Способ определения диаметра трубопровода

 

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть преимущественно использовано при транспорте нефти с высоким газовым фактором для получения устойчивой эмульсионной структуры в трубопроводе типа "жидкость в газе". Технический результат изобретения состоит в снижении энергозатрат, предотвращении разрушения труб, образовании пробок и гидравлических ударов. Это достигается тем, что по критерию Вебера, равному или большему 11,5, определяют скорость движения газовой фазы с учетом ее плотности, диаметра капель и поверхностного натяжения на границе раздела фаз и по найденной скорости определяют необходимый диаметр трубопровода из выражения где Q' - объемный расход жидкости, Q'' - объемный расход газа, приведенный к T_ср и Р_ср, при этом найденное значение диаметра трубопровода при выборе его из таблиц ГОСТ округляют в меньшую сторону. 1 табл.

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть преимущественно использовано при транспорте нефтей с высоким газовым фактором для получения устойчивой эмульсионной структуры в трубопроводе типа "жидкость в газе".

Известен метод определения диаметра трубопровода (см. Зимин А.А. Гидравлические расчеты нефтепродуктопроводов и насосных станций. Справочник Гостоптехиздат, Москва, 1962) по формуле где λ - коэффициент Дарси; l - длина трубопровода; h - потери напора; V - скорость жидкости; g - ускорение силы тяжести.

Недостаток - известная формула определения диаметра трубопровода не приемлема для расчета в системах сбора при добыче нефтей с высоким газовым фактором. Кроме того, применение этой формулы вносит много ошибок, так как при определении диаметра не учитывает таких параметров, как плотность газовой фазы, скорость газовой фазы и поверхностное натяжение на границе раздела фаз "газ-жидкость". В области расходного газосодержания больше 0,95 поток сам подготавливает однородную структуру "жидкость в газе". Задача сводится к необходимости "помочь" ему в ее создании, обеспечить ее стабильность путем ликвидации волнового течения и тем самым расширить границы ее существования. "Помощь" заключается в создании такого режима, когда с учетом свойств перекачиваемых сред образование структуры, ее устойчивость проистекает за счет разумного использования кинетической энергии потока газовой фазы, ее скоростного напора. Устойчивость такой структуры, а также ее образование определяется значением критерия Вебера
Исходя из выше приведенной формулы при получении и сохранении определенной крупности капель жидкой фазы радиусом r_к в объеме газа на значении параметра W_e оказывает влияние плотность газовой фазы ρʺ , межфазное натяжение на границе газ-жидкость σ и скорость потока газа U''.

Цель изобретения - повышение эффективности способа путем снижения энергозатрат, предотвращения разрушения труб, образования пробок и гидравлических ударов.

Поставленная цель достигается тем, что критерию Вебера, равном или большем 11,5, определяют скорость движения газовой фазы с учетом ее плотности, диаметра капель и поверхностного натяжения на границе раздела фаз и по найденной скорости определяют необходимый диаметр трубопровода из выражения

где Q' - объемный расход жидкости;
Q'' - объемный расход газа, приведенный к T_ср и P_ср при этом найденное значение диаметра трубопровода при выборе его из таблиц ГОСТ округляют в меньшую сторону.

Сущность способа заключается в следующем.

При обустройстве систем сбора важным фактором является определение необходимого диаметра трубопровода. Для определения последнего служит численное значение критерия Вебера, так называемого его критического значения, при котором наблюдается процесс устойчивого распыла жидкой фазы. Необходимо сказать также о крупности капель в потоке с газом. Это связано с тем, что в расчетные зависимости, например, по определению значения скорости потока наряду с другими параметрами входит размер капли, ее диаметр. Значение последнего большую роль играет в процессе отделения распыленной жидкой фазы из газового потока в конечном пункте сбора. В этой связи необходимо создавать такие скорости, когда размер капель имел бы вполне определенный размер. Экспериментально установлено, что дробление капли начинается при значении W_e = 10.

Анализ экспериментального материала показал, что несмотря на то, что в одном случае значение критерия Вебера равнялось 11,5, а в другом 10 в интервале изменения скорости от 20 до 25 м/с размер капель отличается незначительно и представляет физически ощутимый размер.

В этой связи при определении значения скорости газовой фазы, по которой затем находят диаметр трубопровода, значение критерия Вебера подставляется равным 10, а размер капли
d_к = 0,33 · 10^-3 м.

Последовательность подхода к получению необходимого значения числа Вебера и определению диаметра трубопровода на конкретном примере рассмотрим по данным, приведенным в таблице.

По трубопроводу с внутренним диаметром d = 0,090 м, длиной l = 1455 м подается до ГУ (групповая установка) 284 м³/сут нефти и приведенного к среднему давлению 9800 м³/сут газа. На это затрачивается в виде перепада давления ΔP_2ф= 1,32 МПа. Плотность газа ρʺ= 9,87 кг/м³, значение скорости газовой фазы U'' = 18,19 м/с. При принятии крупности капель распыленной нефти d_к = 0,3 · 10^-3 м межфазное натяжение на границе "нефть-газ" σ = 26·10^-3 н/м, значение критерия Вебера определяем по формуле

Полученное значение Вебера меньше 10. Движение газонефтяной смеси проистекает при полукольцевой структурной форме. Часть нефти распылена и переносится в поток газа. Другая, основная часть движется сплошным слоем по нижней образующей трубы с наличием волн на границе раздела "газ-жидкость".

Путем изменения значений ρʺ и U'' пытаемся получить значение числа Вебера больше 10. Пусть его значение будет равно 11,5. Значение ρʺ увеличим за счет создания подпора в конце трубопровода, а U'' - за счет уменьшения диаметра трубопровода.

Увеличим давление в конце трубопровода с 0,34 МПа до 0,84 МПа. При этом P_ср = 1,25 МПа и
Определяем скорость газовой фазы.

Диаметр трубопровода определим из следующего выражения

Из приведенного примера следует, что вместе с уменьшением перепада давления на 0,82 МПа наблюдается снижение расхода металла второго по отношению к первому исходному варианту в 1,18 раз. При определении расхода металла толщины стенок труб первого и второго вариантов принимались одинаковыми и равными 8 · 10^-3 м.

Использование предполагаемого изобретения при поддержании режима (W_e = 11,5) позволит, во-первых, снизить энергозатраты в 1,5 раза, а во-вторых, предотвратить разрушение труб по нижней образующей, что в свою очередь даст возможность снизить расход дорогостоящих ингибиторов коррозии.

Формула изобретения

Способ определения диаметра трубопровода, включающий использование отношения объема перекачиваемой жидкости к ее скорости в трубопроводе, отличающийся тем, что по критерию Вебера, равному или большему 11,5, определяют скорость движения газовой фазы с учетом ее плотности, диаметра капель и поверхностного натяжения на границе раздела фаз и по найденной скорости определяют необходимый диаметр трубопровода из выражения

где Q^' - объемный расход жидкости;
Q^'' - объемный расход газа, приведенный к Т_ср и Р_ср;
U^" - скорость движения газовой фазы;
Т_ср - средняя температура смеси;
Р_ср - среднее давление по длине трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1