МЕТОД 1

Порядок виконання гідравлічного розрахунку трубопроводу.

Кількість насосних станцій (n), які забезпечують перекачування з певною продуктивністю (Q), на трасі трубопроводу довжиною (L) та різницею геодезичних відміток (ΔZ) кінця та початку траси може бути визначено з балансу наявної енергії (Ен) та енергії яка витрачається (Ев)

Ен = Ев (1)

Наявну енергію складає сума робочих напорів (Нр) всіх насосних станцій (n), які працюють на трубопровід, та необхідних для їх роботи на розрахунковому режимі підпору (Δh) (підпір створюється перекачуючою станцією пального (ПСГ), яка подає продукт що перекачується на вхід початкової насосної станції)

Ен=nНр+Δh (2)

При роботі трубопроводу наявна енергія буде витрачатись на подолання сил тертя по довжині трубопроводу (h_l), місцевих опорів (h_мо) та різниці геодезичних відміток кінцевого та початкового пунктів трубопроводу.

Ес = h_l +h_мо+ ΔZ (3)

Величина місцевих опорів (hмо) в порівнянням з втратами напору по довжині трубопроводу (hl) незначна, тому ними можна знехтувати. З врахуванням цих припущень баланс енергії можна записати:

nНр+Δh= h_l + ΔZ (4)

Виходячи з балансу енергії, можна визначити необхідну кількість насосних станцій:

n =(h_l ­– Δh + ΔZ)/Н_р (5)

Знаючи продуктивність трубопроводу та густину пального, необхідно в першу чергу визначити гідравлічні втрати по довжині трубопроводу.

Гідравлічні втрати визначаються за формулами Дарсі-Вейсбаха (6).

(6)

де λ – коефіцієнт гідравлічних опорів (коефіцієнт Дарсі);

Lф – фактична довжина трубопроводу, м;

Dв – внутрішній діаметр трубопроводу, м;

V – швидкість руху рідини, яка перекачується по трубопроводу, м/с;

g – прискорення вільного падіння, 9,81 м/с2

Для визначення коефіцієнта гідравлічного опору (λ) запропоновані достатньо добре обґрунтовані та експериментально підтверджені формули, отримані різними авторами. З курсу гідравліки відомо, що коефіцієнт гідравлічного опору залежить від числа Рейнольдса та стану внутрішньої поверхні труб, тобто від шорохуватості.

Найбільш повно та правильно вплив цих факторів на гідравлічні опри в польових магістральних трубопроводів враховує формула запропонована А.Д.Альтшулем:

λ = 0,11 (Ке/Dв + 68/Re)0,25 (7)

де Ке – еквівалентна шорохуватість труб, м;

Dв – внутрішній діаметр трубопроводу, м;

Re – число Рейнольдса.

Еквівалентна шорохуватість Ке – це така величина виступів, яка дає при підрахунках однакову з дійсною шорохавітістю величину втрат напору. Значення еквівалентної шороховатості визначається на основі гідравлічних випробовувань трубопроводу. Значення еквівалентної шорохуватості ПМТП-100, ПМТП-150 становить 1,5*10^-4….1,8*10^-4 м.

В характеристику труб ПМТ входять значення внутрішнього діаметру та складу внутрішньої поверхності труб. Значення внутрішнього діаметру ПМТ складає:

- ПМТП-100 – 96,8 мм;

- ПМТП-150 – 145,6 мм;

- ПМТП-200 – 212 мм

Перекачування пального по польових магістральних трубопроводах ведеться при турбулентному режимі, тобто

2320 < Re < 10⁶

тому визначення λ ведеться для ПМТ тільки для турбулентного режиму.

За формулою (7) визначається значення λ тільки для ПМТБ-200.

Для трубопроводів типу ПМТП-100 та ПМТП-150 на основі експериментальних даних отримана спеціальна формула

λ = 0,11 (0,0001 + 68/Re)^0,25 (8)

Число Рейнольдса величина безрозмірна, визначається за формулою

Re = VDв/ν*10^-4 (9)

де V – швидкість руху рідини в трубопроводі, м/с;

ν – кінематична в’язкість см²/с (графік визначення кінематичної в’язкості при температурі перекачування – додаток 1);

Dв – внутрішній діаметр трубопроводу, мм

Швидкість руху рідини в трубопроводі (V) визначається з співвідношення

Q=V*F (10)

де Q – продуктивність трубопроводу, м³/с;

F – площа живого січення трубопроводу, м2

F=(πDв²)/4, звідси (11)

V=4Q/ πD², м/с (12)

Формула Лейбензона (15) отримана шляхом перетворення рівняння Дарсі-Вейсбаха (6)

Враховуючи те, що V=ƒ(Q) та λ=ƒ(Q), то в формулі Дарсі-Вейсбаха вводять значення λ, визначеного за формулою Блазіуса

λ=С/Re^m, (13)

де С, m – коефіцієнти встановлені експериментально для різних трубопроводів. Значення коефіцієнтів С та m приведені в таблиці 2.

Таблиця 2. Значення коефіцієнтів С та m.

Перетворимо формулу (13), підставивши в неї значення Re:

λ = С/Re^m = С/ (VD/ν)^m = С/(4QD/πD²ν)^m= π^mD^mν^mC/4^mQ^m

Тоді підставляючи значення λ в формулу (6), отримуємо

h_l=(π^mD^mν^mC/4^mQ^m)*(L_ф/D)* (4²Q²/π²D²2g)=

=(4^2-mC/π^2-mD^5-m2g)* ν^m L_фQ^2-m

позначимо 4^2-mC/π^2-m2g=β

тоді h_l= (β ν^m L_фQ^2-m)/D^5-m (14)

Для кожного виду трубопроводу величина β/ D^5-m =const=В

тоді h_l= В ν^m L_фQ^2-m (15)

Якщо в формулу (15) підставити Q в м3/год, ν в см2/с, L_ф в м, то значення В для різних трубопроводів буде:

для ПМТ-100, ПМТП-100 В=1/14000

для ПМТ-150, ПМТП-150 В=1/90000

для ПМТБ-200 В=1/540000

Визначення підпору на насосну станцію

Підпір на насосну станцію (ΔР) в розрахунках приймається для всіх ПНУ

ΔР≥0,2 МПа.

Для переводу МПа в метри стовпа рідини (м.ст.р.) використовують формулу

Δh= ΔР*10⁵/ρ, (16)

де Р – тиск підпору на насосну установку, МПа;

ρ – густина продукту, що перекачується при заданій температурі, кг/м³.

Різниця геодезичних відміток (17), згідно визначення, знаходиться за формулою

ΔZ=Zк–Zп, (17)

де Zк – геодезична висота над рівнем моря кінця траси трубопроводу, м;

Zп – геодезична висота над рівнем моря початку траси трубопроводу, м;

Робочий напір насосних станцій може бути визначений графічним методом за характеристикою насосної станції Q-H та аналітичним методом.

Характеристики Q-H пересувних насосних установок (додаток 1,2,3) дозволяє графічним методом визначити робочий напір (Нроб), який відповідає заданій продуктивності перекачування.

Характеристики агрегатів ПНУ-75, ПНУ-100/200М та ПНУ-200 зняті при 100% відбору потужності. Для отримання напору насосної станції на нормальному експлуатаційному режимі необхідно велечину напору зменшити на 15-20%, тобто

Н_роб.=0,8…0,85 Н_роб(Q-H) (18)

В цьому випадку на експлуатаційному режимі двигун насосної установки буде мати запас потужності 15-20%. Експлуатація установок при 100%-ій потужності допускається тільки короткочасно (2-3 години) в випадку роботи на "аварійних" режимах.

Робочий режим ПНУ-75 та двох спарених (послідовно увімкнених) насосних станцій ПНУ-100/200М визначається за їхніми робочими характеристикам, знятими з запасом потужності. Відповідно

Н_роб.= Н_роб(Q-H)

При цьому визначення робочого режиму спарених насосних станцій ПНУ-100/200М необхідно проводити з урахуванням допустимого тиску на виході другої насосної установки по ходу перекачування, який не повинен перевищувати 5 МПа.

Режими роботи насосної установки ПНУ-200 визначається за характеристиками Q-H, побудованими для різних обертів двигуна установки від 1100 до 1500 об/хв.

У кожному випадку визначення можливого режиму роботи насосних установок ПНУ-75, спарених насосних станцій ПНУ-100/200М та ПНУ-200 необхідно уточнити потужність, що відбирається від двигуна, для того щоб вона не перевищувала допустиме значення.

Потужність, яка відбирається від двигуна насосної станції N_BД (кВт) визначається за формулою.

N=(gρQH_Q)/ηн ηр (19)

де η_н – к.к.д. насоса при розрахунковій продуктивності (визначається з характеристики насосної установки);

η_р – к.к.д. редуктора для ПНУ-75, ПНУ-100/200М та гідропередачі ПНУ-200;

Q – задана продуктивність трубопроводу, м³/год;

ρ – густина продукту при температурі перекачування, кг/м³.

H_Q – створюваний насосною установкою напір при заданій продуктивності, м;

g – прискорення вільного падіння, рівне 9,81 м/с².

При визначенні потужності яка відбирається від двигуна необхідно користуватися даними таблиці 3.

Таблиця 3. Дані для розрахунку потужності, яка відбирається від двигуна насосної установки

В ряді випадків зручно користуватись не графічною залежністю Q-H, а аналітичною, вираженою формулою

Н_роб=β(a-bQ^2-m) (20)

де β – коефіцієнт відбору потужності від двигуна при нормальній експлуатаційному режимі, β =0,8…0,85;

a,b – коефіцієнти, визначені в результаті опрацювання експериментальних характеристик Q-H насосних установок, знятих при 100% відбору потужності двигуна. Значення коефіцієнтів приведені в таблиці 4;

m – коефіцієнт, який враховує режим руху рідини, який залежить від характеру внутрішньої поверхні труб. Для оцинкованих внутрішніх поверхонь m = 0,21, для емальованих m = 0,22

Таблиця 4. Значення коефіцієнтів a та b

Підставивиши в формулу (5) значення всіх складових, знаходимо необхідну для даної траси кількість насосних станцій.

Переважно розрахункова кількість насосних станцій, визначена за формулою (5), виражається дробовим числом. В цьому випадку проводять завкруглення дробового числа в меншу або більшу сторону. Щоб не змінилась продуктивність перекачування, проводять перерахунок експлуатаційного напору насосних станцій за формулами

Н^ф_роб= (В ν^m L_фQ^2-m– Δh + ΔZ)/n_ф

Н^ф_роб= (h_l – Δh + ΔZ)/n_ф (21)

де n_ф – фактичне число насосних станцій, яке буде встановлено на трасі.

Так як двигуни насосних установок на експлуатаційному режимі мають запас потужності 15-20%, допустима зміна напору в деяких межах. Якщо при визначені експлуатаційного режиму станцій прийняти запас по потужності 18% (β =0,82), то можлива зміна цієї величини на 3-4%. Це дозволяє на 14 станцій які працюють компенсувати 14 (0,03…0,04)=0,5 станцій. Тому якщо дробова частина розрахункового числа насосних станцій менша 0,5 то фактичне число насосних станцій приймається рівним розрахунковому числу, заокругленому в меншу сторону, а коли воно рівне або більше половини, заокруглення проводиться в більшу сторону. При цьому значення коефіцієнту відбору потужності від двигуна не вийде за допустимі межі β =0,8…0,85

Кількість насосних станцій може бути визначено і за гідравлічним нахилом. Гідравлічним нахилом називаються втрати напору на тертя на одиницю довжини трубопроводу. Гідравлічний нахил визначається за формулою

і= h_l /L_ф=λV2/D2g

Відповідно, необхідне число насосних станцій можна визначити з виразу

n_р=(iL_ф+ ΔZ – Δh)/Н_р

Далі визначають розміри гідравлічного трикутника та кут нахилу гідравлічного променя. Методика їх визначення буде наведено в другому питанні заняття.

Поиск по сайту: