Определение расхода и напора в простых трубопроводах

Тема 6

 

Трубопровод, не имеющий отводов, называется простым трубопроводом. Он может состоять из участков труб разного диаметра или включать байпасные линии, так называемые лупинги. К простым трубопроводам относят также сифонные трубопроводы, используемые для слива нефтепродуктов на нефтебазах.

Определение расхода и напора в трубопроводе в этих случаях может быть произведено следующим образом [1, 3].

 

1) Вставки разного диаметра.

Движение жидкости в подобных трубопроводах обусловлено разностью уровней ее в резервуарах I, II или напором, Н, м (рис. 6.1)

 

 

Рис. 6.1 – Схема простого трубопровода, имеющего

вставку большего размера

 

Условием движения является равенство 6.1:

Н = . (6.1)

Расход определяется из уравнения неразрывности

Q = Q₁ = … = Const.

 

Уравнение Н = позволяет оценить влияние вставок на работу трубопровода.

Если трубопровод имеет постоянный диаметр, то напор определяется по уравнению 6.2:

H = h = l , м, (6.2)

где V = Const.

 

При наличии вставки большого диаметра трубопровод имеет два участка l₁ и l₂ с диаметрами d₁ и d₂, при этом d₂ > d₁, тогда уравнение приобретает вид 6.3:

H = h₁ + h₂ = l₁ l₂ , м. (6.3)

В то же время с увеличением диаметра скорость движения жидкости уменьшается, т.е. V₂ < V₁, тогда, если расход не изменится, то потери напора во вставке будут уменьшаться, а значит и общие потери напора по всей длине трубопровода по сравнению с первоначальным трубопроводом будут снижены. Отсюда следует и второй вывод, что при неизменном общем напоре Н наличие вставки будет способствовать росту расхода жидкости Q по сравнению с первоначальным трубопроводом;

 

2) Лупинги – параллельные соединения трубопроводов.

 

 

Рис. 6.2 – Схема трубопровода, имеющего лупинг

 

В этом случае для величины Q справедливо соотношение Q = Q₁ + Q₂, т.е. общий расход жидкости в трубопроводе равен сумме расходов в основной нитке и лупинге.

Общий напор Н в трубопроводе равен сумме потерь напоров на участках МА, АВ, ВN и определяется по уравнению 6.4:

Н = h_МА + h_AB + h_BN = l₃ + h_AB + l₄ , м. (6.4)

Относительно потерь напора между т. А и т. В можно сказать, что, так как по закону Паскаля давление в любой точке во всех направлениях одинаково, то потери напора между т. А и т. В определяются по уравнению 6.5:

h_AB = = , м. (6.5)

Из приведенных уравнений видно, что Q₁ < Q, Q₂ < Q, а значит и скорости V₁ и V₂ будут ниже скорости жидкости в трубопроводе постоянного диаметра (d₃ = d₄) c расходом Q.

Таким образом, наличие лупинга будет снижать потери напора в трубопроводе при постоянном расходе.

Отсюда следует второй вывод, что для сохранения постоянной величины напора Н расход Q при использовании лупинга должен возрасти.

Вставки и лупинги широко используются для увеличения производительности действующих трубопроводов и учитываются при расстановке станций по длине трассы на стадии проектирования МТП.

При этом для определения i_л, Q_л можно использовать соотношения 6.6 и 6.7 [7] (вывод уравнений дан в приложении В).

, (6.6)

 

, (6.7)

где i_л, i_тр – гидравлические уклоны лупинга и основного трубопровода;

Д_л , Д_Тр – диаметры лупинга и основного трубопровода;

Q_л, Q_Тр, – расходы в дополнительной нитке лупинга и в основном трубопроводе;

m – коэффициент, зависящий от режима движения жидкости:

m = 1 – ламинарный режим;

m = 0,25 – турбулентный режим – область гладких труб;

m = 0 – турбулентный режим – область квадратичного трения.

 

При Д_л = Д_Тр:

i_л = 0,5 i_Тр - ламинарный режим;

i_л = 0,296 i_Тр - турбулентный режим для гидравлически гладких труб;

i_л = 0,25 i_Тр - в зоне квадратичного трения.

Потери напора в трубопроводе при наличии лупинга можно записать в виде уравнения 6.8:

H_пот = i_Тр (L - L_л) + i_л×L_л; (6.8)

 

3) Сифонный трубопровод относится к разряду простых трубопроводов и представляет собой трубопровод, часть которого расположена выше уровня жидкости в питающем резервуаре.

Наиболее часто используется при сливе жидкостей из железнодорожных вагоноцистерн в емкости приемных пунктов.

Схематично работа сифонного трубопровода выглядит следующим образом (рис. 6.3)

 

Рис.6.3 - Сифонный трубопровод

I - питающий резервуар;

II - приемный резервуар

 

Из рисунка видно, что это короткий трубопровод, движение в котором происходит самотеком по всей длине. В момент пуска подъем жидкости до т. А происходит за счет разницы атмосферного давления и вакуума в т. А, который должен быть создан в трубопроводе в первоначальный момент времени. Работу сифонного трубопровода можно также обеспечить, если заранее заполнить его жидкостью.

Независимо от того, каким образом осуществляется пуск трубопровода, для его дальнейшей работы необходимо иметь разницу уровней Н в резервуарах I, II, равную или превышающую величину потерь напора в трубопроводе.

Расчет сифонного трубопровода заключается в определении расхода Q и высоты сифона h_c при известных H, d, L трубопровода [8].

Для определения расхода используют уравнение расхода (6.9) и уравнение Дарси-Вейсбаха (6.10):

Q = V×S = (6.9)

h_пот = Н = . (6.10)

 

Из уравнения Дарси-Вейсбаха скорость равна (уравнение 6.11):

, (6.11)

тогда уравнение расхода для сифонного трубопровода 6.12:

Q = (6.12)

Для определения высоты сифона h_c составляют уравнение Бернулли 6.13 для сечения 1-1, 2-2 и плоскости сравнения О-О:

. (6.13)

Для данных сечений Z₁ = 0, Z₂ = h_c, Р₁ = Р_атм, Р₂ = Р_А, V₁= 0, тогда

,

.

Разница Р_атм - Р_А = Р_вакуум. Это есть разрежение в т. А, тогда

.

Так как полный вакуум - это 1 атм или 10 м вод. ст., то практически высота подъема h_c, чтобы трубопровод работал, не должна превышать 5-6 м.

Кроме того, для работы сифонного трубопровода должно соблюдаться условие Р_А > Р_нп, т.е. остаточное давление в т. А должно быть больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при температуре перекачки, в противном случае будет иметь место вскипание жидкости в т. А.