Морозова Наталья Владимировна. Обоснование новых методов гидравлического расчета нефте- и нефтепродуктопроводов

Краткое описание

Морозова Наталья Владимировна. Обоснование новых методов гидравлического расчета нефте- и нефтепродуктопроводов : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.19 / Морозова Наталья Владимировна; [Место защиты: С.-Петерб. гос. гор. ин-т им. Г.В. Плеханова].- Санкт-Петербург, 2009.- 190 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/696

Федеральное агентство по образованию
Государствснное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)
04201002265
На правах рукописи

МОРОЗОВА Наталья Владимировна
ОБОСНОВАНИЕ НОВЫХ МЕТОДОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА НЕФТЕ- И НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ
Специальность 25.00.19 — Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ
диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Коршак Алексей Анатольевич
Санкт-Петербург
2009
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЙ 10
1.1 Развитие методов гидравлического расчета и современные формулы для прогнозирования коэффициента гидравлического сопротивления нефте- и нефтепродуктопроводов 10
1.2 Оценка граничных чисел Рейнольдса при гидравлическом расчете нефте- и нефтепродуктопроводов 45
1.3 Оценка шероховатости стенки трубы при гидравлическом расчете нефте- и нефтепродуктопроводов 51
1.4 Гидравлический расчет трубопроводов по формуле Л.С. Лейбензо-
на 58
1.5 Постановка задач исследований 62
2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КО-ЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НЕФТЕ-
И НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ В ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ 64
2.1 Сравнительный анализ современных методов расчета коэффициента гидравлического сопротивления в переходной зоне 64
2.2 Обоснование выбора расчетной зависимости для коэффициента гидравлического сопротивления в переходной зоне 73
2.3 Обоснование выбора граничных чисел Рейнольдса для переходной зоны 79
2.4 Выводы по разделу 2 81
3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КО-ЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НЕФТЕ- И НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ В ЗОНЕ СМЕШАННОГО ТРЕНИЯ
ТУРБУЛЕНТНОГО РЕЖИМА 82
3.1 Сравнительный анализ современных методов расчета коэффициента
з
гидравлического сопротивления и обоснование выбора расчетной зави¬симости для X в зоне смешанного трения турбулентного режима 82
3.2 Выводы по разделу 3 96
4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ПО ФОРМУЛЕ Л .С. ЛЕЙБЕНЗОНА 97
4.1 Определение коэффициентов в формуле Л.С. Лейбензона для пере¬ходной зоны и граничные условия их использования 97
4.2 Уточнение коэффициентов в формуле Л.С. Лейбензона для зоны смешанного трения турбулентного режима 101
4.3 О границах зоны смешанного трения турбулентного режима 107
4.5 Сравнительная оценка коэффициента m в формуле Л.С. Лейбензона
с экспериментальными данными 112
4.4 Выводы по разделу 4 115
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 116
СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ 117
ПРИЛОЖЕНИЯ 127
Приложение А - К обоснованию выбора метода прогнозирования коэф¬фициента гидравлического сопротивления нефте- и нефтепродуктопро-
водов в переходной зоне 127
Приложение Б - К обоснованию выбора метода прогнозирования коэф¬фициента гидравлического сопротивления нефте- и нефтепродуктопро- водов в зоне смешанного трения турбулентного режима 147
Актуальность темы исследований. Наша страна обладает одной из самых мощных трубопроводных систем в мире. Сегодня нефтяными компаниями эксплуатируется около 80 тыс. км магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов. И эта сеть продолжает расширяться - введена в строй первая очередь нефтепровода Восточная Сибирь - Тихий океан, планируется строительство нефте- и нефтепродуктопроводов БТС-2, Западная Сибирь - Мурманск, Сызрань-Новороссийск (проект «Юг») и др.
Важным этапом как на стадии проектирования нефте- и нефтепродуктопроводов, так и в процессе их эксплуатации является гидравлический расчет, который лежит в основе расстановки перекачивающих станций и планирования режимов перекачки, что определяет экономическую эффективность принимаемых инженерных решений.
Вопросами разработки методов гидравлического расчета трубопроводов для перекачки ньютоновских жидкостей посвящены труды многих исследователей. Из современных работ в области исследования гидравлических сопротивлений и прогнозирования коэффициента гидравлического сопротивления можно выделить труды Л.А. Адамовича, А.Д. Альтшуля, В.Д. Белоусова, И.А. Исаева, Б.Н. Лобаева, М.В. Лурье, Л.А. Самойленко, П.М. Слисского, А.В. Теплова, Г.К. Филоненко, Н.З. Френкеля, А.В. Черникина, В.И. Черникина, Б.Л. Шифринсона, Л.К. Якимова и др.
Большое количество теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в этой области, позволяет сегодня однозначно прогнозировать величину коэффициента гидравлического трения X лишь для случаев ламинарного режима, а также зон гладкого и шероховатого трения турбулентного режима. В то время, как для переходной зоны, а также для практически значимой в магистральном транспорте нефти и нефтепродуктов зоны смешанного трения турбулентного режима единственно верного решения
этой задачи пока не существует.
В этой связи исследования, направленные на совершенствование гидравлического расчета нефте- и нефгепродуктопроводов являются актуальными.
Цель диссертационной работы - обоснование зависимостей для расчета коэффициента гидравлического сопротивления в переходной зоне и зоне смешанного трения турбулентного режима, а также определение областей их применения в случае использования формулы Л.С. Лейбензона.
Идея работы. Для расчета величины коэффициента гидравлического сопротивления в переходной зоне и зоне смешанного трения турбулентного режима необходимо использовать формулы, с наименьшей среднеквадратичной погрешностью описывающие экспериментальные данные, а область их применения должна определяться из условия сопряжения с другими формулами, справедливыми в смежных зонах.
Задачи исследований:
1. Выявление формул, позволяющих вычислить коэффициенты гидравлического сопротивления в переходной зоне и в зоне смешанного трения турбулентного режима с наименьшей среднеквадратичной погрешностью.
2. Определение коэффициентов в формуле Л.С. Лейбензона для переходной зоны и зоны смешанного трения турбулентного режима.
3. Уточнение граничных и критического числа Рейнольдса.
Научная новизна работы:
1. Показано, что если шероховатость труб определена на основе решения обратных задач, то величину X для магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов при эксплуатационных расчетах можно находить по формулам классической гидравлики с допустимой при инженерных расчетах погрешностью.
2. Установлено, что с наименьшей среднеквадратичной погрешностью коэффициент гидравлического сопротивления в переходной зоне может быть рассчитан по формуле Института Гипротрубопровод, а в качестве критического числа Рейнольдса следует принимать величину 2040.
3. Впервые установлено, что в переходной зоне коэффициенты в формуле Л.С. Лейбензона равны Р=12,5-10"7 с2/м, т=-1,04.
4. Показано, что с наименьшей среднеквадратичной погрешностью гидравлический расчет по формуле Л.С. Лейбензона в зоне смешанного трения турбулентного режима может быть выполнен при Р=0,01б6-є°’15, m=0,l.
5. Найдены переходные числа Рейнольдса Rei=l 7,5/с и Ren=531/s, позволяющие выполнить гидравлический расчет по формуле Л.С. Лейбензона без скачков напора на границах зоны смешанного трения.
Защищаемые научные положения:
1. При эксплуатационных расчетах нефте- и нефтепродуктопроводов в зоне смешанного трения турбулентного режима шероховатость труб следует определять на основе решения обратных задач, что позволяет использовать в расчетах современные формулы классической гидравлики (А.Д. Альтшуля, И.А. Исаева, Н.З. Френкеля, В.И. Черникина) с погрешностью не более 5%.
2. При проектных и эксплуатационных расчетах нефте- и нефтепродуктопроводов в переходной зоне и зоне смешанного трения турбулентного режима следует применять полученные в данной работе значения коэффициентов в формуле Л.С. Лейбензона и границы режимов и зон трения.
Методика исследований. В диссертационной работе использовались обобщение и анализ теоретических и экспериментальных трудов в области исследования гидравлических сопротивлений трубопроводов,, аппарат фундаментальной гидравлики, различные прикладные математические методы - численные методы, линейная алгебра, методы математической статистики.
Достоверность научных положений. Теоретические исследования основаны на фундаментальных законах трубопроводной гидравлики и выполнены с использованием современных методов и профессиональных программных продуктов.
Достоверность положений выводов и рекомендаций подтверждается сопоставлением результатов теоретических исследований с
экспериментальными данными других авторов.
Практическое знаменне работы. При использовании предложенных методических рекомендаций среднеквадратичная погрешность расчета X в переходной зоне снижается на 14%, а в зоне смешанного трения турбулентного режима - на 1,6%.
Реализация результатов работы. Разработанные формулы для гидравлического расчета применяются институтом ОАО «Институт «Нефтегазпроект» при проектировании нефтепроводов и нефтепродуктопроводов.
Научные и практические результаты диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе СПГГИ (ТУ) при изучении дисциплины «Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» студентами специальности 130501.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 59-й Межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ-2005» (РГУ им. И.М. Губкина, г. Москва, 2005 г.), II Межотраслевой научно-практической
конференции «Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и социогуманитарного образования специалистов ТЭК» (УГНТУ, г. Уфа, 2005 г.), Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса ВУЗов минерально-сырьевого комплекса России (СПГГИ (ТУ), г. Санкт-Петербург, 2006 г.), V Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (ПГУ, г. Новополоцк, 2006 г.), ежегодной научно-технической конференции оудентов, аспирантов и молодых ученых (УГНТУ, г. Уфа,
2005.. .2007 гг.), Международной учебно-научно-практической конференции
«Трубопроводный транспорт» (УГНТУ, г. Уфа, 2005...2008 гг.).
Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил постановку задач и разработку методики исследований, литературный обзор и анализ современных методов гидравлического расчета нефте- и нефтепродуктопроводов, сравнительный анализ погрешностей расчета коэффициента гидравлического сопротивления по формулам разных авторов, аналитические исследования.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, входящем в перечень журналов ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 190 страниц, содержит 21 таблицу и 29 рисунков, а также список литературы из 120 наименований и 2 приложения.
Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, определены цель, идея, задачи, изложены защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.
В первой главе диссертационной работы приведен литературный обзор и анализ современных отечественных и зарубежных методов гидравлического расчета нефте- и нефтепродуктопроводов, оценки граничных чисел Рейнольдса и шероховатости внутренней поверхности трубопровода. Поставлены задачи исследований.
Во второй главе проведен сравнительный анализ погрешности расчета коэффициента гидравлического сопротивления X по формулам Института Гипротрубопровод, И.А. Исаева, М.В. Лурье, Л.А. Самойленко, П.М. Слисского для переходной зоны с имеющимися в литературе экспериментальными данными по исследованию гидравлических сопротивлений при перекачке воды, нефтей, нефтепродуктов и их смесей. Представлено обоснование выбора расчетной зависимости для коэффициента X в этой зоне. Определены и сопоставлены с экспериментальными данными границы переходной зоны,
удовлетворяюгцие граничным условиям.
В третьей главе приведен сравнительный анализ величин коэффициента гидравлического сопротивления X, рассчитанных по формулам А.Д. Альтшуля, И.А. Исаева, Института Гипротрубопровод, Н.З. Френкеля, В.И. Черникина, Б.Н. Лобаева, Г.К. Филоненко для зоны смешанного трения турбулентного режима с опытными данными по перекачке воды, керосина и воздуха. Представлено обоснование выбора расчетной зависимости для коэффициента X в этой зоне. Приведены рекомендации по определению относительной шероховатости внутренней поверхности трубопровода при эксплуатационных расчетах.
В четвертой главе произведены необходимые преобразования зависимостей для расчета коэффициента X, на основании которых получены новые коэффициенты (3 и m в формуле Л.С. Лейбензона для переходной зоны и зоны смешанного трения турбулентного режима. Определены границы использования указанных коэффициентов. Произведено сопоставление полученных решений с экспериментальными данными, имеющимися в научно- технической литерат

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. В переходной зоне формула Института Гипротрубопровод для расчета коэффициента гидравлического сопротивления X описывает экспериментальные данные по перекачке ньютоновских жидкостей по трубам с технической шероховатостью с наименьшей среднеквадратичной погрешностью (Л=4,07... 12,6%).
Коэффициент гидравлического сопротивления X для зоны смешанного трения турбулентного режима при эксплуатационных расчетах можно вычислять по любой из следующих формул классической гидравлики - И.А. Исаева, А.Д. Альтшуля, В.И. Черникина, Н.З. Френкеля, при условии определения шероховатости стенки трубы на основе решения обратных задач для конкретных опытно-промышленных данных. Среднеквадратичная погрешность расчета в этом случае не превышает 5%.
2. При гидравлическом расчете по формуле JI.C. Лейбензона в переходной зоне рекомендуется использовать коэффициенты: А= 1,18-10°,
П гу
(3 = 12,5 • 10 с'/м, m = -1,04, в зоне смешанного трения турбулентного режима
A=0,206-s°’b, (3 = 0,0166-є®’1^, m=0,l, что позволяет снизить
среднеквадратичную погрешность расчета потерь напора на трение в указанных зонах на 14 и 1,6% соответственно.
3. Переходная зона занимает область 2040 Рекомендуемые граничные числа Рейнольдса полностью удовлетворяют граничным условиям при гидравлическом расчете по формуле Л.С. Лейбензона и имеют лучшее соответствие с опытными данными по перекачке ньютоновских жидкостей по трубам с технической шероховатостью.
СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
1 Абдурашитов С.А., Тупиченков А.А. Трубопроводы для сжиженных углеводородных газов. -М.: Недра, 1965. -215с.
2 Абрамзон JI.C., Коротков Л.И. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. Расчет простых и сложных трубопроводов. —Уфа: Изд-во Уфим. нефт. ин-та, 1980. -90 с.
3 Агапкин В.М., Борисов С.Н., Кривошеин Б.Л. Справочное руководство по расчетам трубопроводов. -М.: Недра, 1987. -191 с.
4 Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикапов Ф.И. Гидравлика. -М.: Энергия, 1964. -352 с.
5 Апьтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. -М.: Недра, 1970. -165 с.
6 Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Недра, 1982. -224 с.
7 Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика: Учеб. пособие для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1975. - 323 с.
8 Андреевская А.В., Кремницкий Н.Н., Панова М.В. Задачник по гидравлике. - М.: Изд-во «Энергия» -568 с.
9 Бабин JI.A., Григоренко П.Н., Ярыгин Е.Н. Типовые расчеты при сооружении трубопроводов. -М.: Недра, 1995. -256 с.
10 Байков И.Р., Жданова Т.Г., Гареев Э.А. Моделирование технологических процессов трубопроводного транспорта нефти и газа. -Уфа: УНИ, 1994. -128 с.