Методы увеличения пропускной способности нефтепровода

Увеличение потребности в нефтепродуктах в рассматриваемом экономическом районе, обусловленное особенностями его развития, влечет за собой увеличение:

а) мощности нефтеперерабатывающего завода (заводов), обслуживающего этот район.

б) средств доставки продуктов переработки нефти потребителям.

Возрастание мощности завода, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения пропускной способности транспортных средств, доставляющих нефть от промыслов на нефтеперерабатывающий завод.

Так возникает задача об увеличении пропускной способности действующего нефтепровода.

Часто еще в задании на проектирование ставится условие, что производительность нефтепровода должна наращиваться и наибольшего значения достичь лишь к определенному сроку. Диаметр такого нефтепровода выбирается соответствующим наибольшей производительности. Нефтеперекачивающие станции строятся и вводятся в эксплуатацию не одновременно, а по очередям.

Увеличение пропускной способности нефтепровода от Q до  может быть достигнуто изменением характеристики трубопровода или насосных станций, при котором рабочая точка на совмещенной характеристике Q — Н переместится вправо.

Отношение

называется коэффициентом увеличения пропускной способности. Наиболее просто задача решается при очень большой крутизне характеристик насосных станций (вертикальная линия для поршневых насосов). В этом случае увеличение пропускной способности осуществляется установкой на каждой станции дополнительных насосных агрегатов, включаемых параллельно, и если на каждой станции было по К рабочих насосов, а после установки дополнительных их стало , то коэффициент увеличения пропускной способности

.

(Предполагается, что насосы одинаковые).

Увеличение расхода после включения в работу дополнительных агрегатов приводит к увеличению потери напора. Рабочая точка на совмещенной характеристике Q — H переместится не только вправо, но и вверх (рис. 1). При этом, напор  который будут развивать станции, может оказаться выше допустимого из условия прочности.

Напор  можно снизить следующими способами:

1) сооружением дополнительных станций на перегонах между существующими (удвоение числа станций); в этом случае снижение напора происходит благодаря уменьшению длин перегонов, обслуживаемых станциями;

2) прокладкой дополнительных лупингов.

Рассмотрим эти способы. Напоры , развиваемые станциями до и после увеличения пропускной способности, будем считать, одинаковыми.

а) Удвоение числа, станций,

До увеличения пропускной способности

.

После удвоения числа станций и установки дополнительных насосных агрегатов, обеспечивающих увеличение расхода, имеем:

.

Разделив второе уравнение на первое, получим:

.                                        (1)

Эта формула показывает, что для трубопроводов, идущих на подъем ( ), коэффициент  больше, чем для «горизонтальных», или (тем более) для трубопроводов, у которых .

В ряде случаев величиной  можно пренебречь.

Тогда

 .                                               (2)

Следовательно, если требуется увеличить производительность в раза (при турбулентном режиме в зоне действия закона Блазиуса  = 1,485 ), то целесообразно удвоение числа станций. При этом развиваемое станциями давление не изменится.

б) Прокладка дополнительных лупингов

Этот способ эффективен при .

Длина лупингов х, обеспечивающих сохранение прежнего давления после установки на станциях дополнительных насосных агрегатов, определяется из уравнений

,

.

Отсюда

.

Когда надо увеличить производительность больше чем в  раза, удвоение числа станций может быть дополнено прокладкой лупингов (комбинированный способ). В этом случае необходимая длина лупинга (без учета ):

                                     .(3)

Если на нефтепроводе с поршневыми насосами удвоение числа станций, и прокладка лупингов служат для уменьшения напора, развиваемого насосными станциями, то на нефтепроводах с центробежными насосами удвоение числа станций м прокладка лупингов — средства увеличения их пропускной способности, В этом нетрудно убедиться, сопоставив рис. 1 и рис. 2. Первый из них в пояснениях не нуждается. На втором определена пропускная способность нефтепровода с центробежными насосами после удвоения числа станций (рис. 2а) и после прокладки лупингов (рис. 26). Из этих рисунков видно, что увеличение пропускной способности может быть осуществлено и без установки дополнительных включаемых параллельно насосов. Последние бывают необходимы в тех случаях, когда после увеличения пропускной способности рабочая точка на характеристике Q — H выходит за пределы рабочей зоны (имеющей достаточно высокий КПД).

Рис. 1. Увеличение пропускной способности нефтепровода с поршневыми насосами:

1 — характеристика насосной станции; 2 — то же после увеличения числа насосных агрегатов; 3 — характеристика перегона между станциями; 4 — то же после удвоения числа станций или после прокладки лупинга

Рис. 2. Увеличение пропускной способности нефтепровода с центробежными насосами:

1 — характеристика насосных станций: 2 — то же после удвоения их числа; 3 —характеристика трубопровода; 4 — то же после прокладки лупинга

При удвоении числа станций получается фиксированное значение коэффициента увеличения пропускной способности.

При увеличении пропускной способности прокладкой лупинга коэффициент может иметь различные значения в зависимости от длины и диаметра лупинга.

Комбинированный способ также позволяет обеспечить множество значений  (за счет лупинга).

Поскольку характеристики насосных станций — «падающие» кривые, напор, развиваемый станциями, после увеличения пропускной способности уменьшится. Поэтому при удвоении числа станций оборудованных центробежными насосами, коэффициент увеличения пропускной способности будет меньше, чем определяемый формулой (1) или (2). Длина лупинга по той же причине окажется больше, чем определенная по формуле (3).

