Материал: Нефтепроводы. методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Нефтепроводы» для студентов 4-го курса. Кузнецов С.Н

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждении высшего профессионального образования

«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Кафедра теплогазоснабжения и нефтегазового дела

Нефтепроводы

Методические указания

к выполнению курсового проекта по дисциплине «Нефтепроводы»

для студентов 4-го курса дневной формы обучения направления 131000.62

«Нефтегазовое дело», профиль «Проектирование, строительство

и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ»

Воронеж 2013

УДК 621.64

ББК О 77я73

Составитель С.Н. Кузнецов

Нефтепроводы: метод. указания к выполнению курс. проекта по дисц. «Нефтепроводы» для студ. 4-го курса дневной формы обучения направления 131000.62 «Нефтегазовое дело», профиль «Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» / Воронежский ГАСУ ; сост.: С.Н.Кузнецов. – Воронеж, 2013. – 23 с.

Приводятся основные методики гидравлического расчета нефтепроводов, подбора насосных станций и проектирования нефтепроводов.

Предназначены для студентов 4 курса дневной формы обучения направления 131000.62 «Нефтегазовое дело», профиль «Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ».

Ил. 4. Табл. 2. Библиогр.: 7 назв.

УДК 621.64

ББК О 77я73

Печатается по решению научно-методического совета

Воронежского ГАСУ

Рецензент – Б.А. Попов, канд. техн. наук, доцент кафедры кадастра

недвижимости, землеустройства и геодезии Воронежского ГАСУ

Введение

При изучении дисциплины «Нефтепроводы», в рамках подготовки специалистов по направлению 131000.62 «Нефтегазовое дело», профиль «Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ», студенты 4 курса должны выполнить курсовой проект по проектированию нефтепровода.

Целью настоящих методических указаний является оказание помощи студентам при выполнении курсового проекта.

Общие указания

Расчетно-пояснительная записка курсовой работы должна содержать следующие основные разделы:

• титульный лист;

• содержание (перечислить все разделы пояснительной записки с указанием номеров страниц);

• задание на курсовое проектирование;

• расчетная часть в соответствии с основными этапами расчета нефтепровода, изложенными в разделе 2 настоящих методических указаний. Все расчеты необходимо проводить на основании международной системы единиц (СИ);

• заключение (выводы; привести численные значения величин, характеризующих основные этапы расчета);

• список использованных источников (в соответствии с ГОСТ 7.1–2003; располагать в порядке появления ссылок).

При оформлении расчетно-пояснительной записки следует придерживаться правил для составления отчета о научно-иссле­довательской работе, изложенных в ГОСТ 7.32–2001.

Графическая часть курсового проекта состоит из двух листов формата А1. На первом листе приводится план трассы нефтепровода, на втором листе - профиль нефтепровода.

1. Общие сведения

1.1. Сведения о нефтепроводах

В настоящее время для транспортирования нефти используют железнодорожный, водный, автомобильный и трубопроводный транспорт. Различные виды транспорта нефти применяются как в чистом виде, так и в комбинации друг с другом.

Трубопроводный транспорт нефти по сравнению с другими видами транспорта обладает ценнейшими преимуществами, основными из них являются:

• наиболее низкая себестоимость перекачки;

• небольшие удельные капитальные вложения на единицу транспортируемого груза и быстрая окупаемость затрат при строительстве трубопроводов;

• возможность прокладки нефтепровода в любом направлении и на любое расстояние – это кратчайший путь между начальным и конечным пунктами;

• бесперебойная поставка в течение года, практически не зависящая от климатических условий;

• наибольшая степень автоматизации;

• высокая надежность и простота эксплуатации;

• сравнительно короткие сроки строительства;

• разгрузка традиционных видов транспорта.

Трубопроводный транспорт нефти имеет и ряд недостатков, в определенной мере снижающих экономическую эффективность и сдерживающих темпы роста трубопроводного строительства, к ним следует отнести:

• крупные единовременные капитальные вложения в строительство, поскольку для ввода в эксплуатацию необходимо проложить весь трубопровод;

• определенные ограничения на количество сортов (типов, марок) нефти, транспортируемых по одному трубопроводу;

• «жесткость» трассы нефтепровода, вследствие чего для организации снабжения энергоносителями новых потребителей нужны дополнительные капиталовложения.

Независимо от назначения, все нефтепроводы состоят из одних и тех же элементов:

• подводящих трубопроводов;

• головной и промежуточной перекачивающих станций;

• линейных сооружений;

• конечного пункта.

Нефтепроводы с постоянным диаметром по всей длине без боковых ответвлений называются простыми, а с изменяющимся диаметром по длине и с ответвлениями – сложными. Трубопроводы протяженностью более 50 км и диаметром более 219 мм называются магистральными.

1.2. Физико-химические свойства нефтей, влияющие на технологию их транспорта

Физико-химические свойства нефтей зависят от их состава. Параметры режимов транспортировки нефти по трубопроводу определяются, главным образом, плотностью и вязкостью нефти, а также зависимостью этих характеристик от температуры и давления.

Плотность и вязкость нефти определяют лабораторными анализами. Плотность обычно измеряют при 20°C (293 К). Для определения плотностей нефтей при других температурах T (в К) пользуются линейным законом Д. И. Менделеева по формуле:

где ζ – температурная поправка, кг/(м³·К), которую можно рассчитать при помощи выражения

где ρ₂₉₃ – плотность при температуре 293 К, кг/м³.

Зависимость вязкости от температуры может быть представлена в виде графика. При отсутствии такового кинематическая вязкость ν_T при нужной (расчетной) температуре T (в К) может быть определена по формуле Рейнольдса–Филонова:

где ν₀ – кинематическая вязкость при температуре T₀ = 273 К (0°C); u – показатель крутизны вискограммы, К^–1.

Для определения величины u кроме ν₀ и T₀ достаточно иметь еще одно значение вязкости ν₁ при какой-либо другой температуре T₁. Тогда этот коэффициент находится по формуле

Расчетной температурой считают самую низкую температуру, которую принимает поток нефти в трубопроводе. Эта температура определяется температурой грунта на глубине заложения нефтепровода с учетом самонагревания потока в результате трения. Температура грунта на глубине заложения нефтепровода определяется по материалам изысканий.

1.3. Трасса нефтепровода и ее профиль

Трассой нефтепровода называют линию, разбитую на местности и определяющую направление оси нефтепровода в каждой его точке (рис. 1).

Рис. 1. Монтаж нефтепровода

Эта линия, будучи нанесена на план местности, по которой проходит нефтепровод, называется планом трассы. Проекцию трассы на параллельную ей вертикальную плоскость называют профилем трассы, причем каждой точке этого профиля отвечает определенная отметка над уровнем моря (рис. 2).

Профиль трассы используют при определении расчетной длины нефтепровода и разности геодезических высот. На профиле ведется расстановка нефтеперекачивающих станций (НПС). Профиль – чертеж, на котором отложены и соединены между собой характерные точки трассы. Расстояния от начального пункта и геодезические высоты этих точек – их координаты.

Профиль трассы строят так, что длина нефтепровода определяется на нем горизонтальной прямой AB, являющейся разверткой трассы. Сама же ломаная линия профиля является условной линией, характеризующей собой вертикальные уклоны отдельных участков трассы, но не их длину. Например, расстояние между точками трассы D и E определяется не длиной отрезка DE, а длиной отрезка KL (следовательно, расстояние между точками D и E равно расстоянию между точками E и M, так как KL = LN). Ордината KD в принятом масштабе представляет отметку z_D точки D над уровнем моря.

Разность ординат LE – KD = PE или z_E – z_D = Δz определяет собой в том же масштабе разность отметок точек D и E трассы нефтепровода. При определении разности отметок Δz необходимо всегда вычитать значение предыдущей ординаты z_D из значения последующей ординаты z_E, т. е. необходимо брать разность отметок всегда против хода перекачки.

Для лучшего выявления местности вертикальный масштаб профиля обычно берут в несколько раз больше, чем горизонтальный масштаб. Таким образом, все возвышенности и впадины на трассе выступают резко, чертеж получается наглядным. Отношение вертикального к горизонтальному масштабу называется искажением профиля. Искажение может быть десятикратным, пятидесятикратным, стократным и т. п. (например, на рис. 2 изображено тысячекратное искажение).

Точку профиля, резко возвышающуюся над соседними, называют пиком (точка C). Пониженный участок трассы, ограниченный с обеих сторон подъемами, называют карманом или мешком (участок RDES).

Длину нефтепровода непосредственно по его трассе измеряют топографической лентой. При предварительных расчетах длину нефтепровода можно определять по карте, причем точность измерения увеличивается с увеличением масштаба карты.

1.4. Гидравлический уклон

Закон сохранения энергии потока в нефтепроводе выражается уравнением Бернулли

где p – гидравлическое давление в трубопроводе, Па; g – ускорение свободного падения (g = 9,807 м/с²); z – высота положения центра тяжести жидкости, м; α – коэффициент Кориолиса – поправочный коэффициент на неравномерность распределения скоростей по сечениям (α = 2 для ламинарного течения; α ≈ 1 для турбулентного течения); w – средняя скорость потока, м/с; h_пот – потеря энергии на преодоление трения и других местных сопротивлений, м.

Одна из возможных графических интерпретаций уравнения Бернулли представлена на рис. 3. На этом рисунке изображены: профиль нефтепровода (жирная ломаная линия); линия H(x) зависимости полного напора H от координаты x вдоль оси нефтепровода (прямая линия с постоянным углом β наклона к горизонту) и три составляющие полного напора в произвольном сечении нефтепровода:

• геометрический напор z(x);

• пьезометрический напор p(x)/ρg;

• скоростной напор αw²(x)/2g.

Линия H(x), представляющая зависимость полного напора от координаты вдоль оси нефтепровода, называется линией гидравлического уклона.

Физически линию гидравлического уклона можно представить как ось воображаемого нефтепровода, в верхний конец которого жидкость подается насосами, а оттуда движется самотеком под влиянием собственной тяжести, причем скорость ее движения соответствует скорости в реальном трубопроводе.

Необходимым условием того, чтобы сечения нефтепровода были заполнены жидкостью, является

где p_у – упругость насыщенных паров транспортируемой жидкости, Па.

Геометрически это условие означает, что линия H(x) гидравлического уклона должна проходить выше профиля z(x) нефтепровода на величину p_у/(ρg).

Величина потери напора от трения жидкости h_тр, м по длине нефтепровода определяется по формуле Дарси–Вейсбаха

где λ – коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от режима течения и от шероховатости стенок труб; L – длина нефтепровода, м; d – внутренний диаметр нефтепровода, м.

Формулу Дарси–Вейсбаха также можно записать для потерь давления на трение:

Безразмерную величину i = –dH/dx, определяющую уменьшение напора на единицу длины нефтепровода, называют гидравлическим уклоном. Для нефтепровода с постоянным диаметром существует следующее равенство: