Нефть - главное богатство
России

Расчет сливных коммуникаций


При опорожнении вагонов-цистерн самотеком время истечения нефтепродукта из цистерны будет зависеть от степени вязкости нефтепродукта, диаметра и длины сливной линии и величины избыточного давления над поверхностью жидкости в цистерне. При опорожнении цистерны самотеком в сливных коммуникациях возможны два разных режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.

При нижнем сливе (как показано на изображении ниже) истечение нефтепродукта из цистерны будет происходить под напором, равным

H+h+(p1-p2)/ɣ,

где Н - высота уровня нефтепродукта в цистерне, м (величина, изменяющаяся от D до 0; D - диаметр котла цистерны, м);

h - постоянный добавочный напор, равный разности отметок дна цистерны и конца сливного трубопровода, м;

р1 - давление над поверхностью нефтепродукта в цистерне, кГ/см2;

р2 - давление в приемном резервуаре или герметизированном желобе, кГ/см2.

Схема истечения жидкости из вагона-цистерны

Уравнение баланса удельных энергий для этого случая будет

H+h+(p1-p2)/ɣ=ω2/2g+Σξ· ω2/2g+λl/d· ω2/2g,

где ω – скорость нефтепродукта в сливном трубопроводе, м/с;

Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

ω2/2g – скоростной напор,м.

Если истечение происходит от начала и до конца при турбулентном режиме через короткий сливной патрубок и при атмосферном давлении, т. е. когда h+(p1-p2)/ɣ= 0 и 0 < I < 3d, (I и d - длина и диаметр сливного патрубка), то время τ, потребное для истечения жидкости из цистерны в секундах, определяется по формуле

τ= 4LD√D/3µʄ√2g,

где L - длина котла цистерны, м;

ʄ - площадь сечения сливного патрубка, м2.

Коэффициент расхода µ зависит от гидравлической структуры потока и конструкции сливного прибора. В области турбулентного режима он является почти постоянной величиной, а в области ламинарного режима µ изменяется в широких пределах, находясь в зависимости от числа Rе.

В таблице приведены усредненные значения коэффициента расхода µ, установленные на основании экспериментальных данных проф. И. А. Чарлого для случаев истечения через короткие сливные патрубки.

Значения коэффициента расхода µ

Кинематическая вязкость ν, см2/сек

Коэффициент расхода µ

Кинематическая вязкость ν, см2/сек

Коэффициент расхода µ

0,01-0,1

0,61

1

0,3

0,2

0,51

2

0,26

0,3

0,45

3

0,255

0,4

0,41

4

0,25

0,5

0,38

5

0,245

0,6

0,36

5,5

0,24

0,7

0,34

150

0,015

0,8

0,325

800

0,0034

0,9

0,31

 

 

В случае, когда истечение жидкости из цистерны происходит при турбулентном режиме через шланг длиной I > 3d, присоединенный к сливному прибору, время истечения определяется по формуле В. С. Яблонского

τ= 4LD√D/3µʄ√2g · Ф (h0/d),

где Ф(h0/d) - функция, определяющая степень сокращения времени слива в зависимости от величины дополнительного напора h0.

Под дополнительным напором h0 понимается величина

h0=h+(p1-p2)/ɣ

Тогда уравнение может быть представлено в виде

τ= τ0· Ф (h0/d),

откуда

Ф (h0/d)= τ/ τ0·

Значение Ф (h0/d) определяется по графику  в зависимости от величины отношения (h0/d).

График функции Ф (h0/d)

Из рассмотренного графика следует, что срок слива сокращается очень быстро только при малых дополнительных напорах, и дальнейшее увеличение напора не вызывает пропорционального сокращения слива.

Для определения времени истечения нефтепродукта из вагона-цистерны только при ламинарном режиме можно пользоваться формулой В. И. Черникина.

Истечение вязких жидкостей из цистерн может происходить, в случаях закрытого слива, при наличии двух режимов, т. е. при турбулентном режиме - в начале слива, при ламинарном - в конце его. При таких обстоятельствах приходится раздельно определять время истечении при турбулентном режиме и при ламинарном.

Определение времени истечения нефтепродуктов из вагона-цистерны при наличии двух режимов производится путем решения двух уравнений с определением по справочникам эллиптических интегралов первого, второго и третьего рода. Чтобы избежать этого, в расчетах сливных устройств с достаточной для практических целей точностью можно пользоваться более простыми уравнениями.

Приближенное решение этой задачи дано И. А. Парным, предложившим для определения времени истечения расчетные уравнения.

Расчет сливных стояков

Перемещение нефтепродукта по сливному стояку от вагона-цистерны до сливного коллектора должно происходить со скоростью, при которой обеспечиваются заданные сроки слива. В связи с этим расчеты сливных стояков сводятся к определению диаметров и гидравлических сопротивлений отдельных участков по заданной производительности. Гидравлические сопротивления участков определяются с учетом режима движения жидкости по формулам, применяемым для расчета трубопроводов.

Нормальная работа сливного стояка, работающего при давлении ниже атмосферного (при сливе сифоном или при всасывании), обеспечивается в том случае, когда пьезометрический напор Нξ в любой точке стояка больше напора, соответствующего упругости паров рУ сливаемого нефтепродукта, т. е. когда имеет место неравенство Нξ ˃ рУ/ɣ. При несоблюдении этого неравенства произойдет вскипание нефтепродукта и разрыв струи.

Наименьший пьезометрический напор в сливном стояке будет наблюдаться в наивысшей точке М (изображение ниже) и определится из уравнения

HM=pa/ɣ-h’-Hсопр- ω2/2g ˃ рУ/ɣ,

где h’ - разность геодезических отметок точки М и начальной точки трубопровода (шланга);

Hсопр - потери напора на трение и местные сопротивления на участке от наконечника шланга до точки М;

ру - упругость паров нефтепродуктов при сливе, кГ/см2.

График изменения пьезометрических напоров в сливном трубопроводе

Упругость паров нефтепродукта принимается при максимальной температуре перекачки и при минимальном барометрическом давлении для пункта, где осуществляется слив.

Проверку на отсутствие разрыва струи в точке М сливного стояка возможно делать путем построения графика пьезометрических напоров для наиболее неблагоприятного случая, когда уровень нефтепродукта в цистерне соответствует конечному моменту слива.

Перед графическим построением аналитически определяются все гидравлические сопротивления трубопровода; после этого приступают к вычерчиванию в масштабе схемы сливного трубопровода и в том же масштабе - графика падения пьезометрического напора, строя его в направлении движения потока.

На изображении приведены масштабная схема сливного сифонного трубопровода и график падения пьезометрического напора в трубопроводе. В точке А давление равно атмосферному ра, и пьезометрический напор Ра/ɣ для неё изображается отрезком Аа.

При движении нефтепродукта по участку трубопровода АМ будет потерян некоторый напор:

  1. на преодоление гидравлических сопротивлении (включая ω2/2g), h1=l1i1 где l1 и i1 соответственно, приведенная длина трубопровода и гидравлический уклон участка АМ;
  2. на преодоление разности геодезических отметок точки М и начальной точки трубопровода, равной h'.

На участках МС и СВ потерянный напор на преодоление гидравлических сопротивлений, соответственно, будет равен h2=l2i2 и h3=l3i3 ; разность в геодезических отметках начала трубопровода и точек С и В – h’’ и h’’’ и пьезометрические напоры в точках С и В определяются ординатами Сс и Вb.

Наименьший пьезометрический напор, как видно из графика, получается для точки М.

Для обеспечения нормальной работы трубопровода необходимо, чтобы пьезометрический напор в любой точке трубопровода, а следовательно, и в точке М, был больше напора, соответствующего упругости паров жидкости, т. е. должно существовать неравенство НМ ˃ рУ

Это неравенство будет выполнено, если проведенная на графике ломаная линия а’m’с’b’ параллельно линии amcb, на расстоянии от последней, не пересечется с трубопроводом.

В случаях пересечения линии а’m’с’b’ с трубопроводом вскипания жидкости можно избежать:

  • путем понижения наивысшей точки сливного трубопровода;
  • уменьшением гидравлических потерь в трубопроводе на участке АМ за счет увеличения его диаметра;
  • уменьшением производительности перекачки при насосном сливе.

Расчет сливных лотков

Сливные лотки необходимо рассчитывать на максимальный расход нефтепродукта, вытекающего из цистерн, по формуле

q = 4,43µʄ √(D+h+ (p1-p2) /ɣ ) м3/сек,

где h - длина сливного патрубка по вертикали, м.

Лотки применяются круглого и прямоугольного сечений, причем их размеры определяются в зависимости от формы сечения лотка и от режима движения жидкости.

Лотки круглого сечения рассчитываются как незаполненные безнапорные трубопроводы на пропуск максимального расхода при 50% заполнения сечения.

Расчет отводных труб

Для расчета отводных труб принимается суммарный расход нефтепродукта, сливаемого по обеим ветвям желоба. Отводные трубы делаются круглого сечения. Принимаемый диаметр отводной трубы, во избежание затруднении при сливе, увеличивают против расчётного на 15-20%.