Физико-химические свойства нефти, газа, воды и их смесей

воды и их смесей" width="13" height="24" align="BOTTOM" border="0" /> - относительная кинематическая вязкость сепарированной нефти при температуре t, численно совпадающей с кинематической вязкостью нефти, выраженной в мм2/сек; а1 а2 – эмпирические коэффициенты, зависящие от состава нефти. Для применения формулы (1.53) необходимо знание экспериментальных значений вязкости нефти при двух температурах, подставляя которые в (1.53) можно определить коэффициенты а1 и а2.

Используя два экспериментальных значения вязкости нефти при двух температурах 20 и 50 оС, температурную зависимость динамической вязкости сепарированной нефти можно описать уравнением (1.54):

(1.54)

где - относительные динамические вязкости сепарированной нефти при атмосферном давлении и температурах 20, 50 и t оС соответственно, численно равные динамической вязкости сепарированной нефти, выраженной в мПа*с.

Если известно только одно экспериментальное значение вязкости нефти при какой-нибудь температуре t0, то значение ее при другой температуре t можно определить по формуле (1.55):

(1.55)

где , - динамическая вязкость нефти при температуре t и t0, а и С – эмпирические коэффициенты: при 1000мПа*с С=10 1/мПа*с; а= 2,52*10-3 1/оС; при 101000мПа*с С=100 1/мПа*с; а= 1,44*10-3 1/оС; при С=1000 1/мПа*с; а= 0,76*10-3 1/оС.

При отсутствии экспериментальных данных для ориентировочных оценок вязкости нефти при 20оС и атмосферном давлении можно пользоваться следующими формулами:

Если кг/м3,

то (1.56)

Если кг/м3,

то (1.57)

Где - вязкость и плотность сепарированной нефти при 20 оС и атмосферном давлении, мПа*с и кг/м3 соответственно.

Вязкость газонасыщенной нефти

По формуле Чью и Коннели можно рассчитать вязкость газонасыщенной нефти при давлении насыщения:

(1.58)

где - вязкость нефти, насыщенной газом, при температуре t и давлении насыщения, мПа*с, - вязкость сепарированной нефти при температуре t, мПа*с, А и В – эмперические коэффициенты, определяемые по формулам:

А= ехр

В= ехр

Теплоемкость нефти

Теплоемкость нефти может быть рассчитана по формуле:

гидравлический расчет трубопроводов, транспортирующих однофазные жидкости при постоянной температуре

Гидравлический расчет простых трубопроводов сводится к определению одного из следующих параметров: пропускной способности Q; необходимого начального давления (po) при заданном конечном (pк); диаметра трубопровода.

Определение пропускной способности

Поскольку коэффициент гидравлического сопротивления зависит от числа Рейнольдса, а, следовательно, и от неизвестного Q, задачи решают графоаналитичеким способом. Для этого вначале задаются несколькими произвольными значениями Q и определяют линейную скорость потока:

(2.1)

Затем рассчитывают число Рейнольдса и определяют режим движения жидкости:

(2.2)

В зависимости от него находят коэффициент гидравлического сопротивления:

При Re2000 ( ламинарный режим)

(2.3)

При 2000Re4000 (критический режим)

(2.4)

При Re>4000 (турбулентный режим) для расчета используют формулу Альтшуля:

(2.5),

или частные формулы для трех областей турбулентного режима:

Зона гладкого трения 4000<Re<10D/kэ (kэ - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб, мм)

(2.6)

Зона смешанного трения 10D/kэ <Re<500D/kэ

Зона шероховатого трения Re>500D/kэ - (2.5, а)

После этого рассчитывают полную потерю напора (давления) в трубопроводе по формуле:

; (2.7)

и строят график зависимости или и по заданному Н илиР находят искомую пропускную способность.

Можно воспользоваться рекомендованными в специальной литературе значениями оптимальной скорости движения жидкости в трубопроводе в зависимости от вязкости (табл.1). В этом случае по известной или рассчитанной вязкости жидкости выбирают оптимальную линейную скорость течения. По известному диаметру рассчитывают пропускную способность и полученное значение проверяют путем расчета полной потери давления в трубопроводе при найденной пропускной способности. Если полная потеря давления выше заданной – задаются другой скоростью.

