Выберем сечение 1-1 по свободной поверхности жидкости в резервуаре А, сечение 2-2 - по свободной поверхности жидкости в резервуаре В (рис. 7). Плоскость сравнения совместим с сечением 2-2.

Рисунок 7 - Схема к расчету диаметра самотечного трубопровода

Составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2:

В данном случае:

Так как уровни в резервуарах А и В постоянны, то скоростные напоры и равны нулю.

Подставив все значения в уравнение Бернулли (7.1), получим:

Потери напора:

При установившемся режиме уровни в резервуарах постоянны, тогда расход жидкости через самотечный трубопровод равен. Следовательно, средняя скорость жидкости в самотечном трубопроводе:

Подставляя выражение (7.3) с учетом (7.4) в (7.2), получим:

Решение уравнения (7.5) выполним графоаналитическим методом. Задаваясь значением диаметра самотечного трубопровода, построим график зависимости потребного напора

Число Рейнольдса:

Следовательно, режим течения турбулентный. Тогда коэффициент потерь на трение по длине определяем по формуле Альтшуля:

где: - шероховатость чугунных (бывших в употреблении) труб.

Вычислим по формуле (7.5) величину потребного напора для пропуска расхода при значении диаметра самотечного трубопровода:

Так как полученное значение, то последующие значения диаметра нужно уменьшать.

Проведем аналогичные расчеты для ряда других значений диаметра. Результаты расчетов сведем в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты расчета потребного напора

По данным таблицы 2 строим график зависимости (рис. 8) и по значению определяем диаметр самотечного трубопровода.

Рисунок 8 - График зависимости

По графику получаем.

ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТИ

При установившемся режиме работы установки, когда расход в системе трубопровода не изменяется со временем, развиваемый насосом напор равен потребному напору установки

Тогда, согласно формуле (4.2), потребный напор установки:

Давление сети:

Построим характеристику сети, используя зависимости (8.1) и (8.2) и методику определения потерь напора, изложенную в п.2.

Зададимся расходом.

Определим средние скорости, режим течения и коэффициенты сопротивления трения для каждого участка трубопровода.

Для трубопровода всасывающей линии диаметром:

число Рейнольдса:

Следовательно, во всасывающей линии режим течения турбулентный.

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Следовательно, в трубопроводе диаметром режим течения турбулентный.

Для трубопровода диаметром:

средняя скорость движения жидкости:

число Рейнольдса:

Следовательно, в трубопроводе диаметром режим течения турбулентный.

Потери напора во всасывающей линии

где: - потери напора на трение по длине;

Местные потери напора;

и - соответственно коэффициент сопротивления трения и сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии.

Определим коэффициент гидравлического сопротивления по формуле Альтшуля:

Для всасывающей линии местные сопротивления:

всасывающая коробка с обратным клапаном с коэффициентом сопротивления;

задвижка (при полном ее открытии).

Получаем:

Вычислим потери напора во всасывающей линии:

Аналогичным образом определим потери напора в нагнетательной линии:

Так как режим течения в нагнетательной линии на всех участках турбулентный, а область гидравлического сопротивления переходная, то коэффициенты сопротивления трения определим по формуле Альтшуля:

Местные сопротивления нагнетательной линии:

два поворотных колена с коэффициентом сопротивления

регулировочный вентиль с коэффициентом сопротивления

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

на участке трубопровода диаметром:

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

на участке трубопровода диаметром:

поворотное колено с коэффициентом сопротивления

расходомер Вентури с коэффициентом сопротивления

Вычислим потери напора в нагнетательной линии:

Общие потери напора в трубопроводе:

Потребный напор установки:

Давление сети:

Проведем вычисления для других значений расхода. Результаты вычислений сведем в таблицу 3.

напор трубопровод насосный резервуар

Таблица 3 - Результаты расчетов для построения характеристики сети

К безнапорным (самотечным) трубопроводам относятся канали­зационные трубы, водосточные каналы (ливнеспуски), самотечные нефтепроводные и водопроводные трубы и т.д.

Наиболее распространенными формами сечений безнапорных трубопроводов являются: круглое (рис.5), овоидальное (рис.5) и лотковое (рис.5). Эти сечения характеризуются интересной гидравлической особенностью: наибольший расход и наибольшая скорость в них имеют место не при полном, а лишь при частичном наполнении.

Объясняется это тем, что при заполнении верхней части подобных сечений смоченный периметр растет быстрее, чем площадь, и поэтому начинает уменьшаться гидравлический радиус, что приводит одновременно к уменьшению скорости и расхода.

