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油气混输程序设计及细管流变仪设计
添加时间: 2010-1-13 21:32:14 文章来源: 文章作者: 点击数:1913
 
才  建
(机械工程学院   储运9801班)
 
摘  要:本设计分为两部分:第一部分为程序设计,它主要根据气液混输的各种计算公式和计算方法,最后在给定的条件和参数的情况下,得出长输管线的温降和压降曲线。压降曲线是根据布里尔流型法来判定各种流型之后,每段管线再用贝克压降计算公式计算压降,从而由热平衡方程计算温降;第二部分为水平细管式流变仪的设计,其主要设备组成为一个压气机、两个小油桶、输油管、恒温水浴、流量计、测压计和一些阀门。其主要流程为:压气机压气使油桶1中的油品通过管路进行循环,在中间我们可以测量流量和压力,并且可以取样,最后油打到油桶2后,再通过压气机将油打到油桶1,完成1个循环.
关键词:流量计   测压计   恒温水浴   阀门   油桶
 
1  油气混输程序设计
1.1  前言
当前,油气混输研究已成为储运界最为突出的一个重点,也是一个难点,解决好此问题,一方面,可以提高输送油品的质量并且节省输送费用和操作费用。另一方面,也可大大降低海底管路的敷设费用及海上油气加工设备的安装及经营费用。
对油气混输的研究比较知名的地方,在我国主要有西安交大、浙江大学和中国科学院。
本设计主要是进行长输管路程序设计,不过是在一般条件必须经过测算之后已知的条件下进行的。
1.2  主要目的及说明
本程序设计,主要目的是在输入一定参数情况下,可以得出其长输管线各段的温降和压降,绘出温降和压降曲线,从而来了解本管线在某些管段可能出现的一些问题,并且可以进行进一步的计算。
1.3  程序计算部分
1.3.1热力计算能量平衡方程
假设两相之间无滑移,并且不计油品的径向温度、梯度,这样经过一番推导,最后得出温度分布公式:
Tf=(Tfo-Ts )exp(- )+ +TS
公式中φ=Cpm·μJ·dp/dx-gsinθ-v·dv/dx。
1.3.2传热系数的计算
总传热系数为:
1/k=1/α1+roln(ro/ri)/λin+ro/ri·α2
其中h为管线埋地深度,r0—d0/2为保温半径,ri=di/2为管道外径。
式中右边第一项为管道周围土壤导热热阻,第二项为管道保温层热阻,第三项为管内对流热阻。
管内对流换热系数的计算,目前存在许多经验关联式,本文采用文献推荐经验关联式为:
Nu=α2·di/λm=1.09×103{Re[β+ρGl(1-β)]}0.989·Pr1.41·y-1.15
式中:y=1-0.1(ρtG-1)0.4·(1-β)0.4,β为平均体积含气率。
1.3.3各参数计算
1.3.3.1原油密度ρl
程序中已知20℃原油密度,则0~50℃范围内其它温度下的密度可按下式计算:ρt20-ε(t-20),ε为温度系数。
而20~120℃范围内,原油密度为:
ρt20/1+α(t-20),α为一参数,可计算得出。
1.3.3.2原油粘度μl
本程序先计算出20℃时原油粘度(mpa·s),以t/m3为单位进行粗算之后,其它温度t的原油粘度值可按下式估算:
μt=1/c(cμto)**[1+a(t-to)·lg(cμto)]-1
1.3.3.3原油的比热Cpl
原油的比热可按下式计算:Cpl=1/ (1.687+3.39×10-3t)
上述比热计算式中没有包括原油中石蜡相态变化对比热值的影响。石油大学储运教研室对含蜡原油的比热进行了大量测试工作,并作出比热一温度曲线。
1.3.3.4天然气的粘度μg
常压下天然气的粘度亦可近似于图示关系的下式计算确定:
μg=     而Δ=M/28.96
天然气中含有N2、CO2、H2S等非烃气体时都会增大天然气的粘度,其粘度的增加值与这些非烃气体在天然气中的含量有关,并可以从图中求得。
1.3.3.5定压摩尔热容Cpg
天然气的定压摩尔热容与其组成、压力、温度有关,可近似按下式计算:
Cpg=13.19+0.0092T-0.624×   KJ/(mol·℃)
1.3.3.6焦耳一汤母森系数μJ
天然气的焦耳一汤母森效应系数与天然气的压力、温度、临界参数和热容有关,可按下式进行计算:
μJ=    ℃/Mpa
式中一些具体参数可以在一定公式下计算求得。
1.3.4压降的计算
本程序采用布里尔流型法来判别流型之后,再根据贝克压降法分别对各种流型进行计算。
布里尔流型判别法的程序框图附后。
而压降dp/dl=фg2( )g,其中根据每一种流型对应一фg2,都有其对应的分式,( )g为两相管路中只有气体单独流动时的压降梯度,它可表示为:
( )g=-λg/d·
ωsg——气体的折算速度
λg——两相管路内只有气体单独流动时的摩阻系数,这些参数都可以由一定的公式进行计算。
1.4 程序总内容
(1)输入基础数据
L
——
管线长度
 
QL
——
液体流量
 
j
——
管子倾角
Qg
——
气体流量
 
hg
——
气体导热系数
 
hL
————
液体导热系数
Pchu
——
出口压力
 
ρ15
——
15℃时原油密度
 
di
——
管子内径
Ro
——
保温半径
 
H
——
管线埋地深度
 
 
 
 
(2)根据已知条件(基础数据)计算含气率、混合物流动参数和一些物性参数。
(3)计算管内对流热阻、管外土壤热阻、管道保温层热阻。
(4)计算总传热系数K。
(5)根据已知条件由布里尔法判断每段管子的流型。
(6)计算沿程压降梯度dp/dl。
(7)用式(6)计算温度Tf
(8)利用(7)算得的Tf重复(2)~(7)的计算过程,直到两次算得的温差绝对值小于10-4
2  流变仪的设计
2.1 关于流变测量的一些概述
2.1.1非牛顿流体流变测量的特点
非牛顿流体的流变测量,主要有以下特点:
(1)非单项性(2)非单值性(3)非可逆性
2.1.2流变测量的基本原理
流变测量的基本原理,是在一定条件下,通过对试料施加切应力(或变形)跟踪受力后的响应(或应力)对时间的函数关系而得到。所施加的切应力要在理论上是简解析的,在实验上是能够实现的。
2.2仪器构造及主要理论。
国内外常见细管流变仪分为水平管式和竖管式两种类型,本设计是水平管式细管流变仪,其构成主要包括:①储料罐(小油桶);②实验细管(内径20mm);③测压计;④恒温系统—恒温水浴;⑤流量计;⑥压气机;⑦压力真空表;⑧保温层;⑨支架等。
本设计是按牛顿流体来设计的,细管式流变仪通过流体在细管内的恒定剪切流动、实测压降和流量,推算剪应力和剪变速度的关系,以确定流变特性。
假设流体在细管内流动满足以下条件:①粘性层流②恒定流动③均匀流④沿管壁无滑动V= 。对于牛顿流体,f(τ)= τ/µ,基中µ在一定温度和压力下为常数,将其代入公式后并积分得: ,再由τw=Δp·D/4L得到Δp=128QµL/πD4
2.3  根据已知数据选择仪器
2.3.1 已知数据
内径d=20mm           粘度μ=1000mPa·s
密度ρ=980kg/m3       流量Q=2.3m3/h
2.3.2  选压气机
根据Δp选压气机,到第二个桶终点处压力为大气压,可以知道油桶出口压力。
经计算Δp大约为7.6kgf/cm2,考虑到压力机的排气压力(表压)应大于Δp,当然Δp在本管路中相对甚小,可忽略。因此选压缩机为11zA-1.5/8型空气压缩机。
2.3.3  自制油桶及校核计算
经粗略估算流变仪油桶中应能储100kg的油,也就是一个循环,m=100kg,ρ=980kg/m3,所以v=m/ρ=0.1m3。粗选直径d=0.4m而h粗选0.9m。而油桶材料选普通碳钢A3,之后我们计算选择油桶厚度由[σ]= ,而t≥pd/2[σ],经计算t=2mm即可满足要求。
2.3.4  法兰自制及螺栓校核计算
由于油桶中的油盖需要安装一个弯管来接受压气机压力,带动整个系统循环的正常进行,并且需安装一个真空压力表,因此需加一法兰进行固定,法兰选d=50cm,厚取3cm。
一方面pmax=σ=7.84×105<[σ]=152×106Pa。另一方面考虑到弯曲应力的影响,必须选择并校核螺栓度及抗拉效果。
螺栓选六角头螺栓,与之对应选六角头螺母(GB52-76),经计算Δσ=N1/A1=60Mpa,由于铜的[σl]=29~118Mpa=[σy],所以,螺栓满足预紧力及压力要求。
2.3.5  其它小部件的选择
由于P≤8kgf/cm2rn所以选择Z15w—10内螺纹暗杆楔式闸阀4个,我们选Y—100T型单圈弹簧管压力表,其测量范围为10Kgf/cm2。选椭圆齿轮流量计LC—11一个,其口径20mm。
我们选择45°弯头两个(SB4007—65),它们与桶接触处直接焊接。而与管接触处必须螺丝紧固,因为它为内螺纹,其公称直径Dg=25mm,选择90°弯头4个(SB4003—65)。
2.3.6保温系统
我的设计其保温系统用的是恒温水浴保温,通过管路输送保温水,而油桶及油管外面用的是石棉网进行保温,尽量减小散热损失。恒温水浴选择LB801型,其最高温度为95℃,电压220V。
 
参考文献
 
[1] 冯叔初.《油气集输》.石油大学出版社,1988年.
[2] 姚光镇.《输气管道设计》.高教出版社,1989年.
[3] 商业部设计院.《石油库工艺设计手册》.1982年.
[4] 韩洪开.《石油工程非牛顿流体力学》.哈尔滨工业大学出版社,1993年.
[5] 王树立.《流体力学》.中国林业出版社,2000年.
 
Abstract This course design is divided into two parts, the first part is procedure , and it is mainly according to every kind of calculation formulas and computation methods, finally at the circumstance that to the term settles with the count ,we get  the  temperature losing  decline with press to decline curve of long tube line.The pressure decline curve  is according to Bulier float type method that comes judging the every kind of float type, after that we use Beiker formula to compute the pressure decline with each tube line. Then we can calculate the temperature decline with hot and equilibrium equation. The second part is the design of level thin flow change instrument and its main equipments constitute to a compressor, two small oil buckets, oil pipeline, constant temperature water bath, flowmeter, manometer and some valves . Its main flow is: Compressor press the oil to proceed circulation from the oil bucket 1, we can measure the runoff and pressure, and we can sample the oil from the pipeline, finally after the oil is beaten to the oil bucket 2 and then it is beaten to the No.1 through compressor, it completes one circulation.
Key wordsflowmeter   manometer   constant temprature water bath   valve   oil bucket
 
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