Перекачка жидкости по трубам

Современная буровая установка является мощной и достаточно сложной гидравлической системой, снабженной емкостями, насо­сами, трубопроводами, лотками и т. п., правильное проектирова­ние которых невозможно без гидравлических расчетов.

Трубопроводный транспорт при современном уровне техники является самым удобным, а при достаточно больших количествах подаваемых жидкостей и самым экономичным. Здесь мы рассмо­трим этот вид транспорта лишь с гидравлической точки зрения.

Практически задача гидравлического расчета трубопроводов может ставиться различно, причем можно считать, что основными вариантами расчета являются два.

1. Определение напора в начале линии при известных пара­метрах трубопровода и заданном расходе жидкости определенных физических свойств.

2. Определение диаметра трубопровода для перекачки задан­ного количества известной жидкости.

В практике расчетов могут возникнуть и другие варианты постановки задачи, которые в боль­шинстве случаев сводятся к указанным основным.

Первая задача по определению напора в начале линии является наиболее простой. Из преобразован­ного основного уравнения Бернулли

                                                (9.1)

при условии, что   вели­чину напора   в начале линии можно определить следующим образом:

                     .                                        (9.2)

На практике в большинстве случаев давление в конце линии р₂ является величиной заданной и если перекачка происходит в от­крытый резервуар, то р ₂ = 0. Разность z ₂— z ₁ = h ₀ есть гео­метрическая высота перекачки, т. е. высота, на которую поднимается жидкость, протекая от начала до конца расчетного участка трубопровода. Если z ₁> z ₂, то   h ₀< 0 (трубопровод проложен сверху вниз и в этом случае h ₀способствует движению жидкости по трубопроводу).

С учетом введенных обозначений уравнение (9.2) примет вид:

                                        .                                    (9.3)

Величина    определяется по формуле:

                                    .                                        (9.4)

Тогда (9.3) можно представить в виде

                                   .                                   (9.5)

Значение коэффициента λопределяется в зависимости от усло­вий течения и рода жидкости.

Зависимость давления в начале линии от расхода жидкости для расчетного участка, построенная в виде графика h = f (Q), может облегчить расчет при проектировании трубопровода или выборе режима его работы. Такая зависимость называется гидравлической характеристикой трубопровода. Кривые эти дают наглядное представление об изменении гидравлических сопроти­влений. Особенно удобны они для анализа работы трубопровода совместно с насосной станцией. Гидравлическая характеристика трубопровода с учетом потерь на местные сопротивления

                               ,                                    (9.6)

где  – потери энергии по длине и на местные сопро­тивления.

Рассмотрим решение второй задачи, в которой основным вопро­сом является определение диаметра трубопровода. В отличие от первой задачи, которая решается однозначно, вторая задача может иметь множество решений, если не ограни­чивать ее никакими дополнительными условиями. С гидравличе­ской точки зрения можно рассчитать перекачку заданного расхода известной жидкости по трубопроводам различных диаметров от очень малого до очень большого. Однако из этого большого ряда трубопроводов отвечать условиям технико-экономической целесообразности будут один или два диаметра труб.

При малом диаметре трубы для обеспечения заданного расхода мы будем иметь боль­шую скорость течения жидкости и большие потери энергии, т. е. большое давление в начале линии. С переходом к варианту с большим диаметром трубы скорость уменьшается так же, как уменьшается напор в начале линии. Зато в первом случае стоимость труб малого диаметра будет значительно меньше, чем при трубах большого диаметра.

Для решения задачи выбора диаметра трубы обычно задаются средней скоростью течения жидкости, исходя из практических данных, после чего находят диаметр трубопровода, а затем по схеме первой задачи определяют давление в начале линии.

Скорости жидкостей выбирают с учетом их физических свойств и практического опыта:

для водопроводов, м /с............................................... 1,8—2,5

- бензинопроводов, м /с.............................................. 1,6—2,2

- легкой нефти, м /с....................................................... 1,5—2,0

- тяжелой нефти, м /с................................................... 0,9—1,4

- глинистого раствора, м /с........................................ 1,4—2,3

Таким способом можно рекомендовать определять диаметр только трубопроводов небольшой длины, стоимость которых сравнительно невелика. В случае трубопроводов больших длин, составляющих десятки километров и более, правильность выбран­ного диаметра должна быть дополнительно обоснована технико-экономическим и надежностным расчетом. Зная заданный расход Q и выбрав сред­нюю скорость V, находим диаметр трубы:

                                          .                                        (9.7)

Так как в общем случае определенный таким способом диаметр не будет соответствовать стандартному размеру труб по сорта­менту, то необходимо выбрать ближайший стандартный диаметр. После этого гидравлический расчет может быть приведен к первой задаче. Следует отметить, что при расчете потерь напора величину диаметра нужно вычислять с возможно большей точностью, так как уровень потерь давления изменяется в зависимости от режима течения обратно пропорционально четвертой или даже пятой степени величины диаметра.

При гидравлическом расчете следует принимать действитель­ный внутренний диаметр трубы, который изменяется в зависи­мости от толщины стенок трубы для одного и того же номиналь­ного диаметра. Далее будем подробнее рассматривать расчет трубопроводов различной классификации.