МАГИСТРАЛЬНЫЕ НЕФТЕПРОВОДЫ

Самотечные участки нефтепровода

Самотечный участок [х₁, х₂] трубопровода - это участок, на котором нефть перемещается неполным сечением (самотеком) благодаря силе тяжести.

Давление в парогазовом объёме над незаполненной поверхностью жидкости сохраняется практически неизменной и равным упругости р_у насыщенных паров конкретной нефти, поэтому перемещение на самотечном участке носит название безнапорного. Однако разница напоров между плоскостями x₁ (началом безнапорного участка) и x₂ (концом безнапорного участка) имеет место и она равняется разнице (z₁ - z₂) геометрических высот этих сечений.

Неподвижные самотечные участки имеют место исключительно на нисходящих участках трубопровода.

Начало x₁ каждого самотечного участка носит название перевальной точки. Перевальная точка всегда соответствует одному из экстремумов профиля трубопровода.

Линия гидравлического уклона на безнапорном участке позиционируется параллельно профилю нефтепровода на удалении р_у/ρg над ним. Отсюда вытекает, что гидравлический уклон i на безнапорном участке равняется тангенсу угла наклона профиля трубопровода относительно горизонта: i = tgα_п.

Расход нефти на безнапорном участке в неподвижном режиме равняется расходу Q нефти в заполненных сечениях нефтепровода:

из чего можно сделать вывод, что скорость перемещения жидкости на безнапорном участке u выше скорости u₀ перемещения жидкости на участках нефтепровода полностью заполненных, поскольку площадь S части сечения, заполненного жидкостью на каждом безнапорном участке, меньше величины площади S₀, полного сечения трубы:

Степень σ = S/S₀ заполнения самотечного отрезка нефтью может варьироваться, она определяется отношением γ = i/tgα_п гидравлических уклонов (tg|α_п|) на безнапорном участке и (i = λ·1/du₀²/ρg) на участках нефтепровода, полностью наполненных нефтью. Обобщая исследователький опыт в области самотечных течений в каналах круглого сечения, можно сформулировать следующие аппроксимационные зависимости для расчета степени наполнения сечения трубы жидкой средой на безнапорном участке:

Данные соотношения позволяют вычислить степень наполнения σ сечения трубы нефтью по определенному отношению γ гидравлических уклонов i и tgα_п на напорном и безнапорном участках, соответственно.

Как понять, есть ли в анализируемом трубопроводе безнапорные участки?

Для этого требуется построить совместную картину геометрического профиля трубопровода и линии гидравлического уклона.

Если линия гидравлического уклона находится во всех точках выше, чем профиль трубопровода, причем отклонение составляет величину большую, чем р_у/ρg, где р_у - упругость насыщенных Нефтяных паров, то безнапорных участков в нефтепроводе нет.

Если линия гидравлического уклона в любой точке приближается к профилю нефтепровода на величину меньшую, чем р_у, или пересекает геометрический профиль, то в нефтепроводе присутствует один или несколько безнапорных участков.

Рассмотрим рисунок, на котором изображена схема трубопровода с самотечными участками.

Построение линии БК₂П₂К₁П₁А гидравлического уклона трубопровода начинается с конца анализируемого участка (точка Б). Для этого требуется знать напор и гидравлический уклон в конечной точке участка. На отрезке БК₂ линия гидравлического уклона находится существенно выше геометрического профиля нефтепровода, поэтому сечения трубопровода заполнены в полном объёме. Однако в точке К₂ линия гидравлического уклона приближается к профилю нефтепровода на удаление р_у/ρg, поэтому точка К₂ - завершает самотечный участок; его начальная точка - перевальная точка П₂. Один из безнапорных участков, таким образом, найден. Линия гидравлического уклона К₂П₂ на этом участке находится параллельно геометрическому профилю нефтепровода.

Продолжим построение линии гидравлического уклона. Из перевальной точки П₂ она исходит под углом, тангенс которого равняется гидравлическому уклону (т.е. в параллель отрезку БК₂). Получается, что в точке К₁ эта линия повторно приближается к геометрическому профилю нефтепровода на расстояние р_у/ρg. Значит, внутри нефтепровода значение давления снова становится равно упругости насыщенных паров и в нем должен присутствовать парогазовый объём; точка К₁ - это окончание второго безнапорного участка. Его начало, точка П₁ - еще одна точка перевала. Следовательно, найден 2-ой безнапорный участок К₁П₁. Отрезок К₁П₁ гидравлического уклона на этом сегменте проходит параллельно геометрическому профилю нефтепровода на удалении р_у/ρg от него.

В завершении, на отрезке П₁А линия гидравлического уклона находится параллельно своим отрезкам БК₂ и П₂К₁, которые построены для полностью заполненных участков нефтепровода.

Рисунок наглядно демонстрирует, что наличие безнапорных участков в магистральном нефтепроводе делает необходимым увеличение величины начального напора H₁ (а значит, и давления p₁) на перекачивающей станции, а следовательно, потребуются большие затраты энергии на транспортировку по сравнению с трубопроводом, в котором безнапорные участки отсутствуют. Если линию гидравлического уклона, начав с точки К₂, продлить до начального сечения сегмента, то можно выяснить напор H₁, который потребовался бы для транспортировки нефти с таналогичным расходом в нефтепроводе той же протяженности и того же проходного сечения, но без самотечных участков: