Тепловые режимы сложных многониточных систем заглубленных трубопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Примаков, Сергей Сергеевич

• Примаков, Сергей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Примаков, Сергей Сергеевич

Введение.

Глава 1. Обзор задач, связанных с определением тепловых режимов заглубленных трубопроводов.

1.1. Решения некоторых теплофизических задач геокриологии.

1.1.1. Расчеты по определению ореолов оттаивания вокруг тепловыделяющих элементов.

1.1.2. Расчеты по определению падения температуры энергоносителей по длине трубопроводов.

1.2. Теплофизические методы решения задач геокриологии.

1.3. Современные технологии при решении теплофизических задач.

1.3.1. Математическое моделирование и оптимизация.

1.3.2 Программирование на ЭВМ.

1.4. Математические приемы, применяемые при решении некоторых задач теплофизики.

1.4.1. Численные методы в теплофизике.

1.4.2. Некоторые математические приемы наиболее распространенных задач теплофизики.

Глава 2. Исследование температурного режима заглубленного трубопровода в мерзлых грунтах.

2.1. Традиционные методики решения задачи по определению температурного режима трубопровода.

2.1.1. Стационарное температурное поле. Метод источников.

2.1.2. Граничные условия. Решение Форгеймера.

2.1.3. Проблемы учета распределения температуры в грунте. Решение проблемы в рамках существующей постановки задачи.

2.2. Способы учет профиля температур.

2.2.1. Учет профиля температур путем введения новой функции.

2.2.2. Выбор контрольных точек.

2.2.3. Построение алгоритмов, программного комплекса.

Примеры расчета.

2.3. Задание на границе условие непрерывности потока.

2.3.1. Анализ границ применимости полученной методики. Вывод условия непрерывности потока на границе.

2.3.2. Применение полученных выражений в модернизации существующего программного комплекса. Алгоритм поиска решения.

2.3.3. Расчеты, иллюстрирующие полученную методику.

2.4. Нахождение зависимости параметров источника от внешних факторов.

2.4.1. Приведение полученного выражения к безразмерным величинам.

2.4.2. Методика планирования эксперимента.

2.4.3. Анализ полученной зависимости.

2.5. Описание теплового режима трубопровода с помощью симметрично расположенных источников.

2.5.1. Анализ применимости полученной зависимости в некоторых условиях.

2.5.2. Введение в систему четырех симметрично расположенных источников.

2.5.3. Построение алгоритмов поиска положения источников.

2.5.4. Введение параметра оценки точности решения.

2.5.5. Проведение оценочных вычислений.

2.5.6. Анализ полученных результатов. Выводы.

Глава 3. Изучение температурных режимов системы заглубленных трубопроводов.

3.1. Оценка существующих методов по определению температурного режима системы заглубленных трубопроводов.

3.1.1. Причины определения температурных режимов системы заглубленных трубопроводов.

3.1.2. Трудности получения точного решения. Обзор существующих методик.

3.1.3. Учет теплового взаимодействия трубопроводов в системе в рамках существующих методик.

3.1.4. Граничные условия и границы применения методики.

3.2. Учет профиля температур и теплового взаимодействия трубопроводов с помощью четырех симметрично расположенных источников.

3.2.1. Анализ решения полученного традиционной методикой.

3.2.2. Применение методики четырех симметрично расположенных источников.

3.2.3. Анализ точности и оценка результатов.

3.3. Введение в систему N источников для описания теплового режима каждого трубопровода.

3.3.1. Математическое описание модели с N источниками на трубу.

3.3.2. Трудности реализации программного алгоритма. Метод Гаусса.

3.3.3. Решение модели с помощью N источников.

3.3.4. Анализ полученных результатов. Выводы.

3.3.5. Исследование зависимости точности решения от количества источников на трубу.

3.3.6. Оценка границ применимости методики. Результаты.

3.4. Сравнение полученной методики с численным решением.

3.4.1. Расчет с одним источником на трубу. Описание расчетной модели.

3.4.2. Методика с использованием N симметрично расположенных источников.

3.4.3. Численное решение задачи. Результаты.

3.4.4. Анализ полученных результатов. Выводы.

Глава 4. Определение падения температуры по длине трубопровода в коридоре коммуникаций.

4.1. Математическая постановка задачи.

4.2. Современные способы расчета падения температуры по длине трубопровода в системе.

4.3. Способы совершенствования существующих методик.

4.3.1. Введение N источников для описания теплового режима каждой трубы в системе.

4.3.2. Описание математической модели для программного алгоритма.

4.3.3. Определение мощностей с помощью обратных матриц. Получение суммарных тепловых потоков.

4.3.4. Решение системы дифференциальных уравнений программными средствами. Метод Эйлера.

4.4. Проведение эксперимента. Сравнение результатов.

4.4.1. Параметры модели. Некоторые результаты.

4.4.2. Результаты по ореолу оттаивания.

4.4.3. Результаты по падению температуры.

4.4.4. Оценка полученных результатов. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепловые режимы сложных многониточных систем заглубленных трубопроводов»

Сегодня, когда во всем мире вопрос об энергоресурсах, стоит особенно остро, процессы разработки, проектирования и эксплуатации нефтегазового комплекса на территории нашей страны приобретают все большее стратегическое значение. Одной из главных топливно-сырьевых баз нашей родины являются северные регионы Тюменской области, освоение новых территорий которой и их эксплуатация тесно связаны со строительством. В суровых климатических условиях крайнего севера существенно повышаются требования ко всем техническим решениям. При строительстве любых инженерных сооружений в таких условиях необходимо учитывать массу факторов влияющих как на условия жизнедеятельности на самих объектах, так и на экологическую ситуацию, складывающуюся вокруг них в процессе эксплуатации.

Так как северные территории - это, в основном, территории с низкими среднегодовыми температурами и широко простирающимися вечномерзлыми грунтами, то при проектировании сооружений на таких грунтах важную роль играет тепловой расчет. С одной стороны, необходимо обеспечить тепловой режим окружающей среды, чтобы не допустить протаивания вечной мерзлоты, с другой стороны, необходимо обеспечивать надлежащие эксплуатационные температуры, такие как температуры транспортируемых жидкостей, температуры внутри зданий, а также, подведенных к ним коммуникаций и пр.

Ошибки в тепловых расчетах могут привести к тому, например, что вечномерзлые грунты под трубопроводами или зданиями начнут оттаивать, теряя при этом свою несущую способность, что может в свою очередь привести к аварии или даже к разрушению инженерного сооружения. Неучтенная же потеря тепла от самих теплоносителей может привести, например, к недопустимо низкой температуре нефти в транспортном трубопроводе, резкому увеличению ее вязкости, выпадению солей и парафинов и полной закупорке магистрали.

Основная работа на северных месторождениях связана с добычей и транспортом нефти и газа, а так как в большинстве случаев транспортировка осуществляется посредством заглубленных трубопроводов, то понятно, что тепловой расчет подземных коммуникаций является одним из самых важных моментов при разработке проектных решений на территории крайнего севера.

В последнее время совместная прокладка трубопроводов находит все большее применение. Это связано с тем, что с точки зрения строительства и эксплуатации, гораздо дешевле и проще прокладывать трубы нефтесбора, поддержания пластового давления и пр. в одной траншее. А это значит, что тепловое влияние трубопроводов друг на друга будет существенным. Таким образом, тепловой расчет коридоров коммуникаций, расчет теплопотерь от совместно проложенных трубопроводов, а также теплофизическая ситуация вокруг системы в целом является сложной и в то же время актуальной задачей сегодня.

На сегодняшний день существуют методики, позволяющие решать такие задачи численно. Обычно использование таких методик связано с известными проблемами, такими как выбор границ расчетной области, задание условий на границах и пр.

Таким образом, большой интерес вызывают методики, позволяющие решать такие задачи аналитически. В работе [1], например, подробно рассмотрен целый ряд методик, позволяющих аналитически получать решения таких задач с некоторой степенью точности. Как правило, расчет с использованием таких методик связан с рядом ограничений и допущений и в некоторых ситуациях необходимая точность в процессе решения не может быть достигнута.

Основные проблемы такой методики заключаются в том, что при тепловых расчетах, граничным условиям на поверхности трубопроводов удается удовлетворить только лишь в двух точках. Таким образом, можно сказать, что в этой методике не достаточно точно учитывается взаимное тепловое воздействие трубопроводов друг на друга. Более или менее удовлетворительные результаты можно получить лишь при условии того, что трубопроводы расположены настолько далеко друг от друга, что их тепловое взаимодействие не существенно. Кроме того, известные подходы для решения такого рода задач не позволяют учесть распределение температуры в грунте, вызванное сезонными процессами на поверхности.

