Гидравлический расчет промыслового сборного коллектора нефти
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Февраля 2015 в 22:40, курсовая работа
Описание работы
Задача гидравлического расчета промыслового сборного коллектора
нефти стоит на любой нефтедобывающей станции, поэтому умение ее
решать является необходимым для любого инженера нефтяных
трубопроводов.
Содержание работы
1.Введение................................................................................................
2
2.Теоретическая часть...........................................................................
3
3. Задание на курсовую работу..............................................................
7
4.Расчетная часть..................................................................................
8
Расчет давлений на устьях скважин.
Определение диаметра выкидной линии скважины
Определение минимально-необходимой толщины стенки.
5.Заключение..........................................................................................
18
6.Список используемой литературы.................
Файлы: 1 файл
1
Содержание
1.Введение................................................................................................
2
2.Теоретическая часть...........................................................................
3
3. Задание на курсовую работу..............................................................
7
4.Расчетная часть..................................................................................
8
Расчет давлений на устьях скважин.
Определение диаметра выкидной линии скважины
Определение минимально-необходимой толщины стенки.
5.Заключение..........................................................................................
18
6.Список используемой литературы...................................................
19
2
Введение.
Задача гидравлического расчета промыслового сборного коллектора
нефти стоит на любой нефтедобывающей станции, поэтому умение ее
решать является необходимым для любого инженера нефтяных
трубопроводов.
Прикладное значение заключается в проектном выборе диаметров
труб по стандартному ряду ГОСТ, при заданном расходе для
транспортировки нефти непосредственно из скважин в коллектор. Выбор
стандартного трубопровода нужно согласовать и с прочностными
характеристиками материала трубопровода и выбрать толщину стенки в
зависимости от рабочих значений необходимго давления для обеспечения
требуемых расходов нефти. Данные задачи являются обязательной частью
первоначальных расчетов, сопровождающих разработку месторождения, что
делает их актуальными.
3
Теоретическая часть.
Исходным при расчете сложных трубопроводов является уравнение Д.
Бернулли и уравнение сохранения расхода ( или неразрывности ): первое –
динамическое, второе – кинематическое.
Оно имеет следующий вид:
где z
1
и z
2
– высотные отметки центров соответственно первого и второго сечений;
р
1
и р
2
– давления в соответствующих сечениях; v
1
и v
2
– средние скорости в
сечениях; ρ – плотность перекачиваемой жидкости; α
1
и α
2
– коэффициенты
Кориолиса, учитывающие неравномерность распределения скоростей по сечению;
hτ и hм - потери энергии на трение и на местных сопротивлениях соответственно.
Потери на трение hτ вычисляются с помощью формулы Дарси-Вейсбаха:
,
где λ – коэффициент гидравлического сопротивления; l – длина участка, на
котором определяются потери; d – диаметр трубопровода; v – скорость движения
жидкости в трубопроводе; g – ускорение свободного падения.
Потери на местных сопротивлениях вычисляются с помощью формулы
Вейсбаха:
,
где ζ – коэффициент местного сопротивления.
Эквивалентной длиной местного сопротивления l
экв
называется такая
фиктивная дополнительная длина трубопровода, на которой потери напора на
трение по длине были бы равны потерям в местном сопротивлении:
.
m
h
h
g
v
g
p
z
g
v
g
p
z
+
=
+
+
−
+
+
τ
α
ρ
α
ρ
)
2
(
)
2
(
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
g
v
d
l
h
2
2
λ
τ
=
∑
=
g
v
h
м
2
2
ζ
d
l
экв
ζ
λ
=
4
Если местных сопротивлений несколько, то эквивалентные и длины
суммируются. Приведенная длина трубопровода равна сумме его истинной длины
и сумме эквивалентных сопротивлений:
Тогда общие потери в трубопроводе можно вычислить как:
.
Гидравлическим уклоном называют отношение потерь напора в
трубопроводе некоторой длины к длине этого трубопровода.
.
Во многие из этих формул входит средняя скорость – v. Для данного сечения
она связана с расходом следующим соотношением:
,
где Q – объемный расход через живое сечение площадью S.
Вообще в гидравлике существует понятие нескольких расходов. Расходом
называется количество единиц объема (объемный расход Q), массы (массовый
расход Qm) или веса (весовой расход Qg) жидкости, проходящих через живое
сечение потока в единицу времени. Между собой они связаны соотношением:
.
Также в уравнение Дарси-Вейсбаха входит величина λ – коэффициент
гидравлического сопротивления. Он зависит от вида движения жидкости в
трубопроводе. Вид этого движения определяется с помощью безразмерной
величины – числа Рейнольдса Re:
,
где V – средняя скорость потока жидкости; d – диаметр трубопровода; ν –
кинематическая вязкость жидкости.
∑
+
=
экв
пр
l
l
l
g
v
d
l
h
пр
2
2
2
1
λ
=
−
g
v
d
l
l
h
i
пр
2
2
2
1
λ
=
=
−
S
Q
v
=
g
Q
g
Q
Q
m
g
ρ
=
=
ν
Vd
=
Re
5
Если число Рейнольдса меньше 2320 – критического значения – в
трубопроводе имеет место ламинарный режим течения, и коэффициент
гидравлического сопротивления определяют по формуле Стокса:
.
Если 2320<Re≤10 , то имеет место режим гидравлически гладких
труб, и коэффициент гидравлического сопротивления находят по формуле
Блазиуса:
.
Если 10
<Re≤500
, то имеет место режим смешанного
сопротивления, и коэффициент гидравлического сопротивления вычисляют по
формуле Альтшуля:
Если Re>500
, то имеет место квадратичный режим сопротивления,
коэффициент гидравлического сопротивления находят по формуле Шифринсона:
.
Часто при расчете трубопроводов необходимо определить минимальную
толщину стенки трубы δ.
,
где pmax – максимальное давление в трубопроводе; d – диаметр
трубопровода;
- допустимое напряжение материала стенки трубы при
растяжении.
Re
64
=
λ
∆
d
25
,0
Re
3164
.0
=
λ
∆
d
∆
d
25
.0
Re
68
11
,0
∆
+
=
d
λ
∆
d
25
,0
11
,0
∆
=
d
λ
[ ]
σ
δ
2
max
d
p
=
[ ]
σ
6
Гидравлический расчет сложного трубопровода ведется или аналитическим (
при необходимости методом последовательных приближений), или
графоаналитическим методом.
При методе последовательных приближений на основании анализа исходных
данных задачи высказываются какие либо предположения , без которых решение
затруднено ( например, о режиме течения жидкости, возможности пренебрежения
скоростными напорами и т.д.), после чего на основании этих предположений
проводится решение. Полученные результаты дают возможность проверить
правильность предположений. Если они не оправдались, то их корректируют в
нужном направлении и вновь проводят решение и т.д. до получения правильного
ответа.
Графоаналитический способ основан на построении характеристики сложного
трубопровода по характеристикам отдельных его ветвей. Так как концевые
сечения линий разветвления могут находиться на различных высотах Z над
центром сечения начала разветвления, характеристики ветвей строятся в
координатах
. При одинаковых концевых давлениях Р в каждой
из ветвей предыдущее выражение принимает вид (h+Z)=f(Q), а если, кроме того, и
центры концевых сечений лежат в одной горизонтальной плоскости, то h=f(Q).
)
(
)
(
Q
f
Z
h
g
P
=
+
+
ρ
7
Задание на курсовую работу
Схема сборного коллектора
Гидравлический расчет элементов сборного коллектора для безводной
нефти:
1. Определение давления на устьях эксплуатационных скважин.
2. Определение диаметра выкидной линии скважины по заданному
максимально-допустимому перепаду давления в ней.
3. Определение минимально необходимой толщины стенок участков
коллектора
Длины, км
Диаметры труб, мм
L
1
L
2
L
3
L
4
L
5
L
6
d
1
d
2
d
3
d
4
d
5
d
6
1,7
1,3
1,8
1,9
1,7
8,0
?
64
64
80
125
250
Состояние труб
С
угол α, градусы
9
давление р
к
, МПа
0,4
перепад Δр
мах
,МПа 0,5
плотность ρ, кг/м
3
820
Дебит скважин, Т/сут
μ, Па*с
0,006 точность ε, мм
4
210
120
200
L
1
L
2
L
3
L
5
L
4
α
L
6
A
B
C
F
H
D
E
8
Расчетная часть.
•
Определяем объемный расход (в м
3
/с) для участков 1, 2 и 3 по
формуле:
=
=
=
210
820
.
1000
86400
= 0,00296 м /с
=
=
120
820
.
1000
86400
= 0,00169 м /с
=
=
200
820
.
1000
86400
= 0,00311 м /с
•
Определяем кинематичекую вязкость нефти м
2
/с:
ν =
μ
ρ
=
0,006
820
= 0,732.10 м /с
•
Определяем значение коэффициента эквивалентной шероховатости
Δ, мм:
Состояние труб: средние
Для стальных труб подверженных коррозии:
Δ = 0,5 мм
1. Расчет давлений на устьях скважин.
Расчет начнем с участка коллектора т.к. известно конечное избыточное
давление у трапа
.
1.1 Составим уравнение Бернулли для конечных участков коллектора
(сечения D-D и E-E) :
+
+
2
=
+
+
2
+ ℎ
В уравнение Бернулли входят абсолютные давления в сечениях начала и
конца участков, т.е.
абс
=
изб
+
атм
= 0,4 + 0,1 = 0,5 МПа
9
Скоростями можно пренебречь, так как они одинаковы в сечениях,
−
=
∙ ,
= , тогда уравнение приобретает следующий вид:
=
∙
+
+ ℎ
=
∙
+
+ ℎ
потери напора равны потерям на трение, так как по условию местные потери
пренебрегаем:
ℎ
= ℎ
=
2
=
8
Расход на участке L
6
равен сумме дебитов всех скважин:
, ,
=
+
+
= 0,00776 м /с
1.2 Рассчитаем потери напора на участке L
6
:
Определим коэффициент Рейнольдса:
5402
10
732
,0
25
,0
14
,3
00776
,0
4
4
Re
5
6
3,
2,
1
6
6
=
⋅
⋅
⋅
⋅
=
=
=
−
ν
π
ν
d
Q
d
V
10
Δ
= 10
250
0,5
= 5000
10 <Re≤500 , имеет место режим смешанного сопротивления, и
коэффициент гидравлического сопротивления вычисляют по формуле
Альтшуля:
= 0,11
68
+
∆
,
= 0,11
68
5402
+
0,5
250
,
= 0,0382
ℎ
=
8
, ,
= 0,0382
8.8000.0,00776
9,81.3,14 .0,25
= 1,56 м
1.3 Найдем давление в точке D:
∆
d
∆
d
10
=
∙
+
+ ℎ
=
=
9° ∙ 8000 +
0,5.10
820.9,81
+ 1,56 820.9,81 = 10,58 МПа
1.4 Рассчитаем участок D-H: (z
D
= z
H
)
=
+ ℎ
8457
10
732
,0.
064
,0.
14
,3
00311
,0.
4
4
Re
5
3
3
3
3
=
⋅
=
=
=
−
ν
π
ν
d
Q
d
V
10
Δ
= 10
64
0,5
= 1280
500
Δ
= 500
64
0,5
= 64000
10 <Re≤500 , имеет место режим смешанного сопротивления, и
коэффициент гидравлического сопротивления вычисляют по формуле
Альтшуля:
= 0,11
68
+
∆
,
= 0,11
68
8457
+
0,5
64
,
= 0,0390
ℎ
=
2
=
8
= 0,039
8.1800.0,00311
9,81.3,14 .0,064
= 52,30 м
=
+ ℎ
=
10,58.10
820.9,81
+ 52,3 820.9,81 = 11,00 МПа
=
= 11,00 МПа
1.5 Аналогично рассчитаем участок D-C: (z
C
= z
D
)
=
+ ℎ
Расход на участке L
5
равен сумме дебитов первых двух скважин:
,
=
+
= 0,00466 м /с
6488
10
732
,0.
125
,0.
14
,3
00466
,0.
4
4
Re
5
5
2,
1
5
5
=
⋅
=
=
=
−
ν
π
ν
d
Q
d
V
∆
d
∆
d
11
10 = 10
,
= 2500 ;
500
Δ
= 500
125
0,5
= 125000
10 <Re≤500 , имеет место режим смешанного сопротивления, и
коэффициент гидравлического сопротивления вычисляют по формуле
Альтшуля:
= 0,11
68
+
∆
,
= 0,11
68
6488
+
0,5
125
,
= 0,0382
ℎ
=
2
=
8
,
= 0,0382
8.1700.0,00466
9,81.3,14 .0,125
= 3,82 м
Найдем давление в точке C:
=
+ ℎ
=
10,58.10
820.9,81
+ 3,82 820.9,81 = 10,61 МПа
1.6 Рассчитаем участок C-F: (z
C
= z
F
)
=
+ ℎ
4595
10
732
,0.
064
,0.
14
,3
00169
,0.
4
4
Re
5
2
2
2
2
=
⋅
=
=
=
−
ν
π
ν
d
Q
d
V
10
Δ
= 10
64
0,5
= 1280
500
Δ
= 500
64
0,5
= 64000
10 <Re≤500 , имеет место режим смешанного сопротивления, и
коэффициент гидравлического сопротивления вычисляют по формуле
Альтшуля:
= 0,11
68
+
∆
,
= 0,11
68
4595
+
0,5
64
,
= 0,0427
ℎ
=
2
=
8
= 0,0427
8.1300.0,00169
9,81.3,14 .0,064
= 12,21 м
∆
d
∆
d
∆
d
∆
d
12
=
+ ℎ
=
10,61.10
820.9,81
+ 12,21 820.9,81 = 10,71 МПа
=
= 10,71 МПа
1.7 Рассчитаем участок B-C: (z
B
= z
C
)
=
+ ℎ
6439
10
732
,0.
08
,0.
14
,3
00296
,0.
4
4
Re
5
4
1
4
4
=
⋅
=
=
=
−
ν
π
ν
d
Q
d
V
10
Δ
= 10
80
0,5
= 1600
500
Δ
= 500
80
0,5
= 80000
10 <Re≤500 , снова имеет место режим смешанного сопротивления,
и коэффициент гидравлического сопротивления вычисляют по формуле
Альтшуля:
= 0,11
68
+
∆
,
= 0,11
68
6439
+
0,5
80
,
= 0,0396
ℎ
=
2
=
8
= 0,0396
8.1900.0,00296
9,81.3,14 .0,08
= 16,64 м
=
+ ℎ
=
10,61.10
820.9,81
+ 16,64 820.9,81 = 10,74 МПа
1.8 Зная максимально-допустимый перепад давлений на выкидной
линии первой скважины найдем ее давление
А
( ):
=
+
= 10,74 + 0,5 = 11,24 МПа
2. Определение диаметра выкидной линии скважины по заданному
максимально-допустимому перепаду давления на ней.
∆
d
∆
d
13
2.1 Решаем эту задачу графо-аналитическим методом. Уравнение
Бернулли для первой линии:
А
=
+ ℎ
Откуда:
ℎ
=
∆
=
0,5.10
820.9,81
= 62,16 м
При известном расходе, задавая ряд диаметров, можно для каждого
значения
определить
число
Рейнольдса,
затем
коэффициент
гидравлического сопротивления и потери на трение на участке. Таким
образом можно построить график зависимости ℎ
от d
i
2.2 Таблица значений для различных диаметров.
d, мм
Re
Режим
λ
h, м
50
10302
смеш. сопр.
0,0395
155,66
51
10100
смеш. сопр.
0,0394
140,85
52
9906
смеш. сопр.
0,0394
127,70
53
9719
смеш. сопр.
0,0394
116,02
54
9539
смеш. сопр.
0,0394
105,60
55
9366
смеш. сопр.
0,0393
96,29
56
9199
смеш. сопр.
0,0393
87,95
57
9037
смеш. сопр.
0,0393
80,47
58
8881
смеш. сопр.
0,0393
73,75
59
8731
смеш. сопр.
0,0393
67,69
60
8585
смеш. сопр.
0,0393
62,23
61
8445
смеш. сопр.
0,0393
57,29
62
8308
смеш. сопр.
0,0393
52,81
63
8177
смеш. сопр.
0,0393
48,75
64
8049
смеш. сопр.
0,0393
45,07
65
7925
смеш. сопр.
0,0393
41,71
66
7805
смеш. сопр.
0,0393
38,66
67
7688
смеш. сопр.
0,0393
35,87
68
7575
смеш. сопр.
0,0393
33,32
69
7466
смеш. сопр.
0,0393
30,99
70
7359
смеш. сопр.
0,0394
28,85
71
7255
смеш. сопр.
0,0394
26,88
72
7154
смеш. сопр.
0,0394
25,08
73
7056
смеш. сопр.
0,0394
23,42
74
6961
смеш. сопр.
0,0394
21,90
14
2.3 График зависимости
2.4 По графику находим d
2
= 60,01 мм
Проверка:
d, мм
Re
Режим
λ
h, м
60,01
8584
смеш. сопр.
0,0393
62,17
согласно ГОСТ 8732-78 выбираем трубопровод (при допущении, что
толщина стенки 4 мм) с наружным диаметром 68* мм и толщиной стенки 4*
мм, т.е. внутренний диаметр – 60* мм.
*Данные значения допущенные. Точность наших допущений
определим в следующем пункте.
3. Определение минимально-необходимой толщины стенки.
Используем формулу
для определения расчетной толщины
стенки для неагрессивных сред.
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
180,00
45
50
55
60
65
70
75
80
h, м
d, мм
Зависимость потерь h на участке A-B от
диаметра d
62,16
60,01
[ ]
σ
δ
2
max
d
p
=
15
Поскольку в реальных условиях трубопровод подвержен внешним физико-
химическим воздействиям (коррозионному и механическому износу
транспортируемого нефтепродукта и окружающей среды), к расчетному
значению следует добавить поправку на коррозию.
Поправка на коррозию для неосушенных сероводородосодержащих сред —
не менее 3 мм; для трубопроводов осушенных сероводородосодержащих
сред — не менее 2 мм по сравнению с расчетными толщинами стенок для
неагрессивных сред.
Примем, что рассматриваемый нами трубопровод составлен из труб стали
09Г2С
по
ГОСТ
8732-78,
и
находится
в
неосушенной
сероводородосодержащей среде, т.е. к расчетному значению толщины
стенки следует добавить 3 мм.
Для стали 09Г2С допускаемое напряжение
= 350 МПа.
3.1 Участок 1: (
= 11,24 MПа; d = 60* мм)
Расчетное значение (при допущенном диаметре):
=
.
2[ ]
=
11,24.60
2.350
= 0,96 мм
Значение с поправкой на коррозию:
= 0,96 + 3 = 3,96 мм
*Наше допущение правильно.
По ГОСТ 8732-78 выбираем толщину стенки = 4 мм.
3.2 Участок 2: (
= 10,71 MПа; d = 64 мм)
Расчетное значение:
=
.
2[ ]
=
10,71.64
2.350
= 0,98 мм
Значение с поправкой на коррозию:
= 0,98 + 3 = 3,98 мм
По ГОСТ 8732-78 выбираем толщину стенки = 4 мм.
вр
σ
16
3.3 Участок 3: (
= 11,00 MПа; d = 64 мм)
Расчетное значение:
=
.
2
=
11.64
2.350
= 1,01 мм
Значение с поправкой на коррозию:
= 1,01 + 3 = 4,01 мм
По ГОСТ 8732-78 выбираем толщину стенки = 4 мм.
Оценим перенапряжение:
=
.
2
=
11.64
2. 4 − 3
= 352 МПа
352 − 350
350
.100% = 0,6%
Расчетное перенапряжение составляет всего 0,6%, так что его можно
полность пренебречь.
3.4 Участок 4: (
= 10,74 MПа; d = 80 мм)
Расчетное значение:
=
.
2[ ]
=
10,74.80
2.350
= 1,23 мм
Значение с поправкой на коррозию:
= 1,23 + 3 = 4,23 мм
По ГОСТ 8732-78 выбираем толщину стенки = 4,5 мм.
3.5 Участок 5: (
= 10,61 MПа; d = 125 мм)
Расчетное значение:
=
.
2[ ]
=
10,61.125
2.350
= 1,89 мм
Значение с поправкой на коррозию:
= 1,89 + 3 = 4,89 мм
17
По ГОСТ 8732-78 выбираем толщину стенки = 5 мм.
3.6 Участок 6: (
= 10,58 MПа; d = 250 мм)
Расчетное значение:
=
.
2[ ]
=
10,58.250
2.350
= 3,78 мм
Значение с поправкой на коррозию:
= 3,78 + 3 = 6,78 мм
По ГОСТ 8732-78 выбираем толщину стенки = 7 мм.
18
Заключение.
В ходе расчета работы мы получили следующие значения:
Давления на устьях скважин:
= 11,24 МПа
= 10,71 МПа
= 11,00 МПа
Толщины стенок трубопроводов:
= 4 мм
= 4 мм
= 4 мм
= 4,5 мм
= 5 мм
= 7 мм
В процессе выполнения работы были изучены основы графо-
аналитического метода для расчета диаметра трубопровода, рассмотрена
методика расчета давления на устьях скважин исходя из потерь на трение на
участках коллектора, и рассчитаны толщины стенок трубопроводов по
допускаемому напряжению с учетом поправки на коррозию.
19
Используемая литература.
1) Г.Д.Розенберг, И.М.Астрахан, А.Е.Евгеньев, И.Н.Кочина Сборник задач по гидравлике и
газодинамике для нефтяных ВУЗов, Москва 1990
2) И.М.Астрахан, А.Е.Евгеньев, Г.Д.Розенберг Методические указания к выполнению
курсовых работ, Москва, 1986
3) Ц.Т. Арустамова, В.Г. Иванников “Гидравлика” Москва, Недра, 1995
Информация о работе Гидравлический расчет промыслового сборного коллектора нефти