Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Переходные процессы в магистральных нефтепроводах как потенциальный источник аварийных ситуаций 12
1.1. Обзор и краткая характеристика технологических процессов, в нефтепроводах, способных вызвать аварийную ситуацию 12
1.2. Обзор и критический анализ средств защиты магистральных нефтепроводов от волн повышения и понижения давления 18
1.3. Краткий обзор и анализ патентной информации в области средств защиты нефтепроводов от волн давления 30
1.4. Анализ теоретических и экспериментальных исследований переходных процессов в трубопроводах 39
1.5. Цели и задачи исследований, изложенных в диссертации 47
Глава 2 Теория переходных процессов в магистральных нефтепроводах 49
2.1. Математическое моделирование нестационарных течений слабо сжимаемой жидкости в трубопроводах 49
2.2. Численный метод решения - метод характеристик 53
2.3. Математическое моделирование работы основных видов оборудования, установленного на нефтепроводах 58
2.4. Оценка точности численных расчетов 67
Глава 3 Опасность аварийной остановки пс на магистральных нефтепроводах с самотечными участками 69
3.1. Описание рассматриваемого магистрального нефтепровода «Тихорецк - Новороссийск» 69
3.2. Остановка перекачивающей станции, расположенной перед перевальной точкой 71
3.3. Пуск насосных агрегатов на перекачивающей станции, расположенной перед перевальной точкой 75
3.4. Переход с одного насосного агрегата на другой на ПС, расположенной перед перевальной точкой 80
Глава 4 Система сглаживания волн давления как средство защиты магистральных нефтепроводов от волн повышенного давления 85
4.1. Назначение и состав ССВД 85
4.2. Принцип действия ССВД 90
4.3. Уравнения, описывающие работу ССВД 92
4.4. Моделирование ССВД совместно с нефтепроводом 95
4.5. Исследование выбора параметров системы управления ССВД 98
4.6. Исследование выбора параметров сбросных клапанов ССВД 109
4.7. Оценка объема сброса при срабатывании ССВД 116
4.8. Примеры расчета переходных процессов, вызванных остановкой промежуточной ПС с ССВД, на магистральных нефтепроводах 118
Глава 5 Проведение испытаний ссвд на пс «туров» магистрального нефтепровода «Мозырь - Адамова Застава» 125
5.1. Описание объекта испытаний 125
5.2. Расчет параметров настройки ССВД на ПС «Туров» 130
5.3. Порядок проведения испытаний ССВД на ПС «Туров» 133
5.4. Результаты проведенных испытаний ССВД на ПС «Туров» 134
Глава 6 Ссвд как средство защиты трубопроводной системы «ктк расширение» от каскадного отключения ПС 136
6.1. Описание трубопроводной системы «КТК расширение» 136
6.2. Особенности применения параллельной схемы подключения магистральных насосных агрегатов на перекачивающей станции 138
6.3. Результаты расчетов переходных процессов, вызванных остановкой промежуточной ПС-5 трубопроводной системы КТК расширение 145
6.4. Результаты расчетов переходных процессов, вызванных остановкой промежуточной ПС трубопроводной системы КТК расширение с установленной на ней ССВД 150
Выводы 156
Список используемой литературы 158
- Обзор и критический анализ средств защиты магистральных нефтепроводов от волн повышения и понижения давления
- Математическое моделирование работы основных видов оборудования, установленного на нефтепроводах
- Остановка перекачивающей станции, расположенной перед перевальной точкой
- Исследование выбора параметров системы управления ССВД
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию аварийных ситуаций на магистральных нефтепроводах с целью разработки методов и систем защиты трубопровода от недопустимых перегрузок, вызываемых волнами повышенного и пониженного давления. Такие волны возникают в трубопроводе при совершении тех или иных технологических операций, связанных с изменением режимов транспортировки нефти. Отличие выполненного исследования от исследований большого числа других авторов состоит в том, что в работе рассмотрены новые методы предотвращения аварийных ситуаций, основанные, например, на использовании систем сглаживания волн давления (ССВД), а также новые теоретические подходы, позволившие обнаружить новые, ранее неизвестные явления профильных гидравлических ударов и разработать необходимые защитные мероприятия. Явление профильного гидравлического удара представляет реальную опасность нефтепроводам, профиль которых имеет большой перепад высот. Подавляющее большинство выполненных исследований и основанных на них конкретных расчетов использовано в практике проектирования, вывода на проектный режим и эксплуатации реальных нефтепроводов, прежде всего нефтепроводных систем В СТО («Восточная Сибирь - Тихий Океан»), БТС-2 («Балтийская трубопроводная система») и КТК-Р («Каспийский трубопроводный консорциум»).
В диссертации дан критический анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований в области теории неустановившихся (переходных) процессов, а также конструкторских решений по защите трубопроводов от перегрузок. В результате такого анализа указаны проблемы, нуждающиеся в дальнейшей разработке. В оригинальной части работы развита теория для моделирования и расчета работы систем сглаживания давления. Выяснено, как изменение настроечных параметров ССВД влияет на характер изменения давления на перекачивающих станциях. Обнаружен новый источник волн пониженного давления в магистральном нефтепроводе с самотечными участками.
Усовершенствована модель самотечных участков, учитывающая изменение давления в парогазовой полости при заполнении и опорожнении самотечного участка. Такая модель позволяет рассчитывать изменение давления в трубопроводе с самотечными участками при переходных процессах и тем самым предупреждать о возможных аварийных ситуациях. Развитая теория, модели и методы использованы в расчетах конкретных нефтепроводных систем.
Исследования переходных процессов в трубопроводах не теряют своей актуальности, несмотря на то, что в этой области работало большое число авторов, среди которых значатся имена выдающихся отечественных и зарубежных ученых Н.Е.Жуковского, И.С. Громеки, Резаля, С.А.Чаплыгина, Л.С.Лейбензона, С.А.Христиановича, И.А.Чарного и многих других,. Это происходит, прежде всего, потому, что постоянно усложняются техника и технология трубопроводного транспорта нефти, увеличиваются как протяженность трубопроводной системы, так и объемы перекачиваемой нефти, во много раз возрастает и усложняется уровень автоматизации и управления трубопроводной системой, постоянно ужесточаются требования к технической и экологической безопасности их эксплуатации. Можно уверенно утверждать, что современный нефтепровод существенно отличается от трубопровода, существовавшего 30-40 лет тому назад. Вот почему, проблемы, с которыми приходится иметь дело сегодня, несколько отличаются от тех, с которые существовали в предшествующий период времени.
Процесс эксплуатации магистральных нефтепроводов сопровождается пусками и остановками перекачивающих станций (ПС). Кроме плановых остановок ПС, связанных с необходимостью изменения режима транспортировки нефти, происходят аварийные остановки, обусловленные нарушением электроснабжения или срабатыванием систем защиты. Возникшая в нефтепроводе волна давления может вызвать каскадное отключение ПС, что в свою очередь нередко ведет к разрыву трубы или выходу из строя оборудования станций.
Нередко для снабжения потребителей, расположенных вдоль трассы магистрального нефтепровода, из него производится отбор (сброс) транспортируемой нефти. При включении сбросов в трубопроводе возникает волна пониженного давления, которая распространяется вверх и вниз по потоку. Существуют случаи, когда такие волны приводят к большему снижению давления, чем это следует из стационарных расчетов. Это может привести к аварийному отключению станции.
Ряду магистральных нефтепроводов, особенно с большим перепадом высот, приходится временно или постоянно работать с участками, в которых течение нефти происходит неполным сечением. При отражении волн давления от таких (самотечных) участков давление в трубопроводе может превысить допустимое значение и вызвать разрыв трубы или аварийное отключение ПС.
Кроме того, следует иметь в виду еще одно важное обстоятельство. В настоящее время в России срок эксплуатации больше половины магистральных нефтепроводов приблизился или превысил проектный. Это обстоятельство значительно увеличивает вероятность аварии на линейной части нефтепровода, поэтому необходимо мероприятия, направленные на повышение надежности трубопроводов, предотвращение аварий и их последствий.
Диссертация состоит из 6 глав.
В первой главе дается критический анализ экспериментальных и теоретических исследований в области переходных процессов в магистральных нефтепроводах. Проанализированы преимущества и недостатки большинства известных средств защиты от волн давления; выполнен также критический анализ патентной информации. Рассмотрены работы наиболее известных отечественных исследователей в области теории переходных процессов в нефтепроводах И.А. Чарного, H.A. Картвелишвили, A.A. Сурина, М.А. Мосткова, П.А. Мороза, Д.Н. Смирнова, С.А. Бобровского, Е.В. Вязунова, М.А. Гусейн-Заде, В.А. Юфина, J1.B. Полянской, М.Г. Сухарева, М.В. Лурье, А.Г. Гумерова, Ш.И.Рахматуллина, Г.Д. Розенберга, И.А. Буяновского, Б.Л. Кривошеина, В.М. Писаревского, А.Б.Штурмина, Е.Л. Левченко, Н.С. Арбузова и др., а также зарубежных исследователей В.Л. Стритера, Д.А Фокса, Е.Б. Уайли, Ж. Парма- киана, К.С. Мартина, Г.З. Вотерза, М.Х. Чадри, А.Р. Д. Зорли и др. Дан анализ экспериментальных и теоретических исследований средств защиты от волн давления, выполненных О.М. Науменко, Б.И. Голосовкером, В.И. Голосовке- ром, О.Н. Рыжевским, Ю.В. Крыловым, Ю.М. Дронговским, A.M. Стайном, JI.B. Полянской и др.
Анализ теоретических и экспериментальных работ показал, что теория переходных процессов в магистральных трубопроводах достаточно развита, базируется на прочном научном фундаменте и характеризуется значительными достижениями в области практического применения. Вместе с тем, выяснилось, что некоторые проблемы, чрезвычайно важные для проектирования и эксплуатации современных нефтепроводов, остаются практически неизученными. В числе таких проблем проблема защиты нефтепроводов от волн повышенного давления с помощью систем сглаживания волн давления; проблемы переходных процессов, в которых давление в волне разрежения снижается до давления упругих паров нефти, и в трубопроводе образуются парогазовые полости; проблемы, связанные с работой управляющих систем и др. На основе сделанных выводов в конце первой главы формулируются цели и задачи диссертационного исследования.
Во второй главе излагаются основы теории неустановившихся течений слабо сжимаемой жидкости (нефти, вязких нефтепродуктов и т.п.) в трубопроводах. Приводятся все необходимые уравнения теории, начальные и краевые условия, условия сопряжения в сечениях, в которых установлено трубопроводное оборудование и другие необходимые условия постановки математических задач. В этой же главе излагается метод интегрирования уравнений неустановившегося течения жидкости — метод характеристик. Приводятся все необходимые соотношения для его численной реализации. Здесь же описывается компьютерная программа, разработанная автором для решения поставленных задач.
В третьей главе дается описание исследования переходных процессов, возникающих в магистральных нефтепроводах с промежуточными ПС при включении или отключении сбросов (подкачек) нефти. Основной результат выполненных исследований состоит в том, что анализ этих технологических процессов в рамках теории неустановившихся процессов дает результаты, несколько отличные от известных результатов, полученных в условиях стационарного рассмотрения. Оказывается, что в процессе установления в нефтепроводе нового стационарного режима после включения или отключения сброса (подкачки) истинные давления в отдельных сечениях могут превышать давления, рассчитанные по «стационарной» теории.
В четвертой главе диссертации полученные результаты применены к анализу режимов работ конкретных нефтепроводов, относящихся к системе ОАО «АК «Транснефть». Показано, например, чем объясняется аварийное отключение перекачивающих станций «Хадыженская» и «Крымская» при их пуске после остановки.
Пятая, шестая и седьмая главы диссертации посвящены теории работы систем сглаживания волн давления (ССВД). Описаны конструкции и принцип действия ССВД, приведены экспериментальные данные по выявлению гидравлических характеристик ССВД, а также результаты стендовых испытаний. Далее изложена разработанная автором теория для моделирования работы ССВД, выполнены аналитические исследования настройки ССВД, необходимой для получения желаемых результатов, а также компьютерная программа и результаты численных расчетов применения ССВД на конкретных нефтепроводах. Излагаются практические рекомендации автора по использованию систем ССВД.
В приложениях к диссертации приведены результаты исследований, выполненных для нефтепроводов систем «АК «Транснефть» и «КТК-Р».
Основные научные и практические результаты автора изложены в 6 научно-технических статьях (все в изданиях, рекомендованных ВАК РФ) и прошли апробацию на действующих и проектируемых магистральных нефтепроводах:
- Восточная Сибирь - Тихий Океан I и II (ВСТО I и И);
- Балтийская Трубопроводная Система II;
- Баку - Тихорецк; Тихорецк - Новороссийск И; Тихорецк - Туапсе II;
- Ванкорское месторождение — ПС Пурпе;
- Трубопроводная Система КТК расширение;
- Красноярск - Иркутск;
- Сургут - Полоцк;
- участка Суходольная - Родионовская. На основе выполненных расчетов:
• выявлена необходимость установки ССВД на промежуточных ПС;
• определена необходимость установки регуляторов давления на линейной части нефтепровода;
• установлено необходимое быстродействие системы регулирования давления на ПС;
• доказана необходимость замены отдельных секций трубопровода;
• внедрены алгоритмы безопасного запуска и остановки нефтепровода;
• выявлены причины некоторых специфических аварий на конкретных нефтепроводах ОАО «АК «Транснефть».
На основе расчетов, выполненных автором, проведены также натурные испытания ССВД Аркрон-1000 на ПС «Туров» магистрального нефтепровода «Мозырь - Адамова Застава» (Беларусь).
Результаты работы докладывались на ряде научно- технических конференциях, в т.ч. на 4-й Международной практической конференции о перспективах и проблемах трубопроводного транспорта республики Казахстан (Алма- ты, окт. 2010),
Автор благодарит научного руководителя доктора технических наук профессора М.В.Лурье за постоянное внимание к работе, обсуждение ее результатов на всем протяжении исследований и ценные советы.
Автор благодарит также коллектив кафедры «Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов» РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина во главе с профессором В.М. Писаревским.
Особую благодарность автор выражает коллегам по работе в ООО «ИМС Индастриз», прежде всего, д.т.н. Е.Л.Левченко и заведующему лабораторией переходных процессов Н.С.Арбузову за тот практический опыт, который автор приобрел, работая вместе с ними.
Обзор и критический анализ средств защиты магистральных нефтепроводов от волн повышения и понижения давления
Для защиты трубопровода от волн повышенного и пониженного давления существуют различные методы и технические средства. Больше того, эти средства постоянно совершенствуются и разрабатываются новые, более продвинутые системы. Кроме того, по мере развития техники создаются системы защиты, основанные на новых идеях и принципах. Поскольку предметом настоящей диссертации является исследование работы новейших систем защиты нефтепроводов от перегрузок, то приведем краткое описание и дадим критический анализ существующих систем защиты.
Уравнительный резервуар. Уравнительные резервуары применяются в трубопроводных системах низкого давления для защиты от волн повышенного и пониженного давления, возникающих в переходном процессе. На рис. 1.2. представлен пример однонаправленного уравнительного резервуара, он представляет собой вертикальную трубу небольшого диаметра соединенную с основным трубопроводом.
Обычно уравнительный резервуар располагается около регулирующего устройства, которое может быть источником нежелательных явлений. Закрытие регулирующего органа приводит к торможению жидкости, вследствие чего давление в трубопроводе увеличивается. При этом жидкость начинает втекать в уравнительный резервуар. По мере поступления жидкости в уравнительный резервуар уровень находящейся в нем жидкости увеличивается. Поскольку часть жидкости поступает в уравнительный резервуар торможение потока происходит медленней и амплитуда волны давления значительно уменьшается. Аналогично, при открытии регулирующего органа жидкость ускоряется, и давления в трубопроводе уменьшается, поэтому жидкости из уравнительного резервуара вытекает, частично компенсируя падение давления во внутренней полости трубопровода.
Исследованием уравнительных резервуаров занимались многие ученые, такие как М.Х. Чадри [102], К. Егер [109], М.А. Мостков [57,59], Г.К. Лот- тер[50], H.A. Картвелишвили [8], Д.А Фокса [81], Е.Б. Уайли [139], Ж. Парма- киана [116], Г.З. Вотерза [133], А.Р. Д. Зорли [128] и др.
На рис. 1.3. представлены кривые изменения полного напора в трубопроводе, оборудованном уравнительными резервуарами, при переходном процессе, вызванном остановкой насоса. Показано, что при остановке насоса на его выходе давление быстро снижается и вниз по потоку распространяется волна пониженного давления. Учитывая профиль рассматриваемого трубопровода, возникшая волна приведет к снижению давления в трубе до давления упругих паров жидкости, и жидкость закипит. Закипание жидкости не допускается. Для того чтобы исключить возможное закипание жидкости в рассматриваемом случае на трубопроводе устанавливается три однонаправленных уравнительных резервуара, которые не позволяют давлению в присоединенной трубе опускаться ниже статического давления, которое определяется высотой взлива резервуара.
Воздушный колпак. Воздушный колпак, рис. 1.4., является одним из типов уравнительных резервуаров, который получил широкое распространение. Это устройство позволяет сглаживать волны повышенного и пониженного давления, возникающие в трубопроводе в переходных процессах. Также воздушный колпак позволяет преобразовывать высокочастотные колебания в коротких трубах в низкочастотные с небольшими амплитудами давления.
В общем случае воздушный колпак представляет собой закрытую емкость, часть которой заполнена перекачиваемой жидкостью, а остальное пространство сжатым газом. Газ может находиться в свободном контакте с жидкостью или отделяться гибким разделителем.
Рассмотрим принцип действия воздушного колпака на примере переходного процесса, вызванного пуском/остановкой ПС. При запуске ПС давление на ей выходе быстро повышается и вниз по потоку распространяется волна повышенного давления. Для сглаживания такой волны на выходе станции устанавливается воздушный колпак. После пуска насосных агрегатов расход жидкости в трубопроводе увеличивается, при этом часть жидкости начинает поступать в воздушный колпак, а другая часть в основной трубопровод. По мере заполнения колпака газ внутри него сжимается и его давление возрастает, следовательно, и давление в трубопроводе возрастает на соответствующую величину. В зависимости от размера воздушного колпака для сжатия в нем газа потребуется закачать в колпак разное количество жидкости. При соответствующих размерах воздушного колпака можно добиться плавного повышения давления на выходе ПС при её пуске.
При остановке ПС наблюдается обратная ситуация - давление на входе станции быстро повышается и вверх по потоку распространяется волна повышенного давления. При этом происходит торможение потока, т.е. снижение расхода перекачки. Для защиты трубопровода от такой волны давления воздушный колпак устанавливается на входе станции. После остановки ПС жидкость тормозиться не сразу, она начинает поступать в воздушный колпак, давления газа в нем тем самым повышается. По мере повышения давления в колпаке жидкость тормозиться все больше и больше до полной остановки. Таким образом, воздушный колпак соответствующего объема может сгладить возникающую волну давления на входе ПС при её остановке.
Математическое моделирование работы основных видов оборудования, установленного на нефтепроводах
В сечениях трубопровода, в которых установлено технологическое оборудование (насос, задвижка, отвод, резервуар и т.д.), один или несколько гидродинамических параметров, описывающих течение, претерпевают разрыв непрерывности. Для связи значений этих параметров до (индекс -) и после (индекс +) такого сечения необходимы дополнительные условии, называемые условиями сопряжения, рис. 2.3. Физической основой для условий сопряжения являются законы сохранения (массы, импульса, энергии и т.д.), а их математическая формализация представляет собой математическую модель явления.
Таким образом, математическая модель оборудования, установленного на трубопроводе, в общем виде описывается следующей системой уравнений: где п(р м,и м,р+м,и+И)=0- связь между р м, и м, р+м и и+м в сечении где установлено данное оборудование. Эта связь может представлять собой одно или несколько алгебраических или дифференциальных уравнений.
Моделирование работы центробежных насосов ПС. Основная цель насоса - это создать давление в линии нагнетания, которое обеспечит течение жидкости в трубопроводе. Расход жидкости на входе и выходе насоса одинаковый, следовательно и м =и+м = им. При работе насоса давления на входе р м и выходе р\{ различаются на величину дифференциального напора насоса АН. Таким образом, можно перечислить гидродинамические параметры, которые необходимо определять при расчете в сечении с насосом: р м, р+м и им. Для этого необходимо записать условие совмещения, которое свяжет все эти параметры.
Известно, что основной характеристикой центробежных насосов является Q-H характеристика, рис. 2.4. Эта характеристика показывает изменение дифференциального напора насоса в зависимости от расхода через него при номинальной частоте вращения п0.
Для моделирования насосов с постоянной частотой вращения их 2 - Я характеристика представляется в виде следующей алгебраической зависимости:
Итак, уравнение (2.19) является условием совмещения для сечения трубопровода с насосом, который работает на номинальной частоте вращения. Полностью модель насоса выглядит следующим образом: р м+р0с-им =рА + рйс-иА-Ы
Запуск и остановка насосного агрегата подразумевает изменение его частоты вращения п. Также на некоторых трубопроводных системах используется регулирования давления на ПС посредством изменения частоты вращения насосных агрегатов. Влияние частоты вращения п на изменение дифференциального напора насоса описывается следующей формулой:
Отсюда видно, что при уменьшении частоты вращения дифференциальный напор насоса снижается и наоборот.
Модель центробежного насосного агрегата с учетом возможного изменения его частоты вращения представляется следующей системой уравнений:
Очевидно, что при запуске насосного агрегата его частота вращения изменяется от 0 до номинального значения п0, а при остановке от п0 до 0. Примем, что при запуске и остановке насоса изменение его частоты вращения со времени происходит линейно.
Изменение частоты вращения при остановке насоса описывается выражением: где 1но - момент начала остановки насоса; (ост - время полной остановки насоса; - момент начала запуска насоса; гЗАП - время полного запуска насоса.
Закон изменения частоты вращения насосного агрегата при регулировании давления на станции определяется работой автоматического контроллера, модель которого будет приведена ниже.
Моделирование работы задвижки и регулятора давления. Задвижки и регуляторы давления относятся к запорно-регулирующей арматуре, которая необходима на трубопроводе при проведении ремонтных работ трубопровода или оборудования, при авариях на трубопроводе и для регулирования давления в заданном диапазоне. Запорно-регулирующая арматура с гидравлической точки зрения является местным сопротивлением. Следовательно, давление на входе и выходе регулятора и задвижки меняется скачкообразно. Очевидно, что расход не претерпевает разрыва на местном сопротивлении и поэтому и м - и+м = им. Таким образом, можно перечислить гидродинамические параметры, которые необходимо определять при расчете в сечении с задвижкой и регулятором: р К1, р+и и им. Зависимость перепада давлений на местном сопротивлении и расхода через него описывается следующей формулой: где Ыпш, = 0.865 - коэффициент пересчета; СУ - коэффициент расхода запорно- регулирующей арматуры; Ар - перепад давления на запорно-регулирующей арматуре; С - удельная плотность перекачиваемой жидкости.
Запишем выражение (2.25) для давлений и скоростей, получим: это выражение и является условием сопряжения для сечения трубопровода, где установлена запорно-регулирующая арматура.
Остановка перекачивающей станции, расположенной перед перевальной точкой
При эксплуатации магистральных нефтепроводов нередко происходит нештатные отключения перекачивающих станций. Эти отключения могут быть вызваны перебоями в электроснабжении станции, срабатыванием системы защиты и т.д. При остановке ПС давление на её входе быстро повышается и вверх по потоку распространяется волна повышенного давления, а давление на выходе станции при этом резко снижается и вниз по потоку распространяется волна пониженного давления. Расход перекачки нефти через ПС при её остановке резко снижается. Нередко ПС на магистральных нефтепроводах расположены перед перевальной точкой. При остановке такой ПС волна пониженного давления распространяется к перевальной точке, достигая её волна пониженного давления отражается волной повышенного давления, которая далее распространяется обратно к остановившейся станции. Когда отраженная волна повышенного давления достигает отключенной ПС, давление на её выходе повышается и может превысить давление на исходном режиме перекачки.
Это опасное явление впервые было описано М.В.Лурье и Л.В.Полянской [53]. Проведен расчет переходных процессов, вызванных нештатной остановкой ПС «Крымская». На рис. 3.3. а) показано распространение волны пониженного давления от ПС «Крымская» до перевальной точки, а на рис. 3.3. б) распространение отраженной от перевальной точки волны повышенного давления. Из рисунка видно, что давления на выходе ПС «Крымская» превышает давление на исходном режиме. Режим перекачки . Сжатыи профкль трубопровода Распределение полного напора при переходном процессе На рис. 3.4. представлено изменения давления на входе и выходе ПС «Крымская» при её отключении. Из рисунка видно, что остановка станции происходит на участке от т. А до т. Б при этом давление на выходе ПС быстро снижается, волна пониженного давления которая при этом образовалась распространяется к перевальной точке. Дальнейшее более медленное снижение давления на участке от т. Б до т.
В обусловлено распрессовкой линейного участка после ПС «Крымская». Отраженная от перевальной точки волна повышенного давления достигает ПС «Крымская» в т. В и давление быстро повышается до т. Г Затем давление колебания давления на выходе станции повторяются с меньшей амплитудой. Из рисунка видно, что с приходом отраженной волны на ПС «Крымская» давление на её выходе превышает несущую способность трубопровода (фиолетовая штриховая линия). Превышение несущей способности трубы недопустимо и может привести к аварийной ситуации. вызванном остановкой нефтепровода. Для того чтобы не допустить превышения давления на выходе ПС, расположенной перед перевальной точкой, при её остановке необходимо установить на линии нагнетания станции перепускные клапана. Эти клапана предназначены для перепуска части нефти из линии нагнетания в линию всасывания ПС при превышении давления на выходе ПС несущей способности трубопровода. На рис. 3.5. представлена принципиальная схема ПС, оборудованной перепускными клапанами. На примере ПС «Крымская» магистрального нефтепровода «Тихорецк - Новороссийск» проведен расчет переходных процессов, вызванных остановкой ПС «Крымская» с установленными на ней перепускными клапанами. На рис. 3.5. представлено изменение давления на входе и выходе ПС «Крымская» и расхода через перепускные клапана при нештатной остановке ПС «Крымская». Из рисунка видно, что в момент, когда давление на выходе ПС «Крымская» достигает уровня несущей способности трубопровода, начинается перепуск нефти через клапана (расход перепуска указан на рис. 3.5. черной линией) и повышение давление давления прекращается. После снижения давления на выходе станции перепуск через клапана заканчивается. Выводы.
Показано, что при остановке ПС, расположенной перед перевальной точкой, давление на её выходе может повыситься выше давления на исходном режиме. В таком случае на данной ПС может возникнуть аварийная ситуация по причине повышения давление на выходе станции выше несущей способности трубопровода. Для того чтобы исключить данную аварийную ситуацию, на ПС устанавливаются клапаны перепуска нефти из линии нагнетания в линию всасывания. Перепуск через такие клапаны начинается при достижении давления уровня несущей способности трубопровода.
Исследование выбора параметров системы управления ССВД
Система работает следующим образом. При увеличении давления в нефтепроводе на входе ПС с ССВД давление в разделительной емкости и в сечении регулирующего дросселя ССВД также увеличивается. Если начальное давление в нефтепроводе ниже начального настроечного давления газового аккумулятора ССВД, то давление газа в аккумуляторе повышается не сразу. На- текание разделительной жидкости в газовый аккумулятор ССВД начинает происходить только после того как давление в нефтепроводе превысит начальное настроечное давление аккумулятора ССВД. При натекании жидкости в аккумулятор газовая полость аккумулятора начинает поджиматься и соответственно давление газа повышается. В случае, когда начальное давление в нефтепроводе равно или выше начального настроечного давления в аккумуляторе ССВД, то при повышении давления в трубе натекание разделительной жидкости в аккумулятор и повышение давления газа в нем происходит сразу. Расход натекания разделительной жидкости в аккумулятор, следовательно, и темп повышения давления в аккумуляторе, определяется настройкой регулирующего дросселя. Необходимо отметить, что изменение давления газа в аккумуляторе и в газовой полости сбросного клапана происходит одновременно.
При повышении давления в трубопроводе усилие на поршень сбросного клапана ССВД, которое направлено на его открытие, увеличивается. Уже было сказано, что клапан ССВД открывается при превышении давления нефти в трубопроводе над давлением газа внутри клапана на величину 0.1-0.3 МПа . При плавном повышении давления в трубопроводе натекание разделительной жидкости в аккумулятор происходит таким образом, что разница давлений между газом в сбросном клапане и нефти в трубопроводе не превышает порогового значения 0.1-0.3 МПа и клапан не открывается. При быстром повышении давления в нефтепроводе изменение давления в газовом аккумуляторе отстает от давления в трубопроводе по причине медленного натекания жидкости в аккумулятор ССВД. Это приводит к тому, что разница между давлением нефти в трубопроводе и газа внутри сбросного клапана превышает пороговое значение, поэтому клапан открывается и начинается сброс нефти. Давление в трубопроводе при этом устанавливается на уровне начального настроечного давления газового аккумулятора ССВД.
В начальный момент после открытия клапанов расход через ССВД является максимальным и примерно равен расходу нефти по трубопроводу на исходном режиме. Поэтому в начальный момент клапаны ССВД должны открыться на столько, чтобы обеспечить данный расход через ССВД. Разным степеням открытия клапана ССВД соответствует разное поджатие его пружины. Для того чтобы отжать пружину на требуемую величину необходимо создать на поршне клапана дополнительный перепад давления между газом и нефтью. Это приводит к тому, что при открытии клапанов ССВД давление нефти перед ними дополнительно повышается.
Следует отметить, что после открытия рассматриваемого типа сбросного клапана («Данфло») разница площадей со стороны газа и нефти в нём исчезает.
По причине имеющейся разницы между давлением газа и нефти в ССВД разделительная жидкость через регулирующий дроссель поступает в аккумулятор, тем самым давление в нем медленно повышается и соответственно повышается давление в газовой полости клапана. Это приведет и к повышению давления нефти в трубопроводе. Более высокому давлению в трубопроводе соответствует меньший расход сброса. Уменьшение расхода сброса приведет к прикрытию клапана ССВД. Далее давление газа будет продолжать повышаться, а клапана ССВД прикрываться. Это будет происходить до полного прекращения сброса нефти через ССВД. Регулирующий дроссель ССВД настраивается таким образом, чтобы расход разделительной жидкости в газовый аккумулятор обеспечивал темп повышения давления 0.01-0.03 МПа/с. При срабатывании ССВД через клапана начинается сброс нефти в резервуар. При этом связь расходов нефти в трубопроводе до и после сечения, где установлено, описывается следующим уравнением: где ОТ -расход нефти в сечении трубопровода до места подключения ССВД; 2+ - расход нефти в сечении трубопровода после места подключения ССВД; ЯСБ -расход сброса нефти через клапана ССВД. Расход сброса через клапан ССВД 0СБ определяется по следующей формуле: где /-коэффициент наклона данной линейной зависимости; ФПОР - пороговая разница между давлением нефти рн и давлением в газовом аккумуляторе ССВД р , после которого клапана ССВД начинают открываться. Регулирующий дроссель предназначен для регулирования расхода разделительной жидкости в газовый аккумулятор ССВД. Расход разделительной жидкости через регулирующий дроссель 2ДР определяется ледующей формулой: (4.4)
