Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Особенности теплогидравлического расчета магистральных газопроводов, эксплуатируемых в сложных неизотермических условиях

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Особенности теплогидравлического расчета магистральных газопроводов, эксплуатируемых в сложных неизотермических условиях"

на правах рукописи

005003008

ПЯТАКОВА Ольга Алексеевна

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В СЛОЖНЫХ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ДЕК 2011

Москва-2011

005003008

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Лурье Михаил Владимирович

доктор технических наук, профессор Харченко Юрий Алексеевич

кандидат технических наук, доцент Гольянов Андрей Иванович

Открытое акционерное общество «Гипроспецгаз» (Московский филиал), г. Москва

Защита диссертации состоится «22» декабря 2011 г. в 15-00 час. в ауд. 502 на заседании диссертационного совета Д.212.200.06 в Российском Государственном Университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина

Автореферат разослан « ¿¿oh) ноября 2011 г. Объявление о защите диссертации и автореферат размещены на официальном сайте РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина http://www.gubkin.ru и направленны на размещение в сети Интернет Министерством образования и науки Российской Федерации по адресу référât vak@mon.gow.ru

Ученый секретарь диссертационного совета /

доктор технических наук, профессор ^/jQ//^ A.M. Ревазов

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена обобщению и дальнейшему развитию теории установившихся неизотермических течений газа в газопроводах с целью решения практически важных вопросов проектирования и эксплуатации газотранспортных систем. Отличительная особенность выполненных исследований состоит в том, что основные факторы, влияющие на режим транспортирования газа (неизотермический характер процессов, несовершенство газа, большие перепады высот профиля, теплообмен с окружающей средой и т. п.) испытывают существенные изменения в пределах одного и того же участка газопровода. В частности, течение газа по участку может происходить в весьма широком диапазоне давлений (5-К35 МПа), а разность высот профиля - достигать 2000 м. Примером газопроводов, для которых такое исследование имеет первостепенное значение, служат действующие и проектируемые участки морских газопроводов, в том числе пролегающие по дну глубоководных морей («Голубой поток», «Южный поток» и др.), а также газопроводы, преодолевающие высокогорные перевалы.

В качестве метода исследования выбран метод математического моделирования, основанный на численном решении полной системы термобарических уравнений, описывающих установившееся неизотермическое течение реального газа в трубопроводе. Показано, как в общем случае задача о расчете неизотермического течения газа сводится к решению системы дифференциальных уравнений для давления и температуры, учитывающей реальные свойства природного газа. При этом исходным базисом для моделирования служат основные уравнения механики и термодинамики (сохранения массы, изменения количества движения, превращения механической и полной энергии, уравнение состояния реального газа). Результаты работы представлены содержательными выводами, методиками и алгоритмами расчета, иллюстрируются рисунками графиками и таблицами. В ходе исследований выявлены новые эффекты, обобщены и уточнены имеющиеся подходы.

Актуальность темы диссертации обусловлена, прежде всего, практической потребностью проектирования и эксплуатации магистральных газопроводов, сооружаемых в новых более сложных условиях. Главными из таких условий являются высокие (свыше 15 МПа) давления и большие перепады (до 2000 м) высотных отметок профиля. Поскольку подавляющее большинство существующих газопроводов спроектировано на много меньшие давления (до 10 МПа) и характеризуется более или менее равнинным профилем, то решение поставленной задачи требует обобщения и дальнейшего развития теории. Увеличение давления, большие перепады высот существенно изменяют как свойства самого газа, так и режимы его транспортирования, иными словами, актуальность выполненного исследования обусловлена не только практической потребностью, но и необходимостью дальнейшего развития теории.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является обобщение и дальнейшее развитие теории установившихся неизотермических течений природного газа в магистральных газопроводах, проектируемых и эксплуатируемых в условиях повышенных давлений и значительных перепадов высот.

Для осуществления сформулированной цели потребовалось решить следующие научные задачи:

• выполнить сравнительный анализ результатов теплогидравлических расчетов, получаемых при использовании существующих приближенных методов, с точными численными решениями и на этой основе оценить погрешность приближенных расчетов, выработав рекомендации по необходимой коррекции;

•предложить уточненный метод теплового расчета для газопроводов, транспортирующих природный газ в условиях переменности температуры окружающей среды и коэффициента теплопередачи;

•обобщить и уточнить существующие формулы для расчета пропускной способности газопроводов с большим перепадом высот;

• разработать теорию и алгоритм численных теплогидравлических расчетов глубоководных газопроводов с учетом сверхвысоких давлений (более 20

МПа) и больших перепадов высот. Исследовать вклад различных факторов, влияющих на параметры транспортирования газа в таких газопроводах;

• выполнить расчеты конкретных глубоководных газопроводов; дать сравнительный анализ полученных результатов и имеющихся опытных данных.

Научная новизна. В диссертации доказывается необходимость использования более точных методов теплогидравлического расчета магистральных газопроводов, основанных на решении полной системы термобарических уравнений с учетом всей совокупности факторов, влияющих на распределение давления и температуры газа вдоль рассматриваемого участка трубопровода. В частности, разработано программное обеспечение, позволяющее выполнять такие расчеты.

Впервые выполнены расчеты установившихся режимов работы газопроводов при сверхвысоких давлениях, с учетом основных термодинамических зависимостей, определяющих изменение плотности, теплоемкостей и коэффициента Джоуля-Томпсона в широком диапазоне давлений от 0,1 до 35,0 МПа.

Исследовано и доказано, что в газопроводах с большим перепадом высот (в том числе, в глубоководных газопроводах) наряду с основным фактором -теплообменом газа с окружающей средой - не менее важную роль играет работа гравитационных сил. Показано, что на нисходящих участках таких газопроводов (от поверхности на дно) температура газа может значительно увеличиваться, а на восходящих участках (от морского дна до береговой линии) температура газа может значительно уменьшаться за счет работы силы тяжести (в первом случае - положительной, во втором - отрицательной). Охлаждение газа за счет работы гравитационных сил может достигать 10°С и более, т.е. быть достаточным для того, чтобы в трубе образовывался газовый конденсат или в случае влажного газа - газовые гидраты.

Показано, что за счет эффекта Джоуля-Томпсона, являющегося следствием несовершенства природного газа, при подземной прокладке можно в определенных ситуациях предотвращать растепление многолетнемерзлых грунтов.

Предложена новая более простая и компактная формула для расчета ком-

мерческого расхода газа в негоризонтальных газопроводах, обобщающая широко известную формулу З.Г.Галиуллина и В.И.Черникина для учета профиля газопровода.

Выявлена и доказана возможность возникновения гидравлических ударов в магистральных газопроводах, транспортирующих газ в условиях высоких и сверхвысоких (до 35 МПа) давлений. Показано, что скорость распространения волн в газопроводе в зависимости от давления и температуры может увеличиваться до 800 м/с.

Практическая ценность. Математическое моделирование работы магистральных газопроводов, рассчитанных на рабочие давления более 15 МПа, состоящее в исследовании полной системы уравнений механики и термодинамики, описывающей неизотермические течения газа в газопроводе, с учетом зависимости всех основных параметров от давления и температуры в широком диапазоне изменения последних, итерационный алгоритм решения этой системы уравнений, а также конкретные расчеты различных вариантов проектируемого глубоководного газопровода «Южный поток» (с протяженностью подводного участка = 960 км, из которых = 600 км проходит на глубине 2000 м, с изменением давления в диапазоне 7,5-К32 МПа) служат ценным практическим и методическим руководством для проектных расчетов других подобных газотранспортных систем.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях:

- 61-ой Студенческой научной конференция «НЕФТЬ и ГАЗ - 2007» , (10-13 апреля 2007 г., Москва);

- 7-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (2-я премия секции «Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта газа», 25-28 сентября 2007 г., Москва);

- 62-ой Студенческой научной конференция «НЕФТЬ и ГАЗ - 2008» (1-я

премия секции «Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта», 8-11 апреля 2008 г., Москва);

Открытом научно-практическом семинаре молодых работников «Новые технологии в газовой промышленности. Актуальные проблемы развития газотранспортной системы» (2-5 июня 2008 г., Санкт-Петербург);

III Московской межвузовской научно-практической конференции (12 ноября 2008 г., Москва);

8-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (6-9 октября 2009 г., Москва);

9-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (2-я премия секции «Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта», 4-7 октября 2011 г., Москва).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 9 работ, в т.ч. 4 из них - в периодических изданиях, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация написана на русском языке, изложена на 170 страницах, содержит 80 иллюстраций, 10 таблиц и приложения, включает список литературы из 140 наименований. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой главе и общих выводов.

Содержание работы

Во введении изложена сущность диссертации, показана актуальность выполненного исследования, приведены основные результаты, а также охарактеризована их научная и практическая ценность.

В первой главе дан обзор и критический анализ существующих методов исследования стационарных неизотермических течений газа в трубопроводах.

Выполнена оценка теоретических работ в области расчета и моделирования те-плогидравлических режимов работы магистральных газопроводов.

Показано, что начиная примерно с 30-х годов прошлого века газовая динамика приобрела большое значение в развитии нефтегазовой промышленности. Выдающиеся результаты в этой области связаны с именами Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина, Л.С. Лейбензона, И.А. Чарного, С.А. Христиановича и других отечественных и зарубежных ученых, позволивших создать высокоэффективные газовые турбины и компрессоры, а также исследовать установившиеся, переходные и неустановившиеся процессы течения газа в трубах. Среди первых работ, в которых исследуются задачи одномерного стационарного движения газа в трубах следует отметить работы К.И. Страховича, в которых были сформулированы основные уравнения, отражающие процесс течения газа с учетом трения, несовершенства природного газа и теплообмена, также были намечены пути решения ряда задач газовой динамики. Дальнейший прогресс изучения режимов транспортирования газа в протяженных газопроводах достигнут в работах И.А.Чарного, Н.И.Белоконя, В.И.Черникина, Р.Н.Бикчентая, С.А. Бобровского, А.Ф.Воеводина, З.Г.Галиуллина, М.А. Гусейнзаде, Б.Л. Кривошеина, Б.П.Поршакова, М.Г.Сухарева, И.Е.Ходановича, В.А. Юфина, а также многих зарубежных ученых.

Первоначально основное внимание авторов сосредотачивалось на нахождении аналитических решений для распределений параметров транспортировки газа по длине участка газопровода с целью получения и уточнения формул для давлений и коммерческого расхода газа. С этим связаны многочисленные допущения и упрощения, позволяющие, однако, получать инженерные формулы для расчетов. В ряде работ допускались предположения об идеальности газа, об изотермическом характере его течения и т.д. В крайнем случае несовершенство газа и эффект Джоуля-Томпсона учитывались введением постоянных коэффициентов или простейшими аппроксимационными зависимостями. Следует отметить, что многие из получаемых результатов имели вполне приемлемую точность и с успехом использовались в развитии газотранспортной системы.

В последующие годы, характеризуемые бурным развитием вычислительной техники и новых компьютерных технологий, число факторов, учитываемых в расчетах, значительно увеличилось. Прежде всего, нужно отметить обстоятельную монографию И.Е. Ходановича, Б.Л.Кривошеина, Р.Н.Бикчентая «Тепловые режимы магистральных газопроводов», в которой рассматривались численные методы решения стационарных и нестационарных задач проектирования и эксплуатации газопроводов. Значительный прогресс в развитии численных методов расчета одномерных течений, в том числе природного газа, достигнут в работах проф. А.Ф. Воеводина и учеников его школы.

Новейший период развития газотранспортных систем характеризуется резким усложнением условий прокладки газопроводов. В первую очередь, речь идет о сооружении газопроводов в вечномерзлых породах, прокладка по дну морей (в т.ч. глубоководных), а также через высокие горные перевалы. Решение возникающих проблем потребовало значительного увеличения рабочих давлений (в случае газопровода «Голубой поток» до 25 МПа, в случае газопровода «Южный поток» до 33 МПа). Параллельно с этим, потребовались новые методы расчета, учитывающие поведение характеристик природного газа при столь высоких давлениях, а также учитывающие вес газа в условиях значительного перепада высот профиля газопровода (в ряде случаев до 2000 м). Анализ имеющейся литературы в этой области показал, что задача построения адекватной модели транспортировки газа в газопроводах указного свойства реализована не полно, поэтому тема представленной диссертации является актуальной. Как результат выполненного анализа формулируются цели и задачи исследований, изложенных в настоящей диссертации.

Во второй главе изложен общий метод исследования одномерных неизотермических течений природного газа в трубопроводах в установившемся режиме. Дается вывод и обсуждается полная система термобарических уравнений, описывающих установившиеся процессы в газопроводе. Эта система имеет вид:

¿(pvs) = 0,

dv dp .1 pv2 dz

pv— + — = —X---pg—,

dx dx d 2 dx

Y+J(p.t)

7td • KT / ч dz QM 1 "apj 8dx'

где p(x),v(x),p(x) - плотность, скорость и давление газового потока, соответственно; S, d - площадь поперечного сечения и внутренний диаметр газопровода, соответственно; g - ускорение свободного падения; z(x) - профиль газопровод; J(p,T) = евнут +р/р - удельная энтальпия газа; Т„ар - наружная температура; Кт - коэффициент теплопередачи; QM - массовый расход газа. Первое уравнение системы (1) представляет собой уравнение неразрывности, являющееся следствием закона сохранения массы, второе уравнение — уравнение движения, третье - уравнение изменения полной энергии. Поскольку массовый расход газа QM = pvS = const., то скорость v не является независимой переменой и определяется через расход: v = QM/(pS). Тогда уравнения (1) сводятся к системе 2-х обыкновенных дифференциальных уравнений

а,(р,Т)^ + Ь,(р,Т)^ = с|(р,Т,х), dx dx

a2(p,T)^ + b2(p,T)^ = c2(p,T) dx dx

для 2-х неизвестных функций - давления р(х) и температуры Т(х). Здесь а.(Р>Т) = -

(2)

1 RT 7 —n 'dz

(QM/S)2 P2 i, p <dp) T.

с,(р,Т,х) = -——

(QM/S)

Z+Tf® V5T

х (Qm/S)2 , pgdz

2d р dx

ь2(р,т)=

р

= Ср(Р,Т) = Су+11- х + т

2

/

, „ч яё-К

причем коэффициент Z(p,T) сжимаемости считается известной функцией своих аргументов, а массовый расход газа - параметром.

Если главный определитель Д системы уравнений (2) отличен от нуля, т.е. Д = а,Ь2 - а2Ь, ^ 0, то ее можно однозначно разрешить относительно производных (Зр/с1х и с1Т/с!х, используя известное правило Крамера:

где Д, = с,Ь2 -с2Ь, и Д2 = а,с2 -а2с,. При этом правые части системы уравнений (2) являются известными функциями от р, Т и х, а массовый расход 0М служит постоянным параметром. Систему уравнений (3) можно интегрировать любым из стандартных методов, например, численным методом Рунге-Кутта или более простым методом ломанных Эйлера.

Разработан алгоритм решения следующих двух основных задач для системы уравнений (3).

1. Найти распределение давления р(х) и температуры Т(х) по длине участка газопровода, если в начальном сечении заданы давление р0 =р(0) и температура Т0 = Т(0), а массовый расход 0М газа известен. Найти также давление рь газа в конце участка газопровода.

2. Найти массовый расход <3М газа, если в начальном и конечном сечении участка газопровода заданы давления р„ = р(0), рь=р(Ь) и температура

ах Д' ££_/V, ,с1х ~ Д '

(3)

Т0 = Т(0) газа в начале участка. Найти также температуру TL газа в конце участка газопровода.

Решение первой задачи, являющейся согласно математической терминологии, начальной задачей Коши, строится численными методами, о которых было сказано выше. Вторая задача не является начальной, поскольку ее условия задаются на краях области интегрирования xe[0,L], т.е. в сечениях х = 0 и х = L; такие задачи называют краевыми.

Решение второй (краевой) задачи можно свести к решению первой (начальной задачи Коши), если временно отказаться от условия p(L) = pL, однако, взамен этого считать известным значение QM массового расхода. Тогда в начальном сечении х = 0 участка трубопровода будут известны давление р0 и температура Т0 газа, а расход QM газа перестанет быть неизвестной величиной. Следовательно, можно использовать метод интегрирования, который применялся для решения задачи №1. Конечно, при таком подходе давление p(L) в конце участка газопровода, вообще говоря, не будет равным заданному значению pL, поэтому необходимо варьировать расход QM таким образом, чтобы

добиться требуемого равенства.

Суть итерационного алгоритма, называемого алгоритмом пристрелки, состоит в следующем. Сначала назначают интервал (0,QM) значений, в котором может находиться массовый расход газа: 0 < QM < QMmax. В качестве первого приближения выбирают расход QMW =QMmax/2, и для него выполняют расчет, решая соответствующую задачу №1: р(О) = р0, Т(0) = Т0, QM =QM(I)- В результате расчета определяют значение р('* (L) давления в конце участка х = L трубопровода. Возможны два варианта:

если окажется, что p(l'(L)>pL, то это означает, что массовый расход

QM(l'ra3a в первом приближении был выбран слишком малым, поэтому его следует увеличить и в качестве второго приближения нужно взять

дм(2>=о,5-(дм"-+<2м(1>);

если же окажется, что р'1' (Ь) < , то это означает, что массовый расход <5к/''газа в первом приближении был выбран слишком большим, поэтому его следует уменьшить и в качестве второго приближения взять =0,5-|0 + (2м'''|. После выбора массового расхода второго приближения,

расчет по методу решения задачи №1 повторяют заново и определяют новое значение р'2'(Ь) в конце участка газопровода.

Этот алгоритм, в котором выбор итераций определяется деления интервала пополам, быстро сходится и позволяет найти такое значение С?м,, для которого давление р,(Ь) в конце участка газопровода окажется весьма близким к давлению , данному в условии задачи, т.е. отличным от него не более чем на величину наперед заданной погрешности.

Отличительная особенность выполненных исследований состоит в учете реальных свойств газа посредством уравнения состояния р = г(р,Т) • рЯТ. Показано, что располагая уравнением состояния, можно вычислить производные от энтальпии 1(р,Т) газа по температуре и давлению, следовательно учесть эффект Джоуля-Томсона (характеризующий изменение температуры природного газа при изменении давления) не в приближенном виде через дополнительно вводимый коэффициент, а в той степени точности, в какой берется уравнение состояния:

с>(р'тИ11

г+т

2-Р

5р.

о.(р,т)=-

сР(р,т)

чФл

1

'ср(р,т)'рг[дт)р-

(4)

(5)

В третьей главе выполнен сравнительный анализ существующих приближенный методов расчета стационарных режимов работы магистральных газопроводов и «точного» метода, основанного на численном решении полной системы термобарических уравнений для давления и температуры. Основная задача представленного в третьей главе исследования состояла в изучении двух вопросов:

- насколько точны упрощенные методы расчета работы участка газопровода, в которых распределение давления по длине участка рассчитывается отдельно от распределения температуры?

- когда и при каких условиях нужно использовать более точные численные методы расчета, основанные на учете законов совместного расчета давления и температуры в рамках единой математической задачи?

Чтобы получить ответы на поставленные вопросы, была разработана компьютерная программа «Термит», при помощи которой проводились численные эксперименты. В качестве результатов исследования представлены графики распределения давления и температуры (см. рисунок 1), полученные при использовании рассматриваемых методов теплогидравлических расчетов.

В третьей главе рассмотрено также влияние таких параметров как коэффициент теплопередачи от газа в окружающую среду и давление на входе в газопровод на выбор метода расчета установившихся режимов работу газопровода. Показано, что при сильном теплообмене с окружающей средой, возможно применение наиболее простого метода расчета, так как в этом случае расхождения результатов нивелируются.

Во время практического исследования поставленной задачи получены сведения о точности расчета параметров транспортируемого газа при использовании различных методик, с учетом возможных условий эксплуатации. В заключении главы были сопоставлены полученные результаты, а также сделаны выводы и выработаны рекомендации по выбору метода расчета установившегося неизотермического режима работы газопровода.

296

И п 292 -

н 288

ш 284 -

н 280 -

276 1 0

б

я

Б 5 -

Й

аГ 1 4

5 я 3 -

20 40 60 80 Продольная координата, км

20 40 60 80 100 Продольная координата, км

-0 = 0 К/МПа ----Б =3 К/МПа--Точный метод

Рисунок 1. Распределение температуры газа (вверху) и давления (внизу) по длине участка газопровода

В четвертой главе исследуется задача о тепловых режимах работы газопровода, транспортирующего природный газ при температурах ниже температуры окружающей среды. Этот вопрос важен для эксплуатации газопроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах. Если рассматривать газопроводы с незначительным перепадом высот, пренебрегая ускорением газа - основная система термобарических уравнений, описывающая стационарное неизотермическое течение газа в трубопроводе, имеет вид:

ах 6 2

<ГГ_ 0 ар л<1кт

ах ~ '¿Х СР<2М

(Т-Т.,ар|

(6)

Из второго уравнения системы следует, что температура транспортируемого га-

за изменяется за счет двух факторов: охлаждения (с1р/с1х<0) за счет эффекта Джоуля-Томпсона - первое слагаемое в правой части уравнения и теплообмена с окружающей средой - второе слагаемое в правой части. Взаимодействие разнонаправленных процессов - теплообмена газа с окружающей средой и его охлаждение в результате эффекта Джоуля-Томпсона - приводит к возникновению локальных максимумов на кривой распределения температуры, рисунок 2. Это явление представляет особенность, которую следует учитывать в расчетах, и которая может найти полезное применение в практике. В частности, за счет регулирования режимов работы станций охлаждения газа можно создавать такие условия, при которых температура газа оставалась бы отрицательной на протяжении всего участка газопровода даже в период сезонного повышения температуры грунта.

X

Рисунок 2. Распределение температуры по длине участка газопровода при наличии эффекта Джоуля-Томпсона (О, > 0)

Рассматривается также задача об идентификации параметров стационарной работы участка магистрального газопровода в неизотермических условиях. Изучается вопрос об определении значения коэффициента теплопередачи по эксплуатационным данным. Для исследования тепловых режимов транспортирования газа решалось уравнение (полученное делением второго уравнения системы (6) на первое):

Т

Т

на отрезке с условием Т(р0) = Т0, где р0 и Т0 - давление и температура газа в начале участка газопровода, соответственно; р, - давление в конце участка (заранее неизвестное и подлежащее определению); цм =(3М/Б - удельный массовый расход, 5 - площадь поперечного сечения трубопровода.

Апробации метода осуществлялась при помощи решения двух задач -«прямой» и «обратной». На первом этапе решалась «прямая» задача: задавались входные параметры участка газопровода (Эх5 , р0 ,Т0 ,Тнар Д ,КТ), определялись значения (ри,Ть) параметров газа в конце участка газопровода. На втором этапе найденные значения (рь,Ть) и значения (р0,Т0) брались в качестве исходных для решения «обратной» задачи по определению неизвестного коэффициента Кт/Я.. Исходный и полученный результаты сравнивались между собой, из чего делалось заключение о работоспособности и точности метода. Проведенные исследования позволяют заключить, что коэффициент Кт теплопередачи при транспортировке газа по участку магистрального газопровода может быть рассчитан по эксплуатационным данным на основе решения обратной задачи для системы уравнений, описывающих газодинамический и тепловой режим работы газопровода.

Отдельный раздел этой главы посвящен расчету газопроводов, транспортирующих природный газ в условиях непостоянства температуры окружающей среды и коэффициента теплопередачи. При проведении тепловых расчетов таких газопроводов по существующим нормам предполагается использование усредненных значений коэффициента теплопередачи и температуры окружающей среды. Показано, что в случае непостоянства этих значений по длине рассматриваемого газопровода, погрешность определения температуры газа в конце участка по существующей формуле может достигать 10°С. Предложена уточненная формула для определения температуры газа в конце участка газопровода протяженностью Ь в условиях непостоянства температуры Тнар окружающей

среды и коэффициента теплопередачи Кт:

TL-T„ap.=(T0-T„ap)-exp

Г TtdL-K Л

T

™p /-v p

Vm4

. Qm-Cp/

L / / x

К(х)Кт(х)-ехр Ttd/QMCp• jKT(q)dq

(8)

dx

M^p

eXp(TidL-KT/QMCp)-l

(9)

гдеКт =-J-|KT(c)dc.

Формула (8) исключает предположение об усреднении определяющих параметров по длине участка газопровода. Приведены примеры, когда такое усреднение дает существенные ошибки в расчетах.

В четвертой главе дано также обобщение известной формулы З.Г.Галиуллина - В.И.Черникина (1959 г.), служащей основой для расчета негоризонтальных газопроводов. Дифференциальное уравнение движения газа

dp _ 1 pv2 dz dx d 2 dx'

где z(x)- профиль газопровода, решалось ранее в предположении, что dz/dx = const., для чего весь газопровод приходилось разбивать на отдельные элементы, получать решение для каждого элемента отдельно, а затем суммировать полученные результаты. В диссертации показано, что можно отказаться от предположения dz/dx = const, и получить решение сразу для всего участка газопровода при любом виде функции z(x). Для давления р(х) решение имеет вид:

Z„RT„

W4 , 7 or 16 bZ RT -Q2 xrHrrWy-z(x)

p (x) = pg -e --* " • [e " " (10)

я d i

В частности, полагая р(х = Ь) = р, - давление в конце участка газопровода, можно найти массовый расход С?м газа. Для него получается обычная формула

Qm=t

~ 2 „2 Ро. ~PL

Ip-Z^-L.

■d5,

(И)

с той только разницей, что давление р0 в начале участка и протяженность Ь участка должны быть скорректированы в соответствии со следующими формулами:

Ро. =Ро'ехР 1

ь0. = ь

2с,ЯТср

1. |е7-кт-Ь п

(12)

Например, если > г0, то начальное давление р0, в формуле (11) следует принять меньшим, чем истинное начальное давление р0, и наоборот, если 2, < г0, то р0, > р0. Необходимо также откорректировать протяженность Ь участка газопровода в соответствии со второй формулой (12).

Еще одним исследованием, представленным в четвертой главе диссертации, стал вопрос о возможности возникновения в газопроводе волн гидравлического удара. Показано, что в связи с невозможностью установки промежуточных компрессорных станций на газопроводах, прокладываемых по дну морей или преодолевающих горные перевалы, давление в начале участка может составлять 25-35 МПа и оставаться таким на значительном протяжении линейной части. Как правило, гидравлические удары в газопроводах среднего давления не представляют существенной угрозы трубопроводу, поскольку транспортируемый газ относительно легкий, а скорость звука мала, поэтому амплитуда волн гидравлического удара не превышает 0,01-0,05 МПа. Иное дело газопроводы с аномально высоким давлением. Плотность газа в таких газопроводах составляет 150-200 кг/м3, изменение скорости достигает 10 м/с, а скорость распространения волн давления, обычно составляющая 360-400 м/с, увеличивается до 700800 м/с. Совокупность перечисленных факторов приводит к резкому увеличению амплитуды волн гидравлического удара до 0,6-0,7 МПа. С этим обстоятельством необходимо считаться при проектировании запорной арматуры и режимов эксплуатации подобных газопроводов.

В заключительном параграфе четвертой главы анализируются различные

факторы, влияющие на температурный режим газопроводов, преодолевающих большие разности высот, например, пересекающие глубоководные моря или прокладываемых через высокогорные перевалы. С помощью уравнения энергии

ё2+Т

(13)

показано, что температура газа изменяется за счет четырех основных факторов: за счет теплообмена с окружающей средой, за счет действия эффекта Джоуля-Томпсона, за счет работы сил инерции и за счет работы сил тяжести. Оценивается вклад трех последних факторов в изменение температуры газа, который не столь очевиден, как, например, вклад теплообмена газа с окружающей средой. Оценка сделана применительно к условиям морских газопроводов, профиль которых имеет крутые нисходящие и восходящие участки значительной протяженности. Принимая во внимание, что давление на нисходящих и восходящих участках газопровода изменяется на 2-3 МПа, можно заключить, что температура газа за счет эффекта Джоуля-Томпсона понижается на 1,4-2,5 градуса, в соответствии с расчетными значениями коэффициента Джоуля-Томпсона, представленными в работе. Что касается вклада работы сил инерции, то подтверждается справедливость утверждения о возможности пренебрежения этой составляющей. Иначе дело обстоит с учетом работы силы тяжести на нисходящих и восходящих участках. Представленные обоснования, отражают тот факт, что работа силы тяжести существенно влияет на распределение температуры газа по длине линейной части участков, причем особенно значительно для газопроводов с большой разностью высотных отметок, где изменение температуры может достигать 10 градусов.

В пятой главе продемонстрировано приложение разработок диссертации к исследованию термогидравлических режимов работы глубоководных газопроводов. Выполнена оценка актуальности и перспектив развития транспорта природного газа по трубопроводам, пересекающим акватории глубоководных морей, дана общая характеристика наиболее значимых проектов таких газопроводов, а именно газопроводов «Голубой поток», «Южный поток» и др.

Показано, какой информацией необходимо располагать для выполнения термобарических расчетов конкретных газопроводов. Для расчета термогидравлических режимов работы морских газопроводов, пересекающих акваторию Черного моря, автором рассчитаны возможные значения коэффициента теплопередачи, основанные на учете опытных данных по изменению температуры морской воды (см. таблицу 1), свойствам используемых материалов, течению, а также возможной степени заглубления трубопровода и наличию бетонного покрытия.

Таблица 1 - Температура воды в Черном море

Параметр Температура,°С

Лето Зима

Глубина моря от 0 до 30 м 18 5

Глубина моря от 30 до 80 м 14 7

Глубина моря от 80 до 150 м 12 7

Глубина моря от 150 до 300 м 9 7

Глубина моря более 300 м 9 9

Выполненные расчеты показывают, что минимальное значение коэффициента Кт теплопередачи составляет 3,62 (Вт/м2 - К) - в случае заглубления трубопровода в грунт на 90% при использовании бетонного покрытия, а максимальное - 34,07 (Вт/м2-К) - в случае заглубления трубопровода в грунт на

10% без применения бетонного утяжеляющего покрытия.

При проектировании газопровода «Голубой поток» высказывались серьезные опасения, что низкие температуры газа на турецком берегу могут стать существенной проблемой. Основанием были проведенные расчеты тепловых режимов работы газопровода, в соответствии с которыми температура газа на турецком берегу должна была составлять -10°С. Детальное изучение этого вопроса показало, что столь низкие значения температур при выходе газопровода на поверхность невозможны. Данные эксплуатации газопровода «Голубой поток» показали, что действительные значения температуры газа на всей протя-

женности морского участка значительно превышают 0°С.

В качестве результатов расчетов, выполненных автором, приводятся распределения температуры и давления газа по всей протяженности газопровода «Голубой поток», для различных условий эксплуатации (см., например, рисунок

3).

Координата, км

Координата, км

Рисунок 3 - Распределения температуры (вверху) и давления (внизу) газа по длине подводного участка газопровода «Голубой поток»

Расхождение результатов расчета по предложенной в диссертации методике с опытными данными не превышает 5%, и может быть уменьшено за счет уточнение исходных параметров расчета.

В диссертации выполнены также многовариантные расчеты режимов работы проектируемого газопровода «Южный поток». Различные варианты относились к альтернативным вариантам трассы газопровода через акваторию Черного моря (см., например, рисунок 4; всего было рассчитано 32 варианта), а также различным диаметрам и значениям исходных параметров газопровода.

-2500 ----10 200 400 600 800

Горшонтальное положение, км Рисунок 4 - Профиль подводного участка «Южный поток» В этом случае, также как в случае с «Голубым потоком», высказывались опасения, связанные со значительным снижением температуры газа до отрицательных значений на континентальном склоне вниз по потоку и на подходе к берегу. Выполненные расчеты показали безосновательность опасений, касающихся неблагоприятного воздействия отрицательных температур. Результаты исследования демонстрируют, что температура транспортируемого газа на всей протяженности морского участка трубопровода остается положительной (см.

Координата, км

Рисунок 5 - Распределения температуры (вверху) и давления (внизу) газа по длине подводного газопровода «Южный поток»

Отсюда следует, что нет необходимости применения дополнительных мер по предотвращению механического повреждения газопровода, связанного с промерзанием грунта. Опасения, связанные с возможностью образования гидратов природного газа, также не следует принимать во внимание, так как газ, который предполагается к транспортированию по газопроводу «Южный поток», состоит на 98% из метана и достаточно хорошо осушен.

На графике распределения давления (см. рисунок 5) видно, что давление в трубопроводе на равнинном участке (0<х<40 км) из-за сил трения уменьшается, а затем по мере спуска под уровень моря (40<х<60км) с нулевой отметки до глубины 2000 м увеличивается почти на 1,5 МПа. Такое увеличение, необычное для равнинных газопроводов, в данном случае обусловлено профилем газопровода, то есть силой веса сжатого газа. Если плотность газа невелика, то для равнинных газопроводов, как правило, справедливо нера-*2

венство 2, -г2 « |с!рД^, иными словами, разность геометрических напоров

х,

пренебрежимо мала по сравнению с разностью пьезометрических напоров, поэтому в уравнении Бернулли, записанном для сжимаемой среды

-Rr*£" -к

2g JPg J, I 2g Jpg ,2

можно пренебречь высотными отметками. Однако в рассматриваемом случае это не так. Если не учитывать изменение скоростного напора и потери напора

на трение, то должна сохраняться величина f—+z = const. Поскольку на уча-

JPg

стке спуска газопровода под воду z(x) уменьшается, то давление р(х) увеличивается. Это можно видеть на графике распределения давления на участке 40 < х < 60 км газопровода.

На относительно горизонтальном донном участке 60 < х < 500 км давление в газопроводе монотонно уменьшается за счет сил трения. На участке подъема 500 < х < 650 км давление уменьшается еще быстрей, поскольку вы-

сотная отметка z(x) увеличивается. Распределение температуры Т(х)газа имеет следующие характерные особенности:

• на первых 150 км, где трубопровод опускается с поверхности моря, газ за счет сильного теплообмена с окружающей средой, Кт и 7 ВтДм2 • К.), резко охлаждается до температуры близкой к температуре воды (на дне Черного моря температура воды круглогодично составляет ~ +9°С);

• на равнинном донном участке газ продолжает охлаждаться, но охлаждение становится менее интенсивным за счет уменьшения теплообмена;

• на восходящем участке (500-650 км), температура газа резко уменьшается до 279 К и становится ниже температуры морской воды за счет работы силы тяжести;

• на последнем, мелководном участке (650-940 км) транспортируемый газ несколько подогревается за счет теплообмена с окружающей средой, поэтому температура в конце участка составляет и 280 • К ( « +7° С).

Выводы

1. Доказано, что применение приближенных методов расчета установившихся неизотермических режимов работы магистральных газопроводов возможно при проведении гидравлического расчета. Если целью является тепловой расчет газопроводов, то необходимо применять точный метод, в котором решается полная система дифференциальных уравнений для давления и температуры, а коэффициент Джоуля-Томпсона не задается определенным числом, а рассчитывается на основе уравнения состояния реального газа. В работе даются рекомендации по выбору адекватного метода исследования установившегося неизотермического течения газа.

2. Установлено, что в газопроводах с большим перепадом высот одним из основных факторов, влияющих на температурный режим работы транспортировки газ, играет работа сил тяжести. Показано, что на участках спуска таких газопроводов газ может значительно нагреваться, а на участках подъема

- охлаждаться. Охлаждение газа может достигать 10°С, т.е. быть достаточным для выпадения газового конденсата или образования гидратов.

3. Установлено, что значение коэффициента дроссель-эффекта, определяющего охлаждение реального газа за счет уменьшения давления, при давлениях выше 15-20 МПа существенно уменьшается, а сам эффект Джоуля-Томпсона проявляется в значительно меньшей степени, чем при более низких давлениях порядка 5-10 МПа.

4. Теоретический анализ показал, что для газопроводов, проложенных в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов и грунтов с периодическим оттаиванием-промерзанием, существует возможность предотвратить образование ореолов оттаивания в период сезонного повышения температуры грунтов, используя для этой цели охлаждение газа за счет эффекта Джоуля-Томпсона.

5. Доказано, что при выполнении тепловых расчетов магистральных газопроводов, работающих в условиях непостоянства температуры окружающей среды и коэффициента теплопередачи, предположение об усреднении этих параметров некорректно и может повлечь существенную погрешность. Предложена формула для определения температуры газа в конце рассматриваемого участка, исключающая предположение об усреднении указанных параметров.

6. Показано, что формула З.Г. Галиуллина и В.И. Черникина для пропускной способности негоризонтальных газопроводов, известная и широко используемая в расчетах, может быть обобщена и приведена к более простому и логически понятному виду. В отличие от существующей формулы, предлагаемая формула является более точной, поскольку не предусматривает аппроксимации профиля газопровода кусочно-линейной функцией.

7. Выявлена и доказана возможность возникновения гидравлических ударов в магистральных газопроводах сверхвысоких давлений (до 35 МПа). Вследствие чего необходимо учитывать это обстоятельство при проектировании запорной арматуры и эксплуатации подобных газопроводов.

Список публикаций

1. Пятакова O.A. О точности расчета режимов работы газопровода в неизотермических условиях // Транспорт и подземное хранение газа: Науч.-техн.сб. - М.: ООО «ИРЦ Газпром». - 2007. - № 4. - с. 5-9

2. Пятакова O.A., Лурье М.В. Тепловые режимы газопроводов, транспортирующих газ при температурах ниже температуры окружающей среды // Газовая промышленность - 2008 - № 3. - с. 80-82.

3. Пятакова O.A., Лурье М.В. Уточненная формула для расхода газа в газопроводах с большой разностью высотных отметок // Известия вузов. Нефть и газ - 2008 - № 6. - с. 75-79.

4. Пятакова O.A. Идентификация параметров эксплуатации участка газопровода в неизотермических режимах // Транспорт и подземное хранение газа: Науч.-техн.сб. - М.: ООО «ИРЦ Газпром». - 2008 - № 1. - с.36-40.

5. Пятакова O.A., Лурье М.В. Формула для расхода газа в газопроводах с большим перепадом высот // Газовая промышленность - 2008 - № 8. - с. 86-87.

6. Пятакова O.A. Тепловой расчет магистральных газопроводов, транспортирующих природный газ в условиях переменности температуры окружающей среды и коэффициента теплопередачи II Транспорт и подземное хранение газа: Науч.-техн.сб. - М.: ООО «ИРЦ Газпром». - 2009 - № 1. -с. 44-48

7. Пятакова O.A., Лурье М.В. Особенности температурного режима работы газопроводов, пересекающих глубоководные моря II Транспорт и подземное хранение газа: Науч.-техн.сб. -М.: ООО «Газпром экспо». -2010-№ З.-с. 2-6

8. Пятакова O.A., Лурье М.В. О возможности гидравлических ударов в магистральных газопроводах высокого давления II Известия вузов. Нефть и газ.-2010.-№6. - С. 83-87

9. Пятакова O.A., Лурье М.В. Особенности расчета стационарных режимов работы магистральных газопроводом сверхвысокого давления // Магистральные и промысловые трубопроводы: Науч.-техн.сб. - М.: ООО «МАКС Пресс». - 2010 - № 1.-е. 81-88

Подписано в печать 15.11.2011. Формат 60x90/16.

Бумага офсетная Усл. п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 489

Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: 8(499)233-95-44

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Пятакова, Ольга Алексеевна

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР И КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ УСТАНОВИВШЕГОСЯ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В ТРУБОПРОВОДЕ.

1.1 Обзор научных исследований в области установившегося течения газа в трубопроводе.

1.2 Критический анализ научных исследований в области установившегося течения газа в трубопроводе.

1.3 Цель и задачи диссертационной работы.

2 ТЕОРИЯ ОДНОМЕРНОГО УСТАНОВИВШЕГОСЯ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В ТРУБОПРОВОДЕ.

2.1 Система дифференциальных уравнений теории установившегося течения газа в трубе.

2.2 Уравнение состояния природного газа.

2.3 Исследование полной системы уравнений, описывающей установившееся неизотермическое течение газа в газопроводах.

2.4 Применение численных методов для изучения стационарных неизотермических режимов работы газопроводов.

2.5 Моделирование установившегося неизотермического течения газа в трубопроводе.

2.5.1 Точный метод расчета стационарного течения газа в трубопроводе

2.5.2 Приближенный метод расчета стационарного течения газа в трубе, основанный на пренебрежении эффектом Джоуля-Томпсона.

2.5.3 Приближенный метод расчета стационарного течения газа в трубе, основанный на использовании постоянного значения коэффициента Джоуля-Томпсона.

3 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА УСТАНОВИВШЕГОСЯ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В ТРУБОПРОВОДЕ.

3.1 Компьютерная программа «Термит».

3.2 Исследование влияния параметров стационарной работы газопровода на выбор метода теплогидравлического расчета.

3.2.1 Оценка влияние коэффициента теплопередачи при выборе метода теплогидравлического расчета.

3.2.2 Оценка влияния давления газа на входе в трубопровод при выборе метода теплогидравлического расчета.

3.3 Сравнение методов теплогидравлического расчета на примере морского участка газопровода.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Особенности теплогидравлического расчета магистральных газопроводов, эксплуатируемых в сложных неизотермических условиях"

Диссертация посвящена обобщению и дальнейшему развитию теории установившихся неизотермических течений газа в трубопроводе, направленной на решение практически важных вопросов проектирования и эксплуатации газотранспортных систем. Отличительная особенность выполненных исследований состоит в том, что основные факторы, влияющие на режим транспортирования газа (неизотермический характер процессов, несовершенство газа, большие перепады высот, теплообмен с окружающей средой, и т. п.) значительно изменяются в пределах одного и того же участка. Это связано с тем, что течение газа по участку может происходить в весьма широком диапазоне давлений (до 20-35 МГГа). Примером газопроводов, для которых выполненное исследование имеет первостепенное значение, служат участки морских газопроводов пролегающих по дну глубоководных морей или преодолевающие высокогорные перевалы.

В качестве метода исследования используется математическое моделирование, основанное на численном решении полной системы термобарических уравнений, описывающих установившееся неизотермическое течение реального газа в трубопроводе. Показано, как задача о расчете неизотермического течения газа сводится в общем случае к решению системы дифференциальных уравнений для давления и температуры, учитывающей реальные свойства природного газа. Исходным базисом для моделирования процессов транспортирования газа служат основные уравнения механики и термодинамики, (уравнение сохранения массы, уравнение изменения количества движения, уравнение превращения полной энергии, а также уравнение состояния реального газа). Результаты выполненной работы представлены содержательными выводами, методиками и алгоритмами расчета, иллюстрируются графиками распределения температур и давлений газа по длине рассматриваемых газопроводов. В ходе исследований выявлены новые эффекты, обобщены и уточнены существующие подходы.

Общеизвестны выдающиеся успехи, достигнутые в области установившегося течения газа. Начиная примерно с 30-х годов прошлого века газовая динамика приобрела большое значение в развитии нефтегазовой промышленности. Выдающиеся результаты в этой области связаны с именами Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина, Л.С. Лейбензона, И.А. Чарного, С.А. Христиа-новича и других отечественных и зарубежных ученых, позволивших создать высокоэффективные газовые турбины и компрессоры, а также исследовать установившиеся, переходные и неустановившиеся процессы течения газа в трубах. Среди первых работ, в- которых исследуются задачи одномерного стационарного движения газа в трубах следует отметить работы К.И. Страхо-вича, в которых были сформулированы основные уравнения, отражающие процесс течения газа с учетом трения, неидеальности газа и теплообмена, также были намечены пути решения ряда задач газовой динамики. Дальнейший прогресс изучения режимов транспортирования газа в протяженных газопроводах достигнут в работах И.А. Чарного, Н.И. Белоконя, С.А.Бобровского, А.Ф.Воеводина, З.Г. Галиуллина, В.И. Черникина, Б.Л. Кривошеина, М.А. Гусейнзаде, Б.П.Поршакова, М.Г.Сухарева, И.Е.Ходановича, В.А. Юфина, а также многих зарубежных ученых.

Первоначально основное внимание авторов сосредотачивалось на нахождении аналитических решений для распределений параметров транспортировки газа по длине участка газопровода с целью получения и уточнения формул для давлений и коммерческого расхода газа. С этим связаны многочисленные допущения и упрощения, позволяющие, однако, получать инженерные формулы для расчетов. В ряде работ допускались предположения об идеальности газа, об изотермическом характере его течения и т.д. В крайнем случае несовершенство газа и эффект Джоуля-Томпсона учитывались введением постоянных коэффициентов или простейшими аппроксимационными зависимостями. Следует отметить, что многие из получаемых результатов имели вполне приемлемую точность и с успехом использовались в развитии газотранспортной системы.

Новейший период развития газотранспортных систем характеризуется резким усложнением условий прокладки газопроводов. В первую очередь, речь идет о сооружении газопроводов в вечномерзлых породах, прокладке по дну морей (в т.ч. глубоководных), а также через высокие горные перевалы. Решение возникающих проблем потребовало значительного увеличения рабочих давлений. Параллельно с этим, потребовались новые методы расчета, учитывающие поведение характеристик природного газа при столь высоких давлениях, а также учитывающие вес газа в условиях значительного перепада высот профиля газопровода (в ряде случаев до 2000 м). Анализ имеющейся литературы в этой области показал, что задача построения адекватной модели транспортировки газа в газопроводах указного свойства реализована не полно.

Таким образом, актуальность настоящего исследования обусловлена, прежде всего, практическими потребностями проектирования и эксплуатации магистральных газопроводов, пролегающих в. новых, более сложных условиях. Главными из таких условий являются высокие (свыше 15 МПа) давления и большие перепады (до 1000 и более метров) высотных отметок. Подавляющее большинство существующих газопроводов спроектировано на много меньшие давления (до 10 МПа) и характеризуется более или менее равнинным профилем. Однако для решения поставленных задач требуется обобщение и дальнейшее развитие теорищ поскольку увеличение давления до 20 -30 МПа и наличие больших перепадов высотных отметок профиля существенно изменяет свойства транспортируемого газа и режимы его перекачки. Поэтому актуальность исследования обусловлена также общенаучными задачами развития теории, учитывающей в полном объеме факторы, определяющие течение реальных газов в длинных газопроводах.

В первой главе дан обзор и критический анализ существующих методов исследования стационарных неизотермических течений газа в трубопроводах. Выполнена оценка теоретических работ в области расчета и моделирования теплогидравлических режимов работы магистральных газопроводов.

Во второй главе подробно рассмотрен метод исследования одномерных неизотермических течений природного газа в трубопроводах в установившемся режиме. Дается вывод и обсуждается полная система термобарических уравнений, описывающих установившиеся процессы в газопроводе. Представлен алгоритм численного решения указанной системы на базе, использования итерационного метода.

В третьей главе выполнен сравнительный анализ существующих приближенный методов расчета стационарных режимов работы магистральных газопроводов и метода, основанного на решении полной системы термобарических уравнений для давления и температуры. Основная задача представленного в третьей главе исследования состояла в изучении двух вопросов: первый - насколько точны упрощенные методы расчета работы участка газопровода, в которых распределение давления по длине участка рассчитывается отдельно от распределения температуры; второй - когда и при каких условиях нужно использовать более точный метод расчета, основанный на учете законов совместного распределения давления и температуры по длине участка газопровода в рамках единой задачи. В заключении главы сопоставлены полученные результаты, а также сделаны выводы и выработаны рекомендации по выбору метода расчета установившегося неизотермического режима работы газопровода.

В четвертой главе диссертации исследуется задача о тепловых режимах работы современных газопроводов. Рассматриваются особенности работы магистральных газопроводов, транспортирующих природный газ при температурах ниже температуры окружающей среды, а также в условиях непостоянства параметров эксплуатации, например, коэффициента теплопередачи и наружной температуры. Показано., как обобщить существующую формулу

Галиуллина - Черникина (1958 г.) для расчета негоризонтальных газопроводов, чтобы избежать необходимости аппроксимировать профиль трубопровода кусочно-глаткостной функцией. Изучается возможность возникновения волн гидравлического удара в газопроводах сверхвысоких давлений (свыше 20 МПа), что связано с увеличенными скоростями распространения волн давления в реальных газах. Также в работе проводится оценка всех факторов, влияющих на тепловой режим работы магистральных газопроводов, а именно: теплообмена с окружающей средой, действия эффекта Джоуля-Томпсона, работы сил инерции и работы сил тяжести.

В пятой главе показано применение разработанных в диссертации обобщений теории установившихся неизотермических течений природного газа в трубопроводах к исследованию термогидравлических режимов работы глубоководных газопроводов. Проводится оценка актуальности и перспектив развития транспорта природного газа-по трубопроводам, пересекающим акватории глубоководных морей. Дается общая характеристика наиболее значимых проектов таких газопроводов, а именно газопроводов «Голубой поток», «Южный поток» и «МогскЬ'еат». Представлены и проанализированы результаты проведенных теплогидравлических расчетов глубоководных газопроводов.

Результаты, полученные в диссертации, опубликованы в девяти научных работах, четыре из них - в периодических изданиях, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК, а также докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях:

- 7-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (25-28 сентября 2007 г., Москва), 2-я премия секции «Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта газа»;

- 62-ой Студенческой научной конференция «НЕФТЬ и ГАЗ - 2008» (811 апреля 2008 г., Москва), 1-я премия секции «Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта»;

- Открытом научно-практическом семинаре молодых работников «Новые технологии в газовой промышленности. Актуальные проблемы развития газотранспортной системы» (2-5 июня 2008 г., Санкт-Петербург);

- 9-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов для ОАО «Газпром» «Новые технологии в газовой промышленности» (4-7 октября 2011 г., Москва), 2-я премия секции «Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта».

Автор выражает свою искреннюю благодарность за научное руководство заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессора Михаилу Владимировичу Лурье, чья поддержка и помощь на всех стадиях подготовки диссертации сделали возможным написание настоящей работы. Автор также благодарит профессорско-преподавательский коллектив кафедры «Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов» и руководство факультета ПСиЭСТТ РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина за творческую атмосферу, ценные советы и всестороннюю помощь при написании диссертации.

Автор выражает огромную признательность своей семье за участие, поддержку и терпение в период написания диссертации.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Пятакова, Ольга Алексеевна

3.4 Выводы и рекомендации, регламентирующие области применения точного и приближенных методов расчета стационарного течения газа в трубопроводе

Транспорт природного газа ставит перед отраслью сложные научные; инженерные и экономические задачи. К ним, прежде всего, следует отнести задачи, связанные с обеспечением эксплуатационной надежности; газопровода. Необходимо определять основные технологические параметры транспорта газа; как правило, при стационарном режиме. К основным параметрам относятся изменения давления продукта по длине, газопровода и температуры продукта.

Возможность точного определения распределения рабочего давления по длине газопровода при различных режимах эксплуатации особенно необходимо в случае проектирования газопровода по телескопическому принципу, который предусматривает применение труб с различной толщиной стенки по длине трубопровода.в зависимости от возможного давления продукта на рассматриваемых участках.

Вопросы, относящиеся к температуре транспортируемого продукта и к его регулировке, являются достаточно сложными, так как связаны со многими факторами. Выбор температуры определяет два важных фактора: во-первых, производительность зависит от температуры продукта, во-вторых, конструктивное решение газопровода, которое в значительной степени влияет на его стоимость.

По результатам проведенного сравнительного анализа методов расчета термобарических режимов работы участков газопровода, работающих в сложных неизотермических условиях можно сделать следующие выводы: 1. если транспортировка газа ведется при сильном теплообмене, то приближенные методы расчета дают результаты, сравнимые с результатами расчета по точному методу и в этом случае возможно применение наиболее легкого приближенного метода расчета.

2. если целью расчета является определение давления на участке газопровода, то также возможно применение более легкого — приближенного метода расчета, так как в большинстве случаев графики распределения давления, рассчитанного по точному и приближенным методам практически всегда совпадают. Это говорит о том, что различия в расчетных значениях давления несущественны.

3. если целью расчета является определение не только давления, но и температуры транспортируемого газа, то необходимо применять точный метод расчета, в котором решается полная система дифференциальных уравнений, а коэффициент Джоуля-Томпсона не задается определенным числом, а рассчитывается на основе уравнения состояния реального газа, так как в этом случае расхождения в температуре составляет до 10 градусов, что может существенно повлиять на подбор оптимальных параметров работы центробежных нагнетателей ГПА, а также на определение точки росы газа и мест возможного гидратообразова-ния.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТАЦИОНАРНОЙ РАБОТЫ ГАЗОПРОВОДОВ В СЛОЖНЫХ ТЕРМОБАРИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Четвертая глава .диссертации посвящена исследованию особенностей стационарной работы газопроводов в сложных термобарических условиях, таких как переменность температуры окружающей среды и коэффициента теплопередачи. Рассматриваются тепловые режимы работы трубопроводов, транспортирующих газ при отрицательных температурах, например, газопроводов, проложенные в вечномерзлых грунтах.

