Гидравлический расчет паропроводов систем парового отопления низкого и высокого давления.

При движении пара по длине участка его количество уменьшается вследствие попутной конденсации, снижается также его плотность из-за потери давления. Снижение плотности сопровождается увеличением, несмотря на частичную конденсацию, объема пара к концу участка, что приводит к возрастанию скорости движения пара.

В системе низкого давления при давлении пара 0,005-0,02 МПа эти сложные процессы вызывают практически незначительные изменения параметров пара. Поэтому принимают расход пара постоянным на каждом участке, а плотность пара постоянной на всех участках системы. При этих двух условиях гидравлический расчет паропроводов проводят по удельной линейной потере давления, исходя из тепловых нагрузок участков.

Расчет начинают с ветви паропровода наиболее неблаго­приятно расположенного отопительного прибора, каковым является прибор, наиболее удаленный от котла.

Для гидравлического расчета паропроводов низкого дав­ления используют табл. 11.4 и 11.5 (см. Справочник проек­тировщика), составленные при плотности 0,634 кг/м 3 , со­ответствующей среднему избыточному давлению пара 0,01 МПа, и эквивалентной шероховатости труб к Э =0,0002 м (0,2 мм). Эти таблицы, по структуре аналогичные табл. 8.1 и 8.2, отличаются величиной удельных потерь на трение, обусловленной иными значениями плотности и кинемати­ческой вязкости пара, а также коэффициента гидравличе­ского трения λ для труб. В таблицы внесены тепловые нагрузки Q, Вт, и скорость движения пара w , м/с.

В системах низкого и повышенного давления во избежа­ние шума установлена предельная скорость пара: 30 м/с при движении пара и попутного конденсата в трубе в одном и том же направлении, 20 м/с при встречном их движении.

Для ориентации при подборе диаметра паропроводов вычисляют, как и при расчете систем водяного отопления, среднее значение возможной удельной линейной потери давления R ср по формуле

где р П - начальное избыточное давление пара, Па; Σl пар - общая длина участков паропровода до наиболее удаленного отопительного прибора, м.

Для преодоления сопротивлений, не учтенных при рас­чете или введенных в систему в процессе ее монтажа, остав­ляют запас давления до 10% расчетной разности давления, т. е. сумма линейных и местных потерь давления по основ­ному расчетному направлению должна составлять около 0,9 (р П - р пр).

После расчета ветви паропровода до наиболее неблаго­приятно расположенного прибора переходят к расчету вет­вей паропровода до других отопительных приборов. Этот расчет сводится к увязке потерь давления на параллельно соединенных участках основной (уже рассчитанной) и второстепенной (подлежащей расчету) ветвях.

При увязке потерь давления на параллельно соединен­ных участках паропроводов допустима невязка до 15%. В случае невозможности увязки потерь давления применя­ют дросселирующую шайбу (§ 9.3). Диаметр отверстия дросселирующей шайбы d ш, мм, определяют по формуле

где Q уч – тепловая нагрузка участка, Вт, ∆р ш – излишек давления, Па, подлежащий дросселированию.

Шайбы целесообразно применять для погашения излишнего давления, превышающего 300 Па.

Расчет паропроводов систем повышенного и высокого давления проводят с учетом изменения объема и плотности пара при изменении его давления и уменьшения расхода пара вследствие попутной конденсации. В случае, когда известно начальное давление пара р П и задано конечное давление перед отопительными приборами р ПР, расчет паропроводов выполняют до расчета конденсатопроводов.

Средний расчетный расход пара на участке определяют по транзитному расходу G кон половины расхода пара, теряемого при попутной конденсации:

Gуч=G кон +0,5 G П.К. ,

Где G П.К – дополнительное количество пара в начале участка, определяемое по формуле

G П.К =Q тр /r;

r - удельная теплота парообразования (конденсации) при давле­нии пара в конце участка; Q тр - теплопередача через стенку трубы на участке; когда уже известен диа­метр труб; ориентировочно принимают по следующим зависимо­стям: при D у =15-20 мм Q тр = 0,116Q кон; при D у =25-50 мм Q тр =0,035Q кон; при D у >50мм О тр =0,023Q кон (Q кон - количество теплоты, которое требуется доставить в прибор или в конец участ­ка паропровода).

Гидравлический расчет выполняют по способу приве­денных длин, который применяется в том случае, когда линейные потери давления являются основными (около 80%), а потери давления в местных сопротивлениях сравни­тельно малы. Исходная формула для определения потерь давления на каждом участке

При расчете линейных потерь давления в паропроводах используют табл. II.6 из Справочника проектировщика составленную для труб с эквивалентной шероховатостью внутренней поверхности k э =0,2 мм, по которым перемеща­ется пар, имеющий условно постоянную плотность 1 кг/м 3 [избыточное давление такого пара 0,076 МПа, температура 116, 2 0 С, кинематическая вязкость 21*10 -6 м 2 /с]. В табли­цу внесены расход G, кг/ч, и скорость движения ω, м/с, пара. Для подбора диаметра труб по таблице вычисляют среднее условное значение удельной линейной потери дав­ления

где ρ ср - средняя плотность пара, кг/м 3 , при среднем его давлении в системе

0.5 (Рп+Р ПР); ∆р пар – потери давления в паропроводе от теплового пункта до наиболее удаленного (концевого) отопительного прибора; р ПР – необходимое давление перед вентилем концевого прибора, принимаемое равным 2000 Па при отсутствии конденсатоотводчика за прибором и 3500 Па при использовании термостатического конденсатоотводчика.

По вспомогательной таблице получают в зависимости от среднего расчетного расхода пара условные значения удельной линейной потери давления R усл и скорости движения пара ω усл. Переход от условных значений к действительным, соответствующим параметрам пара на каждом участке, делают по формулам

где рср.уч - действительное среднее значение плотности пара на участке, кг/м 3 ; определяемое по его среднему давлению на том же участке.

Действительная скорость пара не должна превышать 80 м/с (30 м/с в системе повышенного давления) при движе­нии пара и попутного конденсата в одном и том же направ­лении и 60 м/с (20 м/с в системе повышенного давления) при встречном их движении.

Итак, гидравлический расчет проводится с усреднением значений плотности пара на каждом участке, а не в целом для системы, как это делается при гидравлических расчетах систем водяного отопления и парового отопления низкого давления.

Потери давления в местных сопротивлениях, составляю­щие всего около 20% общих потерь, определяют через эк­вивалентные им потери давления по длине труб. Эквива­лентную местным сопротивлениям, дополнительную длину трубы находят по

Значения d В /λ приведены в табл. 11.7 в Справочнике проектировщика. Видно, что эти значения должны возра­стать с увеличением диаметра труб. Действительно, если для трубы D у 15 d В /λ =0,33 м, то для трубы D у 50 они со­ставляют 1,85 м. Эти цифры показывают длину трубы, при которой потеря давления на трение равна потере в местном сопротивлении с коэффициентом ξ=1,0.

Общие потери давления ∆р уч на каждом участке паро­провода с учетом эквивалентной длины определяют по фор­муле (9.20)

где l прив =l+l экв - расчетная приведенная длина участка, м, включающая фактическую и эквивалентную местным сопротивле­ниям длины участка.

Для преодоления сопротивлений, не учтенных при рас­чете по основным направлениям, принимают запас не менее 10% расчетного перепада давлений. При увязке потерь давления в параллельно соединенных участках допустима, как и при расчете паропроводов низкого давления, невязка до 15%.

А. А. Филоненко , директор ЧТСУП «Стим-систем»

Цикл статей ориентирован на техническую поддержку специалистов, связанных с проектированием и эксплуатацией паросилового хозяйства. Первые две публикации посвящены основным понятиям, связанным с широко применяемым на предприятиях и в энергетике водяным паром, его свойствам и их влиянию на работу паровых систем («ЭиМ» № 3) и вопросам отведения конденсата из паровых спутников (ЭиМ № 4–5).

Системы распределения пара соединяют котлы со всевозможным паропотребляющим оборудованием предприятия.

Основными компонентами этих систем являются паровые коллекторы котлов, главные паропроводы, распределительные коллекторы и трубопроводы разводки пара. Каждый из них выполняет определённые функции, присущие этой системе, и совместно с сепараторами и конденсатоотводчиками способствуют эффективному использованию пара.

Колена-отстойники

Общим требованием для всех систем распределения пара является необходимость устройства через различные интервалы по длине паропровода колен отстойников (рис. 1). Они предназначены для:

1. стекания конденсата самотёком из пара, движущегося с высокой скоростью;
2. накапливания конденсата до тех пор, пока перепад давления не протолкнёт его через конденсатоотводчик.

Для того чтобы конденсат улавливался коленомотстойником, нужно правильно подобрать его размер. Слишком малый диаметр колена-отстойника может вызвать эффект инжекции, когда падение давления из-за высокой скорости пара вытягивает в паропровод конденсат из конденсатоотводчика.

На рис. 1 показаны принцип работы колена-отстойника и его стандартная схема, в табл. 1 — рекомендуемые размеры колен-отстойников для паропроводов.

