Разработка технических средств защиты трубопроводов с поршневыми насосами и компрессорами от аварийных ситуаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.16, кандидат технических наук Низамова, Гузяль Хавасовна

• Низамова, Гузяль Хавасовна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Низамова, Гузяль Хавасовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГИДРОСИСТЕМЕ ЗАКАЧКИ БУРОВОГО РАСТВОРА В ПЛАСТ И СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ.,.

1.1. Характеристики волновых процессов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт.

1.2. Современные средства защиты гидросистем закачки бурового раствора в пласт.

ГЛАВА 2. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРУБОПРОВОДАХ С ГАЗОВЫМИ СРЕДАМИ И СРЕДСТВА ИХ ГАШЕНИЯ.

2.1.Существующие способы и устройства борьбы с пульсациями давления и расхода в компрессорных установках.

2.2. Перспективные средства демпфирования колебаний давления в газовых трубопроводах.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ГИДРОСИСТЕМЕ ЗАКАЧКИ БУРОВОГО РАСТВОРА В

ПЛАСТ СО СТАБИЛИЗАТОРОМ ДАВЛЕНИЯ.

З.1., Математическая модель волновых процессов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт без стабилизатора и со стабилизатором давления.

3.2. Проектный расчет параметров стабилизатора давления

3.3. Расчет конструктивных параметров упругих элементов.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТАБИЛИЗАТОРА ДАВЛЕНИЯ ДИССИПАТИВНОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ГАЗОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Решение поставленной задачи методом разложения в ряды Фурье по времени.

4.3. Исследование найденного решения и обсуждение полученных результатов.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ ДАВЛЕНИЯ.

5.1. ' Экспериментальное исследование стабилизаторов давления для газопроводов.

5.2. Результаты экспериментального исследования пульсаций давления в паровом потоке.

5.3. Трубопроводы газовых компрессорных установок.

5.4. Внедрение стабилизаторов давления в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технических средств защиты трубопроводов с поршневыми насосами и компрессорами от аварийных ситуаций»

Актуальность проблемы. Диссертационная работа посвящена вопросам защиты окружающей природной среды и рационального использования природных ресурсов на основе защиты трубопроводных систем от аварийных ситуаций при бурении газовых и нефтяных скважин и перекачке газовых и жидкостных сред по трубопроводам.

Многие месторождения нефти и газа характеризуются аномально высоким пластовым давлением. Технология разбуривания таких месторождений требует непрерывной закачки в скважину бурового раствора, в который входят: глина, вода, нефть, каустическая сода, унищелочной реагент (иногда возможно добавление барита). Процентный состав компонентов строго не определен, поэтому плотность бурового раствора колеблется от 1200 до 1300 кг/м , а при добавлении барита может достигать 2000 кг/м3. В состав оборудования закачки бурового раствора обычно входят один или два двухпоршневых насоса, имеющие следующие характеристики: диаметр поршня 170 мм, номинальная подача 30 м3/ч, предельное давление 14,5 МПа.

При бурении нефтяных и газовых скважин быстровращающимся турбобуром в насосно-компрессорных трубах, заполненных буровым раствором, закачиваемым двумя поршневыми насосами, генерируются циклические возмущения с амплитудой колебаний равной почти 50% рабочего давления.

В стационарном режиме работы бурового насоса УНВ-600А в гидросистеме закачки должно обеспечиваться номинальное давление 5,0 МПа. Эксперименты, проведенные на буровой №71 Бухарского управления буровых работ ПО "Средазгазпром" показали, что в гидросистеме закачки (внутренний диаметр 107 мм, длина с учетом глубины скважины 2800 м) относительно номинального уровня 5,0 МПа имели место пульсации давления с частотой 18

Гц, амплитуда которых достигала 2,0 МПа. При пуске и останове насоса амплитуда изменялась пропорционально давлению.

Таким образом, трубопроводы системы закачки подвергаются высоким знакопеременным динамическим нагрузкам, которые возрастают с ростом среднего давления, что приводит к раскрытию фланцевых соединений; сильным вибрациям трубопровода, сопровождающимся разрывами в месте установки насоса; отрыву гибкого шланга и турбобура в узлах крепления; разрушению обсадных труб и породы; выходу из строя манифольдов; частичному и катастрофическому поглощению промывочной жидкости и тампонажного раствора; нарушению резьбовых соединений скважинных труб вследствие их изгибных колебаний. Последствия таких аварий связаны с разливом в систему сбора сточных вод или непосредственно в окружающую среду экологически опасных компонентов бурового раствора, таких как каустическая сода, унищелочной реагент, барит. В наиболее серьёзных авариях происходит отрыв турбобура, при этом насосно-компрессорные трубы приходится заменять.

По данным ВНИИСПТнефть, общая вероятность возникновения аварийных ситуаций на 1000 м проходки в нефтегазовой промышленности в разведочном бурении составляет 16%, а в эксплуатационном - 3%, неуправляемых нефтегазопроявлений приходится один случай на 1000 скважин. Аварии при бурении сопровождаются как прямым, так и косвенным неблагоприятным воздействием на окружающую среду. Поглощение промывочной жидкости и бурового раствора может стать причиной загрязнения подземных вод. При нарушении устойчивости пород увеличивается непредусмотренное образование отходов бурения - буровых вод и шламов. Излив из устья скважины пластовых вод с высокой степенью минерализации (до 400 г/л) даже в случае их попадания в систему сбора сточных вод существенно усложняет проблему оборотного водоснабжения. Вследствие волновых процессов в импульсных трубках контрольно-измерительных приборов ухудшение точности измерения отпущенных объёмов перекачиваемой среды достигает до 20%. Это приводит к непроизводительным потерям газа, ложным срабатываниям автоматики защиты насосных и компрессорных станций вследствие кратковременных динамических забросов давления. Экономический эффект от устранения влияния волновых процессов на работу контрольно-измерительных приборов обусловлен повышением точности отпущенных объемов газа.

Рациональное использование добываемого газа, предотвращение его непроизводительных потерь во многом зависит от успешного решения актуальной проблемы совершенствования существующих и создания новых конструкций компрессорных установок, используемых в газовой, нефтяной и нефтехимической промышленностях. Повышение производительности и увеличение мощностей этих установок часто приводят к возникновению неустановившихся движений рабочих сред в трубопроводах, которые сопровождаются ударными процессами, вынужденными и автоколебаниями, приводящими к высоким вибрационным нагрузкам на элементы системы. Эти процессы приводят к различным негативным явлениям:

- снижение ресурса, мощности и КПД компрессорных установок, потеря прочности и работоспособности их узлов и элементов, уменьшение надежности и долговечности работы трубопроводов;

- разрушение соединений, разгерметизация уплотнений, разрыв отдельных участков трубопровода и возникновение аварийных ситуаций с выбросами газа в окружающую среду (установлено, что основным видом разрушения трубопроводов являются волновые и вибрационные процессы, а одним из главных источников возбуждения - поршневые компрессорные установки);

- утечка перекачиваемого газа по стыкам и фланцевым соединениям трубопроводов, что сопровождается возникновением взрыво- и пожароопасных ситуаций;

Устранение перечисленных негативных явлений позволит снизить степень загрязнения окружающей среды и существенно уменьшить непроизводительные потери добываемого газа вследствие снижения количества аварийных ситуаций в трубопроводных системах.

В Российской Федерации протяженность магистральных газо-, нефте- и продуктопроводов составляет 200 тыс.км., а промысловых - 350 тыс.км. Для их обслуживания используются около 800 компрессорных и нефтегазоперекачивающих станций. Значительная часть трубопроводов служит от 15 до 35 лет, поэтому вероятность разрывов трубопроводов вследствие вибрационных нагрузок с каждым годом возрастает на 5%-7%.

Трубопроводы имеют значительную пространственную кривизну, сосредоточенные в промежуточных сечениях гидравлические сопротивления (дроссельные шайбы, клапаны, задвижки, компенсаторы, датчики, манометры и т.п.). Большие длины трубопроводов являются причиной возникновения пульсаций давления с большой амплитудой в момент включения и выключения нагнетательных установок, отсечных клапанов, задвижек.

Пульсации давления снижают пропускную способность трубопроводов, а гидравлическое сопротивление и внутреннее трение при этом значительно возрастают, вследствие больших мгновенных скоростей. Например, колебания давления в нагнетательных трубопроводах поршневых компрессоров в межступенчатых коммуникациях приводят к дополнительной потере мощности до 40% от индикаторной мощности, повышению температуры нагнетания газа, ухудшению работы клапанов, увеличению нагрузки на детали цилиндров и механизм движения, нарушению герметичности предохранительных клапанов, искажению показаний расходомеров, манометров и т.д.

Одним из основных путей обеспечения надежной, экономичной и безаварийной работы таких машин является предупреждение и устранение колебаний, возникающих в основном в результате периодического характера работы насосных и компрессорных установок.

Целью диссертационной работы является: уменьшение непроизводительных потерь добываемого природного газа и устранение загрязнения окружающей среды агрессивными растворами, используемыми в технологии его добычи, на основе разработки технических средств предупреждения аварийных ситуаций в трубопроводах вследствие волновых и вибрационных процессов, возникающих в процессе их эксплуатации.

Поставленная цель достигается путём исследования волновых процессов в трубопроводных системах с поршневыми насосами и компрессорами, уменьшения их интенсивности за счет изменения параметров трубопроводной системы (податливости, приведенного гидравлического сопротивления, введения диссипативных элементов и предкамеры для расширения потока), выбора технических принципов реализации средств гашения волновых и вибрационных процессов - стабилизаторов давления, оптимизации их параметров, разработки практических устройств и исследования их эффективности.

Научные положения. На защиту выносятся следующие основные научные положения и разработки:

- принципиально новые конструкции стабилизаторов давления для защиты жидкостных и газовых трубопроводов с поршневыми насосами и компрессорами от аварийных ситуаций;

-математическая модель волновых процессов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт без стабилизатора давления и со стабилизатором;

-математическая модель стабилизатора давления для сжимаемых сред (газ, пар, воздух), предназначенных для защиты газо- и паропроводов от разрывов;

-методика проектирования стабилизаторов давления и их основных конструктивных элементов (упругих элементов, распределенной перфорации, податливости и геометрических размеров);

- результаты экспериментального исследования волновых процессов в трубопроводной системе закачки бурового раствора в пласт при бурении газовой скважины и при эксплуатации газовых (паровых) трубопроводов в стендовых и реальных условиях без стабилизатора и со стабилизатором, подтверждающие возможность обеспечения безопасной эксплуатации бурильной установки, газовых и паровых трубопроводов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации достигается использованием современных математических методов в области гидромеханики, волновой механики и газовой динамики, соответствием теоретических и экспериментальных результатов (расхождение 7-10%), полученных с использованием современных технических средств и методов обработки; надежной работой разработанных стабилизаторов в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт и в узлах замера расхода газа.

Экспериментальные исследования образцов стабилизаторов давления проводились на Бухарском Управлении буровых работ (буровая №71) ПО "Средазгазпром", стабилизаторы давления для паровых и газовых сред прошли успешные испытания в натурных и стендовых условиях и внедрены в газоперерабатывающем Управлении "Шуртангаз" (г.Карши, Узбекистан) в узлах замера расхода газа с рабочим давлением 6 МПа.

Научное значение работы заключается в том, что полученные зависимости между характеристиками возбудителей колебаний, характеристиками трубопроводной системы и требуемой эффективности гашения волновых, вибрационных и ударных процессов позволяют определить оптимальные значения параметров СД и его элементов.

Практическое значение работы заключается в том, что разработанные конструктивные схемы, технические принципы их реализации и практические устройства - стабилизаторы давления - позволяют в значительной мере исключить аварии в трубопроводах от возмущений, вызванных работой поршневых нагнетательных установок, изменением режима их работы, срабатыванием запорной арматуры, аварийными отключениями подачи электропитания и т.д.

Теоретическое обоснование, технические принципы реализации и методика определения основных характеристик СД носят универсальный характер и могут быть применены для трубопроводных систем различного назначения.

Тема диссертации соответствует направлению госбюджетных и хоздоговорных работ, выполняемых на кафедре "Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности" Российского Университета дружбы народов.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй межвузовской конференции "Актуальные проблемы экологии" (г.Москва, 1996г. РУДН), конференции "Геоэкология в нефтяной и газовой промышленности" (г.Москва, 1995г. ГАНГ им. Губкина), на семинаре академика Чёрного Г Г. в Институте Механики МГУ (г.Москва, 1993г.) и на конференции в Российской Инженерной Академии (секция "Инженерные проблемы стабильности и конверсии", г.Москва, 1998г,).

По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, получен патент РФ, получено положительное решение по заявке на изобретение. и

Состояние проблемы и цель исследования. Проблемы, связанные с неустановившимся движением сжимаемых жидкостей в трубах, постоянно привлекали внимание отечественных и зарубежных исследователей.

Впервые задача о нестационарном ламинарном движении несжимаемой жидкости без предположения о квазистационарности профиля скорости была решена с помощью рядов еще в 1882 г. И.С. Громекой, где трение учитывалось в исходных дифференциальных уравнениях. Однако числовые результаты для этого решения были получены только в XX в.

Основы движения неустановившегося движения жидкости в напорных трубопроводах были заложены еще Н.Е.Жуковским [16,17]. Он рассмотрел течение невязкой жидкости, составил дифференциальные уравнения ее движения и для ряда задач получил результаты, которые легли в основу дальнейшей разработки теории напорного и безнапорного течений вязкой жидкости. С помощью этой теории удалось объяснить ряд физических явлений, получивших название гидравлического удара. В них был заложен фундамент современных методов расчета элементов конструкций трубопроводов.

В работе Н.Е.Жуковского [16] показано, что задачу о движении сжимаемой жидкости в упругом цилиндрическом трубопроводе можно свести к задаче о движении сжимаемой жидкости в жестком трубопроводе, но с меньшим модулем упругости жидкости. Это обстоятельство учитывается введением эффективной скорости звука. Метод определения эффективной скорости для более сложного поперечного сечения приведен в работе К.Г. Асатура [1].

В работах М.А.Мосткова [30,31] развита теория гидравлического удара применительно к трубопроводам гидростанций и гидроэнергетического оборудования, рассмотрены граничные условия и предложены методы расчета для простых и разветвленных трубопроводов.

Весьма подробная библиография работ по неустановившемуся движению и исторический очерк развития теории гидравлического удара содержится в работах А.А.Сурина [47], Н.А.Картвелишвили [10], Мартина [28], Гудсона и Леонарда [13].

Довольно большое количество работ посвящено экспериментальному изучению динамики трубопроводных систем, в частности, исследованию профилей скорости при нестационарном движении [15,40,53].

Л.С.Лейбензоном [24] были впервые рассмотрены периодические колебания давления в длинных трубопроводах, оборудованных поршневыми насосами с учетом сжимаемости жидкости. Им была получена формула для определения ударного давления при нестационарном течении жидкости, позволяющая учесть неравномерное распределение скорости по сечению. В дальнейшем эта формула была уточнена И.Ф.Ливурдовым в работе [25], где учитываются потери на трение от выравнивания скорости в сечении трубопровода при торможении потока.

Теория неустановившегося течения жидкости в трубах с учетом ее вязкости была создана И.А.Чарным. Система дифференциальных уравнений И.АЛарного [55], описывающая движение жидкости в трубопроводе, использует гипотезу квазистационарности, впервые принятую С.А.Христиановичем для расчета неустановившегося течения в открытых руслах. Гипотеза заключается в том, что сила трения жидкости о стенку трубы в нестационарном режиме принимается такой же, как и при стационарном течении со скоростью, равной мгновенной скорости рассматриваемого нестационарного движения [54].

Используя полученные уравнения, И.А.Чарный исследовал волновые процессы, протекающие в простом трубопроводе, а также в трубопроводе с простой камерой (воздушным колпаком) с учетом сил трения (длинный трубопровод) и без учета сил трения (короткий трубопровод).

Созданная И.А.Чарным теория неустановившегося движения жидкости 1 напорном трубопроводе в настоящее время нашла широкое применение.

Развитие работ по энергетическим установкам различного назначение привело к интенсификации исследований по теории колебаний жидких 1 газообразных сред в трубопроводах, результаты которых изложены в трудах

B.В.Болотина [3], А.П.Владиславлева [6], Р.Ф.Ганиева и Х.Н.Низамова [7,8,9] Б.Ф.Гликмана [12], П.А.Гладких и С.А.Хачатуряна [11], М.А.Гусейн-Заде [57. 58], К.С.Колесникова [19,20], Д.Н.Попова [42], В.П.Шорина [56].,

C.С.Кутателадзе и М.А.Стыриковича [23], М.А.Ильгамова [18], М.С.Натанзона [33], В.В.Пилипенко [41], В.А.Светлицкого [46] и др.

В монографии [20] рассматривается динамика пространственно изогнутых участков трубопровода с жидкостью, гидравлический удар и способы понижения частот собственных колебаний жидкости в трубопроводах.

В монографии К.С.Колесникова [19] исследованы продольные колебания ракеты с жидкостным ракетным двигателем. Там же рассмотрены методики расчета элементов топливной магистрали с сосредоточенными параметрами, которые имеют широкое прикладное значение.

Методика расчета собственных колебаний жидкости в сложных разветвленных трубопроводах, создана коллективом под руководством В.А.Махина [29]. Исследования провалов давления в трубопроводах приведены в работах М.С.Натанзона [33].

Вынужденные колебания сжимаемой жидкости исследовались в работах [10, 11, 19, 33, 56] и др.

Анализ теоретических работ, посвященных динамике жидкости в трубопроводах, показывает, что основное внимание в них уделялось вопросам расчета колебаний давления и расхода жидкости в простых трубопроводах и в системах с воздушными колпаками и аккумуляторами давления [6,10,11]. В то же время многочисленные экспериментальные исследования [9,20,56] выявили существенное влияние на управление динамическими процессами диссипативных элементов (сосредоточенная перфорация и распределенная перфорация) и геометрических параметров трубопроводной системы. Методы расчета волновых процессов в трубопроводах с гасителями (сосредоточенная перфорация и упругость) предложены в работах [11,20]. Задача анализа волновых процессов в трубопроводах с распределенными диссипативными элементами и упругими элементами различных типов поставлена в работах [8,9], где предложен ряд соответствующих методик расчета. Вместе с тем, необходимо отметить, что для газовых магистралей указанная задача не получила пока исчерпывающего решения.

Трубопроводная система нагнетательных установок представляет собой упругую конструкцию, состоящую из прямых участков труб, поворотов, арматур, тройников, патрубков и средств крепления - опор. Их вибрация возникает вследствие переменных нагрузок, сопровождающих работу нагнетательных установок. Различают две причины вибрации трубопроводов и аппаратов: первая - кинематическое возбуждение, обусловленное механическими вибрациями корпуса насоса или компрессора, которые передаются на примыкающие к цилиндрам компрессора или входам насоса участки трубопроводов, или на опоры отдаленных участков; вторая - пульсирующий поток и акустические колебания жидкости и газа в трубопроводах [5,45,52]. Особенно высокие значения вибрации возникают при эксплуатации компрессорных установок. Необходимость изучения основных динамических характеристик трубопроводов компрессорных установок определяется высокими требованиями к их прочности и надежности работы.

Исследования показывают [5], что вибрация опор с амплитудой 0,15 - 0,2 мм может вызвать в условиях резонанса опасные колебания трубопровода.

В этой же работе показано, что устранение пульсаций давления может увеличить в несколько раз срок службы клапанов.

Периодические изменения давления жидкости и газа вследствие взаимодействия рабочей среды с трубопроводом могут вызвать механические колебания трубопроводов, связанного с ним оборудования и опорных конструкций.

При резонансных условиях под действием продольных волн могут возникать резонансные колебания трубопроводной системы [45]. Анализ многочисленных работ по неустановившимся движениям жидкости (или газа) показывает, что задача защиты трубопроводов от волновых и вибрационных процессов по-прежнему является актуальнейшей проблемой для различных отраслей промышленности.

Особое внимание уделялось изучению резонансных колебаний трубопроводных систем.

В работах Б.Ф.Гликмана [12], К.С.Колесникова [19] предложены методы подавления резонансных частот и способы понижения частот собственных колебаний в жидкостных магистралях путем установки на входах в насосы податливых элементов - демпферов. В монографии [20] выделены следующие три способа снижения частот собственных колебаний жидкости в трубопроводах:

- понижение распределенной упругости жидкости путем вдува в жидкостную магистраль газа;

- понижение распределенной упругости трубы путем замены материала

Л Л. 1. •/ А-/ X трубы на другой, с меньшим модулем упругости;

- введение сосредоточенной упругости за счет установки специальных устройств - гидравлических и газовых демпферов.

В этой же работе представлены конструктивные варианты газовых, пружинных, сильфонных и смешанных демпферов применительно к жидкостным магистралям.

В работе В.В.Пилипенко и М.А.Натанзона [41] рассматривается влияние газовых демпферов, установленных в расходных магистралях, на колебания давления на входах в насосы при работе мощных энергетических установок.

Средства защиты от колебаний давления в трубопроводах излагаются в монографии В.П.Шорина [56]. Здесь описываются гасители колебаний различных типов и принципов работы: газожидкостные гасители емкостного типа, гасители типа параллельного резонансного контура, гасители инерционного принципа действия и гасители с активным волновым сопротивлением.

В монографии П.А.Гладких и С.А.Хачатуряна [11] описываются конструкции гасителей пульсаций давления, используемые в газопроводах. Они предлагают использовать в газовых магистралях с поршневыми компрессорными установками три основных вида реактивных гасителей пульсаций давления: 1) ответвленный резонатор; 2) кольцевой гаситель низких частот; 3) камерный гаситель верхних частот.

В литературе имеется ряд фундаментальных работ, в которых

ГЧОЛГ»»* оттчигг» ОТПТГ»ГГ ТОГЧГ»а'ГТЖТТОЛ1Л1*0 ПГ»ТТЛЛТ Т ППЛТТОТО Т/-ЛПО^ОТТ1>Т* ГТГЧТОТ/ТУГ» II Т»Т1 ^Г>ОТТТ1Т1 рач/аI рпоад; 1 Ч/Л 1 1 .гтс^хч-п^ и^пиош лу^сиапш! пихилио хк спирацш1! систем, вызванных возвратно-поступательным движением поршней. К ним относятся классические исследования С.П.Тимошенко [50] и Д.Рэлея [44].

Одним из распространенных типов гасителей пульсаций давления являются различные резонансные звукопоглощающие системы. Изучением таких систем и созданием методов расчета гаситей успешно занимался С.Н.Ржёвкин [43]. Резонатор представляет собой замкнутую полость с жесткими стенками, сообщающуюся через узкий канал с трубопроводом, в котором необходимо устранить вредные пульсации давления.

Снижение уровня пульсаций давления в трубопроводной системе на практике ведется путем изменения конструкции трубопроводов, уменьшения возмущающих сил за счет уравновешивания ротора насоса и компрессора, увеличения толщины стенок, виброизоляции трубопроводов от источников возбуждения, рациональной укладки трубопроводов и опор. Как правило, такие способы оказываются весьма дорогостоящими.

А.А.Самарин [45] предлагает использовать известные способы гашения пульсаций давления, апробированные в других областях техники, и для теплоэнергетического оборудования.

В трубопроводах компрессорных установок для управления волновыми и вибрационными процессами в настоящее время используются следующие средства: изменение схемы, размеров трубопровода и аппаратов, а также рациональное взаимное расположение цилиндров и фаз их воздействия на трубопровод; установка дроссельной диафрагмы; установка пустотелых камерных гасителей или буферных емкостей; применение акустических фильтров-резонаторов.

Наиболее важными для практики являются два последних способа, т.к. с изменением схемы, размеров трубопроводов и их формы изменяется собственная частота колебаний, но резонанс, устраненный при одних числах оборотов, возникает при других; установка дроссельной диафрагмы приводит к значительному ослаблению колебаний давления, но при этом возникают дроссельные потери, поглощающие значительную часть мощности компрессора.

Широкое распространение в поршневых компрессорах получили буферные емкости. Их эффективность определяется объемом, а принцип работы основан на рассеивании энергии колебаний. Установлено [11], что наилучшее гашение имеет место при установке буферной емкости непосредственно у цилиндра компрессора, т.к. по мере удаления от цилиндра гасительные свойства ее ухудшаются. Методы расчета емкостей приведены в работах [5,11]. Эффективность буферной емкости может быть увеличена путем введения дополнительных активных сопротивлений, например, диафрагмы. При этом объем гасителя может быть уменьшен.

Недостатком гасителей типа буферных емкостей является то, что они позволяют сгладить поток в трубопроводе лишь за собой. Кроме того, размещение буферных емкостей необходимых размеров в многоступенчатых компрессорах с большим числом цилиндров сопряжено с о ОЛЬШИIV! И трудностями из-за ограниченного места. При этом растут габариты и металлоемкость компрессорных установок.

Акустические фильтры применяют в наиболее ответственных случаях, когда требуется значительное снижение амплитуды колебаний давления. Они сложнее по конструкции и более трудоемки в изготовлении, чем буферные емкости. Потери энергии в этих гасителях большие. Конструктивно они состоят из ряда камер, перегородок и перфорированных трубок для прохода газа [5, 11, 56]. Определение их размеров и отработка конструкций ведутся, в основном, конструктивно. Другие недостатки аналогичны буферным емкостям.

В системах смазки и уплотнений центробежных компрессоров для сжатия природных, токсичных и агрессивных газов широко используются плунжерные и аксиально-поршневые насосы. При этом возникают такие же проблемы гашения пульсаций, как и в поршневых компрессорах. Эти проблемы наиболее остро стоят в компрессорах высокого давления. Дело в том, что пульсации давления могут привести к автоколебаниям системы поддержания перепада давления "масло-газ" и, следовательно, к разгерметизации уплотнений. Большие колебания давления и гидравлические удары могут возникнуть при запуске и останове насосов, при переключении в аварийных режимах с основных на резервные насосы. Для уменьшения колебаний давления в этих случаях широко используются так называемые аккумуляторы давления.

Однако для стабилизации высокого давления требуются большие объемы подушек, что приводит к существенному увеличению габаритов. В связи с этим требуются специальные новые конструктивные решения.

Из проведенного обзора и анализа существующих конструкций демпфирующих устройств (воздушные колпаки, аккумуляторы давления, гасители различных типов, ресиверы, дроссельные шайбы) следует, что описанные средства имеют следующие недостатки:

- отсутствие диссипативных элементов не позволяет обеспечить требуемое снижение амплитуды колебаний давления;

- невозможность использования их в агрессивных средах из-за пожароопасности;

- большие времена и неудовлетворительные качества регулирования переходных процессов;

- вследствие сосредоточенных параметров устройства не обеспечивается восстановление пониженного давления (провала) в системе;

- нельзя использовать их для стабилизации колебаний давления многорежимных систем (при скачкообразном изменении рабочего давления).

Таким образом, создание новых технических средств защиты трубопроводов от волновых и вибрационных процессов является актуальной задачей применительно к системам добычи и транспортирования газа. Её решение позволит уменьшить непроизводительные потери природного газа и устранить загрязнение окружающей среды в процессе его добычи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Технические средства и методы защиты окружающей среды (по отраслям)», Низамова, Гузяль Хавасовна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе полученных в работе результатов можно сделать следующие наиболее общие выводы:

1. Экспериментальными исследованиями установлено, что при бурении нефтяных и газовых скважин насосно-компрессорные трубы и трубопроводы закачки бурового раствора в пласт подвергаются высоким знакопеременным динамическим нагрузкам, которые с вероятностью до 16,2% приводят к возникновению аварийных ситуаций, сопровождающихся прямым неблагоприятным воздействием на окружающую среду: разливом экологически опасных компонентов бурового раствора, изливом из устья скважины пластовых вод с высокой степенью минерализации (до 400 г/л), загрязнением подземных вод вследствие поглощения промывочной жидкости и бурового раствора.

2. Установлено, что основной причиной повреждений газопроводов являются волновые и вибрационные процессы, а одним из главных источников их возбуждения - поршневые компрессорные установки, что приводит к разрушению соединений, разгерметизации уплотнений, разрыву отдельных участков трубопровода и возникновению аварийных ситуаций с выбросами газа в окружающую среду, возникновением взрыво- и пожароопасных ситуаций. Значительная часть трубопроводов служит от 15 до 35 лет, поэтому ежегодный прирост аварийности в 90-х годах составляет от 5 до 7%.

3. Предложены новые типы конструкций стабилизаторов давления для защиты трубопроводных систем закачки бурового раствора в пласт и газовых магистралей от аварийных ситуаций вследствие колебаний давления. Принцип действия разработанных конструкций основан на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на пульсирующий поток. С помощью разработанных конструктивных решений обеспечена самоочистка стабилизатора давления от частиц твердой фазы, содержащихся в буровом растворе. На одно из разработанных устройств получен патент РФ.

4. Разработана математическая модель вынужденных колебаний в гидросистеме закачки бурового раствора в пласт со стабилизатором давления, позволяющая проводить проектные расчеты по оптимизации параметров конструкции стабилизатора с целью обеспечения требуемого коэффициента сглаживания пульсаций давления. Разработаны методы проектного расчета и обоснования параметров упругих элементов стабилизатора давления с использованием аналитических зависимостей и номограмм.

5. Разработана математическая модель волновых процессов в газопроводной системе со стабилизатором диссипативного типа, позволяющая оптимизировать параметры отверстий распределенной перфорации. Теоретически подтверждена возможность снижения амплитуды пульсаций давления при использовании предложенного стабилизатора.

6. Разработан стенд для исследования эффективности стабилизаторов давления, на котором экспериментально подтверждено, что стабилизаторы диссипативного типа обеспечивают снижение амплитуды пульсаций давления не менее, чем в 7 раз.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Низамова, Гузяль Хавасовна, 1999 год

1. Асатур К.Г. Гидравлический удар в трубопроводах с диаметром и толщиной стенки, непрерывно меняющимися по длине. Изв.АН Арм.ССР,- т.З, №3, 1950.

2. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. 4-е изд. М.: Машиностроение, 1993. - 639 с.

3. Болотин В.В. Неконсервативные задачи теории упругой устойчивости. М.: Физматгиз, 1961.

4. Бутковский А.Г. Методы управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1975. - 568 с.

5. Видякин Ю.А., Доброклонский Е.Б., Кондратьева Т.Ф. Оппозитные компрессоры. Л.: Машиностроение, 1979. - 280 с.

6. Владиславлев А.П., Козобков A.A., Малышев В.А. Трубопроводы поршневых компрессорных машин. М.: Машиностроение, 1972. - 288 с.

7. Ганиев Р.Ф., Кобаско Н.И. Колебательные явления в многофазных средах и их использование в технологии. Киев: Техника, 1980. - 143 с.

8. Ганиев Р.Ф., Низамов Х.Н., Дербуков Е.И. Волновая стабилизация и предупреждение аварий на трубопроводах. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1996. - 258 с.

9. Ганиев Р.Ф., Низамов Х.Н. и др. Стабилизация колебаний давления в трубопроводных системах энергетических установок. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1993. - 183 с.

10. Гидравлический удар и уравнительные резервуары. /Под ред. H.A. Картвелишвили. М.: Наука, 1968. - 248 с.

11. Гладких П.А., Хачатурян С.А. Предупреждение и устранение колебаний нагнетательных установок. М.: Машиностроение, 1964. - 275 с.

12. Гликман Б.Ф. Математические модели пневмогидравлических систем. М.: Наука, 1986.-356 с.

13. Гудсон. Леонард, Обзор методов моделирования переходных процессов в гидравлических линиях. ТОИР, 1972, №2.

14. Двухшерстов Г.И. Гидравлический удар в трубах некругового сечения в потоке жидкости между упругими стенками.// Ученые записки МГУ. Сер. Механика. 1948. Т.11, вып.122. С. 15-76.

15. Denison Е.В., Stevenson W.H. Oscillatory flow measurements with a directionally sensitive laser velosimeter. The Review of Scientific Instruments, 1970, v.41, №10.

16. Жуковский H.E. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах. М.; Л.: Гостехиздат, 1949. - 103 с.

17. Жуковский Н.Е. Собрание сочинений: В 7 т. М.; Л.: Гостехиздат, 1949. Т.2: Гидродинамика. - 763 е.; Т.З: Гидравлика. Прикладная механика. -700 с.

18. Ильгамов М.А. Колебания упругих оболочек, содержащих жидкость и газ. -М.: Наука, 1969.- 182 с.

19. Колесников К.С. Продольные колебания ракеты с жидкостным ракетным двигателем. М.: Машиностроение, 1971. - 260 с.

20. Колесников К.С., Самойлов Е.А., Рыбак С.А. Динамика топливных систем с ЖРД. -М.: Машиностроение, 1975.- 169 с.

21. Кубенко В.Д., Ковальчук П.С., Подчасов Н.П. Нелинейные колебания цилиндрических оболочек. Киев: Вища школа, 1989. — 208 с.

22. Кутателадзе С.С., Стырикович М;А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976. - 296 с.

23. Лейбензон Л.С. Собрание трудов. М.: Изд.АН СССР, Т.З, 1955. - 678 е.; Т.4, 1956.-396 с.

24. Ливурдов И.Ф. Неустановившееся движение жидкости в трубах с переменным и постоянным поперечным сечением: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. -М., 1956. -8 с.

25. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. - 848 с.

26. Максимов В.А., Прунцов A.B., Шнепп В.Б. и др. Современные методы стабилизации колебаний давления и расхода газожидкостных сред в компрессорных установках. М.: Изд-во ЦИНТИхимнефтемаш, 1983.- 36 с.

27. Мартин. Современное состояние теории переходных гидравлических процессов. ТОИР, 1973, №2.

28. Махин В.А., Пресняков В.Ф., Велик Н.П. Динамика жидкостных ракетных двигателей. -М.: Машиностроение, 1969. 384 с.

29. Мостков М.А., Башкиров A.A. Расчеты гидравлического удара. М.; -Л.: Госэнергоиздат, 1952. - 200 с.

30. Мостков М.А. Гидравлический удар в гидроэлектрических станциях.- М.; Л.: ГОНТИ, 1938. - 148 с.

31. Мясников М.П., Низамова Г.Х. Расчет стабилизатора давления диссипативного типа/ Отчет №4286 Института Механики МГУ. 1993. -42 с.

32. Натанзон М.С. Продольные автоколебания жидкостной ракеты. М.: Машиностроение, 1977. -208 с.

33. Низамова Г.Х., Дербуков Е.И. Математическое моделирование динамических процессов в трубопроводных системах со стабилизатором давления//Нефтепромысловое дело, 1997, №1, С.32-35.

34. Низамова Г.Х., Липик A.B. Новые средства защиты безрасходных магистралей от волновых процессов// Нефтепромысловое дело, 1997, №4-5, С.36-41.

35. Низамов Х.Н., Дербуков Е.И., Хатмуллин Ф.Х. и др. Стабилизатор давления. Патент РФ № 2083908// Открытия. Изобретения. 1997. №19 (II ч.).

36. Низамов Х.Н., Колесников К.С., Низамова Г.Х. и др. Стабилизатор давления. Патент РФ №2133905// Бюллетень изобретений. 1999. №21.

37. Низамов Х.Н., Применко В.Н., Галюк В.Х. и др. Стабилизатор давления для магистральных нефтепроводов. A.c. СССР №1789824, класс F16L55/04,1993.

38. Olimi М., Usui Т., Fukawa М., Harasaki S. Pressure and velocity distribution in pulsating turbullent pipe flow. Experimental investigations. Bull. JSME, 1976, V.19, №134.

39. Пилипенко B.B., Задонцев В.А., Натанзон M.C. Кавитационные автоколебания и динамика гидросистем. М.: Машиностроение, 1977. -351 с.

40. Попов Д.Н. Нестационарные гидромеханические процессы. М.: Машиностроение, 1982. - 238 с.

41. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. М.: Изд-во МГУ, 1960.

42. Рэлбй Д.В. Теория звука: В 2 т. М.: Гостехиздат, 1955. Т.1. 504 е.; Т.2. -476 с.

43. Самарин A.A. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения. М.: Энергия, 1979. - 286 с.

44. Светлицкий В.А. Механика трубопроводов и шлангов. М.: Машиностроение, 1982. - 280 с.

45. Сурин A.A. Гидравлический удар в водопроводах и борьба с ним. М.: Трансжелдориздат, 1946. 371 с.

46. Тагасов В.И., Низамова Г.Х. Исследование вынужденных колебаний давления и расхода в трубопроводных системах// Нефтепромысловое дело, 1997, №6-7, с.24-30.

47. Тагасов В.И., Низамова Г.Х. Экспериментальное исследование стабилизаторов давления для паро- и газопроводов/ Труды II Межвузовской конференции «Актуальные проблемы экологии». М.: Изд-во РУДН, 1996. С.95-97.

48. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967. -444 с.

49. Феодосьев В.И. Расчет тонкостенных трубок Бурдона эллиптического сечения энергетическим способом. М.:Оборонгиз, 1940. - 94 с.

50. Фролов К.В. и др. Колебания элементов аксиально-поршневых гидромашин. М.: Машиностроение, 1973. - 279 с.

51. Harris J., Peev G., Wilkinson W.L. Velocity profiles in laminar oscillatory flow in tubes. J. of Scientific Instruments, 1969, v.40, №2.

52. Христианович C.A., Михлин С.Г., Девисон Б.Б. Неустановившееся движение в каналах и реках. Математическая теория пластичности/ Под ред. Н.Е.Кочина. М.; - Л.: Изд-во АН СССР, 1938. - 407 с.

53. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. 2-е изд. М.: Недра, 1975. - 296 с.

54. Шорин В.П. Устранение колебаний в авиационных трубопроводах. -М.: Машиностроение, 1980. 155 с.

55. Юфин В.А., Гусейн-Заде М.А. Методы расчета неустановившегося течения в магистральных нефтепроводах с промежуточными насосными станциями. М.: Наука, 1973. - 70 с.127

56. Юфин В.А., Гусейн-Заде М.А. Трубопроводный транспорт нефти и газа. М.: Недра, 1978. - 324 с.