close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Динамика волновых процессов в магистральных трубопроводах с системами защиты от перегрузок по давлению на основе газовых аккумуляторов

код для вставкиСкачать
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА
На правах рукописи
ФЕДОСЕЕВ Михаил Николаевич
ДИНАМИКА ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МАГИСТРАЛЬНЫХ
ТРУБОПРОВОДАХ С СИСТЕМАМИ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРУЗОК ПО
ДАВЛЕНИЮ НА ОСНОВЕ ГАЗОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы (технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2018
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего образования «Российский государственный университет
нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»
Научный руководитель –
Лурье Михаил Владимирович
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «РГУ нефти и газа (НИУ)
имени И.М. Губкина»
Официальные оппоненты:
Жолобов Владимир Васильевич
доктор физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник отдела
технологических расчетов и моделирования
работы магистральных трубопроводов
ООО «НИИ Транснефть»
Корельштейн Леонид Бенционович
кандидат физико-математических наук,
заместитель директора по научной работе
ООО «НТП Трубопровод»
Ведущая организация:
Механико-математический факультет
ФГБОУ ВО «Московский государственный
университет имени М.В. Ломоносова»
Защита состоится 15 мая 2018 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.200.17 на базе Российского государственного университета нефти и
газа (национального исследовательского университета) имени И.М.Губкина по
адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, дом 65, корп.1, аудитория
232.
С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научной библиотеки
РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М.Губкина (Ленинский проспект, дом 65) и на
сайте диссертационного совета: https://gubkin.ru/diss2/
Автореферат разослан _____ _____________2018 года.
Ученый секретарь
Диссертационного совета Д 212.200.17
Кандидат физико-математических наук
Кравченко
Марина Николаевна
Общая направленность работы
Диссертация направлена на исследование механики волновых процессов в
магистральных нефтепроводах с учетом комплекса имеющегося на них оборудования с целью изучения методов и технических средств защиты трубопроводов
от перегрузок по давлению. Особенность выполненных исследований состоит в
том, что рассматриваемые защитные устройства имеют в своем составе газовые
полости, которые либо демпфируют волны давления, либо существенно уменьшают скорость роста давления и таким образом задерживают процесс развития
нагрузок, опасных для целостности трубопровода.
В качестве основного метода исследований выбрано математическое моделирование неустановившихся течений слабо сжимаемой (упругой) жидкости в
трубопроводах, порождаемых изменениями режимов их работы (включением и
отключением насосных станций, работой запорно-регулирующих устройств,
началом или концом отбора жидкости из трубопровода, а также работой самих
устройств защиты). Причем под термином "математическое моделирование" понимается исследование краевых задач для системы математических уравнений,
позволяющих адекватно описывать происходящие процессы без обращения к
натурным, и тем более, промышленным экспериментам.
Поскольку развитие волновых процессов в трубопроводах, транспортирующих жидкость, невозможно отделить от работы установленного на них оборудования, то существенной частью исследования является математическое моделирование динамики работы этого оборудования совместно с трубопроводом. В математическом плане рассматриваемые задачи сводятся к решению одномерных
уравнений с частными производными первого порядка для гидродинамических
параметров течения, имеющих в ряде точек (сечений) разрывы непрерывности.
В то же время условия сопряжения гидродинамических параметров течения на
этих разрывах (условия на разрывах) представляются системой нелинейных алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений. В физическом
плане
эти
условия
моделируют
работу
1
конкретного
оборудования,
установленного в том или ином сечении трубопровода. В результате выполненных исследований оказалось возможным:
выявить характерные эффекты протекания волновых процессов, как в магистральных, так и в коротких нефтеналивных трубопроводах, оборудованных
устройствами с демпфирующими газовыми полостями;
сравнить между собой гидродинамическую эффективность использования
того или иного демпфирующего устройства;
получить выводы практического свойства относительно особенностей развития волновых процессов в трубопроводах, оборудованных демпфирующими
устройствами;
апробировать эти выводы на примерах действующих нефтепроводов;
исследовать взаимовлияние демпфирующих устройств в коротких трубопроводах;
предложить конструктивные решения в отдельных случаях и разработать
практические рекомендации в общем случае.
Актуальность темы диссертации
Актуальность темы диктуется, с одной стороны, практическими потребностями нефтегазовой отрасли. Система трубопроводного транспорта нефти постоянно усложняется в количественном и качественном отношениях, увеличивается протяженность отдельных трубопроводов, растет степень их разветвленности, внедряются новые виды оборудования, в т. ч. быстродействующие запорнорегулирующие устройства, строятся новые терминальные комплексы на берегах
морских акваторий и т.д. Поэтому возрастают и требования к безопасности эксплуатации таких систем, решить которые невозможно без исследования гидродинамических процессов возникновения и распространения волн давления в
сложных трубопроводах, и на этой основе разработать новые системы защиты
трубопроводов от аварий.
С другой стороны, актуальность темы диссертационного исследования объясняется и потребностями обобщения и дальнейшего развития теории неустановившихся течений жидкости в трубопроводах, заложенной выдающимися
2
учеными прошлого Н.Е.Жуковским, Л.С.Лейбензоном, И.А.Чарным и многими
другими. Обобщения диссертации касаются, главным образом, закономерностей
