Введение к работе
з
Актуальность проблемы. В настоящее время проблема охраны жружающей среды, рационального использования природных зесурсов и энергосбережения приобрела важнейшее народно-(озяйственное значение. Академик В.И. Вернадский предупреждал, гго в результате непродуманного активного действия человечество меняет облик планеты и может нанести биосфере Земли непоправимый урон. Нет сомнения в том, что выполнение требований экологической безопасности необходимо рассматривать <ак условие выживания. Этой проблеме были посвящены: :пециальная ассамблея ООН, проведенная в Стокгольме в 1972 г., конференция ООН по окружающей среде в Рио-де-Жанейро, 1992 г., 1-я всесоюзная конференция "Экология нефтегазового комплекса", Надым, 1988 г.. Вопросы экологии при сооружении северных трубопроводов решались на симпозиуме по проблемам энергетики в Иркутске, 1980г.
Современное состояние трубопроводного транспорта в России определяется не только снижением объемов финансирования и капитальных вложений в отрасль, но и недостатком технологий и стандартов, регламентирующих эксплуатацию недозагруженных трубопроводов, имеющих большой, а нередко и сверхнормативный срок службы. Трубопроводы оказывают постоянное воздействие на природную среду как во время строительства, так и в течение всего периода эксплуатации. Отечественная и зарубежная практика показала, что добыча и транспортировка нефти по магистральным трубопроводам приводит к существенному нарушению экологического равновесия и загрязнению окружающей среды.
Для трубопроводов, работающих в неизотермических режимах, проложенных в обводненных грунтах и заболоченных территориях Сибири, а так же районах многолетнемерзлых грунтов Крайнего Севера, характеризующихся высокой чувствительностью к техногенным воздействиям, проблема эффективной технологии эксплуатации с одновременным соблюдением требований экологической безопасности встает особенно остро и является актуальной.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности, надежности и экологической безопасности магистральных нефтепродуктолроводов на основе разработки методов теплогидравлического расчета нестационарных режимог работы неизотермических нефтепродуктопроводов с учетом переменности подачи центробежных насосов, а также квазистационарных режимов работы нефтепроводов і многолетнемерзлых грунтах при условии ограничения ореолої протаивания.
В работе решены следующие основные задачи:
1.Выполнено технико-экономическое обоснование, предложен* математическая модель и разработан алгоритм расчета регламент; эксплуатации магистральных нефтепроводов в района) многолетнемерзлых грунтов при условии сохранности окружающеі среды за счет сдерживания прогрессирующего таяния мерзльп грунтов;
2.Исследованы теплофизические процессы, связанные < перераспределением влажностно-температурного поля грунта вокру "горячего" трубопровода под действием температурного напора, ;
акже вокруг трубопровода, проложенного в гкерзлом грунте, и боснована возможность учета этого явления для инженерных целей юделью теплопроводности;
3.Предложена математическая модель и разработан метод рафо-аналитического решения сопряженных теплогидравлических адач системы "насос-трубопровод-грунт" с учетом переменности юдачи насосов с помощью динамических характеристик;
4.Получены и предложены на уровне РД полуэмпирические ависимости для определения эффективного коэффициента еплопроводности грунта Я,Эф при проектировании трубопроводов, а акже для расчета нестационарных режимов: прогрева при пуске и >стывания грунта при остановке перекачки;
5.Решены краевые задачи нестационарной теплопроводности щя "челночного", встречного, обратного прогревов и дано технико-жономическое обоснование данных нетрадиционных способов.
б.Дано технико-экономическое обоснование альтернативных способов перекачки при недогрузке магистральных "горячих" гефтепродуктопроводов: циклического и непрерывного.
Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие результаты:
1.Решена краевая задача теплообмена магистрального трубопровода с многолетнемерзлым грунтом при заданном законе изменения ореола протаивания. Экспериментально доказана возможность длительной (многолетней) работы трубопровода при условии ограничения ореола протаивания.
2.Предложен регламент эксплуатации магистрального трубопровода в многолетнемерзлых грунтах при условии
сохранности окружающей среды, согласующийся с нормами
технологического проектирования.
3.Экспериментально выявлен эффект снижения влажности и теплопроводности прилежащего талого грунта за счет подтягивания влаги к фронту промерзания. Дано объяснение происходящих при этом тегогофизических процессов в талом и мерзлом грунтах.
4.На основании анализа промышленных данных выявлено, что в
результате подсушки грунта вокруг "горячего" трубопровода
происходит снижение эффективного коэффициента
теплопроводности грунта в 1,06...2,4 раза в зависимости от интенсивности прогрева.
5.Получены полуэмпирические формулы для определения эффективного коэффициента теплопроводности грунта при высокоинтенсивном, средней интенсивности и малоинтенсивном теплообмене трубопровода с окружающей средой, а также при прогреве и остывании.
б.Разработана методика определения коэффициента теплопроводности грунта вокруг трубопровода по температурным полям с учетом аккумуляции тепла грунтом и тепла фазовых превращений на границе протаивания - промерзания.
7.Рекомендовано, при дефиците информации, определять коэффициент теплопроводности грунта в естественном состоянии по гранулометрическому составу в зависимости от процентного содержания физической глины.
8.Решены краевые задачи теплопроводности нетрадиционных способов прогрева подземного трубопровода: "челночного", встречного, обратного и получены формулы для расчете
температурных режимов, теплопотерь, времени прогрева и объема теплоносителя. Выполнено технико-экономическое сравнение "челночного", встречного и обратного прогревов с прямым, которое позволило рекомендовать, как самый быстрый, встречный прогрев, а при дефиците теплоносителя - "челночный".
9.Получена многомерная функция теплового потока с единицы длины трубы при прогреве его горячей жидкостью и критериальная зависимость для внешнего коэффициента теплоотдачи на основании обработки многофакторного эксперимента.
Ю.Введено понятие и показана эффективность использования динамической характеристики системы. Предложена математическая модель, позволяющая учесть переменность подачи центробежных насосов при изменении гидравлического сопротивления трубопровода при пуске, прогреве, остановке и возобновлении перекачки, изменении производительности и температуры нагрева.
11 .Разработана методика расчета циклического режима перекачки в оптимальном варианте и с использованием имеющейся емкости.
12.Рекомендовано, для снижения себестоимости непрерывной перекачки в период сезонной недогрузки, включать в работу все тепловые станции на пониженных режимах.
На защиту выносятся теоретические обобщения, экспериментальные исследования и практические рекомендации для выполнения теплогидравлических расчетов магистральных "горячих" трубопроводов и нефтепроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах.
Практическая ценность работы.
Результаты проведеігаьгх исследований позволили разработать и внедрить в институтах Южгипротрубопровод, ИПТЭР (ВНИИСПТнефть) и управлении Башкирэнерго два нормативных и руководящий документы, что позволило повысить надежность эксплуатации "горячих" трубопроводов.
Внедрение рекомендаций по технологическим режимам эксплуатации нефтепровода Тарасовское - Муравленковское в Ноябрьском районном нефтепроводном управлении УМНЗ и СЗС Главтранснефти позволило получить фактический экономический эффект ГПб'000 рублей (в ценах 1988г.). Долевое участие автора, давшей рекомендации по ограничению протаивания многолетнемерзлых грунтов, составляет 279'000 рублей (в ценах 1988г.).
Теоретические и практические результаты работы используются при чтении лекций и выполнении курсовых работ по дисциплине "Гидромеханика" для студентов УГНТУ специальности 09070С "Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов v. газонефтехранилищ" и по дисциплинам "Гидрогазодинамика" v. "Нагнетатели и тепловые двигатели" для студентов специальность 100700 "Промышленная теплоэнергетика" в разделах, связанных с перекачкой жидкостей в неизотермических условиях.
Апробация работы. Основные результаты работь докладывались на:
-республиканских научно-технических конференциях ш
проблемам нефтегазовой, нефтехимической і
нефтеперерабатывающей промышленности Башкирии (Уфа, УНИ, 1970, 1973, 1975, 1977, 1979);
-Всесоюзной научной конференции "Основные направления дальнейшего совершенствования трубопроводного транспорта" (Москва, МИНХиГП, 1974);
-Всесоюзной конференции по оптимизации трубопроводного транспорта нефти и газа (Киев, 15-17 мая 1979);
-2-й Всесоюзной школе по коллоидной химии нефти и нефтепродуктов (Дрогобич, ЦНИИТЭнефтехим, 1981);
-республиканской научно-технической конференции "Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического баланса (Уфа, УНИ, 1982);
-Всесоюзной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири. Проблемы добычи и транспортировки" (Тюмень, ТюмИИ, 1985);
-1-ой Всесоюзной конференции "Экология нефтегазового комплекса" (Надым, Миннефтегазстрой, 1988);
-республиканской научно-технической конференции "Проблемы нефти и газа" (Уфа, УНИ, 1988);
-ХШ Всесоюзной школе-семинаре по проблемам трубопроводного транспорта (Уфа, ВНИИСПТнефть, 1990);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 108 работ, в том числе 2 обзора и 8 статей без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 384 страницах,включая 70 рисунков,
17 таблиц, 72 стр. приложений и список использованных источников из 324 наименований.