close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- Ухтинский государственный технический университет

код для вставкиСкачать
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
Трубопроводный транспорт
нефти и газа
Решение типовых задач
Методические указания
Ухта, УГТУ, 2014
УДК [622.691.4+622.692.4](076.1)
ББК 39.7 я7
П 53
Полубоярцев, Е. Л.
П 53
Трубопроводный транспорт нефти и газа. Решение типовых задач [Текст] : метод. указания / Е. Л. Полубоярцев, П. В. Благовисный,
Е. В. Исупова. – Ухта : УГТУ, 2014. – 47 с.
Методические указания предназначены для руководства при решении типовых
задач по курсу «Трубопроводный транспорт нефти и газа» для направления
подготовки 131000.62 «Нефтегазовое дело».
Содержание указаний соответствует рабочей программе.
УДК [622.691.4+622.692.4](076.1)
ББК 39.7 я7
Методические указания рассмотрены и одобрены заседанием кафедры ПЭМГ
от 28 мая 2014 года, пр. №09.
Рецензент: Н.С. Вишневская, доцент кафедры ПЭМГ, к.т.н.
Редактор: Е. В. Исупова.
В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.
План 2014 г., позиция 24.
Подписано в печать 30.06.2014. Компьютерный набор.
Объем 47 с. Тираж 110 экз. Заказ №286.
© Ухтинский государственный технический университет, 2014
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.
Типография УГТУ.
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.
СОДЕРЖАНИЕ
Примерная рабочая программа дисциплины............................................................ 4
Глоссарий ..................................................................................................................... 6
Общие сведения о трубопроводном транспорте нефти и газа ............................... 9
Решение типовых задач ............................................................................................ 11
1. Физические свойства нефтей и нефтепродуктов ............................................... 11
1.1. Плотность жидкости ....................................................................................... 11
Задача 1. .................................................................................................................. 15
Задача 2. .................................................................................................................. 15
Задача 3. .................................................................................................................. 15
Задача 4. .................................................................................................................. 16
1.2. Вязкие свойства жидкости ............................................................................. 17
Задача 5. .................................................................................................................. 19
Задача 6. .................................................................................................................. 20
Задача 7. .................................................................................................................. 20
1.3. Деформируемость трубопровода .................................................................. 20
Задача 8. .................................................................................................................. 21
Задача 9. .................................................................................................................. 21
2. Физические свойства природных газов .............................................................. 22
2.1. Свойства природных газов............................................................................. 22
Задача 10 ................................................................................................................. 26
Задача 11 ................................................................................................................. 26
Задача 12. ................................................................................................................ 26
Задача 13. ................................................................................................................ 27
2.2. Простейшие термодинамические процессы ................................................ 27
Задача 14. ................................................................................................................ 34
Задача 15. ................................................................................................................ 34
Задача 16. ................................................................................................................ 35
Тренировочные задания для подготовки к контрольной работе .......................... 36
Пример контрольного теста ..................................................................................... 41
ПРИЛОЖЕНИЯ ......................................................................................................... 42
ОСНОВНЫЕ БУКВЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН .............................. 42
ЕДИНИЦЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ (СИ) ...................... 43
ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ ....................................................................... 44
СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ЕДИНИЦАМИ ИЗМЕРЕНИЙ ............................. 46
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................... 47
3
ПРИМЕРНАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Для бакалавров, обучающихся по направлению 131000.62 «Нефтегазовое
дело», по дисциплине Трубопроводный транспорт нефти и газа предусмотрены
лекционные и лабораторные (практические) занятия.
№
Наименование
1
Факультет, кафедра
2
Наименование учебной
дисциплины, вид итогового контроля, общее
распределение баллов
3
Ф.И.О. преподавателя
4
Специальность, курс,
учебный семестр
Содержание
Институт нефти и газа, кафедра проектирования
и эксплуатации магистральных газонефтепроводов
Трубопроводный транспорт нефти и газа, экзамен.
Рейтинговая оценка студента по дисциплине складывается
из оценки работы в семестре (максимально 70 баллов) и экзамена
(максимально 30 баллов). Итого максимально 100 баллов
Полубоярцев Евгений Леонидович
Благовисный Павел Вадимович
Исупова Екатерина Владимировна
131000.62 «Нефтегазовое дело» (НГД),
1 курс – весенний семестр
Бонусные баллы
5
3 лаб.
работы
Контр.
работа
СРС
Экзаменационный тест
Распределение баллов
100%-ое посещеза семестр по видам
ние всех аудиучебной работы (довоторных
занятий:
дятся до сведения
8+8+4 балла за 10 балл.*3= 20 бал- 20 бал30 баллов
студентов на первом
1-й, 2-й и 3-й мо- = 30 баллов
лов
лов
учебном занятии), сро- дуль соответстки сдачи результатов
венно.
учебной работы
Итого 20 баллов
(при необходимости)
Плановое выполнение 1 лаб. раб. –6 неделя, 2-й лаб. раб. – 10 не-
6
Критерии допуска
к итоговому контролю,
возможности получения
автоматического зачѐта
по дисциплине, формы
и виды учебной работы
для неуспевающих (восстановившихся на курсе
обучения) студентов для
«добора» баллов в конце
учебного семестра
7
Критерии пересчѐта
баллов в оценку
деля, 3 лаб. раб. – 14 неделя. Плановое выполнение контрольной
работы – 16 неделя.
Плановое выполнение СРС в течение семестра.
Для получения допуска до экзамена необходимо набрать не
менее 50 баллов при условии выполнения контрольной работы.
Завершение дисциплины без итогового контроля возможно в
том случае, если студент имеет 100% посещаемость и набрал за
семестр не менее 70 баллов.
Проверка СРС:
1) подготовка доклада (возможно использование презентации)
и его защита по одной из тем выделенных на самостоятельное изучение или доклад на конференции по тематике соответствующей
данной дисциплине.
2) проведение тестирования по темам, выделенным на самостоятельное изучение.
60 и менее баллов – «неудовлетворительно»;
61-73 баллов – «удовлетворительно»,
74-87 баллов – «хорошо»,
88-100 баллов «отлично».
4
Рабочим учебным планом для бакалавров I курса направления подготовки
131000.62 «Нефтегазовое дело» по дисциплине Трубопроводный транспорт
нефти и газа выделено 18 часов на лабораторные (практические) занятия. Примерное содержание лабораторных (практических) занятий, а также количество
баллов, которое студент может набрать за выполнение лабораторных работ,
решение типовых задач и выполнение контрольной работы, представлено
в таблице:
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Краткое содержание
практических/лабораторных занятий
Число академических
часов
Исследование реологических свойств
нефти и нефтепродуктов
Определение погрешностей
при измерениях
Математическая обработка
результатов измерений
Лабораторная работа №1
Обработка результатов измерений
Состав и свойства нефти
и нефтепродуктов
Лабораторная работа №2
Определение плотности
нефти и нефтепродуктов
Лабораторная работа №3
Определение вязкости жидкости
Решение типовых задач
Выполнение и защита контрольной
работы
Количество баллов
2
2
Модуль №1:
10
2
2
2
Модуль №2:
10
2
Модуль №3:
10
2
2
2
20
В случае несвоевременного выполнения контрольной работы с учѐтом
понижающих коэффициентов можно набрать следующее количество баллов:
Кол-во
правильных 0 неделя
ответов
10/10
20
9/10
18
8/10
16
7/10
14
6/10
12
5/10
10
4/10
8
3/10
6
2/10
4
1/10
2
0/10
0
1 неделя
2 неделя
3 неделя
4 неделя
5 неделя
6 неделя
18
16
14
12
10
8
6
4
2
1
0
16
14
12
10
8
6
4
2
1
0
0
14
12
10
8
6
4
2
1
0
0
0
12
10
8
6
4
2
1
0
0
0
0
10
8
6
4
2
1
0
0
0
0
0
8
6
4
2
1
0
0
0
0
0
0
5
ГЛОССАРИЙ
Аддитивность (лат. additivus – «прибавляемый») – свойство величин, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям, в некотором классе
возможных разбиений объекта на части. Например, аддитивность объѐма означает, что объѐм целого тела равен сумме объѐмов составляющих его частей.
Ареометр – прибор, который представляет собой стеклянную полую
трубку, зауженную в верхней части и герметично запаянную с обоих концов. В
нижней части ареометра находится груз (как правило, металлическая дробь),
вверху – шкала плотности. Масса ареометра заранее известна и точно отрегулирована.
Баррель – единица измерения объѐма нефти, равная 42 галлонам, или
158,988 литров.
Вискозиметр – прибор в виде U-образной трубки. Принцип действия капиллярного вискозиметра основан на измерении во времени истечения определѐнного объѐма исследуемой нефти через капиллярную трубку.
Вязкость (внутреннее трение) – одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной
их части относительно другой. В результате происходит рассеяние в виде тепла
работы, затрачиваемой на это перемещение.
Газовый фактор – отношение объѐмов полученного из скважины газа и
добытой за то же время нефти, приведѐнных к атмосферному давлению и температуре 20°С.
Газоперерабатывающий завод – промышленное предприятие по переработке природного и попутного газа, газового конденсата с получением индивидуальных углеводородов и их смесей, а также сопутствующих продуктов (серы,
гелия) и газомоторных топлив.
Деформация (от лат. deformatio – «искажение») – изменение взаимного
положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга.
Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний
и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которого является упругое механическое напряжение.
Касательное напряжение – сила трения между слоями жидкости, разделѐнными выбранной площадкой, отнесѐнная к площади этой площадки.
6
Коэффициент теплового объѐмного расширения – относительное изменение объѐма жидкости при изменении температуры на 1 градус.
Магистральный трубопровод – трубопроводная система с давлением более 1,2 МПа, позволяющая транспортировать углеводороды с промысла на нефтегазоперерабатывающие заводы и другим потребителям.
Модуль Юнга – физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации.
Нефтепереработка – крупнотоннажное производство, основанное на
превращениях нефти, еѐ фракций и нефтяных газов в товарные нефтепродукты
и сырьѐ для нефтехимии, основного органического синтеза и микробиологического синтеза. Это производство представляет собой совокупность осуществляемых на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) физических и химикотехнологических процессов и операций, включающую подготовку сырья, его
первичную и вторичную переработку.
Нефтепровод – сооружение для транспортировки нефти, в состав которого входят трубопровод, насосные станции и хранилища. Различают нефтепроводы промысловые и магистральные.
Нефтепродукты – смеси углеводородов, а также индивидуальные химические соединения, получаемые из нефти и нефтяных газов. Используются в
качестве топлив, смазочных материалов, электроизоляционных сред, растворителей и нефтехимического сырья.
Нефтехимия – 1) раздел химии, изучающий химизм превращений углеводородов нефти и природного газа в полезные продукты и сырьевые материалы; 2) раздел химической технологии (второе название – нефтехимический
синтез), описывающий технологические процессы, применяемые в промышленности при переработке нефти и природного газа – ректификация, крекинг,
риформинг, алкилирование, изомеризация, коксование, пиролиз, дегидрирование (в том числе окислительное), гидрирование, гидратация, аммонолиз, окисление, нитрование и др.; 3) отрасль химической промышленности, включающая
производства, общей чертой которых является глубокая химическая переработка углеводородного сырья (фракций нефти, природного и попутного газа).
Нефть (из тур. neft) – природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов
различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений.
Плотность – скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объѐму или площади.
7
Реология (от греч. πέορ, «течение, поток», λόγορ – «учение») – наука, которая изучает механическое поведение твѐрдо- и жидкообразных тел.
Состав нефти – смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых
большая часть – жидкие углеводороды (>500 веществ или обычно 80-90% по
массе) и гетероатомные органические соединения (4-5%), преимущественно
сернистые (около 250 веществ), азотистые (>30 веществ) и кислородные (около
85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые
и никелевые); остальные компоненты – растворѐнные углеводородные газы (C1C4, от десятых долей до 4%), вода (от следов до 10%), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси.
Трубопровод – устройство или сооружение из плотно соединѐнных труб,
предназначенное для транспортировки жидких, газообразных или сыпучих веществ. В зависимости от транспортируемой среды для трубопроводов используются термины: водопроводы, газопроводы, паропроводы, нефтепроводы,
воздухопроводы, маслопроводы, молокопровод и т. д.
Трубопроводная арматура – устройство, устанавливаемое на трубопроводах, агрегатах, сосудах и предназначенное для управления (отключения,
распределения, сброса, смешивания, фазоразделения) потоками рабочих сред
(жидкой, газообразной, газожидкостной, порошкообразной, суспензии и т. п.)
путѐм изменения площади проходного сечения. Трубопроводная арматура характеризуется двумя главными параметрами: условным проходом (номинальным размером) и условным (номинальным) давлением.
Трубопроводный транспорт – нефтепровод, продуктопровод, газопровод,
по которому производится перекачка от одного пункта до другого.
Энтальпия – термодинамическая функция, определяемая как сумма внутренней и объѐмной энергий. Энтальпия является потенциалом, т. е. еѐ изменение зависит только от начального и конечного состояния и не зависит от пути.
Энтальпия характеризует состояние термодинамической системы. Изменение
еѐ есть мера изменения работы в адиабатических процессах. Это изменение
равно количеству теплоты, которое подводится или отводится от системы при
p = const. Энтальпия есть функция давления и температуры.
Энтропия – является мерой необратимости рассеяния энергии в термодинамических процессах в системе. Энтропия является потенциалом.
8
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРУБОПРОВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ
НЕФТИ И ГАЗА
Роль трубопроводного транспорта в системе нефтегазовой отрасли промышленности чрезвычайно высока. Он является основным и одним из дешѐвых
видов транспорта нефти от мест добычи на нефтеперерабатывающие заводы и
экспорт. Магистральные трубопроводы, обеспечивая энергетическую безопасность страны, в то же время позволяют разгрузить железнодорожный транспорт
для перевозок других важных для народного хозяйства грузов. Трубопроводный
транспорт нефти и газа имеет ряд преимуществ по сравнению с водным и железнодорожным транспортом: минимальная дальность транспортировки, наименьшие потери нефти, наибольшая автоматизация технологических процессов.
Магистральный трубопровод (МТ) – это транспортное сооружение,
предназначенное для транспортировки больших объѐмов жидких и газообразных продуктов на большие расстояния.
Магистральный трубопровод обычно имеет протяжѐнность от нескольких
сотен до нескольких тысяч километров. Известны магистральные водопроводы,
газопроводы, нефтепроводы, аммиакопроводы и трубопроводы для прочих
продуктов – продуктопроводы. Под продуктопроводами обычно понимается
трубопровод для транспортировки жидких углеводородов, получаемых из нефти или газа на соответствующих нефте- или газоперерабатывающих заводах.
Транспортировка продукта по магистральному трубопроводу (МТ) осуществляется с высоким давлением (4-10 МПа) и высокой скоростью. Для жидкостей это 1-3 м/с, для газа – до 10-14 м/с. Для увеличения производительности
МТ их строительство ведут из труб большого диаметра – до 1420 мм. Учитывая
высокое давление внутри действующего трубопровода, стенки труб выполняют
из прочных, марганецсодержащих сталей. Толщина стенок – от 9 до 25 мм.
Объѐмы поставляемых по МТ продуктов постоянно увеличиваются. Газ и
нефть используются в России, поставляются в страны ближнего и дальнего зарубежья. Количество потребителей непрерывно растѐт. Для увеличения объѐма
и повышения надѐжности поставок газ транспортируют по нескольким параллельно проложенным трубам (ниткам). Объѐм транспортируемого по одной
нитке газа может достигать (50÷100)·106 м3/сутки.
Для повышения надѐжности трубопроводной магистрали все нитки разбиты на участки длиной 10-20 км. Каждый из таких участков в случае необходимости может быть выведен из рабочего режима с помощью линейных кранов, отсекающих его от остальной части данной нитки. Кроме того, каждый из
участков может быть подключен через отводы с кранами к параллельно иду9
щим трубам. Отводы также снабжены отсечными кранами. Такая конструкция
позволяет вывести из рабочего режима участок, имеющий повреждения, и вести его ремонт без прекращения транспортировки продукта по МТ, распределив
поток рабочей среды по другим ниткам.
Магистральный трубопровод – сложное техническое сооружение, подверженное агрессивному воздействию окружающей среды. Если рассмотреть
МТ, по которому поставляется газ из Ямала в Западную Европу, то легко заметить, что этот газопровод проходит по нескольким климатическим зонам, пересекает болотистую местность и реки. При этом трубы испытывают воздействие
низких температур на Севере и сезонные механические воздействия от колебаний уровня рек и болот, а также переменные механические нагрузки, порождаемые изменениями скорости течений рек, по дну которых проложены подводные переходы. Сезонные колебания уровня рек и болот создают изгибные
механические напряжения в стенках труб. Сезонные изменения объѐмов поставляемого газа приводят к колебаниям количества тепла, вносимого газом
внутрь трубы. Результатом этого являются изменения температуры стенок трубы, что ведѐт к изменению механических напряжений в стенках трубы. Периодические изменения механических напряжений вызывают ускоренное старение
и растрескивание материала стенок труб.
Протяжѐнность трубопроводных магистралей России постоянно увеличивается, осуществляется модернизация и техническое перевооружение ранее построенных трубопроводов, внедряются современные средства связи и управления, совершенствуются технологии транспорта высоковязких и застывающих
нефтей, сооружения и ремонта объектов магистральных нефтепроводов.
На современном этапе при проектировании систем трубопроводного
транспорта нефти и газа необходимо обеспечивать техническую осуществимость в сочетании с передовыми технологиями, экологическую безопасность и
экономическую эффективность, а также высокую надѐжность при эксплуатации, что требует, в свою очередь, высококвалифицированных специалистов в
области проектирования, сооружения и эксплуатации магистральных газонефтепроводов.
10
РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ
1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
1.1. Плотность жидкости
Плотность, π, представляет собой массу жидкости в единице объѐма.
Размерность плотности даѐтся формулой M/L3. Единицей измерения плотности
в системе СИ служит 1 кг/м3. Например, плотность бензинов составляет 730760 кг/м3, керосинов – 780-830 кг/м3, дизельных топлив – 840-850 кг/м3, нефтей –
840-960 кг/м3.
При изменении давления и температуры плотность нефти или нефтепродукта изменяется. С повышением температуры плотность нефти уменьшается.
От колебания температуры зависит и изменение объѐма нефти. Для оценки этого изменения введено понятие коэффициента теплового объѐмного расширения, , – это относительное изменение объѐма жидкости при изменении температуры на 1 градус:
(1)
Для расчѐта плотности в зависимости от температуры используется формула
(2)
где
– коэффициент теплового объемного расширения, 1/град;
t – температура, при которой требуется узнать плотность, °С;
– плотность жидкости при стандартных условиях (t = 20°С,
Таблица 1 – Коэффициент объѐмного расширения нефти в зависимости
от плотности нефти и нефтепродуктов
Плотность при 20°С, кг/м3
700-719,9
720-739,9
740-759,9
760-779,9
780-799,9
800-819,9
820-839,9
840-859,9
860-879,9
880-899,9
900-919,9
920-939,9
Коэффициент 1/°С
0,001225
0,001183
0,001118
0,001054
0,000995
0,000937
0,000882
0,000831
0,000782
0,000734
0,000688
0,000645
11
Ещѐ Д. И. Менделеевым было установлено, что для большинства нефтей
и нефтяных фракций, особенно в небольших интервалах температур (0-50°С),
зависимость плотности и удельного веса от температуры имеет линейный характер, что выражается формулой
(3)
где
– изменение удельного веса при изменении температуры на 1 градус:
, и называется температурной поправкой. Эта формула позволяет
вычислять плотность (удельный вес) при температуре , если известна плотность при температуре :
(4)
где
– плотность при температуре t, °С;
– плотность при температуре 20°С;
– температурная поправка к плотности.
Таблица 2 – Температурные поправки
Плотность,
кг/м3
650-659
660-669
670-679
680-689
690-699
700-709
710-719
720-729
730-739
740-749
750-759
760-769
770-779
780-789
790-799
800-809
810-819
820-829
830-839
840-849
850-859
860-869
Температурная
поправка
на 1oС
0,962
0,949
0,936
0,925
0,910
0,897
0,884
0,870
0,857
0,844
0,831
0,818
0,805
0,792
0,778
0,765
0,752
0,738
0,725
0,712
0,699
0,686
Плотность,
кг/м3
Температурная поправка
на 1oС
Плотность,
кг/м3
870-879
880-889
890-899
900-909
910-919
920-929
930-939
940-949
950-959
960-969
970-979
980-989
990-1000
1000-1009
1010-1019
1020-1029
1030-1039
1040-1049
1050-1059
1060-1069
1070-1079
1080-1089
0,673
0,660
0,647
0,633
0,620
0,607
0,594
0,581
0,567
0,554
0,541
0,528
0,515
0,502
0,489
0,476
0,463
0,45
0,437
0,424
0,411
0,398
1090-1099
1100-1109
1110-1119
1120-1129
1130-1139
1140-1149
1150-1159
1160-1169
1170-1179
1180-1189
1190-1199
1200-1209
1210-1219
1220-1229
1230-1239
1240-1249
1250-1259
1260-1269
1270-1279
1280-1289
1290-1299
1300-1309
Температурная
поправка
на 1oС
0,385
0,372
0,359
0,346
0,333
0,320
0,307
0,294
0,281
0,268
0,255
0,242
0,229
0,216
0,203
0,190
0,177
0,164
0,151
0,138
0,125
0,112
Значения температурной поправки плотности могут быть вычислены по
формуле
12
(5)
.
Для расчѐта плотности нефти и нефтепродуктов в зависимости от давления используется формула:
(6)
в которой
называется коэффициентом сжимаемости, а
– модулем
упругости жидкости.
– относительное изменение объѐма жидкости при изменении давления
на 1 единицу:
(7)
Для воды среднее значение модуля объѐмной упругости
Средние значения модуля упругости, , для бензинов составляют
керосинов, дизельных топлив и нефтей
.
В общем случае
, для
(8)
Обобщѐнная формула, учитывающая как барическое, так и тепловое расширение, имеет следующий вид:
(9)
Плотность газонасыщенной нефти в зависимости от температуры изменяется по линейному закону
(10)
где
– температурная поправка плотности нефти.
Плотность газонасыщенной нефти можно рассчитать по методу Стендинга и Катца, используя формулу
(11)
с поправками:
(12)
(13)
(14)
13
где
– плотность газонасыщенной нефти при давлении p и температуре t,
кг/м3;
– плотность нефти после первой ступени сепарации (давление
0,1 МПа) при t = 20°C, кг/м3;
– плотность окончательно разгазированной товарной нефти, кг/м3;
Г – газовый фактор, м3/ м;
– относительная плотность нефтяного газа (по воздуху);
– кажущаяся плотность нефтяного газа, кг/м3.
Установление зависимостей плотности газонасыщенной нефти от температуры, давления и количества растворѐнного газа позволяет определить коэффициенты
– объѐмный коэффициент нефти, характеризующий способность нефти увеличивать свой объѐм при растворении в ней газа).
Плотность в градусах API – единица измерения плотности нефти, разработанная Американским институтом нефти. Измерения в градусах API позволяют определить относительную плотность нефти по отношению к плотности воды при той же температуре. По определению, относительная плотность
равняется плотности вещества, делѐнной на плотность воды. Так, если плотность в градусах API больше 10, то нефть легче и плавает на поверхности воды,
а если меньше 10, то тонет. Плотность в градусах API и относительная плотность при базовой температуре 60°F (15,6°C) связаны чѐтким арифметическим
уравнением и могут быть легко преобразованы друг в друга.
Перевод плотности из единиц СИ в градусы API проводится по следующему алгоритму:
1. Рассчитываем плотность нефти при 15°C по значениям плотности при
20°C:
(15)
,
где
(16)
Kо = 613,97229;
K1 = 0 – для товарной нефти.
2. Рассчитываем плотность нефти при 60°F:
.
3. Рассчитываем относительную плотность:
14
(17)
(18)
,
где
=999,01 кг/м3.
4. Рассчитываем плотность в °API:
(19)
5. Рассчитываем объѐм нефти в баррелях по значениям массы, т:
(20)
где
М – масса в тоннах;
К – коэффициент перевода:
(21)
– отношение 1 барреля к 1 м3.
Задача 1. Плотность нефти при температуре 20°С равна 845 кг/м3.
Вычислить плотность той же нефти при температуре 5°С.
Решение.
Коэффициент ξ теплового расширения данной нефти согласно таблице
составляет 0,000831. Используя формулу (2), получаем
.
3
Ответ: 855,5 кг/м .
Задача 2. Плотность нефти при температуре 5°С составляет 875кг/м3.
Вычислить плотность той же нефти при температуре 20°С.
Решение.
Согласно (1.1) имеем уравнение
.
Коэффициент ξ полагаем сначала соответствующим ξ = 0 000782. Тогда
.
Поскольку найденное значение ρ20 плотности принадлежит тому же интервалу, для которого принято значение коэффициента ξ, то полученный результат в дальнейшем уточнении не нуждается.
Ответ: 864,9 кг/м3.
Задача 3. Плотность зимнего дизельного топлива при температуре
12°С составляет 840 кг/м3. Какова будет его плотность при температуре
18°С?
15
Решение.
Согласно (1.1) имеем
.
Отсюда получаем:
,
.
Если положить ξ = 0 000882, таким же как и для нефти с плотностью 820839 кг/ м3, то для ρ18 получаем:
Тогда
Это значение находится в том же диапазоне плотностей, для которого
справедливо выбранное значение ξ = 0 000882, следовательно, полученный результат в дальнейшем уточнении не нуждается.
Ответ: 835,6 кг/м3.
Задача 4. Проведены измерения плотности нефти ареометром, градуированным при температуре 20°С. Температура нефти: 26,5°С, показание ареометра – 831,6 кг/м3. Найти плотность нефти в градусах API.
Решение.
Согласно (1.1) имеем уравнение
коэффициент ξ полагаем сначала соответствующим ξ = 0 000882. Тогда
Поскольку найденное значение ρ20 плотности принадлежит тому же интервалу, для которого принято значение коэффициента ξ, то полученный результат в дальнейшем уточнении не нуждается.
Используя формулу (2), получаем
.
Полученное значение плотности при температуре 15,56°С (или 60°F) подставим в формулу 19:
16
Ответ: 36,95°API.
1.2. Вязкие свойства жидкости
Существуют две модели жидкости. Первая из них предполагает, что в
жидкости при движении не возникает касательных напряжений. Это модель
идеальной жидкости. Вторая модель учитывает появляющиеся при движении
касательные напряжения. Это модель вязкой жидкости.
Вязкостью, или внутренним трением жидкости, называется свойство,
проявляющееся в сопротивлении, которое жидкость оказывает перемещению еѐ
частиц под влиянием действующей на них силы. Внутреннее трение слоѐв данной жидкости – еѐ характерное физическое свойство, в котором проявляются
силы межмолекулярного взаимодействия. Величина вязкости зависит от природы жидкости, т. е. от еѐ химического состава, химического строения и молекулярной массы.
Если внутри потока нефти мысленно выделить две параллельные плоскости, имеющие одинаковые площади S и отстоящие одна от другой на расстояние y, то при относительном их перемещении потребуется преодолеть силу
внутреннего трения жидкости, F, которая зависит от площади соприкосновения
слоѐв, S, от разности скоростей их относительного движения, Δν, от расстояния
между слоями, Δy, и от молекулярных свойств жидкости:
(22)
где
– коэффициент пропорциональности, зависимости от молекулярных сил
взаимодействия данной жидкости, получивший название коэффициента внутреннего трения, или динамической вязкости.
Физический смысл коэффициента динамической вязкости. Для граничных условий при S = 1 и
, т. е. коэффициент вязкости (или динами-
ческая вязкость) равен силе трения между слоями жидкости при площади со17
прикасающихся слоѐв, равной единице, и градиенте скорости течения между
слоями, равном единице.
Величина – динамическая вязкость (т. е. внутреннее трение без учѐта
сил тяжести).
Размерность динамической вязкости. В системе СГС за единицу динамической вязкости принят один пуаз (П) или его сотая доля – сантипуаз (сП).
Пуаз – это динамическая вязкость жидкости, оказывающей взаимному перемещению двух еѐ слоев площадью в 1 см2, находящихся друг от друга на расстоянии 1 см и перемещающихся друг относительно друга со скоростью 1 см/с, силу сопротивления, равную 1 дине.
В системе СИ единица динамической вязкости имеет размерность
, или
. Эта единица в 10 раз больше пуаза. Следовательно,
1 П = 0,1
=
На практике пользуются единицами кинематической вязкости, которая
представляет собой отношение динамической вязкости жидкости к еѐ плотности, взятых при одной и той же температуре:
(24)
Единицей кинематической вязкости в системе СГС является один стокс
(Ст). 1 Ст = 1см2/с. Сотая доля стокса – сантистокс (сСт).
В системе СИ размерность кинематической вязкости – м2/с. Эта величина
в 10 000 раз больше стокса. Следовательно, 1 Ст = 100 сСт = 10-4 м2/с.
Величина, обратная вязкости, называется текучестью:
.
На вязкость нефти влияют:
температура;
давление;
количество растворѐнного газа;
содержание и состояние асфальто-смолистых веществ;
содержание и состояние высокомолекулярных парафиновых углеводородов;
структурный состав;
полярность компонентов;
молекулярная масса углеводородов.
Касательное напряжение, τ, определяется как сила трения между слоями
жидкости, разделѐнными выбранной площадкой, отнесѐнная к площади этой
площадки:
18
.
Единицей измерения τ в системе СИ является Паскаль (Па), или кг/(м⋅с2).
Коэффициент µ пропорциональности в законе вязкого трения называется
коэффициентом динамической вязкости. Размерность этого коэффициента такова:
Коэффициент ν кинематической вязкости жидкости определяется как отношение µ/π:
Объѐмный расход Q ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости
в горизонтальной трубе кругового сечения с радиусом r0 под действием разности давлений ∆p определяется формулой Гагена-Пуазейля:
(25)
в которой – длина трубы. Расход аналогичного течения в вертикальной трубе,
происходящего под действием силы тяжести, определяется формулой
(26)
Если шар с диаметром d0 весьма медленно движется в вязкой несжимаемой жидкости со скоростью , то со стороны жидкости на него действует сила
F, называемая стоксовским сопротивлением:
(27)
Задача 5. Определить динамическую вязкость нефти (900 кг/м3), если
известно, что 300 мл этой нефти вытекают из камеры капиллярного вискозиметра через вертикальную цилиндрическую трубку с внутренним диаметром 2 мм за 500 с.
Решение.
Обозначим через t время истечения из камеры порции нефти объѐмом V.
Тогда V = Q·t. Используя для расхода Q формулу (26), находим
Ответ:
.
19
Задача 6. Определить кинематическую вязкость нефти, если известно, что 50 мл этой нефти вытекает из камеры вискозиметра через вертикальный цилиндрический капилляр с внутренним диаметром 2 мм за
4 мин.
Решение.
Обозначим через t время истечения из камеры порции нефти объемом V. Тогда
V = Q⋅t. Используя для расхода Q формулу (26), находим
Ответ:
.
Задача 7. Для определения вязкости нефти (ρн = 900 кг/м3) в неѐ брошена металлическая дробинка (d = 0,5 мм, ρ = 7800 кг/м3), которая под действием силы тяжести медленно опускается вниз с постоянной скоростью
0,5 см/с. Определить динамическую и кинематическую вязкости нефти.
Решение.
В формулу (27) Стокса следует подставить разность веса дробинки и выталкивающей силы
Архимеда. Из получившейся
формулы найдѐм
Разделив µ на плотность нефти, получим кинематическую вязкость ν:
Ответ:
;
.
1.3. Деформируемость трубопровода
Если нефть или нефтепродукт находятся в трубопроводе под давлением p
большем, чем давление p0 окружающей среды, то поперечное сечение трубопровода увеличено, причѐм увеличение ∆d внутреннего диаметра и площади ∆S
поперечного сечения даются формулами
(28)
(29)
где
;
20
– номинальное значение диаметра;
– толщина стенки трубопровода;
– модуль Юнга материала, из которого сделан трубопровод (для трубных сталей Е = 2·1011 Па, или 2·105 МПа).
Модуль Юнга (модуль упругости) – физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой
деформации.
Объѐм V внутренней полости трубопровода изменяется, хотя и незначительно, при изменении температуры. Изменение ∆V объѐма внутренней полости трубопровода связано с тепловым расширением. В расчѐтах используют
формулы
(30)
(31)
где
– начальный объѐм трубопровода, м3;
– температура трубопровода, °С;
– начальная температура, °С;
– коэффициент теплового (объѐмного) расширения металла (для сталей
.
При одновременном изменении давления жидкости в трубопроводе на
величину
и температуры на
изменение объѐма
трубопровода рассчитывают по формуле
(32)
Задача 8. Каково изменение вместимости участка стального нефтепровода (D = 820 мм, δ = 10 мм, L = 100 км) при увеличении среднего давления находящейся в нѐм нефти на 1 МПа?
Решение.
Изменение ∆V объѐма трубопровода при повышении в нѐм давления на
величину ∆p находится с помощью формулы (29). Имеем:
Ответ: 19,7 м3.
Задача 9. Каково изменение вместимости участка стального нефтепровода (D = 820 мм, δ = 10 мм, L = 100 км) при увеличении средней температуры находящейся в нѐм нефти на 10°С?
21
Решение.
Изменение ∆V объѐма трубопровода при изменении температуры трубы
на величину ∆T находится с помощью формулы (31). Имеем:
Ответ: 16,6 м3.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ
2.1. Свойства природных газов
Природный газ состоит в основном из метана (СН4). Плотность ρ газа зависит от его состава, давления и температуры. При стандартных условиях
(p = 0,1013 МПа, T = 20°С, или 293°К) плотность природного газа, ρст, составляет примерно 0,7 кг/м3.
На практике для выполнения расчѐтов объѐмов и массовых потоков газов
в различных устройствах и технологических линиях широко используют приведение объѐмов к нормальным условиям. Нормальными условиями для газов
принято считать:
- температуру 0оС (273 К);
- давление 760 мм рт. ст., или 101,325 кПа.
Такое приведение удобно и необходимо для сравнительных расчѐтов объѐмов газов при изменении параметров их состояния (давления, температуры). В
отличие от жидкостей объѐм газа сильно изменяется при изменении параметров
состояния.
Для приведения объѐмов газа к 0°С (273,16°К) и 760 мм рт. ст., а также к
20°С (293,16°К) и 760 мм рт. ст. могут быть применены следующие формулы:
Таблица 3 – Коэффициенты для пересчѐта объѐмов газа
Температура
и давление газа
0°С и 760 мм рт. ст.
(норм. условия)
15°С и 760 мм рт. ст.
(в зар. литературе)
20°С и 760 мм рт. ст.
(ст. условия)
15°С (288,16°К)
и 1 бар (СИ)
760 мм рт. ст.
15°С и
760 мм рт. ст.
760 мм рт. ст.
15°С (288,16°К)
и 0,1 МПа
1
1,055
1,073
1,069
0,948
1
1,019
1,013
0,932
0,983
1
0,966
0,936
0,987
1,003
1
0°С и
22
20°С и
(33)
(34)
где
V0°С и 760 мм рт. ст. – объѐм газа при 0°С и 760 мм рт. ст., м³;
V20°С и 760 мм рт. ст. — объем газа при 20°С и 760 мм рт. ст., м³;
VP – объѐм газа в рабочих условиях, м³;
р – абсолютное давление газа в рабочих условиях, мм рт. ст.;
Т – абсолютная температура газа в рабочих условиях, °К.
Пересчѐт объѐмов газа, приведѐнных к 0°С и 760 мм рт. ст., а также
к 20°С и 760 мм рт. ст., в объѐмы при других (рабочих) условиях можно производить по формулам
,
(35)
(36)
.
Относительной плотностью ∆ газа по воздуху называется отношение
ρг/ρв плотности ρг природного газа к плотности ρв воздуха при одних и тех же
(например стандартных) условиях. Очевидно, что для совершенных газов это
отношение не зависит ни от давления, ни от температуры. В частности, плотность ρст природного газа представляется в виде: ρст = (ρв)ст·Δ, причѐм
(ρв)ст = 1,204 кг/м3.
Связь вида F(p, , T) = 0 между давлением p в газе, его удельным объѐмом ϑ = 1/ρ и абсолютной температурой T называется уравнением состояния
газа. При умеренных давлениях и температурах свойства газов достаточно хорошо моделируются уравнением состояния Клапейрона-Менделеева:
(37)
где
V – объѐм газа;
m – его масса, кг;
µ – молярная масса газа, (кг/кмоль);
R0 – универсальная газовая постоянная (R0 =8314 Дж/(кмоль·К)).
Газы, свойства которых моделируются уравнением КлапейронаМенделеева, называют совершенными.
Чаще это уравнение применяется в виде для 1 кг газа:
рς = RT,
(38)
23
ς – относительный объѐм, м3/кг.
С учѐтом соотношения ς = 1/ρ это уравнение приобретает вид
р = ρRT.
(39)
Газовая постоянная R является основной характеристикой газа и крайне
важна для практических расчѐтов. Физический смысл газовой постоянной –
работа расширения одного моля идеального газа при повышении его температуры на 1оК при постоянном давлении. На рисунке – работа перемещения
поршня на величину Н при подогреве одного моля газа на 1оК:
где
(40)
,
где
m – масса поршня.
Величина μR называется универсальной газовой постоянной и для всех
газов равна
.
Зная молекулярный вес газа, можно легко определить его газовую постоянную.
Газовая постоянная R метана равна 518,33 Дж/(кг·K), углекислого газа –
188,95 Дж/(кг·K), кислорода – 259,81 Дж/(кг·K), воздуха – 287,1 Дж/(кг·K).
Реальным газом называется газ, между молекулами которого имеется силовое взаимодействие. Основным отличием реального газа от идеального является его сжимаемость, т. е. зависимость объѐма, занимаемого единицей массы
газа, от изменения давления газа (температура полагается неизменной).
При увеличении давления в реальном газе возрастают силы межмолекулярного взаимодействия, становится заметным влияние собственного объѐма
молекул. Для расчѐтов параметров состояния таких газов используется уравнение Ван-дер-Ваальса:
,
где
(41)
– поправка на взаимное притяжение молекул газа (внутреннее давление);
– поправка на собственный объѐм молекул.
24
Для каждого реального газа имеется некоторая критическая температура,
Tкр, такая, что для любого значения T ≤ Tкр существует давление p, при котором
происходит фазовый переход газа в жидкое состояние, а для температур T ≥ Tкр
такой переход невозможен ни при каких давлениях. Если T = Tкр, то существует
давление ркр, при котором свойства жидкой и газовой фаз неразличимы. Параметры газа Tкр, ркр называют критическими.
Таблица 4 – Постоянные компонентов, составляющих природный газ
Газ
Метан
Этан
Пропан
Изобутан
н-Бутан
н-Пентан
Азот
Кислород
Сероводород
Углекисл. газ
Водород
Гелий
Воздух
Молярная масса,
кг/кмоль
16,042
30,068
44,094
58,120
58,120
72,146
28,016
32,000
34,900
44,011
2,020
4,000
28,966
Плотность
по воздуху
0,554
1,049
1,562
2,066
2,091
2,480
0,970
1,104
1,190
1,525
0,069
1,136
1,000
Критическое
давление, МПа
4,641
4,913
4,264
3,570
3,796
3,374
3,396
4,876
8,721
7,382
1,256
0,222
3,780
Критическая
температура, К
190,55
305,50
369,80
407,90
425,17
469,78
126,25
154,18
373,56
304,19
33,10
5,00
132,46
В ряде случаев уравнение состояния реального газа представляют в виде
(42)
,
где
– безразмерный коэффициент сжимаемости газа (называемый
иногда коэффициентом сверхсжимаемости газа). Очевидно, что для совершенных газов Z = 1.
Для природных газов, представляющих собой метан в смеси с некоторыми другими компонентами (этан, пропан, бутан, изобутан, пентан, азот, сероводород, углекислый газ, водород, гелий и т. п.), коэффициент Z сжимаемости
может быть рассчитан по следующей аппроксимационной формуле:
(43)
.
Молярная масса и критические параметры газовой смеси вычисляются по
следующим аддитивным формулам:
(44)
,
25
(45)
,
(46)
где
,
– объѐмные доли компонентов, составляющих газ.
Задача 10. Газовая смесь состоит из 99% метана, 0,5% этана и 0,5%
азота. Определить молярную массу газовой смеси и значение газовой постоянной.
Решение.
Молярная масса µ газовой смеси рассчитывается по формуле (44):
,
.
Ответ: 16,172 кг/кмоль; 514,1 Дж/(кг·К).
Задача 11. Газовая смесь состоит из 88% метана, 6% этана, 4% пропана и 2% азота. Определить молярную массу газовой смеси и значение еѐ
газовой постоянной.
Решение.
,
.
Ответ: 18,243 кг/кмоль; 455,7 Дж/(кг К).
Задача 12. Объѐм природного газа (µ = 18,5 кг/кмоль) в стандартных
условиях составляет 250 тыс. м3. Какова его масса?
Решение.
Используя формулу (37), получаем:
.
26
Отсюда находим
Ответ: 192328 кг.
.
Задача 13. Газовая смесь состоит из 94% метана, 4% этана и 2% азота. Определить критические параметры смеси.
Решение.
Средние значения критического давления и критической температуры
смеси можно рассчитать по формулам (45), (46):
,
.
Ответ: 4,627 МПа; 193,86 К.
2.2. Простейшие термодинамические процессы
Основными процессами в термодинамике являются:
изохорный, протекающий при постоянном объѐме;
изобарный, протекающий при постоянном давлении;
изотермический, происходящий при постоянной температуре;
адиабатный, при котором теплообмен с окружающей средой отсутствует;
политропный, удовлетворяющий уравнению pvn= const.
Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса.
При исследовании термодинамических процессов определяют:
уравнение процесса в p-v, и T-s координатах;
связь между параметрами состояния газа;
изменение внутренней энергии;
величину внешней работы;
количество подведѐнной теплоты на осуществление процесса или
количество отведѐнной теплоты.
27
Изохорный процесс
При изохорном процессе выполняется условие v = const.
Из уравнения состояния идеального газа (pv = RT) следует
p/T = R/v = const,
(47)
т. е. давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:
p2/p1 = T2/T1.
(48)
Работа расширения в изохорном процессе равна нулю (l = 0), так как объѐм рабочего тела не меняется (Δv = const).
Количество теплоты, подведѐнной к рабочему телу в процессе 1-2
при cv = const, определяется по формуле
q= cv(T2 – T1).
(49)
Т. к. l = 0, то на основании первого закона термодинамики Δu = q, а значит, изменение внутренней энергии можно определить по формуле
Δu = cv(T2 – T1).
(50)
Изменение энтропии в изохорном процессе определяется по формуле
s2 – s1 = Δs = cvln(p2/p1) = cvln(T2/T1).
(51)
28
Изобарный процесс
Изобарным называется процесс, протекающий при постоянном давлении p = const. Из уравнения состояния идеального газа следует
v/T = R/p = const
(52)
или
v2/v1 = T2/T1,
(53)
т. е. в изобарном процессе объѐм газа пропорционален его абсолютной температуре.
Работа будет равна
l = p(v2 – v1).
(54)
Т. к. pv1 = RT1 и pv2 = RT2, то
l = R(T2 – T1).
(55)
Количество теплоты при cp = const определяется по формуле
q = cp(T2 – T1).
(56)
Изменение энтропии будет равно
s2 – s1 = Δs = cpln(T2/T1).
(57)
29
Изотермический процесс
При изотермическом процессе температура рабочего тела оста`тся постоянной T = const, следовательно
pv = RT = const
(58)
или
p2/p1 = v1/v2,
(59)
т. е. давление и объѐм обратно пропорциональны друг другу, так что при изотермическом сжатии давление газа возрастает, а при расширении – снижается.
Работа процесса будет равна
l = RTln (v2 – v1) = RTln (p1 – p2).
(60)
Так как температура остаѐтся неизменной, то и внутренняя энергия идеального газа в изотермическом процессе остаѐтся постоянной (Δu = 0) и вся
подводимая к рабочему телу теплота полностью превращается в работу расширения q = l.
При изотермическом сжатии от рабочего тела отводится теплота в количестве, равном затраченной на сжатие работе.
Изменение энтропии равно
s2 – s1 = Δs = Rln(p1/p2) = Rln(v2/v1).
(61)
30
Адиабатный процесс
Адиабатным называется процесс изменения состояния газа, который происходит без теплообмена с окружающей средой. Так как dq = 0, то уравнение
первого закона термодинамики для адиабатного процесса будет иметь вид
du + pdv = 0
(62)
или
Δu+ l = 0,
(63)
следовательно,
Δu= –l.
(64)
В адиабатном процессе работа расширения совершается только за счѐт
расходования внутренней энергии газа, а при сжатии, происходящем за счѐт
действия внешних сил, вся совершаемая ими работа идѐт на увеличение внутренней энергии газа.
Обозначим теплоѐмкость в адиабатном процессе через cад и условие
dq = 0 выразим следующим образом:
dq = cадdT = 0.
(65)
Это условие говорит о том, что теплоѐмкость в адиабатном процессе равна нулю (cад = 0).
Известно, что
сp/cv = k
(66)
31
и уравнение кривой адиабатного процесса (адиабаты) в p-, v-диаграмме имеет
вид
pvk = const.
(67)
В этом выражении k носит название показателя адиабаты (также еѐ называют коэффициентом Пуассона).
Значения показателя адиабаты, k, для некоторых газов:
kвоздуха = 1,4;
kперегретого пара = 1,3;
kвыхлопных газов ДВС = 1,33;
kнасыщенного влажного пара = 1,135.
Из предыдущих формул следует
l= –Δu = cv(T1 – T2);
(68)
i1 – i2 = cp(T1 – T2).
(69)
Техническая работа адиабатного процесса (lтехн) равна разности энтальпий
начала и конца процесса (i1 – i2).
Адиабатный процесс, происходящий без внутреннего трения в рабочем
теле, называется изоэнтропийным. В T-, s-диаграмме он изображается вертикальной линией.
Обычно реальные адиабатные процессы протекают при наличии внутреннего трения в рабочем теле, в результате чего всегда выделяется теплота, которая сообщается самому рабочему телу. В таком случае ds > 0, и процесс называется реальным адиабатным процессом.
Политропный процесс
Политропным называется процесс, который описывается уравнением:
pvn= const.
Показатель политропы, n, может принимать любые значения в пределах
от –∞ до +∞, но для данного процесса он является постоянной величиной.
Из уравнения политропного процесса и уравнения Клайперона можно получить выражение, устанавливающее связь между p, v и T в любых двух точках
на политропе:
p2/p1 = (v1/v2)n; T2/T1 = (v1/v2)n–1; T2/T1 = (p2/p1)(n–1)/n.
(70)
Работа расширения газа в политропном процессе равна
.
В случае идеального газа эту формулу можно преобразовать:
32
(71)
,
,
.
Количество подведѐнной или отведѐнной в процессе теплоты определяется с помощью первого закона термодинамики:
q = (u2 – u1) + l.
(72)
Поскольку
,
,
где
представляет собой теплоѐмкость идеального газа в полит-
ропном процессе.
При cv, k и n = const cn = const, поэтому политропный процесс иногда определят как процесс с постоянной теплоѐмкостью.
Политропный процесс имеет обобщающее значение, ибо охватывает всю
совокупность основных термодинамических процессов.
Графическое представление политропа в p, v координатах в зависимости
от показателя политропа n.
33
pv0 = const (n = 0) – изобара;
pv = const (n = 1) – изотерма;
p0v = const, p1/∞v = const, pv∞ = const – изохора;
pvk = const (n = k) – адиабата;
n > 0 – гиперболические кривые;
n < 0 – параболы.
Задача 14. Построить термодинамический цикл в p-v координатах:
процесс 1-2 изотермический (Γv < 0), 2-3 изохорный (Γр > 0), 3-4 изотермический (Γp < 0), 4-1 изохорный.
Решение.
Задача 15. Построить термодинамический цикл в p-v координатах:
процесс 1-2 изохорный (Γp > 0), 2-3 изобарный (Γv > 0), 3-4 изотермический
(Γp < 0), 4-1 изобарный.
Решение.
34
Задача 16. Построить термодинамический цикл в p-v координатах:
рабочее тело с параметрами р1, V1, Т1 сжимается в цилиндре под поршнем
по адиабате 1-2 до объѐма V2, при этом давление и температура повышаются до р2, Т2. Далее, при постоянном давлении по изобаре 2-3 к газу от источника подводится тепло q1, объѐм увеличивается до V3. После этого происходит адиабатное расширение от объѐма V3 до объѐма V4 = V1 (процесс
3-4) с понижением давления и температуры. Далее тепло q2 отводится от
газа по изохоре 4-1, цикл замыкается, газ приходит в первоначальное состояние с параметрами р1, V1, Т1.
Решение.
35
ТРЕНИРОВОЧНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ
К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ
1. Округлить до третьей значащей цифры: 19,075765
а) 19,07
в) 19,1
б) 19,076
г) 19,0758
2. Перевести 10,1 кг/кмоль в г/моль:
а) 10,1
в) 1,01
б) 101
г) 17,85
3. Измерения плотности нефти и нефтепродуктов в градусах API позволяют определить:
а) сорт нефти
в) концентрацию смолистоасфальтеновых компонентов
б) удельный вес
г) относительную плотность нефти по
отношению к плотности воды при той
же температуре
4. Формула для расчѐта плотности нефти в зависимости от температуры:
в)
а)
б)
г)
5. Кинематическая вязкость:
а)
б)
в)
г)
6. С повышением давления вязкость нефти ….
а) возрастает
в) остаѐтся неизменной
б) понижается
г) становится динамической
7. При одновременном изменении давления жидкости в трубопроводе и температуры изменение объѐма трубопровода рассчитывают по формуле
а)
в)
б)
г)
8. Физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться
растяжению/сжатию при упругой деформации, – это...
а) модуль Юнга
в) коэффициент динамической вязкости
б) касательное напряжение
г) стоксовское сопротивление
9. Плотность зимнего дизельного топлива при температуре 15°С составляет
867 кг/м3. Какова будет его плотность при температуре 18°С?
а) 835,6 кг/м3
в) 987,1 кг/м3
б) 864,1 кг/м3
г) 746,5 кг/м3
10. Округлить до второй значащей цифры: 0,10475
а) 0,1
в) 0,1048
б) 0,14
г) 0,10475
11. Перевести 15 Ст в м2/с:
а) 1,5
в) 0,015
б) 0,15
г) 0,0015
36
12. Международная межправительственная организация, созданная нефтедобывающими странами в целях стабилизации цен на нефть, – это...
а) ОПЕК
в) Сургутнефтегаз
б) REBCO
г) API
13. Формула для расчѐта плотности нефти в зависимости от давления:
в)
а)
б)
г)
14. Прибор представляет собой U-образную трубку. Принцип действия основан на
измерении во времени истечения определѐнного объѐма исследуемой нефти через капиллярную трубку.
а) вискозиметр
в) пикнометр
б) ареометр
г) весы Вестфаля-Мора
15. Динамическая вязкость:
а)
в)
б)
г)
16. С повышением температуры вязкость нефти ….
а) возрастает
в) остаѐтся неизменной
б) понижается
г) становится динамической
17. Плотность газонасыщенной нефти определяют по методу Стендинга и Катца:
а)
в)
б)
г)
18. От колебания температуры зависит и изменение объѐма нефти. Для оценки этого
изменения введено понятие коэффициента теплового объѐмного расширения, , –
а) это относительное изменение объѐма в) это изменение удельного веса при измежидкости при изменении температуры нении температуры на 1 градус
на 1 градус
б) это коэффициент динамической вяз- г) отношение 1 барреля к 1 м3
кости
19. Проведены измерения плотности нефти ареометром, градуированным при температуре 20°С. Температура нефти – 26,5°С, показание ареометра – 831 ,6 кг/м3. Найти
плотность нефти в градусах API.
