На правах рукописи

УСОЛЬЦЕВ Михаил Евгеньевич

УДАЛЕНИЕ СКОПЛЕНИЙ ЖИДКОСТИ ИЗ

ПОНИЖЕННЫХ УЧАСТКОВ ГАЗОПРОВОДА

ПОТОКОМ ТРАНСПОРТИРУЕМОГО ГАЗА

Специальность 25.00.19 – Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Коршак Алексей Анатольевич

Официальные оппоненты:

Писаревский Виктор Меерович - доктор технических наук, профессор, Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, профессор кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов Подавалов Илья Юрьевич - кандидат технических наук, филиал ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» портовое линейное производственное управление магистральных газопроводов, инженер 2-й категории комплекса подготовки транспорта газа

Ведущая организация – ООО «Газпром трансгаз Ухта»

Защита состоится «27» сентября 2012 г. в 16 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.10 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

Автореферат разослан 24 августа 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета д.т.н., доцент А.К. Николаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Присутствие влаги в перекачиваемом газе приводит к образованию скоплений жидкости в пониженных участках магистральных газопроводов, что в свою очередь снижает пропускную способность трубопровода, повышает гидравлическое сопротивление, а также может привести к повреждению фильтров, кранов и компрессоров.

Для удаления жидкостей из газопроводов в настоящее время используют поршни-разделители совместно с установкой ёмкостей для сбора жидкости (конденсатосборники). Однако использование поршней связано с затратами на их приобретение, транспортировку к месту запуска и от места приёма. В связи с этим актуальной задачей является разработка метода удаления жидкостных скоплений из пониженных участков магистрального газопровода потоком транспортируемого газа.

Цель диссертационной работы Повышение эффективности работы систем трубопроводного транспорта газа путём выноса скоплений воды и конденсата из пониженных участков газопровода потоком транспортируемого газа.

Основные задачи исследования Выполнить анализ изученности технологий удаления скоплений жидкости из пониженных участков магистральных газопроводов.

Установить закономерности процесса выноса скоплений жидкости из пониженных участков магистрального газопровода потоком перекачиваемого газа.

Получить критериальные зависимости для описания динамики выноса скоплений в процессе перекачки газа.

Выполнить технико-экономический анализ области применения метода выноса скоплений жидкости из магистральных газопроводов.

Идея работы Для снижения гидравлических потерь в процессе трубопроводного транспорта газа следует производить очистку газопровода от жидкости с помощью выноса скоплений потоком перекачиваемого газа.

Научная новизна работы • Установлено максимальное значение расстояния между перемычками МГ на этапе проектирования и число одновременно отключаемых участков между перемычками в процессе очистки МГ.

• Установлено, что при одинаковом расстоянии между перемычками температура газа на входе в следующую КС не зависит от места расположения отключаемых участков между перемычками.

Защищаемые научные положения 1. Расход жидкости, выносимой из газопровода, определяется соотношением таких параметров как: расход газа, число Вебера, число Фруда, отношение плотностей газа к жидкости и вязкости газа к жидкости, углом наклона восходящей части трубопровода.

2. Вынос скоплений жидкости из пониженного участка газопровода, являющегося частью многониточной системы, обеспечивается созданием потока газа с повышенной скоростью методом отключения части ниток и транспортом газа через перемычки.

Методы исследований В основу проведенных исследований положен системный подход к изучаемому объекту. При решении поставленных задач использован комплексный метод исследований: обобщение и анализ теоретических и экспериментальных трудов в области очистки газопроводов путём удаления из них жидкостных скоплений, проведение лабораторных исследований для оценки достоверности данных, получаемых в ходе компьютерного моделирования, планирование эксперимента, регрессионный анализ.

Достоверность научных положений Обоснована и подтверждена использованием современных методов при проведении теоретических исследований, достаточной сходимостью расчетных и экспериментальных данных с применением методов математической статистики и регрессионного анализа.

Практическая ценность диссертации На основе критериальных уравнений разработана методика, позволяющая оценить эффективность удаления скопления жидкости из магистрального газопровода потоком перекачиваемого газа.

Разработано устройство для устранения скоплений жидкости или газа из проблемных участков газонефтепроводов (заявка на изобретение №2011151954).

Разработанный метод выноса скоплений жидкости позволяет увеличить эффективность систем магистрального транспорта газа без применения дополнительных механических устройств.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на:

• V Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт – 2009» (г. Уфа, 2009 г.);

• межрегиональном семинаре «Рассохинские чтения» (г. Ухта, УГТУ, 2010);

• XII и XIII Международных молодежных научных конференциях «Севергеоэкотех - 2011» и «Севергеоэкотех – 2012» (г.Ухта, 16-18 марта 2011 г., 21-23 марта 2012 г.);

• VII Международной научно-технической конференции «Надёжность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (г. Новополоцк, 22-25 ноября 2011 г.);

• ежегодной научной конференции студентов и молодых ученых СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (г.

Санкт-Петербург, 2011 г.).

Публикации По теме диссертации опубликовано восемь научных работ, из которых три работы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки России.

Личный вклад соискателя Автором получены критериальные уравнения относительного расхода жидкости, образующей скопление в пониженном участке магистрального газопровода, выполнен анализ достоверности данных полученных в ходе математического моделирования с помощью проведения лабораторных исследований; разработана и изготовлена установка для экспериментального изучения выноса скоплений жидкости из пониженного участка трубопровода потоком транспортируемого газа, проведены опыты, обработаны полученные результаты, разработан метод удаления скоплений жидкости потоком перекачиваемого газа, проведена технико-экономическая оценка области применения предлагаемого метода очистки.

Реализация результатов работы Результаты данных исследований могут быть использованы в магистральном транспорте газа и газораспределительных сетях для уменьшения затрат на перекачку газа за счёт выбора рациональных режимов его перекачки, обеспечивающих удаление скоплений воды и конденсата из наклонных участков.

Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе СПГГУ при изучении дисциплины «Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов» студентами специальности 130501.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 128 страницах текста, содержит 29 рисунков, 12 таблиц, список использованных источников из 96 наименований, 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 рассмотрены задачи трубопроводного транспорта газа, связанные с удалением образовавшихся скоплений жидкости в полости трубопровода. Оцениваются причины образования скоплений жидкости в газопроводах, такие как залповые выбросы жидкости с месторождений, недостаточная подготовка газа на головных компрессорных станциях, выпадение влаги в процессе внутритрубной диагностики, попадание воды при проведении строительномонтажных работ и не выполнение работ по очистке и осушке в полном объёме. Из всех причин образования основной является образование скоплений после проведения гидроиспытаний, особенно на участках подводных переходов, характеризующихся большой разницей высотных отметок. Большой проблемой являются резервные нитки подводных переходов, не оборудованные камерами запуска и приёма очистных устройств.

На основании лабораторных и промышленных экспериментов проведённых Ч.С.Гусейновым сделан ряд важных выводов: перепад давлений растёт прямопропорционально объёму скопления, изменение угла наклона восходящей части газопровода оказывает существенное влияние на перепад давления и скорости выноса скоплений, при уменьшении объёма скопления требуются большие скорости воздуха для выноса жидкости. Значительный вклад в разработку и совершенствование способов удаления скоплений жидкости внесли отечественные и зарубежные учёные Чарный И.А., Галлямов А.К., Иванова Е.Л., Касперович В.К., Щищенко Р.Н., Медведев В.Ф., Губин В.Е., Черняев В.Д., Одишария Г.Э., Нечваль А.М., S. Coleman, H. Clay, D. McCurdy, R. Turner, M. Hubbard, A. Dukler, R. Mcneil, D.

Lillico и многие другие.

Проведена сравнительная оценка механистических и динамических моделей выноса скоплений жидкости потоком перекачиваемого газа. Выполнен сравнительный анализ программных продуктов, таких как OLGA, ANSYS, TACITE, TUFFP и COMSOL Multiphysics. Обосновано применение приложения COMSOL Multiphysics для моделирования процессов выноса жидкостных скоплений из магистральных газопроводов.

Проведён анализ методов удаления жидкости из магистральных газопроводов. Все методы были классифицированы и проанализированы по времени применения метода и затрат на проведение очистки. Проанализирована документация регламентирующая проведение очистных работ.

Повышение эффективности работы газопроводов за счёт выноса скоплений воды и конденсата из пониженных участков потоком транспортируемого газа не освещено в полной мере и требует проведения дополнительных исследований с целью получения зависимостей описывающих динамику данного процесса. Также необходимо выполнить анализ области применения метода удаления жидкостных скоплений из пониженных участков газопровода потоком транспортируемого газа.

В главе 2 сделана оценка влияния физических параметров газа и жидкости на вынос скоплений. На вынос скоплений жидкости в той или иной мере влияют следующие параметры: скорость газа, диаметр трубопровода, объём скопления, угол наклона газопровода, плотность и вязкость жидкости и газа, поверхностное натяжение на границе раздела фаз, ускорение свободного падения. На основании метода анализа размерностей математическую зависимость между физическими величинами, входящими в искомое уравнение, можно преобразовать в безразмерные комбинации тех же величин. Это значительно упрощает как планирование экспериментов, так и обработку полученных данных. После замены размерных величин безразмерными комплексами получили следующую искомую зависимость:

где ж - относительный расход жидкости; ж, г - кинематическая вязкость жидкости и газа соответственно; ж, г - их плотность; We число Вебера; Fr - число Фруда; - угол наклона газопровода.

В данном уравнении коэффициенты А1-А5 являются неизвестными. Для определения их величины автором были выполнены экспериментальные исследования на трубах малого диаметра, а также моделирование выноса жидкостных скоплений на трубах малого и большого диаметра.

Принципиальная схема экспериментальной установки для изучения выноса скоплений жидкости представлена на рисунке 1. В ней для регулирования давления были использованы понижающие редукторы, для определения расхода использовался ротаметр (расходомер поплавкового типа). Для изменения угла наклона восходящей части, а также фиксации труб на основании стенда (рисунок 2) было изготовлено специальное прижимное устройство.

Для планирования экспериментов было выбрано 4 главных фактора: расход газа, диаметр трубопровода, угол наклона восходящей части и объём скопления жидкости. При помощи метода Тагучи была получена матрица планирования экспериментов для 4-х факторов на 3-х уровнях. Данная матрица планирования была также использована при верификации модели, созданной в приложении Comsol Multiphysics.

1 - компрессор; 2 - ресивер; 3 – ре- 1 – петли крепления; 2 – основагулятор давления «после себя»; 4 – ние стенда; 3 – основание для расходомер; 5 – кран; 6 – манометр; трубы; 4 – прижимной винт;

7 – шарнир; 8 – исследуемый уча- 5 – участок газопровода; 6 – шкасток; 9 – сосуд для сбора жидкости; ла угла наклона газопровода.

При переходе к исследованиям на трубопроводах большого диаметра также необходимо проведение планирования эксперимента. В ходе экспериментов на трубах большого диаметра необходимо было учесть влияние как можно большего числа действующих факторов, а также увеличить число уровней, чтобы учесть высокую нелинейность процесса. Для проведения планирования решено было использовать модуль DOE (Design of Experiment) в приложении Statistica 8.0 и составить матрицу планирования эксперимента на основе ортогональных массивов Тагучи, для 8 факторов на 3 уровнях. В итоге общее число экспериментов для установки и модели составило 9 и 18 соответственно.

Для создания более контрастной среды, удобной для визуального наблюдения процесса выноса жидкость окрашена индикатором в красный цвет индикатор – не влияет на свойства жидкости. После проведения экспериментов и перевода полученных данных в значения параметров подобия, необходимо проведение статистической обработки. Прологарифмировав безразмерные параметры подобия, мы получим массив данных для статистической обработки. Для проведения процедуры множественной линейной регрессии воспользуемся пакетом Statistica 8.0, в котором для этих целей предусмотрен широкий выбор сопутствующих инструментов. В результате получены искомые значения А0-А3. После проведения элементарных преобразований, была получена искомая формула для труб малого диаметра К сожалению, формула (2) не может быть использована для расчетов применительно к магистральным газопроводам, т.к. пределы изменения параметров Fr и We в лабораторных и реальных условиях различны.

Поэтому на следующем этапе была создана математическая модель экспериментальной установки и выполнено моделирование процессов выноса жидкостных скоплений из нее.

Наличие двух фаз и изменения границы их раздела учтены при помощи метода функции уровня, устойчивость полученных решений достигнута использованием специальных методов стабилизации. Пространственная геометрия получена за счёт слияния двух цилиндрических элементов расположенных под углом 165° друг к другу. В модель добавлен уровень скопления жидкости и определены его границы. Поскольку полная пространственная модель, представленная на рисунке 3, имеет плоскость симметрии, то для сокращения времени вычислений, а также для более наглядного представления результатов, модель была рассечена по этой плоскости. Сечение модели, совпадающее с осью симметрии, представлено на рисунке 4. Такой подход, не искажая полной картины происходящего, позволил упростить качественное и количественное описание процесса выноса скоплений жидкости.

Рисунок 3. Моделирование выноса Рисунок 4. 2D модель выноса После определения геометрии модели были выбраны материалы, свойства которых были заданы в качестве функций давления и температуры. Следующим этапом были записаны граничные условия с использованием логарифмических функций для стенок. Для входа было записано условие постоянного давления, для выхода – условие по давлению с учётом потерь в системе, которое автоматически пересчитывается в ходе решения по общим уравнениям баланса.

Начальные условия были сформулированы с некоторыми допущениями таким образом: поверхность скопления жидкости плоская, газ движется над жидкостью с некоторой постоянной скоростью. Работу алгоритма поиска решения значительно облегчает "плавный старт", когда исследуемая функция изменения параметра растет не дискретно, скачком, а представляет собой быстро возрастающую гладкую неразрывную функцию.

Для того чтобы решить систему дифференциальных уравнений в частных производных при изменяющемся во времени процессе в заданной геометрии, с учетом начальных и граничных условий, а также с учетом свойств материалов, задались соответствующей сеткой. Геометрию модели разбили на конечное число элементов, в узлах которых производился поиск решения совокупности уравнений на каждом шаге по времени. Замечено, что форма элементов, их количество, их изменение во времени, существенно влияют на процесс решения и полученные результаты.

Данные, полученные в ходе экспериментов на модели для малых и больших диаметров, также были подвергнуты статистической обработке, в результате которой была получена формула Числовые коэффициенты в ней для труб малого диаметра практически не отличаются от аналогичных коэффициентов в уравнении (2), полученном при обработке экспериментальных данных, что доказывает адекватность созданной математической модели выноса скоплений.

Основываясь на этом результате, автором было выполнено моделирование выноса скоплений жидкости из трубопроводов большого диаметра. Последующая статистическая обработка полученных данных позволила получить зависимость для относительного расхода жидкости, выносимой из магистральных газопроводов Качество всех полученных формул было проверено при помощи стандартных методов математической статистики. Была проанализирована значимость множественной регрессии при помощи Fкритерия Фишера, значимость коэффициентов регрессии при помощи t-критерия Стьюдента, также был проведён анализ остатков и выбросов. О нормальности остатков можно судить по графику, представленному на рисунке 5. Чем ближе распределение к нормальному виду, тем лучше значения остатков ложатся на прямую линию. В нашем случае у графика, приведенного на рисунке 5, хорошо просматривается линейный тренд, что показывает адекватность модели. Визуальным способом оценки адекватности регрессионной модели является анализ графического изображения опытных и полученных по регрессионному уравнению значений зависимой Уровень Expected Normal Value рас-ия В главе 3 рассмотрена возможность создания расходов газа в многониточных газопроводах, обеспечивающих вынос скоплений жидкости, с помощью отключения части ниток и транспорта газа Рассмотрим многониточную систему, показанную на рисунке 7, из n газопроводов длиной l соединенных перемычками, находящимися друг от друга на расстоянии lП. Начальное и конечное давление на рассматриваемом участке соответственно равны PH 0 и PK 0, а пропускная способность системы составляет Q.

Рисунок 7. Расчётная схема многониточного газопровода с перемычками Получены зависимости для оценки максимального числа отключаемых ниток в процессе очистки газопроводов и максимального расстояния между перемычками на этапе проектирования многониточного газопровода. Если принять, что пропускная способность до отключения и после отключения части ниток осталась неизменной, то можно записать следующее уравнение где n – число ниток в многониточном газопроводе;

K – коэффициент, зависящий от размерности величин входящих в данное выражение;

Pн, Рк – соответственно давление в начале и конце участка газопровода;

D – внутренний диаметр газопровода;

Zср – среднее значение коэффициента сжимаемости газа;

– относительная плотность по воздуху;

Tср – среднее значение температуры газа в магистральном газопроводе;

l – длина участка газопровода между компрессорными станциями;

– коэффициент гидравлического сопротивления.

После возведения обеих частей в квадрат получено На этапе эксплуатации системы магистральных газопроводов уравнение (6) решается относительно допустимого числа отключаемых участков ниток между перемычками где А – безразмерный коэффициент, равный На этапе проектирования системы магистральных газопроводов уравнение (6) решается относительно допустимого относительного расстояния между перемычками Для проведения расчётов по уравнениям (7) и (9) было необходимо установить характер изменения безразмерного коэффициента А, описываемого формулой (8). Аналитический путь его определения достаточно сложен. Соответственно нельзя было сделать однозначные выводы о характере его изменения, т.к. эта величина главным образом зависит от средней температуры перекачки и среднего давления на участке. Для проведения вычислительного эксперимента по численной оценке безразмерного параметра А был предложен алгоритм, составленный на основе встроенного программного кода математического пакета Maple 14. Сначала открывался цикл, рассчитанный на тысячу шагов (большое количество шагов обусловлено тем, что при проведении последующей статистической обработки результат будет более точным). Затем в определенных пределах генерировались случайным образом начальные На следующем этапе проверялась корректность полученных случайных данных, производился отсев заведомо несуществующих на практике вариантов. Последовательно выполнялись теплогидравлические расчеты для случая со всеми работающими нитками и для случая с отключенными нитками. Вычисленные значения коэффициента А, а также начальные параметры, при которых он был получен, записывались в файл базы данных для последующей статистической обработки.

Для анализа данных и интерпретации полученных результатов был использован программный пакет STATISTICA 8.0. В программе имеется блок анализа одномерного массива данных и получение описательных статистик и графиков.

Статистический анализ данных показал, что среднее значение коэффициента А составляет 0,9976. Отсюда можно заключить, что с пренебрежимо малой для инженерных расчетов погрешностью можно принять коэффициент А равным 1. На рисунках 8 и 9 показаны гистограмма результатов (для сравнения приводится нормальное распределение) и график сравнения с нормальным распределением с