Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию неустановившихся течений жидкости в трубопроводе с возможным разрывом сплошности потока при снижении давления в транспортируемой среде до дазления ее насыщенных паров. Особое внимание уделено нестабильным жидкостям, таким как гз--305ЫЛ кснденсгт, широкая фракция легких углеводородов (ШЗДУ), змми-ак, этилен, оодздаигам высокими давлениям насыщенных пзров. Предложена математическая модель волновых процессов в трубопроводах, учитывающая возможность разрыва сплошности потока жидкости; разработан алгоритм расчета характерных для трубопровода ситуаций (включение-отключение насосных станция, открытие-закрытие запорной арматуры, разрыв стенок трубы и пр.); выполнены расчеты и проведено исследование переходных процессов при перекачке нестабильных жидкостей в горизонтальных и рельефных трубопроводах; выявлены сопутствующие им эффекты, учет которых необходим при проектировании трубопроводных систем с целью повышения их надежности и безопасности.
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМУ диссертационного исследования обуславливается увеличением числа трубопроводных систем, транспортирующих среды с повышенными давлениями насыщенных паров. Так, например, давление насыщенных паров гззоеого конденсата составляет 0.15-3.0 МПа, ВШУ -0.7-0.9 МПа, аммиака - 0.5-0.8 МПа, этилена - 3.5-5.0 МПа. Следовательно, нестабильные жидкости могут испытывать фазовый переход, в результате которого нарушается сплошность потока и часть жидкости превращается з газ, ууе при давлениях 0.7-3.0 МПа, соответствующих нормальным условиям перекачки. Обычно при проектировании трубопроводов нестабильных жидкостей выбирают такой режим перекачки, при котором не нарушается сплошность установившегося потока жидкости. При этом не учитывается возможное "разгэзировзние" хидкости при распространении волн разрежения, связанных с различными технологическим!!
_4-
операциями и нештатными ситуациями. В ряде случаев возникающие кє стационарные процессы могут иметь опасные последствия, устранение * торых связано с большими материальными затратами, поэтому зашита с таких последствий должна быть предусмотрена на стадии проектирован!!
Работа выполнялась в соответствии с Государственной программе "Экологическая безопасность России" (раздел "Разработка "методологи к программных средств прогнозирования, оценки и предотвращения экол гических последствий крупномасштабных аварий на магистральных конде сатопрсводах и трубопроводах, перекачивающих нестабильные жидкости"
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ:.уточнить теорию и метод расчета нестационарны процессов в магистральных трубопроводах с возможным разрывом сплош ности потока транспортируемой жидкости с тем, чтобы:
еыяеить сопутствующие им физические явления;
предотвратить опасные последствия, связанные с распространени ем волн разрежения;
предложить соответствующие изменения и добавления в действую иле нормы проектирования и регламенты эксплуатации трубопроводов дл. перекачки нестабильных жидкостей, направленные на. предотвращен» разрыва сплопности потока среды и обеспечение управляемости трубо проводной системой при волновых процессах.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Для осуществления целей диссертаци потребовалось:
дополнить классическую теорию неустановившегося движения жидкости в' трубопроводе уравнениями, описывающими гидродинамически* процессы при разрыве сплошности потока;
исследовать скорость распространения ударной еолны з трубопроводе, транспортирующем жидкость с газовыми включениями;
распространить численный метод характеристик на случай нестационарного течения жидкости с разрывом сплошности потока;
разработать алгоритм и программу расчета переходных процессог
трубопроводах с возможным разрывом сплошности потока;
предложить совокупность безразмерных критериев, определяющих добие нестационарных процессов в трубопроводе с возможным разрывом [лошности потока;
- выполнить комплекс гидродинамических расчетов основных пере-
1ДНЫХ процессов, возникающих в горизонтальных и рельефных трубопро-
!дах с нестабильной жидкостью и еыяеить типичные явления, сопровож
даете распространение по таким трубопроводам волн разрешения;
- определить критерии безопасного выполнения типичных технологи-
іских операции на трубопроводах, транспортирующих нестабильные среды
НАУЧНАЯ НСЕЯЗНА работа состоит в обобщении теории неустзноЕИЕшего-i течения жидкости в магистральном трубопроводе на случай возможного взрыва сплошности потока перекачиваемой среды. РззраОотгны алгоритм пакет вычислительных программ, позволяющих анализировать нестацио-іркне процессы в трубопроводах с разрывом сплошности потока жидкос-г. Получены критериальные условия неразрывности потока жидкости при іреходннх процессах в горизонтальных и рельефных трубопроводах.
Выявлены характерные особенности распространения волк разрежения трубопроводзх с нестабильными жидкостями, связанные с разгазировэ-гем потока. В частности, обнаружен эффект ослабления амплитуды вол-і разрежения при нарушении сплошности потока жидкости, затрудняющий :оеЕременную регистрацию и идентификацию переходкого процесса.
Показано, что вопреки сложившимся представлениям, для сохранения їлошности потока нестабильной жидкости при ее транспортировке недо-?зточно поддерживать Ео всех точках трубопровода давление, превышала давление насыщенных паров, необходимо также учитывать условия іразрцвности потока при переходных процессах.
I. Утверждение, что классическая теория нестационарных течении шоста з трубопроводе, не предусматривающая возможность разрыва
сплошности потока жидкости, не может бить использована для гидродинамического расчета среды, содержащей газовые включения.
-
Математическая модель, методика и пакет вычислительных программ, позЕоляшие рассчитывать неустановившееся движение жидкости с возможным разрывом сплошности потока в трубопроводе.
-
Вывод о том, что в рельефных трубопроводах, перекачивающих жидкости с Еысоким давлением насыщенных паров, амплитуда распространяющейся волны разрежения может существенно уменьшаться при'разрыве сплошности истока или при взаимодействии с газовыми полостями, что затрудняет идентификацию аварийных ситуаций существующими'средствами контроля. '
-
Рекомендации по расстановке регулирующих устройств и безопасному времени их открытия (закрытия), по необходимому запасу'давления на конце трубопровода, по расположению 'датчиков контрольно-измерительной'аппаратуры, позволяющие сохранить сплошность'потока кидкости при переходных процессах, обеспечить регистрацию 'и управляемость волновых процессов в трубопроводе и тем самым предотвратить тяжелые последствия аварий.
ПРАКТИЧЕСКАЯ НЕЖНОСТЬ РАБОТЫ. В выполненных исследованиях проанализированы основные явления, происходящие при нестационарных, в том числе аварийных, процессах в трубопроводах, транспортирующих нестабильные жидкости. Указана опасность эксплуатации таких трубопроводов, состоящая в том, что волны разрежения, образующиеся при разрывах стенок трубопровода, не всегда могут быть обнаружены на насосной станции вследствие их возможного затухания при рэзгазировании потока' или взаимодействии с газовыми кавернами. '
Теория и метод расчета', предложенные в диссертации, позволяют уже на стадии проектирования трубопровода для транспортировки нестабильных жидкостей принять меры по предотвращению крупномасштабных последствий от возможных аварий.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТУ В ходе исследования разработаны алгоритм и пакет программ расчета неустановившегося течешія жидкости по трубопроводам с возможным разрывом сплошности потока, использованные для получения конкретных рекомендаций (по расстановке регулирующих устройств и безопасному времени их срабатывания; необходимому запасу давления на конце трубопровода; рациональному расположению датчиков контрольно-измерительной аппаратуры и.др.) и моделирования аварийных ситуаций на магистральных трубопроводах.
АПРОБАЦИЯ РАБОТУ Основные положения диссертационной работы бали доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры транспорта и хранения нефти и газа ГАНГ им.И.М.Губкина, на XII школе - семинаре по проблемам трубопроводного транспорта (Уфа, 1989), на Всесоюзных конференциях (Кр.Курган, 1989,1991).
СТРУКТУРА И ОБЪЕЛ РАБОТЫ Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендацій, изложенных на 204 страницах, включая 36 рисунков и 8 таблиц. Список литературы содержит 97 наименований.