Рис. 1 . Колено-отстойник (а — принцип работы; б — схема для выбора размера колена-отстойника по табл. 1)

Диаметр паропровода D, мм	Диаметр колена-отстойника D1, мм	Минимальная длина колена-отстойника L, мм
		Разогрев под наблюдением	Автоматический разогрев *
15	15	250	710
20	20	250	710
25	25	250	710
50	50	250	710
80	80	250	710
100	100	250	710
150	100	250	710
200	100	300	710
250	150	380	710
300	150	460	710
350	200	535	710
400	200	610	710
450	250	685	710
500	250	760	760
600	300	915	915

* Под автоматическим разогревом следует понимать разогрев паропровода, при котором дренаж конденсата происходит через конденсатоотводчики в линию возврата конденсата, а не через спускные штуцера в атмосферу. При этом также необходимо наблюдение за процессом разогрева паропровода

Если пар подаётся в среднюю точку коллектора или коллектор не имеет уклона, то рекомендуется устраивать колена-отстойники по обе стороны коллектора с конденсатоотводчиками, имеющими суммарную пропускную способность, равную рассчитанной. При диаметре коллектора до 100 мм диаметр коленаотстойника D1 должен быть равен диаметру коллектора. При диаметре коллектора более 100 мм диаметр колена-отстойника D1 должен быть равен половине диаметра коллектора, но не менее 100 мм.

Пуск паровых сетей состоит из следующих операций:

• прогрева и продувки паропроводов;
• заполнения и промывки конденсатопроводов;
• подключения потребителей.

Перед началом прогрева все задвижки на ответвлениях от прогреваемого участка плотно закрываются. Вначале прогревается магистраль, а затем поочередно ответвления от неё. Небольшие малоразветвлённые паропроводы можно прогревать одновременно по всей сети.

При возникновении гидравлических ударов подача пара немедленно сокращается, а при частых и сильных ударах — прекращается полностью впредь до полного удаления из прогреваемого участка паропровода скопившегося в нём конденсата.

Паровые коллекторы

Главный коллектор котельной — это особый вид паропровода, который может принимать пар от одного или более котлов. Чаще всего он представляет собой горизонтальную трубу большого диаметра, которая заполняется паром сверху и в свою очередь питает паром главные паропроводы. Особенно важен тщательный дренаж коллектора, чтобы любой вынос котловой воды и твёрдых частиц удалялся до распределения пара по системе. Конденсатоотводчики, предназначенные для коллектора, должны обладать способностью выводить крупные порции выносимых паром скоплений сразу же после их образования. При выборе конденсатоотводчиков нужно принимать во внимание также степень их устойчивости к гидравлическим ударам.

Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса для коллекторов котла (только для насыщенного пара)

Требуемую пропускную способность конденсатоотводчиков, устанавливаемых на коллекторах котлов, практически всегда определяют как величину ожидаемого выноса котловой воды (10 % от присоединённой к коллектору нагрузки), умноженную на коэффициент запаса 1,5.

Например, к коллектору присоединены два котла общей паропроизводительностью 20 000 кг/ч. Тогда на коллектор необходимо установить конденсатоотводчик с пропускной способностью 20 000 . 10 % . 1,5 = 3000 кг/ч.

Наиболее подходящими для этих условий являются конденсатоотводчики с опрокинутым поплавком, которые способны немедленно срабатывать при залповых поступлениях конденсата, устойчивы к гидроударам, справляются с загрязнениями, сохраняют экономичность при очень малых нагрузках.

Установка конденсатоотводчиков

Если поток пара через коллектор идёт только в одном направлении, то достаточно установить один конденсатоотводчик вблизи выхода. При питании паром через среднюю точку (рис. 2) или при схожей организации двухстороннего потока пара конденсатоотводчики должны устанавливаться на каждом конце коллектора.

Рис. 2 . Коллектор котла разнонаправленными потоками пара (для коллектора с DN < 100 мм, DN колена-отстойника такой же, как у коллектора; для коллектора с DN > 100 мм, DN колена-отстойника должен быть равен 0,5DN коллектора, но не менее 100 мм)

Главные паропроводы

Чтобы обеспечить нормальную работу оборудования, питаемого по этим паропроводам, в них не должно быть ни воздуха, ни конденсата. Неполный отвод конденсата из главных паропроводов часто приводит к гидроударам и образованию пролетающих скоплений конденсата, которые могут повредить трубопроводную арматуру и другое оборудование.

Кроме того, из-за наличия конденсата в паропроводе уменьшается сухость пара, что приводит к его перерасходу.

В процессе охлаждения конденсат, находящийся в паропроводе, активно поглощает углекислый газ, превращаясь в угольную кислоту, которая приводит к ускоренной коррозии трубопроводов, арматуры и теплообменных аппаратов.

Есть два общепринятых способа разогрева главных паропроводов — контролируемый и автоматический.

Контролируемый разогрев широко применяется для первичного нагрева паропроводов большого диаметра и (или) большой протяжённости. Этот способ заключается в том, что спускные клапаны полностью открывают для свободной продувки в атмосферу до тех пор, пока в паропровод не начнёт поступать пар. Клапаны не закрывают до тех пор, пока весь конденсат (или большая его часть), образующийся при разогреве, не будет удалён. После выхода на рабочий режим удаление конденсата берут на себя конденсатоотводчики. При автоматическом режиме котёл разогревается таким образом, что паропроводы и всё оборудование или отдельные его виды постепенно набирают давление и температуру без помощи ручного управления или контроля в соответствии с заданным режимом разогрева.

Предостережение! Независимо от способа разогрева скорость подъёма температуры металла должна определяться регламентом пуска, чтобы минимизировать тепловые напряжения и предотвратить другие повреждения в системе.

Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса для главных паропроводов (только насыщенный пар)

Расход конденсата в изолированном или неизолированном трубопроводах при контролируемом или автоматическом методах прогрева может вычисляться по формуле:

где G K — количество конденсата, кг/ч ;

W T — вес трубы, кг/м (по табл. 2);

L 1 — полная длина паропровода, м ;

с — удельная теплоёмкость материала трубопровода (для стали — 0,12 ккал/(кг.°С) );

t 1 — начальная температура, °С ;

t 2 — конечная температура, °С ;

r — cкрытая теплота парообразования, ккал/кг (по таблице свойств пара );

h — время разогрева, мин .

Таблица 2 . Характеристики труб для расчета потерь в окружающую среду

Диаметр трубопровода, дюйм	Диаметр трубопровода, мм	Наружный диаметр, мм	Наружная поверхность, м 2 /м	Веc, кг/м
1/8	6	10,2	0,03	0,49
1/4	8	13,5	0,04	0,77
3/8	10	17,2	0,05	1,02
1/2	15	21,3	0,07	1,45
3/4	20	26,9	0,09	1,90
1	25	33,7	0,11	2,97
1,25	32	42,4	0,13	3,84
1,5	40	48,3	0,15	4,43
2	50	60,3	0,19	6,17
2,5	65	76,1	0,24	7,90
3	80	88,9	0,28	10,10
4	100	114,3	0,36	14,40
5	125	139,7	0,44	17,80
6	150	165,1	0,52	21,20
8	200	219,0	0,69	31,00
10	250	273,0	0,86	41,60
12	300	324,0	1,02	55,60
14	350	355,0	1,12	68,30
16	400	406,0	1,28	85,90
20	500	508,0	1,60	135,00

Для быстрого определения расхода конденсата во время разогрева главного паропровода можно использовать диаграмму на рис. 3. Найденную величину расхода следует умножить на 2 (рекомендуемый коэффициент запаса для всех конденсатоотводчиков, расположенных между котлом и концом паропровода). Для конденсатоотводчиков, установленных у конца паропровода или перед регулирующими и запорными клапанами, которые часть времени находятся в закрытом положении, следует принимать коэффициент запаса 3. Рекомендуется конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком, так как он может выводить загрязнения, залповые выбросы конденсата и противостоять гидравлическим ударам. Если даже он откажет, то обычно остаётся в открытом положении.

Рис. 3 . Диаграмма для определения количества конденсата, образующегося в трубе длиной 20 м при её нагреве от 0 °С до температуры насыщения пара

Расход конденсата при нормальной эксплуатации паропровода (после разогрева) определяется по табл. 3.

Таблица 3 . Скорость образования конденсата в паропроводах при нормальной эксплуатации, кг/час/м 2

Установка

Независимо от способа разогрева колена-отстойники и конденсатоотводчики нужно устанавливать в самых низких точках и в местах естественного дренажа, например:

• перед восходящими стояками;
• в конце главных паропроводов;
• перед компенсаторами и коленами;
• перед регулирующими клапанами и регуляторами.

На рис. 4, 5 и 6 показаны примеры организации дренажей главных паропроводов.

Отводы от главных паропроводов

Отводы от главных паропроводов — это ответвления главного паропровода, подводящие пар к паропотребляющему оборудованию. Система этих трубопроводов должна быть спроектирована и обвязана так, чтобы предотвратить скопление конденсата в любой её точке.

Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса

Расход конденсата определяется по такой же формуле, что и для главных паропроводов. Рекомендуемый коэффициент запаса для отводов главных паропроводов — 2.

Установка

На рис. 7, 8 и 9 показаны соответственно рекомендуемые схемы обвязки отвода от главного паропровода до управляющего клапана при его длине до 3 м, более 3 м и в случае, когда управляющий клапан расположен ниже уровня главного паропровода.

Перед каждым регулирующим клапаном, а также перед регулятором давления, если он имеется, следует установить полнопроходной фильтр-грязевик. На фильтре надо установить продувочный клапан, а также конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком. Через несколько дней после пуска системы проверьте сетку фильтра, чтобы решить, нужна ли в этом месте очистка от загрязнений.

Рис. 7 . Обвязка отвода длиной менее 3 м. Если имеется обратный уклон в сторону коллектора питания не менее 50 мм на 1 м, то установка конденсатоотводчика не обязательна	Рис. 8 . Обвязка отвода длиной более 3 м. Перед управляющим клапаном нужно установить колено-отстойник и конденсатоотводчик. Отстойником может служить фильтр, если его продувочную трубку замкнуть на конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком. Конденсатоотводчик должен быть снабжён встроенным обратным клапаном	Рис. 9 . Независимо от длины отвода колено-отстойник и конденсатоотводчик следует устанавливать перед управляющим клапаном, расположенным ниже питающего паропровода. Если змеевик (потребитель) находится выше управляющего клапана, то конденсатоотводчик следует установить также и со стороны выхода управляющего клапана

Сепараторы

Сепараторы пара предназначены для выпуска всего конденсата, который образуется в распределительных системах. Чаще всего они применяются перед оборудованием, для которого повышенная сухость пара имеет большое значение. Принято считать полезным их установку на паропроводах вторичного пара.

Рис. 10 . Дренаж сепаратора. Для полного и быстрого стекания конденсата в конденсатоотводчик нужны полнопроходные колено-отстойник и грязевик

Отвод конденсата из паропроводов перегретого пара

Казалось бы, что если в паропроводах перегретого пара конденсат не образуется, то его там нет. Это действительно так, но только в случае, когда температура и давление в паропроводе вышли на рабочие параметры. До этого момента конденсат необходимо удалять.

Свойства и особенности применения перегретого пара

Удельная теплоёмкость вещества — это количество теплоты, требуемое для увеличения температуры 1 кг на 1 °С. Удельная теплоёмкость воды равна 1 ккал.°С, но удельная теплоёмкость перегретого пара зависит от его температуры и давления. Она уменьшается при увеличении температуры и повышается при повышении давления.

Обычно перегретый пар производится в дополнительных секциях трубок, установленных внутри котла, или в зоне выхода дымовых газов, чтобы использовать «теряемую» теплоту котла, а также в пароперегревателе, который устанавливается после котла и соединяется с паропроводом. Принципиальная схема котла с пароперегревателем представлена на рис. 11.

Рис. 11 . Схема энергетической установки с пароперегревателем

Перегретый пар обладает свойствами, которые делают его неудобным теплоносителем для процесса теплообмена и в то же время идеальным для выполнения механической работы и переноса массы, то есть для транспортирования. В отличие от насыщенного пара давление и температура перегретого пара не связаны между собой. Когда перегретый пар производят при таком же давлении, что и насыщенный, его температура и удельный объём увеличиваются.

В котлах с высокой производительностью и относительно малыми барабанами отделение пара от воды является чрезвычайно трудным процессом. Сочетание небольшого количества воды в барабанах и быстрых изменений расхода пара вызывает резкое уменьшение объёма и образование пузырей пара, что приводит к выносу котловой воды. Её можно отвести при помощи сепараторов с конденсатоотводчиками на выходах пара из парогенератора, но это не даёт 100-процентного результата. Поэтому там, где необходим сухой пар, в топке устанавливают дополнительные конвективные пучки трубок. Чтобы испарить вынос воды, к пару добавляется некоторое количество теплоты, создающей небольшой перегрев, гарантирующий получение абсолютно сухого пара.

Так как перегретый пар, возвращаясь в состояние насыщенного, отдаёт очень мало теплоты, он не является хорошим теплоносителем для процесса теплообмена. Однако для некоторых процессов, например, на электростанциях, сухой пар необходим для выполнения механической работы. Независимо от типа энергетической установки перегретый пар уменьшает количество конденсата при её запуске из холодного состояния. Перегрев также повышает производительность этих установок за счёт отсутствия конденсации на ступенях расширения. Сухой пар на выходе энергетической установки увеличивает срок службы лопаток турбины.

В отличие от насыщенного пара, теряя теплоту, перегретый пар не конденсируется, поэтому может транспортироваться по очень длинным паропроводам без существенных потерь теплосодержания на образование конденсата.

Почему нужен дренаж систем перегретого пара?

Основной причиной установки конденсатоотводчиков в системах перегретого пара является образование пусковых расходов конденсата. Они могут быть очень значительными из-за больших размеров главных паропроводов. Во время пуска, скорее всего, будут использоваться ручные спускные клапаны дренажей, так как имеется достаточно времени, чтобы их открыть и закрыть. Этот процесс называется контролируемым разогревом. Другой причиной установки конденсатоотводчиков являются неотложные ситуации, такие как потеря теплоты перегрева или отвод пара по байпасу, когда может потребоваться их срабатывание на насыщенном паре. При этих нештатных ситуациях нет времени на открытие клапанов вручную, поэтому необходимы конденсатоотводчики.

Определение расхода конденсата для конденсатоотводчиков паропроводов перегретого пара

Расход конденсата через конденсатоотводчик паропровода перегретого пара варьируется в широких пределах: от максимального при пуске до отсутствия расхода в рабочем режиме. Следовательно, это и есть те требования, которые должны предъявляться к конденсатоотводчикам любого типа.

Во время пуска очень большие паропроводы заполняются паром в холодном состоянии. На этом этапе в них будет находиться только насыщенный пар при низком давлении, пока температура паропровода не повысится. Её повышают постепенно, длительное время, чтобы не подвергать металл паропроводов резким напряжениям. Большой расход конденсата в сочетании с низким давлением — это начальные условия, требующие применения конденсатоотводчиков с большой пропускной способностью. Затем при эксплуатации паропроводов на перегретом паре требуется, чтобы эти конденсатоотводчики с завышенной пропускной способностью работали при очень высоком давлении и очень малых расходах.

Характерные пусковые расходы конденсата можно приблизительно рассчитать по формуле:

где W T — вес трубы, кг/м (по табл. 2);

r — скрытая теплота парообразования, ккал/кг ;

i — энтальпия перегретого пара при среднем давлении и температуре за рассматриваемый период разогрева, ккал/кг ;

i ” — энтальпия насыщенного пара при среднем давлении за рассматриваемый период разогрева, ккал/кг ;

0,12 — удельная теплоёмкость стальной трубы, ккал/(кг.°С) .

Пример

Исходные данные

Требуется разогреть паропровод диаметром 200 мм с температуры окружающего воздуха 21 °С до температуры 577 °С при среднем давлении за последний 2-часовой период 8,3 кг/см 2 изб. за 11 часов. Расстояние между дренажными узлами 60 м. Масса трубы по табл. 2 составляет 31 кг/м. Таким образом, масса трубы длиной 60 м составит 1860 кг.

Разогрев происходил по графику, указанному в табл. 4.

Таблица 4 . Режим разогрева паропроводов перегретого пара

Период времени, ч	Среднее давление, кг/см 2 изб.	Температура в конце временного периода,°С	Энтальпия насыщенного пара I " , ккал/кг	Скрытая теплота паро- образования r, ккал/кг	Энтальпия перегретого пара i, ккал/кг	Количество конденсата, кг/ч
С 0 до 2	0,46	121	643,1	532,1	652,6	42,7
С 2 до 4	0,97	221	646,3	526,4	695	46,7
С 4 до 6	4,9	321	658,3	498,9	741,7	53,7
С 6 до 8	8,3	421	662,7	484,2	790,5	62,6
С 8 до 11	8,3	577	662,7	484,2	868,1	124,9

Для первых двух часов разогрева:

Для вторых двух часов:

Аналогично рассчитываются расходы пара для других периодов времени.

Чтобы эффективно выводить конденсат из паропроводов перегретого пара, нужно при установке конденсатоотводчиков правильно выбирать размеры колен-отстойников, а также учитывать рекомендации по их обвязке.

Возникает вопрос, нужна ли теплоизоляция колен-отстойников, патрубков конденсатоотводчиков и самих конденсатоотводчиков? Ответ — нет. Если изоляция не является обязательным требованием безопасности, эту часть паровой системы не нужно изолировать. Тогда немного конденсата будет непрерывно формироваться перед конденсатоотводчиком и проходить через него, продлевая срок его службы.

Типы конденсатоотводчиков для перегретого пара

Биметаллические

Биметаллический конденсатоотводчик настроен так, чтобы не открываться, пока конденсат не охладится до температуры ниже температуры насыщения. При данном давлении конденсатоотводчик останется закрытым до тех пор, пока в нём находится пар любой температуры. Когда температура пара повышается, тянущая сила биметаллических пластин увеличивается, повышая усилие уплотнения клапана. Перегретый пар стремится ещё больше увеличить это усилие. Биметаллический конденсатоотводчик хорошо работает при больших пусковых нагрузках и по этой причине является хорошим выбором для перегретого пара.

Во время работы на перегретом паре конденсатоотводчик может открыться, если конденсат в нём охладится ниже температуры насыщения. Если диаметр и длина колена-отстойника перед конденсатоотводчиком не будут соответствующими, то конденсат может пойти обратно в паропровод, вызывая его повреждение, а также трубопроводной арматуры и другого оборудования.

С опрокинутым поплавком

Гидрозатвор в конденсатоотводчике препятствует доступу пара к выпускному клапану, предотвращая утечку пара и обеспечивая продолжительный срок службы конденсатоотводчика. Выпускной клапан в верхней части делает его непроницаемым для посторонних частиц, но позволяет выводить воздух. Он справляется с большими пусковыми расходами и может приспособиться к малым рабочим расходам. Имеющиеся затруднения, связанные с его использованием на перегретом паре, относятся к необходимости сохранять гидрозатвор или производить заправку водой. Для этого необходимо применять конденсатоотводчики, разработанные специально для систем перегретого пара, и следить за их правильной обвязкой.

Правильная обвязка конденсатоотводчика с опрокинутым поплавком для перегретого пара показана на рис. 6. Определяя пропускную способность конденсатоотводчика для перегретого пара, следует рассчитывать её на пусковой расход без применения коэффициента запаса. Материалы корпуса должны выбираться исходя из максимального давления и температуры, включая перегрев.

Литература

1. Вукалович М. П. Термодинамические свойства воды и водяного пара. — М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы «МАШГИЗ», 1955.
2. Филоненко А. А. Пар и пароконденсатное хозяйство предприятия. От теории ближе к практике // Энергия и Менеджмент. — № 3. — 2013. — С. 22–25.
3. Филоненко А. А. Пар и пароконденсатное хозяйство предприятия. От теории ближе к практике (продолжение) // Энергия и Менеджмент. — № 4–5. — 2013. — С. 66–68.

Формула расчета выглядит следующим образом:

где:
D - диаметр трубопровода, мм

Q - расход, м3/ч

v - допустимая скорость потока в м/с

Удельный объем насыщенного пара при давлении 10 бар равен 0,194 м3/кг, это означает, что объемный расход 1000 кг/ч насыщенного пара при 10 бар будет составлять 1000х0,194=194 м3/ч. Удельный объем перегретого пара при 10 бар и температуре 300°С равен 0,2579 м3/кг, а объемный расход при том же количестве пара уже будет составлять 258 м3/ч. Таким образом можно утверждать, что один и тот же трубопровод не подойдет для транспортировки и насыщенного, и перегретого пара.

Приведем несколько примеров расчетов трубопроводов для разных сред:

1. Среда - вода. Сделаем расчет при объемном расходе - 120 м3/ч и скорости потока v=2 м/с.
D= =146 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 150.

2. Среда - насыщенный пар. Сделаем расчет для следующих параметров: объемный расход - 2000 кг/ч, давление - 10 бар при скорости потока - 15 м/с. В соответствии с удельный объем насыщенного пара при давлении 10 бар равен 0,194 м3/ч.
D= = 96 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 100.

3. Среда - перегретый пар. Сделаем расчет для следующих параметров: объемный расход - 2000 кг/ч, давление - 10 бар при скорости потока 15 м/с. Удельный объем перегретого пара при заданном давлении и температуре, например, 250°С, равен 0,2326 м3/ч.
D= =105 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 125.

4. Среда - конденсат. В данном случае расчет диаметра трубопровода (конденсатопровода) имеет особенность, которую необходимо учитывать при расчетах, а именно: необходимо принимать во внимание долю пара от разгрузки. Конденсат, проходя через конденсатоотводчик, и попадая в конденсатопровод, разгружается (то есть конденсируется) в нем.
Доля пара от разгрузки определяется по следующей формуле:
Доля пара от разгрузки =, где

h1 - энтальпия конденсата перед конденсатоотводчиком;
h2 - энтальпия конденсата в конденсатной сети при соответствующем давлении;
r - теплота парообразования при соответствующем давлении в конденсатной сети.
По упрощенной формуле доля пара от разгрузки определяется, как разность температур до и после конденсатоотводчика х 0,2.

Формула расчета диаметра коденсатопровода будет выглядеть так:

D= , где
ДР - доля от разгрузки конденсата
Q - количество конденсата, кг/ч
v” - удельный объем, м3/кг
Проведем расчет конденсатопровода для следующих исходных значений: расход пара - 2000 кг/ч с давлением - 12 бар (энтальпия h’=798 кДж/кг), разгруженного до давления 6 бар (энтальпия h’=670 кДж/кг, удельный объем v”=0.316 м3/кг и теплота конденсирования r=2085 кДж/кг), скорость потока 10 м/с.

Доля пара от разгрузки = = 6,14 %
Количество разгруженного пара будет равно: 2000 х 0,0614=123 кг/ч или
123х0,316= 39 м3/ч

D= = 37 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 40.

ДОПУСТИМАЯ СКОРОСТЬ ПОТОКА

Показатель скорости потока - не менее важный показатель при расчете трубопроводов. При определении скорости потока необходимо учитывать следующие факторы:

Потери давления. При высокой скорости потока можно выбрать меньший диаметр трубопроводов, однако при этом происходит значительная потеря давления.

Стоимость трубопроводов. Низкая скорость потока приведет к выбору большего диаметра трубопроводов.

Шум. Высокая скорость потока сопровождается увеличенным шумовым эффектом.

Износ. Высокая скорость потока (особенно в случае конденсата) приводит к эрозии трубопроводов.

Как правило, основной причиной возникновения проблем с отведением конденсата является именно заниженный диаметр трубопроводов и неверный подбор конденсатоотводчиков.

После конденсатоотводчика частички конденсата, двигаясь по трубопроводу со скоростью пара от разгрузки, достигают поворота, ударяются о стенку поворотного отвода, и скапливаются в месте поворота. После этого с высокой скоростью выталкиваются вдоль трубопроводов, приводя к их эрозии. Опыт показывает, что 75% протечек в конденсатопроводах происходит в трубных коленах.

Чтобы снизить вероятное возникновение эрозии и ее негативное воздействие, необходимо для систем с поплавковыми конденсатоотводчиками для расчета принимать скорость потока около 10 м/с, а для систем с другими типами конденсатоотводчиков - 6 -8 м/с. При расчетах конденсатопроводов, в которых отсутствует пар от разгрузки, очень важно делать расчеты, как для водопроводов со скоростью потока 1,5 - 2 м/с, а в остальных учитывать долю пара от разгрузки.

В таблице ниже приведены нормы скорости потока для некоторых сред:

Среда	Параметры	Скорость потока м/с
Пар	до 3 бар	10-15
	3 -10 бар	15-20
	10 - 40 бар	20-40
Конденсат	Трубопровод, заполненный конденсатом
	Конденсато -паровая смесь	6-10
Питательная вода	Линия всасывания	0,5-1
	Трубопровод подачи

Потери энергии при движении жидкости по трубам определяются ре­жимом движения и характером внутренней поверхности труб. Свойства жидкости или газа учитываются в расчете с помощью их параметров: плотности р и кинематической вязкости v. Сами же формулы, использу­емые для определения гидравлических потерь, как для жидкости, так и для пара являются одинаковыми.

Отличительная особенность гидравлического расчета паропровода заключается в необходимости учета при определении гидравлических потерь изменения плотности пара. При расчете газопроводов плотность газа определяют в зависимости от давления по уравнению состояния, написанному для идеальных газов, и лишь при высоких давлениях (больше примерно 1,5 МПа) вводят в уравнение поправочный коэффи­циент, учитывающий отклонение поведения реальных газов от поведе­ния идеальных газов.

При использовании законов идеальных газов для расчета трубопро­водов, по которым движется насыщенный пар, получаются значительные ошибки. Законы идеальных газов можно использовать лишь для сильно перегретого пара. При расчете паропроводов плотность пара определя­ют в зависимости от давления по таблицам. Так как давление пара в свою очередь зависит от гидравлических потерь, расчет паропроводов ведут методом последовательных приближений. Сначала задаются по­терями давления на участке, по среднему давлению определяют плот­ность пара и далее рассчитывают действительные потери давления. Ес­ли ошибка оказывается недопустимой, производят пересчет.

При расчете паровых сетей заданными являются расходы пара, его начальное давление и необходимое давление перед установками, ис­пользующими пар. Методику расчета паропроводов рассмотрим на при­мере.

ТАБЛИЦА 7.6. РАСЧЕТ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ДЛИН (Аэ=0,0005 м) № участка на рис. 7.4 Местные сопротивления Коэффициент мест­ного сопротивления С Эквивалентная дли­на 1э, м Задвижка Задвижка Сальниковые компенсаторы (4 шт.) Тройник при разделении по­токов (проход) Задвижка Сальниковые компенсаторы (3 шт.) Тройник при разделении по­токов (проход) Задвижка Сальниковые компенсаторы (3 шт.) Сальниковые компенсаторы (2 шт.) 0,5 0,3-2=0,бі Тройник при разделении по­токов (ответвление) Задвижка Сальниковые компенсаторы (2 шт) Тройник при разделении по­токов (ответвление) Задвижка Сальниковые компенсаторы (1 шт)

6,61 кг/м3.

(3 шт.)................................... *........................................................ 2,8-3 = 8,4

Тройник при разделении потока (проход) . . ._________________ 1__________

Значение эквивалентной длины при 2£ = 1 при k3 = 0,0002 м для трубы диамет­ром 325X8 мм по табл. 7.2 /э=17,6 м, следовательно, суммарная эквивалентная дли­на для участка 1-2: /э = 9,9-17,6= 174 м.

Приведенная длина участка 1-2: /пр і-2=500+174=674 м.

Источником тепла называется комплекс оборудования и устройств, с помощью которых осуществляется преобразование природных и искусственных видов энергии в тепловую энергию с требуемыми для потребителей параметрами. Потенциальные запасы основных природных видов …

В результате гидравлического расчета тепловой сети определяют диаметры всех участков теплопроводов, оборудования и запорно-регули - рующей арматуры, а также потери давления теплоносителя на всех эле­ментах сети. По полученным значениям потерь …

В системах теплоснабжения внутренняя коррозия трубопроводов и оборудования приводит к сокращению срока их службы, авариям и зашламлению воды продуктами коррозии, поэтому необходимо пре­дусматривать меры борьбы с ней. Сложнее обстоит дело …

Трубопроводы для транспортировки различных жидкостей являются неотъемлемой частью агрегатов и установок, в которых осуществляются рабочие процессы, относящиеся к различным областям применения. При выборе труб и конфигурации трубопровода большое значение имеет стоимость как самих труб, так и трубопроводной арматуры. Конечная стоимость перекачки среды по трубопроводу во многом определяется размерами труб (диаметр и длина). Расчет этих величин осуществляется с помощью специально разработанных формул, специфичных для определенных видов эксплуатации.

Труба - это полый цилиндр из металла, дерева или другого материала, применяемый для транспортировки жидких, газообразных и сыпучих сред. В качестве перемещаемой среды может выступать вода, природный газ, пар, нефтепродукты и т.д. Трубы используются повсеместно, начиная с различных отраслей промышленности и заканчивая бытовым применением.

Для изготовления труб могут использоваться самые разные материалы, такие как сталь, чугун, медь, цемент, пластик, такой как АБС-пластик, поливинилхлорид, хлорированный поливинилхлорид, полибутелен, полиэтилен и пр.

Основными размерными показателями трубы являются ее диаметр (наружный, внутренний и т.д.) и толщина стенки, которые измеряются в миллиметрах или дюймах. Также используется такая величина как условный диаметр или условный проход - номинальная величина внутреннего диаметра трубы, также измеряемая в миллиметрах (обозначается Ду) или дюймах (обозначается DN). Величины условных диаметров стандартизированы и являются основным критерием при подборе труб и соединительной арматуры.

Соответствие значений условного прохода в мм и дюймах:

Трубе с круглым поперечным сечением отдают предпочтение перед другими геометрическими сечениями по ряду причин:

• Круг обладает минимальным соотношением периметра к площади, а применимо к трубе это означает, что при равной пропускной способности расход материала у труб круглой формы будет минимальным в сравнении с трубами другой формы. Отсюда же следует и минимально возможные затраты на изоляцию и защитное покрытие;
• Круглое поперечное сечение наиболее выгодно для перемещения жидкой или газовой среды с гидродинамической точки зрения. Также за счет минимально возможной внутренней площади трубы на единицу ее длины достигается минимизация трения между перемещаемой средой и трубой.
• Круглая форма наиболее устойчива к воздействию внутренних и внешних давлений;
• Процесс изготовления труб круглой формы достаточно прост и легкоосуществим.

Трубы могут сильно отличаться по диаметру и конфигурации в зависимости от назначения и области применения. Так магистральные трубопроводы для перемещения воды или нефтепродуктов способны достигать почти полуметра в диаметре при достаточно простой конфигурации, а нагревательные змеевики, также представляющие собой трубу, при малом диаметре имеют сложную форму с множеством поворотов.

Невозможно представить какую-либо отрасль промышленности без сети трубопроводов. Расчет любой такой сети включает подбор материала труб, составление спецификации, где перечислены данные о толщине, размере труб, маршруте и т.д. Сырье, промежуточный продукт и/или готовый продукт проходят производственные стадии, перемещаясь между различными аппаратами и установками, которые соединяются при помощи трубопроводов и фитингов. Правильный расчет, подбор и монтаж системы трубопроводов необходим для надежного осуществления всего процесса, обеспечения безопасной перекачки сред, а также для герметизации системы и недопущения утечек перекачиваемого вещества в атмосферу.

Не существует единой формулы и правил, которые могли бы быть использованы для подбора трубопровода для любого возможного применения и рабочей среды. В каждой отдельной области применения трубопроводов присутствует ряд факторов, требующих учета и способных оказать значительное влияние на предъявляемые к трубопроводу требования. Так, например, при работе со шламом, трубопровод большого размера не только увеличит стоимость установки, но также создаст рабочие трудности.

Обычно трубы подбирают после оптимизации расходов на материал и эксплуатационных расходов. Чем больше диаметр трубопровода, то есть выше изначальное инвестирование, тем ниже будет перепад давления и соответственно меньше эксплуатационные расходы. И наоборот, малые размеры трубопровода позволят уменьшить первичные затраты на сами трубы и трубную арматуру, но возрастание скорости повлечет за собой увеличение потерь, что приведет к необходимости затрачивать дополнительную энергию на перекачку среды. Нормы по скорости, фиксированные для различных областей применения, базируются на оптимальных расчетных условиях. Размер трубопроводов рассчитывают, используя эти нормы с учетом областей применения.

Проектирование трубопроводов

При проектировании трубопроводов за основу берутся следующие основные конструктивные параметры:

• требуемая производительность;
• место входа и место выхода трубопровода;
• состав среды, включая вязкость и удельный вес;
• топографические условия маршрута трубопровода;
• максимально допустимое рабочее давление;
• гидравлический расчет;
• диаметр трубопровода, толщина стенок, предел текучести материала стенок при растяжении;
• количество насосных станций, расстояние между ними и потребляемая мощность.

Надежность трубопроводов

Надежность в конструировании трубопроводов обеспечивается соблюдением надлежащих норм проектирования. Также обучение персонала является ключевым фактором обеспечения длительного срока службы трубопровода и его герметичности и надежности. Постоянный или периодический контроль работы трубопровода может быть осуществлен системами контроля, учёта, управления, регулирования и автоматизации, персональными приборами контроля на производстве, предохранительными устройствами.

Дополнительное покрытие трубопровода

Коррозионно-стойкое покрытие наносят на наружную часть большинства труб для предотвращения разрушающего действия коррозии со стороны внешней среды. В случае перекачивая коррозионных сред, защитное покрытие может быть нанесено и на внутреннюю поверхность труб. Перед вводом в эксплуатацию все новые трубы, предназначенные для транспортировки опасных жидкостей, проходят проверку на дефекты и протечки.

Основные положения для расчета потока в трубопроводе

Характер течения среды в трубопроводе и при обтекании препятствий способен сильно отличаться от жидкости к жидкости. Одним из важных показателей является вязкость среды, характеризуемая таким параметром как коэффициент вязкости. Ирландский инженер-физик Осборн Рейнольдс провел серию опытов в 1880г, по результатам которых ему удалось вывести безразмерную величину, характеризующую характер потока вязкой жидкости, названную критерием Рейнольдса и обозначаемую Re.

Re = (v·L·ρ)/μ

где:
ρ — плотность жидкости;
v — скорость потока;
L — характерная длина элемента потока;
μ - динамический коэффициент вязкости.

То есть критерий Рейнольдса характеризует отношение сил инерции к силам вязкого трения в потоке жидкости. Изменение значения этого критерия отображает изменение соотношения этих типов сил, что, в свою очередь, влияет на характер потока жидкости. В связи с этим принято выделять три режима потока в зависимости от значения критерия Рейнольдса. При Re<2300 наблюдается так называемый ламинарный поток, при котором жидкость движется тонкими слоями, почти не смешивающимися друг с другом, при этом наблюдается постепенное увеличение скорости потока по направлению от стенок трубы к ее центру. Дальнейшее увеличение числа Рейнольдса приводит к дестабилизации такой структуры потока, и значениям 23004000 наблюдается уже устойчивый режим, характеризуемый беспорядочным изменением скорости и направления потока в каждой отдельной его точке, что в сумме дает выравнивание скоростей потока по всему объему. Такой режим называется турбулентным. Число Рейнольдса зависит от задаваемого насосом напора, вязкости среды при рабочей температуре, а также размерами и формой сечения трубы, через которую проходит поток.

Профиль скоростей в потоке
ламинарный режим	переходный режим	турбулентный режим
Характер течения
ламинарный режим	переходный режим	турбулентный режим

Критерий Рейнольдса является критерием подобия для течения вязкой жидкости. То есть с его помощью возможно моделирование реального процесса в уменьшенном размере, удобном для изучения. Это крайне важно, поскольку зачастую бывает крайне сложно, а иногда и вовсе невозможно изучать характер потоков жидкости в реальных аппаратах из-за их большого размера.

Расчет трубопровода. Расчет диаметра трубопровода

Если трубопровод не теплоизолированный, то есть возможен обмен тепла между перемещаемой и окружающей средой, то характер потока в нем может изменяться даже при постоянной скорости (расходе). Такое возможно, если на входе перекачиваемая среда имеет достаточно высокую температуру и течет в турбулентном режиме. По длине трубы температура перемещаемой среды будет падать вследствие тепловых потерь в окружающую среду, что может повлечь за собой смену режима потока на ламинарный или переходный. Температура, при которой происходит смена режима, называется критической температурой. Значение вязкости жидкости напрямую зависит от температуры, поэтому для подобных случаев используют такой параметр как критическая вязкость, соответствующая точке смены режима потока при критическом значении критерия Рейнольдса:

v кр = (v·D)/Re кр = (4·Q)/(π·D·Re кр)

где:
ν кр - критическая кинематическая вязкость;
Re кр - критическое значение критерия Рейнольдса;
D - диаметр трубы;
v - скорость потока;
Q - расход.

Еще одним важным фактором является трение, возникающее между стенками трубы и движущимся потоком. При этом коэффициент трения во многом зависит от шероховатости стенок трубы. Взаимосвязь между коэффициентом трения, критерием Рейнольдса и шероховатостью устанавливается диаграммой Муди, позволяющей определить один из параметров, зная два других.

Формула Коулбрука-Уайта также применяется для вычисления коэффициента трения турбулентного потока. На основании этой формулы возможно построение графиков, по которым устанавливается коэффициент трения.

(√λ ) -1 = -2·log(2,51/(Re·√λ ) + k/(3,71·d))

где:
k - коэффициент шероховатости трубы;
λ - коэффициент трения.

Существуют также и другие формулы приблизительного расчета потерь на трение при напорном течении жидкости в трубах. Одним из наиболее часто используемых уравнений в этом случае считается уравнение Дарси-Вейсбаха. Оно основывается на эмпирических данных и используется в основном при моделировании систем. Потери на трение - это функция скорости жидкости и сопротивления трубы движению жидкости, выражаемой через значение шероховатости стенок трубопровода.

∆H = λ · L/d · v²/(2·g)

где:
ΔH - потери напора;
λ - коэффициент трения;
L - длина участка трубы;
d - диаметр трубы;
v - скорость потока;
g - ускорение свободного падения.

Потеря давления вследствие трения для воды рассчитывают по формуле Хазена — Вильямса.

∆H = 11,23 · L · 1/С 1,85 · Q 1,85 /D 4,87

где:
ΔH - потери напора;
L - длина участка трубы;
С - коэффициент шероховатости Хайзена-Вильямса;
Q - расход;
D - диаметр трубы.

Давление

Рабочее давление трубопровода - это набольшее избыточное давление, обеспечивающее заданный режим работы трубопровода. Решение о размере трубопровода и количестве насосных станций обычно принимается, опираясь на рабочее давление труб, производительность насоса и расходы. Максимальное и минимальное давление трубопровода, а также свойства рабочей среды, определяют расстояние между насосными станциями и требуемую мощность.

Номинальное давление PN - номинальная величина, соответствующая максимальному давлению рабочей среды при 20 °C, при котором возможна продолжительная эксплуатация трубопровода с заданными размерами.

При увеличении температуры нагрузочная способность трубы понижается, как и допустимое избыточное давление вследствие этого. Значение pe,zul показывает максимальное давление (изб) в трубопроводной системе при увеличении рабочей температуры.

График допустимых избыточных давлений:

Расчет падения давления в трубопроводе

Расчет падения давления в трубопроводе производят по формуле:

∆p = λ · L/d · ρ/2 · v²

где:
Δp - перепад давления на участке трубы;
L - длина участка трубы;
λ - коэффициент трения;
d - диаметр трубы;
ρ - плотность перекачиваемой среды;
v - скорость потока.

Транспортируемые рабочие среды

Чаще всего трубы используют для транспортировки воды, но также их могут применять для перемещения шлама, суспензий, пара и т.д. В нефтяной отрасли трубопроводы служат для перекачивания широкого спектра углеводородов и их смесей, сильно отличающихся по химическим и физическим свойствам. Сырая нефть может транспортироваться на больше расстояния от месторождений на суше или нефтяных вышек на шельфе до терминалов, промежуточных точек и НПЗ.

По трубопроводам также передают:

• продукты нефтепереработки, такие как бензин, авиационное топливо, керосин, дизельное топливо, мазут и др.;
• нефтехимическое сырье: бензол, стирол, пропилен и т.д.;
• ароматические углеводороды: ксилол, толуол, кумол и т.д.;
• сжиженное нефтяное топливо, такое как сжиженный природный газ, сжиженный нефтяной газ, пропан (газы со стандартной температурой и давлением, но подвергнутые сжижению с применением давления);
• углекислый газ, жидкий аммиак (транспортируются как жидкости под действием давления);
• битум и вязкое топливо слишком вязкое для транспортировки по трубопроводам, поэтому используются дистиллятные фракции нефти для разжижения этого сырья и получения в результате смеси, которую можно транспортировать посредством трубопровода;
• водород (на небольшие расстояния).

Качество транспортируемой среды

Физические свойства и параметры транспортируемых сред во многом определяют проектные и рабочие параметры трубопровода. Удельный вес, сжимаемость, температура, вязкость, точка застывания и давление паров - основные параметры рабочей среды, которые необходимо учитывать.

Удельный вес жидкости - это ее вес на единицу объема. Многие газы транспортируются по трубопроводам под повышенным давлением, а при достижении определенного давления некоторые газы даже могут подвергаться сжижению. Поэтому степень сжатия среды является критичным параметром для проектирования трубопроводов и определения пропускной производительности.

Температура косвенно и напрямую оказывает влияние на производительность трубопровода. Это выражается в том, что жидкость увеличивается в объеме после увеличения температуры, при условии, что давление остается постоянным. Понижение температуры может также оказать влияние как на производительность так и на общий КПД системы. Обычно, когда температура жидкости понижается, это сопровождается увеличением ее вязкости, что создает дополнительное сопротивление трения по внутренней стенке трубы, требуя больше энергии для перекачивания одинакового количетсва жидкости. Очень вязкие среды чувствительны к перепадам рабочих температур. Вязкость представляет собой сопротивляемость среды течению и измеряется в сантистоксах сСт. Вязкость определяет не только выбор насоса, но также расстояние между насосными станциями.

Как только температура среды опускается ниже точки потери текучести, эксплуатация трубопровода становится невозможной, и для возобновления его функционирования предпринимаются некоторые опции:

• нагревание среды или теплоизоляция труб для поддержания рабочей температуры среды выше ее точки текучести;
• изменение химического состава среды перед попаданием в трубопровод;
• разбавление перемещаемой среды водой.

Типы магистральных труб

Магистральные трубы изготавливают сварными или бесшовными. Бесшовные стальные трубы изготавливают без продольных сварных швов стальными отрезками с тепловой обработкой для достижения желаемого размера и свойств. Сварная труба изготавливается при использовании нескольких производственных процессов. Эти два типа отличаются друг от друга количеством продольных швов в трубе и типом используемого сварочного оборудования. Стальная сварная труба - наиболее часто используемый тип в нефтехимической области применения.

Каждый отрезок труб соединяют сварными секциями вместе для формирования трубопровода. Также в магистральных трубопроводах в зависимости от области применения используют трубы, изготовленные из стекловолокна, разнообразного пластика, асбоцемента и т.д.

Для соединения прямых участков труб, а также для перехода между отрезками трубопровода разного диаметра используются специально изготовленные соединительные элементы (колена, отводы, затворы).

колено 90°	отвод 90°	переходное ответвление	разветвление
колено 180°	отвод 30°	переходной штуцер	наконечник

Для монтажа отдельных частей трубопроводов и фитингов используются специальные соединения.

сварное	фланцевое	резьбовое	муфтовое

Температурное удлинение трубопровода

Когда трубопровод находится под давлением, вся его внутренняя поверхность подвергается воздействию равномерно распределённой нагрузки, отчего возникают продольные внутренние усилия в трубе и дополнительные нагрузки на концевые опоры. Температурные колебания также оказывают воздействие на трубопровод, вызывая изменения в размерах труб. Усилия в закрепленном трубопроводе при колебаниях температур могут привысить допустимое значение и привести к избыточному напряжению, опасному для прочности трубопровода как в материале труб, так и во фланцевых соединениях. Колебание температуры перекачиваемой среды также создает температурное напряжение в трубопроводе, которое может передаться на арматуру, насосную станцию и пр. Это может повлечь за собой разгерметизацию стыков трубопроводов, выход из строя арматуры или дргуих элементов.

Расчет размеров трубопровода при изменении температуры

Расчет изменения линейных размеров трубопровода при изменении температуры производят по формуле:

∆L = a·L·∆t

a - коэффициент температурного удлинения, мм/(м°C) (см. таблицу ниже);
L - длина трубопровода (расстояние между неподвижными опорами), м;
Δt - разница между макс. и мин. температурой перекачиваемой среды, °С.

Таблица линейного расширения труб из различных материалов

Приведенные числа представляют собой средние показатели для перечисленных материалов и для расчета трубопровода из иных материалов данные из этой таблицы не должны браться за основу. При расчете трубопровода рекомендуется использовать коэффициент линейного удлинения, указываемый заводом-изготовителем трубы в сопровождающей технической спецификации или техпаспорте.

Температурное удлинение трубопроводов устраняют как применением специальных компенсационных участков трубопровода, так и при помощи компенсаторов, которые могут состоять из упругих или подвижных частей.

Компенсационные участки состоят из упругих прямых частей трубопровода, расположенных перпендикулярно друг к другу и крепящихся при помощи отводов. При температурном удлинении увеличение одной части компенсируется деформацией изгиба другой части на плоскости или деформацией изгиба и кручения в пространстве. Если трубопровод сам компенсирует температурное расширение, то это называется самокомпенсацией.

Компенсация происходит также и благодаря эластичным отводам. Часть удлинения компенсируется эластичностью отводов, другую часть устраняют за счет упругих свойств материала участка, находящегося за отводом. Компенсаторы устанавливают там, где не возможно использование компенсирующих участков или когда самокомпенсация трубопровода недостаточна.

По конструктивному исполнению и принципу работы компенсаторы бывают четырех видов: П-образные, линзовые, волнистые, сальниковые. На практике довольно часто применяются плоские компенсаторы с L-, Z- или U-образной формой. В случае пространственных компенсаторов, они представляют собой обычно 2 плоских взаимно перпендикулярных участка и имеют одно общее плечо. Эластичные компенсаторы производят из труб или эластичных дисков, либо сильфонов.

Определение оптимального размера диаметра трубопроводов

Оптимальный диаметр трубопровода может быть найден на основе технико-экономических расчетов. Размеры трубопровода, включая размеры и функциональные возможности различных компонентов, а также условия, при которых должна происходить эксплуатация трубопровода, определяет транспортирующая способность системы. Трубы большего размера подходят для более интенсивного массового потока среды при условии, что другие компоненты в системы подобраны и рассчитаны под эти условия надлежащим образом. Обычно, чем длиннее отрезок магистральной трубы между насосными станциями, тем требуется больший перепад давления в трубопроводе. Кроме того, изменение физических характеристик перекачиваемой среды (вязкость и т.д.), также может оказать большое влияние на давление в магистрали.

Оптимальный размер - наименьший из подходящих размеров трубы для конкретного применения, экономически эффективный на протяжении всего срока службы системы.

Формула для расчета производительности трубы:

Q = (π·d²)/4 · v

Q - расход перекачиваемой жидкости;
d - диаметр трубопровода;
v - скорость потока.

На практике для расчета оптимального диаметра трубопровода используют значения оптимальных скоростей перекачиваемой среды, взятые из справочных материалов, составленных на основе опытных данных:

Перекачиваемая среда		Диапазон оптимальных скоростей в трубопроводе, м/с
Жидкости	Движение самотеком:
	Вязкие жидкости	0,1 - 0,5
	Маловязкие жидкости	0,5 - 1
	Перекачивание насосом:
	Всасывающая сторона	0,8 - 2
	Нагнетательная сторона	1,5 - 3
Газы	Естественная тяга	2 - 4
	Малое давление	4 - 15
	Большое давление	15 - 25
Пары	Перегретый пар	30 - 50
	Насыщенный пар под давлением:
	Более 105 Па	15 - 25
	(1 - 0,5) · 105 Па	20 - 40
	(0,5 - 0,2) · 105 Па	40 - 60
	(0,2 - 0,05) · 105 Па	60 - 75

Отсюда получаем формулу для расчета оптимального диаметра трубы:

d о = √((4·Q) / (π·v о ))

Q - заданный расход перекачиваемой жидкости;
d - оптимальный диаметр трубопровода;
v - оптимальная скорость потока.

При высокой скорости потока обычно применяют трубы меньшего диаметра, что означает снижение затрат на закупку трубопровода, его техническое обслуживание и монтажные работы (обозначим K 1). При увеличении скорости происходит возрастание потерь напора на трение и в местных сопротивлениях, что приводит к увеличению затрат на перекачку жидкости (обозначим K 2).

Для трубопроводов больших диаметров затраты K 1 будут выше, а расходы во время эксплуатации K 2 ниже. Если сложить значения K 1 и K 2 , то получим общие минимальные затраты K и оптимальный диаметр трубопровода. Затраты K 1 и K 2 в этом случае приведены в один и тот же временной промежуток.

Расчет (формула) капитальных затрат для трубопровода

K 1 = (m·C M ·K M)/n

m - масса трубопровода, т;
C M - стоимость 1 т, руб/т;
K M - коэффициент, повышающий стоимость монтажных работ, например 1,8;
n - срок службы, лет.

Указанные затраты на эксплуатацию, связанны с потреблением энергии:

K 2 = 24·N·n дн ·C Э руб/год

N - мощность, кВт;
n ДН - кол-во рабочих дней в году;
С Э - затраты на один кВт-ч энергии, руб/кВт *ч.

Формулы для определения размеров трубопровода

Пример общих формул по определению размера труб без учета возможных дополнительных факторов воздействия, таких как эрозия, взвешенные твердые частицы и прочее:

Наименование	Уравнение	Возможные ограничения
Поток жидкости и газа под давлением
Потеря напора на трение Дарси-Вейсбаха	d = 12·[(0,0311·f·L·Q 2)/(h f)] 0,2	Q - объемный расход, гал/мин; d - внутренний диаметр трубы; hf - потеря напора на трение; L - длина трубопровода, футы; f - коэффициент трения; V - скорость потока.
Уравнение общего потока жидкости	d = 0,64·√(Q/V)	Q - объемный расход, гал/мин
Размер всасывающей линии насоса для ограничения потерь напора на трение	d = √(0,0744·Q)	Q - объемный расход, гал/мин
Уравнение общего потока газа	d = 0,29·√((Q·T)/(P·V))	Q - объемный расход, фут³/мин T - температура, K Р - давление фунт/дюйм² (абс); V - скорость
Поток самотеком
Уравнение Маннинга для расчета диаметра трубы для максимального потока	d = 0,375	Q - объемный расход; n - коэффициент шероховатости; S - уклон.
Число Фруда соотношение силы инерции и силы тяжести	Fr = V / √[(d/12) · g]	g - ускорение свободного падения; v - скорость течения; L - длину трубы или диаметр.
Пар и испарение
Уравнение определения диаметра трубы для пара	d = 1,75·√[(W·v_g·x) / V]	W - массовый расход; Vg - удельный объём насыщенного пара; x - качество пара; V - скорость.

Оптимальная скорость потока для различных трубопроводных систем

Оптимальный размер трубы выбирается из условия минимальных затрат на перекачивание среды по трубопроводу и стоимости труб. Однако необходимо учитывать также ограничения по скорости. Иногда, размер трубопроводной линии должен соответствовать требованиям технологического процесса. Так же часто размер трубопровода связан с перепадом давления. В предварительных проектных расчетах, где потери давления не учитываются, размер технологического трубопровода определяется по допустимой скорости.

Если в трубопроводе имеются изменения в направлении потока, то это приводит к значительному увеличению местных давлений на поверхности перпендикулярно направлению потока. Такого рода увеличение - функция скорости жидкости, плотности и исходного давления. Так как скорость обратно пропорциональна диаметру, высокоскоростные жидкости требуют особого внимания при выборе размера и конфигурации трубопровода. Оптимальный размер трубы, например, для серной кислоты ограничивает скорость среды до значения, при котором не допускается эрозия стенок в трубных коленах, чтобы таким образом не допустить повреждения структуры трубы.

Поток жидкости самотеком

Расчет размера трубопровода в случае потока, движущегося самотеком, достаточно сложен. Характер движения при такой форме потока в трубе может быть однофазным (полная труба) и двухфазным (частичное заполнение). Двухфазный поток образуется в том случае, когда в трубе одновременно присутствуют жидкость и газ.

В зависимости от соотношения жидкости и газа, а также их скоростей, режим двухфазного потока может варьироваться от пузырькового до дисперсного.

пузырьковый поток (горизонтальный)	снарядный поток (горизонтальный)	волновой поток	дисперсный поток

Движущую силу для жидкости при движении самотеком обеспечивает разность высот начальной и конечной точек, причем обязательным условием является расположение начальной точки выше конечной. Иными словами разность высот определяет разность потенциальной энергии жидкости в этих положениях. Этот параметр также учитывается при подборе трубопровода. Помимо этого на величину движущей силы влияют значения давлений в начальной и конечной точке. Увеличение перепада давления влечет за собой увеличение скорости потока жидкости, что, в свою очередь, позволяет подбирать трубопровод меньшего диаметра, и наоборот.

В случае если конечная точка подсоединена к системе под давлением, например дистилляционной колонне, необходимо вычесть эквивалентное давление из имеющейся разницы в высоте, чтобы оценить реально создаваемое эффективное дифференциальное давление. Также если начальная точка трубопровода будет под вакуумом, то его влияние на общее дифференциальное давление также должно быть учтено при выборе трубопровода. Окончательный подбор труб осуществляется с использованием дифференциального давления, учитывающего все вышеперечисленные факторы, а не основывается только лишь на перепаде высот начальной и конечной точки.

Поток горячей жидкости

В технологических установках обычно сталкиваются с различными проблемами при работе с горячими или кипящими средами. В основном причина заключается в испарении части потока горячей жидкости, то есть фазовом превращении жидкости в пар внутри трубопровода или оборудования. Типичный пример - явление кавитации центробежного насоса, сопровождаемое точечным вскипанием жидкости с последующим образованием пузырьков пара (паровая кавитация) или выделением растворенных газов в пузырьки (газовая кавитация).

Трубопровод большего размера предпочтительнее из-за снижения скорости потока в сравнении с трубопроводом меньшего диаметра при постоянном расходе, что обуславливается достижением более высокого показателя NPSH на всасывающей линии насоса. Также причиной возникновения кавитации при потере давления могут быть точки внезапной смены направления потока или сокращения размера трубопровода. Возникающая парогазовая смесь создает препятствие прохождению потока и может вызвать повреждения трубопровода, что делает явление кавитации крайне нежелательным при эксплуатации трубопровода.

Обводной трубопровод для оборудования/приборов

Оборудование и приборы, особенно те, которые могут создавать значительные перепады давления, то есть теплообменники, регулирующие клапаны и прочее, оснащают обводными трубопроводами (для возможности не прерывать процесс даже во время технических работ по обслуживанию). Такие трубопроводы обычно имеют 2 отсечных клапана, установленных в линию установки, и клапан, регулирующий поток параллельно к этой установке.

При нормальной работе поток жидкости, проходя через основные узлы аппарата, испытывает дополнительное падение давления. В соответствии с этим рассчитывается давление нагнетания для него, создаваемое подсоединенным оборудованием, например центробежным насосом. Насос подбирается на основе общего перепада давления в установке. Во время движения по обводному трубопроводу этот дополнительный перепад давления отсутствует, в то время как работающий насос нагнетает поток прежней силы, согласно своим рабочим характеристикам. Чтобы избежать различия в характеристиках потока через аппарат и обводную линию, рекомендуется использовать обводную линию меньшего размера с регулировочным клапаном, чтобы создать давление, эквивалентное основной установке.

Линия отбора проб

Обычно небольшое количество жидкости отбирается для анализа, чтобы определить ее состав. Отбор может производиться на любой стадии процесса для определения состава сырья, промежуточного продукта, готового продукта или же просто транспортируемого вещества, такого как сточные воды, теплоноситель и т.д. Размер участка трубопровода, на котором происходит отбор проб, обычно зависит от типа анализируемой рабочей среды и расположения точки отбора пробы.

Например, для газов в условиях повышенного давления достаточно небольших трубопроводов с клапанами для отбора нужного количества образцов. Увеличение диаметра линии отбора проб позволит снизить долю отбираемой для анализа среды, но такой отбор становится сложнее контролировать. В то же время небольшая линия отбора проб плохо подходит для анализа различных суспензий, в которых твердые частицы могут забивать проточную часть. Таким образом, размер лини отбора проб для анализа суспензий во многом зависит от размера твердых частиц и характеристик среды. Аналогичные выводы применимы и к вязким жидкостям.

При подборе размера трубопровода для отбора проб обычно учитывают:

• характеристики жидкости, предназначенной для отбора;
• потери рабочей среды при отборе;
• требования безопасности во время отбора;
• простота эксплуатации;
• расположение точки отбора.

Циркуляция охлаждающей жидкости

Для трубопроводов с циркулирующей охлаждающей жидкостью предпочтительны высокие скорости. В основном это объясняется тем, что охлаждающая жидкость в охладительной башне подвергается воздействию солнечного света, что создает условия для образования водорослесодержащего слоя. Часть этого водорослесодержащего объема попадает в циркулирующую охлаждающую жидкость. При низкой скорости потока водоросли начинают расти в трубопроводе и через некоторое время создают трудности для циркуляции охлаждающей жидкости или ее прохода в теплообменник. В этом случае рекомендуется высокая скорость циркуляции во избежание образования водорослевых заторов в трубопроводе. Обычно использование интенсивно циркулирующей охлаждающей жидкости встречается в химической промышленности, для чего требуются трубопроводы больших размеров и длины, чтобы обеспечить питание различных теплообменных аппаратов.

Переполнение резервуара

Резервуары оснащают трубами для перелива по следующим причинам:

• избегание потери жидкости (избыток жидкости поступает в другой резервуар, а не выливается за пределы изначального резервуара);
• недопущение утечек нежелательных жидкостей за пределы резервуара;
• поддержание уровня жидкости в резервуарах.

Во всех вышеупомянутых случаях трубы для перелива рассчитаны на максимально допустимый поток жидкости, поступающий в резервуар, независимо от расхода жидкости на выходе. Другие принципы подбора труб аналогичны подбору трубопроводов для самотечных жидкостей, то есть в соответствии с наличием доступной вертикальной высоты между начальной и конечной точкой трубопровода перелива.

Самая высокая точка трубы перелива, которая также является его начальной точкой, находится в месте подсоединения к резервуару (патрубок перелива резервуара) обычно почти на самом верху, а самая низкая конечная точка может быть около сливного желоба почти у самой земли. Однако линия перелива может заканчиваться и на более высокой отметке. В этом случае имеющийся дифференциальный напор будет ниже.

Поток шлама

В случае горной промышленности, руда обычно добывается в труднодоступных участках. В таких местах, как правило, нет железнодорожного или дорожного сообщения. Для таких ситуаций гидравлическая транспортировка сред с твердыми частицами рассматривается как наиболее приемлемая, в том числе и в случае расположения горноперерабатывающих установок на достаточном удалении. Шламовые трубопроводы используются в различных промышленных областях для транспортировки твердых сред в дробленом виде вместе с жидкостью. Такие трубопроводы зарекомендовали себя как наиболее экономически выгодные по сравнению с другими методами транспортировки твердых сред в больших объемах. Помимо этого к их преимуществам можно отнести достаточную безопасность из-за отсутствия нескольких видов транспортировки и экологичность.

Суспензии и смеси взвешенных веществ в жидкостях хранятся в состоянии периодического перемешивания для поддержания однородности. В противном случае происходит процесс расслоения, при котором взвешенные частицы, в зависимости от их физических свойств, всплывают на поверхность жидкости или оседают на дно. Перемешивание обеспечивается благодаря оборудованию, такому как резервуар с мешалкой, в то время как в трубопроводах, это достигается за счет поддержания турбулентных условий движения потока среды.

Снижение скорости потока при транспортировке взвешенных в жидкости частиц не желательно, так как в потоке может начаться процесс разделения фаз. Это может привести к закупориванию трубопровода и изменению концентрации транспортируемого твердого вещества в потоке. Интенсивному перемешиванию в объеме потока способствует турбулентный режим течения.

С другой стороны, чрезмерное уменьшение размеров трубопровода также часто приводит к его закупорке. Поэтому выбор размера трубопровода - это важный и ответственный шаг, требующий предварительного анализа и расчетов. Каждый случай должен рассматриваться индивидуально, поскольку различные шламы ведут себя по-разному на различных скоростях жидкости.

Ремонт трубопроводов

В ходе эксплуатации трубопровода в нем могут возникать различного рода утечки, требующие немедленного устранения для поддержания работоспособности сисетмы. Ремонт магистрального трубопровода может быть осуществлен несколькими способами. Это может быть как замена целого сегмента трубы или небольшого участка, в котором возникла утечка, так и наложение заплатки на существующую трубу. Но прежде чем выбрать какой-либо способ ремонта необходимо провести тщательное изучение причины возникновения утечки. В отдельных случаях может потребоваться не просто ремонт, а смена маршрута трубы для предотвращения повторного ее повреждения.

Первым этапом ремонтных работ является определение местоположения участка трубы, требующего вмешательства. Далее в зависимости от типа трубопровода определяется перечень необходимого оборудования и мероприятий, необходимых для устранения утечки, а также проводится сбор необходимых документов и разрешений, если подлежащий ремонту участок трубы находится на территории другого собственника. Так как большинство труб расположено под землей, может возникнуть необходимость извлечения части трубы. Далее покрытие трубопровода проверяется на общее состояние, после чего часть покрытия удаялется для проведения ремонтных работ непосредсвтенно с трубой. После ремонта могут быть проведены различные проверочные мероприятия: ультразвуковое испытание, цветная дефектоскопия, магнитно-порошковая дефектоскопия и т.п.

Хотя некоторые ремонтные работы требуют полного отключения трубопровода, часто бывает достаточно только временного перерыва в работе для изолирования ремонтируемого участка или подготовки обводного пути. Однако в большенстве случаев ремонтные работы проводят при полном отключении трубопровода. Изолирование участка трубопровода может осуществляться с помощью заглушек или отсечных клапанов. Далее устанавливают необходимое оборудование и осуществляют непосредственно ремонт. Ремонтные работы проводят на поврежденном участке, освобожденном от среды и без давления. По окончании ремонта заглушки открывают и восстанавливают целостность трубопровода.