Способы увеличения пропускной способности нефтепровода.

В процессе эксплуатации магистральных нефтепроводов могут возникать обстоятельства, которые вызывают необходимость пере­распределения грузопотоков транспортируемой нефти. Выходом из сложившейся ситуации может быть либо строительство новых (параллельных) нефтепроводов, либо увеличение пропускной способности существующих магистралей.

Последний вариант можно реализовать изменением (Q-H) характе­ристики перекачивающих станций или линейной части трубопровода, при которых рабочая точка перемещается вправо. Это может быть достигнуто следующими способами: сооружением дополнительных станций на линейных участках между существующими (удвоением числа ПС), либо прокладкой дополнительных лупингов.

Теоретическое решение задачи о повышении производительности существующего нефтепровода подробно изложено в [17,18]. Однако на практике увеличение пропускной способности ограничивается как условием прочности трубопровода, так и возможностями насосных агрегатов.

На стадии проектирования трубопровода насосы подбираются из условий их работы в зоне оптимального режима, то есть при наибольшем значении коэффициента полезного действия. Смещение рабочей точки вправо приводит к изменению режима работы насосов, и как следствие, выход из их рабочей зоны. Поэтому при удвоении числа ПС неизбежна их реконструкция с заменой насосных агрегатов, а также возможное изменение схемы их соединения с последовательной на параллельную.

Как правило, на стадии проектирования толщина стенки трубопровода рассчитывается исходя из распределения линии гидравлического уклона при всех возможных режимах его работы. Удвоение перекачивающих станций приводит к перераспределению давлений (напоров) на линейных участках нефтепровода, что может привести к нарушению прочности трубопровода. Кроме того, необходимо учитывать уменьшение прочности трубопровода при значительном сроке его эксплуатации.

Повышение производительности нефтепровода от проектного значения Q до некоторого Q_* учитывается коэффициентом увеличения пропускной способности, равном c= Q_*/Q.

Рассмотрим возможные варианты увеличения производительности нефтепровода.

Увеличение пропускной способности без реконструкции перекачивающих станций (при H_СТ¹const)

Примем для простоты, что все перекачивающие станции укомплектованы однотипными магистральными насосами, работающими по последовательной схеме соединения. При удвоении перекачивающих станций рабочая точка переместится из положения А в В и производительность трубопровода возрасте от проектной Q=Q_ПР до значения Q₁. Напоры, развиваемые насосами ПС, несколько уменьшатся, т.е. H_СТ¹const (рис. 1.34).

Как видно из рисунка, значение Q₁ может значительно превышать величину Q₀, которая соответствует правой границе рабочей зоны насоса. Поэтому реализация метода удвоения числа ПС (без реконструкции) возможна в случае перемещения рабочей точки в положение C, то есть промежуточные станции второй очереди должны развивать меньший напор (работать с меньшим количеством насосов). В этом случае пропускную способность нефтепровода целесообразно увеличивать прокладкой дополнительных лупингов на линейных участках, что позволяет переместить рабочую точку в положение E.

2×n×HСТ

n×HСТ

Рабочая зона

A

C

E

B

h

Q

Q0

Q1

Q

H

DH

Рис. 1.34. Совмещенная характеристика трубопровода и ПС при HСТ¹const 1 – (Q-H) характеристика нефтепровода; 2 – (Q-H) характеристика нефтепровода с лупингом; 3 – (Q-H) характеристика ПС

Общую протяженность лупинга для одного эксплуатационного участка нефтепровода найдем из совместного решения уравнений баланса напоров:

при проектной производительности

, (1. 104)

и после прокладки лупинга длиной l_Л

, (1.105)

где a=m_М×a_М и b=m_М×b_М.

Решая уравнения (1.104) и (1.105) относительно расхода, получим

(1.106)

и

. (1.107)

Коэффициент увеличения пропускной способности определим с учетом (1.106) и (1.107) из равенства

. (1.108)

Общая протяженность лупинга, найденная из выражения (1.108) при известном значении c, составит

. (1.109)

Размещение лупингов на отдельных участках трассы выполняется с учетом размещения перекачивающих станций и ограничений по подпорам и напорам. Кроме того, должны быть учтены разрешенные напоры на линейных участках и рельеф трассы нефтепровода.

Увеличение пропускной способности с реконструкцией перекачивающих станций (при H_СТ=const)

Рассмотрим случай, когда увеличение производительности нефтепровода предполагается с заменой всех основных насосов на всех ПС. Насосы подбираются так, чтобы развиваемый каждой ПС напор соответствовал проектному значению, то есть H_СТ= H_ПР =const. При этом коэффициент полезного действия должен быть наибольшим в области возможного увеличения производительности нефтепровода.

В случае удвоения числа ПС рабочая точка на совмещенной характеристике сместится из положения A в положение B (рис. 1.35).

2×n×HСТ

n×HСТ

A

C

B

Q

Q1

Q

H

DH

Рис. 1.35. Совмещенная характеристика трубопровода и ПС

при H_СТ=const

 

1 – (Q-H) характеристика нефтепровода; 2 – (Q-H) характеристика нефтепровода с лупингом

Найдем коэффициент увеличения пропускной способности для случая H_СТ=const. Запишем уравнение баланса напоров:

для n перекачивающих станций (до удвоения ПС)

, (1.110)

и после удвоения ПС

. (1.111)

Коэффициент увеличения пропускной способности при дублировании числа ПС с учетом (1.110) и (1.111) составит

. (1.112)

Если предположить равенство DH=Dz+h_ОСТ, то из (1.112) получим

. (1.113)

Определим протяженность лупинга, обеспечивающего такое же увеличение производительности, что и при удвоении числа перека­чи­вающих станций (c_Л = c_Д). В этом случае рабочая точка совмещенной характеристики будет соответствовать точке C (рис. 1.35). Запишем уравнение баланса напоров для нефтепровода с лупингом

. (1.114)

Решая совместно (1.110) и (1.114) относительно l_Л, получим

. (1.115)

Проанализируем влияние режима течения на коэффициент увеличения пропускной способности c_Д и относительную длину лупинга l_Л / L. Результаты сравнения приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Влияние режима течения на c_Д и l_Л / L

 

Режим течения	m	w	cД	lЛ / L
Ламинарный		0,5
Гидравлически гладкие трубы	0,25	0,297	1,486	0,712
Смешанное трение	0,123	0,272	1,447	0,687
Квадратичное трение		0,25	1,414	0,667

Из таблицы следует, что при ламинарном режиме течения нефти эффективность удвоения ПС и применения лупинга (L_Л = L) одинакова. При турбулентном режиме течения эффект от применения лупинга превышает эффект от удвоения ПС.

Сопоставим теперь рассмотренные способы увеличения пропускной способности с точки зрения удельных затрат электроэнергии на 1 тонну перекачиваемой нефти. Если пренебречь энергозатратами на работу подпорных насосов, из формулы (1.87) следует

. (1.116)

После удвоения перекачивающих станций (при H_СТ=const)

. (1.117)

Если предположить равенство коэффициентов полезного действия насосов h_Н, электродвигателей h_Э и механической передачи до и после удвоения числа ПС, относительное увеличение энергозатрат составит

. (1.118)

В случае применения лупинга прирост пропускной способности нефтепровода происходит за счет снижения гидравлического сопротивления линейной части, то есть без участия перекачивающих станций. В этом случае

. (1.119)

Таким образом, анализ способов увеличения производительности нефтепровода позволяет сделать следующие выводы:

§ во всех случаях применение лупингов предпочтительнее удвоения числа перекачивающих станций (как с точки зрения удельных энергозатрат, так и согласования режимов работы насосных агрегатов);

§ если не предполагается реконструкция существующих перекачивающих станций с заменой насосных агрегатов, увеличение производительности ограничено правой границей рабочей зоны насосов.