Введение к работе
Актуальность проблемы. До сравнительно недавнего времени неизотермическими было принято считаїь только трубопроводы, транспортирующие продукты с предвари і ельным подогревом. Интенсивное освоение нефтегазовых месторождений Крайнего Севера и Северо-Западной Сибири выявило, что практически любой трубопровод вследсгвие сложных климатических условий эксплуатируется при постоянно изменяющихся температурных режимах. Технически грамотно выполненный теплогид-равлический расчет магистрального трубопровода позволяет обеспечить надежные безаварийные технологические режимы эксплуатации и экономию энергозатрат на перекачку. Кроме того, опыт строительства и эксплуатации магистральных газонеф-гепродуктопроводов настоятельно указывает на необходимость прогнозирования изменений в окружающей природной среде. вызванных воздействием трубопровода. В связи с этим, актуальной задачей, требующей решения, является разработка рекомендаций, позволяющих оценить последствия ІЄКЛ0В0Г0 влияния трубопровода на окружающую среду.
Тепловоіі расчет трубопровода предшествует і идрав.ти-ческому и в значительной степени определяет точность последнего. Для подземных неизотермических трубопроводов важной исходной информацией при расчетах являются теплофизичеекпе характеристики грунта. В настоящее время практически любая монография в области магистралыюю трубопроводного транспорта, посвященная выполнению теплогидравлических расче-
тов, обязательно включает раздел по прогнозированию изменения свойств грунта.
Решение проектных и эксплуатационных задач осложняется, если трубопровод взаимодействует с сильно увлажненными грунтами. Это наименее изученная и недостаточно освещенная в технической литературе область. В то же время основные газовые и нефтяные магистрали Северо-Западной Сибири проложены в регионе со сложной гидрологической обстановкой ( большая заболоченность местности, высокий уровень грунтовых вод ). Происходит интенсивное освоение месторождений на континентальном шельфе. Такое расхождение между теоретическими исследованиями и фактическим состоянием на практике можно объяснить следующим. Физика теплового процесса, происходящего в сильно увлажненном грунте, из-за своей большой сложности является малоизученной даже в грунтоведении, где грунт рассматривается без учета взаимодействия с инженерными объектами. Организовать и провести длительные и достаточно точные исследования в промышленных условиях также технически очень сложно. Поэтому на практике при выполнении теплогид-равлических расчетов априорно рассматривается наихудшая ситуация и делается завышенный запас по температуре продукта и, как следствие, по требуемому давлению на перекачивающих станциях. Как показывает опыт, это необоснованное повышение надежности неизбежно приводит к увеличению энергозатрат на перекачку.
Работа выполнялась в соответствии с комплексными научно-техническими программами Минвуза РСФСР "Нефть и газ Западной Сибири" на 1981-85 гг. и 1986-90 гг. ( приказы Минву-
5 за РСФСР от 15.10.81 № 559 и от 10.10.86 № 641 ) и планами научно-исследовательских работ РАО "Газпром" на 1990-1995 гг.
Целью диссертационной работы является разработка методов теплового расчета магистральных трубопроводов, проложенных в сложных геогидрологических условиях, повышающих качество проектирования и эффективность их эксплуатации.
В работе решены следующие основные задачи :
1. Разработана методика и технологические рекомендации
по определеншо значений коэффициента теплопроводности
грунта для целей проектирования и эксплуатации магистраль
ных трубопроводов, включающие в себя:
методику и технологические рекомендации по определению достаточного количества проб грунта при их отборе по трассе трубопровода для проведения теплофизических анализов;
определение коэффициент іеплопроводности грунта в естественном ( ненарушенном тепловом ) состоянии;
— выявление технологических параметров перекачки,
влияющих на величину эффективного коэффициента теплопро
водности і рун га;
— определение эффективного коэффициента теплопровод
ности грунта по диспетчерским данным.
-
Проведен анализ наиболее часто рекомендуемых к практическому применению в области трубопроводного транспорта чисел подобия для процесса теплового взаимодействия трубопровода с внешней средой в сложных геогидрологических условиях прокладки.
-
Разработана методика теплового расчета трубопроводов, проложенных в грунтах с влажностью больше влажности полно-
6 го водонасыщения. Особое внимание уделено тепловому взаимодействию трубопровода с торфяным грунтом как наименее изученному.
-
На основании теоретических и экспериментальных исследований проанализировано влияние способа прокладки подводного трубопровода на процесс внешнего теплообмена с окружающей средой.
-
На примере магистрального конденсатопровода "Новый Уренгой-Сургут", эксплуатирующегося в неизотермических и сложных геогидрологических условиях, разработана методика определения участков трубопровода, на которых образуются внутритрубные отложения при транспорте нефтегазоконденсат-ных смесей.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые результаты:
-
Предложена методика выбора расчетных значений коэффициента теплопроводности грунта в естественном состоянии и эффективного коэффициента теплопроводности для целей проектирования и эксплуатации неизотермических трубопроводов.
-
Установлено, что из основных технологических параметров перекачки определяющим фактором, влияющим на величину эффективного коэффициента теплопроводности грунта, является температура перекачиваемого продукта.
-
Экспериментально изучен процесс теплообмена трубопровода с внешней средой при прокладке под водой и в полностью водонасыщенном грунте. Выявлены характерные отличия от известных аналогичных исследований процесса теплообмена трубопровода с грунтами малой влажности в распределении
7 плотности теплового потока и в формировании температурно-влажностного поля грунта вокруг трубопровода.
-
Предложены критериальные уравнения для выполнения теплового расчета подземного трубопровода, когда уровень грунтовых вод находится в зоне теплового влияния трубопровода.
-
Разработана методика теплового расчета трубопровода, проложенного в сложных геогидрологических условиях.
-
Установлено влияние газового фактора, скорости перекачки и содержания нефти на процесс образования внутри трубных отложений при транспорте нефтсгазокондеисатных смесей в неизотермических условиях.
-
Определено критическое содержание нефти в нефтега-зоконденсатной смеси, при котором с увеличением значений газовою фактора интенсивность образования внутритрубных отложений изменяемся не только количественно, но и качественно.
-
Разработана методика определения участков трубопровода, на которых образуются присіенньїс отложения при перекачке нефісгазокондепсаіпых смесей.
На защиту выносятся теоретические обобщения, экспериментальные исследования и практические рекомендации для выполнения тепловых расчетов магистральных трубопроводов, проложенных в сложных геогидрологических условиях.
Практическая ценность и реализация работы.
Научные результаты, полученные в работе, нашли применение в практике магистрального трубопроводного транспорта.
Промежуточные результаты легли в основу разработок Уфимского государственного нефтяного технического универси-
тета, институтов Гипротрубопровод и ИПТЭР ( ВНИИСПТ-нефть ), а также были использованы для прогнозирования режимов работы нефтепроводов "Тарасовское-Муравленковское" и "Оха-Комсомольск".
На основании проведенных исследований в области теплового взаимодействия трубопровода с внешней средой в сложных геогидрологических условиях прокладки разработаны и внедрены два руководящих документа.
Внедрение рекомендаций по определению участков трубопровода с внутритрубными отложениями на предприятии по добыче, транспортировке и переработке газа и газового конденсата "Сургутгазпром" позволило получить экономический эффект в размере 86400 тыс.руб (в ценах 1994 г.).
Теоретические и практические результаты работы используются при чтении лекций и выполнении курсовых работ по дисциплинам "Гидравлика" и "Машины и оборудование нефтегазопроводов" для студентов УГНТУ специальности 09.08 " Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ" в разделе перекачка жидкостей в неизотермических условиях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
I республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Уфа, УГНТУ (УНИ), 1977);
ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, УГНТУ (УНИ), 1984...1993, 1996);
— XVI, XVIII научно-технической конференции молодых
ученых (Ивано-Франковск, институт нефти и газа, 1979,
1982);
VTT, VIII республиканской научно-технической конфе
ренции но проблемам сбора, подготовки и транспорта
нефти и нефтепродуктов (Уфа, ИПТЭР
(ВНИИСПТнефть), 1986. 1988);
XI научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири" (Тюмень, Главтюменгазпром, 1986);
VII, VIII Всесоюзной школе-семинаре по вопросам гидродинамики, технического диагностирования и надежности трубопроводного транспорта (Уфа, ИПТЭР (ВНИИСПТнефть), 1984, 1985);
I. II Всесоюзной конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, ТгомГНГУ (ТюмИИ), 1985, 1989); -- расширенном заседании технического совета российского акционерного общества '"Газпром" (Суріуг. ПО " Сур-гутгазпром", 1988,1992);
— XVI международной школе-семинаре по проблемам ме
ханики сплошных сред в системах добычи, переработки
нефти и газа (Уфа, ИПТЭР, 1994).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 работ. в том числе 2 моноірафии и 3 обзора.
Структура и объем рабо і ы. Диссертационная работа состоит из введения , 5 глав, выводов, списка использованных источников и приложения, изложенных на 317 страницах , включая
10 6b рисунка, 15 таблицы и список использованных источников из ^^наименований.