Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 5

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:

F pb

101 .325

Pb

273  Tb
Ftb 
288
288
Ftf 
273  T f
1 .000
Fg 
G

11/14/2013

Q  C ' hw . P f
C '  Fb F pb Ftf F pv Fg Fr YFtb Fa
Fa  1  [ 0 .0000333 (T f  Tmeas )] for 304 / 316 Stainless
C pl 

Steel

1
1  F .D p 

0 .3528
Fgt 
Gt

Gf
G1

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

4


ĐO LƯU LƯỢNG
Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

ĐO BẰNG ORIFICE – Bảng 1
Q

m3/h

Copyright 2008

Lưu lượng tính ở điều kiện chuẩn

hw mm H2O

Chênh áp qua orifice

Pf kpa(abs)

Áp suất trước orifice

Fb

Hệ số orifice

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

Fpb

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

Aùp suất điều kiện chuẩn Pb=101.325 kpa

Ftf

Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ so với nhiệt độ điều kiện
chuẩn,
Ftf = (288/(273 + TfoC))0.5

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

Fpv

Hệ số phụ thuộc vào hệ số nén Z
Fpv = (1/Z)0.5

Fg

Hệ số phụ thuộc vào tỷ trọng 
Fg = (1/)0.5

 : tỷ trọng tương đối của khí ơû 15oC

Fr

Hệ số phụ thuộc vào hệ số Reynold (chế độ dòng
chảy) = 1+ b/(hwPf)0,5

b tra bảng

Y

Hệ số giãn nở của ống và orifice phụ thuộc vào áp
suất Y  1

Ftb

Hệ số nhiệt độ điều kiện chuẩn, Ftb = 1 nối với
nhiệt độ chuẩn bằng 15oC

Fa

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

T

meas
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

11/14/2013

Flange taps
0,150,7

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

6

ĐO LƯU LƯỢNG

Orifice Plate

Differential Pressure
Cover
Khoa Kỹ Plate
thuật Địa chất – Dầu khí
Jack
Copyright 2008
Bolts

ĐO BẰNG ORIFICE

Standard Orifice Flange
(a)

Simple Chamber (Junior) Orifice Fitting
(b)
Cover
Plate

Chamber
Differential Pressure
Valve
Tabs

Senior Orifice Fitting

11/14/2013

Flanged Senior (c)
Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

Side Sectional View 7


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
KIỂU TURBINE

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí
Copyright 2008

Bảng tra hệ số Fb

11/14/2013

10


ĐO LƯU LƯỢNG
KIỂU TURBINE

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí
Copyright 2008

Bảng tra hệ số b

11/14/2013

11


LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG
Chế độ dòng chảy

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí
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
Chế độ dòng chảy

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí
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)

dv
Re 
Hệ số REYNOLD

4 q

d
4m

d
11/14/2013

Vận tốc dòng chảy (m/s)
Tỷ trọng môi chất tại điều kiện dòng chảy
Độ nhớt môi chất 1kg/(m.s)
=103cp
Lưu lượng thể tích (m3/s)

Lưu lượng khối lượng (kg/s)

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
Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất lỏng

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí
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)

 2. f . .L.v 2
Pf 
g c .d

Tổn hao áp lực do ma sát

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

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:

2 fLv 2 Xg
P  P2  P1  Pf  PX  

dg c

gc

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

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:
0, 2


f . L. p
d  1, 265 q 0 , 4 



P
g
 f c 
Nếu chưa biết f ta nên dùng công thức sau:
Đối với ống nhỏ:

 L
0 , 397
0 ,172
0 , 036 
d  0 ,647 .q
.
.
 P g
f c







Đối với ống lớn:

d  0 ,647 .q
11/14/2013

0 , 376

.

0 ,168

.

0 , 041

 L

 P g
f c


Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM






0 , 207

0 , 208

17


LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG
Ví dụ 1

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí
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:

d  0,647 .q

0 , 376

.

0 ,168

.

0 , 041

 L

 P g
f c








0 , 208


0,376
0.168
0.041  20000
 0,647.(0,0 416)
.(790)
.10. 0,001 
.

 500000.1 
 0,255m

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

0,208

18


LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG
Lưu lượng vận chuyển

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí
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:
2 , 64

 3,127 .d
   Pf . g c 
q   0 , 453 0 , 094  


.

L




0 , 547

Đối với ống lớn:
2 , 661

 3,180 .d
   Pf . g c 
q   0 , 446 0 ,107  


.

 L 
11/14/2013

0 , 554

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

19


LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG
Tổn hao áp suất

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí
Copyright 2008

Đối với ống nhỏ:

q 1,828 . 0 ,828 . 0 ,172

4 , 828
L
8,038 . g c .d

 Pf
Đối với ống lớn:

q 1,806 . 0 ,806 . 0 ,194

4 , 806
L
8,081 . g c .d

 Pf

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:

q 1,806 . 0 , 806 . 0 ,194
 Pf  L

8,081 . g c .d 4 ,806
0,0416 1,806 .790 0,806 .(10.0,001 )
 20000
(8,081.1. 0,254 4.806 )
 510000Pa

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

0.194

21


LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG
Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất khí

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu 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
Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất khí

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí
Copyright 2008

Công thức tính áp suất trung bình:
3
 P1 P2 
2  P1  P 3 2  2 

Pm   2
 P1  P2   
2 
3  P1  P2  3 
 P1  P2 

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

Công thức tính nhiệt độ trung bình:



 T1  T2

Tm  

 ln  T1  Tg
  T2  Tg

11/14/2013




 Tg






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

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

23


LƯU LƯỢNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG
Tổn hao áp lực đv dòng chảy chất khí

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu 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