Bài giảng: Công nghệ khí (ThS. Hoàng Trọng Quang)

Bài giảng CÔNG NGHỆ KHÍ

Chương 5:

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

GVGD: ThS. Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS. Hà Quốc Việt

NỘI DUNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

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

ĐO LƯU LƯỢNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

ĐO BẰNG ORIFICE

Copyright 2008

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.

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 3

ĐO LƯU LƯỢNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

ĐO BẰNG ORIFICE

Copyright 2008

Sau khi có các thông tin từ các thiết bị đo ta có công thức tính toán như sau:

325

 CQ

. Ph w



273

T b

FYFFFFFFF pv a g 0000333

b pb  .0[1

r ( T

tb 

)]

for

304

316

Stainless

Steel

F a

meas



F tb

101 . P b  288





1  DF .

p



F tf

288 

273



000 G

3528 G

G 1

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 4

ĐO LƯU LƯỢNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

ĐO BẰNG ORIFICE – Bảng 1 Q m3/h Lưu lượng tính ở điều kiện chuẩn

Chênh áp qua orifice

Áp suất trước orifice

Hệ số orifice

hw mm H2O Pf kpa(abs) Fb

Tra bảng 3-16, phụ thuộc vào kích cỡ orifice và đường kính ống thông số này để tra ra đường kính orifice

Fpb

Aùp suất điều kiện chuẩn Pb=101.325 kpa

Hệ số áp suất điều kiện chuẩn, Fpb = 101.325/Pb = 1

Ftf

Nhiệt độ đk chuẩn = 15oC. Tf = nhiệt độ dòng khí

oC))0.5

Fpv

 : tỷ trọng tương đối của khí ơû 15oC

b tra bảng

Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ so với nhiệt độ điều kiện chuẩn, Ftf = (288/(273 + Tf Hệ số phụ thuộc vào hệ số nén Z Fpv = (1/Z)0.5 Hệ số phụ thuộc vào tỷ trọng  Fg = (1/)0.5 Hệ số phụ thuộc vào hệ số Reynold (chế độ dòng chảy) = 1+ b/(hwPf)0,5 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

Hệ số giãn nở nhiệt của orifice = 1 khi Tf<120oF.

Fa Tmeas 11/14/2013

The university of technology in HCM city 5

ĐO LƯU LƯỢNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

ĐO BẰNG ORIFICE

Copyright 2008

Tỉ số giữa đường kính trong của ống và đường kính orifice tốt nhất vào khoảng:

Pipe taps 0,20,67

Flange taps 0,150,7

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 6

Orifice Plate Differential Pressure

ĐO LƯU LƯỢNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Cover Plate

ĐO BẰNG ORIFICE

Copyright 2008

Jack Bolts

Standard Orifice Flange

(a) Simple Chamber (Junior) Orifice Fitting

(b)

Cover Plate

Chamber Differential Pressure Valve Tabs

Senior Orifice Fitting Flanged Senior (c) 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 7 Side Sectional View

ĐO LƯU LƯỢNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

KIỂU TURBINE

Copyright 2008

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.

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 8

ĐO LƯU LƯỢNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

KIỂU TURBINE

Copyright 2008

BỘ ĐO LƯU LƯỢNG KIỂU TURBINE

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 9

ĐO LƯU LƯỢNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

KIỂU TURBINE

Copyright 2008

Bảng tra hệ số Fb

11/14/2013 10

ĐO LƯU LƯỢNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

KIỂU TURBINE

Copyright 2008

Bảng tra hệ số b

11/14/2013 11

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Chế độ dòng chảy

Copyright 2008

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.

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 12

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Chế độ dòng chảy

Copyright 2008

Để xác định chế độ dòng chảy, Reynold đã đưa ra một hệ số không đơn vị - hệ số Reynold Re:

Đường kính trong của ống (m)

Vận tốc dòng chảy (m/s)



Re Hệ số REYNOLD

Tỷ trọng môi chất tại điều kiện dòng chảy

Độ nhớt môi chất 1kg/(m.s) =103cp



Lưu lượng khối lượng (kg/s)



dv   4 q   d 4 m  d

Lưu lượng thể tích (m3/s)

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 13

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Hệ số ma sát

Copyright 2008

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

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 14

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất lỏng

Copyright 2008

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).

11/14/2013 15

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất lỏng

Copyright 2008

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:

Chiều dài ống (m)



 P f

2 . . . vL f . dg c

Tổn hao áp lực do ma sát

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:











PPP 2 1

 P f

P X

 f dg

 gX g

Hệ số chuyển đổi khối lượng/ lực = 1 (kg.m/N.s2)

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 16

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Đường kính ống dẫn dầu khí

Copyright 2008

2,0

4,0

265



pLf . .  f gP

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:

207

397

036



647

q .

172,0 ,0  .



L f gP

   

   

Đối với ống lớn:

208

376

041



647

q .

168,0 ,0  .



   

   

L f gP Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

11/14/2013 17

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Ví dụ 1

Copyright 2008

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:

208

376

041



647

q .

168,0 ,0  .



L f gP

   

   

0,208

0,376

0.168

0.041



0,647.(0,0

416)

.(790)

 0,001

 . 10.

 

20000 500000.1

 .  

  



0,255m

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 18

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Lưu lượng vận chuyển

Copyright 2008

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:

547

64,2



094

d . 127,3 ,0 453 ,0   .

gP . f L

   

  

  

Đối với ống lớn:

554

661



107,0

180,3 446 ,0 

d .  .

gP . f L

  

   

  

  

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 19

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Tổn hao áp suất

Copyright 2008

Đối với ống nhỏ:

828

172,0





828

q ,8

828  . . ,4 dg 038 . c

Đối với ống lớn:

806

194,0





806

q ,8

,0  . . 081

 . ,4 dg . c

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 20

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Ví dụ 2

Copyright 2008

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:

806

194,0





806

q ,8

,0  . . 081

 . ,4 dg . c

1,806

0,806

0.194

0,0416

)



20000

.790 (8,081.1.

.(10.0,001 4.806 )

0,254



510000Pa

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 21

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất khí

Copyright 2008

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.

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 22

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất khí

Copyright 2008

Công thức tính áp suất trung bình:









PP  1 2

2 3

 

PP 21 PP  1 2

P 1 P 1

P P 2

  

  

  

  

  

   P1, P2: áp suất điểm đầu và cuối (Kpa)

Công thức tính nhiệt độ trung bình:

T1, T2: Nhiệt độ điểm đầu và cuối (oK) Tg: Nhiệt độ môi trường quanh ống (oK)





T m

T g

 TT 1 2  TT   1 g   T T  2 g

   

      

      

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 23

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất khí

Copyright 2008

11/14/2013 The university of technology in HCM city 24

LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

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

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 25

SƠ LƯỢC VỀ DÒNG CHẢY

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

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

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 26

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

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:



sin 



dp dL

g g

 v g

dv dL

 vf 2 dg c

Hay



(

)



(

)



(

)

acc

dp dL

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 27

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

sin g

Thành phần tổn hao thế năng, cột áp thuỷ tĩnh do thay đổi độ cao nó được xác định tương đối dễ dàng;



)

(

Trong đó: dp dL

(



Thành phần tổn hao áp suất, nay là phần quan trọng và khó xác định nhất;

dp ) dL

g 2 f dg 2 c

(

)



acc

dp dL

 g

.. dvv . dL

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.

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 28

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

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).

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 29

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

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

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 30

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

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

(Công thức Jain)

f 

0393

14,1

log(







)

 d

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 ) 1 f

25,21 9,0 N Re

Tổn thất áp suất p = fv2L/2gcd

= 318,3 kPa = 42,6 psi = 2,31 psi

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 31

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

Phương trình cơ bản của dòng chảy ổn định đơn pha của chất khí trong đường ống

 q





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.  G const Phương trình liên tục: là khối lượng riêng của khí.

vA Trong đó A là tiết diện dòng chảy,

const



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: p ZT

2 D 4

TZ sc p

p ZT

T sc p

11/14/2013 32

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Xác định tổn thất áp suất

Copyright 2008

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:

806

194,0

,0(

0416

)

(

20000

)





10.51

( ,8

790 081

) ,0)(0,1(

,0(10[ 254

001 ) 806 ,4 )

– Tổn thất tính theo hệ BES:

806

194,0

)46,1(

)(42.12(

5280

)





10500

psf



psi

806

)3,49( ,8

081

,0(10[ 000672 ) 833,0)(17.32( )

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 33

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

Thông số làm việc tối ưu cho dòng chảy

Vận tốc:

Vận tốc lớn nhất của dòng khí được xác định bởi:

v 

A 5,0

Trong đó A là hằng số. Với hệ SI thì A = 146, hệ FPS thì A = 120.

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 34

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

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:



347,0(1

5,0 

)216

F c

L e L

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 35

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

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

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 36

Tổn hao áp lực qui đổi của van, đầu nối

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

Le = 1,8 m

11/14/2013 The university of technology in HCM city 37

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Ví dụ 5

Copyright 2008

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).

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 38

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Giải

Copyright 2008

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

11/14/2013 39

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

Các thông số làm việc tối ưu cho dòng chảy

Cột áp trong đường ống

SI FPS

H – cột áp m ft

- -  - tỷ trọng tương đối

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:

- -

ln

 AT

H z mm

P A P B

Mpa psia

Phương trình ở trên cũng có thể viết lại dưới dạng:



P  A

eP B

 H AT mm z

Tm – nhiệt độ trung bình zm – hệ số nén trung bình PA – suất tại đầu vào PB – Áp suất tại đầu ra A – hằng số 29,28 53,34

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 40

Ví dụ 6

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

4,0

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

4,04

6,0

Tính áp suất tại điểm A?

11/14/2013 The university of technology in HCM city 41

Giải

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

s = (100m) (0,7)/[(29,28)(300OK)(0,9)] = 0,00885 PA = 4MPa.e0,00885 = 4,04

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 42

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Vận tốc tối đa

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Copyright 2008

Vận tốc tối đa của dòng chảy trong ống Vận tốc tối đa của chất lỏng liên tục được xác định:



max

 AK 5,0 

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

100 100 K

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 43

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Hệ thống dòng chảy “looping”

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: ,0

554

661

P f

(5.26)



107

   L 

  

(5.27)

ieq .......

( 



)

Thay thế phương trình (5.26) vào

 

in

661

554



,2 d 180,3 e 466 ,0 ,0   Lưu lượng ống chính: Chú ý rằng: ( )  P f phương trình (5.27) ta được: ,2 d e ,0 L e

,2 d in ,0 L i

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 44

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Hệ thống dòng chảy “looping”

Lưu lượng ống chính:

ieq



( 

.......





)

(

 

in

) Chú ý rằng i Thay thế phương trình (5.26) vào phương trình (5.27) ta được:

661

Đối với ống lớn:

554



,2 d e ,0 L e

,2 d in ,0 L i

641

Đối với ống nhỏ:

547



,2 d e ,0 L e

,2 d in ,0 L i

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 45

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Hệ thống dòng chảy “looping”

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’’

14’’

10’’

8’’

12’’

6km

10km

25km

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 46

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Hệ thống dòng chảy “looping”

Giải:

Chuyển hệ thống đường óng phức tạp “looping” sang đoạn ống có chiều dài tương đương bằng cách sử dụng công thức : 661

661

554



,2 d e ,0 L e

,2 d in ,0 L i

Chiều dài tương đương của đoạn ống “looping” của đoạn 1: ,2 661

661





 Le = 5,3 km

554

10 ,0 6

12 ,0 6

Chiều dài tương đương của đoạn ống “looping” của đoạn 2: 661

661





 Le = 22,8 km

554

10 10

8 10

Chiều dài tương đương của toàn hệ thống đường ống là:

Le = 5,3 + 22,8 + 25 = 53,1 km

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 47

DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Hệ thống dòng chảy “looping”

Giải





865,0

Tỉ trọng:

141  5,

5, API

131

141 5,

5, 

131



003



3 / cp Độ nhớt: P/L = 1000000/53100 = 18,83 Pa/m d = 14 in = 0.356 m

Vậy, lưu lượng cho hệ thống dòng chảy:

661

554



)83,18(



094,0

3 / sm

107

180,3( ,0 )865(

)356,0)( 446 )003,0(

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 48

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

MẶT BÍCH – FLANGES

Kiểu mặt bít: Hai chuẩn chính của mặt bít là:

ANSI-American National Standards Institude (hay còn gọi là ASA) API-American Petroleum Institude

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 49

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

MẶT BÍCH – FLANGES

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 50

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

MẶT BÍCH – FLANGES

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:

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 51

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

MẶT BÍCH – FLANGES

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:

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 52

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

MẶT BÍCH – FLANGES

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:

BẢNG 7

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 53

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

MẶT BÍCH – FLANGES

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

BẢNG 8

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 54

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

MẶT BÍCH – FLANGES

Material designation: vật liệu chế tạo mặt bích ví dụ A105, A 105 M-96, A 181, A182, A182 M –96, A350…

Khả năng chịu áp suất của vật liệu suy giảm theo nhiệt độ

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 55

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

MẶT BÍCH – FLANGES

BẢNG 9

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 56

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

MẶT BÍCH – FLANGES

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:

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 57

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

MẶT BÍCH – FLANGES

Chú ý ban đầu không xiết bulông vào quá mức như hình vẽ

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 58

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

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

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 59

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Công thức tính áp suất thử thuỷ lực đường ống:

Độ dày của ống

Đường kính của ống (in)

P = 2St/D

Ứng suất dọc trục/ chu vi

Áp suất làm việc, Psi

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 60

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

S được lấy bằng % của giới hạn chảy tối thiểu (min yield strength)

grade

Size

percent of specified min yield strength

60%

A & B

23/8in(60,3mm) và lớn hơn

60%

X42

59/16in(141,3mm) và nhỏ hơn

75%

65/8in (168,3mm) vaø 85/8in (219,1mm)

đến

85%

103/4in (273mm) vaø 185/8in (457mm) bao gồm

90%

X80**

20in (508mm) và lớn hơn

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 61

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

grade

min yield stength pa

Giới hạn chảy của loại grade A và B như sau : min tension strength pa

M

A 3 3 0 2 0 5

B 4 1 5 2 4 0

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 62

ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍT, ĐẦU NỐI…

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

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)

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 63