Гидравлические расчеты безнапорных трубопроводов выполняются аналогично расчетам открытых каналов, что естественно, поскольку безнапорный трубопровод представляет собой по существу также открытый канал; отличием трубопроводов от каналов в гидравлическом смысле является только отмеченное выше уменьшение гидравлического радиуса трубопроводов при заполнении его верхней части, в то время как гидравлический радиус каналом все время возрастает с увеличением наполнения.

Рис.6 Рис.7

Для упрощения расчетов значения характеристик трубопроводом (площади сечения, гидравлического радиуса и величин и зависящие от глубины наполнения, могут быть вычислены для определенных форм сечения заранее.

Если обозначить через W 0 и значения модуля скорости и модуля расхода при полном наполнении h 0 трубопровода, а теми же буквами без индекса –их значения при некотором частичном наполнении h, можно вычислить значения отношений

в зависимости от ; получающиеся при этом зависимости для трубопроводов круглого, оваидального и лоткового сечений представлены в виде графиков на рис.6, 7, 8. Пользуясь этими графиками, значения скорости и расхода Q при частичном наполнении можно находить по формулам

8.5. Безнапорное движение при ламинарном режиме

На практике, например при сливе весьма вязких нефтей и нефтепродуктов и их течении в открытых лотках и самотечных трубах, при решении некоторых задач в области химического и нефтезаводского аппаратостроения, иногда приходится встречаться с ламинарным безнапорным движением жидкости.

В этом случае оказывается возможным определить теоретическим путем потери напора (подобно тому, как при ламинарном движении в напорных трубах) и получать расчетные зависимости для расхода. Не приводя здесь соответствующих решений, математически обычно весьма сложных и громоздких, ограничимся лишь сводкой некоторых расчетных формул для каналов наиболее часто применяемых форм поперечных сечении. По И.А.Чарному, для канала прямоугольного сечения при глубине потока h и ширине b расход жидкости может быть подсчитан по формуле

где i –уклон дна канала; g –ускорение силы тяжести; v –кинематическая вязкость жидкости.

Если глубина потока весьма мала по сравнению с шириной, то

Для канала трапецеидальной формы гидравлически наивыгоднейшего сечения с углом

Для полукруглого канала

Скорость движения воды в самотечных трубах принимается не менее скорости течения воды в реке.

Принимают стандартные диаметры труб, округляя полученные расчетом в меньшую сторону. По принятому диаметру уточняют действительную скорость в самотечной трубе, и она должна быть больше расчетной. Затем эту скорость проверяют при уровне высоких вод, т.е. паводок, когда для обеспечения наименьшего заиления полный расход пропускается по одной линии.

Принятый диаметр самотечных трубопроводов D (в м ) должен быть проверен на незаиляемость транспортируемыми по трубе мелкими наносами в количестве ρ (в кг/м 3 ), имеющими средневзвешенную гидравлическую крупность ω, м/сек , по формуле (6) и на подвижности захватываемых в трубу и влекомых по дну наносов крупностью d, м , по формуле (7)

(6)

где V – скорость течения воды в самотечных линиях, м/сек;

u – скорость выпадения частиц взвеси в потоке; u≈0,07∙V м/сек ;

D – диаметр самотечных линий, м ;

А – параметр, принимаемый равным 7,5-10;

d – диаметр частиц, м .

Диаметр самотечных линий водозабора должен обеспечивать возможность гидравлического удаления отложившихся в них наносов.

Сифонные трубы допускается применять в водозаборах II и III категории. Эти трубы, как было ранее отмечено, выполняются из стальных труб на сварке, количество их принимается не менее двух.

Диаметр сифонных труб определяется по расходу при нормальном режиме работы водозабора и по скорости движения воды в них 0,7-1,2 м/сек .

Наибольшая величина вакуума должна создаваться в верхней точке сифона, в которой устанавливается воздухосборник, соединенный с вакуум-насосом. Допускаемая высота сифона, равная разности отметок его верхней точки и уровня низких вод (УНВ), определяется при аварийном режиме по формуле:

где – допускаемый вакуум в высшей точке сифона, принимается 0,6-0,7 мПа ;

– потери напора по длине сифона от точки приема до воздухосборника, м ;

∑ξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений в сифоне;

V – скорость движения воды в сифонном водоводе при аварийном режиме, м/сек ;

h в – потери напора в восходящей ветви сифона, м .

Общая потеря напора в сифонной линии и водоприемнике:

h=h в +һ н +һ реш, м (9)

где h н – потери напора по длине и местные сопротивления сифона, м ;

h реш – потери напора в решетке, м .

Потери напора в решетках 0,03-0,06м .

Расчет производится для условий нормального и аварийного режима работы водозабора.

При движении нефти, давление в ней падает, причем, чем выше скорость движения, тем больше потери давления на единицу длины трубопровода. Если абсолютное давление нефти P при этом достигает значения равного ДНП при данной температуре P S , то в данном месте потока наблюдается интенсивное парообразование и выделение газов, что может привести к кавитационным процессам или нарушению сплошности потока. Течение жидкости в описанном случае может быть самотечным расслоенным или иметь более сложную (пробковую) структуру, в которой порции жидкости чередуются с парогазовыми пузырями.

Самотечное расслоенное течение является разновидностью безнапорного течения, при котором жидкость движется неполным сечением под действием силы тяжести, причём остальная часть сечения трубы занята парами этой жидкости. Участки, на которых возникают указанные течения, называются самотечными. При этом давление в парогазовой полости самотечного участка остаётся практически постоянным и равным ДНП нефти. Стационарные самотечные участки могут существовать только на нисходящих участках трубопровода. Начало каждого самотечного участка, которое всегда совпадает с одной из вершин профиля, называется перевальной точкой, причём таких точек может быть несколько. Однако отметим, что не всегда самая высокая точка трассы является перевальной (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3. Перевальной точка и расчетная длина нефтепровода

Из рис. 5.3. видно, что причиной появления самотечных участков может быть снижение расхода в трубопроводе, обусловленное снижением давления в начальном сечении с p ” н до p н (переход на пониженный режим перекачки). Однако при возврате к прежнему давлению не удаётся достичь прежнего значения расхода, так как образовавшиеся парогазовые скопления создают дополнительное сопротивление, а процесс их растворения продолжается длительное время. Таким образом, возврат к прежнему расходу будет осуществлён в течение достаточно продолжительного периода времени.

Растворения парогазового скопления происходит, если скорость потока достаточна для отрыва и уноса парогазовых пузырьков из нижней части газовой полости вниз по течению, при этом по мере удаления от самотечного участка давление жидкости возрастает и пузырьки схлопываются, вызывая кавитацию. Это может привести к значительной вибрации трубопровода и сопровождается повышенным уровнем шума. При дальнейшем увеличении скорости потока до определённого значения скопление страгивается с места и выносится потоком целиком (единой пробкой) и может достичь резервуара на конечном пункте нефтепровода. Сопровождающий это явление гидравлический удар приводит к повреждению резервуаров и их оборудования.

Наличие самотечных участков приводит к увеличению давления в начале трубопровода, а значит требует более высоких затрат энергии на перекачку. Если продлить линию гидравлического уклона за самотечным участком до начального сечения, то можно определить p ’ н , которое необходимо для перекачки нефти с тем же расходом по трубопроводу тех же длины и диаметра, но без самотечных участков. Из рис. 2.3. видно, что p ’ н < p н .

Перекачку с той же производительностью, но без самотечных участков можно организовать при увеличении давления в конце трубопровода до p Ф . Разница полезного и требуемого давления может быть использована, например, для привода небольшой электростанции (проект такой электростанции разработан для нефтепровода Тихорецк–Новороссийск в районе нефтебазы «Грушовая» ).

При появлении самотечного участка между промежуточными НПС, участки МН до и после перевальной точки перестают быть гидравлически связанными. Если по какой-либо причине производительность участка после перевальной точки возрастет, а на начальном участке будет сохраняться на прежнем уровне, давление на всасывании перекачивающей станции следующей за перевальной точкой начнет снижаться и может достигнуть нижнего допустимого предела.

Повышенное содержание в нефти сернистых соединений может вызвать ускоренное протекание коррозионных процессов на внутренней поверхности стенки трубы над свободной поверхностью жидкости.

При гидравлическом расчете трубопровода с самотечными участками уравнение (5.11) преобразуется к следующему виду

, (5.15)

где L р – расчётная длина МН, за которую принимается расстояние от начального пункта до ближайшей перевальной точки, м;

z ’ =(z П –z Н ) – разность геодезических отметок перевальной точки и начального пункта, м;

p y =(P s –P a ) – упругость паров нефти, которая может быть как положительной, так и отрицательной, Па. Однако как правило для нефтей (при p y <0) согласно третьим членом в уравнении (5.15) пренебрегают.

Рассмотрим течение жидкости за перевальной точкой (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Течение жидкости за перевальной точкой

Линия гидравлического уклона на самотечном участке проходит параллельно профилю трубопровода на расстоянии p y /( g ), откуда следует, что гидравлический уклон на самотечном участке равен тангенсу угла наклона профиля трубопровода к горизонту i =tgα п .

Так как согласно уравнению (5.1)

то скорость движения жидкости на самотечном участке w больше скорости течения жидкости на заполненных участках трубопровода w 0 поскольку при том же расходе площадь S , занятая жидкостью на самотечном участке меньше площади полного сечения трубы S 0 . Отношение указанных площадей

называется степенью заполнения сечения трубопровода, которую в зависимости от отношения гидравлического уклона полностью заполненного участка к гидравлическому уклону самотечного участка

можно определить по одной из следующих аппроксимационных зависимостей, приведённых в таблице 5.3 .

Таблица 5.3

Протяжённость самотечного участка можно определить графически или выразив из уравнения Бернулли для участка AK (см. рис. 5.4)

Геодезическую отметку конца самотечного участка z A можно определить, зная z П и координаты ближайшей точки трассы x и z x , из простых геометрических соотношений

Подставляя уравнение (5.17) в (5.16) и выражая l с.у. получим

. (5.18)

Для нахождения перевальной точки достаточно определить избыточное давление в каждой вершине профиля, начиная с конца: если p <p y , то вершина является началом самотечного участка, с учётом этого находятся избыточные давления в следующих вершинах. Ближайшая к началу нефтепровода вершина, являющаяся началом самотечного участка, и будет перевальной точкой.

Диаметры самотечных и всасывающих трубопроводов определяют по рас­четному расходу при нормальном режиме работы водозабора и скорости дви­жения воды в трубах определяется по формуле (16):

где
- расчетный расход одной секции;

- допустимая расчетная скорость в трубопроводе (1табл. 2.2, 2.3).

Скорости в самотечных трубах должны быть проверены:

а) на незаиляемость транспортируемых по трубе диаметром D (м) мелкими наносами в количестве  (кг/м 3), имеющими средневзвешенную гидравлическую крупность  (м/с). (табл. 9):

, м/с, (17)

где
;

с - коэффициент Шези.

Незаиливающую скорость
можно также определить по формуле (18):

(18)

где = 8g/c 2 - коэффициент гидравлического трения.

Для частиц взвеси крупностью d = 1 мм с гидравлической крупностью

= 0,094 м/с значения следующие:

б) на подвижность попадающих в водовод влекомых наносов крупностью мм:

, м/с (19)

1.7 Выбор способа и расчет системы промыва элементов

Хотя скорость в самотечных водоводах назначают больше незаиливающей, полностью исключить осаждение взвеси невозможно, поэтому пре­дусматрива­ется промыв трубопроводов.

Для обеспечения требуемой промывной скорости
необходимы расходы (
), превышающие нормальную работу самотечной линии. Для ряжевых фильтрующих водоприемников
для фильтров с приемом воды снизу вверх
для отверстий, расположенных в вертикальной плоскости и огражденных сороудерживающими решетками
для фильтрующих рыбозаградительных кассет, установленных в вертикальной плоскости
Промывка самотечной линии может быть прямой – при движении промывной воды от оголовка к ко­лодцу, обратной – движение промывной воды от колодца к оголовку и импульсной.

Для прямой промывки необходимо увеличить скорость движения воды в промывочных трубах уменьшением на время промывки число работающих са­мотечных линий. При выключении одной из двух линий и заборе того же коли­чества воды, которое забиралось до промывки, но через 1 самотечную линию, скорость промыва в трубе увеличивается в 2 раза; при выключении одной из трех самотечных труб скорости в двух промывочных трубопроводах увеличи­вается в 1,5 раза. При прямой промывке на время закрытия одной из линий ме­жду водоисточником и береговым колодцем создается определенный перепад уровней воды. Затем задвижка этой линии быстро открывается, и вода по ней с большей скоростью устремляется в береговой колодец, вынося из него все от­ложения, которые затем удаляются гидроэлеватором. Такой способ промывки осуществляется при больших уровнях водоисточника.

При обратной промывке самотечные линии соединяются промывными ли­ниями с напорными трубопроводами НС I. Линии 350 ÷ 600 мм и более 600 мм промываются водовоздушным или импульсным способом. Для этого в колодце на выходе из самотечной линии устанавливают герметически закрывающийся затвор. Перед ним подключают к линии напорную колонну высотой 6 ÷ 8 м и диаметром в 1,5 ÷ 3 раза больше диаметра промывной линии. Вверху в колонне с помощью патрубка подключают вакуум насос для создания в ней разряжения. Если в самотечной линии в период промывки закрыть затвор и создать в напор­ной колонне вакуум, вода поднимется в ней в соответствии степени разряжения уровня. При срыве вакуума в колонне находящаяся в ней вода устремляется в самотечную линию и образовавшимся током промывает отверстия оголовка. Промыв повторяют несколько раз и осуществляют в период низкого уровня воды в источнике. При расходах воды на промывку более 5%
применяют обратную водовоздушную промывку или импульсную, сжатым воздухом.