Notiuni de calcul hidraulic al conductelor de transport - gaze naturale

Notiuni de calcul hidraulic al conductelor de transport - gaze naturale

Curgerea gazelor naturale prin conducte

Criterii de similitudine.Numarul Reynolds

Legea similitudinii afirma ca daca printr-o conducta cu diametrul D ,se trans-porta un fluid cu densitatea ρ ,si vascozitatea μ ,respectiv printr-o alta conducta cu diametrul D se transporta un fluid cu densitatea ρ si vascozitatea μ ,curgerea in cele doua conducte este similara din punct de vedere mecanic atunci cand:

D w = D w

in care w sunt vitezele medii ale fluidului in cele doua cazuri

Similitudinea se obtine pe de o parte datorita asemanarii geometrice,fiind vorba de tevi cu sectiune circulara la care suprafata peretilor interiori trebuie sa fie geometric asemenea,iar pe de alta parte raportul fortelor de inertie si de fre-care care apar in timpul deplasarii fluidului ,trebuind sa fie aceleasi.

Relatia de mai sus stabilita experimental de Reynolds,in anul 1885.este cunos-cuta sub numele de numarul lui Reynolds,si are in general expresia:

Re=Dwρ/μ=Dw/ν

unde: ν-vascozitatea cinematica [m/s]

La Re >4000 poate fi intalnita o curgere turbulenta,ceea ce arata ca numarul Reynolds reprezinta intr-adevar un criteriu necesar insa nu suficient pentru sta-bilirea felului curgerii.De aceea trebuie retinut ca doua numere Re identice nu reprezinta identitatea riguroasa a curgerilor ci numai o asemanare din punct de vedere mecanic,adica posibilitatea de a trata curgerile asemanator din punct de vedere mecanic si matematic.

Conform legii similitudinii,al carui principal criteriu il reprezinta numarul Reynolds,fluxuri de fluide diferite,transportate cu viteze diferite pot fi tratate similar si sunt mecanic asemenea,daca au numerele Re egale.

Aceasta constatare are pentru curgerea fluidelor o mare importanta deoarece permite studierea prin intermediul unor fluide la indemana,ca apa,aerul etc. si folosind diametre uzuale,a unei game largi de tipuri de curgere sau caracteristici ale curgerii pentru fluide diferite,unele greu de manipulat,si pentru diferite dia-metre.

La starea normala,numarul Reynolds se exprima:

Re=DwN N N sau inlocuind viteza cu debitul:

Re=4QN N ND

unde:QN-debitul [mc/zi]

wN-viteza fluidului [m/s]

D-diametrul interior [m]

μN-vascozitatea dinamica [Ns/m]

N-densitatea fluidului [kg/m]

Vascozitatea dinamica o putem considera constanta.Sub rezerva unei variatii mici de temperatura si presiune,relatia se poate scrie:

Re=KQ/D

-in conditii normale:K=2482 ,pentru μN=10.2/0.000001kg/ms

-in conditii standard:K=2320 ,pentru μS=10.76/0.000001kg/ms

Regimuri de curgere

Luand drept criteriu numarul Reynolds,in functie de marimea acestuia,se pot distinge trei regimuri fundamentale de curgere.S-a demonstrat experimental ca trecerea de la un regim de curgere la altul nu se face treptat,ci brusc atunci cand numarul Re atinge o anume valoare.Valorile nr.Re de trecere de la un regim la altul se numesc valori critice.

In functie de debit se disting trei regimuri de curgere si anume:

-laminar

-instabil sau tranzitoriu

-turbulent

a)Regimul laminar:Experimental pe o conducta neteda de apa s-a demonstrat ca la valoarea lui Re critic laminar/instabil este egal cu 2320,apare tranzitia de la regimul laminar de curgere la cel instabil,pana la aceasta valoare a numarului Re curgerea facandu-se in regim laminar.

Repartizarea vitezelor in sectiune se face in raport de fortele de frecare trans-mise de la strat la strat,viteza maxima fiind cea din axa conductei,la pereti tevii viteza fiind nula.

Figura 4.1. Curba reprezentarii vitezelor intr-o conducta in regim

laminar stabil

In curgerea laminara:

-viteza maxima:

wmax=dpr/4μdx

-viteza la o distanta y de axa conductei:

wy=wmax[1-(y/r)]   

-viteza medie:

wmed=0.5wmax

-distanta x la care se stabileste viteza medie:

x=0.707r

Raportata la perete nu la axa tevii,viteza medie se stabileste la 0.293r

-viteza critica,corespunzatoare lui Recritic,de la care in sus curgerea devine instabila:

wcritic=2320ν/D

-debitul este redat de relatia lui Hagen-Poiseuille:

-variatia presiunii:

unde: Q-debitul in conducta [m/h]

D-diametrul conductei [cm]

r-raza conductei [cm]

dp-variatia presiunii in conducta [p

dL-lungimea pe care are loc curgerea [m]

μ-vascozitatea dinamica a gazului [cP]

ν-vascozitatea cinematica a gazului [m/s]

-coeficientul de frecare se obtine egaland formula de variatie a debitului printr-o conducta,cu variatia debitului printr-o conducta dupa relatia lui Weymouth:

λ=16ΠDμ/Qρ sau λ=64/Re

b)Regimul instabil:Este cuprins intre 2320.4000,fiind o zona intermediara intre regimul laminar si cel turbulent,in care curgerea nu este inca suficient cu-noscuta si relatie de calcul satisfacatoare nu exista.O formula de calcul este cea propusa de Zaicenco:

c)Regimul turbulent Pentru debite-viteze mari,straturile de fluid nu mai sunt paralele,aparand si miscari transversale ale particulelor de fluid astfel incat se formeaza mici vartejuri,ce dispar datorita frecarii interioare,si se refac din nou.

Data fiind existenta unor vartejuri,deci a unor deplasari transversale ale par-ticulelor de fluid,are loc un amestec de particule cu viteze diferite astfel incat profilul vitezei se aplatizeaza in raport cu cel laminar.

Figura 4.2. Curbe de repartizare ale vitezelor in regim laminar si in regim

turbulent,pentru acelasi debit

Daca in curgerea laminara profilul vitezei are intotdeauna forma unei para-bole,in cea turbulenta repartizarea vitezei depinde de numarul Reynolds.Cu cat aceasta dependenta este mai mare,cu atat profilul repartitiei vitezelor in sectiune devine mai aplatizat,adica diferenta dintre vitezele din jurul axei tevii si cele dinspre perete se micsoreaza,conform masuratorilor facute de Nicuradze in tevi netede.

Raportul vitezelor medii,fata de cea maxima,din axa tevii creste cu nr. Re.In regim laminar este de cca 0.5,in domeniul instabil creste brusc la 0.7 dupa care in regimul turbulent creste lent apropiindu-se in jur de Re=10000 de valoarea 0.8,la Re=500000 este de cca. 0.83 dupa care creste pana la 0.9.

In domeniul turbulent viteza medie nu depinde de debit si de rugozitatea pere-telui.

Stratul de langa peretele tevii,un strat subtire,paralel cu peretele,in care nu a-par miscari transversale,gazele curgand dupa teoria stratului limita laminar.Acest strat laminar scade cu cresterea lui Re.

Curgerea gazelor in conducte are loc aproape intotdeauna in regim turbulent.

In cadrul regimului turbulent se disting 3 stari hidraulice:

conducte netede din punct de vedere hidraulic

conducte rugoase

conducte in care curgerea se face in domeniul de tranzitie

Influenta parametrilor caracteristici transportului

gazelor naturale asupra procesului tehnologic

Presiunea in punctul initial al conductei de transport

Investitia pentru construirea unei conducte sau a unor sisteme de transport ga-ze depinde de costul conductei si de aceea si costul exploatarii si transportul ga-zelor sunt economice la preturi inalte din cauza compresibilitatii gazelor si a di-minuarii pierderilor hidraulice unitare.

In figura 5.1.se poate observa cresterea semnificativa a capacitatii de transport cu cresterea presiunii gazelor in punctul initial al conductei de transport gaze,res-pectiv cu scaderea presiunii gazelor in punctul final al conductei.

Figura 5.1. Variatia debitului de gaz natural transportat pe o conducta

magistrala cu cresterea/scaderea presiunii initiale si finale

In aceasta situatie,valoarea optima a presiunii de regim a conductei de trans-port este aceea care asigura in acelasi timp investitii convenabile si cheltuieli mi-nime de exploatare rationala a zacamintelor de gaze.

Din practica internationala si cea din Romania rezulta urmatoarele game de presiuni initiale ale conductelor magistrale si pentru comprimarea pe traseul acestora:

-pentru conducte magistrale cu lungimi de peste 1000km:65-75 at:

-pentru conducte magistrale cu lungimi de peste 200km:40-55 at;

-pentru conducte ce alimenteaza zona de consum sub 100km:25-40 at;

De remarcat este faptul ca in decursul exploatarii zacamintelor de gaze,ca urmare a declinului natural al debitelor si presiunilor,exista tendinta de a se diminua presiunea in punctul initial al conductelor magistrale de transport gaze,tendinta ce are ca efect utilizarea incompleta a rezistentei materialului tubular,diminuarea ca-pacitatii de transport si utilizarea necorespunzatoare sub aspectul parametrilor si a duratei mentinerii in functiune a statiilor de comprimare de pe traseul conductelor

Presiunea in punctul final al conductei de transport

In general valoarea presiunilor in punctele finale se situeaza in medie in do-meniul de 6-15at.Scaderea acestora sub valorile din acest domeniu contribuie la cresterea capacitatiilor de transport intr-o masura neesentiala.

Lungimea conductei

Lungimea conductei magistrale reprezinta distanta masurata intre punctul ini-tial si final al conductei,aceasta valoare este o constanta pentru personalul de ex-ploatare si o variabila pentru proiectant depinzand de traseul ales.

Figura 5.2. Variatia debitului de gaz transportat de o conducta cu cresterea sau scaderea lungimii aceseia.

Datorita interconectarii conductelor in cadrul sistemelor de transport gaze,lun

gimea traseului pe care-l parcurg gazele este variabila in functie de varianta de exploatare ce se aplica si de parametrii exploatarii.De aceea,in stabilirea regimu-rilor de exploatare,trebuie sa se tina seama de urmatoarele aspecte:

-capacitatiile de transport sun invers proportionale cu raportul lungimilor traseelor strabatute de gaze:

Q =Q L /L

-variatia debitului de gaze transportate de o conducta magistrala cu factorul de neidealitate.Calcularea deficitara si la intervale de timp mari a factorului de neidealitate,in cazul in care compozitia gazului varieaza,poate duce la erori mari.

Comprimarea gazelor pe traseul conductelor magistrale este asemanatoare cu translatarea campurilor de gaze la statia de comprimare,respectiv reprezinta o reducere a lungimii conductelor de transport si de aceea o statie de comprimare trebuie sa reproduca cat mai apropiat parametrii din punctul initial al conductei.

Diametrul conductei

In figura 5.3.de mai sus este reprezentat variatia debitului de gaz transportat

de o conducta cu cresterea/scaderea diametrului acestuia [D2=D1+(%)D1].

In stabilirea diametrelor conductelor,dat fiind faptul ca acestea influenteaza capacitatea de transport in mod hotarator,conform relatiei,trebuie avuta in vedere o mica supradimensionare.

O marire cu numai 10% a diametrului conductei fata de valoarea rezultata din calcul va avea o influenta neglijabila asupra costului de investitie,dar va conduce la avantaje certe in exploatare.O marire mai importanta a diametrului conductelor nu reprezinta o solutie economica.Realizarea conductelor cu diametre mari conduce la costuri de investitie foarte mari,dar au avantajul surplusului de rezerva si al unui cost de intrtinere mai mic.

Sistemele de transport se construiesc etapizat tinandu-se seama de dinamica consumurilor in timp si respectandu-se principiul de a avea capacitatea necesara la intrarea in functie a fiecarui consumator la nivel maxim.Sistemul se proiectea-za in prima faza pentru a functiona cu presiunea de zacamant si astfel se determi-na diametrul conductelor,iar majorarea ulteriora cu cca 20-30% a capacitatii de transport gaze,a conductei sau a sistemului se realizeaza din comprimarea inter-mediara pe traseul conductelor.

O serie de considerente geologice si tehnico-economice determina lungimea conductelor,debitul de gaze de vehiculat,presiuniile initiale si finale,dispunerea campurilor de gaze,a consumatorilor,a statiilor de comprimare,etc.Cu aceste date se calculeaza diametrul conductelor si grosimile de perete in functie de calitatea materialului tubular de care se dispune.