Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование работы нефтепроводов, оборудованных системами сглаживания волн давления

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

Автореферат диссертации по теме "Моделирование работы нефтепроводов, оборудованных системами сглаживания волн давления"

11-1

3281

-----

на правах рукописи

АДОЕВСКИЙ АЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ НЕФТЕПРОВОДОВ, ОБОРУДОВАННЫХ СИСТЕМАМИ СГЛАЖИВАНИЯ ВОЛН ДАВЛЕНИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва- 20\1 г.

Г) /

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

Научный руководитель: Лурье Михаил Владимирович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кривошеин Борис Лейбович

доктор технических наук, профессор

Крылов Юрий Васильевич

кандидат технических наук

Ведущее предприятие: Государственное унитарное предприятия «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ТУП «ИПТЭР») г. Уфа

Защита диссертации состоится «__»_2011 г. в_час.

в ауд._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 «__»_2011

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор — Ревазов

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ 3

БИБЛИОТЕКА 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию аварийных ситуаций на магистральных нефтепроводах с целью разработки методов и систем защиты трубопровода от недопустимых перегрузок, вызываемых волнами повышенного и пониженного давления. Такие волны возникают в трубопроводе при совершении тех или иных технологических операций, связанных с изменением режимов транспортировки нефти. Отличие выполненного исследования от исследований большого числа других авторов состоит в том, что в работе рассмотрены новые методы предотвращения аварийных ситуаций, основанные, например, на использовании систем сглаживания волн давления (ССВД), а также новые теоретические подходы, позволившие обнаружить новые, ранее неизвестные явления профильных гидравлических ударов и разработать необходимые защитные мероприятия. Явление профильного гидравлического удара представляет реальную опасность нефтепроводам, профиль которых имеет большой перепад высот. Подавляющее большинство выполненных исследований и основанных на них конкретных расчетов использовано в практике проектирования, вывода на проектный режим и эксплуатации реальных нефтепроводов, прежде всего нефтепроводных систем ВСТО («Восточная Сибирь - Тихий Океан»), БТС-2 («Балтийская трубопроводная система») и КТК-Р («Каспийский трубопроводный консорциум - расширение »).

Актуальность темы диссертации обусловлена постоянно ужесточающимися требованиями к безопасности трубопроводных систем в условиях постоянного повышения производительности перекачки. С ростом производительности увеличивается амплитуда волн давления, которые возникают в трубопроводах при остановках насосных агрегатов или других технологических операциях. Волны повышенного давления могут привести к увеличению давления в трубопроводе выше допустимого значения или вообще - к аварийному отключению перекачивающих станций. Исключить подобные аварийные си-

туации можно на основе анализа переходных процессов с последующей разработкой соответствующих средств защиты. В частности, одним из эффективных средств защиты трубопровода от волн давления является ССВ Д.

Несмотря на большое число работ в области переходных процессов в трубопроводах, эта проблема оказалась столь обширной, что до сих пор находятся процессы, которые изучены недостаточно. В частности, практически не изучены переходные процессы в магистральных нефтепроводах в тех случаях, когда в них установлены системы сглаживания волн давления. Вот почему, актуальность исследования переходных процессов с использованием новых средств и систем защиты остается неизменно высокой. На решение этих проблем направлено диссертационное исследование, результаты которого изложены в данной работе.

Цель и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является совершенствование методов прогнозирования безопасной работы нефтепроводов при волновых процессах, вызванных различными технологическими операциями, при наличии или отсутствии систем сглаживания волн давления, а также разработка необходимых защитных мероприятий.

Для осуществления сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:

• усовершенствовать математическую модель нефтепровода, учитывающую установленное на нем технологическое оборудование, для выполнения расчетов переходных процессов возникающих при различных технологических операциях;

• выполнить исследование волновых процессов, возникающих в нефтепроводе при пуске или остановке насосных агрегатов на ПС, в том числе, расположенных перед перевальными точками; выяснить причины аварийного отключения станций; разработать практические рекомендации;

• обобщить математическую модель для исследования режимов работы нефтепровода с установленными на нем системами сглаживания волн давлении; разработать соответствующее программное обеспечение;

• выполнить экспериментальную проверку теории и результатов расчета в промышленных условиях;

• осуществить многовариантный расчет режимов работы нефтепровода, оборудованного ССВД, оценить устойчивость работы ССВД и дать практические рекомендации об эффективности их использования;

• выполнить исследования в области настройки параметров ССВД, обеспечивающих задаваемый режим защиты трубопровода от волн повышенного давления; разработать практические рекомендации;

• проанализировать безопасность работы нефтепровода КТК Р, характеризуемого параллельным включением основных насосов, при возникновении волновых процессов, вызванных остановками промежуточных ПС.

• сформулировать выводы и дать практические рекомендации. Результаты последовательного решения этих задач изложены в диссертации.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:

• впервые разработана математическая модель ССВД и соответствующее программное обеспечение, которое позволяет рассчитывать переходные процессы в трубопроводах, оборудованных ССВД;

• впервые предложены критерии, которым должны удовлетворять параметры настройки ССВД для их эффективной работы;

• выявлено ранее неизвестное обстоятельство - ССВД со сбросным клапаном, имеющим постоянный коэффициент расхода, работают неустойчиво и склонны впадать в режим высокочастотных осцилляций;

• вскрыты причины аварийного отключения перекачивающих станций в нефтепроводах, профиль которых имеет большой перепад высот, в т.ч. самотечные участки, и предложены защитные мероприятия;

• обнаружено ранее неизвестное явление каскадного отключения перекачивающих станций на трубопроводах с параллельно соединенными насосными агрегатами при остановке одной промежуточной станции. Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что

разработанная теория, выявленные эффекты и предложенные мероприятия служат основой для выбора средств и систем защиты нефтепроводов от аварийных ситуаций, которые могут использоваться и уже использованы в практике проектирования нефтепроводов России, в том числе:

• Трубопроводной системы Восточная Сибирь - Тихий Океан (ВСТО);

• Магистрального нефтепровода «Тихорецк - Новороссийск»;

• Трубопроводной системы Каспийский Трубопроводный Консорциум Расширение;

• Магистрального нефтепровода «Дружба»;

• Балтийской трубопроводной системы БТС-П.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Технических советах ОАО «АК «Транснефть», а также на 4-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития нефтепровод-ного транспорта Республики Казахстан», г. Алматы, 2010.

Научные публикации. Результаты научных исследований по теме диссертации изложены в 7 научных публикациях, 6 из которых опубликованы в журналах, включенных в перечень изданий ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация написана на русском языке, состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 139 наименований. Диссертация изложена на 170 страницах, содержит 76 рисунков и 4 таблиц.

Во введении изложена сущность диссертационного исследования, описана актуальность его темы, охарактеризованы основные результаты, научная и практическая ценность этих результатов, а также предложенных технических решений.

В первой главе дан обзор и критический анализ существующих методов и средств защиты от волн давления. Сделан обзор патентной информации в области средств защиты от волн давления. Выполнен обзор теоретических работ в области расчета и моделирования средств защиты, изложены результаты испытаний отдельных устройств. Приведен обзор и дан критический анализ методов расчета переходных процессов в трубопроводах.

Показано, что на протяжении многих лет ученые мира занимаются исследованием переходных процессов, возникающих в трубопроводах при перекачке жидкости. С исследованиями в данной области тесно связаны фамилии таких отечественных ученых как: Н.Е. Жуковский, И.А.Чарный, Н.А.Картвелишвшш, М.А. Мостков, П.А. Мороз, Д.Н. Смирнов, Ю.В.Крылов, Ю.Н. Гризодуб, Е.В. Вязунов, М.А. Гусейн-Заде, В.А. Юфин, Б.Л. Кри-вошеин, А.М. Стайн, Л.В.Полянская, М.В. Лурье, А.Г. Гумерова, Г.Д. Розен-берга, Е.Л. Левченко, Н.С. Арбузова и др., а также зарубежных: Л. Аллиеви, ЛБержерон, К. Егер, В.Л. Стритера, Д.Ж. Вуд, ДА Фокс, Е.Б. Уайли, Ж.Пармакиана, Г.З.Вотерза, М.Х. Чадри, А.Р. Д. Зорли и др.

В частности Л.В. Полянская, В.А. Юфин, Ю.В. Крылов и др. в России и В.ЛСтритер, Д.А Фокс за рубежом выполнили исследования нестационарных процессов в трубопроводах, оборудованных воздушными колпаками. Исследование проводилось на основе разработанных моделей воздушных колпаков при помощи компьютерных программ. Л.В. Полянская оценила объем воздушного колпака, который обеспечит сглаживание волн повышенного и пониженного давления в нефтепроводе. Отличием работы Ю.В. Крылова от других работ является предложение использовать в качестве воздушного колпака герметичную горизонтальную емкость из стандартных труб диаметром 1220 мм с за-

глушенными торцами и сообщающуюся с магистралью соединительной линией.

Е.В. Вязунов, Д.А Фокс, В.Л. Стритер, М.Х. Чадри вьшолнили исследования изменения давления на ПС при ее остановке. Е.В. Вязунов разработал методику приближенного расчета изменения давления на входе и выходе станции. М.Х. Чадри исследовал изменение давления по длине магистральных нефтепроводов с большим числом промежуточных ПС.

Выполненный обзор теоретических и экспериментальных исследований показал, что, несмотря на большое число работ в этой области, существуют явления в трубопроводных системах, которые до сих пор не до конца изучены. Анализ патентной информации в области средств защиты от гидроударных явлений показал, что имеется множество предложений и конструкторских разработок, однако, не все из них могут обеспечить безопасность трубопроводов, в том числе при внезапном отключении перекачивающих станций.

Наиболее распространенным средством защиты трубопровода от перегрузок по давлению является ССВД. В России в системах магистральных нефтепроводов установлено более 200 ССВД. Экспериментально подтверждена эффективность работы этих систем. Показано, что в отличие от предохранительных клапанов ССВД реагирует не столько на абсолютную величину давления, сколько на скорость его изменения. Такая реакция обеспечивается путем включения в конструктивную схему защитной системы пневматического аккумулятора. ССВД сглаживает волны повышенного давления и защищают трубопровод от^ чрезмерных перегрузок.

Во второй главе излагаются теоретические основы и методы расчета неустановившихся течений слабо сжимаемой жидкости в трубопроводе. Дается модель нестационарного течения жидкости, включающая уравнение неразрывности и уравнение движения. Изложен метод характеристик и алгоритм его применения для расчета переходных процессов в трубопроводах.

Приведены основные соотношения для моделирования работы основного оборудования магистральных нефтепроводов.

Основными уравнениями, описывающими нестационарное изотермическое движение потока жидкости, являются: 1. Уравнение неразрывности:

dpS | dpuS =

а " (1)

где р-плотность жидкости; 5-площадь поперечного сечения трубопровода; и - скорость потока жидкости; х,1- координата вдоль оси трубопровода и время.

2. Уравнение движения потока:

Р

f ди ЭгЛ Эр 4 / \

где р - давление в трубопроводе; г,,,-касательное напряжение на стенках трубы; а(*)-угол наклона оси трубопровода к горизонту; g -ускорение свободного падения.

Совместное решение уравнений (1) и (2) может быть осуществлено методом характеристик. Можно показать, что для узловых точек треугольника МАВ, образованного линиями x-ct = tj = const, и х + ct = £ = const., называемых характеристиками, справедлива следующая система уравнений:

Pm+POC'UH =PA+POC"UA-& Pm-PoC'Um =pB-p0c-uB+At-

„ p0cuA\uA\ X 2d

рйсив\ив\ Я—^-*- + p0cgsmaB

(3)

где А/ - шаг счета по времени.

С помощью системы уравнений (3) находятся значения рм и им в любом, наперед заданном, количестве точек трубопровода в момент времени t. Затем эта процедура может быть повторена для следующего временного слоя. По-

строение численного решения «слой за слоем» по времени осуществляется с помощью компьютера.

Для того чтобы осуществлять расчет переходных процессов в трубопроводах с учетом установленного на них оборудования, такого как насосы, регулирующие заслонки, резервуары, обратные клапаны и т.п., необходимо наложить на систему (3) соответствующие краевые условия и условия сопряжения.

В третьей главе рассмотрены переходные процессы в нефтепроводах, которые возникают при остановке и пуске насосных агрегатов на перекачивающей станции, расположенной перед перевальной точкой. Обнаружена возможность и вскрыты причины аварийного отключения насосных агрегатов. Разрабатывается алгоритм пуска перекачивающих станций, который позволит исключить аварийные отключения насосных агрегатов. В качестве примера рассматривается магистральный нефтепровод «Тихорецк - Новороссийск», рмс. 1.

перевальная точка 65в,7м

27

73 79

126

147

176

209 218

ПС "Тихорецкая"

ПС "Нововеличкавская"

238

ПС "Крымская" н/б "Грушовая"

Рис. 1. Схема магистрального нефтепровода «Тихорецк - Новороссийск».

Показано, что при последовательном пуске насосных агрегатов на станциях перед перевальной точкой может произойти аварийное отключение насосов на этих станциях по причине увеличения давления на выходе станции выше допустимого значения. В результате анализа переходных процессов, возникающих в трубопроводах при остановке станции перед перевальной точкой, предложено осуществлять пуск насосов с запаздыванием toт, которое определяется по следующей формуле:

2-Ь

*от= — + *нл> (4)

где Ь - протяженность линейного участка от ПС до перевальной точки; с -скорость распространения возмущений в трубопроводе; ^ - время пуска насосного агрегата.

Разработанный алгоритм пуска насосных агрегатов на станциях, расположенных перед перевальными точками, исключает возможность аварийных отключений на этой станции, рис. 2.

7 т-------

в -

□ 60 100 160 200 260 300 360

Время, с

-Давление на выходе ПС "Крымская"

-Давление на входе ПС "Крымская"

--Несущая способность нефтепровода

--Уставка на отключение насосного агрегата

- - Максимальное рабочее давление на выходе ПС "Крымская"

Рис. 2. Изменение давления на ПС «Крымская» при переходном процессе, вызванном пуском насосных агрегатов на ПС «Крымская» с расчетным

запаздыванием

Показано, что при переходе с одного насосного агрегата па другой на станциях перед перевальными точками может произойти аварийное отключение насоса на этой станции. Причиной таких отключений служит отраженные от перевальной точкой волны повышенного давления, рис. 3.

ПС Крымская 218.8км: 75.0м

перевальная точка 234.6км; 556.7м

233

23Б

226 227 229 Длина, км

—Режим перекачки — Сжатый профиль трубопровода — Распределение полного напора при переходном процессе

Рис. 3. Распространение волны давления по участку нефтепровода ПС «Крымская» - перевальная точка при переходе с одного агрегата на другой на ПС «Крымская» (цифрами на графике обозначается момент времени в секундах с момента перехода с одного агрегата на другой)

Избежать возможного аварийного отключения насосов на станциях, расположенных перед перевальными точками, при переходе на них с одного насосного агрегата на другой можно обеспечив плавное повышение давления на выходе станции при пуске на ней насоса. Реализовать это можно путем применения на станции частотно-регулируемых приводов (ЧРП), которые позволяют пускать насосный агрегат с заданной скоростью.

В четвертой главе описано назначение, состав и принцип действия ССВД. Разработана математическая модель работы ССВД совместно с нефтепроводом. Проведены исследования по выбору параметров системы управления и сбросного устройства ССВД. Оценен объем сброса нефти при срабатывании ССВД. Приведены примеры расчетов переходных процессов в магистральных трубопроводах с ССВД.

ССВ Д предназначена для защиты трубопроводных систем от волн повышенного давления. ССВД сглаживает возникающие в трубопроводе волны повышенного давления за счет частичного сброса перекачиваемой жидкости из основного трубопровода.

ССВД состоит из двух функциональных частей: сбросного устройства и системы управления. Принципиальная схема ССВД представлена на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема ССВД. 1 - разделительная емкость; 2 - регулирующий дроссель; 3- газовый аккумулятор; 4 - сбросной клапан; 5- сбросной резервуар.

За счет включения в составе ССВД газового аккумулятора осуществляется плавное торможение потока перекачиваемой жидкости, что позволяет обеспечить повышение давления на входе станции при её остановке с заданной скоростью.

Разработанная математическая модель ССВД представляет собой систему алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений

Фак __ Рак1*пи0*др Ьн~Рлк\

Л РЛ V °рж

&>кл - г(рн ~Ро-¿Рок \

которая служит условиями сопряжения гидродинамических параметров течения в тех сечениях трубопровода, в которых установлены эти системы. В уравнениях (3): 0~ -расход нефти в сечении трубопровода до места подключения ССВД; - расход нефти в сечении трубопровода после места подключения ССВД; бог-расход сброса нефти через клапана ССВД; Су^ - коэффициент расхода сбросного клапана ССВД; рн - давление в сечении трубопровода, где установлена ССВД; рвых - давление на выходе сбросных клапанов; у -коэффициент наклона данной линейной зависимости; рм - давление разделительной жидкости в газовом аккумуляторе ССВД; У0 - объем газового аккумулятора; р0 - начальное настроечное давление газового аккумулятора.

Выполнено исследование режимов работы ССВД в зависимости от выбранных параметров системы. Показано, что использование в составе ССВД клапана с постоянным коэффициентом расхода может привести к неустойчивому режиму работы системы, при котором наблюдаются незатухающие осцилляции давления,рис.5 а).

а) б)

Рис. 5. Изменение давления на входе и выходе ПС с ССВД а) клапан с постоянным коэффициентом расхода Cvт = const; б) коэффициент расхода клапана является функцией от перепада давлений на нем Cv^ = F(pH -р

Избежать неустойчивого режима работы ССВД можно путем использования в ССВД клапана, коэффициент расхода которого является функцией от перепада давлений на нем, т.е. Cvm = F(pH -р^^рис. 5 б).

Показано, что неправильная настройка ССВД приводит к быстрому или, наоборот, слишком медленному увеличению давления на входе перекачивающей станции. На основе выполненных исследований, рис.6, показано, что для правильной настройки ССВД можно использовать безразмерный критерий

_ СУдрРО^РО

oV0 V^J '

составленный из определяющих параметров.

Рис. 6. Изменение безразмерного перепада Ф = (рн - ркл)/р0 давлений при раз> личных значениях безразмерного параметра а при работе ССВД 1. а = 2.78; 2. а = 2.28;3. а = 1.78;4. а = 1.28; 5. а = 0.78;б. а = 0.28.

Установлено, в частности, что коэффициент С\щ, расхода регулирующего крана (дросселя) должен удовлетворять определенным неравенствам, определяемым требованиями, предъявляемыми к ССВД.

В пятой главе описаны промышленные испытания ССВД, выполненные на ПС «Туров» магистрального нефтепровода «Мозырь - Адамова Застава» с общей протяженностью 447 км и внутренним диаметром 600 мм, рис. 7 Данные испытания проводились с целью проверки адекватности разработанной математической модели фактической работе ССВД. Предполагалось также, что испытания подтвердят правильность теоретических методов настройки ССВД. В диссертации даны результаты расчетов по выбору параметров настройки, описан порядок подготовки и проведения самих испытаний, изложены результаты и дан их анализ. Показано, что результаты испытаний хорошо согласуются с выполненными расчетами.

Рис. 7. Принципиальная схема участка МН «Дружба» ПС «Мозырь» -ПС «Адамова Застава»

Следует отметить, что для защиты магистрального нефтепровода «Мозырь - Адамова Застава» от волн повышенного давления, которые возникают при остановке ПС «Туров», «Пинск» и «Кобрин» установлены ССВД типа Аркрон-1 ООО, рис. 8.

Рис. 8. ССВД Аркрон-1000 на ПС «Туров». 1 - разделительная емкость; 2,3- гидро-пневмоаккумуляторы; 4 - настроечный регулирующий кран; 5, б - сбросные клапаны ФлексФло.

При проведении испытании измерения давления проводились при помощи аналогового электронного датчика типа PX313-500G5V с частотой опроса 10 изм./с через мультиметр модели Keithley's model 2701. Класс точности датчиков PX313-500G5V составляет 0.1% от 500 psi, т.е. погрешность измерения может достигать 0.0035 МПа.

Сначала были выполнены расчеты переходных процессов, вызванных остановкой ПС «Туров». По данным расчетам установлены настроечные параметры ССВД и соответствующая скорость увеличения давления на входе ПС «Туров» при её остановке. На основе результатов, полученных при подготовке к проведению испытаний ССВД на ПС «Туров», регулирующий кран 4 был выставлен в расчетное положение. В ходе испытаний была остановлена ПС «Туров», при этом открылись клапана ССВД, и начался сброс нефти в емкость. Через 20 с клапаны плавно зарылись и сброс прекратился. За счет работы ССВД давления всасывания на входе ПС «Туров» увеличивалось достаточно плавно. Сравнение полученных при испытании данных с рассчитанными по разработанной программе приведено на рис. 9.

4.0

3.6

Г

^.2.6

С

S 2.0

1.0

0.6

О 6 10 1Б 20 26 30 36 40

Время, с

—Давление на входе ПС "Туров", полученные расчетом —Давление на выходе ПС "Т^ров", полученные расчетом

♦ Давление на входе ПС "Туров" полученные при пспыгани

* Давление на выходе ПС "Туров" полученные при испытали

Рис. 9. Результаты проведенных испытаний ССВД на ПС «Туров» в сравнении с данными, полученными при расчете.

. А к А *.'' , liii: \

\

—

• ♦

Показано, что результаты проведенных на ПС «Туров» испытаний ССВД достаточно хорошо согласуются с расчетными данными, полученными по разработанной теории.

В шестой главе представлено исследование переходных процессов в трубопроводной системе КТК Р, вызванных остановками промежуточных перекачивающих станций. Описаны особенности использования параллельной схемы соединения насосных агрегатов на перекачивающих станциях в аспекте протекания переходных процессов в трубопроводе. Выявлено, что остановка перекачивающей станции на нефтепроводах с параллельным соединением насосных агрегатов может привести к каскадному отключению остальных станций. Показано, что применение ССВД в таком случае позволит избежать каскадного отключения. В качестве примера рассмотрена трубопроводная система Каспийский Трубопроводный Консорциум Расширение (КТК-Р). Это крупнейшая трубопроводная система с общей протяженностью 1500 км и внутренним диаметром труб 1000 мм. Максимальная производительность перекачки нефти по данной системе составляет 80 млн. т/г. Нефтепровод состоит из 15 перекачивающих станций, причем на 13 из них использовано параллельное соединение насосов.

При перекачке нефти по трубопроводам с высокой производительностью амплитуда волн повышенного давления, возникающих в переходных процессах, например, при остановках перекачивающих станций, может достигать 3 МП а. Известно, что при распространении таких волн в трубопроводе происходит затухание головного (фронтового) значения волны по закону

¿ЛдЦр

Арв=Ар0-е , (7)

где Арв - амплитуда волны давления в момент её прихода на предыдущую станцию; Арй - амплитуда волны давления в момент остановки ПС; I-длина линейного участка от останавливающейся станции до предыдущей; Х^ -коэф-

фициент гидравлического сопротивления на исходном режиме перекачки; и0 - скорость потока нефти в исходном режиме.

Показано, что даже с учетом затухания амплитуда волны остается достаточно большой и может создать аварийную ситуацию.

Для защиты трубопровода от перегрузок по давлению на перекачивающих станциях предусматривается специальная система защиты, которая при повышении давления выше допустимого значения отключают сначала один насосный агрегат, потом другой, а затем и всю станцию. Выполнен анализ работы данной системы защиты для трубопроводов с параллельно соединенными насосами. Показано, что в соответствии с соотношением (8), при отключении одного из нескольких параллельно соединенных насосов давление на выходе станции уменьшается незначительно и не может компенсировать увеличение давления за счет приходящей волны.

где £?0 -расход на исходном режиме; N - количество насосных агрегатов, работающих на исходном режиме; Лрст - изменение давления на входе и выходе станции при остановке на ней одного насосного агрегата. Поэтому в случае превышения давлением максимально допустимого значения в линии нагнетания станции с параллельно соединенными насосами автоматика отключает всю станцию сразу.

В результате исследований переходных процессов в трубопроводной системе КТК-Р, вызванных остановкой промежуточной станции, обнаружено, что возникающая волна давления может привести к отключению не только этой, но и к каскадному отключению всех насосных станций, расположенных выше по потоку, т.е. к остановке всего нефтепровода, рис.10.

ПС 4 ПС 5

Километровяя отметка, км —Режим перекачки — Сжатый профиль трубопровода — Распределение полного напора при переходном процессе

Рис. 10. Распространение волны повышенного давления в нефтепроводе КТК-Р при остановке ПС 5

Показано, что для того чтобы исключить каскадное отключение станций с параллельно соединенными насосами, необходимо на всех промежуточных ПС установить ССВД. Эти системы позволят «сглаживать» волны повышенного давления, возникающие при остановке станции, причем регулирующие заслонки на станциях будут успевать компенсировать повышение давления и каскадного отключения не будет, рис. 11.

ПС4 ПС?

Километровая отметка, км — Режим перекачки — Сжатый профиль трубопровода — Распределение полного напора при переходном процессе

Рис. 11. Распространение «сглаженной» волны повышенного давления в нефтепроводной системе КТК-Р при остановке ПС 5

Выводы

1. Анализ исследований в области защиты нефтепроводов от гидроударных явлений показал, что пуск или остановка насосных агрегатов на перекачивающих станциях в нефтепроводах с большим перепадом высот и, возможно, с перевальными точками, могут приводить к аварийному отключению станций. Установлено, что причиной таких отключений служат отраженные волны, которые увеличивают давлений в линиях нагнетания станций или уменьшают давление в линиях их всасывания сверх разрешенных пределов.

2. Теоретический анализ, подтвержденный практикой, показал, что в качестве эффективного мероприятия, предотвращающего аварийное отключение перекачивающих станций, можно использовать технологию пуска насосных агрегатов с расчетным запаздыванием по времени. Разработан автоматический алгоритм пуска насосов на станции, при котором не происходит аварийных отключений.

3. В теоретическом плане работу систем сглаживания волн давления (ССВД) можно моделировать системой алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений, являющихся внутренними краевыми условиями для системы уравнений с частными производными, описывающей переходные процессы в трубопроводе.

4. Предварительную настройку ССВД можно производить на математической модели, варьируя некоторый безразмерный критерий, предложенный в диссертации. Неправильный выбор настроечных параметров сбросного клапана ССВД может вызвать превышение несущей способности трубопровода в волне давления или чрезмерный объем сброса нефти. В частности, показано, что применение сбросного клапана, степень открытия которого не зависит от существующего на нем перепада давления, ведет к возникновению незатухающих осцилляций давления при работе ССВД.

5. Результаты натурных испытаний ССВД на ПС «Туров» нефтепровода «Дружба» показали, что разработанная модель и ее компьютерная реализация достаточно адекватно описывают переходные процессы в трубопроводе с установленными ССВД.

6. В нефтепроводах с параллельным соединением перекачивающих агрегатов (как, например, в нефтепроводной системе КТК-Р «Каспийский Трубопроводный Консорциум Расширение») могут происходить каскадные отключения перекачивающих станций. Причины каскадного отключения станций кроются в способе соединения агрегатов. Установка ССВД на промежуточных станциях нефтепровода КТК-Р исключит возможность таких отключений.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Адоевский A.B. Устойчивость к отключению промежуточной ПС при сбросе нефти на линейном участке// Известия вузов. Нефть и газ, 2009, №5.

2. Адоевский A.B. ССВД как средство защиты магистральных нефтепроводов от волн повышенного давления// Промышленная безопасность и экология, 2010, № 8.

3. Адоевский A.B. О возможном аварийном отключении перекачивающей станции при запуске и остановке насосного агрегата// Нефтяное хозяйство, 2010, №10.

4. Адоевский A.B. Теория для расчета нестационарных процессов в нефтепроводах, оборудованных ССВД// Известия вузов. Нефть и газ, 2010, №3.

5. Адоевский A.B., Арбузов Н.С., Левченко E.JL, Лурье М.В. Защита нефтепроводов от гидроударных явлений системами сглаживания волн давления// Нефтяное хозяйство, 2010, №12.

6. Лурье М.В., Адоевский A.B. Моделирование и предварительная настройка систем сглаживания волн давления// Известие вузов. Нефть и газ, 2009, №6.

7. Адоевский A.B., Арбузов Н.С., Левченко Е.Л., Лурье М.В. Расчеты переходных процессов для определения мероприятий по защите от гидроударных явлений нефтепроводов и морских терминалов// IV международная практическая конференция «Проблемы и перспективы развития нефтепроводного транспорта Республики Казахстан» г. Алматы. Сборник докладов.

Напечатано с готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 24.12.2010 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 604. Тел. 939-3890. Тел./факс 939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 627 к.

2010185059