Рассмотрим, какое увеличение пропускной способности дает удвоение числа станций и какова должна быть длина лупинга для получения заданной величины .

а) Удвоение числа станций

Из уравнений баланса напоров до и после удвоения числа станций

и

имеем

и

.

Разделив второе равенство на первое, получим формулу, показывающую, что при центробежных насосных станциях, так же как и при поршневых, коэффициент увеличения производительности тем больше, чем больше :

.

Для тех случаев, когда величинами и  можно пренебречь, выражение для  упрощается:

,

откуда

.                                    (4)

Из этой формулы следует, что

1) при центробежных насосах коэффициент увеличения производительности меньше , т. е. меньше, чем при поршневых (о чем указывалось выше);

2) чем круче характеристика трубопровода (чем больше величина fL), тем больше эффективность удвоения числа станций;

3) величина  уменьшается с увеличением nb, т. е. крутизны суммарной характеристики насосных станций. Отсюда следствие: повторное удвоение числа станций дает меньший эффект.

б) Прокладка лупингов

Совместное решение уравнений

и

                    (5)

дает формулу, определяющую длину лупинга, необходимого для увеличения производительности в  раз:

Формула показывает: 1) необходимая длина лупинга не зависит от  (как и при поршневых насосах); 2) при одном и том же коэффициенте увеличения производительности для нефтепроводов с центробежными насосами требуется большая длина лупинга, чем для нефтепроводов, оборудованных поршневыми насосами; 3) эффективность прокладки лупинга повышается с увеличением крутизны характеристики трубопровода и с уменьшением крутизны характеристики насосов.

Если в выражение (4) подставить значение , определяемое формулой (5), то получим

                                              (6)

— длину лупинга, дающего такой же эффект, как и удвоение числа станций.

Положив в формуле (6) х = L, найдем наибольшее значение коэффициента увеличения производительности, возможное при прокладке лупинга:

.

Если пренебречь изменением давления на станциях после прокладки лупинга, то

.

Местонахождение дополнительных нефтеперекачивающих станций (с центробежными насосами) определяется как и раньше: от начальной течки трассы откладывают подпор  и напор , развиваемый основными насосами станции при расходе  , проводят линию гидравлического уклона , соответствующего расходу  и выбирают место для дополнительной станции. Необходимый, т. е. не выходящий за пределы допустимого, подпор перед дополнительной станцией обеспечивается всегда, если место для станции выбрано в «зоне возможного расположения». Подпор перед следующей станцией, т. е. перед существующей станцией первой очереди, далеко не всегда будет оставаться в нужных пределах: он может оказаться как чрезмерно большим, так и чрезмерно малым.

Рассмотрим, как можно определить подпоры перед станциями первой очереди и как можно их сохранить в рамках допустимых значений.

Напишем уравнения линий гидравлических уклонов для участка lC+1 до увеличения производительности и после удвоения числа станций:

,

,

где l —абсциссы, а Н и  — ординаты; начало координат — в точке расположения головной станции.

При l = lC+1  — Н представляет собой добавочный подпор , передаваемый станции с + 1 от предшествующей дополнительной:

Поскольку

 и

величину  можно представить в следующем виде:

.

Эта формула позволяет сделать следующие выводы:

1) если станция с + 1 находится на расстоянии lC+1 меньшем, чем  (от начальной точки трассы), то ; подпор перед станцией с + 1 после увеличения производительности

увеличится;

2) если , то и ,

3) при ;

поэтому подпор перед станцией с + 1 не изменится.

Изменение режима работы станций первой очереди после сооружения дополнительных показано на рис. 3.

Рис. 3. Режим работы нефтепровода после сооружения станций второй очереди

Линии гидравлического уклона i, идущие от станций первой очереди 1, 2 и 3 и , идущие от станции второй очереди А, Б и В, пересекаются в точках, лежащих на линии . Эти точки делят трассу на равные участки длиной (на чертеже ). Расстояние станции 2 от начального пункта трассы ; поэтому после ввода в строй станций А, Б и В подпор перед станцией 2 увеличился на . Это привело к увеличению напора на станции. Третья станция расположена на расстоянии ; поэтому подпор перед ней уменьшился ( ). Если бы станция 3 находилась в точке N, удаленной от начала трубопровода на расстояние , то подпор перед ней не изменился бы.

Если после удвоения числа станций напор на станции 2 будет больше допустимого   (из условия прочности) или подпор перед станцией 3 окажется меньше  (кавитация), то пропускная способность участка l2 будет больше пропускной способности участка, ограниченного станциями 2 и 3.

Рис. 4. К расчету удвоения числа станций

На рис. 4 показано, что для выравнивания пропускных способностей этих участков на дополнительной станции А уменьшено число насосных агрегатов, а на перегоне между станциями Б и 3 проложен лупинг х, компенсирующий уменьшение напора, развиваемого станцией А и обеспечивающий увеличение подпора перед станцией 3 до прежнего значения . Для перекачки нефти от станции В до перевальной точки  требуется напор, несколько меньший, чем  (перегон между станцией 3 и точкой  меньше  ). Излишний напор можно снять обточкой колес насосов, устанавливаемых на станции В. Степень обрезки колес определяется, как и прежде), где напор  может быть найден по уравнению баланса напоров или построениями на профиле, как это показано на рис. 3.