54. Тепловой расчет «горячих» нефтепроводов

Целью теплового расчета является определение тепловых потерь по длине нефтепровода и оценка этих потерь. С учетом данных теплового расчета определяют пропускную способность, шаг НПС, рассчитывают трубопровод на прочность и устойчивость, выбирают толщину и тип изоляции. В процессе эксплуатации результаты теплового расчета используются для оперативного диспетчерского управления за работой трубопровода.

Г рафик дает распределение температуры по длине трубопровода.

Пусть в трубопровод через его начальное сечение поступает нефть, подогретая до температуры Т_н. Тогда на некотором расстоянии x от начала трубопровода вследствие теплообмена с окружающей средой температура нефти понизится до Т. Для определения Т в сечении x выделим элементарный участок длиной dx и рассмотрим его тепловой баланс.

Если пренебречь теплотой трения и не учитывать фазовые характеристики, связанные с кристаллизацией парафина в нефти, то, согласно закону сохранения энергии: количество теплоты, получаемое окружающей средой с температурой Т₀ от элементарного объема нефти равно потерям нефтью части теплоты в окружающую среду:

КπD₀(T-T₀)dx=-Gcdt,

К – общий коэффициент теплопередачи (Вт/(м²К)) показывает какое количество тепла теряется с 1м² площади через стенку в окружающую среду при изменении температуры на 1К;

D₀ - внутренний диаметр трубопровода, м;

G – массовый расход;

с – удельная теплоемкость нефти.

После интегрирования получаем

Т=Т₀+(Т_н-Т₀)ехр(-КπD₀х/(Gc)) – уравнение Шухова.

При транспортировке нефти с высоким содержанием парафина необходимо учитывать эффект кристаллизации парафина (выделение).

Тогда, записывая теплоой баланс для элементарного участка и решив исходное уравнение, получим для l₁≤x≤L (l₁ – длина участка, на котором нефть охлаждается от температуры Т_н до температуры начала кристаллизации парафина Т_н.п.):

Т=Т₀+(Т_н.п.-Т₀)ехр(-КπD₀(x-l₁)/(Gc₁)),

с₁ – удельная теплоемкость нефти, содержащей выделившийся парафин.

При перекачке вязких нефтей в подогретом состоянии возможны случаи, когда на начальном участке трубопровода имеет место турбулентный режим, а на конечном из-за остывания нефти – ламинарный.

55. Гидравлический расчет «горячих» нефтепроводов

Переход из одного режима в другой происходит при критическом числе Рейнольдса. Установлено, что для подогретых нефтей, Re_кр=1000…2000, причем для высокопарафинистых нефтей ближе к нижнему значению, а для вязких нефтей с малым содержанием парафина ближе к верхнему пределу. Так как число Рейнольдса прямо пропорционально зависит от вязкости, а вязкость от температуры, то существует T_кр, при которой происходит смена режима:

Т_кр=Т₀+(1/u)ln(0,25νπD₀Re_кр/Q)

Подставив значение Т_кр в формулу Шухова, и введя параметр Шухова при турбулентном Шу_т=К_тπD₀L/(Qρс) режиме получим:

х_кр=(L/Шу_т)ln((Т_н-Т₀)/(Т_кр-Т₀).

Следовательно, на участке 0≤х≤х_кр режим течения нефти турбулентный, а при х_кр≤х≤L – ламинарный. Температура на обоих участках рассчитывают по формуле Шухова.

Потери напора на трение по длине:

H=Q^2-m^mLΔ_rΔ_l/D^5-m+Δz,

где Δ_r – поправка на неизотермичность потока в радиальном направлении;

Δ_l – коэффициент, характеризующий отклонение вязкости нефти, а следовательно, и гидравлических потерь от значений, соответствующих изотермическому режиму.

Δ_rΔ_l= – величина, большая 1.