Таблица 1 – Рекомендуемые оптимальные скорости движения жидкости в трубопроводе в зависимости от вязкости

Кинематическая вязкость жидкости ( при температуре перекачки, см2/сек	Рекомендуемая скорость, м/сек
	Во всасывающем трубопроводе	В нагнетательном трубопроводе
0,01-0,06 0,06-0,12 0,12-0,28 0,28-0,72 0,72-1,46 1,46-4,38 4,38-9,77	1,5 1,4 1,3 12 1,1 1,0 0,8	2,5 2,2 2,0 1,5 1,2 1,1 1,0

Определение необходимого давления

При известном начальном или конечном напоре (давлении) найти напор (давление) в противоположном конце трубопровода можно, зная полную потерю напора (давления) в трубопроводе, т.е. потерю напора (давления) на трение, преодоление разности геодезических отметок начала и конца трубопровода, преодоление местных сопротивлений (сужений, поворотов, задвижек и т.п.). Расчет полной потери напора (давления) производят следующим образом. Вначале находят линейную скорость течения жидкости по формуле (2.1), затем по формуле (2.2) – Re, коэффициент гидравлического сопротивления (ф. 2.3-2.6) и Н (Р). Начальное давление рассчитывают по формуле:

Ро=Рк+Р

Пример решения задач

Условие задачи

Нефть в количестве 8000м3/сут перекачивается по трубопроводу диаметром 307мм, длиной 15км, разность отметок начала и конца трубопровода 5м, сумма коэффициентов местных сопротивлений 5, коэффициент эквивалентной шероховатости 0,2мм плотность нефти 0,83т/м3. Определить полную потерю напора в трубопроводе (Н).

Решение

Находим линейную скорость потока в трубопроводе по ф.2.1:

= 4*(8000/86400)/(3,14*0,3072)=1,51м/сек

Поскольку по условию задачи вязкость неизвестна, находим ее значение по значению плотности, используя формулы 1.56 или 1.57

==4,75мПа*с= 0,0048Па*с

Находим число Рейнольдса по ф. 2.2:

=4*(8000/86400)*830/3,14*0,307*0,0048=80845

Находим коэффициент гидравлического сопротивления по формуле Альтшуля (2.5), или используя частные формулы после определения зоны турбулентного течения

=0,11(0,2/307+68/80845)0,25=0,022

Находим полную потерю напора в трубопроводе по ф.2.7

=(0,022*15000*1,512/0,307*2*9,81)+5+(1,512/2*9,81)*5=128,0м

Определение необходимого диаметра

Поскольку коэффициент гидравлического сопротивления зависит от числа Рейнольдса, а, следовательно, и от неизвестного D, задачи решают графоаналитичеким способом. Для этого вначале задаются несколькими произвольными значениями D и определяют все параметры, как при решении задач на определение пропускной способности. По известным параметрам строят график зависимости или и по заданному Н илиР находят искомый диаметр.

Как и при решении задач по расчету пропускной способности, можно воспользоваться рекомендованными значениями оптимальной скорости течения жидкости (табл.1). В этом случае по известной или рассчитанной вязкости жидкости выбирают оптимальную линейную скорость течения. По известной пропускной способности рассчитывают диаметр, и полученное значение проверяют путем расчета полной потери давления в трубопроводе при найденном значении диаметра. Если полная потеря давления выше заданной – задаются другой скоростью.

Гидравлический расчет газопроводов

В зависимости от максимального рабочего давления газа промысловые газопроводы подразделяются на следующие категории:

Газопроводы низкого давления – с давлением газа не более 0,005 МПа

Газопроводы среднего давления – с давлением газа от 0,005 МПа и не более 0,3МПа

Газопроводы высокого давления – с давлением газа от 0,3 МПа до 1,2 МПа

Гидравлический расчет газопроводов низкого давления производится при допущении, что скорость и удельный вес газа остаются по длине газопровода постоянными, течение - изотермическое

Полная потеря давления определяется по формуле

, (2.8)

где P – потеря давления на трение и местные сопротивления, Н/м2 (*9,81 Па)

hгн –гидростатический напор за счет разности удельных весов воздуха и газа, Н/м2 (*9,81 Па)

Причем, гидростатический напор учитывается при расчете газопроводов, прокладываемых в условиях резко выраженного рельефа местности. Гидростатический напор складывается с потерями давления на трение и местные сопротивления со знаком «плюс» или «минус» в зависимости от направления движения газа. Знак «минус» ставится при движении газа на подъем, знак «плюс» - на спуск.

Потеря давления на трение и местные сопротивления определяется по формуле

(2.9)

где  – коэффициент гидравлического сопротивления

Q0 – расход газа нормальные м3/час (нм3/час)

D - внутренний диаметр газопровода, см

- плотность газа при температуре 0оС и атмосферном давлении, кг/нм3

- приведенная длина газопровода, м

= L+lэкв

где L действительная длина газопровода, м; lэкв – эквивалентная длина прямолинейного участка трубопровода (м), потери давления на котором равны потерям давления в местном сопротивлении со значением =1.

lэкв= (2.10)

Гидростатический напор определяется по формуле

=(-)H, (2.11)

где - удельный вес воздуха, кг/м3, - удельный вес газа, кг/м3; H – разность отметок начала и конца расчетного участка трубопровода

Схема расчета потерь напора в газопроводе низкого давления

Определяем среднюю скорость движения газа

W=3.5368, (2.12)

где Q0- расход газа, м3/час; D2 - диаметр трубопровода, см

Рассчитываем число Рейнольдса по ф. 2.2

Определяем коэффициент трения по ф. 2.3 – 2.5

Находим эквивалентную длину участка газопровода по ф.2.10

Определяем приведенную длину газопровода:

Lпр=L+lэкв* (2.13)

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений

Определяем потерю давления на трение и местные сопротивления по ф.2.9

При необходимости определяем гидростатический напор по ф.2.11

Определяем полную потерю давления газа по ф.2.8.

Схема расчета пропускной способности газопровода низкого давления

Задавшись скоростью газа в соответствии с рекомендациями (табл. 2) определяем объемный расход газа в нм3/час по формуле:

Q0=2827.4*10-4D2W

С учетом найденного Q0 рассчитываем полную потерю давления или напора. Проверяем соответствие заданных потерь давления или напора расчетным

Схема расчета диаметра газопровода низкого давления

Задавшись скоростью газа в соответствии с рекомендациями (табл. 2) определяем диаметр трубопровода по формуле:

D=1.88

С учетом найденного D рассчитываем полную потерю давления или напора. Проверяем соответствие заданных потерь давления или напора расчетным

Таблица 2 – Рекомендуемые значения скорости движения газа в трубопроводах

Наименование транспортируемого газа	Скорость газа W, м/сек
Пары углеводородов (остаточное абсолютное давление ниже 50мм рт ст. (0,0067 МПа)	45 – 60
Пары углеводородов (остаточное абсолютное давление 50 – 100мм рт ст. (0,0067 – 0,013 МПа)	30 – 45
Пары углеводородов (атмосферное давление)	9 – 18
Газ (давление до 3 атм)	5 – 20
Газ (давление 3 – 6 атм)	10 – 30
Газ (давление свыше 6 атм)	10 – 35

Гидравлический расчет газопроводов среднего и высокого давления во всей области турбулентного режима движения газа следует производить по формуле:

где Рн, Рк – соответственно начальное и конечное абсолютное давление газа на расчетном участке трубопровода, атм.

Lпр – приведенная (расчетная) длина газопровода, м

kэ – эквивалентная абсолютная шероховатость стенки трубы, см

 – кинематическая вязкость газа при 0оС и атмосферном давлении, м2/сек

Q0 – расход газа, нм3/час

г – удельный вес газа при 0оС и атмосферном давлении, кг/м3

Величину эквивалентной абсолютной шероховатости внутренней поверхности стенок трубопровода принимают согласно табл. 3

Таблица 3

Наименование трубопровода	Эквивалентная шероховатость, мм (kэ)
Внутренние газопроводы	0,1
Магистральные газопроводы	0,03
Воздухопроводы сжатого воздуха от компрессоров	0,8
Нефтепродуктопроводы	0,2
Нефтепроводы для средних условий эксплуатации	0,2
Водопроводы	0,5
Трубопроводы водяного конденсата	0,5
Трубопроводы пароводяной смеси	0,5
Паропроводы	0,2

Потери давления на местные сопротивления рассчитывают согласно ф.2.13

lэкв=

Скорость газа, приведенная к условиям трубопровода, определяется по формуле:

W=3,54, Q0тр=

Схема расчета потерь напора в газопроводе среднего и высокого давления

Определяем приведенную длину газопровода по ф.

Находим эквивалентную абсолютную шероховатость трубы kэ по табл.3

Определяем конечное давление по формуле:

Рк=

Гидравлический расчет трубопроводов при движении нефтегазовых смесей

Перепад давления, обусловленный гидравлическим сопротивлением при движении газожидкостного потока, определяют по формуле Дарси-Вейсбаха:

Число Рейнольдса:

При Re < 2300

При Re > 2300

Кинематическая вязкость определяется по формуле Монна:

где b - расходное объёмное газосодержание двухфазного потока (расходный параметр, определяется для трубных условий):

где Vг, Vж – объёмный расход газа и жидкости при средних давлении и температуре в трубопроводе.

Плотность смеси:

где

rж, rг – плотность жидкости и газа при средних давлении и температуре в трубе;

j - величина истинного газосодержания.

Истинное газосодержание является сложной функцией, зависящей от физических свойств жидкости и газа, диаметра и наклона трубопровода, расхода жидкости и газа. Закономерности изменения j - доли сечения потока, занятой газом, от указанных параметров устанавливаются только экспериментально – путём мгновенных отсечек потока или просвечиванием гамма-лучами.

.

Доля сечения потока, занятая жидкостью, составит: .

Средняя скорость смеси:

Определение структур потока и истинного газосодержания производится по критериям, разработанным во ВНИИГаз Мамаевым и Одишария.

Эмульсионная структура

Критерий Фруда:

При b < 0,988

При b і 0,988

определяется по специальным графикам.

Пробковая структура

При движении смеси на подъём:

При движении смеси по горизонтальным и нисходящим трубопроводам: