Расчетная часть-Расчет горизонтального трехфазного сепаратора CPF-V-2030-1_2_3-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет горизонтального трехфазного сепаратора CPF-V-2030-1_2_3-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

6. Техническое предложение

Важнейшей характеристикой сепараторов, является их производительность. Одними из важных параметров , которые влияют на эффективность процесса сепарации и, как следствие, на производительность, является стабилизация нефти, пенообразование и разгазирование газожидкостой смеси.
Недостаточная стабилизация нефти, а также пенообразование, могут стать причиной повышения капельной нефти в отводящем газе, сохранению в нефти на выходе из сепаратора большого количества растворенного газа. Это объясняется тем, что появление слоя нефти на границе нефть-газ затрудняет процесс испарения нефти. При определенной высоте этого слоя, кине¬тическая энергия пузырьков газа может быть недостаточной для преодоления механической прочности структурированных пле¬нок нефти, образующих каркас пены. Все это ведет к потере производительности, а также потере полезного объема сепаратора.
Для того, чтобы предотвратить процесс пенообразования, используют различные пеногасители – химические реагенты, которые помимо понижения степени пенообразования, также позво¬ляют улучшить работу насосов и снизить пульсацию трубопро¬водов.
Изучив данный вопрос, было принято решение о модернизации сепаратора 2-ой ступени Ванкорского месторождения, которая заключается в установке стального распределительного устройства на вход в сепаратор.
Данное распределительное устройство, представляет собой сварную конструкцию, которая обеспечит стабилизацию потока жидкости, а также увеличит газовыделение, за счет увеличения площади соприкосновения жидкости с данной конструкцией.
Это позволит частично сэкономить на приобретении антивспенивателей, затраты на которые, в перерасчете на большой объем жидкости, проходящей через сепаратор, могут составлять внушительные суммы.








Рисунок 6.1 – распределительное устройство

Кроме того, было принято решение установить перфорированную трубу на выход нефти, которая бы позволила увеличить поток извлекаемой нефти, за счет равномерного забора, по всему диаметру сепаратора, а также бы в определенной степени уменьшила концентрацию растворенного газа и воды в нефти на выходе.


Рисунок 6.2 – перфорированная труба для забора нефти


7. Расчетная часть.

7.1. Общие расчеты сепаратора.

7.1.1. Прочностной расчет.

При расчёте сосудов, на прочность, применяют следующие теории прочности:
 1. Первая теория прочности – наибольших нормальных напряжений, по которой за расчётное принимают наибольшее кольцевое напряжение, определяемое для тонкостенных сосудов по формуле, Па [21]:

 

где  Pв – давление испытания (0,98 МПа, согласно РЭ);
DС – средний диаметр сепаратора, м;
S – толщина стенки cосуда, м.

 При расчёте допускаем, что [21]:



где  – допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па. 



где   – предел текучести материала, для стали 09Г2С: МПа.
 Допускаемые напряжения при рабочей температуре по формуле (3), Па:


 Средний диаметр сепаратора высчитываем по формуле, м [21]:



где  DВ – внутренний диаметр сепаратора, м.
 Отсюда толщина стенки сепаратора равна, м:



 По формуле (5), м:



 Средний диаметр сепаратора по формуле (4), м:



 Наибольшее кольцевое напряжение по формуле (1), Па:



2. Вторая теория прочности – теория наибольших касательных напряжений, по которой за эквивалентное напряжение берут разницу между наибольшим и наименьшим напряжениями.
Эквивалентное напряжение в сепараторе, Па [21]:




где   – наибольшее напряжение в сепараторе, Па;
– наименьшее напряжение в сепараторе, Па.
 Для тонкостенных сосудов имеем, Па [21]:



 Наименьшее напряжение в сепараторе, Па [21]:



 Отсюда эквивалентное напряжение в сепараторе, Па:



 Расчётная формула толщины стенки при , м:



 По формуле (10), м:




 3. Энергетическая теория прочности.
 В данном случае эквивалентное напряжение рассчитывается по формуле, Па [21]:



где   – меридиональное (продольное) напряжение, Па [21]:



 Подставив в (11) значение из (1) и из (12) и приравняв к нулю, получим, м:



 По формуле (13), м:



По формуле (12), Па:



 Для тонкостенных сосудов, нормальное напряжение рассчитывается как, Па [21]:


 Эквивалентное напряжение по формуле (11), Па:


 Анализ данных расчётов показывает, что наименьшая толщина стенки сепаратора получается по третьей теории прочности.
Для расчета сосудов, работающих при внутреннем давлении, принимают формулы, полученные из первой теории прочности, и компенсируют погрешность расчетных формул введением запаса прочности nт = 1,2.
Поэтому напряжение при испытании сосуда должно составлять, МПа [21]:

,

С другой стороны, давление испытания превышает рабочее, а следовательно, и напряжение при испытании превышает допускаемое рабочее [σ]_T в 1,25 раза, т. е.:



Из формул (15) и (16) получаем допускаемое рабочее напряжение, МПа:

Для применяемых марок сталей [21]:



где σ_в - предел прочности, МПа.
Следовательно [21]:



где - предел прочности, МПа;
n – коэффициент запаса прочности.
 Из формулы (19), допускаемое напряжение, МПа.:


Для определения допускаемого напряжения проводят расчеты по формулам (17) и (19) и берут наименьшее, в данном случае наименьшим является =180,76 МПа.




7.1.2 Расчёт сварного шва

 Допускаемые напряжения для стыковых сварных соединений машиностроительных конструкций, Па [6]:



где   – допускаемое напряжение основного металла, из формулы (19), = 180,76 МПа.
 Допускаемые напряжения для сварного шва по формуле (27), Па:



 Допускаемая нагрузка для сварного соединения при растяжении расчитывается по формуле, Н [6]:



где  l – длина сварного шва, м;
– катет сварного шва, м.
 Длина сварного шва, м:



где  RН – наружный радиус днища, м.
 Длина сварного шва по формуле (22), м:



 Допускаемая нагрузка для сварного соединения при растяжении по формуле (21), Н:



 Нагрузка на разрыв сварного шва вычисляется, Н [6]:



где  A – площаль сечения, м2.
Площадь сечения расчитывается по формуле, м2[6]:



где  RВН – внутренний радиус днища, м.
 Площадь сечения по формуле (24), м2:



 Нагрузка на разрыв сварного шва по формуле (23), Н:



 Условие выполняется.

7.1.3 Гидравлический расчет
Зная производительность сепаратора по жидкости =27000 м 3/cут,
определим производительность сепаратора по нефти, по формуле :



где   - производительность по нефти, м 3/cут.;
- производительность по жидкости, м 3/cут.;
- обводненность нефти, %;
- унос нефти вместе с водой, %;
- унос нефти вместе с газом, %;
Тогда производительность по нефти, согласно данным инструкции ЦПС по формуле (25) составит, м 3/cут,:

Рассчитаем скорость газа на основании уравнения Саудер-Брауна, м/c: [15]

.

Обычно значение коэффициента уравнения Саудер-Брауна при горизонтальной ориентации сепаратора принимают равным 0,12 м/с.
Плотность нефти при 57oC определим по формуле [15]:



где  - плотность нефти при 20oC, =860 кг/м3;
- коэффициент, определяемый по формуле [15]:

= 0,000903-0,00132∙( - 0,7) = 0,686;

Плотность нефти при 57oC по формуле (27) равна, кг/м3.:



Плотность газа в условиях сепарации = 0,891 кг/м3;
Тогда по формуле (26), найдем скорость газа, м/c.:



Расчитаем скорость смеси на выходе из сепаратора по формуле, м/с [7]:



где  QН – производительность сепаратора по нефти, м3/сут;
S500 – площаль проходного сечения трубопровода, м2.
 Площадь проходного сечения равна, м2:



где DВЫХ – диаметр выходного трубопровода, равен 500 мм.
 По формуле (30) площадь сечения равна, м2:



Тогда скорость смеси на выходе из сепаратра по формуле (29), м/с:



7.2 Расчет устройства для забора нефти и его элементов

Для расчета конструкции используется моделирование в программном комплексе MidasCivil.

7.2.1 Моделирование конструкции

 7.2.1.1 Исходные данные

Рисунок 7.1 - Общий вид конструкции

Материал: Сталь 09Г2С.







7.2.1.2 Расчетная схема



Рисунок. 7.2 - Расчетная схема конструкции

7.2.1.3 Моделирование конструкции



Рисунок 7.3 - Моделирование элементов конструкции стержнями

Для корректировки распределения усилий (из-за значительного эксцентриситета осей элементов) необходимо между стержнями основных несущих конструкций и подпорок ввести жесткие элементы.


Рисунок 7.4 - Моделирование жестких связей


7.2.1.4 Назначение материала и сечения элементам



Рисунок 7.5 - Назначение материала и сечения основных несущих элементов



Рисунок 7.6 - Назначение сечения подпирающих элементов

7.2.1.5 Назначение граничных условий



Рисунок 7.7 - Назначение граничных условий





7.2.1.6 Загружение модели



Рисунок 7.8 - Загружение модели нагрузкой от собственного веса с коэффициентом надежности Υf=1.1 [3]


7.2.2 Эпюры усилий



Рисунок 7.9 - Эпюра изгибающего момента


Рисунок 7.10 - Эпюра продольных сил

7.2.3 Расчет элементов по прочности

7.2.3.1 Общее положение

Выполним расчет по прочности сжато-изгибаемых элементов, напряжение определяем по формуле, [19]:



где N – продольное усилие в сжато-изгибаемом элементе;
А – площадь сечения;
М_x,М_y – изгибающие моменты относительное осей;
W_x 〖,W〗_(y ) - моменты сопротивления.

7.2.3.2 Расчет трубы 530х8 на изгиб

 Определим осевой момент сопротивления, [19]:



где  - осевой момент инерции;
  - расстояние до точки наиболее отдаленной от нейтральной оси.

Напряжение равно, кПа:



Условие прочности по предельным состояниям равно, [17]:


где 〖 R〗_y – расчетное сопротивление трубы из стали 09Г2С;
  - коэффициент условий работы, принимаем.
 По формуле (34):
 
Условие прочности выполняется.

7.2.3.3 Расчет трубы 530х8 на центральное сжатие

Для случая растяжения, сжатия напряжение будет равно, Па [17]:



Площадь сечения трубы определяется как площадь сечения тонкостенного кольца, по формуле, [19] :



тогда по формуле (35), кПа:



По формуле (34):


Условие устойчивости выполняется.

7.2.3.4 Расчет уголка 75х75х6

Площадь сечения равнобокого уголка находим, по формуле, м2 [19]:



где t – толщина уголка;
 h – высота уголка.
 Тогда по формуле (37) площадь сечения уголка равна, м :




По формуле (35) напряжение равно, кПа:



По формуле (34):



Условие прочности и устойчивости выполняется.

7.3 Расчет распределительного устройства и его элементов

7.3.1 Моделирование конструкции

7.3.1.1 Исходные данные


Рисунок 7.11 - Общий вид конструкции распределительного устройства

Внутренний диаметр сепаратора = 4300мм.;
Материал конструкции: Сталь 09Г2С.

7.3.1.2 Расчетная схема


Рисунок 7.12 - Расчетная схема конструкции

7.3.1.3 Моделирование конструкции



Рисунок 7.13 - Моделирование трубы пластинчатыми элементами


Рисунок 7.14 - Моделирование уголковых связей стержневыми элементами


Рисунок 7.15 - Моделирование распределительного треугольника пластинчатыми элементами


Рисунок 7.16 - Моделирование стенок распределительного устройства


Рисунок 7.17 - Моделирование листов жесткости







7.3.1.5 Назначение материала элементам



Рисунок 7.18 - Назначение материала (09Г2С)


7.3.1.6 Назначение сечения элементам



Рисунок 7.19 - Назначение сечения уголков


Рисунок 7.20 - Назначение толщины ребер жесткости и стенок распределительного устройства



Рисунок 7.21 – Назначение толщины стенок листов, для распределительного треугольника

7.3.1.7 Назначение граничных условий



Рисунок 7.22 - Назначение граничных условий

7.3.1.8 Загружение модели



Рисунок 7.23 - Загружение модели нагрузкой от собственного веса с коэффициентом надежности Υf=1.1 [3]


Рисунок 7.24 - Загружение модели нагрузкой от удара нефти



Рисунок 7.25 - Загружение модели нагрузкой от веса нефти

7.3.2 Расчет элементов по прочности

7.3.4.1 Общее положение

Расчет по прочности сжато-изгибаемых элементов выполняется из условия максимально-допустимых напряжений [3]
Предел прочности по нормальным напряжениям, МПа.:

где   - расчетное сопротивление проката из стали 09Г2С;
Предел прочности по касательным напряжениям, МПа [3]:

τ≤(0.58∙R_yn)⁄Υ_m =194.3
где  R_yn – нормативное сопротивление;
 Υ_m - коэффициент надежности по материалу.

7.3.4.2 Расчет ребер жесткости


Рисунок 7.26 – Нормальные напряжения на боковых стенках.

 σ=278.11МПа≤335МПа



Рисунок 7.27 – Касательные напряжения на боковых стенках.

 τ=17.73МПа≤194.3МПа

Условия прочности и устойчивости выполняются.
7.3.4.3 Расчет стенки распределителя



Рисунок 7.28 – Нормальные напряжения на сливные стенки

 σ=266.68МПа≤335МПа



Рисунок 7.29 – Касательные напряжения на сливные стенки

 τ=27.74МПа≤194.3МПа

Условия прочности и устойчивости выполняются.
7.3.4.4 Расчет распределительного треугольника.


Рисунок 7.30 – Нормальные напряжения на распределительный треугольник.

 σ=107.04МПа≤335МПа


Рисунок 7.31 – Касательные напряжения на распределительный треугольник.

τ=27.74МПа≤194.3МПа
Условия прочности и устойчивости выполняются.
7.3.4.5 Расчет уголков


Рисунок 7.32 – Нормальные напряжения на уголки

 σ=324.97МПа≤335МПа

Рисунок 7.33 – Касательные напряжения на уголки.

 τ=143.87МПа≤194.3МПа
Условия прочности и устойчивости выполняются.