Однако, изменение температуры грунта на глубинах заложения коммуникаций под действием сезонных процессов может достигать десятков градусов. Следовательно, трубопроводы большого диаметра, применяющиеся для транспортировки жидкостей и газа, могут располагаться в различных температурных зонах, что не может не повлиять на теплофизическую ситуацию вокруг коридора коммуникаций в целом. В особенности это связано с тепловым расчетом газопроводов большого диаметра, где в качестве граничных условий, задавать температуру на поверхности трубопровода нецелесообразно, так как при существенно меняющейся по глубине температуре в грунте, температуры на верхней и нижней образующей газопровода могут существенно отличаться. В таком случае, более оправданными с физической точки зрения граничными условиями являются не равенство температур, а равенство потоков от газа к трубе и от трубы в грунт, что так же не представляется возможным в рамках существующих на сегодняшний день методик.

Таким образом, становится понятно, что новая методика, позволяющая учитывать такие важные факторы, просто необходима, а получение ее представляет научный интерес.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Примаков, Сергей Сергеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработана новая методика определения теплового потока и температурного поля как от одного, так и от системы заглубленных трубопроводов, позволяющая: более точно учитывать тепловое взаимодействие трубопроводов, рассчитывать совместно проложенные трубопроводы разных диаметров и на разной глубине, учитывать влияние сезонного профиля температур в грунте, задавать в качестве граничных условий, как температуру, так и непрерывность тепловых потоков.

2. Разработана новая методика определения теплопотерь от системы заглубленных трубопроводов, позволяющая: более точно учитывать тепловое взаимодействие трубопроводов между собой, рассчитывать совместно проложенные трубопроводы разных диаметров и на разной глубине.

3. Разработан программный комплекс, позволяющий проводить тепловые расчеты для систем близко расположенных заглубленных трубопроводов разного диаметра и глубины заложения с учетом профиля температур в грунте и различных граничных условий на поверхности трубопроводов, который может быть использован для расчета сетей нефтесбора с совместной прокладкой ППД и газопроводов большого диаметра.

4. Сравнение с численным решением задачи по определению ореола оттаивания вокруг системы заглубленных трубопроводов показало, что способ задания распределения температуры в грунте является корректным и удовлетворительным для расчетов.

5. Представленный в диссертационной работе подход для определения теплопотерь по длине в системе заглубленных трубопроводов позволил решить задачу средствами линейной алгебры.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Примаков, Сергей Сергеевич, 2006 год

1. Даниэлян Ю. С., Яницкий П. А. Тепловые расчеты сложных систем заглубленных трубопроводов (рекомендации). Тюмень 1987. 70 с.

2. Актуальные вопросы теплофизики: энергетика и экология. Институт теплофизики СО АН СССР, 1991 г.

3. Бахмат Г.В., Стариков В.А., Старикова Г.В. и д р. Транспорт и хранение нефти и газа: экологические проблемы и решения: Учебное пособие. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2002 189с.

4. Современные проблемы теплофизики. Институт теплофизики СО АН СССР, 1990 г.

5. Порхаев Г. В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами. М.: Наука, 1970. 208 с.

6. Даниэлян Ю. С., Яницкий П. А. Тепловое взаимодействие коридора коммуникаций с мерзлыми грунтами//Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1987, №1. с. 153 159.

7. Яницкий П. А. Расчет теплового взаимодействия коридоров коммуникаций с мерзлыми грунтами. Нефтепромысловое строительство, 1981, №9, С. 13 -15.

8. Коллектив авторов. Вопросы теплообмена в строительстве. Межвузовский сборник. Ростов-на-Дону: Рост.инж.-строит. ин-т, 1986. 132 с. с ил.

9. Галиуллин 3. Т., Кривошеин Б. JI., Ходанович И. Е. Температурные режимы многониточных магистральных газопроводов. М.: Тр. ВНИИГАЗа. «Транспорт природного газа», 1968. Вып. 29. С. 101-119.

10. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат. 1979. 416 с.

11. Карякина С. В. Исследование теплопотерь зданий и коммуникаций в нестационарном режиме. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тюмень 2000.

12. Даниэлян Ю. С., Яницкий П. А. Вариационный принцип в задаче определения теплового поля грунта вокруг группы подземных трубопроводов.//Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1990, №1. с. 151 -157.

13. Фомина В. В. Исследование процессов тепловлагообмена вблизи заглубленного в грунт трубопровода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тюмень 2001.

14. Даниэлян Ю. С., Яницкий П. А. Динамика формирования ореола оттаивания в мерзлом грунте при совместной прокладке нескольких трубопроводов.//Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1987, №3. с. 145 — 151.

15. Иванов И. А. Эксплуатационная надежность магистральных трубопроводов в районах глубокого сезонного промерзания пучинистых грунтов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Тюмень 2002.

16. Даниэлян Ю.С., Яницкий П.А. Температурный режим нефтегазопроводов при их совместной прокладке в мерзлых грунтах //Изв. АН ССС. Энергетика и транспорт. 1988. №1. С. 95-100

17. Эксплуатация магистральных нефтепроводов: Справочное издание./Под общей редакцией Ю. Д. Земенкова. Тюмень: ТюмГНГУ, 2000. - 534 с.

18. Даниэлян Ю. С., Яницкий П. А. Температурный режим движения жидкостей по параллельным трубам.//Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1988, №3. с. 100-107.

19. Проблемы магистрального и промыслового транспорта углеводородов: Материалы международного совещания; Под общей редакцией Земенкова Ю. Д. и Ковенского И. М. Тюмень: ТюмГНГУ, 2000. -135 с.

20. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 367 е.: ил.

21. Обратные задачи теплообмена. / О. М. Алифанов. — М.: Машиностроение, 1988. — 280 с.

22. Беляев Н. М. Основы теплопередачи: Учебник. — К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. —343 е.: ил.

23. Кожевников Н. Н. Тепломассоперенос в дисперсных средах при промерзании. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1987. - 192 е., илл.

24. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. М.: Мир, 1982. - 520 е., ил.

25. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения/ А. П. Меренков, Е. В. Сеннова, С. В. Сумароков и др. — Новосибирск: ВО «Наука», Сибирская издательская фирма, 1992. — 407 с.

26. Самарский А. А Теория разностных схем. — 3-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. — 616 с.

27. Самарский А. А., Назаров Р. Д., Макаров В. JI. Разностные схемы для дифференциальных уравнений с обобщенными решениями: Учеб. пособие для ун-тов. — М.: Высш. шк., 1987 — 296 е.: ил.

28. Дульнев Г. Н. и др. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена: Учеб. пособие для теплофизич. и теплоэнергетич. спец. вузов / Г. Н. Дульнев, В. Г. Парфенов, А. В. Сигалов. М.: Высш. шк., 1990. — 207 е.: ил. — (ЭВМ в техническом вузе).

29. Самохин А. Б. Вычислительные методы и программирование: Учеб. пособие /Моск. государственный ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). М.,1994. - 56 с.

30. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: Пер. с англ. — М.: Мир, 1988. —544 е., ил.

31. Численно-аналитические методы исследования решений краевых задач / Самойленко А. М., Ронто Н. И. — Киев: Наук, думка, 1985. — 224 с.

32. Дифференциальные уравнения и численные методы. Новосибирск: Наука, 1986.

33. Турчак JI. И. Основы численных методов: Учеб. пособие. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. — 320 с.

34. Есипов А. А., Сазонов J1. И., Юдович В. И. Руководство к решению задач по обыкновенным дифференциальным уравнениям. Издательство Ростовского университета, 1989.336 с.

35. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. 6-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2003. — 576 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература).

36. Бибиков Ю. Н. Курс обыкновенных дифференциальных уравнений: Учеб. пособие для ун-тов. — М.; Высш. шк., 1991. — 303 е.: ил.

37. Терёхин М. Т. Периодические решения систем дифференциальных уравнений: Учебное пособие к спецкурсу / Ряз. пед. ин-т. Рязань, 1992. 88 с.

38. Федорюк М. В. Обыкновенные дифференциальные уравнения. 3-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2003. — 448 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература).

39. Данко П. Е., Попов А. Г., Кожевникова Т. Я. Высшая математика в упражнениях и задачах. В 2-х ч. Ч. I: Учеб. пособие для втузов. 5-е изд., испр. - М.: Высш. Шк., 1999. - 304 е.: ил.

40. Данко П. Е., Попов А. Г., Кожевникова Т. Я. Высшая математика в упражнениях и задачах. В 2-х ч. Ч. 11: Учеб. пособие для втузов. 5-е изд., испр.-М.: Высш. Шк., 1999.-416 е.: ил.

41. Фаддеев Д. К., Фаддеева В. Н. Вычислительные методы линейной алгебры. СПб.: Издательство «Лань», 2002. - 736с.