Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование теоретических и экспериментальных основ гидравлической эффективности противотурбулентных присадок 20
1.1. Полимерные добавки как эффективное средство снижения турбулентного сопротивления течения жидкостей в трубопроводах 20
1.2. Исследование механизма снижения гидравлического сопротивления течения с противотурбулентными присадками 25
1.3. Разработка методики определения гидравлической эффективности противотурбулентных присадок на основе опытно-промышленных испытаний 38
2. Исследование технологических аспектов транспорта углеводородного сырья на основе применения противотурбулентных присадок 42
2.1. Требования к применению противотурбулентных присадок в технологическом процессе перекачки нефти 42
2.2. Исследование, организация и научно-методическое обеспечение определения гидравлической эффективности противотурбулентных присадок на стадии опытно-промышленных испытаний 47
2.3. Экономический анализ применения противотурбулентных присадок, обеспечивающих повышение производительности магистральных трубопроводов 55
3. Исследование технологических аспектов при эксплуатации магистральных трубопроводов с неполным заполнением их сечения 66
3.1 Особенности и основные проблемы перекачки нефти и нефтепродуктов с неполным заполнением сечения трубопроводов 66
3.2 Разработка математической модели определения количества нефти и нефтепродуктов в трубопроводе с учетом самотечных участков 75
3.3 исследование и моделирование динамического баланса объемов нефти и нефтепродуктов в трубопроводе с самотечными участками 83
4. Исследование гидротермодинамических аспектов безопасности эксплуатации подводных переходов магистральных трубопроводов 107
4.1 Характеристика нештатных ситуаций при эксплуатации подводных переходов магистральных трубопроводов 107
4.2 Разработка математической модели расчета системы перепуска транспортируемой жидкости из отключенной резервной нитки подводного перехода магистрального трубопровода 108
4.3 Исследование и расчет конструктивных размеров перепускного устройства для отключенной резервной нитки подводного перехода 112
Основные выводы 122
Библиографический список использованной литературы 124
- Исследование механизма снижения гидравлического сопротивления течения с противотурбулентными присадками
- Исследование, организация и научно-методическое обеспечение определения гидравлической эффективности противотурбулентных присадок на стадии опытно-промышленных испытаний
- Разработка математической модели определения количества нефти и нефтепродуктов в трубопроводе с учетом самотечных участков
- Разработка математической модели расчета системы перепуска транспортируемой жидкости из отключенной резервной нитки подводного перехода магистрального трубопровода
Введение к работе
Актуальность работы.
Нефтяная промышленность является одной из базовых, валютообразутощих отраслей тошшвно - энергетического комплекса России, определяющих экономическое состояние страны в целом. Уровни добычи нефти в России прогнозируются в 2010 году 335 млн. тонн и в 2020 году 360 млн. тонн [16, 17]. Магистральный трубопроводный транспорт - важнейшая и неотъемлемая составляющая топливно-энергетического комплекса. На территории РФ создана разветвленная сеть нефтепроводов, продуктопроводов, проходящих по территориям практически всех субъектов федерации. Транспортировка продукции топливно-энергетического комплекса трубопроводным транспортом составляет 30 % общего объема грузооборота. Протяженность магистральных трубопроводов составляет 217 тыс. км, в том числе газопроводных магистралей, включая газопродуктопроводы, 151 тыс. км, нефтепроводных магистралей - 48,5 тыс. км, нефтепродуктопроводных - 19,3 тыс. км. С помощью магистрального транспорта перемещается 100 % добываемого газа, 99 % добываемой нефти, более 50 % производимой продукции нефтепереработки [72].
Ближайшие перспективы развития трубопроводных транспортных систем связаны с освоением Тимано - Печерского района, шельфа Каспийского моря и также нефтеносных залежей стран СНГ.
Для подачи сырья на нефтеперерабатывающие заводы, на экспорт и обеспечения транзита нефтей прикаспийских государств потребуется модернизация и развитие трубопроводного транспорта, в том числе и строительство новых магистральных нефтепроводов на севере и на юге европейской части России, в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке.
Характерной чертой эксплуатации нефтепроводов и нефтепродуктопроводов России и стран СНГ являются проблемы, обусловленные обеспечением надежности, экологической безопасности и
5 снижением аварийности трубопроводов. Следует указать, что несмотря на то, что на практике проведению мероприятий по обеспечению надежности и безопасности нефтепроводной системы (диагностика и капитальный ремонт линейной части, резервуаров и оборудования) уделяется большое внимание, уровень аварийности остается достаточно высоким и составляет 0,06 аварии в расчете на 1000 км.
На сегодняшний день возрастной состав магистральных нефтепроводов следующий: 25 % нефтепроводов работают 10-25 лет; 34 % - свыше 30 лет; 7 % - менее 10 лет.
Старение труб может стать одной из причин снижения допустимого рабочего давления и соответствующего уменьшения пропускной способности магистральных трубопроводов. В этой связи особую актуальность приобретает создание новых технологических приемов, обеспечивающих санацию пропускной способности трубопроводов с большим сроком эксплуатации и адекватное улучшение их технико-экономических показателей.
В последние годы мировой и отечественный опыт эксплуатации магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов свидетельствует о значительных успехах, связанных с использованием противотурбулентных присадок с целью снижения гидравлического сопротивления.
Большой интерес к эффекту изменения параметров турбулентного потока путем введения незначительного количества полимерных добавок вызывается по двум причинам. Во-первых, понимание эффекта как физического явления приближает к пониманию процесса генерации и диссипации турбулентности и, во-вторых, дает возможность его использования в технике, в том числе и трубопроводном транспорте углеводородного сырья. Например, экспериментальными исследованиями установлено, что снижение гидравлического сопротивления может достигать в трубопроводных системах 60-70 %.
Несмотря на интенсивные исследования эффекта снижения гидравлического сопротивления в присутствии незначительного количества полимерных добавок, до сих пор отсутствует достаточно полная теория этого явления. Такое положение может быть объяснено рядом причин. К ним, в первую очередь, относится недостаток прямых экспериментальных данных, позволяющих разработать хотя бы адекватные полуэмпирические модели. Кроме того, сложность физического явления, находящегося на стыке трех наук: физико - химии полимеров, реологии и гидродинамики, также может рассматриваться как одна из причин отсутствия общепринятой теории данного явления.
В настоящее время, несмотря на наличие различных гипотез, не удается установить связь между изменением характеристик потока и физико-химическими свойствами растворенных полимеров. Свойствами полимеров, представляющих интерес и используемых в качестве противотурбулентных присадок, являются молекулярная масса, конформация в растворе, гибкость молекулярной цепи, ее разветвленность, вязкоупругость макромолекулярных клубков. Не удается также менять путем направленного синтеза указанные свойства и достигать максимального гидродинамического эффекта. Уровень современных исследований вышеназванной проблемы состоит в поиске новых гидродинамически эффективных веществ синтетического и природного происхождения с относительно приемлемыми технико-экономическими показателями. При этом основной задачей в механизме воздействия противотурбулентных присадок на турбулентность является установление значений оптимальной концентрации полимерной присадки, необходимой для достижения наибольшего гидродинамического эффекта.
Транспортировка больших объемов нефти и нефтепродуктов по рельефным трубопроводам в настоящее время осуществляется, как правило, в условиях сравнительно невысокой среднесетевой загрузки. Последнее предопределяет ситуации, когда на некоторых ниспадающих участках реального трубопровода имеет место течение с неполным заполнением сечения, т.е. нефть или нефтепродукт течет самотеком. Наличие самотечных участков выдвигает дополнительные научные и инженерные задачи,
7 обусловленные необходимостью контроля количества жидкости в магистральных трубопроводах, утечек жидкости и герметичности трубопроводов в условиях штатных и нештатных ситуаций.
Методы и средства повышения эффективности эксплуатации и поддержания надежности магистральных трубопроводов на основе применения противотурбулентных присадок, диагностирования утечек на линейной части, обеспечения надежности подводных переходов, разработанные Антипьевым В. Н., Байковым И.Р., Галлямовым А. К. Гумеровым А. Г., ГумеровымР. С, Левченко Е. Л., Лурье М. В., Новоселовым В.Ф., Прохоровым А. Д., Шаммазовым A.M., Рахматуллиным Ш.И. и другими учеными, позволили создать новые технические и технологические решения, обеспечившие совершенствование эксплуатационных характеристик и методов расчета параметров проектируемых систем магистральных трубопроводов. Однако, дальнейший прогресс в решении проблемы повышения эффективности эксплуатации магистральных трубопроводов, их надежности невозможен без совершенствования и применения способов и методов, основанных на концепциях, достигнутых на стыке наук, в частности, таких каким является способ перекачки углеводородного сырья с вводом незначительного количества противотурбулентных присадок, а также прогнозирования и расчета систем, предотвращающих нештатные ситуации как на линейной части, так и подводных переходах.
В этой связи особенно актуальной является проблема разработки новых технологий транспорта нефтей и нефтепродуктов с учетом современных мировых и отечественных достижений в области синтеза высокомолекулярных полимеров, используемых в качестве противотурбулентных присадок, методических и технических решений определения количества жидкости и контроля утечек в трубопроводах с самотечными участками, совершенствование профилактических мероприятий по надежности и безопасности эксплуатации подводных переходов, в том числе с отключенными резервными нитками.
Цель работы.
Совершенствование технологических процессов транспорта нефтей и нефтепродуктов с применением противотурбулентных присадок и прогнозирования нештатных ситуаций при эксплуатации нефте- и нефтепродуктопроводов.
Основные задачи исследования:
Разработать теоретические и экспериментальные основы практики применения противотурбулентных присадок на магистральных нефте- и нефтепродуктопроводах.
Разработать технические требования к применению противотурбулентных присадок и создать научно-методическую базу для решения технологических и технико-экономических аспектов транспорта углеводородного сырья с использованием противотурбулентных присадок.
Провести сравнительный анализ существующих методов диагностирования утечек нефти и нефтепродуктов из трубопроводов и разработать методологию и алгоритм контроля утечек на основе метода динамического баланса объема (массы) транспортируемой жидкости в трубопроводе при наличии течения с неполным заполнением сечения.
Выполнить анализ технических решений по повышению надежности подводных переходов магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов, разработать метод гидротермодинамического расчета конструктивных параметров системы перепуска транспортируемой жидкости из отключенных резервных ниток подводных переходов.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Разработаны теоретические и экспериментальные основы технологии применения противотурбулентных присадок на магистральных нефте- и нефтепродуктопроводах.
Получены функциональные зависимости параметра гидравлической эффективности от концентрации противотурбулентных присадок.
Создана научно-методическая база для решения технологических и технико-экономических аспектов транспорта углеводородного сырья с использованием противотурбулентных присадок. Обоснованы технические требования к применению противотурбулентных присадок.
Предложен балансовый метод диагностики утечек из магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов с самотечными участками, основанный на использовании методологии статистической обработки данных, определяющих как с помощью обычного и характерного для любого трубопровода набора датчиков давления, температуры и расхода, так и целевого оснащения трубопровода перспективными средствами измерения расхода, например, высокоточными накладными ультразвуковыми расходомерами.
Разработана математическая модель и предложен алгоритм расчета системы перепуска отключенных резервных ниток подводных переходов магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов, позволяющие наряду с изменением температуры окружающей среды учитывать такие факторы, как: протяженность и размеры перепускной линии, нестационарность и начальные условия процесса сброса давления в отключенных нитках.
Практическая ценность результатов работы: -разработана методика оценки эффективности применения противотурбулентных присадок на магистральных нефте- и нефтепродуктопроводах; -предложен метод диагностики утечек из магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов с самотечными участками, адекватно отражающий изменение параметров самотечного участка и позволяющий прогнозировать нарушения герметичности трубы.
Научные результаты, полученные в работе, нашли практическое применение в Институте проблем транспорта энергоресурсов при разработке нормативно - технических документов по применению противотурбулентных присадок при эксплуатации магистральных трубопроводов АК «Транснефть» и АК «Транснефтепродукт»..
Апробация работы
Основные результаты исследований, представленных в работе, докладывались на: - Научно-практической конференции «Нефть и газ Юга России», г. Ростов- на-Дону, 2001 г.; - III конгрессе нефтегазопромышленников России, г. Уфа, 2001 г.;
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 134 страницах машинописного текста, 17 рисунках, 15 таблицах. Список литературы включает 103 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, приведена общая характеристика работы.
В первой главе исследованы теоретические и экспериментальные методы определения гидравлической эффективности противотурбулентных присадок.
Высокомолекулярные полимерные добавки являются эффективным средством снижения турбулентного сопротивления течения жидкостей в трубопроводах. Об этом свидетельствует анализ экспериментальных данных, полученных при тестовых испытаниях противотурбулентных присадок на отечественных нефте и нефтепродуктопроводах. Как показали указанные выше опытно-промышленные испытания, ввод противотурбулентной присадки приводит к следующим эффектам: уменьшению потерь давления на трение на 20-60 % при фиксированной скорости перекачки; увеличению пропускной способности трубы на 30-50 % при фиксированном перепаде давления.
Концентрация противотурбулентных присадок, как правило синтезируемых из углеводородных мономеров, не превосходит 100 ррт (млн."1), поэтому физико-химические свойства нефти и нефтепродуктов практически не изменяются.
Главной проблемой применения противотурбулентных присадок в трубопроводном транспорте углеводородного сырья является обеспечение высокой гидравлической эффективности, которая в свою очередь определяется молекулярными характеристиками полимеров, а также их деструкцией в потоке.
Практика промышленного использования противотурбулентных присадок на трубопроводах зарубежных фирм свидетельствует, что число фирм - производителей увеличивается, а номенклатура выпускаемых ими видов противотурбулентных присадок расширяется при непрерывном улучшении эксплуатационных параметров.
Несмотря на проведенные до 1999 г. в России успешные опытно-промышленные испытания четырех зарубежных и одной отечественной присадок, промышленное производство отечественной противотурбулентной присадки до сих пор не организовано. В то же время при транспортировке нефтепродуктов по магистральным нефтепродуктопроводам ОАО «АК «Транснефтепродукт» используется гелеобразная присадка фирмы «Фортум Ойл энд Газ» (Финляндия), а при транспортировке нефти по магистральным нефтепроводам ОАО «АК «Транснефть» суспензионная присадка фирмы «Коноко» (США).
В настоящее время для снижения гидравлического сопротивления турбулентного потока нефти и нефтепродуктов в трубопроводах используются две товарные формы противотурбулентных присадок
Главной задачей в механике воздействия полимерных добавок на турбулентность является установление значений концентраций полимера, необходимого для достижения определенного гидродинамического эффекта.
Предварительным методом изучения гидравлических параметров противотурбулентных присадок являются стендовые лабораторные испытания, которые служат адекватным средством для сравнительного анализа различных противотурбулентных присадок. Главным недостатком этого экспериментального метода является невозможность перенесения полученных результатов на промышленные трубопроводы. В тоже время, анализ механизмов действия и основанных на них методов расчета снижения гидравлического сопротивления течения стал возможным именно благодаря прямым измерениям локальных параметров турбулентного потока с противотурбулентными присадками на экспериментальных лабораторных стендах.
Несмотря на большое число работ, посвященных эффекту снижения турбулентного сопротивления потока жидкости малыми добавками полимеров, в настоящее время нельзя выделить единую, удовлетворительную со всех точек зрения теорию. Установлено, что гидравлическая эффективность полимерной добавки зависит от молекулярных характеристик и параметров надмолекулярных образований, концентрации полимера, природы растворителя, диаметра канала, скорости потока и температуры.
Анализ различных механизмов снижения гидравлического сопротивления течений противотурбулентными присадками позволяет сделать вывод, что среди механизмов снижения гидравлического сопротивления наибольшее распространение в настоящее время получили так называемые структурные теории. В них рассматривается взаимодействие потока с отдельными частицами полимеров, при этом одни гипотезы объясняют эффект снижения гидравлического сопротивления отдельными макромолекулами, а по другим гипотезам - активными являются ассоциации молекул, имеющие линейный масштаб сравнимый с диссипативным масштабом турбулентности.
Существуют гипотезы, в которых механизм снижения сопротивления основывается на реологии вязкоупругих сред, поскольку концентрированные растворы полимеров, обладающие свойством снижать сопротивление, являются неньютоновскими жидкостями, проявляющими вязкоупругие свойства. При этом эффект снижения сопротивления объясняется не диссипацией турбулентной энергии, а замедленным образованием турбулентности.
Известно, что в процессе движения по трубопроводу эффективность подавления турбулентности падает, что, по видимому, связано с разрушением длинных молекул на более короткие. Кинетика деструкции противотурбулентных присадок в турбулентном потоке в основном определяется интенсивностью пульсаций давления.
Анализ методов расчета снижения гидродинамического сопротивления течения с противотурбулентными присадками позволяет сделать вывод, что первые работы по расчету турбулентного сопротивления в присутствии полимерных добавок основывались на полуэмпирических расчетных схемах турбулентных течений. Для использования этих расчетных схем необходимо большое количество информации, поэтому, несмотря на большое теоретическое значение указанных работ, их использование в практике расчетов по применению противотурбулентных присадок нашло ограниченное применение. Для практических гидравлических расчетов нефте и нефтепродуктопроводов широкое применение нашли эмпирические расчетные соотношения, полученные на основе обработки натурных экспериментальных данных. Недостатком этого подхода является ограниченная применимость на другие трубопроводы, перекачивающие другие углеводородные жидкости с применением других противотурбулентных присадок. Аналогичный недостаток у полуэмпирических методов расчетов коэффициента гидравлического сопротивления промышленных трубопроводов, основанных на использовании вспомогательных функций, полученным на основе результатов стендовых экспериментов.
В настоящее время для оценки эффективности противотурбулентных присадок широко используется формула, ранее полученная на основе анализа результатов экспериментальных данных в широком диапазоне определяющих параметров, а затем доказанной на основе теории флуктуационного слоя.
В главе, разработан оригинальный метод расчета коэффициента гидравлического сопротивления течения с противотурбулентной присадкой на основе обобщенного числа Рейнольдса и вспомогательной функции, определяемой на основе стендовых или натурных экспериментов.
Проведенный анализ теоретических и эмпирических методов расчета свидетельствует, что для адекватного анализа гидравлической эффективности противотурбулентных присадок необходимо проведение опытно-промышленных испытаний. Для этого разработаны методические основы определения гидравлической эффективности противотурбулентных присадок на основе опытно-промышленных испытаний.
Первым элементом этой методики является первичная обработка результатов опытно-промышленных испытаний противотурбулентных присадок на основе статистической обработки гидравлических параметров стационарного режима транспортировки для трех концентраций противотурбулентной присадки. Далее, на основе осредненных гидравлических параметров определяются параметры гидравлической эффективности для каждой из трех концентраций.
Основным преимуществом обработки результатов опытно-промышленных испытаний является то, что она более соответствует требования увеличения производительности трубопровода, кроме того во время экспериментов нет необходимости обеспечения постоянства расхода перекачиваемой жидкости, что значительно упрощает проведение испытаний.
Далее на основе численных значений параметра гидравлической эффективности при двух значениях концентрации присадки определяются численные значения параметров рабочей функции гидравлической эффективности противотурбулентной присадки. Тогда рабочая функция гидравлической эффективности противотурбулентной присадки на участке нефтепровода будет определена во всем диапазоне изменения концентрации присадки.
Во второй главе исследованы технологические аспекты транспорта углеводородного сырья на основе применения противотурбулентных присадок.
В качестве первоочередного шага сформулированы требования к применению противотурбулентных присадок в технологическом процессе перекачки нефти. Главным требованием является турбулентный режим перекачки и достаточный уровень гидравлической эффективности присадки, обеспечивающей технико-экономическую целесообразность.
Далее приводятся последовательность организационных, методических и технологических мероприятий, разработанная для проведения опытно-промышленных испытаний.
На основе экспериментального определения гидравлических параметров на стационарных режимах перекачки нефти при опытно-промышленных испытаниях на лимитирующем участке конкретного нефтепровода и методики, разработанной в главе 2, производится построение рабочей функции гидравлической эффективности противотурбулентной присадки.
Далее приводится методика технико-экономического анализа применения противотурбулентных присадок для решения технологических задач транспортировки нефти. На основе реальных характеристик линейной части нефтепровода, на котором проводились опытно-промышленные испытания, функции гидравлической эффективности противотурбулентной присадки, а также используемого насосно-силового оборудования производится расчет гидравлических параметров, потребляемой мощности.
Гидравлические и энергетические параметры используются для экономического анализа применения противотурбулентной присадки в следующих случаях: - при расчете экономической эффективности технологического процесса перекачки нефти с противотурбулентными присадками с целью увеличении пропускной способности нефтепровода;. при сравнении вариантов увеличения производительности нефтепровода, достигаемого соответственно за счет применения противотурбулентных присадок и строительства дополнительной промежуточной НПС.
На основе расчетов экономического эффекта в зависимости от требуемого увеличения производительности магистрального нефтепровода осуществляется выбор предпочтительного технологического варианта. Расчетами установлено, что применение противотурбулентной присадки экономически более целесообразно при увеличении производительности до 30%.
Третья глава посвящена исследованию технологических проблем эксплуатации магистральных трубопроводов с самотечными участками. В трубопроводах, проложенных по горной местности и работающих на пониженных режимах, нередки случаи, когда на некоторых ниспадающих его участках имеет место течение жидкости с неполным заполнением сечения.
Считается, что наличие разрывов сплошности потока в трубопроводе всегда плохо и с этим необходимо бороться. Согласно [60] при значительных перепадах высот на магистральных трубопроводах необходимо принимать меры по устранению течения с разрывом сплошности потока. Однако, это дорогостоящее мероприятие. Допускаются отступления согласно [60], если они обуславливают возможность получения нового, более совершенного решения, дающего более высокие технико-экономические показатели при равных или лучших условиях надежности сооружения.
В [18, ЗО, 31, 37] показаны преимущества эксплуатации магистральных трубопроводов с самотечными участками.
При эксплуатации трубопровода с самотечными участками необходимо решить ряд технологических проблем, к которым относится определение количества жидкости в трубопроводе при ежемесячной инвентаризации остатков ее в линейной части при наличии самотечных участков.
С проблемой течения жидкости в трубопроводе с неполным заполнением сечения также связана задача надежного и быстрого обнаружения утечек и определения мест их возникновения.
Для решения задачи определения количества жидкости в трубопроводе разработана математическая модель, учитывающая физико-химические свойства перекачиваемой жидкости, параметры режимов работы трубопровода, параметры самотечного участка.
Выполнено численное решение задачи определения количества нефти в конкретном трубопроводе с самотечными участками.
К трубопроводным компаниям все больше ожесточаются требования, направленные на предотвращение загрязнения окружающей среды. В этой связи возрастает важность правильного выбора метода и оборудования по предотвращению и выявлению утечек из трубопроводов. В главе показаны преимущества и недостатки различных методов обнаружения утечек.
Системы параметрической диагностики являются наиболее предпочтительными. Это объясняется тем, что они позволяют вести контроль за состоянием трубопровода непрерывно в течение всего периода его активной эксплуатации. Во-вторых, эти системы не требуют дополнительных измерений, так как используются при этом обычные характерные для любого трубопровода датчики давления, расхода, мощности, температуры. Для передачи информации не требуется специальных каналов связи.
Представлены основные принципы моделирования системы обнаружения утечек, основанной на методе динамического баланса объемов (масс) жидкости в трубопроводе. Суть его состоит в обеспечении контроля за значением дебаланса жидкости в трубопроводе, т.е. разница расходов жидкости на входе и выходе участка трубопровода суммируется по времени и из этого вычитается изменение объема продукта за этот же период времени.
Особенность метода состоит в том, что линейный участок трубопровода разбивается на секции. Для каждой из них вычисляется среднее значение температуры и давления жидкости. Изменение запаса жидкости на линейном участке трубопровода подсчитывается с учетом поправочных коэффициентов по температуре и давлению. Количество жидкости на напорных участках определяется классическим методом.
Объем жидкости на самотечном участке определяется с учетом величины самотечной производительности и фактического заполнения сечения трубопровода.
Находится изменение объема жидкости на всем рассматриваемом участке за контрольный период времени и вычисляется их дебаланс. Вычисление дебаланса объемов жидкости проводится с целью определения поля допуска, характерного для данного технологического процесса и дающего вероятность риска не более некоторого наперед задаваемого числа.
Таким образом, алгоритм контроля утечек следующий: а) вычисляем текущее значение дебаланса объемов жидкости в трубопроводе за определенный промежуток времени; б) проверяем, входит ли эта величина в поле допуска, определенное для случая, когда отсутствует утечка; в) если величина дебаланса не входит в поле допуска, вычисляется критерий Смирнова - Граббса и выполняется проверка. Если проверка показывает, что данную величину необходимо отбросить, делается предположение о наличии утечки из трубопровода.
Предложенный балансовый метод диагностирования утечек исключает ситуацию ложной фиксации утечки при значительном дебалансе расходов жидкости до и после самотечного участка.
В четвертой главе приведены результаты исследований гидротермодинамических аспектов безопасности эксплуатации подводных переходов магистральных трубопроводов.
Экологическая безопасность трубопроводного транспорта в наибольшей степени связана с безопасной эксплуатацией подводных их переходов. Одним из возможных направлений снижения риска аварий и уменьшения их последствий на многониточных подводных переходах магистральных трубопроводов является отключение резервных ниток с закрытием береговых задвижек, сбросом избыточного давления и контролем изменения давления в отключенном участке.
Известно, что вследствие прогрева, обусловленного суточным и сезонным изменением температуры окружающей среды, в герметично закрытой резервной нитке подводного перехода давление может повыситься значительно.
Одной из конструктивных решений в этом случае являются регулируемые перепускные устройства, позволяющие автоматически сбрасывать избыточное давление из отключенной нитки подводного перехода. В свою очередь надежность перепускных устройств зависит от обоснованного расчета и выбора конструктивных их размеров, конструкций, обеспечивающих герметичность отключенной нитки и надежности срабатывания клапанной арматуры.
В главе разработана математическая модель расчета системы перепуска жидкости из отключенной резервной нитки подводного перехода с учетом начальных условий, гидравлического сопротивления линии перепуска, сжатия и расширения нефти, деформации трубы от изменения статического давления, не стационарности процесса сброса жидкости.
Проведено численное исследование конструктивных параметров перепускного устройства с учетом начального давления в отключенной нитке, диаметра резервной нитки, гидравлического сопротивления линии перепуска.
Исследование механизма снижения гидравлического сопротивления течения с противотурбулентными присадками
Несмотря на большое число работ, посвященных эффекту снижения турбулентного сопротивления потока жидкости малыми добавками полимеров, в настоящее время нельзя выделить единую, удовлетворительную со всех точек зрения теорию [8, 62]. Установлено, что гидравлическая эффективность полимерной добавки зависит от молекулярных характеристик и параметров надмолекулярных образований [7, 70, 42, 38], концентрации полимера, природы растворителя, диаметра канала, скорости потока и температуры [59, 52, 77]. При оценке гидравлической эффективности необходимо учитывать изменение кинетической энергии турбулентного потока за счет изменения его структуры [43].
Среди механизмов снижения гидравлического сопротивления течения противотурбулентными присадками наибольшее распространение в настоящее время получили так называемые структурные теории. В них рассматривается взаимодействие потока с отдельными частицами полимеров, при этом в зависимости от размеров макромолекул одни гипотезы объясняют эффект снижения гидросопротивления за счет частиц с линейными размерами порядка 0,001 мм, т.е. отдельными макромолекулами, а по другим гипотезам -активными являются ассоциации частиц, имеющие линейный масштаб порядка (0,1 - 1) мм, т.е. соизмеримый с диссипативным масштабом турбулентности.
Впервые гипотеза, в которой в качестве гидродинамически активных частиц принимаются отдельные макромолекулы была представлена в работе [96], подкрепленная в дальнейшем расчетами в работе [46], которые показали существование «характеристического эффекта», т.е. больших изменений в очень разбавленных системах. Гипотеза базируется на существовании предела величины \j//C при С стремящейся к нулю, где С - концентрация полимера, У=(ЛО-?ЧЖА)/ О - относительное снижение гидравлического сопротивления при постоянном расходе (параметр гидравлической эффективности). Однако для воздействия индивидуальных макромолекул на пристеночную турбулентность предлагаются различные механизмы. В одних за основу принимается упругая деформация макромолекулярных клубков, испытывающих сверхкритическую деформацию в сдвиговом турбулентном потоке, что приводит к тому, что затраченная на это энергия в несколько раз превосходит обычную турбулентную диссипацию. В результате чего передача генерируемой энергии может прекратиться на уровне определенных вихрей. В других гипотезах предполагается, что в результате упругой деформации макромолекулы отбирают энергию у высокочастотного пульсационного движения, ослабляя его или зарождающиеся вихри [98, 102, 89].
Считается, что крупные частицы или просто гасят высокочастотные пульсации и вихри, или ослабляют зарождающиеся возмущения в пристенной области.
Существуют гипотезы, в которых механизм снижения сопротивления основывается на реологии вязкоупругих сред [83, 90, 61, 93, 40], т.к. концентрированные растворы полимеров, обладающие свойством снижать сопротивление, являются неньютоновскими жидкостями, проявляющими вязкоупругие свойства. При этом эффект снижения сопротивления объясняется не диссипацией турбулентной энергии, а замедленным образованием турбулентности.
Замечено, что в вязкоупругой жидкости пока не удается выделить характерных свойств, которые бы однозначно приводили к эффекту снижения гидравлического сопротивления. Известно лишь одно, что в процессе движения по трубопроводу эффективность подавления турбулентности падает, что, по-видимому, связано с разрушением длинных молекул на более короткие. Механизм деструкции присадок в турбулентном потоке в работе [69] связывается с пульсациями давления. Гашение турбулентности дается ценой разрушения длинных молекул полимерных добавок. Известно, что при прохождении развилок нефтепровода, резких поворотов, сужений сечения и другого рода препятствий, способствующих образованию вихревого течения, эффективность присадки падает. Чем выше турбулентность, тем интенсивнее разрушение молекул. Стойкость к разрушению является важной характеристикой присадок. Более стойкие к разрушению присадки обеспечивают эффективное снижение гидравлического сопротивления на более длинных трубопроводах. Здесь, однако, следует отметить, что разрушение присадки, происходит только после растворения товарной формы в потоке нефти или нефтепродукта, в который она введена. Товарные формы различных производителей имеют разное время растворения от нескольких минут до нескольких часов. Присадки, имеющие продолжительное время растворения, могут оказаться малоэффективными на коротких трубопроводах и достаточно эффективными на относительно длинных. С другой стороны не растворенная присадка менее подвержена разрушению даже при такой значительной турбулентности, которая имеет место в центробежных насосах, и это свойство возможно позволит производить ее впрыск в поток непосредственно перед насосом, где из-за низкого давления условия впрыска намного проще и надежнее, а следовательно впрыск присадки может производиться более простым и дешевым оборудованием. Таким образом, время растворения присадки также является ее важной характеристикой.
Большое количество исследователей связывает эффект снижения турбулентного трения в слабых полимерных растворах с вязкоупругими и анизотропными свойствами.
Многочисленными экспериментами установлено, что полимерные добавки оказывают воздействие в первую очередь на пристенную область турбулентного течения. Добавки полимеров подавляют пульсации, ламиниризируя пристенную область потока и делая профиль скорости более вытянутым по сравнению с течением без добавки.
При планировании использования противотурбулентных присадок в технологических процессах перекачки углеводородного сырья первым вопросом является установление их реальной гидравлической эффективности, определяемой степенью снижения гидравлического сопротивления.
Первые работы по расчету турбулентного сопротивления в присутствии полимерных добавок основывались на полуэмпирических расчетных схемах турбулентных течений [100, 68, 10, 12]. Для использования этих расчетных схем необходимо большое количество информации, поэтому, несмотря на большое теоретическое значение указанных работ, их использование в практике расчетов по применению противотурбулентных присадок нашло ограниченное применение.
Для практических гидравлических расчетов натурных нефте и нефтепродуктопроводов широкое применение нашли эмпирические расчетные соотношения, полученные на основе обработки натурных экспериментальных данных.
Исследование, организация и научно-методическое обеспечение определения гидравлической эффективности противотурбулентных присадок на стадии опытно-промышленных испытаний
Основное отличие технологической схемы, предназначенной для введения гелеобразной формы от технологической схемы, предназначенной для введения суспензионной формы, заключается в различиях использования емкости для хранения товарной формы присадки. Если в первом случае для подачи присадки на вход насоса-дозатора в емкости создается избыточное давление инертным газом (азотом), то во втором случае инертный газ не используется, но для предотвращения расслаивания суспензии периодически проводят ее рециркуляцию. Рециркуляцию этого типа присадки производят и в процессе длительного хранения.
Специфика работы дозирующих установок в целом сводится к созданию условий, исключающих высокоскоростное воздействие на раствор полимера при прохождении по коммуникациям установки, приводящее к деструкции макромолекул и последующему снижению эффективности присадки.
Назначение установки по инжекции присадки в трубопровод сводится к двум основным моментам: созданию в сырьевой емкости достаточного запаса присадки для обеспечения многочасовой работы нефтепровода и обеспечению легко регулируемого дозирования раствора в условиях наличия противодавления в трубе.
Перечислим основные требования при использовании противотурбулентных присадок в зависимости от поставленных технологических задач. 1. Наличие разрешительных документов на применение присадки и дозирующих установок. 2. Доказательство реальной гидравлической эффективности присадок на основе опытно-промышленных испытаний. 3. Наличие резерва насосного-силового оборудования для решения задачи запланированного увеличения пропускной способности трубопровода. 4. Обеспечение экономической рентабельности. Исследование, организация и научно-методическое обеспечение определения гидравлической эффективности противотурбулентных присадок на стадии опытно-промышленных испытаний Проведение опытно-промышленных испытаний должно базироваться на инструкции по проведению опытно-промышленных испытаний присадки. Инструкция должна включать следующие разделы: - предмет испытаний; - цель испытаний; - основания для проведения опытно-промышленных испытаний; - программа и методика опытно-промышленных испытаний; - основные характеристики опытно-промышленных испытаний; - необходимое оборудование и реагенты; - подготовительные работы; - последовательность проведения опытно-промышленных испытаний; - форма предоставления результатов опытно-промышленных испытаний; - требования техники безопасности; - требования пожарной и экологической безопасности; - перечень стандартов, норм, правил и инструкций, действие которых распространяется на проведение опытно-промышленной транспортировки; - приложения, которые, в свою очередь, должны включать: - акт о готовности к проведению испытаний; - разрешение на проведение испытаний; - журнал измерений с разработанными формами записей; - протокол испытаний; - Акт о результатах испытаний. Для проведения опытно-промышленных испытаний необходимы разрешающие документы, а именно: 1. Разрешение Федерального горного и промышленного надзора России на применение присадки. 2. Сертификат на применение присадки в технологическом процессе трубопроводного транспорта нефти. 3. Гигиеническое заключение на противотурбулентную присадку. 4. Сертификат на оборудование по вводу присадки. Во время подготовительных работ для опытно-промышленных испытаний осуществляются следующие мероприятия: - производится монтаж дозировочного и складского оборудования, завоз присадки в количествах, достаточных для проведения опытно-промышленных испытаний; - непосредственно перед началом закачки присадки производится очистка внутренней полости трубопровода; - проводится опрессовка трубопроводов и оборудования, подключенного к нефтепроводу, с составлением Акта. - подготовительные работы завершаются подписанием Акта о готовности проведения опытно-промышленных испытаний; - создается комиссия по проведению и оценке результатов опытно-промышленных испытаний, в состав которой входят представители заказчика и разработчика. Председатель комиссии организует работу комиссии и отвечает за ее деятельность. На председателя комиссии возлагается: - руководство работой комиссии; - распределение работы между членами комиссии; - разрешение разногласий между членами комиссии; - утверждение Протокола и Акта испытаний. Опытно-промышленные испытания проводятся по утвержденной программе испытаний с регистрацией результатов замеров режимных параметров транспортировки нефти или нефтепродуктов и параметров контрольных проб в журнале измерений по разработанным формам: режимные параметры перекачки - для каждой НПС и сводная; свойства нефти или нефтепродуктов по контрольным пробам. Опытно-промышленные испытания завершаются утверждением Протокола и Акта опытно-промышленных испытаний. Основой для оценки гидравлической эффективности противотурбулентной присадки и последующего технико-экономического обоснования ее применения на конкретном магистральном трубопроводе должны быть результаты опытно-промышленных испытаний. Ниже иллюстрируется анализ гидравлической эффективности противотурбулентной присадки суспензионного типа Liquid Power м по результатам ее испытаний на участке Атырау-Чаган нефтепровода Атырау-Самара диаметром 700 мм. Расположение насосных станций (НПС) и станций подогрева нефти (СПН) приведено в табл. 3.
Разработка математической модели определения количества нефти и нефтепродуктов в трубопроводе с учетом самотечных участков
При эксплуатации трубопровода с самотечными участками необходимо решить ряд технологических проблем, к которым относится определение количества нефти в нефтепроводе при ежемесячной инвентаризации остатков нефти в линейной части при наличии самотечных участков.
С проблемой течения жидкости в трубопроводе с неполным заполнением его сечения также связана задача надежного и быстрого обнаружения утечек и определения мест их возникновения. Наличие самотечных участков на нефтепроводе вносит свои особенности в традиционные методы непрерывного контроля утечек. Эти особенности исходят из неоднородного состояния транспортируемой нефти на отдельных участках трубопровода, что в свою очередь делает невозможным использование, например, систем параметрической диагностики утечек, с помощью которых возможен контроль всего трубопровода.
К трубопроводным компаниям все больше ожесточаются требования, направленные на предотвращение загрязнения окружающей среды. Аварии на магистральных трубопроводах могут привести к тяжелым последствиям, угрожающим экологической обстановке и даже жизни людей. В этой связи возрастает важность правильного выбора метода и оборудования по предотвращению и выявлению утечек из трубопроводов [28, 41, 44]. Каждый метод имеет определенные преимущества и недостатки, ни один из них нельзя считать универсальным для различных условий применения.
Методы выявления утечек на магистральных трубопроводах условно можно разбить на три категории ( рис. 8). Биологические - опытные обходчики и тренированные собаки выявляют утечки визуально, по запаху или звуку. Эти методы являются традиционными, достоверность выявления утечек зависит от опыта персонала и продолжительности утечки.
Аппаратурные - для выявления утечек используется различная аппаратура: акустические датчики, инфракрасные термометры, детекторы вакуума и т.д.
В некоторых случаях утечки могут быть определены путем регистрации температурных изменений непосредственно над заглубленным трубопроводом с вертолетов или наземных средств передвижения. Создание в последние годы новых типов температурных датчиков в виде многосенсорных обычных или оптико-волоконных кабелей повышает возможности и эффективность температурных методов выявления утечек. Инфракрасная термография используется для выявления утечек после местного повышения температуры в окрестностях возникших дефектов.
При истечении жидкости через дефектное отверстие возникает звук, скорость распространения которого по трубопроводу зависит от свойств перекачиваемой жидкости. Для регистрации таких звуковых колебаний используются звуковые детекторы, выделяющие их из общего звукового фона. Датчики располагаются на трубопроводе с интервалом 100 -150 м. При этом пороговая чувствительность системы составляет 8-10 л/ч. Расстояние между датчиками может быть увеличено до 350 м, однако при этом пороговая чувствительность резко снижается [78]. Недостатком системы нужно отметить необходимость установки на трубопроводе большого количества датчиков.
Нефть и нефтепродукты характеризуются достаточно высокой летучестью. Для регистрации их паров могут быть использованы специальные пробоотборные устройства, фиксирующие содержание паров углеводородов в окружающем трубопровод грунте. Отбор проб может производиться точечно вдоль трассы трубопровода или с использованием пробоотборных трубок, прокладываемых параллельно основному трубопроводу.
При появлении утечки из трубопровода в нем возникает волна разрежения, распространяющаяся вверх и вниз от места утечки. Скорость распространения таких волн соответствует скорости звука в перекачиваемой среде. Такие явления используются для выявления утечек по результатам измерения зависимости градиента давления от времени [48]. Система обнаружения утечек по волне давления определяют утечки до 0,1-0,2 % от средней производительности, оперативно определяет место утечки с точностью до десятков метров. Как недостаток такой системы необходимо отметить, что она обнаруживает только быстроразвивающиеся разрывы.
Программные - для определения утечек применяются различные компьютерные программы, сложность и надежность которых могут быть весьма различными; в частности, к этим методам могут быть отнесены методы регистрации изменений расхода или давления, метод динамического моделирования и т.д. В различных формах для выявления утечек могут быть использованы методы математического моделирования с использованием уравнений сохранения масс, сохранения моментов, сохранения энергии и состояния для жидкостей. Получаемые уравнения в частных производных решаются различными методами. В уравнения обязательно входят такие параметры, как расход, давление и температура перекачиваемой жидкости.
Каждый метод обнаружения утечек имеет свои преимущества и недостатки. Для сравнения различных методов используются следующие параметры: чувствительность, способность к возможно более точному выявлению места утечки, устойчивость к изменению параметров или условий эксплуатации трубопроводов, непрерывность функционирования, вероятность ошибочных реакций систем или приборов в условиях реального отсутствия утечек из трубопроводов, требования к поддержанию работоспособности систем или приборов, стоимость.
Разработка математической модели расчета системы перепуска транспортируемой жидкости из отключенной резервной нитки подводного перехода магистрального трубопровода
Экологическая безопасность трубопроводного транспорта в наибольшей степени связана с безопасной эксплуатацией подводных их переходов. Только в системе ОАО «АК «Транснефть» эксплуатируется более двух тысяч подводных переходов, в том числе 785 - через крупные судоходные реки. Загрузка магистральных трубопроводов в настоящее время составляет 40-60 % проектной пропускной способности.
В этих условиях избыточное резервирование ниток подводных переходов магистральных трубопроводов может привести, как ни парадоксально, к снижению надежности трубопровода. Это связано с риском возникновения внутренней коррозии при скоплении воды, содержащейся в перекачиваемой нефти, в пониженных местах подводного перехода [4, 11, 79]. На подводных переходах трубопроводов даже малые утечки, оставаясь не обнаруженными в течение длительного времени, могут нанести большой вред окружающей среде.
Одним из возможных направлений снижения риска аварий и уменьшения последствий аварий на многониточных подводных переходах магистральных нефтепроводов (ППМН) является отключение резервных ниток с закрытием береговых задвижек, сбросом избыточного давления и контролем изменения давления в отключенном участке [16, 17, 39, 80].
Как известно, расчеты свидетельствуют о том, что вследствие прогрева, обусловленного суточным и сезонным изменением температуры окружающей среды, в герметично закрытой резервной нитке подводного перехода давление может значительно повышаться [1, 13]. Так, например, расчеты, выполненные в реальном диапазоне возможных температур прогрева 0 Г 10С для трубопровода диаметром 720 х 11 мм, изменение внутреннего давления может достигать 12,0 -г- 13,0 МПа. Следует заметить, что в реках и болотах на глубине залегания трубопровода температура колеблется от + 4 С зимой до + 20 С летом. Как следствие указанного на отключенной нитке подводного перехода давление начинает возрастать и при этом возникают дополнительные кольцевые напряжения в стенке трубы, которые могут стать причиной аварий. Снижение избыточного давления в случае его возникновения в отключенной резервной нитке подводного перехода возможно: - откачкой нефти мобильной или стационарной насосными установками в основную нитку или в дренажную емкость камер пуска и приема средств очистки и диагностики; - перекачкой мобильным насосным агрегатом в автоцистерну или в амбар с резино-тканевым вкладышем; использованием специальных конструктивных решений по автоматическому или принудительному сбросу давления. Одной из конструктивных мер защиты отключенной нитки является перепускное устройство, позволяющее сбросить избыточное давление из отключенной нитки подводного перехода.. В свою очередь надежность перепускных устройств зависит от обоснованного расчета и выбора конструктивных их размеров, конструкций, обеспечивающих их герметичность, безотказность срабатывания клапанной арматуры. 1. Разработана математическая модель расчета системы перепуска транспортируемой жидкости из отключенной резервной нитки подводного перехода магистрального трубопровода с учетом начальных условий (длина отключенной нитки, противодавление в месте сброса - в основном трубопроводе), гидравлического сопротивления перепускной линии, сжатия и расширения нефти, деформации трубы от изменения статического давления, нестационарности процесса сброса нефти и нефтепродуктов. 2. Обоснованы параметры настройки начала сброса жидкости. 3. Проведено численное исследование конструктивных параметров перепускного устройства с учетом начального давления в отключенной нитке, диаметра резервной нитки, времени сброса избыточного давления, гидравлического сопротивления линии перепуска и противодавления в линии сброса. 4. Выявлено, что при расчете конструктивных параметров системы перепуска необходимо учитывать как условия прогрева окружающей среды, так и гидравлическое сопротивление линии перепуска, нестационарность процесса сброса избыточного давления и начальные условия. 1. Разработаны теоретические и экспериментальные основы практики применения противотурбулентных присадок на магистральных нефте- и нефтепродуктопроводах. Получены формулы для определения коэффициента гидравлического сопротивления турбулентных течений с противотурбулентными присадками и разработана методика определения и оценки гидравлической эффективности на основе опытно-промышленных испытаний. 2. Разработаны технические требования к применению противотурбулентных присадок и создана научно-методическая база для решения технологических и технико-экономических аспектов транспорта углеводородного сырья с использованием противотурбулентных присадок -повышения и санации пропускной способности магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов. Установлено, что ввод противотурбулентной присадки позволяет повышать производительность нефте- и нефтепродуктопроводов на 20 - 50 %, сохраняя одно и то же давление. 3. Разработана математическая модель оценки динамического баланса объемов нефти и нефтепродуктов и на ее основе предложен алгоритм обнаружения утечек на магистральных нефте- и нефтепродуктопроводах с самотечными участками. 4. Получены аналитические зависимости для расчета конструктивных размеров системы перепуска транспортируемой жидкости из отключенной резервной нитки подводных переходов магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов. Установлено, что при расчете конструктивных параметров системы перепуска наряду с тепловыми изменениями условий окружающей среды необходимо учитывать начальные условия, нестационарность процесса сброса избыточного давления и гидравлическое сопротивление линии перепуска. 5. Результаты представленных теоретических и экспериментальных исследований являются основанием для практической реализации новых технических, технологических решений и расчетных методик при разработке технологических регламентов безопасной эксплуатации и прогнозировании нештатных ситуаций магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов. Предложенные методики расчета гидравлической эффективности при транспорте нефтей и нефтепродуктов с противотурбулентными присадками, способы прогнозирования нештатных ситуаций течений с неполным заполнением сечения трубопроводов внедрены в нормативных документах ОАО «АК «Транснефть», ОАО «АК «Транснефтепродукт», ЗАО «НКТН «КазТрансОйл».
