Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих технологических схем сбора и подготовки нефти 10
1.1 Обзор существующих технологических схем 13
1.1.1 Технология сбора нефти 13
1.1.2 Промысловый сбор и подготовка нефти и газа 15
1.1.3 Грозненская высоконапорная система сбора 18
1.1.4 Применение резервуаров при сборе нефти 19
1.1.5 Раздельный сбор обводненной и безводной нефтей 2\
1.1.6 Предварительный сброс пластовых вод 23
1.1.7 Очистка сточных вод 27
1.2 Используемое технологическое оборудование. 32
12.1 Гидродинамические коалесценторы 32
1.2.2 Отстойная аппаратура 33
1.2.3 Блочные деэмульсаторы 36
1.3 Подготовка нефти на зарубежных месторождениях 38
Глава 2. Исследования волновых процессов в гидросистеме сепарационной установки нефти (СУН) 47
Глава 3. Теоретические методы определения параметров стабилизаторов давления и их эффективности ... 56
3.1 Математическая модель волновых процессов в трубопроводе со стабилизатором и без него 56
3.1.1 Математическая модель стабилизатора 60
3.2 Определение эффективности гашения волновых процессов в трубопроводах со стабилизатором 64
3.2.1 Эффективность СД при периодическом изменении давления и расхода 65
3.2.2 Эффективность СД при линейном изменении расхода 66
Глава 4. Выбор конструктивных решений и методика проектирования 69
4.1. Стабилизатор с упругой камерой 70
4.1.1 Стабилизатор с выносными демпфирующими камерами для трубопроводов большого диаметра 71
4.1.2 Стабилизатор давления в магистральных нефтепроводах 73
4.2 Методика проектирования 76
4.3 Расчет конструктивных параметров упругих элементов 79
4.4 Расчет коэффициентов эквивалентного вязкого демпфирования 79
Глава 5. Оценка э кол ого-э коном и ческой эффективности от снижения аварийности в гидросистемах нефтесбора S3
5.1 Методика по определению ущерба, наносимого окружающей природной среде при авариях на нефтепроводах 86
5.2 Оценка факторов, определяющих величину ущерба окружающей природной среде при авариях на нефтепроводах 93
5.2.1 Оценка площади загрязнения земель и водных объектов 93
5.2.2 Оценка степени загрязнения земель 94
5.2.3 Оценка степени загрязнения водных объектов 95
5.2.4 Оценка степени загрязнения атмосферы 99
5.3 Оценка ущерба, подлежащего компенсации, окружающей природной среде от загрязнения земель 101
5.4 Оценка ущерба, подлежащего компенсации, окружающей природной среде от загрязнения нефтью водных объектов 106
5.5 Оценка ущерба, подлежащего компенсации, окружающей природной среде от загрязнения атмосферы 107
5.6 Плата за загрязнение окружающей природной среды при авариях на магистральных нефтепроводах 108
5.7 Пример расчета ущерба окружающей природной среде при аварии на промысловом нефтепроводе 109
Заключение 116
Список литературы
- Применение резервуаров при сборе нефти
- Исследования волновых процессов в гидросистеме сепарационной установки нефти (СУН)
- Определение эффективности гашения волновых процессов в трубопроводах со стабилизатором
- Стабилизатор давления в магистральных нефтепроводах
Введение к работе
Актуальность работы.
Нефтедобывающая отрасль - одна из самых экологически опасных отраслей хозяйствования топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Она отличается большой землеемкостью, значительной загрязняющей способностью и высокой пожаро- и взрывоопасностью промышленных объектов.
Большинство химических реагентов, применяемых при бурении скважин, добыче и подготовке нефти, а также добываемые углеводороды и примеси к ним являются веществами, вредными для животного и растительного мира, а также для человека.
Транспортировка нефти опасна повышенной аварийностью выполняемых работ в связи с тем, что основные производственные процессы происходят под высоким давлением. Оборудование и трубопроводные системы работают в агрессивных средах.
Необходимо добывать, а затем транспортировать нефть, сводя к минимуму негативные последствия, максимально восстанавливая нарушенные территории. Важно не допускать аварийных, катастрофических разливов нефти. Что приводит к необратимым последствиям и может нарушить сложившийся природный баланс.
Вопросы предупреждения чрезвычайных ситуаций, обеспечения экологической безопасности трубопроводного транспорта, сокращения потерь природных ресурсов при транспортировке за счет снижения аварийности, повышения его надежности и долговечности имеют большое значение для нефтегазодобывающих предприятий ТЭК РФ.
В настоящее время наблюдается тенденция увеличения аварийности на трубопроводном транспорте, рост количества чрезвычайных ситуаций с разрывами трубопроводов, большими безвозвратными потерями
б транспортируемых сред и широкомасштабными загрязнениями окружающей природной среды. По официальным данным только ежегодные потери нефти из-за аварий при транспортировке по внутрипромысловым трубопроводам превышают 1 млн. т. Сложившееся положение в значительной мере связано с увеличением износа действующих трубопроводных систем, накоплением усталостных явлений в трубопроводах вследствие длительного воздействия динамических нагрузок, вызванных вибрацией и пульсациями давления в транспортируемых средах.
Колебания давления, вибрации и гидроудары возникают в результате . периодического характера работы нагнетательных установок, изменения режима их работы, срабатывания запорной арматуры, аварийных отключений электропитания, ошибочных действий обслуживающего персонала и являются внутрисистемными возмущениями, присущими трубопроводному транспорту. Традиционно используемые средства для гашения волновых и вибрационных процессов, такие как воздушные колпаки, ресиверы, аккумуляторы давления, дроссельные шайбы малоэффективны, и поэтому не получили широкого распространения.
В связи с изложенным, теоретическая разработка новых высокоэффективных средств защиты от волновых и вибрационных процессов, создание на их базе практических устройств дают возможность уменьшить количество чрезвычайных ситуаций с разрывами трубопроводов, в том числе, внутрипромысловых, улучшить экологическую обстановку и сократить потери добываемой нефти.
Поэтому разработка новых технических решений, направленных на уменьшение количества чрезвычайных техногенных ситуаций, воздействия систем транспортировки нефти на окружающую среду, ресурсосбережение является актуальной задачей, напрямую связанной с научными исследованиями, проводимыми на кафедре "Промышленной экологии и
безопасности жизнедеятельности» Российского Университета дружбы народов".
# Цель работы* Разработка и внедрение методов и средств для уменьшения
количества чрезвычайных техногенных ситуаций, антропогенного воздействия
на окружающую природную среду (ОПС), при транспортировке нефти по
внутри промысловым нефтепроводам, сокращения потерь природных ресурсов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование волновых процессов в гидросистемах сепарационной установки нефти и путей уменьшения динамических нагрузок на трубопроводы;
выбора технических принципов реализаций средств гашения волновых и вибрационных процессов- стабилизаторов давления (СД);
разработка методов расчета конструктивных параметров стабилизаторов
давления (СД) и исследование эффективности их работы;
- проведение оценки эколого-экономической эффективности
разработанных средств.
Методы исследования. Для решения поставленных задач
использовались методы интегрирования обыкновенных линейных
^ дифференциальных уравнений и дифференциальных уравнений в частных
производных.
Экспериментальные исследования волновых процессов в трубопроводах проводились с помощью современной высокоточной аппаратуры в реальных условиях.
Научные положения, выносимые на защиту и их новизна.
Проведен анализ чрезвычайных ситуаций внутрипромысловых нефтепроводных систем ТЭК, потерь природных ресурсов при транспортировке и причин их возникновения.
Проведены исследования волновых процессов в гидросистемах
% сепарационной установки нефти (СУН).
Разработаны новые устройства для обеспечения экологической безопасности внутрипромысловых нефтепроводов - стабилизаторы давления (СД), позволяющие уменьшить антропогенную нагрузку на окружающую природную среду (ОПС) за счет снижение аварийности, повысить качество замеров объемов нефти, значительно сократить потери нефти при транспортировке нефти по внутрипромысловым нефтепроводам.
Разработана математическая модель волновых процессов в гидросистеме сепарационной установки нефти (СУН) со стабилизатором давления (СД) и без него и методика расчета конструктивных параметров СД.
Проведены исследования эффективности гашения колебаний давления СД на экспериментальных стендах и в реальных условиях эксплуатации и сравнений полученных результатов с результатами теоретических исследований.
Дана оценка эколого-экономического эффекта от применения стабилизаторов давления (СД) в одном нефтегазодобывающем управлений (НГДУ)ТЭК.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается за счет использования современной измерительной аппаратуры, современных математических методов в области гидромеханики и волновой механики, а также подтверждается полученными практическими результатами.
Практическая значимость. Предложенные конструктивные схемы, технические принципы их реализации и практические устройства-стабилизаторы давления позволяют в значительной мере исключить чрезвычайные ситуации с разрывами внутрипромысловых нефтепроводов от внутрисистемных возмущений, вызванных работой нагнетательных установок, изменением режима их работы, срабатыванием запорной арматуры, аварийными отключениями подачи электропитания, ошибочными действиями
обслуживающего персонала и т.п., повысить надежность их работы и долговечность.
Теоретическое обоснование, технические принципы реализации и
методика определения основных характеристик СД носят универсальный
характер и могут быть применены для трубопроводных систем различного
назначения.
Практическая реализация работы. Экспериментальные исследования волновых и вибрационных процессов проводились в гидросистемах сепарационной~ установки нефти в реальных условиях эксплуатации трубопроводов в НГДУ "Краснохолмскнефть".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (г. Москва, РУДН. 2002 г.),
конференции в Российской Инженерной Академии (секция "Инженерные
проблемы стабильности и конверсии" г. Москва, 2002- 2003 г. г.).
Публикаций. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы
^ 124 страниц машинописного текста, в том числе 20 рисунков и графиков, 12
таблицы, список литературы из 70 наименований.
*
Применение резервуаров при сборе нефти
Стальные резервуары типа РВС предназначены для сбора и хранения добываемой нефти, а также нефтепродуктов (бензина, керосина, дизельного топлива, мазута), отличающихся друг от друга плотностью, испаряемостью, токсичностью, коррозионной агрессивностью в отношении металлических стенок, а также другими специфическими свойствами.
Стальные вертикальные цилиндрические резервуары являются наиболее распространенным видом хранилищ для нефти и нефтепродуктов: из общего объема резервуаров стальные вертикальные резервуары составляют более 80% [10].
При добыче, сборе, подготовке и транспорте сырых (подготовленных и неподготовленных нефтей) резервуары выполняют важнейшее технологическое назначение на всех этапах добычи, подготовки и транспорта нефти. На промыслах используют стальные цилиндрические резервуары вместимостью 1000, 5000 и 10000 .и . Чаще всего они сосредоточены на центральном сборном пункте (ЦПС), и каждый из них выполняет определенные технологические функции, определяемые технологией добычи, сбора и подготовки нефти, а также необходимостью интенсификации три сборе в резервуарах нефти процессов отделения попутной воды от нефти.
Особо опасны, становятся последствия разрушения резервуара при его расположении в черте населенного пункта, так как площадь растекания хранимой жидкости может составлять сотни тысяч квадратных метров. Резервуары также являются источниками потери легких углеводородов нефти. Чтобы определить, насколько велики эти потери, проводились следующие эксперименты. В течение 6,5 часов в резервуар РВС-5000 было закачено 2329 .и нефти. Потери легких углеводородов от начала заполнения и до окончательного срока хранения (четверо суток) определялись следующим образом: количество газо-воздушной смеси, выделяющейся при заполнении резервуаров, замерялось непосредственно, то есть в течение всего процесса заполнения резервуаров. Замерялась средняя скорость истечения газовоздушной смеси через несколько патрубков определенного диаметра, и отбирались пробы данной газо-воздушной смеси с целью определения в них концентрации углеводородов и плотности углеводородной части смеси.
Таким образом, было определено количество и качество потерь легких углеводородов, происходящее в процессе заполнения резервуаров. Из нефти выделилось 2936 V газо-воздушной смеси с концентрацией углеводородов 46,5% и удельным весом углеводородной части 2,23кг/.и . Это составляет 0,15% по весу от закачиваемой нефти. Основная доля потерь приходится на углеводороды Cj+C, -(66% от всего количества теряемых углеводородов) [52].
Острота проблемы подготовки нефти, но многих случаях, наряду с другими причинами, обусловлена смешением продукции безводных скважин с обводненной нефтью в коллекторах промысловых систем сбора и возникающей в связи с этим, необходимостью подвергать обработке всю добываемую жидкость. Вместе с тем на протяжении значительного периода эксплуатации нефтяных месторождений, в том числе и таких, которые разрабатываются с применением законтурного и внутриконтурного заводнения, добывается огромное количество практически безводной нефти, не нуждающейся в обработке перед транспортированием на нефтеперерабатывающие заводы. Наиболее полное представление о возможном соотношении объемов добываемой обводненной и безводной нефтей на месторождениях, разрабатываемых с применением законтурного и внутриконтурного заводнения, можно получить на основе анализа разработки основных месторождений Башкортостана.
Применение раздельной системы сбора позволяет в значительной мере уменьшить остроту проблемы подготовки нефти и сэкономить большие материальные и денежные ресурсы. Для решения проблемы подготовки нефти, наряду с совершенствованием технологических схем и режимов, форсированием строительства необходимых объектов необходимо обеспечить поступление на обработку нефти только из сроднившихся скважин.
Например, обводненность нефти составляет 88 %. Тогда технологическая схема обработки нефти следующая: нефть со скважин после обработки реагентом поступает на ступень сепарации, где измеряется объем газа и нефти, и затем в горизонтальные емкости, где осуществляется вторая ступень сепарации и предварительный сброс воды. Окончательно нефть обезвоживается (до 30 %) в промывных резервуарах. Время пребывания в них нефти достигает нескольких суток. Естественная температура нефти около 20С, дополнительный подогрев не применяется. Обезвоженная нефть перетекает в резервуар готовой нефти. Затем измеряют объем товарной нефти, определяют ее качество. Резервуары герметизированы и оборудованы системой сбора легких фракций, включающей небольшой вакуум-компрессор. Пластовая вода очищается в напорных фильтрах и в секциях флотаторов, использующих в качестве флотоагента газ. Каждая секция снабжена двумя флотационными головками. Содержание примесей в воде до очистки, например, была 100 мг/л, после очистки стала - 5 мг/л. Очищенная вода после флотаторов попадает в серию резервуаров, где смешивается с пресной водой. Уловленная пленочная нефть собирается в резервуаре, а вода закачивается в пласт. 1.1, б. Предварительный сброс пластовых вод
Для повышения производительности объектов подготовки нефти и снижения затрат па нагрев эмульсии широко применяется предварительный сброс пластовой воды. Необходимость в такой технологической операции обычно бывает вызвана неспособностью действующих типовых установок справиться с возрастающим объемом поступающей жидкости, и является следствием их несовершенства, обусловленного, наряду с другими причинами, использованием малообъемной аппаратуры, скомпонованной в жесткую, немобильную схему. Исследования показали, что только применение совмещенных схем сбора для технологических целей позволяют решить эту проблему, не прибегая к строительству дополнительных ступеней обработки нефти.
Однако на многих месторождениях предварительный сброс применяется в больших масштабах как отдельная операция, и поэтому целесообразно детально рассмотреть вопрос о выборе наиболее эффективной технологии и применяемой для этих целей аппаратуры.
Исследования волновых процессов в гидросистеме сепарационной установки нефти (СУН)
После предварительной сепарации нефти и газа на установках сепарации нефти (СУН) в отстойных резервуарах, отсепарированная нефть подается на установки комплексной подготовки нефти (УКПН) до товарных кондиций, где производится ее дальнейшее обезвоживание и удаление минеральных солей. Для этих целей используются дожимные насосные установки (ДНС), которые в основном оборудуются поршневыми насосными агрегатами, а в некоторых случаях, если производительность скважин на месторождении достаточно велика, насосными установками центробежного типа.
Как известно любые насосные агрегаты в процессе работы неизбежно возбуждают волновые и вибрационные процессы в гидросистеме. Это связано не только с самим процессом работы насосов, но и с процессами включения резервных насосных агрегатов, при необходимости, а также при аварийных отключениях насосов. Необходимо отметить, что производительность скважин меняется с течением времени, что также приводит к изменению режима работы насосных агрегатов.
Возникающие в процессе эксплуатации ДНС пульсации давления и вибрации приводят к постоянному интенсивному динамическому нагружению трубопроводов и оборудования, и, как следствие, увеличению скорости коррозионных процессов, сокращению срока службы трубопроводов и оборудования [11, 63]. Кроме того пульсации давления в гидросистеме не позволяют обеспечить необходимую точность замера расхода жидкости расходомерными устройствами.
Для анализа волновых процессов в процессе эксплуатации ДНС в нефтегазодобывающем управлении "Краснохолмскнефть" были проведены экспериментальные исследования по определению амплитудно-частотных характеристик гидросистемы сепарационной установки нефти (СУН) с поршневыми насосами [37]. В зависимости от производительности СУН при откачке отсепарированной нефти могут одновременно работать от одного до четырех насосных агрегатов из пяти (один резервный). Насосная станция оборудована насосами типа НБ 125 ( подача 125 V/ч, давление до 25 атм)
При проведении исследований моделировались реальные условия работы насосной станций и переходные процессы, возникающие при изменении режима перекачки нефти. При этом последовательно включались 1-ый, 2-ой, 3-ий и 4-й насосный агрегат. Исследования проводились с помощью измерительного комплекса, состоящего из пьезоэлектрических датчиков фирмы "Kistler" тип 7031, имеющих чувствительность около 50 пк/бар, а также предусилителя этой же фирмы, магнитографа и анализатора спектра фирмы "Bruel&Kjaer". Схема установки датчиков в трубопроводах СУН показана на рис.2.1
Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы: -амплитуда пульсаций давления в трубопроводах СУН на различных режимах ее работы составляет от 7% до 15% от рабочего давления в гидросистеме ( размах колебаний давления от 15% до 30% ); - высокочастотные колебания давления с частотой 50 Гц практически отсутствует в спектре вследствие их быстрого затухания. Наиболее интенсивные колебания давления наблюдаются на частотах от 2 до 6 Гц в зависимости от режима работы насосной установки СУН; -ярко выраженные резонансные явления свидетельствует о близости собственных частот колебаний жидкости в гидросистеме СУН с возбуждающими частотами насосных установок; -имеющийся уровень пульсаций давления в гидросистеме СУН не позволяет обеспечить нормальную работу турбинных расходомеров "Турбоквант" ( амплитуда пульсаций давления у них должна быть не более 5% от рабочего давления); - интенсивные динамические нагрузки на трубопроводы и оборудование из-за пульсации давления и вибрации приводят к возникновению усталостных и коррозионно-усталостных трещин в стенках трубопроводов, многократному увеличению скорости коррозии [35] и, как следствие, увеличению количества чрезвычайных ситуаций с разрывами нефтепроводов и сокращению срока службы трубопроводов и оборудования.
Определение эффективности гашения волновых процессов в трубопроводах со стабилизатором
Как следует из уравнения(ЗЛб) расход жидкости на выходе из стабилизатора при его периодическом изменении на входе также является периодической функцией с фазовым сдвигом ф; и амплитудой u -p-F-A Для расчета изменения давления в любой произвольный момент времени и в любой произвольной точке трубопровода воспользуемся решением системы уравнений (3.5) в форме Даламбера [16]: где г= 1 / с время пробега волной давления трубопровода. Из уравнения (3.21) видно, что давление на выходе из СД есть сумма двух функций, которая дает известный закон изменения давления за стабилизатором. \
Как следует из приведенных зависимостей максимальное увеличение давления в трубопроводе будет в том случае, если время, за которое происходит изменение расхода, не превосходит времени двойного пробега волной давления трубопровода 0 / 2т, т.е. происходит прямой гидравлический удар.
Уравнения (3.23) устанавливает зависимость между эффективностью гашения гидроударов в трубопроводной системе, ее характеристиками и основными проектными параметрами стабилизатора давления (массовая податливость, суммарная площадь распределенной перфорации и др.)
Одним из современных средств гашения волновых процессов в трубопроводных системах являются стабилизаторы давления. Принцип их работы основан на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на пульсирующий поток перекачиваемой среды. Наибольший эффект гашения достигается при диссипации энергии пульсаций на перфорационных отверстиях, равномерно распределенных по длине стабилизатора, а также вследствие демпфирования, обусловленного податливостью упругих элементов стабилизатора, выполняемых в виде газовой подушки, камер и сильфонов со стенками из пружинистых и эластичных материалов. Для изменения распределенной упругости потока возможно использование свойств двухфазных сред, если это допускается условиями эксплуатации трубопроводной системы. Дополнительные эффекты гашения обеспечиваются при расширении потока в предкамерах и коллекторах стабилизатора, создании однонаправленного движения, т.е. в результате влияния на геометрию потока.
Отличительная особенность стабилизаторов давления заключается в том, что они не нарушают форму трубопровода и имеют минимальное гидравлическое сопротивление: наибольшее распространение получила конструктивная схема стабилизатора в виде участка трубопровода с равномерно распределенной перфорацией, через которую перекачиваемая среда может перетекать из трубопровода в демпфирующую надстройку над перфорированной его частью.
Таким образом, в общем случае стабилизатор давления как специальное включение в трубопроводную систему должен препятствовать распространению возмущений среды вследствие упруго - демпфируюрующего воздействия на поток, приводящего к перераспределению энергии в спектре колебаний, и (или) механического воздействия, вызывающего необратимые потери этой энергии.
Отличительным конструктивным признаком стабилизатора является разделение с помощью упругой мембраны его внутренней полости на жидкостную и упругую. Один из вариантов конструкции представлен на рис. 4.1. Стабилизатор состоит из металлического корпуса 2, в котором размешается участок трубопровода 6 с равномерно распределенной по длине перфорацией 3. Для разделения жидкости и упругой полости в стабилизаторе служит эластичный элемент 5, который может перемещаться между внутренней поверхностью стенки корпуса 2 и наружной поверхностью стенки перфорированной трубы 6. Полость между элементом 5 и корпусом 2 заполняется упруго-податливым материалом 4, например пористой резиной, а жидкостная полость стабилизатора соединена посредством перфорации с основной гидромагистралью.
В зависимости от агрессивности рабочей среды гибкий разделитель 5 может быть как неметаллическим (различные резины, каучуки, фторопласт), так и металлическим. Уплотнение разделителя 5 производится при обжатии его концов между внутренней полусферой корпуса 2 и конусной поверхностью кольца 1, установленного на трубопроводе 6.
Стабилизатор работает следующим образом. В установившемся режиме движения жидкость, протекающая по трубопроводу 6, через перфорацию 3 заполняет полость, охватываемую разделителем 5. Полость между корпусом 2 и разделителем 5 заполнена эластичным материалом 4, обладающим высокой податливостью. При появлении пульсаций в трубопроводе 6 давление в жидкостной полости пневмостабилизатора не совпадает с давлением в упругой полости, и разделитель 5 под воздействием этого перепада испытывает Рис. 4.1. Стабилизатор с упругой камерой упругие деформации, при которых объем жидкостной полости изменяется, т.е. обеспечивается податливость стабилизатора для демпфирования колебаний. Вследствие большой податливости разделителя 5 и упругой полости происходит увеличение скорости перетекания среды из трубопровода в жидкостную полость (или наоборот), что приводит к диссипации энергии колебаний давления на сосредоточенных сопротивлениях перфорационных отверстий. Выбором упругих характеристик разделителя, упруго-демпфирующего заполнителя полости и ее объема, размеров перфорационных отверстий и их суммарной площади можно добиться требуемой степени уменьшения амплитуды колебаний.
Такой стабилизатор целесообразно использовать в гидромагистралях диаметром не более 0,2 м, поскольку при изготовлении наружного корпуса большого диаметра могут возникнуть трудности технологического характера.
Стабилизатор давления в магистральных нефтепроводах
Стабилизатор предназначен для борьбы с гидроударами, пульсацией и провалами давления в трубопроводах высокого давления различного назначения среднего и большого диаметра. Стабилизатор содержит участок центрального перфорированного трубопровода с присоединительными фланцами 2, заключенный в цилиндрическую предкамеру 3. Демпфирующие камеры 4 вынесены за пределы предкамеры и содержат ограничитель перемещений упругих элементов 5, выполненный в виде перфорированной перегородки, за которым расположены подвижные упругие элементы 6, выполненные из упруго-демпфирующего материала и заключенные в герметичную оболочку из эластичного материала. Внутри каждой демпфирующей камеры расположен дополнительный гибкий элемент 7, способный перемещаться по направлению воздействия возмущений и отделяющий гидравлическую часть упругой камеры от полости, заполненной газом под давлением. Подобное исполнение демпфирующей камеры позволяет при минимальном изменении массогабаритных характеристик стабилизатора увеличить массовую податливость устройства при одновременном снижении давления наддува в газовой полости на упругую полость, заполненную газом под давлением, от гидравлической полости. Последняя сообщается с предкамерой посредством патрубка.
Устройство работает следующим образом. При поступлении жидкости в стабилизатор давления через отверстия перфорации 1 происходит заполнение предкамеры 3 и гидравлических полостей демпфирующих камер 4. При этом происходит последовательное поджатие и перемещение упругих элементов 6, перемещение гибкого элемента 7 и уменьшение объема газовой части демпфирующей камеры. Рис. 4.3. Стабилизатор давления в магистральных нефтепроводах (общий вид и разрез по сечению)
При возникновении в основном трубопроводе волновых процессов (гидроудары, вынужденные колебания и т.д.) происходит перетекание жидкости через отверстия перфорации из основного трубопровода 1 в предкамеру 3 или наоборот, в результате чего изменяется давление в гидравлической полости демпфирующей камеры 4, что вызывает упругую деформацию и перемещение упругих элементов 6 и гибкого элемента 7, что приводит к изменению объема газовой полости. Такое последовательное взаимодействие жидкости с упругими элементами демпфирующей камеры позволяет при незначительном изменении массогабаритных характеристик стабилизатора давления повысить его массовую податливость, снизить на 30-50% давление наддува в газовой полости и обеспечить высокую эффективность работы устройства в диапазоне средних и высоких рабочих давлений.
К стабилизаторам давления предъявляются высокие требования по надежности и эффективности функционирования. Объем экспериментальных данных о параметрах колебаний давления в трубопроводных системах ограничен, а проведение таких экспериментов требует больших дополнительных затрат. Поэтому при проектировании стабилизаторов давления необходимо использовать систему математических моделей различной степени детализации (постоянно уточняемых в ходе разработки) и современные методы проектирования, включая процедуры многомерной оптимизации.
Схема проектирования стабилизаторов давления предусматривает следующие этапы: I. Анализ условий применения стабилизатора в составе трубопроводной системы (рабочее давление и температура, характеристики волновых процессов, агрессивность рабочей среды, габариты трубопроводной системы, распределение источников возбуждения колебаний), а также требований, предъявляемых к стабилизатору (уровень уменьшения амплитуд колебаний давления и понижения частот, ограничения по массе и габаритам, показатели надежности функционирования, технологические требования).
И. На основе данных, полученных при выполнении предыдущего этапа, а также информации о характеристиках и схемах построения аналогов, тенденциях их развития, имеющемся и создаваемом научно- техническом заделе по перспективным материалам и технологиям, формируют требования к свойствам, которыми должен обладать создаваемый стабилизатор, и вырабатывают концепцию построения в виде совокупности взаимно увязанных положений, определяющих основные подходы к ведению разработки. Необходимо выбрать способы упругого демпфирования колебаний давления (с помощью газовой подушки или упругих камер, вдувания газа в рабочую жидкость, изменения материала стенок трубы), способы диссипации энергии колебаний {перетекание жидкости или газа через проницаемые оболочки или перфорационные отверстия, расход энергии колебаний на совершение механической работы по перемещению поршней, деформацию пружин); а также схемы организации потока рабочей среды в стабилизаторе (расширение потока в предкамерах и коллекторах, разделение на параллельные потоки, организация однонаправленного движения). Обосновывая принципы построения стабилизатора, надо учитывать, является ли проектируемый стабилизатор разработкой, не имеющей дальнейшего развития, или это базовый вариант, на основе которого будет создан целый ряд типовых устройств, для которых следует предусмотреть пути наращивания их характеристик.
При выборе базовых технических решений, реализующих принципы построения, должны быть определены: конструктивно-компоновочная схема стабилизатора, типы диссипативных и демпфирующих элементов.
Система ограничений должна учитывать лимиты на габаритные размеры (длину и поперечный диаметр); допустимый спектр собственных частот; прочностные ограничения, обусловленные использованием тех или иных материалов, рабочими давлениями и температурами, а также степенью агрессивности рабочей среды.
При необходимости проводят дополнительные исследования по уточнению математических моделей отдельных элементов стабилизатора, опирающиеся на численные или физические эксперименты (например, с целью идентификации коэффициентов, входящих в уравнения, описывающие перетекание рабочей среды через перфорационные отверстия). IV. По результатам исследований отдельных элементов и подсистем стабилизатора с помощью математических моделей (включая упрощенные проектные модели) проектируют опорный вариант стабилизатора. V. С использованием разработанных детальных математических моделей и методов оптимизации на основе сформулированных критериев и ограничений определяют оптимальные проектные параметры и оценивают габаритные характеристики стабилизатора. Работы по циклу "Этап III - Этап V" могут повторяться несколько раз с целью уточнения используемых исходных данных, критериев, ограничений и более точной "привязки" моделей. VI. Полученные на предыдущих этапах результаты позволяют перейти к проектированию элементов стабилизатора, проведению прочностных расчетов, разработке конструкции, изготовлению макетов и их проверке. VII. При необходимости по окончании этапа VI проводят комплексное математическое моделирование, позволяющее оценить все основные характеристики и подготовить этап натурных экспериментов.
Похожие диссертации на Разработка и внедрение средств предупреждения чрезвычайных ситуаций на нефтепроводах топливно-энергетического комплекса (ТЭК)
