Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы обнаружения и ликвидации гидратообразования в магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорных станций 11
1.1 Условия образования гидратов в магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорных станций 11
1.2 Определение участка газопровода подверженного облитерации стенок 17
1.3 Анализ методик расчёта образования гидратов в магистральных трубопроводах и технологических трубопроводов компрессорный станций в пусковой период после гидроиспытании 20
1.4 Определение границ участков образования гидрата 23
1.5 Анализ механизма образования гидратов в случае частичного уменьшения живого сечения трубопровода гидратами 28
1.6 Обзор методов предупреждения гидратообразования 29
1.7 Оценка способов борьбы с гидратообразование 32
Выводы к главе 1 37
ГЛАВА 2 Структура объекта исследования и определение метода исследования для построения модели и алгоритма 38
2.1 Характеристики объекта исследования 38
2.1.1 Технологически параметры транспорта газа по газопроводу «Голубой поток» 39
2.1.2 Основные факторы, влияющие на процесс образования гидратов 41
2.2 Выбор метода исследования для построения модели и алгоритма 42
2.3 Контрольно – измерительные приборы магистральных газопроводов и компрессорных станций 47
Выводы к главе 2 49
ГЛАВА 3 Теоретические основы расчёта модели и алгоритма программы «расчет гидратообразования в газопроводе» 50
3.1 Определения зоны конденсации влаги в магистральном газопроводе и технологических трубопроводах компрессорной станции 50
3.2 Определение количества выделившейся жидкой фазы воды и удельного расхода метанола, необходимого для ликвидации гидратов 53
3.3 Организация передачи данных от контрольно - измерительных приборов в программу 58
Выводы к главе 3 64
ГЛАВА 4 Реализация алгоритма в виде программы, требование к системе и основы интерфейса 65
4.1 Практические результаты работ программы 65
4.2 Интерфейс программы и принцип работы 103
4.3 Требование к системе 107
4.4Реализация алгоритма расчёта в виде программы 108
4.4 Данные о внедрении программы «Расчет гидратообразования в газопроводе» в производство 117
Выводы к главе 4 117
Заключение 119
Список использованных источников 120
- Определение участка газопровода подверженного облитерации стенок
- Основные факторы, влияющие на процесс образования гидратов
- Определение количества выделившейся жидкой фазы воды и удельного расхода метанола, необходимого для ликвидации гидратов
- Данные о внедрении программы «Расчет гидратообразования в газопроводе» в производство
Введение к работе
Актуальность проблемы. С развитием газодобывающей промышленности усилилась проблема газовых гидратов, которые осложняют технологию добычи транспорта, хранения и переработки газов, так как газы всех известных месторождений углеводородов в определенных термобарических условиях вступают в соединения с водой и образуют газогидраты, скапливаются в различных системах трубопроводов и оборудования. Особенно в пусковой период магистрального газопровода и технологических трубопроводов компрессорных станций.
Вследствие чего, проблема ликвидации гидратообразования остается не до конца решенной. Как показала практика, наиболее эффективным и экономически выгодным средством борьбы с гидратообразованием являются ингибиторы, среди которых, в соотношении цены и эффективности воздействия, самым доступным является метанол.
На практике фактический расход (Q) метанола на предприятиях добычи и транспорта часто завышен, вследствие его нерационального использования. С увеличением темпов добычи и транспорта газа, потребление метанола (CH3OH) будет только увеличиваться. На сегодняшний день, потребность в метаноле только на предприятиях ОАО «Газпром» достигает около 250 тыс. тонн в год. Рост расхода метанола сопровождается и увеличением его стоимости. На данный момент метанол на российском рынке продается по цене от 8000 до 20000 руб/т. Обеспечение метанолом районов Крайнего севера, увеличивает его стоимость как минимум в два раза, а для некоторых месторождений, таких как: Ямал, Восточная Сибирь, а проблемы с доставкой в зимние периоды приводят к увеличению стоимости метанола в три раза.
Поэтому, в настоящее время, весьма актуальна проблема разработки единого подхода к нормированию расхода метанола включающий все последние научно-технические разработки, с внедрением их в технологический процесс добычи и транспорта газа. Такая методика дает возможность проводить технологические расчеты с большей точностью, выявить и устранить причины повышенного расхода ингибитора гидратообразования, а также создавать новые технологические приемы, которые способствуют сокращению расхода ингибитора.
Цель работы. Разработка методики раннего диагностирования появления участков конденсации влаги и предупреждения гидратообразования на магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорных станций, особенно в пусковой период.
Основные задачи исследования:
1. Определение основных причин образования гидратов в магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорных станций в период пусконаладочных работ.
2. Разработка теоретической основы анализа образования гидратов для оценки технического состояния магистральных газопроводов и технологических трубопроводов компрессорных станций .
3. Разработка методики регулирования технологического процесса перекачки газа в случае обнаружения гидратов по магистральным газопроводам и технологическим трубопроводам компрессорных станций.
4. Разработка алгоритмов и программ для расчета обнаружения участков возможного гидратообразования при соответствующих термобарических условиях в магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорных станций.
5. Практическая реализация результатов исследований и разработанных методик предупреждения образования гидратов и эффективного управления транспортом.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Данная работа внедрена для расчета раннего обнаружения возможного гидратообразованию участков и нормирования расхода метанола оперативно- диспетчерского управления компрессорной станции «Береговая» трубопровода «Голубой поток», ООО «Газпром трансгаз Краснодар».
Обоснованность и достоверность результатов, научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается согласованностью полученных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств измерений и стандартных методик проведения исследований, а также методов статистической обработки данных.
Личный вклад автора заключается в постановке задачи исследования, в разработке методических основ алгоритмов для расчета участков возможного гидратообразования при соответствующих термобарических условиях в магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорных станций, разработана программы для расчета гидратообразования в магистральных газопроводах и расчета нормированию удельного расхода метанола.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработка теоретических основ анализа образования гидратов для оценки технического состояния магистральных газопроводов и технологических трубопроводов компрессорных станций.
2. Разработка алгоритмов и программ для расчета участков возможного гидратообразования при соответствующих термобарических условиях в магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорных станций пусковой период.
3. Программное обеспечение расчета образования гидратов в магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорных станций.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на: конференции молодых специалистов «Проектирование, строительство и эксплуатация объектов транспорта газа», г. Краснодар, ООО «Газпром трансгаз Краснодар» 14–15 ноября 2010г., 1–3 ноября конференции молодых специалистов «Проектирование, строительство и эксплуатация объектов транспорта газа», г. Анапа ООО «Газпром трансгаз Краснодар».
Публикации результатов работы. Содержание работы опубликовано в 6 трудах, из которых 5 включены в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в РФ в соответствии с требованиями ВАК при Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций. Список используемых источников содержит 120 наименований. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 20 рисунков, и два приложения.
Определение участка газопровода подверженного облитерации стенок
Современный магистральный газопровод представляет собой весьма сложное, ответственное и дорогостоящее сооружение, предназначенное для многолетней безотказной эксплуатации. Гидратообразование характерно для всех магистральных газопроводов, за исключением тех газопроводов, по которым транспортируют осушенный газ с точкой росы паров воды ниже минимальной рабочей температуры. В условиях недостаточной осушки газа от паров воды, как правило, образуются гидраты. Поэтому проблема образования гидратов весьма актуальна для решения вопроса о безотказной работе магистральных газопроводов, так как гидраты могут закупорить частично или полностью проходное сечение трубопровода, что в ряде случаев приводит к серьёзным осложнениям при эксплуатации и даже к крупным авариям.
Однако, существующие методики определения участков начала конденсации влаги и образования гидратов в системах сбора, промысловой подготовки и транспорта газа, как правило, не учитывают совместного проявления таких процессов, как течение газа в газопроводе при наличии фазовых переходов, величину и скорость протекания процессов отложение твёрдой фазы на стенки трубопровода, а также теплообмен трубопровода с окружающей средой.
Поэтому, в целях минимизации себестоимости добычи и транспорта газа, актуальной задачей является, совершенствование существующих и разработка новых методик раннего обнаружения, участков начала конденсации влаги и гидратообразования, учитывающие по возможности комплексное влияние основных процессов протекающих при эксплуатации газопроводов.
Рассмотрим течение влажного газа в газопроводе, сопровождаемое процессом отложения газогидрата (облитерацией) на его внутренней поверхности. Этот процесс может происходить двумя способами, а именно в режиме теплового баланса и в режиме дефицита воды. Причём на начальном участке за сечением газопровода, где наступает условие образования газогидрата, процесс отложения идёт по первому режиму. Из-за гидратообразования происходит обеднение потока влагой, и вследствие этого, начиная с некоторого сечения, облитерация стенок газопровода происходит во втором режиме.
Как известно, условиями образования газогидрата являются, во-первых, наличие гидратообразователя, каковым является природный газ содержащий, влагу; во-вторых, низкая температура и высокое давление газа [2,3]. Поэтому для образования газогидрата на стенке трубопровода необходимо, чтобы ее температура Тст была ниже или равна точки росы для влаги, содержащейся в газе. При заданном составе газа равновесная температура Трав является функцией давления р (Тг= Тг(р)). Если температура Тст стенки газопровода, при контакте с потоком гидратообразователя (природным газом) удовлетворяет условию Тст Тг, то на этой поверхности возможно отложение и нарастание со временем слоя газогидрата.
Проанализируем уравнения, предложенные в работах Р.Р.Уразова, В. Ш. Шагапова [6] для рассматриваемого процесса. Упрощая задачу, предположим, что природный газ в газопроводе, состоит из двух компонентов, а именно из влаги, являющейся главной причиной гидратообразования, и из всей остальной части – в основном газообразных углеводородов. Потери природного газа на образование твёрдого газогидрата составляют обычно ничтожную долю расхода газа через трубопровод. Схема газопровода, на внутренних стенках которого образуется газогид-ратный слой представлена на рисунке 1.1. dвн - внутренний диаметр газопровода (мм); dж - диаметр живого сечения (мм); z -направления оси газопровода; xi - точка начала образования гидрата (м); L- длина рассматриваемого участка(м) Рисунок 1.1 – Схема газопровода, на внутренних стенках которого образуется газогидратный слой
Поэтому массовый расход газа mг по всей длине газопровода логично считать постоянным mг=const, тогда из уравнения (1.1) mг=рг-у-л-dж, (1.1) где у- скорость газа в трубопроводе (м/с), р- плотность газа (кг/м3), dж - радиус живого сечения трубопровода (м), считая в первом приближении, что живое сечение газопровода имеет форму окружности , mг- расход газа (м3/сут). Поскольку транспорт газа может сопровождаться отложением газогидрата, следовательно, йж является функцией координаты х и времени t. Координату х будем отсчитывать от входного сечения в трубопровод. Для дальнейшего анализа введем параметр 8=8(x,t), определяющий толщину газогид-ратного слоя вблизи стенки трубопровода с радиусом d0, тогда сІж=сіо- д. содержащаяся в потоке с массовой концентрацией к , может находиться в двух агрегатных состояниях: в виде воды с массовой концентрацией и в виде пара в газовой фазе с массовой концентрацией к2 . Эти концентрации связаны между собой следующим образом (1.4): kw = к1+(1-к1)-к2, (1.4) где &„,- массовая концентрация потока, kj - массовое содержание воды в жидком виде, к2- массовое содержание паров воды.
Поскольку массовое содержание влаги весьма невелико (после предварительной подготовки газа влагосодержание составляет обычно доли процента), то образование газогидрата на некотором участке газопровода приводит к обеднению потока влагой и тем самым, будет способствовать снижению темпов отложения гидратов на более дальних участках. Поэтому, согласно уравнению (1.5) сохранения массы обратно пропорционально интенсивности поглощения влаги в процессе образования гидрата [4,5,6]. т dkw=_j /15л г dx v где Jв - интенсивность поглощения влаги в процессе гидратообразования. Интенсивность потребления влаги на образование газогидрата, отнесённые к единице длины трубопровода и единице площади внутренней его стенки определяется по уравнению (1.6)
Основные факторы, влияющие на процесс образования гидратов
Эмпирические метод исследования - представляет собой специализированную форму практики, тесно связанную с экспериментом. Включает в себя наблюдение, сравнение, измерение, математическое моделирование.
Наблюдение за объектом осуществлялось в течений 3–х зимних сезонов. Так как, особую ценность имеют данные полученные в зимний период, с декабря по февраль. Это связанно с тем, что именно в этот период температура окружающее с реды, способствует образованию гидратов в магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорной станции.
Сравнение с теоретическими данными полученными другими авторами, на подобных объектах. Автором проведен анализ информации, посвященный проблеме образования гидратов на магистральном газопроводе и технологических трубопроводах [1,2, 18,32,34]. Благодаря анализу, установлены основные зависимости, которые автор применил как базовые, в формировании модели - алгоритма программы.
Измерение штатными приборами контроля. В работе автор использовал только штатные приборы контроля параметров КС и технологических трубопроводов, что позволило применять в будущем созданную модель – алгоритм программы на подобных объектах. Автор считает, что наибольший эффект с наименьшими затратами можно получить, используя штатные приборы контроля.
Принцип моделирования процесса гидратообразования. Для создания реально работающей модели процесса гидратообразования в магистральных газопроводах (МГ) и технологических трубопроводов компрессорной станции, автором описаны основные физические процессы течения природного газа в магистральных газопроводах, возникающие при различных режимах работы оборудования.
При построении модели процесса гидратообразования, автор изучил работы других авторов, которые занимались данной проблемой на подобных объектах [3,4,8,20]. И на основании полученной информации, автор сформировал математическую модель, для построения алгоритма программы. Основная схема построения модели отражена на рисунке 2.4
Расчетная схема магистрального газопровода состоит из методики расчета приведённой в главе три, с дополнением зависимостями полученными автором в результате обработки практических данных.
Исходная база вводных данных состоит из данных, которые модель алгоритм может получить в автоматическом режиме, при организации потокового получения данных при помощи модуля программы, или при ручном вводе данных пользователем.
Программно - математический комплекс, включает в себя использование математического аппарата, который подключается к языку программирования Delphi, посредством описание модуля, при построении алгоритма.
Таким образом, на рисунке 2.4 приведена схема построения модели, которая включает в себя расчетную схему магистрального газопровода, исходную базу вводных данных, программно математический комплекс. Однако, степень достоверности, использования эмпирического метода исследования на практике составляет 64%. Данный результат являться невысоким, что говорит о том, что эмпирический метод исследования не в полной мере удовлетворяет поставленным условиям, и не может гарантировать работу магистрального газопровода в безгидратном режиме. На основании вышеизложенного, автор считает, что только комплексное использование эмпирического метода с математическим моделирование, увеличит степень достоверности до 85%. Это позволит на основании математического моделирование дополнить практическую часть необходимыми эмпирическими коэффициентами и графиками, которые и дадут возможность, как показала практическая реализации комплексного метода, достичь желаемого результата.
Современные магистральные газопроводы и технологических трубопроводов компрессорных станций, представляет собой уникальный комплекс технологических новинок в области средств измерения. Это вызвано необходимостью контроля над параметрами рабочей среды, включая температуру, расход, давление, перепад давления, точку росы по воде или точку росы по углеводородам, для контроля за всеми этими показателями используются разного рода измерительные первичные преобразователи (датчики). Датчики преобразуют физическую величину в электрический сигнал и работают с показывающими, регистрирующими вторичными приборами, регуляторами, системами автоматического управления и контроля. Для формирования модели и алгоритма программы, необходимы данные с контрольно - измерительных приборов.
Определение количества выделившейся жидкой фазы воды и удельного расхода метанола, необходимого для ликвидации гидратов
Разработанная автором программа «Расчет гидратообразования в газо проводе» была внедрена на МГ «Голубой поток» в 2013г. По результат внедрения получен положительный результат. Экономический эффект, как указано в акте внедрения (приложение А), составил за год 500 тыс. рублей. Сам расчет экономического эффекта, автором в работе не приводиться, так как производился по внутренним методикам предприятия и является коммерческой тайной предприятия ООО «Газпром трансгаз Краснодар», и храниться на КС «Береговой».
1. На основании разработанного автором алгоритма создана программа «Расчет гидратообразования в газопроводе», которая позволяет определить начало и конец зоны конденсации, определить фактическую температуру в газопроводе, при условий Т=Тт.р. среднее давление газа в газопроводе, влаго-содержание газа, изменение влагосодержания, количество метанола вводимого в газопровод, удельный расход метанола. Все эти данные записываются в текстовой файл для последующего анализа.
2. Программа «Расчет гидратообразования в газопроводе» создаёт массив для определения коэффициентов и сама считывает из него нужные данные, опираясь на введённую начальную (Тн) температуру и расчётную фактическую температуру газа в газопроводе, которую она рассчитывает сама.
3. Данная программа позволяет упростить расчёт до такой степени, что единственное, что требуется от пользователя это ввести необходимые данные для расчёта. Программа «Расчет гидратообразования в газопроводе» выводит на дисплей графики равновесной температуры гидратообразования необходимые для расчёта в отдельном окне.
4. Программа «Расчет гидратообразования в газопроводе» может работать как самостоятельное приложение и получать данные от контрольно – измерительных приборов. Эти качества отличают её от других типов приложений, и программ расчёта.
1. На основании литературного обзора первой главы установлены основные причины образования гидратов в магистральных газопрово дах и технологических трубопроводах компрессорных станций в период пуско – наладочных работ.
2. Создана модель и алгоритм, позволяющий использовать штатные системы контроля компрессорной станции и магистрального газопровода с целью диагностирования и мониторинга участков конденсации влаги для предупреждения гидратообразования.
3. На основании модели и алгоритма разработана программа раннего диагностирования и мониторинга участков конденсации влаги и предупреждения гидратообразования на магистральных газопроводах и технологических трубопроводах компрессорных станций.
4. Разработали комплексную методику расчёта гидратообразования в пусковой период после проведённых гидроиспытании на действующей компрессорной станции с программой мониторинга участков конденсации влаги и предупреждения гидратообразования.
5. Разработана методика расчёта удельного расхода метанола посредством программы для ликвидации гидратообразования.
6. Осуществлена практическая реализация для программы «Расчет гидратообразования в газопроводе» на КС «Береговая» и КС «Краснодар ская», которые входят в газопровод «Голубой поток». Экономический эф фект составил за год 500 тыс. рублей, акт прилагается.
Данные о внедрении программы «Расчет гидратообразования в газопроводе» в производство
Поскольку транспорт газа может сопровождаться отложением газогидрата, следовательно, йж является функцией координаты х и времени t. Координату х будем отсчитывать от входного сечения в трубопровод. Для дальнейшего анализа введем параметр 8=8(x,t), определяющий толщину газогид-ратного слоя вблизи стенки трубопровода с радиусом d0, тогда сІж=сіо- д. содержащаяся в потоке с массовой концентрацией к , может находиться в двух агрегатных состояниях: в виде воды с массовой концентрацией и в виде пара в газовой фазе с массовой концентрацией к2 . Эти концентрации связаны между собой следующим образом (1.4): kw = к1+(1-к1)-к2, (1.4) где &„,- массовая концентрация потока, kj - массовое содержание воды в жидком виде, к2- массовое содержание паров воды.
Поскольку массовое содержание влаги весьма невелико (после предварительной подготовки газа влагосодержание составляет обычно доли процента), то образование газогидрата на некотором участке газопровода приводит к обеднению потока влагой и тем самым, будет способствовать снижению темпов отложения гидратов на более дальних участках. Поэтому, согласно уравнению (1.5) сохранения массы обратно пропорционально интенсивности поглощения влаги в процессе образования гидрата [4,5,6]. г dx v где Jв - интенсивность поглощения влаги в процессе гидратообразования. Интенсивность потребления влаги на образование газогидрата, отнесённые к единице длины трубопровода и единице площади внутренней его стенки определяется по уравнению (1.6) d 2
Пусть массовая интенсивность образования газогидрата на единицу площади равна jh. Тогда скорость увеличения толщины отложения газогидрата на внутренней стенке трубопровода можно определить (1.7) массовая интенсивность образования газогидрата на единицу площади.
Известно, что гидрат природного газа является клатратным соединением с фиксированным компонентным составом гидратообразующей смеси газов и воды [6,7]. Поэтому, интенсивность образования газогидрата и потребление влаги на гидратообразование должны быть связаны «стехиометриче-ским» условием, приведенным в уравнении (1.8)
В процессе образования гидратов важное, значение имеет характер изменения температуры. Уравнение изменения температуры вдоль трубопровода с учётом тепловых эффектов конденсации паров влаги можно записать в виде (1.9) где Ср удельная теплоёмкость газа (Дж/К), lв - скрытая теплота парообразования воды, mг массовый расход газа (кг/час), Тгаз температура газа (К). Интенсивность отвода тепла определяется уравнением (1.10) интенсивность отвода тепла, q интенсивность отвода тепла отнесённые соответственно к единице длины трубопровода и единице площади его стенки.
Как уже было отмечено ранее, образование газогидрата может происходить двумя способами [4,5]. Первый будем называть режимом теплового баланса, реализуемым в случае, когда к поверхности гидрата гидратообразова-тели (газ и вод) поступают в достаточном количестве. Поэтому интенсивность образования твёрдого гидрата ограничивается лишь интенсивностью тепло отвода от поверхности фазовых переходов (поверхности гидрата) [6].
В этом случае полагается, что температура поверхности фазовых переходов Тст (которая является одновременно температурой внутренней стенки трубопровода на участке, где откладывается гидрат) равна равновесной температуре гидратообразования Тг являющейся функцией давления газа;? в потоке р (Тг = Тг (р)). Следовательно, интенсивность отложения газогидрата в этом режиме будет определяться из условия теплового баланса на поверхности газогидратного слоя, что можно записать следующим уравнением удельная теплота фазового перехода при образовании гидрата, qi - тепловой поток от внутренней поверхности слоя газогидрата в окружающий трубопровод грунт.
Предполагалось, что на всем протяжении трубопровода, где выполняются условия образования газогидрата, отложение происходит в соответствии с первым режимом [5,6]. Однако, как показывают результаты данной работы, такое предположение слишком завышает интенсивность облитерационных процессов. Для второго режима, сопровождающегося дефицитом влаги, будем полагать, что интенсивность отложения газогидрата полностью лимитируется процессом поступления влаги на поверхность газогидратного слоя. При условии, что температура поверхности Тст и температуры точки росы газа Тт.р должна удовлетворять условию Тст Тт.р, то тогда возможно существование газогидрата. соответствующего давлению p в потоке [6]. Для задания интенсивности насыщения влагой поверхности газогидрата дополнительно примем, что ее концентрация в газовой фазе вблизи поверхности гидрата равна нулю (kw = 0).
В соответствии с этой гипотезой внутренняя поверхность гидрата будет являться адсорбирующей, где поступающая влага мгновенно переходит в состав гидрата.
Как уже отмечалось ранее, достаточными условиями образования гидратов на стенках трубопровода являются, во – первых, наличие капельной жидкости в газовом потоке вблизи стенки трубопровода, а во – вторых, температура стенки трубопровода не должна быть выше, чем равновесная температура образования гидратов.
Согласно первому условию, образование гидратов может происходить на тех участках, где температура газа вблизи стенки трубопровода ниже температуры точки росы для влаги, содержащейся в газе [4,5,6].
Пусть парциальное давление пара в потоке pv. Если в потоке имеются капельки воды, тогда паро - капельная смесь находится в состоянии фазового равновесия, то парциальное давление пара pv будет равно равновесному давлению насыщения воды pws (Tст) для текущего значения температуры Tг [12]. Зависимость давления насыщения от температуры хорошо аппроксимируется выражением