течения слабо сжимаемой (упругой) жидкости в трубопроводах, оборудованных
множеством конкретных устройств, существенно определяющих развитие волновых процессов в магистралях. Развивается и обобщается основополагающая
идея И.А.Чарного о рассмотрении подобных проблем на основе уравнений с
частными производными для распределенных параметров, дополненных внутренними краевыми условиями (условиями на разрывах), представляющими системы алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений, для
учета работы оборудования.
Цель и задачи диссертации
Цель исследований состоит в теоретическом обобщении методов моделирования и расчета неустановившихся течений жидкости в трубопроводах, транспортирующих слабо сжимаемую капельную жидкость, на случай систем с демпфирующими устройствами в виде газовых аккумуляторов, для выяснения эффективности применения таких устройств в качестве средств защиты трубопровода
от аварийных ситуаций.
Для достижения поставленной цели понадобилось решить следующие основные задачи:
выполнить критический анализ существующей теории и методов расчета неустановившихся течений жидкости в трубопроводах, выявив их достоинства и
недостатки, а также наличие и отсутствие моделей для решения сформулированной проблемы;
усовершенствовать математические модели предохранительных устройств,
содержащих в своем составе газовые аккумуляторы (газовые колпаки, системы
сглаживания волн давления), для последующей формулировки внутренних краевых условий на разрывах гидродинамических параметров течения жидкости;
дать математическую постановку общей гидродинамической задачи о расчете волновых процессов в трубопроводах, оборудованных системами
3
демпфирования волн давления, представляющих опасность для целостности трубопровода;
разработать численный алгоритм решения сформулированных задач (изучить существующие численные методы интегрирования полученных уравнений,
адаптировать их для рассматриваемых случаев, выполнив при этом необходимую модификацию, и исследовать сходимость); создать соответствующую компьютерную программу для численной реализации предложенного алгоритма;
провести исследование неустановившихся (переходных) процессов в трубопроводах, оборудованных системами демпфирования волн давления на базе газовых аккумуляторов; выявить основные эффекты действия таких систем;
выполнить сравнительный анализ действия различных демпфирующих систем, например, газовых колпаков и систем сглаживания волн давления; сделать
заключение и дать рекомендации о преимущественном использовании той или
иной системы в конкретных условиях;
апробировать разработанные методы расчета на существующих трубопроводах, сделав заключение об их действенности и обнаруженных в ходе исследований проблемах безопасности эксплуатации этих трубопроводов.
Основные положения, выносимые на защиту:
- демпфирующие устройства, содержащие в своем составе газовые аккумуляторы, можно моделировать системами алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений для параметров, описывающих внутреннюю динамику работы таких систем. Процессы внутренней динамики, в свою очередь, обусловлены теми волновыми процессами, которые происходят в трубопроводе. Таким образом, расчет неустановившихся процессов возможен только в рамках
единой математической задачи об одномерном течении жидкости в интервалах
непрерывности с внутренними условиями сопряжения на разрывах гидродинамических параметров, в которых установлены эти демпфирующие устройства;
- классический метод характеристик для решения системы дифференциальных уравнений гиперболического типа, дополненный нелинейными алгебраическими и обыкновенными дифференциальными уравнениями в окрестностях
4
разрыва гидродинамических параметров течения, позволяет полностью решить
сформулированную задачу и дать прогноз развития волновых процессов в трубопроводе с демпфирующими системами;
- газовые колпаки могут быть использованы в качестве защиты трубопроводов от волн гидравлического удара и составлять существенную конкуренцию более дорогим системам сглаживания волн давления;
- совместное действие нескольких газовых колпаков позволяет надежно защитить от волн гидравлического удара относительно короткие трубопроводы,
что имеет первостепенное значение для нефтеналивных трубопроводов морских
терминалов;
- теория и методы расчета неустановившихся течений жидкости в трубопроводах с демпфирующими системами, развитые в диссертации, эффективны для
расчета промышленных трубопроводов; примененные для анализа безопасности
конкретных трубопроводов (на примере нефтепровода Каспийского трубопроводного консорциума) позволили выяснить целый ряд скрытых опасностей.
Научная новизна результатов
Впервые разработана теория и численно реализован алгоритм моделирования совместной работы систем сглаживания волн давления (ССВД) и трубопровода на базе математической модели, состоящей из уравнений неустановившегося течения жидкости в трубопроводе и уравнений, описывающих внутреннюю
динамику основных узлов ССВД, в частности, ее газового аккумулятора. Существенно развиты и дополнены теоретические исследования, выполненные на эту
тему И.А.Чарным и Л.В.Полянской (1965), Ю.В.Крыловым (1975), А.В.Адоевским (2011) в России, D.Wood (1970), V.L.Streeter, E.B. Wylie (1975) и некоторыми другими исследователями за рубежом. Развитая в работе теория в совокупности с численными методами расчета дают возможность получить прогнозные
результаты, позволяющие не производить дорогостоящие промышленные испытания;
обнаружен ранее неизвестный эффект от действия систем сглаживания волн
давления при отключении насосной станции на участках трубопроводов,
5
проложенных в сильно пересеченной местности, состоящий в падении давления
в жидкости до упругости ее насыщенных паров и возникновение парогазовой
полости;
предложена новая технология защиты относительно коротких трубопроводов (нефтеналивных терминалов) от волн гидравлического удара путем использования не одного, а нескольких газовых колпаков с нарастающей емкостью, последовательно установленных на расстоянии друг от друга. Технология защищена патентами Российской Федерации;
вопреки ранее существовавшему представлению о том, что газовые колпаки
не могут быть использованы в качестве защиты трубопроводов от волн гидравлического удара, результатами численных расчетов показано, что газовые колпаки (в т.ч. системы из нескольких газовых колпаков) составляют реальную конкуренцию другим системам защиты, прежде всего, дорогостоящим системам
сглаживания волн давления.
Практическая значимость работы
Выводы и рекомендации, полученные автором, допускают непосредственное использование в проектировании и эксплуатации систем защиты трубопроводов для защиты от волн повышенного давления. Полученные результаты позволяют прогнозировать эффективность действия систем защиты путем моделирования происходящих процессов, а не ставить дорогостоящие промышленные
эксперименты, упростить настройку защитных систем в процессе эксплуатации,
а также исключить заранее не очевидные непредвиденные аварийные ситуации.
Результаты и рекомендации диссертации уже нашли практическое использование при анализе безопасности работы крупнейших отечественных трубопроводов.
Апробация работы
Наиболее существенной апробацией работы служит использование ее результатов для анализа и выработки технологических предложений для обеспечения безопасности крупнейших отечественных и зарубежных нефтепроводов
(Каспийский трубопроводный консорциум (Россия, Казахстан), нефтепровод
6
«Павлодар-Шымкент» (Казахстан), а также нефтеналивных трубопроводов в
портах России: ООО «Транснефть – Порт Козьмино», ООО «Транснефть – Порт
Усть—Луга», ООО «Газпром нефть Новый Порт»).
Публикация результатов работы
Результаты диссертационного исследования изложены в 13 печатных работах, в их числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации, а также 2 патента РФ.
Структура и объем работы
Текст диссертации состоит из 4 глав, введения и заключения. Диссертация
изложена на 131 странице и содержит 32 рисунка. Список использованной литературы насчитывает 117 наименований.
В первой главе диссертации дается краткий обзор и критический анализ
теоретических работ в области неустановившихся течений жидкости в трубопроводах. Исследованиями в этой области занимались многие отечественные и зарубежные ученые, среди которых И.С.Громека, Н.Е.Жуковский, Л.С.Лейбензон,
Н.А.Картвелишвили, И.А.Чарный, М.А.Гусейн-Заде, О.Ф.Васильев, Г.Д.Розенберг, В.А.Юфин, Ю.В.Крылов, Ш.И.Рахматуллин, Л.В.Полянская, А.Ф.Воеводин, С.М.Щугрин, В.В.Тарасевич, М.Г.Сухарев, Е.В.Вязунов, В.В.Жолобов,
Н.С.Арбузов, М.В.Лурье, A.Resal, L.Allievi, L.Bergeron, J.Parmakian, R.E.Horton,
G.K. Lotter, V.L.Streeter, E.B.Wylie, J.A.Fox, D.A.Wood, S.Jones, G.Watters,
A.R.D.Thorley, K.Enever, M.H.Chaudhry и другие. Число написанных в этой области работ столь велико, а прикладные области использования теории неустановившихся (переходных) процессов столь многообразны, что дать сколько-нибудь полный обзор этих работ не представляется возможным. Поскольку к предмету диссертационного исследования относятся лишь исследования волновых
процессов в трубопроводах, прежде всего магистральных нефте- и нефтепродуктопроводах с современными системами защиты от волн повышенного давления,
то данный обзор и критический анализ касается именно таких работ.
В работах И.А.Чарного и его ученицы Л.В.Полянской (1965) воздушный
колпак рассматривался как средство защиты магистральных трубопроводов от
7
волн повышенного давления, возникающих при отключении насосных станций,
однако делался вывод о том, что объем такого колпака должен быть столь большим, что с учетом высокого давления газа в колпаке его невозможно реализовать
в промышленных условиях. Однако автором настоящей диссертации показано,
что газовые колпаки даже относительно небольших объемов могут существенно
уменьшить скорость увеличения давления в трубопроводе, а система газовых
колпаков может успешно конкурировать с другими весьма сложными и дорогостоящими средствами защиты.
Постановкой и численным решением задач о моделировании нестационарных течений капиллярной жидкости в трубопроводных системах, оборудованных различными технологическими устройствами, занимались М.А.ГусейнЗаде, В.А.Юфин и Г.Д.Розенберг. Однако в своих работах, авторы не рассматривали вопросы моделирования систем гашения волн высокого давления. Кроме
того, М.А.Гусейн-Заде и В.А.Юфин при моделировании работы трубопроводного оборудования в своих исследованиях основывались на подходе, отличном
от рассматриваемого в данной диссертации: на внедрении уравнений работы
оборудования в источниковые слагаемые законов движения жидкости. Таким образом, при описании работы отводов или подкачек жидкости дополнительные
слагаемые авторы вводили в уравнение сохранения массы, а при моделировании
насосных станций, местных сопротивлений и регулирующих устройств – в закон
изменения количества движения.
Современные системы сглаживания волн давления (ССВД) изучались в теоретическом аспекте значительно меньше. В наиболее близких работах М.В.Лурье, Н.С.Арбузова и А.В.Адоевского исследовалась, главным образом, динамика
внутренних процессов, происходящих в ССВД, в то время как собственно взаимодействие этих систем с трубопроводом при отключении насосных станций
(НПС) оставалось в тени - отключение НПС моделировалось закрытием секущей
задвижки. Автор диссертации обобщил и усовершенствовал исследования предшественников, исследовал работу ССВД совместно с трубопроводом при отключении и последующем «выбеге» НПС, т.е. с учетом инерционных процессов в
8
роторах перекачивающих агрегатов. Особый интерес представляет сопоставление гидродинамических процессов при работе ССВД и их альтернативы – газовых колпаков. Кроме того, удалось обнаружить и некоторые опасные гидродинамические явления от применения ССВД в действующих нефтепроводах.
Во второй главе изложены основные научные положения диссертации. В
качестве исходного базиса для моделирования неустановившихся течений жидкости в трубопроводах использована система одноразмерных уравнений, предложенная И.А.Чарным
 S S
 t  x  0,

  d   p  4 w  g dz ,
 dt
x
d
dx
(1)
состоящая из уравнения неразрывности и уравнения движения. Здесь , p, 
плотность, давление и скорость течения жидкости, соответственно; d, S d2 4
внутренний диаметр и площадь поперечного сечения трубопровода;  w  касательное напряжение на внутренней поверхности трубопровода; z x   пространственный профиль трубопровода; g  ускорение силы тяжести; x, t  координата
вдоль оси трубопровода и время, соответственно.
Для замыкания этой системы используются допущения, известные как «гипотеза о квазистационарности» происходящих процессов (восходящая к работам Н.Е. Жуковского, Л.С. Лейбензона и И.А. Чарного) и состоящие постулировании справедливости следующих утверждений

p  p0 

     p   0 1  K  ,




 d 0 1   П2



,
S

S
p

S
1

p

p





0
0


E




 w    8,     Re,   ;



(2)
где K  модуль упругости жидкости; E ,  П  модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала трубопровода;   толщина стенки трубопровода; d 0 , S 0  невозмущенные значения диаметра и площади
9
сечения;

коэффициент
гидравлического сопротивления как функция числа Re  d 0  и эквивалентной
относительной шероховатости  внутренней поверхности трубопровода;   кинематическая вязкость жидкости. Первые два соотношения предполагают установление мгновенного равновесия между деформированными жидкостью и трубой под действием давления в трубопроводе, вызывающего эти деформации;
третье – значение потерь на трение, причем такое же, как и в стационарном случае. Все три допущения неоднократно обсуждались в научной литературе, в
связи с чем стало ясно, что они имеют место из-за малости инерции стенок трубопровода в процессе деформации и «не слишком большой» скорости переходных процессов, а именно, процессов, в которых характерное время изменения
внешних параметров намного больше характерного времени перестройки профиля течения.
После линеаризации параметров течения вблизи невозмущенных значений
d 0 , S 0 трубопровода и  0 жидкости и пренебрежении конвективными членами (
  x  p x вследствие малости отношения  c - числа Маха) основная си-
стема уравнений для двух неизвестных функций    x, t  и p  px, t  приобретает вид:
 p
2 
 t   0 c x  0,
  p

dz
 0


 0    0 g .
 t x
2d 0
dx



 d 1   П2 
c 0  0 0

E
K

1
2
.
(3)
Здесь c  скорость распространения возмущений в трубопроводе. Система уравнений (3) относится к классу полулинейных уравнений (т.е. линейных только по
производным) гиперболического типа, имеет две системы волн, распространяющихся со скоростью  с вверх и вниз по течению.
Для моделирования работы оборудования, установленного на трубопроводах, система уравнений (3) дополняется внутренними граничными условиями,
которые представляют собой обыкновенные дифференциальные или нелинейные алгебраические уравнения. Приводятся рассуждения, определяющие вывод
подобных условий для различных типов используемого оборудования.
10
В качестве граничных условий, используемых при моделировании гидродинамических процессов отключения насосной станции, приводятся соотношения, описывающие работу насосного агрегата с учетом инерционных характеристик:
 [ p]   2
2

    a  b    S  3600  ,
  0  g  0 

  S  [ p]
d

М




J



;
эл
.
дв
.


dt

(4)
Здесь [] – величина скачка давления жидкости в сечении установки насосной
станции; (),  – мгновенная и номинальная угловая скорости вращения ротора насоса;  – площадь поперечного сечения потока в сечении насоса; Мэл.дв –
выходная мощность электродвигателя (привода) насоса; J – осевой момент
инерции ротора насоса; –коэффициент полезного действия насоса; ,  – коэффициенты напорной характеристики насоса. Первое уравнение представляет собой закон изменения количества движения жидкости при перетоке через сечение
насоса, второе – закон сохранения механической энергии на валу насоса: энергия
от привода расходуется на совершение полезной работы и на изменение кинетической энергии вращающихся элементов насоса.
В работе также приведены условия, описывающие работу регулирующих
устройств, обратных клапанов и другого трубопроводного оборудования. Доказывается, что все подобные условия в совокупности с исследуемыми уравнениями движения имеют единственное решение при положительных значениях .
Отличительной особенностью решения исследуемых в диссертации задач
является наличие областей не только с гладкими, но и с разрывными решениями.
Отсюда следует необходимость использования численных методов, которые
удовлетворяют двум довольно противоречивым требованиям: численный метод
должен иметь высокий порядок точности в областях с гладкими решениями и не
создавать дополнительных локальных экстремумов (удовлетворять условию монотонности) в окрестности разрывов.
11
В качестве основного метода решения в работе использован метод характеристик, основанный на вычислении
0c 2
0
A 1
0
0
собственных векторов матрицы
коэффициентов системы (3) Простота применения данного метода
к задачам полулинейного типа обусловлена независимостью элементов матрицы
А от пространственной и временной координат. Данное условие приводит к возможности однозначного построения расчетной сетки на плоскости независимых
переменных ( x, t ). Вдоль прямых, коллинеарных базисным векторам полученной
сетки, система дифференциальных уравнений в частных производных (3) обращается в систему обыкновенных дифференциальных уравнений, которые решаются явными численными методами.
Однако с целью повышения порядка точности решения, в работе рассматривается класс численных методов, имеющих общее название разрывного метода Галёркина (сокр. DGM). Основной идеей DGM является разбиение области
определения
 =
− ,
  0, L
искомой
функции
на
N
отрезках
с
длиной
 = . На каждом из полученных отрезков решение аппрокси-
мируется кусочно-непрерывными функциями. Значения коэффициентов аппроксимирующих функций определяются из условия минимизации функционала невязки решения. Кроме того, в отличие от классического метода конечных элементов, DGM допускает наличие разрывов функций на границах элементов
(рис.1), и таким образом комбинирует в себе положительные свойства метода
конечных элементов и метода конечных объемов.
Известно, что применение численных методов низкого порядка точности
по координате для решения гиперболических уравнений во многих случаях приводит к искусственной диффузии решения. Поэтому при построении численных
методов в работе использованы кусочно-полиномиальные распределения третьего порядка и выше. Применение полиномиальных функций высокого порядка,
однако, приводит к возникновению искусственных локальных экстремумов в областях с высоким градиентом аппроксимируемой функции. Таким образом,
12
численные методы высокого порядка точности при решении задач, описываемых
уравнениями гиперболического типа, не обладают свойством монотонности и
приводят к нефизическим осцилляциям решения, которые спустя несколько ите-
u(x)
раций по времени приводят к заметным погрешностям в вычислениях.
Рис. 1. Пример решения волнового уравнения разрывным методом Галёркина с использованием кусочно-линейных аппроксимирующих функций.
В связи с вышесказанным, для составления монотонной разностной схемы
в диссертационном исследовании стандартный метод DG усилен условием не
увеличения полной вариации (total variation diminishing) решения во времени:


 
TV f t  t  TV f t ,
b
где TV  f   
a
(5)
f
dx - полная вариация функции f x  , определенной и дифференx
цируемой на отрезке [a, b]. Хотя условие (5) и является более слабым по сравнению с требованием монотонности решения, его выполнение оказывается достаточным для построения монотонных и устойчивых численных методов при решении задач, описываемых системой уравнений (3) и дополненных нелинейными внутренними граничными условиями.
Результаты численных расчетов, приведенных в диссертационном
исследовании, сравниваются с экспериментальными данными (см. рис. 2). Показано, что рассматриваемая в гидравлическом приближении модель течения вязкой слабо сжимаемой жидкости в цилиндрическом трубопроводе, снабженная
13
нелинейными внутренними граничными условиями, в совокупности с численными методами, адаптированными для решаемой задачи, позволяет получать до-
Давление [MПa]
стоверные результаты.
Рис.2. Результаты сравнения численного расчета (DGM) с экспериментом.
– Расчетное давление на выходе НПС;
– Измеренное давление на входе/выходе НПС с учетом допуска;
Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию механики защиты трубопроводов от гидравлического удара системами, имеющими в
своем составе газовые аккумуляторы, а именно газовыми колпаками и системами
сглаживания волн давления.
Для моделирования работы газового колпака использованы условия:

 p  p  p ,
ГК

2
2
  d    d  
 
  q ГК ,

4
 4

d  1 
q ГК   p0V0 
;
dt  p ГК 

(6)
здесь верхними индексами «–» и «+» отмечены предельные значения параметров
слева и справа от разрыва, обусловленного наличием колпака; ГК – давление в
сечении установки системы защиты, принимаемое равным давлению газа внутри
колпака; ГК () – объемный расход жидкости из трубопровода в полость газового
колпака;  ,  – исходные значения давления и объема газа.
14
Условия (6) в совокупности с уравнениями (3), краевыми и начальными
условиями составляют замкнутую задачу, решение которой позволяет определить все необходимые гидродинамические параметры течения жидкости в трубопроводе, оборудованном газовым аккумулятором.
На основании расчетов выдвигается и обосновывается тезис об эффективности применения газовых колпаков в качестве систем гашения волн давления в
магистральных трубопроводах и трубопроводах морских нефтеналивных терминалов, а также определяются следующие особенности использования газовых
колпаков:
- отсутствие необходимости установки дополнительного оборудования,
обеспечивающего обратную закачку жидкости в трубопровод, в отличие от всех
остальных способов гашения волн давления;
- основной особенностью работы газовых колпаков от повсеместно используемых в настоящее время предохранительных клапанов заключается в
уменьшении скорости нарастания давления в ударной волне;
- с точки зрения реализации, в качестве газового колпака может быть использован герметичный участок трубопровода, заполненный инертным газом,
закрытый с одного конца, а другим концом подключенный к защищаемому объекту; данное устройство не содержит механических элементов в отличие от
предохранительных клапанов и ССВД;
- наиболее эффективным применением газовых колпаков является защита
относительно коротких участков трубопровода, длина которых не превышает нескольких километров, например, трубопроводов морских нефтеналивных терминалов; в этом случае даже колпак небольшого объема, не превышающего 10 м3,
способен значительно снизить максимальный уровень давления при нестационарных течениях;
- с целью уменьшения требуемой площади, занимаемой системами защиты
от гидроудара причальных сооружения морских нефтеналивных терминалов, в
работе предложена система, состоящая из газового колпака, устанавливаемого
непосредственно на причальных сооружениях, и системы предохранительных
15
клапанов, устанавливаемых на берегу. Показано, что подобная комбинированная
система гашения волн давления позволяет экономить место на причале без потери эффективности защиты.
В диссертации проведен анализ размерности параметров модели, на основе
которого предложены графики зависимостей безразмерных параметров (рис.3),
определяющих развитие нестационарных процессов в горизонтальном участке
трубопровода с установленным газовым аккумулятором. Здесь  ,  – давления
в начальном и конечном сечениях трубопровода при установившемся течении
жидкости; ,  – длина и внутренний диаметр участка трубопровода;  – плотность перекачиваемой жидкости;  – скорость распространения слабых возмущений в системе «жидкость-трубопровод»;  – скорость установившегося течения жидкости; 
– максимально допустимый уровень давления;  – объем
газового колпака.
Использование приведенных зависимостей безразмерных параметров (рис.
3) позволяет определить параметры газового аккумулятора без необходимости
построения математической модели и получения ее численного решения.
Рис. 3. Кривые безразмерных зависимостей параметров газового колпака и защищаемого
трубопровода.
В работе предложен вариант системы защиты морских нефтеналивных
терминалов, названный комбинированной системой защиты, а также выполнено
исследование его влияния на динамику волновых процессов в таких трубопроводах (рис.4). Основной конструкционной особенностью предложенного
16
устройства является использование двух газовых колпаков, первый из которых
имеет меньший объем и устанавливается непосредственно перед наливаемым
танкером, на причале, где существует дефицит свободного пространства, а второй, большего объема, устанавливается на берегу, где такого дефицита нет.
На рис.4 приведены результаты расчетов участка трубопровода морского
терминала, оборудованного комбинированной системой защиты с двумя газовыми колпаками объемом 10 и 30 м3. Кривые показывают изменение давления в
сечениях установки газовых колпаков при возникновении прямого гидравлического удара. Верхняя кривая (V = 0) показывает распределение давления перед
задвижкой при отсутствии системы защиты. Из графиков видно, что использование такого комбинированного способа гашения волн давления с установленным
на причале газовым колпаком малого объема позволяет эффективно снизить максимальное давление в трубопроводе.
3
V=0
Давление [МПа]
2.5
2
1.5
V = 10 м 3
1
V = 30 м 3
0.5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Время [c]
Рис. 4. Изменение давления в трубопроводе при установке комбинированной системы защиты; верхняя кривая – изменение давления в трубопроводе без защиты.
В этой же главе представлены исследования, связанные с применением систем сглаживания волн давления (ССВД, рис.5) в качестве средства защиты от
волн повышенного давления, изложены принципы работы системы, приведены
основные уравнения, описывающие ее работу. На основе проведенного анализа
выявлены ранее неизвестные особенности работы системы и предложены новые
конструкционные решения.
17
Рис.5. Схематическое изображение ССВД.
Система сглаживания волн давления подключается к защищаемому трубопроводу через два патрубка. Один из них соединяет магистральный нефтепровод
(МН) и газовый аккумулятор. При этом на соединительной линии установлены
дроссель, регулируя степень открытия которого происходит настройка расхода
нефти в газовый аккумулятор, и разделительная емкость, в которой поступающий из нефтепровода продукт заменяется этиленгликолем. Другой патрубок соединяет МН и перепускной клапан, при открытии которого нефть поступает из
МН в сбросной резервуар. При этом текущее давление в газовом аккумуляторе,
скорость изменения которого регулируется дросселем, передается во внутреннюю полость клапана. Таким образом, происходит регулирование давления срабатывания. При возникновении гидравлического удара на перепускном клапане
возникает разность давлений: с одной стороны к клапану подводится постоянно
увеличивающееся давление в МН, с другой – также увеличивающееся, но с меньшей скоростью, давление в газовом аккумуляторе. Именно этот перепад давления и обеспечивает открытие перепускного клапана и последующий отвод нефти
из МН в сбросной резервуар.
Описанное устройство предлагается моделировать в качестве внутренних
условий сопряжения параметров течения жидкости в магистральном трубопроводе.
18
Для определения предельных значений давлений  ,  и скоростей  , 
слева и справа от ССВД, требуются 4 уравнения. Два из них могут быть сформулированы на основе законов сохранения массы и количества движения.
Если использовать обозначения: ССВД – объемный расход жидкости из
трубопровода через перепускной клапан ССВД; ∆ – разность давлений на входе
и выходе перепускного клапана; , 
– коэффициенты расхода перепускного
клапана и регулируемого дросселя; ср – давление жидкости в сбросном резервуаре; г , г – давление и объем газа в газовом аккумуляторе; эг – плотность этиленгликоля, то уравнения, моделирующие работу системы, могут быть записаны
в виде:



pССВД
 pССВД
 pССВД ,
 2
2

 dССВД
  dССВД 

 4 ССВД  4 ССВД  qССВД ,


pССВД  pср
,
 qССВД (t )  K v (p) 
0


p
dVГt

  K cv 
 sign(p ),

dt
 ЭГ

ptГ  VГt  p Г0  VГ0 .

(7)
Здесь  (∆) определяет зависимость коэффициента расхода перепускного клапана от разности ∆ давлений в его патрубках, эта функция может быть задана
Полный напор [м]
Полный напор [м]
кусочно-линейной зависимостью.
Рис. 6. Распределение полного напора по длине трубопровода при отключении насосной
станции: слева – без ССВД; справа – при работе ССВД.
19
На основе полученной модели выполнен анализ работы систем сглаживания волн давления при различных условиях эксплуатации, изучено влияние параметров настройки системы на нестационарные процессы в трубопроводах. Рассмотрены варианты совместной работы участка трубопровода, ССВД и насосной
станции. Выявлено ранее неизвестное явление вскипания жидкости в рельефных
трубопроводах при срабатывании системы защиты (рис. 6). Это явление обусловлено тем, что в процессе остановки станции, оборудованной ССВД, скорость роста давления на входе станции уменьшается за счет отвода части жидкости в резервуар ССВД, но давление на выходе при этом снижается с той же скоростью,
что и в случае без ССВД. Таким образом, растущее значение давления на входе
и снижающееся значение давления на выходе выравниваются на уровне, значительно меньшем, чем при остановке станции без ССВД. Это и приводит к возникновению более глубокой волны разряжения на выходе станции, что может
привести к вскипанию жидкости.
На основании результатов моделирования различных систем гашения волн
давления проводится сравнительный анализ эффективности этих систем при различных условиях эксплуатации. Однако во всех рассматриваемых случаях газовый колпак и ССВД настраивались таким образом, чтобы получить примерно
одинаковый эффект уменьшения скорости роста давления в трубопроводе, после
чего сравнивались параметры, определяющие конструкцию рабочих элементов
систем защиты. В случае использования ССВД таковым параметром является
удвоенный объем жидкости, отводимой из трубопровода в процессе работы защиты, а в случае газового колпака – начальный объем газовой полости. Применение в качестве определяющего параметра удвоенного объема сброса для ССВД
обусловлено необходимостью обеспечения возможности двойного подряд срабатывания ССВД в соответствии с существующими нормами проектирования
нефтепроводов.
Расчетами показано (рис. 7), что во всех сравниваемых случаях эти параметры сопоставимы и, следовательно, предпочтение той или иной системы
должно определяться затратами на сооружение и эксплуатацию каждой.
20
Давление [МПа]
Рис. 7. Изменение давления в сечении установки защиты:
сплошные кривые – КГ; пунктирные кривые – ССВД.
В четвертой главе приведены результаты исследования нестационарных
течений жидкости в магистральном трубопроводе Каспийского трубопроводного консорциума (КТК). На основе численного расчета, выполненного с помощью разработанной математической модели, представлено заключение о безопасности эксплуатации нефтепровода с существующей системой контроля давления, выявлены недостатки этой системы и предложены рекомендации по ее
оптимизации. Обоснована необходимость установки дополнительных средств
защиты от волн повышенного давления и получены настроечные параметры этих
систем.
Протяженность магистрального трубопровода КТК превышает 1500 км, а
его внутренний диметр варьируется от 820 до 1200 мм. Трубопровод используется для перекачки нефти, поступающей с месторождений Западного Казахстана,
до морского терминала, расположенного в г. Новороссийск. Высокая производительность трубопровода, которая достигает 76 млн.т/год и превышает производительность большинства существующих трубопроводных систем, обуславливает необходимость тщательного теоретического анализа волновых процессов с
целью обеспечения безопасной и надежной эксплуатации.
21
Рис. 8. Распределение напора по длине трубопровода при остановке НПС-2:
слева – без ССВД; справа – с установленной ССВД.
Проанализирована динамика волновых процессов в трубопроводе, вызванных аварийным отключением насосных станций. На примере НПС-2 (рис.8) показана необходимость установки дополнительной системы сглаживания волн
давления с целью предотвращения возможного превышения максимально допустимого давления. На графиках видно, что максимальное распределение напора
в процессе остановки станции превышает максимально допустимое значение
напора (МДН) в случае отсутствия системы защиты. Однако установка ССВД
позволяет защитить трубопровод от превышения МДН.
Заключение

Выполнено исследование неустановившихся процессов в трубопроводах,
оборудованных различными системами демпфирования волн давления, выявлены предпочтительные области применения тех или иных способов защиты:
наиболее эффективным применением газовых колпаков является защита относительно коротких трубопроводов, в то время как системы сглаживания волн давления следует устанавливать на магистральных трубопроводах.
 Численно исследованы гидродинамические процессы, возникающие при использовании системы из нескольких газовых колпаков для гашения волн давления, в результате чего показана эффективность применения такого способа
22
защиты относительно коротких трубопроводов, в особенности причальных сооружений морских нефтеналивных терминалов.

Предложен и численно исследован вариант комбинированной системы за-
щиты трубопроводов от волн повышенного давления, состоящей из двух
устройств: первое устанавливается на причале, где существует дефицит свободного пространства, второе – на берегу, где подобного дефицита нет. Основное
преимущество предложенного метода – экономия места на причале без потери
надежности защитной системы.

Выявлено ранее неизвестное явление возникновения газовых полостей в
рельефных трубопроводах в случае срабатывания системы сглаживания волн
давления в процессе остановки станции. Это явление обусловлено формированием в выходном коллекторе станции волны разряжения большей амплитуды,
чем в случае остановки станции без систем защиты.

На основании полученных в диссертации результатов выполнено всесто-
роннее исследование различных режимов эксплуатации магистрального нефтепровода Каспийского трубопроводного консорциума; по результатам исследования выявлены слабые места существующей системы защиты трубопровода и
даны рекомендации для их оптимизации.
Список основных работ, опубликованных по результатам исследования
1. Федосеев М.Н. Моделирование остановок нефтеперекачивающих станций,
оборудованных системами сглаживания волн давления // Трубопроводный
транспорт: теория и практика. – 2016 - № 6. - С. 18-24.
2. Лурье М.В., Федосеев М.Н. Сопоставление эффективности действия систем
сглаживания волн давления и газовых колпаков // Территория Нефтегаз. –2015. №9. - С. 106-110.
3. Федосеев М.Н., Лурье М.В., Арбузов Н.С. Теория и расчет систем сглаживания
волн давления // Территория Нефтегаз. – 2015. - №6. - С. 28-34.
4. Федосеев М.Н. Комбинированная система защиты трубопроводов морских
нефтеналивных терминалов от гидравлического удара // Территория Нефтегаз.–
2014. - №10. - С. 18-23.
23
5. Федосеев М.Н., Арбузов Н.С. Использование газовых колпаков для защиты
морских нефтеналивных терминалов от гидравлического удара // Нефтяное хозяйство. – 2014. - №10. - С. 124-127.
6. Арбузов Н.С., Федосеев М.Н., Лурье М.В. Выбор газовой емкости колпака, используемого в качестве средства защиты коротких трубопроводов от гидравлического удара // Трубопроводный транспорт: теория и практика. –2014 - № 1. - С.
54-57.
7. Арбузов Н.С., Лурье М.В., Федосеев М.Н. Патент РФ на полезную модель
№142286. Комбинированная система защиты наливного трубопровода от гидравлического удара.
8. Арбузов Н.С., Лурье М.В., Федосеев М.Н. Патент РФ на изобретение
№2559225. Комбинированная система защиты наливного трубопровода от гидравлического удара.
9. Федосеев М.Н. Защита трубопроводов от гидравлического удара системами с
газовыми аккумуляторами. // Сборник тезисов участников форума «Наука будущего – наука молодых» – Том 1. – Севастополь, 2015. – с. 113 – 116.
10. Федосеев М.Н. Защита трубопроводов от гидравлического удара системами с
газовыми аккумуляторами. // Сборник докладов 69-й международной молодежной научной конференции «Нефть и газ – 2015». М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ
нефти и газа им. И.М.Губкина, 2015. – С. 217.
11. Федосеев М.Н. Комбинированная система защиты трубопроводов морских
нефтеналивных терминалов от гидравлического удара // Сборник докладов 68-й
международной молодежной научной конференции «Нефть и газ – 2014». М.:
Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2014. – С. 223.
12. Федосеев М.Н. Выбор параметров газового колпака, используемого в качестве системы защиты трубопровода от гидравлического удара. // Сборник тезисов X-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ
нефти и газа им. И.М.Губкина, 2014. – С.117.
13. Федосеев М.Н. Использование газовых колпаков для защиты трубопровода
от волн гидравлического удара // Сборник тезисов десятой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (нефть, газ, энергетика). М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ
нефти и газа им. И.М.Губкина, 2014. – С. 93.
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа