Введение к работе
Актуальность работы
Одним из приоритетных направлений повышения эффективности и надежности эксплуатации морских нефтеотгрузочных нефтяных терминалов с удаленными от берега наливными устройствами является адекватная система защитных мероприятий, включающая как защиту акватории от проливов, так и защиту трубопроводной системы от возможно более крупных аварий из-за гидравлических ударов, возникающих при быстром закрытии клапанов.
В этой связи актуальным является разработка прогнозных методов оценки влияния различных системных мероприятий, например логики закрытия отсечных клапанов и останова насосной станции, а также технологических мероприятий, например отбора жидкости перед отсечными клапанами, влияющего на параметры гидравлических ударов.
Среди главных проблем моделирования гидравлических ударов применительно к сложным трубопроводным системам, каковыми являются морские терминалы, отметим следующие:
проблема адекватности математической модели, отражающей гидродинамику переходных процессов при наличии различных воздействий запорными элементами, нестационарных режимах насосной станции, сложной трубопроводной обвязке (разветвлениях, разных диаметрах труб), существенном различии модулей упругости стальных труб и армированных нефтеотгрузочных шлангов;
проблема адекватного задания силы трения при одномерном гидравлическом приближении;
проблема выбора аналитических или прямых численных методов расчета в рамках одномерного приближения, обеспечивающих приемлемую точность;
системные и технологические проблемы как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации;
системная проблема разработки адекватной логики реакции системы на штатную аварийную ситуацию, обусловленную позицией танкера, включающая начало, синхронность или рассогласованность, а также продолжительность закрытия отсечных кранов и время задержки останова насосной станции;
технологическая проблема использования защитных мероприятий с целью предотвращения динамических перегрузок при гидравлических ударах, в частности использование в случае необходимости форсированного отбора нефти перед отсечными клапанами, начиная с момента начала их закрытия.
На стационарных морских отгрузочных причалах режим аварийной остановки отгрузки нефти может быть инициирован:
аварийной остановкой пускового, подпорного или магистрального насосов;
самопроизвольным или несанкционированным разъединением отгрузочного шланга стационарного морского отгрузочного причала и захватного носового приемного устройства танкера;
сигналом автоматической системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) нефтеотгрузочного терминала при нарушении одного из параметров «зеленой линии» «береговой резервуарный парк - стационарный морской отгрузочный причал - танкер».
Сложность конструкций нефтеотгрузочного терминала обусловлена особыми условиями эксплуатации гидравлической системы. Одной из важных особенностей является зависимость устойчивой работы технологического оборудования и системы автоматизации нефтеотгрузочного терминала от позиционирования танкера во время проведения технологических операций по отгрузке нефти. Смещение танкера в продольном и поперечном направлениях за допустимые нормативы приводит к тому, что автоматическая система управления технологическим процессом на береговых сооружениях, стационарном морском причале и танкере путем управляющих воздействий и сигнализации производит немедленное прекращение отгрузки нефти.
Наличие относительно большого количества быстродействующих клапанов, перекрывающих доступ нефти при поступлении на них аварийно-предупредительных сигналов, переводит гидравлическую систему нефтеотгрузочного терминала из установившегося режима в неустановившийся до полного прекращения отгрузки нефти. При неустановившемся режиме возможны резкие и часто опасные волновые колебания давления (гидроудары), которые могут привести к снижению надежности отдельных элементов и гидравлической системы в целом.
Вследствие важного значения надежности нефтеотгрузочного терминала для устойчивого функционирования системы нефтеснабжения потребителей с использованием морского танкерного флота проектировщики и эксплуатационный инженерно-технический персонал нуждаются в удобных аналитических методах инженерного расчета неустановившегося движения нефти в гидравлических системах морских терминалов, позволяющих прогнозировать гидравлические удары в зависимости от режима эксплуатации трубопроводной системы, особенностей конструкций, являющихся источником переходных процессов, получать необходимую информацию для выбора мероприятий по защите труб от чрезмерно высоких давлений, а также для расчета уставок и настройки срабатывания быстродействующей запорной арматуры. Последнее особенно важно для нефтеотгрузочных терминалов, поскольку из-за ограниченности возможностей применение традиционных систем и средств защиты от чрезмерно высоких давлений может быть проблематичным (например ограниченная площадь для размещения емкости для сброса части жидкости при использовании клапанов-гасителей гидроудара), и выбор начала срабатывания, времени закрытия отсечного клапана может быть единственным и эффективным решением.
Динамические процессы в системах (на гидравлических станциях, магистральных нефтепроводах и газопроводах, в насосных и турбинных установках, в трубопроводах гидромеханизмов и т.п.), различных по своей физической природе, как правило, имеют одинаковое математическое описание. В то же время аналитические, численные и графические методы решения задач динамики волновых процессов в некоторых областях техники часто оказываются более разработанными, чем в других. А в отдельных областях, например применительно к нефтеотгрузочным морским терминалам, продолжают оставаться малоизученными, и их разработка является актуальной задачей. Это объясняется тем, что существующие методы расчета волновых процессов удобно применять к простым трубопроводным системам, состоящим из однородных элементов, не имеющих разветвленных участков трубопроводов различных диаметров, большого количества запорной арматуры, расположенных на относительно небольших расстояниях друг от друга и соответственно взаимно влияющих на колебания давления и расхода при их одновременном срабатывании при аварийной остановке отгрузки нефти, сопровождающемся возникновением волновых процессов.
В связи с указанным, возникла потребность в исследованиях волновых процессов, присущих сложным гидравлическим системам нефтеотгрузочных морских терминалов, и усовершенствовании методов их расчета. Указанные исследования и усовершенствования методов расчета, в первую очередь, предусматривают учет особенностей конструкций и условий эксплуатации как терминала в целом, так и отдельных элементов (например при расчете гидравлических характеристик шаровых клапанов - коэффициентов гидравлического сопротивления, коэффициентов расхода).
Другой причиной, вызвавшей интерес к совершенствованию методов расчета волновых процессов в трубопроводах отгрузочного морского терминала, явилась необходимость разработки наряду со сложными аналитическими и численными методами расчета также аналитических зависимостей, позволяющих на инженерном уровне оперативно прогнозировать возможность возникновения чрезмерно высоких давлений и выбора адекватных мероприятий систем защиты трубопроводов терминала от скачкообразного изменения давления, т.е. динамических нагрузок ударного характера, снижающих надежность эксплуатации гидравлической системы отгрузки и поставки нефти потребителям морским транспортом.
Большой вклад в теорию нестационарных динамических процессов в трубопроводах, начиная с пионерских работ Н.Е. Жуковского, внесли Л. Аллиеви, Л. Бержерон, О. Шнидер, Д.А. Фокс, Л.С. Лейбензон, С.А. Христианович, И.А. Чарный, А.Х. Мирзаджанзаде, Г.Д. Розенберг, В. Стритер, В.И. Марон, М.В. Лурье, В.И. Мащенко, М.А. Гусейнзаде, В.А. Юфин, Б.Ф. Лямаев, Х.Н. Низамов, Р.Ф. Ганиев, Л.Б. Кублановский, Л.В. Полянская и другие ученые.
Несмотря на значительные достижения в исследованиях нестационарных процессов в трубопроводах различных гидравлических систем до настоящего времени остаются нерешенные проблемы, в том числе при расчете гидравлических ударов в трубопроводных системах морских терминалов.
Цель работы - повышение безопасности трубопроводов морских нефтеотгрузочных терминалов на основе адекватных методов расчета переходных режимов и системных и технологических защитных мероприятий от чрезмерных давлений.
Основные задачи работы:
-
Разработать расчетную математическую модель гидравлических ударов в трубопроводах морских нефтяных отгрузочных терминалов на основе взаимно дополняющих инженерных, аналитических, численных методов и алгоритмов расчета;
-
Доказать адекватность математической модели на основе сравнительного анализа численных данных фактическим данным, полученным в условиях промышленной эксплуатации в широком диапазоне режимных параметров;
-
Провести расчеты эффективности влияния различных системных и технологических мероприятий на параметры гидроударов, в частности синхронизации останова насосной станции и закрытия отсечных клапанов, а также отбора нефти перед отсечными клапанами;
-
Определить возможность использования погрузки нефти с нефтеотгрузочных причалов на удалениях до 45 км, обеспечивающих предельную величину гидроудара меньше предела прочности труб. Определить параметры гидроудара при использовании противотурбулентных присадок как средства регулирования его интенсивности.
Методы решения поставленных задач
При решении поставленных задач использовались приближенные инженерные, аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений гидродинамики нестационарных течений жидкости в сложных трубопроводных системах. Для доказательства адекватности математической модели и предложенных расчетных методов использованы опытно-промышленные данные, полученные при гидравлических ударах на действующих трубопроводах морских нефтеотгрузочных терминалов.
Научная новизна
-
Построена математическая модель переходных процессов в трубопроводах морских нефтеотгрузочных терминалов и разработан алгоритм решения задачи расчета гидроударов с учетом особенностей их конструкции.
-
Доказана адекватность математической модели переходных режимов в широком диапазоне режимных параметров эксплуатации морских нефтеотгрузочных терминалов.
-
На основе моделирования гидравлического удара разработаны методы прогнозирования и мероприятия по уменьшению последствий гидроудара на трубопроводах морских нефтеотгрузочных терминалов.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель гидравлического удара в трубопроводах морских нефтяных терминалов, разработанная на основе одномерных уравнений гидродинамики;
-
Комбинированные инженерные, аналитические и численные методы расчета параметров гидроудара;
-
Доказательство адекватности математической модели на основе численного моделирования гидравлических ударов на нефтяных морских терминалах;
-
Результаты прогнозного численного моделирования различных системных и технологических мероприятий по снижению интенсивности гидравлических ударов;
-
Прогнозный численный анализ возможности строительства и эксплуатации морских нефтеотгрузочных терминалов со значительным удалением нефтеотгрузочных причалов от берегового резервуарного парка;
-
Численный анализ гидравлических ударов при использовании противотурбулентных присадок.
Практическая ценность результатов работы
Предложенная методология исследования переходных процессов в трубопроводах морских нефтяных терминалов может быть использована при проектировании систем защиты от гидравлических ударов как функционирующих, так и вновь проектируемых морских нефтеотгрузочных терминалов.
Достоверность результатов подтверждается сравнением численных расчетных и фактических значений параметров гидравлических ударов на морских терминалах, а также сравнением численных расчетов с точными аналитическими решениями на модельных примерах.
Апробация работы
Основные результаты исследований, представленные в работе, прошли тестовую апробацию на Варандейском нефтяном отгрузочном терминале и доложены на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России (27.05.2009 г., г. Уфа) и на научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках IX Российского энергетического форума (21.10.2009 г., г. Уфа).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных трудах, в т.ч. 2 - в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 138 наименований. Работа изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 13 рисунков, 7 таблиц.
