится выбором пустой строки в списке марок насосов.

Окно результата расчета.Запуск варианта на расчет может осуществляться через главное меню окна исходных данных (команда «выполнение расчета» подменю «Расчет» или щелчком мыши по пиктографической кнопке с изображением калькулятора) или клавишей F9 клавиатуры. При этом программа производит проверку введенной информации на полноту и корректность. Если некорректность обнаружена, на экране появляется окно с указанием вида ошибки.

В результате выполнения расчета появляется окно (рис.5), содержащее данные о расходе перекачки и давлении в начальном сечении трубопровода, а также сведения о наличии самотечных участков.

Рис.5. Окно результата расчета

Если число самотечных участков отлично от нуля, пиктографическая кнопка, расположенная справа от числа становится доступной. При ее нажатии на экран выводится окно характеристики самотечных участков.

Графический материал окна содержит профиль z(x) трубопровода (зеленая линия) и линию гидравлического уклона, отражающую падение напора H(x) на участке трубопровода (красная линия). Все построения произведены в масштабе, поэтому по графику несложно найти напор и давление в любом сечении трубопровода.

Содержимое окна результата расчета может быть выведено на печать щелчком мыши по кнопке «Печать», расположенной в нижней части окна.

Окно характеристики самотечных участков. Открывается из окна результата расчета щелчком мыши по кнопке, расположенной справа от числа, соответствующего количеству самотечных участков в трубопроводе. Если самотечных участков нет, кнопка недоступна.

В окне характеристики самотечных участков (рис.6) дается информация о координатах начала и конца каждого самотечного участка и о степени их заполнения.

Рис.6. Окно характеристики самотечных участков

Распечатка данных таблицы осуществляется щелчком мыши по кнопке «Печать» в нижней части окна.

Окно архива данных.Все варианты с соответствующими им исходными данными и профилем трубопровода сохраняются в архиве данных.

Окно архива данных (рис.7), переход к которому осуществляется из окна исходных данных (командой «открыть архив» подменю «Вариант», щелчком мыши по пиктографической кнопке с изображением картотеки или клавишей F7 клавиатуры), представляет собой список всех рабочих вариантов. Загрузка в оперативную память нужного варианта осуществляется щелчком мыши по строке с его именем и кнопке «Открыть» или двойным щелчком мыши.

Рис. 7.Окно архива данных

В архиве предусмотрена возможность переименования варианта (кнопка «Переименовать»), копирования одного варианта в другой (кнопка «Копировать»), удаления (кнопка «Удалить») и создания новых вариантов (кнопка «Создать»).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: