Особенности теплогидравлического расчета магистральных газопроводов, эксплуатируемых в сложных неизотермических условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Пятакова, Ольга Алексеевна

• Пятакова, Ольга Алексеевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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 диссертации 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.