Bài giảng Công nghệ khí - Chương 5: Lưu lượng và đường ống

Bài giảng CÔNG NGHỆ KHÍ Chương 5: LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG GVGD: ThS. Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS. Hà Quốc Việt Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí NỘI DUNG Đo lưu lượng Đo lưu lượng bằng orifice Đo lưu lượng kiểu Turbine Lưu lượng - Đường ống Chế độ dòng chảy Tổn hao áp lực đối với chất lỏng/ chất khí Lưu lượng vận chuyển Tổn hao áp suất Đường ống, mặt bích, đầu nối… Mặt bích – Flanges Fittings 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 2 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 3 ĐO LƯU LƯỢNG Đây là phương pháp đo lưu lượng khí hay dùng nhất hiện nay. Orifice đặt vuông góc với hướng dòng chảy Các thiết bị đo kèm theo: đo áp suất trước orifice, đo chênh áp trước và sau, đo nhiệt đo. ĐO BẰNG ORIFICE Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 4 ĐO LƯU LƯỢNG Sau khi có các thông tin từ các thiết bị đo ta có công thức tính toán như sau: 1 3528.0000.1 273 288 288 273 325.101 G G G F G F T F TF P F f t gtg f tf b tb b pb       ĐO BẰNG ORIFICE  ppl measfa atbrgpvtfpbb fw DF C SteelStainlessforTTF FYFFFFFFFC Ph .1 1 316/304)](0000333.0[1 .CQ ' '      Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 The university of technology in HCM city 5 ĐO LƯU LƯỢNG ĐO BẰNG ORIFICE – Bảng 1 Q m3/h Lưu lượng tính ở điều kiện chuẩn hw mm H2O Chênh áp qua orifice Pf kpa(abs) Áp suất trước orifice Fb Hệ số orifice Tra bảng 3-16, phụ thuộc vào kích cỡ orifice và đường kính ống thông số này để tra ra đường kính orifice Fpb Hệ số áp suất điều kiện chuẩn, Fpb = 101.325/Pb = 1 Aùp suất điều kiện chuẩn Pb=101.325 kpa Ftf Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ so với nhiệt độ điều kiện chuẩn, Ftf = (288/(273 + TfoC))0.5 Nhiệt độ đk chuẩn = 15oC. Tf = nhiệt độ dòng khí Fpv Hệ số phụ thuộc vào hệ số nén Z Fpv = (1/Z)0.5 Fg Hệ số phụ thuộc vào tỷ trọng  Fg = (1/)0.5  : tỷ trọng tương đối của khí ơû 15oC Fr Hệ số phụ thuộc vào hệ số Reynold (chế độ dòng chảy) = 1+ b/(hwPf)0,5 b tra bảng Y Hệ số giãn nở của ống và orifice phụ thuộc vào áp suất Y  1 Ftb Hệ số nhiệt độ điều kiện chuẩn, Ftb = 1 nối với nhiệt độ chuẩn bằng 15oC Fa Hệ số giãn nở nhiệt của orifice = 1 khi Tf<120oF. Tmeas Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 6 ĐO LƯU LƯỢNG Tỉ số giữa đường kính trong của ống và đường kính orifice tốt nhất vào khoảng: ĐO BẰNG ORIFICE Pipe taps Flange taps 0,20,67 0,150,7 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 7 ĐO LƯU LƯỢNG ĐO BẰNG ORIFICE Orifice Plate Standard Orifice Flange (a) Simple Chamber (Junior) Orifice Fitting (b) Jack Bolts Differential Pressure Cover Plate Differential Pressure Tabs Chamber Valv Cover Plate Flanged Senior (c) Senior Orifice Fitting Side Sectional ViewTrường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 8 ĐO LƯU LƯỢNG Đo lưu lượng kiểu turbine có ứng dụng rộng rãi, ngoại trừ cho chất lỏng có độ nhớt cao, khi làm việc turbine sẽ quay mà tốc độ quay phụ thuộc vào lưu lượng và tính chất của môi chất qua nó Xác định được tốc độ của turbine là sẽ xác định được lưu lượng. Do đó thiết bị đo lưu lượng bằng turbine là thiết bị đo tốc độ quay của turbine. Mỗi vòng quay sẽ tương ứng với một lưu lượng thể tích, được xác định bằng hệ số turbine. KIỂU TURBINE Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 9 ĐO LƯU LƯỢNG KIỂU TURBINE BỘ ĐO LƯU LƯỢNG KIỂU TURBINE Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 10 ĐO LƯU LƯỢNG Bảng tra hệ số Fb KIỂU TURBINE Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 11 ĐO LƯU LƯỢNG Bảng tra hệ số b KIỂU TURBINE Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 12 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Ở các tốc độ thấp, các phần tử của môi chất chuyển động theo dòng chảy tương đối ổn định và thẳng hàng. Tốc độ của dòng chảy đạt cực đại ở tâm đường ống và gần như bằng 0 tại thành ống. Chế độ dòng chảy này được gọi là dòng chảy tầng. Nếu tăng tốc độ dòng chảy tới một mức độ nào đó, các phần tử trong dòng chảy bắt đầu chuyển động hỗn loạn (không còn thẳng hàng so với phương dòng chảy). Chế độ dòng chảy này được gọi là dòng chảy rối. Chế độ dòng chảy Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 13 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Để xác định chế độ dòng chảy, Reynold đã đưa ra một hệ số không đơn vị - hệ số Reynold Re: Chế độ dòng chảy      d m d q dv 4 4 Re    Đường kính trong của ống (m) Vận tốc dòng chảy (m/s) Tỷ trọng môi chất tại điều kiện dòng chảy Độ nhớt môi chất 1kg/(m.s) =103cp Lưu lượng thể tích (m3/s) Lưu lượng khối lượng (kg/s) Hệ số REYNOLD Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 14 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Nếu Re < 2000: Chế độ dòng chảy tầng f = 16/Re, (f là hệ số ma sát Fanning) Nếu Re > 4000: Chế độ dòng chảy rối Đường kính ống: d > 20cm (8in) f =0,042Re0,194 Đường kính ống: d <= 20cn (8in) f = 0,042Re0,172 Nếu 2000 < Re < 4000: Chế độ chuyển tiếp (có thể ổn định or rối) Hai chế độ này chịu ảnh hưởng rất lớn đường thể hiện vận tốc dòng chảy trong ống. Chế độ dòng chảy có ảnh hưởng rất lớn đến tổn hao ma sát mà đặc trưng được thông qua hệ số ma sát. Vì coi khí như chất lưu Newton do vậy hệ số ma sát f phụ thuộc vào chế độ dòng chảy trong ống và phụ thuộc vào bản chất ống Hệ số ma sát Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 15 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Tổn hao áp lực của dòng chảy được chia thành 3 thành phần sau: Tổn hao áp lực do ma sát Pf. Tổn hao áp lực do thay đổi thế năng: PX. PX  (X)g/gc Tổn hao áp lực do thay đổi động năng: Pv. Pv  (V2)/(2g) Tổng tổn hao: P = Pf + PX + Pv - Trong hệ thống đường ống đồng nhất, sự thay đổi tốc độ dòng chảy gần như bằng 0. Do đó phần tổn hao do động năng Pv ~ 0. Thực tế trong tính toán tổn hao áp lực, phần này thường không đáng kể và được bỏ qua. - Tổn hao do thay đổi thế năng chính là cột áp thuỷ tĩnh do thay đổi độ cao. Phần này được xác định dễ dàng, tỷ lệ với thay đổi độ cao và tỷ trọng. PX = (X)(g/gc). Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất lỏng Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 16 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Phần tổn hao áp lực do ma sát Pf là phần quan trọng nhất. Phương trình tổng quát để xác định tổn hao áp lực do ma sát có dạng như sau: Tóm lại: Sau khi bỏ qua phần tổn hao áp lực do thay đổi động năng ta có tổng tổn hao áp lực được rút gọn như sau: dg vLfP c f . ....2 2  Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất lỏng Hệ số chuyển đổi khối lượng/ lực = 1 (kg.m/N.s2) Chiều dài ống (m) Tổn hao áp lực do ma sát cc Xf g gX dg LvfPPPPP   2 12 2 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 17 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Lưu lượng và mức độ tổn thất ma sát là hai thông số liên quan đến việc xác định đường kính d. Hệ số ma sát f và số Reynold NRe phụ thuộc vào đường kính ống và vận tốc dòng chảy. Vì vậy để xác định đường kính mong muốn người ta thường sử dụng phương pháp lặp dựa trên mối quan hệ đồ thị biểu diễn hệ số f theo số Reynold NRe Đường kính cho ống dẫn dầu khí được tính bởi công thức: Nếu chưa biết f ta nên dùng công thức sau: Đối với ống nhỏ: Đối với ống lớn: 2,0 4,0 ..265,1           cf gP pLfqd Đường kính ống dẫn dầu khí 207,0 036,0172,0397,0 ...647,0           cf gP Lqd  208,0 041,0168,0376,0 ...647,0           cf gP Lqd  Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 18 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Tính toán đường kính cho ống dẫn dầu 0,0416m3/s, ( = 0.79), tổn hao áp toàn tuyến là 500kpa, L = 20km, độ nhớt 10cp, dùng ống lớn. Giải: Đối với ống lớn, ta có công thức: Ví dụ 1    0,255m 500000.1 20000. 0,00110.. .(790)416)0,647.(0,0 ...647,0 0,208 0.0410.1680,376 208,0 041,0168,0376,0                  cf gP Lqd  Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 19 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Với giá trị tổn thất áp suất cho trước, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp thử và sai để xác định lưu lượng qua ống theo hệ số ma sát f được tra từ đồ thị theo số Reynold NRe. Tuy nhiên chúng ta cũng có thể tính một cách trực tiếp từ các phương trình mà hệ số f được tính theo các công thức đã được nêu ở trên: Đối với ống nhỏ: Đối với ống lớn: Lưu lượng vận chuyển 547,0 094,0453,0 64,2 . . .127,3              L gPdq cf  554,0 107,0446,0 661,2 . . .180,3              L gPdq cf  Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 20 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Tổn hao áp suất Đối với ống nhỏ: Đối với ống lớn: 828,4 172,0828,0828,1 ..038,8 .. dg q L P c f   806,4 194,0806,0806,1 ..081,8 .. dg q L P c f   Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 21 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Tính toán tổn hao áp suất tuyến ống, đường kính trong d = 0,254m, lưu lượng dẫn dầu 0,0416m3/s,  = 0.79, L=20km, độ nhớt 10cp, dùng ống lớn. Giải Đối với ống lớn, ta có công thức: Ví dụ 2 510000Pa )0,254 (8,081.1. ).(10.0,001.7900,041620000 ..081,8 .. 4.806 0.1940,8061,806 806,4 194,0806,0806,1    dg qLP c f  Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 22 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Cơ sở tính toán cũng tương tự như đối với chất lỏng, nhưng phức tạp hơn do khí là chất chịu nén, các tính chất (tỷ trọng, độ nhớt, độ nén…) thay đổi theo áp suất và nhiệt độ. Tổn hao áp lực cũng giống như đối với chất lỏng tuy nhiên: Tổn hao do thay đổi động năng không đáng kể được bỏ qua. Tổn hao do thay đổi thế năng khí có tỷ trọng rất nhẹ do đó phần này có thể bỏ qua. Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất khí Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 23 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Công thức tính áp suất trung bình: Công thức tính nhiệt độ trung bình:                         21 21 212 2 2 1 2 33 1 3 2 3 2 PP PPPP PP PPPm Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất khí g g g m T TT TT TTT                            2 1 21 ln P1, P2: áp suất điểm đầu và cuối (Kpa) T1, T2: Nhiệt độ điểm đầu và cuối (oK) Tg: Nhiệt độ môi trường quanh ống (oK) Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 The university of technology in HCM city 24 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất khí Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 25 LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG P2 (kpa): áp suất điểm cuối Psc (kpa): áp suất điều kiện chuẩn Pm: (kpa) áp suất trung bình T1 (oK): nhiệt độ điểm đầu T2 (oK): nhiệt độ điểm cuối Tm (oK): nhiệt độ trung bình Tsc (oK): nhiệt độ ở điều kiện chuẩn qsc (m3/d): lưu lượng ở điều kiện chuẩn ( γ: tỷ trọng tương đối của khí f : hệ số ma sát. L (m): chiều dài ống d (m): đường kính trong của ống Zm: hệ số nén trung bình tại điều kiện dòng chảy. K: hệ số E: hệ số hiệu quả đường ống, E= 0.88 - 0.95 Re: số Reynols Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 26 SƠ LƯỢC VỀ DÒNG CHẢY Khí và đa số các chất lỏng có độ nhớt thấp thường được coi như chất lưu Newton, do vậy các phương trình dòng chảy của khí có thể sử dụng các phương trình dòng chảy của chất lỏng Newton. Tuy vậy quá trình tính toán và xác định dòng chảy của khí thường phức tạp. Dòng chảy đơn pha của chất khí ổn định trong đường ống Dòng chảy đơn pha của chất khí không ổn định trong đường ống Dòng chảy hai pha khí - lỏng trong hệ thống đường ống Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 27 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Khi xem xét dòng chảy đơn pha khí các phương trình tính toán cũng xuất phát từ các phương trình tính toán của lưu chất đơn pha nói chung. Phương trình tính toán Gradient áp của dòng chảy đơn pha: dL dv g v dg vf g g dL dp ccc    2 sin 2 accfel dL dp dL dp dL dp dL dp )()()( Hay Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 28 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Trong đó: c el g g dL dp  sin)(  Thành phần tổn hao thế năng, cột áp thuỷ tĩnh do thay đổi độ cao nó được xác định tương đối dễ dàng; dg f dL dp c f 2 )( 2  Thành phần tổn hao áp suất, nay là phần quan trọng và khó xác định nhất; dLg dvv dL dp c acc . ..)(  Là thành phần động năng nó phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy, trong hệ thống đường ống gần như đồng nhất thì sự thay đổi vận tốc không đáng kể nên thành phần này được bỏ qua. Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 29 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Ví dụ 3: Xác định tổn thất áp suất trên đoạn đường ống dài 200 m (656 ft), đường kính 100 mm (3,94 in) khi lưu chất chảy trong đường ống có độ nhớt là 0,05 kg/m (50 cp), khối lượng riêng là 900 kg/m3 (56,18lbm/ft3) với các tốc độ dòng chảy: 3,93x10-3 m3/s (0,135 ft3/s). 2,355x10-2 m3/s (0,83 ft3/s). Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 30 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Giải câu a: Vận tốc dòng chảy: v = q/A = 3,39x10-3/[(3,14(0,1)2/4] = 0,5 m/s Số Reynolds NRe = vd/ = 900x0,5x0,1/0,05 = 900 Hệ số ma sát Như vậy số Reynolds < 2000, dòng chảy là tuyến tính và hệ số ma sát Moody f được tính theo công thức: f = 64/NRe = 64/900 = 0,071. Tổn thất áp suất p = fv2L/2gcd = 0,071x900x0,52x200/(2x1x0,1) = 15975 N/m2 = 15,975 kPa = 2,31 psi Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 31 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Giải câu b: Vận tốc dòng chảy: tương tự câu a ta có v = q/A = 3 m/s Số Reynolds NRe = vd/ = 5400 Hệ số ma sát Như vậy số Reynolds > 5400, dòng chảy là dòng chảy rối và hệ số ma sát f phụ thuộc vào độ nhám: ta có độ nhám = 0,183 mm (0,0006ft ) Tổn thất áp suất p = fv2L/2gcd = 318,3 kPa = 42,6 psi = 2,31 psi 0393,0)25,21log(214,11 9,0 Re  f Ndf  (Công thức Jain) Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 32 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Phương trình cơ bản của dòng chảy ổn định đơn pha của chất khí trong đường ống Dòng khí đơn pha, ổn định được xét là dòng chảy một chiều. Lưu lượng khối lượng của dòng chảy không thay đổi trên suốt chiều dài ống và chỉ còn phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy. Do đó hai ẩn số của các phương trình dòng khí đơn pha, ổn định là vận tốc v và áp suất p. Phương trình liên tục: Trong đó A là tiết diện dòng chảy, là khối lượng riêng của khí. Chúng ta cũng có thể đo thể tích lưu lượng thay vì đo lưu lượng khối lượng tại một điều kiện nhiệt độ, áp suất nhất định thì lưu lượng thể tích cũng không thay đổi suốt chiều dài ống. Khi đó phương trình liên tục sẽ được thể hiện dưới dạng: constqvAG   constvD p T ZT pAv p TZ ZT pq p TZ ZT pq sc sc sc scsc sc scsc sc  4 2 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 33 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Ví dụ 4: Như số liệu ví dụ 2, hãy xác định tổn thất áp suất của dòng chảy: Theo ví dụ 2, ta có: q = 0,0416m3/s (1,46ft3/s), L = 20 km (12,42mile). – Tổn thất áp suất hệ SI: – Tổn thất tính theo hệ BES: PaPf 4 806,4 194,0806,0806,1 10.51 )254,0)(0,1(081,8 )20000()001,0(10[)790()0416,0(  psipsfPf 7310500)833,0)(17.32(081,8 )5280)(42.12()000672,0(10[)3,49()46,1( 806,4 194,0806,0806,1  Xác định tổn thất áp suất Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 34 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Thông số làm việc tối ưu cho dòng chảy Vận tốc: Vận tốc lớn nhất của dòng khí được xác định bởi: Trong đó A là hằng số. Với hệ SI thì A = 146, hệ FPS thì A = 120. 5,0 Av  Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 35 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Các thông số làm việc tối ưu cho dòng chảy Val và các bộ phận cản dòng Trong quá trình tính toán tổn thất áp suất của dòng chảy, khi dòng chảy qua val và các bộ phận cản dòng sẽ làm tổn hao áp suất đáng kể. Để xác định tổn thất áp suất qua các bộ phận này người ta thường dựa trên chiều dài tương đương Le, chiều dài tương đương này phụ thuộc vào kích cỡ và dạng hình học của nó. Tổn thất khi các dòng chảy qua các bộ phận cản dòng sẽ được tính bằng độ tổn áp khi dòng chảy qua một đoạn ống có chiều dài Le. Việc xác định tổn thất qua các bộ phận cản dòng có vai trò lớn nhất là việc xác định dự báo các thông số yêu cầu của bơm và máy nén. Mối tương quan giữa ống và val được lắp đặt trên hệ thống ống đó: c e Fd L L )216,0347,0(1 5,0  Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 36 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Các thông số làm việc tối ưu cho dòng chảy Val và các bộ phận cản dòng Trong đó: – Le/L là tỷ lệ độ dài tương đương trên đối với một đoạn ống thẳng. – d đường kính ống, in. – Fc hệ số cản dòng, nó tuỳ thuộc vào từng loại thiết bị: Cuïm manifold raát phöùc taïp Manifold ñôn giaûn Oáng bình thöôøng Fc 4 2 1 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 The university of technology in HCM city 37 Tổn hao áp lực qui đổi của van, đầu nối Le = 1,8 m Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 38 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Hãy xác định chiều dài tương đương cho hệ thống đường ống dưới đây, ống có đươmhg kính là 0,254 m (Bổ sung ví dụ có hình vẽ 10.4 trang 328, vol1 new). Ví dụ 5 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 39 Giải Từ hình trên, ta suy ra chiều dài tương đương cho mỗi đầu nối, valve, khúc co: 10’’ Full Open Gate Valve: Le = 1,8 m 10’’ 90o Std. Elbow: Le = 8,2 m 10’’ Tee (Dòng chảy nhánh): Le = 18 m Chiều dài tương của hệ thống ống trên là: L = 5 + 1,8 (của van) + 15 + 8,2 (Của khúc co 90o) + 2 + 18 (của đoạn rẽ nhánh) + 10 = 60 m DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 40 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Các thông số làm việc tối ưu cho dòng chảy Cột áp trong đường ống Phương trình đơn giản nhất sử dụng theo các thông số nhiệt độ trung bình và hệ số nén trung bình bỏ qua tổn thất do động năng và hệ số ma sát: Phương trình ở trên cũng có thể viết lại dưới dạng: B A mm P P zAT H ln SI FPS H – cột áp m ft  - tỷ trọng tương đối - - Tm – nhiệt độ trung bình K oR zm – hệ số nén trung bình - - PA – suất tại đầu vào Mpa psia PB – Áp suất tại đầu ra Mpa psia A – hằng số 29,28 53,34 s BA ePP  mm zAT Hs  Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 The university of technology in HCM city 41 Ví dụ 6 Một ống dẫn khí lên một ngọn đồi, Dữ liệu cho như sau: H = 100m Tm = 300oK zm = 0,9, tỷ trọng = 0,70 PB = 4,0Mpa, P1 = 6,0Mpa Tính áp suất tại điểm A? 1 6,0 4,04 4,0 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 42 Giải s = (100m) (0,7)/[(29,28)(300OK)(0,9)] = 0,00885 PA = 4MPa.e0,00885 = 4,04 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 43 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Vận tốc tối đa của dòng chảy trong ống Vận tốc tối đa của chất lỏng liên tục được xác định: 5,0max  AKv  SI FPS v – vận tốc m/s ft/s ρ - tỷ trọng kg/m3 lbm/ft3 A–hệ số chuyển đổi 1,23 1,0 K 100 100 Vận tốc tối đa Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 44 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Điều thiết yếu là cần phải làm tăng lưu lượng dòng chảy đối với mỗi đơn vị tổn thất áp suất. Để thực hiện được điều này thì hoặc là tăng thể tích của hệ thống đường ống dẫn với giá trị tổn hao áp suất cho trước hoặc với lưu lượng dòng chảy cho trước ta tìm cách thay đổi mức độ tổn hao áp suất. Giải pháp mang lại hiệu quả kinh tế nhất là sử dụng hệ thống ống dạng “looping”. Đường ống có chiều dài Le và đường kính de. Ta có các công thức xác định lưu lượng qua mỗi ống có đường kính tương ứng de và chiều dài Le là: Lưu lượng ống chính: Chú ý rằng: Thay thế phương trình (5.26) vào phương trình (5.27) ta được: 554,0 107,0466,0 661,2180,3        c A fe ie gL Pdq   ieqq   infifif PPP  .......)()( 21  554,0 661,2 554,0 661,2 i in e e L d L d (5.26) (5.27) Hệ thống dòng chảy “looping” Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 45 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Lưu lượng ống chính: Chú ý rằng Thay thế phương trình (5.26) vào phương trình (5.27) ta được: Đối với ống lớn: Đối với ống nhỏ:  ieqq   infifif PPP  .......)()( 21  554,0 661,2 554,0 661,2 i in e e L d L d  547,0 641,2 547,0 641,2 i in e e L d L d Hệ thống dòng chảy “looping” Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 46 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Ví dụ 7: Xác định lưu lượng của hệ thống dòng chảy với thống số cho như sau: dầu thô có tỷ trọng APIo = 32, độ nhớt 3cp, tổn thất áp suất cho phép là 1000kPa (145psi), hệ thống đường ống cho như hình vẽ. 10’’ 8’’ 14’’10’’ 12’’ 6km 10km 25km Hệ thống dòng chảy “looping” Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 47 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Giải: Chuyển hệ thống đường óng phức tạp “looping” sang đoạn ống có chiều dài tương đương bằng cách sử dụng công thức : Chiều dài tương đương của đoạn ống “looping” của đoạn 1: Chiều dài tương đương của đoạn ống “looping” của đoạn 2: Chiều dài tương đương của toàn hệ thống đường ống là: Le = 5,3 + 22,8 + 25 = 53,1 km  554,0 661,2 554,0 661,2 i in e e L d L d 554,0 661,2 554,0 661,2661,2 6 12 6 1014  eL 554,0 661,2 554,0 661,2661,2 10 8 10 1014  eL  Le = 5,3 km  Le = 22,8 km Hệ thống dòng chảy “looping” Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 48 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU Giải Tỉ trọng: Độ nhớt: P/L = 1000000/53100 = 18,83 Pa/m d = 14 in = 0.356 m Vậy, lưu lượng cho hệ thống dòng chảy: mskgcp /003,03  smq /094,0)83,18( )003,0()865( )356,0)(180,3( 3554,0 107,0446,0 661,2  Hệ thống dòng chảy “looping” Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 865,0 325,131 5,141 5,131 5,141      oAPI  Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 49 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Kiểu mặt bít: Hai chuẩn chính của mặt bít là: ANSI-American National Standards Institude (hay còn gọi là ASA) API-American Petroleum Institude MẶT BÍCH – FLANGES Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 50 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… MẶT BÍCH – FLANGES Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 51 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Nominal size: là kích thước danh nghĩa của mặt bích. Pressure rating: là cấp chịu áp lực Đối với mặt bích kiểu ANSI hay ASA sẽ có các cấp (class) như bảng 6 sau: MẶT BÍCH – FLANGES Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 52 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Chú ý là áp suất làm việc tối đa, và áp suất thử thuỷ lực ở bảng trên được xem xét ở nhiệt độ –20 đến 100oF (đơn vị là psi). Ngoại trừ class 150 còn các class khác thì max working press (WP) = class x 2.4 Test press = 1,5 x WP Ví dụ: MẶT BÍCH – FLANGES Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 53 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Mặt Bích API có các cấp độ như sau: API 2000 psi, API 3000 psi, API 5000 psi, API 10000 psi, API 15000 psi Khả năng chịu áp lực của MWP phụ thuộc vào nhiệt độ, nói chung cứ tăng 50oF thì MWP giảm 1,8% theo bảng sau: MẶT BÍCH – FLANGES Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM BẢNG 7 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 54 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Đối với mặt bích từ 14” trở xuống thì test press = 2 lần max WP. Đối với mặt bích từ 16” trở lên thì test press = 1,5 lần MWP MẶT BÍCH – FLANGES Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM BẢNG 8 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 55 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Material designation: vật liệu chế tạo mặt bích ví dụ A105, A 105 M-96, A 181, A182, A182 M –96, A350… MẶT BÍCH – FLANGES Khả năng chịu áp suất của vật liệu suy giảm theo nhiệt độ Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 56 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… MẶT BÍCH – FLANGES Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM BẢNG 9 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 57 Kỹ Thuật Khi Lắp Mặt Bích: Khi lắp phải làm sao cho cân đối, phân bố đủ lực và đều trên các bulông, do đó khi lắp thường xiết các bulông ở vị trí đối xứng và được đánh số như sau: ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… MẶT BÍCH – FLANGES Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 58 Chú ý ban đầu không xiết bulông vào quá mức như hình vẽ ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… MẶT BÍCH – FLANGES Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 59 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… MẶT BÍCH – FLANGES Các Kiểu Bề Mặt Của Mặt Bích Ring Joint: làm kín bằng kim loại, dùng cho áp suất cao Raised Face Flat face: dùng non-metallic gasket để làm kín, dùng cho áp suất thấp. Insulated flangers Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 60 Công thức tính áp suất thử thuỷ lực đường ống: ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Đường kính của ống (in) P = 2St/D Độ dày của ống Áp suất làm việc, Psi Ứng suất dọc trục/ chu vi Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 61 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… S được lấy bằng % của giới hạn chảy tối thiểu (min yield strength) grade Size percent of specified min yield strength A & B 23/8in(60,3mm) và lớn hơn 60% X42 59/16in(141,3mm) và nhỏ hơn 60% 65/8in (168,3mm) vaø 85/8in (219,1mm) 75% đến 103/4in (273mm) vaø 185/8in (457mm) bao gồm 85% X80** 20in (508mm) và lớn hơn 90% Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 62 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Giới hạn chảy của loại grade A và B như sau : grade min tension strength pa M min yield stength pa M A 330 205 B 415 240 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 63 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Áp suất làm việc lớn nhất cho phép của ống P = 2SEt/(D+1.2t) Trong đó: S =15000 psig ứng suất của hầu hết vật liệu ống thông thường ở nhiệt độ -20 to 650 độ F E = 1 hiệu suất liên kết cho ống đúc không hàn D = đường kính trong của ống không hàn t = độ dày ống thấp nhất, inches (0,875 times the nominal thichness) Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 64 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Độ dày tối thiểu (min) của ống, in: t = PR/(SE-0.6P) Trong đó: P: áp suất ống (psig) S = 15000 ứng suất cho hầu hết các loại ống có nhiệt < 650 độ F E hiệu suất nối của ống đúc liền R bán kính trong của ống Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 65 Bảng tra thông số ống Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM BẢNG 10 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 66 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI… Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM