Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ причин несоответствия эксплуатационных режимов работы магистральных газопроводов большого диаметра проектным 10
1.1 Влияние сезонных изменений температуры окружающей среды и климата на теплообмен трубопровода 17
1.2 Определение фактического коэффициента теплопередачи магистрального газопровода большого диаметра 27
Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2 Фактический коэффициент теплопередачи как фактор, характеризующий нестабильность теплообмена магистрального газопровода 43
2.1 Оценка интенсивности теплопередачи магистрального газопровода с позиции сбалансированного теплообмена на участке КС Поляна - КС Москово 43
2.2 Определение фактического коэффициента теплопередачи на участке Поляна-Москово за период эксплуатации с 01.01.1997 по 31.12.2010 49
Выводы по главе 2 58
ГЛАВА 3 Отбор факторных признаков в модель и построение модели множественной регрессии несбалансированного теплообмена 60
3.1 Учет фактора увлажнения грунта при регулировании 62
3.2 Учет параметров, характеризующих режим эксплуатации газопровода 71
3.3 Восьмифакторная модель для определения коэффициента теплопередачи магистрального газопровода 73
3.4 Шестифакторная модель для определения коэффициента теплопередачи магистрального газопровода (период с 01.01.1997 по 31.08.1999гг.) 82
3.5 Апробирование регрессионной модели для определения коэффициента теплопередачи магистрального газопровода за длительный период времени 84
Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4 Стабилизация тепловых режимов магистрального газопровода 88
4.1 Расчет теплопотерь без определения коэффициента теплопередачи 88
4.2 Построение статистической модели теплового потока 90
4.3 Оперативный способ регулирования температуры газа на выходе из КС 95
4.4 Модель и обоснование параметра регулирования АВО 97
4.5 Эффективность применения частотно-регулируемого привода вентиляторов АВО 106
4.6 Алгоритм регулирования температуры газа на выходе из компрессорной станции 110
Выводы по главе 4 114
ГЛАВА 5 Определение расчетного значения коэффициента теплопроводности грунта при проектирова нии магистрального газопровода 115
5.1 Изменение теплопроводности грунта под тепловым воздействием трубопровода 115
5.2 Особенности определения коэффициента теплопроводности грунта в зоне теплового влияния газопровода 117
5.3 Определение коэффициента теплопроводности грунта в зоне теплового влияния газопровода КС Поляна - КС Москово 119
5.4 Определение расчетного значения коэффициента теплопроводности грунта при нестабильном теплообмене газопровода 125
Выводы по главе 5 129
Основные выводы и рекомендации 131
Список использованной литературы
- Определение фактического коэффициента теплопередачи магистрального газопровода большого диаметра
- Определение фактического коэффициента теплопередачи на участке Поляна-Москово за период эксплуатации с 01.01.1997 по 31.12.2010
- Восьмифакторная модель для определения коэффициента теплопередачи магистрального газопровода
- Оперативный способ регулирования температуры газа на выходе из КС
Определение фактического коэффициента теплопередачи магистрального газопровода большого диаметра
Интенсивность теплопередачи определяется не только условиями внутреннего теплообмена, но и разницей температур перекачиваемой среды и грунта, т.е. температурным напором (trpe).
Но теплообмен газопроводов с окружающей средой более сложен, так как он, в отличие от нефтепроводов, сопровождается эффектом политропического расширения газа в трубопроводе, в результате чего температура газа может опуститься ниже температуры грунта, окружающего трубопровод. В работе [84] это впервые показано теоретически и, так же как и Чарльзом Шорром в 1954 году, было объяснено влиянием эффекта Джоуля - Томпсона.
Практика эксплуатации и других магистральных газопроводов большого диаметра показывает, что их эксплуатационные режимы работы так же не соответствуют проектным. Это приводит к следующим негативным последствиям: осложнению регулирования режимов перекачки газа; активизации коррозионных процессов в зоне теплового влияния МГ; увеличению удельных затрат как электроэнергии, так и топливного газа. Т.к. нестабильность температурных режимов отрицательно отражается на работе газопровода, то очевидна необходимость разработки практических мероприятий по стабилизации процессов теплообмена МГ.
Рассмотрение влияния сезонных изменений температуры окружающей среды на теплообмен с окружающей средой, как фактор, непосредственно связанный с температурным режимом магистрального газопровода, позволит отслеживать вносимые внешней средой возмущения, влияющие на стабильность эксплуатационных параметров.
Влияние сезонных изменений температуры окружающей среды и климата на теплообмен трубопровода Впервые необходимость исследований тепловых режимов для газопроводов возникла, когда магистральные газопроводы стали прокладывать в южных районах. Обусловливалась эта необходимость прежде всего тем, что стали наблюдаться случаи смещения газопроводов с проектного положения при прокладке трубопроводов в песчаных и сухих грунтах Средней Азии (газопровод Бухара - Урал, Средняя Азия - Центр и др.). В то время, как при строительстве газопроводов в центральных районах эти явления не наблюдались.
В течение трех лет (1962-1965гг.) на магистральном газопроводе Бухара -Урал на всех КС одновременно, через каждые 2 часа, измеряли давление, температуру, расход газа. В итоге было установлено, что фактическое значение коэффициента теплопередачи не соответствует расчетному. В Указаниях по гидравлическому расчету магистральных газопроводов (Нормы технологического проектирования магистрального газопровода до 1964г.) коэффициент теплопередачи от газа в грунт независимо от условий прокладки, было рекомендовано принимать в расчетах равным: к=1ккал/(м2чтрад)=1,163 Вт/(м2К). Экспериментально было определено, что в южных районах средний коэффициент теплопередачи в три раза меньше, чем рекомендовалось в действующих на то время нормативных документах [22]. Аналогичные работы, по определению коэффициента теплопередачи, так же были выполнены на газопроводе «Игрим - Серов».
В результате неправильно определенного коэффициента теплопередачи при эксплуатации возникали не предусмотренные проектом продольные деформации (с удлинением труб) и выходом труб из траншеи, образование многочисленных арок, особенно на переходах через арыки и каналы, а так же наблюдалось несоответствие фактической производительности и проектной.
Квазистационарный теплообмен магистральных трубопроводов Условия теплообмена, когда температура перекачиваемых углеводородов близка к температуре грунта и теплообмен малоинтенсивен, характерны для магистральных нефтепроводов, которые, даже без наличия подогрева нефти являют 19 ся неизотермическими. Известны исследования [74, 86], показывающие, что на магистральных нефтепроводах малые скорости движения нефти являются причиной того, что температура нефти быстро выравнивается с окружающей средой. При смене времен года, которое происходит с 3-х месячным интервалом, режим теплообмена трубопровода считается квазистационарным [112].
Известно, что для подземных нетеплоизолированных нефтепроводов [115] величина к определяется, в основном, термическим сопротивлением грунта.
Так как грунт является капиллярно-пористым телом, то его эффективная теплопроводность зависит не только от наличия грунтовой влаги, но и от направления ее движения по капиллярам грунта по отношению к трубопроводу, вызванному его тепловым воздействием. С увеличением температуры трубопровода под действием термодвижущей силы влага мигрирует к периферии. При высоких температурах (порядка 100С) миграция влаги столь значительна, что грунт вокруг трубы полностью высушивается. Теплопроводность грунта становится минимальной.
Обращаясь к опыту эксплуатации низкотемпературных трубопроводов, наглядным примером которых являются обычные нефтепроводы без подогрева, отметим, что даже при обычных температурах перекачки наблюдается отток влаги от трубы, что вызывает снижение эффективной теплопроводности грунта Хэф, следовательно, и коэффициента теплопередачи к. Типичная картина изменения среднемесячных значений коэффициента теплопередачи и температур представлена на рисунке 1.3 [74].
Анализ данных, представленных на рисунке 1.3, показывает, что изменение коэффициента теплопередачи к для нефтепровода определяется климатическими условиями; прослеживается периодичность изменения параметров. В зимний период увеличение коэффициента теплопередачи к объясняется растеплением грунта вокруг трубопровода, которое вызывает его переувлажнение, вплоть до образования полосы протаивания над трубопроводом. В летний же период коэффициент теплопередачи к уменьшается в связи с подсушкой грунта, окружающего трубопровод.
Определение фактического коэффициента теплопередачи на участке Поляна-Москово за период эксплуатации с 01.01.1997 по 31.12.2010
Неизотермические подземные газопроводы рассчитываются из предположения, что тепловые потери q с единицы длины трубы в окружающую среду пропорциональны температурному напору (trpe): q = knd(tTV — te), (1-3) где k - коэффициент теплопередачи от газа в окружающую среду, Вт/(м2- С); d -внутренний диаметр трубопровода, м.
В соответствии с СТО Газпром 2-3.5-051-2006 коэффициент теплопередачи магистрального газопровода к принят величиной постоянной, т.е. k=const. Его значение определяется по формулам теплопередачи для стационарного режима [70, 74, 123] k-D аг-й 2-Лі d 2-ЛІ 0± X2-D (1.4) где (Xi - внутренний коэффициент теплоотдачи от газа к внутренней поверхности трубопровода, Вт/(м2 С); d, D, Di, Di+i - соответственно внутренний, наружный диаметр трубопровода, внутренний и наружный диаметры і-го слоя изоляционного покрытия, м; Х[ - коэффициент теплопроводности і-го слоя, Вт/(мС). (X2 - внешний коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубопровода в массив грунта, Вт/(м2оС);
Весьма проблематично определение коэффициента теплоотдачи о для трубопроводов большого диаметра, т.к. формула Форхгеймера, применяемая для расчета й2 при стационарном режиме трубопровода небольшого диаметра с относительной глубиной заложения (ho/D) 2...3, получена для линейного источника тепла, проложенного в однородном и изотропном грунте, т.е эта формула не может применяться к подземным газопроводам диаметром 500 мм и более.
Поправки Гребера, Аронса-Кутателадзе, Тугунова-Яблонского и ряда других исследователей расширяют пределы применимости формулы Форхгеймера для расчета стационарных режимов. Но погрешность в таких случаях может превышать 40% [9].
На погрешность определения о , практически пропорционально влияет точность определения коэффициента теплопроводности грунта Хгр. Рядом предшествующих исследований установлено, что теплопроводность грунта в естественном состоянии весьма мало зависит от его минералогического состава, и в большей степени определяется пористостью, влажностью и плотностью. Определив их и воспользовавшись рекомендациями [65, 91, 100, 126], можно определить коэффициент теплопроводности грунта с погрешностью до 25%.
Более точный способ - лабораторный. В этом случае, в соответствии с ГОСТ 26263-84 [40] теплопроводность грунта определяется на лабораторной установке методом стационарного теплового режима, с точностью до 0,01 Вт/(мС) (0,01 ккал/(мчС)).
Однако, в процессе эксплуатации создается ситуация, когда теплоотдача магистрального газопровода изменяется, следовательно, меняется теплопроводность грунта в зоне теплового влияния МГ, входящая в формулу определения коэффициента теплопередачи.
Величина Хгр в зависимости от влажности грунта может изменяться в несколько раз. Например, теплопроводность водонасыщенных глин и песка может быть в 6-8 раз выше их теплопроводности в сухом состоянии. Поэтому теплопро 34 водность грунта даже на одном и том же участке трассы трубопровода не является постоянной, а подвержена колебаниям. Теплопроводность грунта, а, следовательно, и величина к имеют переменные значения по длине трассы газопровода.
Коэффициент теплопередачи к для действующего газопровода можно определять, основываясь на эксплуатационных данных. Для проектируемых газопроводов такая задача практически невыполнима, за исключением случая, когда проектируемый трубопровод будет проложен в одном коридоре, параллельно эксплуатируемому. Поэтому ряд исследователей (Форхгеймер, Гребер, А.А. Ароне и С.С. Кутателадзе [9], П.И. Тугунов и B.C. Яблонский и др.) рекомендуют свои расчетные формулы для вычисления «2- Обобщения работ в этом направлении и оценка формул есть в работах Л. С. Лейбензона [70], Г.М. Григоряна и В.И. Чер-никина [43], А.И. Дощенко и Р.С. Флятау [46] и других авторов.
Поэтому с увеличением диаметра и уменьшением глубины заложения трубопровода возрастает погрешность формул и, как следствие, невозможность применения к условиям газопроводов большого диаметра. Из множества имеющихся формул, для трубопроводов большого диаметра применима формула Галиуллина З.Т. Согласно нормам технологического проектирования [104] для определения внешнего коэффициента теплоотдачи используется формула, полученная З.Т. Га-лиуллиным [96]
Восьмифакторная модель для определения коэффициента теплопередачи магистрального газопровода
В соответствии с СТО Газпром 2-3.5-051-2006 [104] неизотермические подземные газопроводы рассчитываются из предположения, что тепловые потери q с единицы длины трубы в окружающую среду пропорциональны температурному напору (trpe) и определяются по формуле (1.3).
Коэффициент теплопередачи к принимается величиной постоянной, т.е. k=const. Его значение определяется по формуле теплопередачи для стационарного режима (1.4) [74, 123].
Но практика эксплуатации неизотермических трубопроводов [16, 26, 74, 115, 123] показала, что коэффициент теплопередачи не является постоянной величиной. Было выявлено, что в условиях несбалансированного теплообмена трубопровода с окружающей средой значение коэффициента теплопередачи к может изменяться в несколько раз, даже для одного сечения трубопровода. Следовательно, в уравнении (1.3) коэффициент теплопередачи не является коэффициентом пропорциональности.
Теплообмен магистральных газопроводов с окружающей средой нестабилен и имеет свои особенности. В изменении к не наблюдается строгой закономерности. Кроме климатического, на его величину оказывают влияние и другие факторы, определяющие теплообмен. Поэтому для газопроводов изменение к во времени не поддается аппроксимации периодической зависимостью. Изменение к характеризуется нестабильностью и имеет более сложный характер. Это подтверждается данными на рисунках 1.4 и 2.1, которые получены для газопроводов расположенных на разных континентах, отличающихся по диаметру, протяженности и условиям эксплуатации.
Как видно, эксплуатационные теплогидравлические режимы газопроводов принципиально отличаются от режимов работы нефтепроводов своей нестабиль 61 ностью и невозможностью описания теплообмена с окружающей средой детерминированной моделью [26, 16].
Отбор факторных признаков для мониторинга объекта моделирования и последующего построения уравнения регрессии - наиболее ответственная операция, которая предопределяет достижение адекватности математической модели.
При эксплуатации магистральных трубопроводов теплопотери должны быть стабильными. Фактически потери тепла q со всей трубы могут быть определены по разнице энтальпий в начале и конце газопровода по формуле (3.1): Я = Qmij-u І-к) (3-1) где Qm - массовый расход газа в трубопроводе; ін, ік - энтальпия газа в начальном и конечном сечениях газопровода соответственно.
Для определения энтальпий ін и ік необходимо знать фактические температуры газа в начальном и в конечном сечениях участка газопровода. В ходе эксплуатации магистрального газопровода диспетчерской службой регистрируются следующие параметры: температура газа tH в начале и tK конце участка газопровода (С), производительность газопровода Q (млн. м3/сут) и т.д., которые составляют базу данных и могут оперативно использоваться для определения потерь тепла по уравнению (3.1).
Следует отметить, что наличие некоторых факторов, имеющих место в процессе эксплуатации реального газопровода (отборы газа по трассе, использование перемычек и т.д.), затрудняет их учет в теплогидравлических расчетах. Применение корреляционно-регрессионного анализа, в данном случае, позволяет на основе собранных диспетчерских данных учесть указанные выше факторы при прогнозировании режимов.
При отборе факторных признаков в модель, помимо параметров характеризующих режимы эксплуатации, следует рассмотреть параметры характеризующие климатические особенности района прохождения трассы, влияющие на увлажненность грунта, а так же их связь с коэффициентом теплопередачи. 3.1 Учет фактора увлажнения грунта при регулировании
Из климатических факторов, влияющих на коэффициент теплопроводности, можно рассматривать такие факторы, как уровень грунтовых вод, наличие снежного покрова, скорость ветра и т.д. Однако скорость ветра так же, как и его направление, меняется гораздо чаще и быстрее, чем уровень грунтовых вод. Отслеживать его и учитывать при технологических процессах гораздо сложнее. Уровень грунтовых вод как параметр обладает меньшей инертностью и его можно прогнозировать на несколько дней вперед.
Оперативное регулирование режимов эксплуатации должно быть основано не только на использовании базы диспетчерских данных, в которой представлены такие контролируемые параметры, как температура и давление газа. Учет факторов, входящих в систему взаимосвязанных процессов, позволит воспринимать различные изменения теплогидравлического режима работы газопровода. В период ливней или, наоборот, в засушливый период, отклонение величины кт от среднестатистического значения для этого времени года может быть весьма существенным. Так как атмосферные осадки и изменение гидрологического режима грунта самым непосредственным образом изменяют влажность грунта, то было принято решение учитывать следующие параметры, демонстрирующие изменение влажности грунта: w - количество атмосферных осадков, выпавших в виде дождя и снега, мм. в. ст.; Нгв - уровень грунтовых вод в глубинах, который меняется при изменении гидрологического режима грунта, м.
Рассмотрим сведения об атмосферных осадках и уровне грунтовых вод в районе прохождения трассы газопровода.
Оперативный способ регулирования температуры газа на выходе из КС
Одним из первых тепловой расчет трубопровода изложил Владимир Григорьевич Шухов. Он основывался на опытах, одной из целей которых было определение зависимости температуры подземных трубопроводов (длиной от 2133,6 до 3200,4 м, диаметры труб 0,102, 0,127, 0,159, 0,187м) по длине. На основании того, что температура нефтепродуктов в конце опытных участков в течение двух суток непрерывной перекачки постоянно возрастала, им был сделан вывод о том, что в первое время шел прогрев и перекачиваемая среда «теряла свою теплоту, расходуя ее на нагревание труб и окружающей среды, т.е. грунта».
Обращаясь к трудам Шухова В.Г. [129, 130], как к первоисточнику, понятия «коэффициента теплопередачи к» в виде классической формулы не находим. Исследователь этим символом обозначил «потери тепла на 1 кв. фут поверхности труб и 1 градус разности температуры остатков и грунта», но не коэффициент теплопередачи. Коэффициентом теплопередачи он был обозначен позднее, другими исследователями [137].
Полученные в главе 3 зависимости (3.4) и (3.5) для определения к получаются многофакторными и содержащими численные коэффициенты, значения которых определяются для каждого участка трубопровода. Коэффициент пропорциональности превращается в сложнейшую функцию, что не облегчает, а, наоборот, усложняет расчеты теплопотерь.
Предлагаемый подход для решения задач теплообмена МГ - это путь непосредственного определения теплового потока, исходящего от трубопровода, без промежуточного этапа определения коэффициента теплопередачи.
В практике трубопроводного транспорта для расчета эксплуатационных режимов могут быть использованы следующие методы: 1. Метод теплового баланса, основанный на использовании «времени смещения» — [31], имеет принципиальные отличия, так как позволяет рассчитать температуру, без определения коэффициента теплопередачи к, для различных нестационарных процессов, таких как прогрев горячего трубопровода (прямой, обратный, встречный, челночный), остывание, циклическая перекачка, изменение режимов [34]. Например, для прогрева трубопровода (с относительной глубиной заложения H/R 5), по формуле, не содержащей А: [111]:
Предложенный метод определения q, основанный на использовании «времени смещения» —, оказался универсальным и может быть применен в раз 90 личных случаях нестационарного теплообмена трубопроводов и окружающей среды.
Метод решения, изложенный в так называемой «новой теории теплопе редачи», предложенный в 1977 г. Адиутори [4, 133], согласно которому любой тепловой поток можно определить через уравнение (4.2), не обращаясь к тако му понятию, как коэффициент теплопередачи: q=fi (параметры системы) (термодвижущая сила), (42) где f — функция в широком смысле слова.
Функция fi учитывает влияние всех параметров, кроме термодвижущей силы, а функция гг - только влияние термодвижущей силы.
Отказаться от коэффициента теплопередачи Адиутори предлагал в виду того, что он не выполняет свою функцию коэффициента пропорциональности. Коэффициент теплопередачи стал функцией, вносящей усложнение в процессы расчета и интерпретации теплопередачи.
В данной работе предлагается использовать статистический метод. Имея обширную базу данных, почти за трехлетний период (2 года 10 месяцев), скомплектованную в промышленных условиях эксплуатации магистрального газопровода, рационально построить и использовать для регулирования стати стическую модель теплового потока.
Модель теплового потока необходима и может быть использована в целях регулирования, т.к. условие qL=const является условием тепловой стабилизации газопровода, предельно снижающим активизацию коррозионных процессов, в т.ч. и стресс-коррозию, и повышающим работоспособность системы.
Корреляционный анализ и отбор факторных признаков в модель теплового потока Отбор факторных признаков в модель основывается на физическом представлении о процессе теплопередачи. Так как термин «теплопередача» подразумевает в себе передачу тепла от более горячего тела к менее нагретому, то в модель необходимо включить разность температуры трубы и грунта, так называемый температурный напор (trpe).
Движение газа по магистральному трубопроводу характеризуется падением давления (Рн-Рк) и температуры (tHK), которые зависят от изменений режимов эксплуатации. Кроме того, разность температур (tHK) определяет изменение энтальпий. Т.е. (Рн-Рк) и (tHK) могут стать вторым и третьим факторными признаками в модели теплового потока.
В модель так же войдет производительность газопровода Q, т.к. с увеличением Q теплопотери так же растут.
Так как все процессы (изменение режимов, прогрев, остывание, и т.д.) в системе «труба-грунт-воздух» происходят во времени, то так же, как и в [16, 28] в качестве факторного признака был введен временной фактор - месяц - характеризующий время года. Так как в условиях континентального климата, в котором эксплуатируется исследуемый участок магистрального газопровода, каждый из 4-х периодов времени года имеет свои характерные особенности, то это позволит учесть влияние климата на теплоотдачу.