Задачник по трубопроводному транспорту нефти нефтепродуктов и газа
..pdfМ.В. ЛУРЬЕ
ЗАДАЧНИК
ПО ТРУБОПРОВОДНОМУ ТРАНСПОРТУ НЕФТИ, НЕФТЕПРОДУКТОВ И ГАЗА
Допущено Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности
“Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ" направления “Нефтегазовое дело"
Москва НЕДРА 2003
УДК 621.643(076) ББК 33.36
Л 86
Книга выпущена при содействии ОАО "АК "Транснефть"
Р е ц е н з е н т ы :
кафедра трубопроводного транспорта (СамГТУ, Самара); д-р техн. наук, проф. О. С. Брюховецкий (МГГРА, Москва);
д-ртехн. наук, проф. В.М. Максимов (ИПНГ РАН, Москва); д-р техн. наук, проф. М.Х. Хайруллин (НЦ РАН, Казань)
Лурье М.В.
Л 86 Задачник по трубопроводному транспорту нефти, неф тепродуктов и газа: Учеб, пособие для вузов. - М.: ООО
"Недра-Бизнесцентр", 2003. - 349 с. ISBN 5-8365-0154-8
Настоящая книга представляет собой учебное пособие к курсам тру бопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа, читаемым сту дентам технических вузов. Собранные в книге задачи необходимы для закрепления теоретических знаний, полученных студентами на лекциях, а также для приобретения практических навыков решения конкретных задач, встречающихся при транспортировке нефти и газа по трубопрово дам. Все задачи сборника снабжены ответами, а во второй части книги даны их подробные решения. Практически все задачи сборника ориги нальны.
Книга предназначена в первую очередь студентам и преподавателям вузов и факультетов нефтяных специальностей, но будет также полезна инженерно-техническим работникам систем трубопроводного тран спорта.
ISBN 5-8365-0154-8 |
© М.В. Лурье, 2003 |
|
© Оформление. ООО |
|
"Недра-Бизнесцентр", |
|
2003 |
3 |
|
Содержание |
|
Предисловие...................................................................................... |
4 |
1. ЗАДАЧИ С ОТВЕТАМИ........................................................... |
5 |
1.1. Физические свойства нефтей и нефтепродуктов.............. |
5 |
1.2. Гидравлические режимы работы нефте- |
|
и нефтепродуктопроводов.................................................... |
17 |
1.3. Трубопроводы с самотечными участками; |
|
вставки, лупинги, отводы.................................................... |
26 |
1.4. Гидравлические характеристики работы насосов |
|
и насосных станций............................................................... |
37 |
1.5. Совместная работа нефтеперекачивающих станций |
|
и трубопровода....................................................................... |
48 |
1.6. Истечение жидкости из трубопровода |
|
при его повреждении............................................................ |
55 |
1.7. Неустановившиеся режимы работы трубопроводов.... |
65 |
1.8. Последовательная перекачка нефтепродуктов............... |
79 |
1.9. Перекачка высоковязких нефтей и нефтепродуктов |
|
с подогревом............................................................................ |
92 |
1.10. Физические свойства природных газов........................ |
105 |
1.11. Стационарные режимы работы простых |
|
газопроводов........................................................................ |
114 |
1.12. Стационарные режимы работы сложных |
|
газопроводов........................................................................ |
124 |
1.13. Расчет режимов работы центробежных |
|
нагнетателей газа............................................................... |
133 |
1.14. Переходные процессы в газопроводах. |
|
Специальные задачи......................................................... |
143 |
2. РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.................................................................. |
155 |
Рекомендуемая литература. |
349 |
4
Предисловие
Задачник по трубопроводному транспорту нефти, неф тепродуктов и газа представляет собой учебное пособие для студентов технических вузов, а также факультетов и других учебных заведений нефтегазового профиля. Основное на значение книги состоит в том, чтобы дать изучающим тео рию трубопроводного транспорта возможность приложить полученные знания к решению практических задач, а также проверить, усвоен ли пройденный материал настолько, что может быть использован на практике, или нет. Кроме того, задачи, содержащиеся в книге, ценны и сами по себе, по скольку служат методическим пособием по решению реаль ных проблем трубопроводного транспорта.
Для студентов и преподавателей нефтегазовых вузов настоящая книга служит материалом для учебной работы на семинарских занятиях. Задачи сборника сформулированы так, что содержат все необходимые данные для своего ре шения. В качестве технического средства для выполнения расчетов предполагается научный калькулятор. Подробные решения, содержащиеся во второй части книги, призваны помочь учащимся проверить правильность найденного ре шения, или в тех случаях, когда решение задачи вызывает трудности, показать, как оно находится.
Автор благодарит Е.Б. Герцог за всестороннюю под держку.
Автор благодарит А.И. Владимирова, ректора РГУ неф ти и газа И.М. Губкина, и С.М. Вайнштока, президента ОАО "АК Транснефть", обеспечивших издание задачника.
Профессор М Л Л урьеъ
Май-декабрь, 2002 г., Москва
5
Часть 1. ЗАДАЧИ С ОТВЕТАМИ
1.1.ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ
ИНЕФТЕПРОДУКТОВ
Справочный материал
Физические свойства нефтей и светлых нефтепродуктов, имеющие существенное значение для организации технологиче ского процесса их транспортировки по трубопроводам, характе ризуются плотностью р , а также динамической |1 и кинемати ческой V вязкостями.
Плотность жидкости. Плотность р представляет собой
массу жидкости в единице объема. Размерность плотности дается
формулой |
М /Ь3 |
Единицей измерения плотности в |
системе СИ |
служит 1 |
кг/м3. Например, плотность бензинов |
составляет |
|
730 —760 |
кг/м3, |
керосинов 780-830 кг/м3, дизельных топлив |
840 —850 кг/м3, нефтей - 840 —960 кг/м3 При изменении давления и температуры плотность нефти
или нефтепродукта также изменяется, поэтому р есть функция
от давления р и температуры Т , так что р = р(р,Т). Для расче та плотности в зависимости от температуры используется форму
ла |
|
р(Т) = р20 [1 + ^(20 - Т)]. |
(1) |
в которой £ ( l/ 0 С ) - коэффициент объемного расширения; Т — температура ( °С), а р20 - плотность жидкости при нормальных условиях (Т = 20°С, р0 = paTNl = 0,1013 МПа.) Для нефти и нефтепродуктов значения коэффициента £ представлены в таб лице 1. Из формулы (1) следует, что в тех случаях, когда Т > 20° С , р < р20, а в тех случаях, когда Т < 20° С , р > р20.
7
Вязкие свойства жидкостей. Для характеристик свойств нефти и нефтепродуктов учитываются касательные напряжения X, возникающие на площадках d a , разделяющих слои жидко сти, движущиеся с различными скоростями и(у), рис. 1.1.
Рис. 1.1. К определению закона вязкого трения
Если для характеристик свойств нефти или нефтепродукта ис пользуется модель вязкой ньютоновской жидкости, то каса тельное напряжение X полагается пропорциональным разности скоростей этих слоев, рассчитанной на единицу расстояния меж ду ними:
du
т = р - г - (4) dy
Касательное напряжение Т определяется как сила трения между слоями жидкости, разделенными выбранной площадкой, отнесенная к площади этой площадки:
г , |
— |
сила |
M |
L/Т 2 |
М |
|
площадь |
~ |
т2 |
т —.2 ' |
|
|
|
|
L |
L • Т |
Единицей измерения X в системе СИ является Паскаль (Па) или
кг/(м с2).
Коэффициент |Х пропорциональности в законе (4) вязкого трения называется коэффициентом динамической вязкости.
Размерность этого коэффициента такова:
8
[М- ] = [х]-Т = М
L T
Единицей измерения р, в системе СИ является Пуаз, при этом
1 Пз = 1/10-кг/(м с). В частности, коэффициент динамичес
кой вязкости воды равен 0,01 Пз = 0,001 |
к г /(м с ) или 1 санти- |
Пуаз. |
вязкости жидкости |
Коэффициент V кинематической |
|
определяется как отношение |i / p : |
|
Iх] _ M /(L-T) _ L2 |
|
[V ] |
T ' |
p j ~ M/L3 |
Единицей измерения V в системе СИ является Стокс, при этом 1 Ст = 10‘4 м2/с. В частности, коэффициент кинематической вязко сти воды равен 0,01 Ст = 10'6 м2/с = 1 санти Стокс (сСт). Кинема тическая вязкость бензина составляет примерно 0,6 сСт; дизель ного топлива - 4 —9 сСт; маловязкой нефти - 10 —15 сСт и т.д. Вязкость нефти и почти всех нефтепродуктов зависит от темпе ратуры. При повышении температуры вязкость уменьшается, при понижении - увеличивается.
Объемный расход Q ламинарного течения вязкой несжи маемой жидкости в горизонтальной трубе кругового сечения с радиусом г0 под действием разности давлений Ар определяется формулой Гагена-Пуазейля:
7С• 1о Ар
(5)
8|iL
в которой L - длина трубы. Расход аналогичного течения в верти кальной трубе, происходящего под действием силы тяжести, оп ределяется формулой
|
9 |
|
71-Гр pg _ 7Г-Ip g |
(6) |
|
Q = |
8 v |
|
S\i |
’ |
где g - ускорение силы тяжести ( g = 9,81 м/с2).
Если шар с диаметром d0 весьма медленно движется в вяз
кой несжимаемой жидкости со скоростью v, то со стороны жид кости на него действует сила F , называемая стоксовским сопро тивлением:
F = 37C-|lvd0. |
(7) |
В ряде случаев для характеристики свойств высоковязкой нефти или нефтепродукта используют модели неньютоновских жидкостей. Примером модели неньютоновской жидкости явля ется модель степенной жидкости Освальда. Для этой модели справедливо соотношение
Т= к- |
(8) |
где коэффициент к называется консистентностью, а п — показа телем. Если n < 1, жидкость называют псевдопластичной, если n > 1 - дилатантной [3,8].
Рис. 1.2. Кривые течения степенной жидкости:
1- псевдопластичной; 2 - дилатантной
10
Кривые течения, то есть зависимости касательного напряжения т трения от du/dy (1/с), называемой скоростью сдвига, изобра жены на рис. 1.2.
Объемный расход Q ламинарного течения степенной жид кости в горизонтальной трубе кругового сечения с радиусом г0 под действием разности давлений Др определяется формулой:
7ПЪ3П ^ibAp/L X
Q = Зп + 1 V 2k > (9)
Расход аналогичного течения в вертикальной трубе, происходя щего под действием силы тяжести, определяется формулой
71Г03П |
( V p g 'i п |
ТПЬ П |
U |
lo-g |
Y |
|
Зп + 1 |
2k |
J |
Зп + 1 |
- |
k / p(ЮJ) |
Другой моделью неньютоновской жидкости, используемой для характеристики свойств высоковязких нефтей, служит мо дель вязко-пластичной жидкости с предельным напряжением сдвига или модель жидкости Шведова - Бингама. Для нее спра ведливы следующие соотношения:
du
Т = Т0 + (I— , если Т > Т0 ; dy
du |
, . |
(11) |
— |
= 0, если |т| < Т0 ; |
du
Т = - т 0 + (I— , если Т < —Т0 . dy
Эти соотношения означают, что до тех пор, пока модуль каса тельного напряжения т не превысит некоторой предельной ве личины Т0 , являющейся характеристикой данной среды и назы ваемой предельным напряжением сдвига, течение такой среды не