а) 36,95
в) 46,2
б) 138,3
г) 18,3
20. Округлить до первой значащей цифры: 0,00197
а) 0
в) 0,002
б) 0,1
г) 0,2
21. Перевести 21,5 П в Па·с:
а) 21,5
в) 2115
б) 2,15
г) 215
22. Отношение плотности исследуемого вещества к плотности эталонного вещества –
это…
а) удельный вес
в) кажущаяся плотность
б) относительная плотность
г) насыпная плотность
23. Формула для расчѐта удельного веса нефти:
в)
а)
б)
г)
37
24. Cредняя квадратичная погрешность результата n измерений:
а)
в)
б)
г)
25. Модель идеальной и модель вязкой жидкости отличаются ...
а) влиянием касательных напряжений
в) индексом вязкости
б) количеством растворѐнных газов
г) изменением удельного веса
26. Для измерения плотности нефти используют:
а) ареометры, вискозиметры, плотномеры в) ареометры, пикнометры, плотномеры
б) термометры, пикнометры, плотномеры г) штангенциркули, пикнометры, плотномеры
27. Объѐмный расход вязкой несжимаемой жидкости в горизонтальной трубе кругового сечения под действием разности давления определяется по формуле
в)
а)
б)
г)
28. Неправительственная организация США, занимающаяся исследованием всех
аспектов и обеспечивающая деятельность по регулированию вопросов в области нефтяной и газовой промышленности, разработкой стандартов, – это…
а) American Petroleum Institute
в)National Aeronautics and Space Administration
б) The Organization of the Petroleum Ex- г) United Nations
porting Countries
29. Определить динамическую вязкость нефти (867 кг/м3), если известно, что 210 мл
этой нефти вытекают из камеры капиллярного вискозиметра через вертикальную цилиндрическую трубку с внутренним диаметром 3 мм за 350 с.
а) 0,02817 П
в) 2,82 кг/(м·с)
б) 2,82 сП
г) 2,82·10-6 м2/с
30. Объѐм природного газа (µ = 18,4 кг/кмоль) в стандартных условиях составляет
230 тыс. м3. Какова его масса?
а) 173,811 кг
в) 0,174 кг
б) 173811 кг
г) 17,3 кг
3
3
31. Перевести 1100 кг/м в г/см :
а) 1,1
в) 1100
б) 0,11
г) 11
32. Нефть плотностью 850 кг/м3 относится к следующему классу:
а) тяжѐлая
в) очень тяжѐлая
б) лѐгкая
г) средняя
33. Формула для расчѐта плотности нефти в градусах API:
а)
в)
б)
г)
34. С понижением температуры вязкость нефти …
а) возрастает
в) остаѐтся неизменной
б) понижается
г) становится динамической
38
35. Выразите коэффициент кинематической вязкости жидкости с помощью символов размерностей ISQ:
а)
в)
б)
г)
36. Для измерения вязкости нефти и нефтепродуктов используют:
а) вискозиметры
в) ареометры
б) вязкозиметры
г) штангенциркули
37. Объѐмный расход вязкой несжимаемой жидкости в вертикальной трубе кругового сечения под действием силы тяжести определяется по формуле
в)
а)
б)
г)
38. Тяжѐлые нефти имеют повышенную концентрацию …
а) метановых углеводородов
в) керосиновых фракций
б) смолисто-асфальтеновых компонентов г) бензиновых фракций
39. Определить объѐм нефти в баррелях по значениям массы и плотности (M = 17 т,
, t = 20°С).
а) 131,8
в) 132,6
б) 0,13
г) 13
40. Газовая смесь состоит из 94% метана, 4% этана и 2% азота. Определить коэффициент сверхсжимаемости смеси при давлении 5,9 МПа и температуре 27°С.
а) 890
в) 0,45
б) 0,89
г) 8,9
41. Относительную погрешность измерений вычисляют по формуле
а)
в)
б)
г)
42. Что такое относительная плотность нефти?
а) отношение плотности вещества к в) отношение веса вещества при темпеплотности эталонного вещества
ратуре определения к весу дистиллированной воды
б) отношение веса вещества к занимае- г) масса вещества, заключѐнная в едимому им объѐму
нице объѐма
43. В формуле
температурная поправка введена для учѐта ..
а) относительного изменения объѐма в) перевода единицы измерения плотножидкости при изменении температуры сти из кг/м3 в градусы API
на 1 градус
б) изменения вязкости жидкости при г) изменения удельного веса при измеизменении температуры на 1 градус
нении температуры на 1 градус
44. Если внутри потока нефти мысленно выделить две параллельные плоскости,
имеющие одинаковые площади S и отстоящие одна от другой на расстояние y, то при
относительном их перемещении потребуется преодолеть силу внутреннего трения жидкости F, которая равна
а)
в)
б)
г)
39
45. Величина, обратная вязкости, называется
а) текучестью
в) коэрцитивностью
б) плотностью
г) хрупкостью
46. Плотность газонасыщенной нефти можно рассчитать, используя методику
а) Стендинга–Катца
в) Карлиле–Джиллетта
б) Грея–Симса
г) Сарема
47. Лѐгкие нефти имеют повышенную концентрацию …
а) метановых углеводородов
в) серы
б) смолисто-асфальтеновых компонентов г) порфиринов
48. Определить кинематическую вязкость нефти, если известно, что 70 мл этой
нефти вытекает из камеры вискозиметра через вертикальный цилиндрический капилляр с внутренним диаметром 3 мм за 5 мин.
а) 9,3 м2/с
в) 8,4 Ст
б) 93,75 сСт
г) 13 10-6 м2/с
49. Газовая смесь состоит из 90% метана, 6% этана, 2% пропана и 2% азота. Определить молярную массу газовой смеси и значение еѐ газовой постоянной.
а) 17,6 г/моль и 471,1 Дж/кгК
в) 0,176 г/моль и 471,1 Дж/кгК
б) 471,1 г/моль и 17,6 Дж/кгК
г) 17,6 г/моль и 47,1 Дж/кгК
50. Объѐм природного газа (µ = 18,2 кг/кмоль) в стандартных условиях составляет
210 тыс. м3. Какова его масса?
а) 170737 т
в) 0,171 т
б) 170,737 т
г) 17,1 т
51. Определить динамическую вязкость нефти при известной кинематической вязкости 4,7 сСт и плотности 754 кг/м3.
а) 3543,8·10-6 кг/м·с
в) 0,35·10-6 кг/м·с
-6
б) 35,44·10 кг/м·с
г) 354,38·10-6 кг/м·с
52. Кинематическая вязкость нефти при температуре 20°С равно 40 сСт, а при
температуре 70°С – 8 сСт. Определить вязкость этой нефти при температуре 40°С.
а) 0,208 сСт
в) 20,8 сСт
б) 20800 сСт
г) 208 сСт
53. Определить объѐм нефти в баррелях по значениям массы и плотности (M = 21 т,
, t = 20°С).
а) 163,8
в) 132,6
б) 0,13
г) 7,8
54. Проведены измерения плотности нефти ареометром, градуированным при температуре 20°С. Температура нефти – 31,6°С, показание ареометра – 810 кг/м3. Найти
плотность нефти в градусах API.
а) 168,5
в) 0,82
б) 41,1
г) 18,3
55. Плотность зимнего дизельного топлива при температуре 13°С составляет
842 кг/м3. Какова будет его плотность при температуре 17°С?
а) 839 кг/м3
в) 987,1 кг/м3
б) 841 кг/м3
г) 834 кг/м3
40
ПРИМЕР КОНТРОЛЬНОГО ТЕСТА
Дисциплина: Трубопроводный транспорт нефти и газа
Контрольная работа
Тест №1
1. Округлить до третьей значащей цифры: 0,1057823
а) 0,106
в) 0,1
б) 0,10578
г) 0,1058
2. Перевести 15,3 П в Па с:
а) 153
в) 0,153
б) 1,53
г) 15,3
3. Погрешности, возникающие из-за многих причин, действующих в каждом отдельном измерении различным образом, – …
а) систематические погрешности
в) абсолютные погрешности
б) случайные погрешности
г) относительные погрешности
4. Скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объѐму, – …
а) вязкость
в) текучесть
б) плотность
г) удельный вес
5. Средняя квадратичная погрешность результата n измерений:
а)
в)
б)
г)
6. Выразите касательное напряжение между слоями жидкости с помощью символов размерностей ISQ:
а)
в)
б)
7. Динамическая вязкость:
а)
б)
г)
в)
г)
8. При одновременном изменении давления жидкости в трубопроводе и температуры изменение объѐма трубопровода рассчитывают по формуле:
в)
а)
б)
г)
9. Определить динамическую вязкость нефти (891 кг/м3), если известно, что 400 мл
этой нефти вытекают из камеры капиллярного вискозиметра через вертикальную цилиндрическую трубку с внутренним диаметром 4 мм за 370 с.
а) 0,0507 П
в) 50,7 кг/(м·с)
б) 50,7 сП
г) 5,07·10-6 м2/с
10. Построить термодинамический цикл в p-v координатах: процесс 1-2 изотермический (Γv > 0), 2-3 изобарный (Γv > 0), 3-4 изотермический (Γp > 0), 4-1 изобарный.
41
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
ОСНОВНЫЕ БУКВЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН
Буква
Αα
Ββ
Γγ
Γδ
Δε
Εδ
Ζε
Θζ
Ηη
Κθ
Λι
Μκ
Aa
Bb
Cc
Dd
Ee
Ff
Gg
Hh
Ii
Jj
Kk
Ll
Mm
Название буквы
Буква
Греческий алфавит
альфа
Νλ
бета
Ξμ
гамма
Ον
дельта
Ππ
эпсилон
Ρξ
дзета
΢ζ
эта
Ση
тэта
Τυ
йота
Φθ
каппа
Υχ
лямбда
Φψ
мю
Χω
Латинский алфавит
а
Nn
бэ
Oo
цэ
Pp
дэ
Qq
е
Rr
эф
Ss
жэ
Tt
аш
Uu
и
Vv
жи
Ww
ка
Xx
эль
Yy
эм
Zz
42
Название буквы
ню
кси
омикрон
пи
ро
сигма
тау
ипсилон
фи
хи
пси
омега
эн
о
пэ
ку
эр
эс
тэ
у
вэ
дубль-вэ
икс
игрек
зэт
Приложение 2
ЕДИНИЦЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ (СИ)
Величина
НаименоРазмервание
ность
Наименование
Единица
Обозначение
международное
русское
Длина
L
метр
m
м
Масса
M
килограмм
kg
кг
Время
T
секунда
s
с
Электрический ток
I
ампер
A
А
Термодинамическая
температура
Θ
кельвин
К
К
Количество
вещества
N
моль
mol
моль
Сила света
J
кандела
cd
кд
43
Определение
Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме
за интервал времени
1/299792458 s
Килограмм есть единица
массы, равная массе
международного прототипа
килограмма
Секунда есть время, равное
9192631770 периодам
излучения, соответствующего
переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного
состояния атом цезия-133
Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при
прохождении по двум параллельным прямолинейным
проводникам бесконечной
длины и ничтожно малой
площади кругового поперечного сечения, расположенным
в вакууме на расстоянии 1 m
один от другого, вызвал бы на
каждом участке проводника
длиной 1 m силу взаимодействия, равную 2×10-7 N
Кельвин есть единица термодинамической температуры,
равная 1/273,16 части термодинамической температуры
тройной точки воды
Моль есть количество вещества системы, содержащей
столько же структурных элементов, сколько содержится
атомов в углероде-12 массой
0,012 kg
Кандела есть сила света
в заданном направлении
источника, испускающего
монохроматическое излучение частотой 540×1012 Hz,
энергетическая сила света
которого в этом направлении
составляет 1/683 W/sr
Приложение 3
ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ
Величина
Единица
Обозначение
международрусское
ное
rad
рад
sr
ср
Hz
Гц
N
Н
Pa
Па
Наименование
Размерность
Наименование
Плоский угол
Телесный угол
Частота
Сила
Давление
Энергия, работа,
количество теплоты
Мощность
Электрический заряд,
количество
электричества
Электрическое
напряжение, электрический потенциал,
разность электрических потенциалов,
электродвижущая
сила
Электрическая
ѐмкость
Электрическое
сопротивление
Электрическая
проводимость
Поток магнитной
индукции, магнитный
поток
Плотность магнитного потока, магнитная
индукция
Индуктивность, взаимная индуктивность
Температура Цельсия
Световой поток
Освещѐнность
Активность нуклида
в радиоактивном
источнике
Поглощѐнная доза
ионизирующего
излучения, керма
Эквивалентная доза
ионизирующего
излучения, эффективная доза ионизирующего излучения
Активность катализатора
1
1
T-1
LMT-2
L-1MT-2
радиан
стерадиан
герц
ньютон
паскаль
L2MT-2
джоуль
J
Дж
L2MT-3
ватт
W
Вт
TI
кулон
C
Кл
L2MT-3I-1
вольт
V
В
L-2M-1T4I2
фарад
F
Ф
L2MT-3I-2
ом
Ω
Ом
L-2M-1T3I2
сименс
S
См
L2MT-2I-1
вебер
Wb
Вб
MT-2I-1
тесла
T
Тл
L2MT-2I-2
генри
H
Гн
Θ
J
L-2J
градус Цельсия
люмен
люкс
°C
lm
lx
°C
лм
лк
T-1
беккерель
Bq
Бк
L2T-2
грей
Gy
Гр
L2T-2
зиверт
Sv
Зв
NT-1
катал
kat
кат
44
Величина
Единица
Обозначение
международрусское
ное
N·m
Н·м
Наименование
Размерность
Наименование
Момент силы
Поверхностное
натяжение
Динамическая
вязкость
Пространственная
плотность
электрического заряда
L2MT-2
ньютон-метр
MT-2
ньютон на метр
N/m
Н/м
L-1MT-1
паскаль-секунда
Pa·s
Па·с
C/m3
Кл/м3
C/m2
Кл/м2
Электрическое
смещение
Напряжѐнность
электрического поля
Диэлектрическая
проницаемость
Магнитная проницаемость
Удельная энергия
Теплоѐмкость системы, энтропия системы
Удельная теплоѐмкость, удельная
энтропия
-3
L TI
L-2TI
LMT-3I-1
вольт на метр
V/m
В/м
L-3M-1T4I2
фарад на метр
F/m
Ф/м
LMT-2I-2
генри на метр
H/m
Гн/м
L2T-2
джоуль
на килограмм
J/kg
Дж/кг
L2MT-2Θ-1
джоуль на кельвин
J/K
Дж/K
J/(kg·K)
Дж/(кг·K)
W/m2
Вт/м2
W/(m·K)
Вт/(м·K)
L2T-2Θ-1
Поверхностная плотность потока энергии
Теплопроводность
Молярная внутренняя
энергия
Молярная энтропия,
молярная
теплоѐмкость
Экспозиционная доза
фотонного излучения
Мощность
поглощѐнной дозы
Угловая скорость
Угловое ускорение
кулон
на кубический
метр
кулон
на квадратный
метр
LMT-3Θ-1
джоуль
на килограммКельвин
ватт
на квадратный
метр
ватт
на метр-Кельвин
L2MT-2N-1
джоуль на моль
J/mol
Дж/моль
L2MT-2 Θ-1N-1
джоуль
на моль-Кельвин
J/(mol·K)
Дж/(моль·K)
M-1TI
кулон
на килограмм
C/kg
Кл/кг
L2T-3
грей в секунду
Gy/s
Гр/с
радиан в секунду
радиан на секунду
в квадрате
ватт
на стерадиан
ватт
на стерадианквадратный метр
rad/s
рад/с
2
рад/с2
-1
T
-2
T
Сила излучения
L2MT-3
Энергетическая
яркость
MT-3
45
rad/s
W/sr
Вт/ср
W/(sr·m2)
Вт/(ср·м2)
Приложение 4
СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ЕДИНИЦАМИ ИЗМЕРЕНИЙ
Единицы давления
Единицы динамической вязкости
Единицы кинематической вязкости
Приставки для образования кратных и дольных единиц
Кратные
Дольные
Приставка Обозначение Множитель Приставка Обозначение Множитель
экса
Э
атто
а
пета
П
фемто
ф
тера
Т
пико
п
гига
Г
нано
н
10–6
мега
М
микро
мк
10–6
кило
к
милли
м
гекто
г
санти
с
дека
да
деци
д
46
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. История нефтегазового дела России : учеб. / А. М. Шаммазов [и др.]. – М. :
Химия, 2001. – 316 с.
2. Коршак, А. А. Основы нефтегазового дела : учеб. / А. А. Коршак,
А. М. Шаммазов. – Уфа : ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2001. – 544 с.
3. Толковый словарь терминов и понятий, применяемых в трубопроводном
строительстве / Ю. А. Горяинов [и др.]. – М. : Лори, 2003. – 316 с.
4. Трубопроводный транспорт нефти. Т. 1 / Г. Г. Васильев [и др.]. – М. : Недра, 2002. – 406 с.
5. Трубопроводный транспорт нефти. Т. 2 / С. М. Вайншток [и др.] ; под
общ. ред. С. М. Вайнштока. – М. : ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. – 621 с.
Отечественные журналы:
Газовая промышленность
Геология нефти и газа
Известия вузов. Нефть и газ
Магистральный трубопроводный транспорт
Нефтегазовая вертикаль
Нефтегазовое строительство
Нефтегазовые технологии
Нефтепромысловое дело
Нефть, газ и бизнес
Нефть и капитал
Нефть России
Нефтяное хозяйство
Трубопроводный транспорт нефти
Территория «Нефтегаз»
Зарубежные журналы:
Euroil
Gaz du Monde
Pipeline news
Pipeline construction
Offshore
Oil and Gas Journal
SPE Drilling and Completion
Word Oil.
47
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа