Спосіб визначення гідравлічного стану трубопроводів, що транспортують багатофазові середовища

Реферат: Спосіб визначення гідравлічного стану трубопроводів, що транспортують багатофазові середовища, включає визначення перепаду тиску по довжині газопроводу шляхом виконання розрахунку по еквівалентних ділянках траси, що являють собою послідовність низхідних і висхідних ділянок, при визначенні структури газорідинної суміші на яких враховують безрозмірний комплекс швидкості потоку, а для визначення гідравлічного стану кожної з ділянок для кожного виду руху газорідинної суміші використовують окремий алгоритм розрахунку. За коливаннями робочого тиску відносно його усереднених даних протягом часу проведення досліджень визначають амплітуду і частоту циклу стискання-розширення газових мішків у перевальних точках трубопроводу, яку порівнюють із допустимими значеннями, фіксують тип пульсацій і, відповідно до циклу стискання газового мішка, визначають об'єм та масу рідини, що займає вивільнений простір або, відповідно до циклу розширення, виштовхується з порожнини трубопроводу. UA 90323 U (12) UA 90323 U UA 90323 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до транспортування багатофазових середовищ системою промислових та міжпромислових трубопроводів, зокрема сумішей сирої нафти, води, газу, газового конденсату, і може використовуватись для прогнозування розподілу величин робочого тиску в трубопроводі, режимів роботи насосно-компресорного обладнання, пошуку і ліквідації витоків продукту через негерметичність обладнання. Відомий спосіб визначення гідравлічного стану трубопроводів, що транспортують газорідинні суміші [ВСН 51-3-85 Ведомственные строительные нормы. Проектирование промысловых стальных трубопроводов. - Мингазпром, 1985], за яким розраховують градієнт тиску, завдяки якому забезпечується рух газорідинної суміші по висхідних і низхідних ділянкам трубопроводу, а складова втрат тиску на тертя визначається відповідно до однієї із структур руху: розшарованої, пробкової, кільцевої, що описується безрозмірними критеріями потоку. Використання цього способу обмежено визначенням лише однієї величини перепаду тиску між початковою і кінцевою точкою трубопроводу, яка складається із суми градієнтів тиску на його ділянках різної орієнтації в просторі, що складають трубопровід. Цю величину в подальшому використовують для визначення кінцевого тиску, підбору насосів або вибору оптимального діаметра труб в процесі проектування складної трубопровідної системи для транспортування газорідинних сумішей. Однак, використати представлений спосіб в процесі експлуатування трубопровідної системи неможливо. Найбільш близьким аналогом є спосіб визначення гідравлічного стану газопроводів, які транспортують газорідинні суміші [Патент України № 36414 U, МПК FI7D 5/00], який включає визначення перепаду тиску по довжині газопроводу шляхом виконання розрахунку по еквівалентних ділянках траси, що являють собою послідовність низхідних і висхідних ділянок, при цьому при визначенні структури газорідинної суміші враховують безрозмірний комплекс швидкості потоку, а для визначення гідравлічного стану кожної з ділянок для кожного виду руху газорідинної суміші використовують окремий алгоритм розрахунку. Однак, цей спосіб також не враховує пульсацій тиску, що викликані утворенням газових мішків в перевальних точках трубопроводу, локалізацію найбільш щільної складової газорідинної суміші та її перерозподіл між ділянками трубопроводу за рахунок зміни амплітуди пульсацій. В основу корисної моделі поставлена задача визначення параметрів гідравлічного стану трубопроводів, що транспортують багатофазове середовище, з урахуванням фактичного гідравлічного опору ділянок трубопроводів, надлишкового перепаду тиску та амплітуди його пульсацій, що викликаються наявністю газових шапок в перевальних (сідлових) точках, об'єму вивільненого або зменшеного простору у внутрішній порожнині трубопроводу та відповідної цьому об'єму маси суміші, що приймає участь у циклі розширення-стискання газових шапок. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що масу рідини, яка займатиме вивільнений простір у внутрішній порожнині трубопроводу або виштовхуватиметься залежно від об'єму цього простору, який циклічно стискається-розширюється в процесі перекачування рідинно-газового потоку відповідно до величин амплітуди і частоти зміни робочого тиску, визначають базуючись на оперативних даних про параметри цього потоку: робочому тиску, температурі, витраті і густині потоку, за алгоритмом, який включає визначення структури рідинно-газового потоку, відповідних йому коефіцієнтів гідравлічного опору, фактичних і розрахункових величин втрат тиску та рівня коливань тиску протягом часу проведення досліджень. Спосіб передбачає визначення характеристик по різному орієнтованих ділянок в просторі, що складають трасу трубопроводу, кутів їх нахилу до горизонтальної поверхні, висот перевальних точок і найбільш понижених місць, які формують повздовжній план-профіль рельєфного трубопроводу, побудову лінії зміни тиску в трубопроводі по перевальних точках. Для визначення лінійних втрат тиску на низхідних та висхідних ділянках трубопроводу, кожне із значень тиску проектується на перевальну точку на плані-профілі траси із одночасним фіксуванням довжин дзеркала найщільнішої складової багатофазової суміші в понижених місцях трубопроводу. Для кожної конкретної ділянки трубопроводу відповідно до орієнтації в просторі та за відомими формулами вибирається структура руху рідинно-газового потоку, відповідно до якої визначаються фактичні коефіцієнти гідравлічного опору і розрахункові втрати тиску. Фактичний коефіцієнт гідравлічного опору усереднюють по довжині досліджуваних ділянок. Втрати тиску, що зумовлюють фактичний гідравлічний стан трубопроводу, розраховують за формулою Дарсі та усереднюють значення початкового тиску за часом проведення досліджень. Оцінюють фактичну амплітуду тиску на початку ділянки: і сер Pпульс  Pпоч  Pпоч , 1 UA 90323 U де і і сер Pпоч , Pпульс  Pпоч  Pпоч 5 - фактичні і усереднені величини тиску протягом часу проведення досліджень, Па та частоти коливань робочого тиску, як проміжку часу між двома піковими протилежними значеннями робочого тиску відносно усередненої величини. Розраховують функцію критичного кута для маси рідини, що знаходиться у стані спокою і приводиться у збудження при зміні тиску, викликаної пульсацією газової шапки: Ф1 (Ф кр )  2 4 2  к w c (P  Pпульс ) Р  Pпульс  zRTDg cos   в   zRT      , де 10 15 20  к - коефіцієнт Коріоліса; P - тиск суміші на ділянці трубопроводу, Па; R - питома газова стала, Дж/кг-К; T - температура суміші на ділянці трубопроводу, К;  - середньозважений кут нахилу висхідних ділянок трубопроводу до горизонтальної поверхні, рад; 3  в - густина води, як найбільш щільної складової суміші, кг/м . Рух локалізованих в нижніх точках трубопроводу забруднень за рахунок зміни тиску відбувається при досягненні критичного значення половини центрального кута до дзеркала рідини. За технічною характеристикою трубопроводу відповідно до поздовжнього плану-профілю траси визначають зміну об'єму газової шапки та відповідну йому зміну довжини дзеркал рідини s, яка рухається у вигляді пробки при стисканні газової шапки, і і Sпульс  25 si  Pпоч . і Рпоч  Ріпоч Розраховують об'єми та маси суміші, що займають вивільнений простір у внутрішній порожнині трубопроводу на кожній окремій ділянці: D2 2кр  sin 2кр sіпульс , 4 m i  V i   c V i  та допустиму величину амплітуди пульсацій тиску, що відповідає циклу стисненнярозширення газової шапки без перерозподілу мас рідини: 30 [Pпульс ] g  c  D  40  (1  )Frc  e f де f ,  - параметричні коефіцієнти потоку; Pпульс - амплітуда пульсацій тиску, Па. 35 Перевіряють умови критичного зменшення газової шапки, яке відповідає процесу перерозподілу мас рідини і звільнення простору в порожнині трубопроводу, що займається рідиною: i Pпульс  [Pпульс ] . У разі виконання умови об'єм рідини і відповідна зміна маси суміші на кінцевій ділянці трубопроводу відповідають залповому викиду: 40 Vкр D2  (2кр  sin 2кр )s  4 V  mкр  кр с ,   2 UA 90323 U де  - частота пульсацій, різниця між максимальним і мінімальним значенням робочого тиску 5 10 15 20 25 30 відносно усередненого значення. Перерозподіл мас рідини цього критичного об'єму є залповим викидом рідини з пониженого місця (коліна трубопроводу) і носить періодичний, змінний у часі і по довжині характер та залежить від пульсації робочого тиску, викликаної стисканням-розширенням газової шапки в перевальних точках, тому маса суміші, яка за час t буде надходити від початкової точки трубопроводу до його кінцевої точки при виконанні умов пульсації тиску та залпових викидів рідини відрізнятиметься на якусь величину  mкр . Застосування корисної моделі, що заявляється, дозволяє моделювати та регулювати технологічний режим експлуатації роботи потенційно-небезпечних ділянок трубопроводів, експлуатація яких супроводжується надходженнями великих мас рідини, різкою зміною робочого тиску, що може призводити до аварійної зупинки обладнання, припинення процесу видобування вуглеводнів і забруднення навколишнього середовища. Крім того, реалізація способу дає змогу зменшити часові ресурси на попередження та локалізацію аварійних ситуацій, вчасно приймати рішення щодо запровадження комплексу заходів з підвищення ефективності роботи ділянок трубопроводу, що транспортує багатофазове середовище. Для пояснення суті запропонованого способу на фіг. 1 зображено поздовжній план-профіль траси трубопроводу і зміна його робочого тиску; на фіг.2 - вид А на фіг 1, де 1-газовуглеводнева суміш, 2- вуглеводнева рідина (газовий конденсат), 3- технічна рідина (вода, забруднення); на фіг.3 - залежність функціональної умови Ф1(Фкр ) . Запропонований спосіб використано під час обстеження стану трубопроводу, що транспортує багатофазове середовище, до складу якого входять: конденсат, сліди води, сліди нафти, газ. Термін проведення досліджень - 30 діб. Після визначення характеристик ділянок, що складають трасу трубопроводу, побудовано лінію зміни тиску в трубопроводі, яка спроектована на перевальну точку на плані-профілі траси (фіг. 1), із одночасним фіксуванням довжин дзеркала найщільнішої складової багатофазової суміші "s" в найбільш понижених місцях трубопроводу. За відомими формулами для кожної ділянки вибрано структуру руху рідинно-газового потоку та визначено фактичні коефіцієнти гідравлічного опору і розрахункові втрати тиску. Отримані дані зведено у таблицю 1. Таблиця 1 Середньозважені параметри гідравлічного стану: маса суміші в початковій точці трубопроводу, кг/год. 2 початковий тиск (надлишковий), кгс/см 2 кінцевий тиск (надлишковий), кгс/см початкова температура продукту, °C кінцева температура продукту, °C 3 густина продукту на вході в трубопровід, кг/м 3 густина продукту на виході з трубопроводу, кг/м Технічна характеристика ділянок трубопроводу загальна довжина (відповідно до рельєфу місцевості), м діаметр х товщина стінки Загальна кількість ділянок різної орієнтації в просторі, що формують одну із форм руху газорідинної суміші з них: висхідних низхідних понижених перевальних Форми руху потоку: для низхідних ділянок 3 2,12 19,31 17,72 17,44 15,54 728,87 726,35 27504,6 0-21,8 км - 159×8,0 21,8-27,5 км - 114×14 18 4 14 4 4 розшарований UA 90323 U Продовження таблиці 1 хвильовий (перехідний між пробковим та розшарованим рухом) для висхідних ділянок Швидкість руху газорідинної суміші (середньозважена по ділянках), м/с до переходу діаметра на 21,8 км трубопроводу після переходу діаметра на 21,8 км трубопроводу Час проходження суміші від початкової до кінцевої точки трубопроводу, годин/ діб Допоміжні гідравлічні параметри по газовій складовій: об'ємний газовміст, частки одиниць 3 густина газу при робочих умовах, кг/м 3 об'ємна витрата газу, м /с Критерії подібності: Число Фруда суміші Число Фруда суміші по рідині Число Рейнольдса по рідині Режим руху рідинної складової Число Рейнольдса (газове) Режим руху газової складової Розрахункові параметри режиму транспортування багатофазової суміші: відносний вміст рідини в потоці відносний вміст газу в потоці частина перерізу трубопроводу, зайнята газовою складовою (середньозважена по довжині груби), град Гідравлічний діаметр (зайнятий рідинною складовою),м Середньозважений коефіцієнт гідравлічного опору руху потоку 3 Геометричний об'єм трубопроводу, м 5 0,05 0,13 117,24/4.88 0,27 15.90 0,00 0,01 0,20 5.89 ламінарний 1304,42 ламінарний 0,65 0,35 148,93 0,07 0,13 336,13 Відповідно до фактичного режиму роботи визначено початковий тиск за часом проведення досліджень та фактичну амплітуду тиску на початку ділянки. За значеннями функції критичного кута побудовано функціональну залежність половини центрального кута для знаходження його критичних значень кр (фіг. 3). Відповідно до технічних характеристик ділянки, оперуючи даними технологічного режиму, визначено зміну об'єму газової шапки, відповідну йому зміну довжини дзеркал рідини, об'єм і масу суміші, що займає вивільнений простір. Перевірено справедливість виконання умови: 10 15 Ріпульс  [Pпульс ] . Визначено об'єм рідини і відповідна зміна маси суміші на кінцевій ділянці трубопроводу, які відповідають умові залпового викиду. Отримані дані зведено у таблицю 2. Таким чином, за різницею мас суміші, що приймають участь в циклі розширення-звуження газового мішка та надходять на приймання насосів в кінцевій точці, зроблено оперативний висновок щодо розгерметизації обладнання. Спосіб визначення гідравлічного стану трубопроводів, що транспортують багатофазове середовище, може бути використаний у нафтогазовидобувній та нафтохімічній промисловостях в процесі їх проектування та експлуатації для оцінки параметрів квазістаціонарного режиму експлуатації з метою попередження виникнення аварійних ситуацій. 4 UA 90323 U 5 UA 90323 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб визначення гідравлічного стану трубопроводів, що транспортують багатофазові середовища, який включає визначення перепаду тиску по довжині газопроводу шляхом виконання розрахунку по еквівалентних ділянках траси, що являють собою послідовність низхідних і висхідних ділянок, при визначенні структури газорідинної суміші на яких враховують безрозмірний комплекс швидкості потоку, а для визначення гідравлічного стану кожної з ділянок для кожного виду руху газорідинної суміші використовують окремий алгоритм розрахунку, який відрізняється тим, що за коливаннями робочого тиску відносно його усереднених даних протягом часу проведення досліджень визначають амплітуду і частоту циклу стисканнярозширення газових мішків у перевальних точках трубопроводу, яку порівнюють із допустимими значеннями, фіксують тип пульсацій і, відповідно до циклу стискання газового мішка, визначають об'єм та масу рідини, що займає вивільнений простір або, відповідно до циклу розширення, виштовхується з порожнини трубопроводу. 6 UA 90323 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7