В работе показано, как уточнить классическую формулу для расчета расхода газа, чтобы она была применима к расчету газопроводов, преодолевающих большие перепады высот, например, газопроводов, преодолевающих глубоководные моря или горные хребты.

Важный вопрос, которому уделено большое внимание в диссертации -особенности теплогидравлических расчетов газопроводов, транспортирующих природный газ при давлениях превышающих 15 МПа. Показано, что дополнительные перепады давлений, обусловленные профилем трубопровода, влияют на распределение температуры газа по длине газопровода, а эффект Джоуля-Томпсона при давлениях свыше 15 МПа и положительных (по Цельсию) температурах изменяет направление своего действия. Также показано, что транспортируемый газ в таких газопроводах имеет большую плотность и увеличенную скорость распространения волн давления, сочетание этих факторов порождает опасность возникновения в газопроводе волн гидравлического удара.

В заключительной части главы даны основные выводы и рекомендации, полученные на базе проведенных исследований.

4.1 Тепловые режимы работы газопроводов, транспортирующих газ при температуре ниже температуры окружающей среды

Рассматривается задача о тепловых режимах работы газопровода, транспортирующего природный газ при температурах ниже температуры окружающей среды. Этот вопрос важен для эксплуатации газопроводов, проложенных в вечномерзлых грунтах. Взаимодействие разнонаправленных процессов - теплообмена газа с окружающей средой и его охлаждение в результате эффекта Джоуля-Томпсона - приводит к особенностям, которые следует учитывать в расчетах, и которые могут найти полезное применение в практике. Властности, можно создать условия, при которых температура газа оставалась бы отрицательной на протяжении всего з^астка газопровода.

Если рассматривать газопроводы с незначительным перепадом высот, пренебрегая ускорением газа (см. п. 2.5.1) - основная система термобарических уравнений, описывающая стационарное неизотермическое течение газа в трубопроводе, имеет вид 2.27: ар = 1- ру2 ах " а 2 5

С1ТП ар тгакт(гг т \ ах ах ~ сром V пар

Из второго уравнения системы следует, что температура транспортируемого газа изменяется за счет двух факторов: охлаждения (ар/ах<0) за счет эффекта Джоуля-Томпсона - первое слагаемое в правой ? части уравнения и теплообмена с окружающей средой — второе слагаемое в правой части.

Следует напомнить, что коэффициента Джоуля-Томпсона определяется в соответствии с выражением Е)« = -Ср (Ш/ф)т. Если, например, коэффициент сжимаемости Ъ рассчитывать по аппроксимационной формуле ООО

2(р,т) = 1-0,0241-|, (4.2)

2 —3 — где 0 = 1-1,68-Т + О,78-Т + 0,0107-Т , р,Т - приведенные параметры газа. В этом случае О, > 0, следовательно, газ будет охлаждаться при понижении давления.

Таким образом, стационарное неизотермическое течение газа в трубопроводе полностью описывается двумя дифференциальными уравнениями (4.1) для двух неизвестных функций: давления р(х) и температура Т (х).

Для исследования тепловых режимов транспортирования газа удобно перейти в фазовую плоскость переменных (р,Т). Разделив второе уравнения системы (4.1) на первое, получим только одно дифференциальное уравнение

1р № ' ^ X С„(р,Т) содержащее только одну неизвестную функцию Т(р) - Это уравнение нужно решать на отрезке рь <р<р0 с условием Т(р0) = Т0, где р0 и Т0 - давление и температура газа в начале участка газопровода, соответственно; рь — давление в конце участка (заранее неизвестное и подлежащее определению); сЬл = С)м/$ - удельный массовый расход, Б - площадь поперечного сечения трубопровода.

Если пренебречь эффектом Джоуля-Томпсона ~0), можно заметить, что правая часть уравнения (4.3) будет положительной при Т > Тиар и отрицательной при Т < Тнар. Поэтому в первом случае температура газа монотонно является сепаратрисой уравнения (4.3), отделяющей решения одного вида от решений другого вида. Если начальная температура газа выше температуры окружающей среды, газ при перемещении от большего давления к меньшему охлаждается, в противном случае — нагревается.

Учет эффекта Джоуля-Томпсона существенно меняет картину решений уравнения (4.3). По-прежнему, на плоскости переменных (р,Т) существует сепаратриса, отделяющие решения уравнения (4.3) одного вида от решений другого вида, однако эта сепаратриса уже не является прямой линией и всегда лежит ниже прямой Т = Т , т.е. проходит в области температур, ниже температуры окружающей среди (см. рисунок 4.1).

1 - монотонные решения; 2 - решения с точкой максимума; 3 - кривая максимумов температуры; 4 — сепаратриса решений уравнения (4.3)

Рисунок 4.1 - Поле решений уравнения (4.3) Р

Если температура газа выше температуры Тнзр окружающей среды, то с1Т/с1р > 0. Это означает, что при уменьшении давления от р0 в начале участка до рь в конце участка, температура газа уменьшается и может стать меньше температуры окружающей среды, поскольку если Т = Тнар, то производная с1Т/с1р>0 вне зависимости от значения коэффициента теплопередачи (кривые 1, см. рисунок 4.1).

Если же начальные параметры газа таковы, что точка (р0,Т0) лежит ниже сепаратрисы 4 уравнения (4.3), то производная с1Т/с1р может менять I знак (кривые 2, см. рисунок 4.1). Изменение знака происходит в точках линии 3, определяемой равенством нулю правой части уравнения (4.3), а именно:

В точках (р,Т) этой линии с1Т/с1р = 0, поэтому температура газа имеет в них экстремум, а именно, максимум; при уменьшении давления температура газа сначала возрастает, потом в точке пересечения с кривой 3 достигает своего максимума (Ттах <Т ), а затем начинает монотонно убывать, оставаясь попрежнему ниже температуры окружающей среды.

Существование точки максимума на кривой Т (р), дающей распределения температуры, связано с действием разнонаправленных процессов: нагреванием газа за счет его теплообмена с окружающей средой, и охлаждением за счет эффекта Джоуля-Томпсона. Рассматриваемое явление может быть использовано при эксплуатации участков газопровода, проложенных в вечно-мерзлых грунтах. Если обеспечить начальную температуру газа Т0 такую, чтобы точка (р0,Т0) лежала ниже сепаратрисы 4 решений уравнения (4.3), то

4.4) температура газа на всем протяжении з^астка будет оставаться ниже температуры вечномерзлого грунта, что исключит растепление окружающей породы и даст большую устойчивость газопровода в грунте. .

Как известно, охлаждение: газа за счет действия эффекта Джоуля-Томпсона будет тем; больше, чем больше падение давления в газопроводе. Отсюда для предотвращения растепления грунта имеет смысл уменьшать диаметр участка газопровода, если он проложен в вечной мерзлоте, обеспечивая требуемую пропускную способность увеличением начального; давления.

В строках таблицы представлены несколько примеров расчета, иллюстрирующих сказанное: выше (см. таблицу 4.1). Во всех примерах рассматривался природный газ с плотностью газа по воздуху А— 0,62, Ркр.^б МПа, ТКр.—198 К. Коэффициент теплопередачи во всех примерах считался одинаковым, равным 3 Вт/(м2-К), температура окружающей среды принималась равной 0°С.