CC BY
17OPERATION AND MAINTENANCE OF PIPELINES
УДК 658.264
Ю.Д. Земенков, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой транспорта углеводородных ресурсов Института транспорта, Тюменский государственный нефтегазовый университет; Б.В. Моисеев, д.т.н., профессор, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет; С.М. Дудин, ассистент, Тюменский государственный нефтегазовый университет; Н.В. Налобин, к.т.н., доцент, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет
Методика определения оптимальной толщины изоляции наземных трубопроводов
В предлагаемой работе уточнена методика тепловых расчетов трубопроводов на базе полученных новых результатов. Для определения оптимальной толщины изоляции наземных трубопроводов предложена целевая функция. Получены зависимости целевой функции от толщины изоляции трубопроводов.
ВВЕДЕНИЕ
Обустройство нефтяных и газовых месторождений требует сооружения различных трубопроводов (водопроводов, газопроводов и нефтепроводов) при наземной прокладке. Для поддержания необходимых параметров технологических сред в трубопроводах их покрывают тепловой изоляцией. В ЗАО «Сибпромкомплект» (Тюмень) действует новый цех теплогидроизоляции для нефте- и газопроводов диаметром от 420 до 1220 мм. Для выбора оптимальной толщины изоляции трубопроводов необходимо иметь методику расчета. В предлагаемой статье уточнена методика тепловых расчетов трубопроводов на базе полученных новых результатов.
Ключевые слова: трубопровод, теплоизоляция.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассмотрим расчетную модель по определению оптимальной толщины изоляции трубопровода (рис. 1). Температура теплоносителя на входе принимается V. Если температура теплоносителя на входе равняется ¥, то его температура в сечении с координатой «х» определяется аналогом формулы Шухова:
^^КЮ^НДОМ-г-) , (1)
хар
где 1хар - параметр с размерностью «м», определяющий скорость падения температуры теплоносителя по длине трубопровода и вычисляемый по формуле:
2яЛ 4 Du > '
(2)
где G, С, V - массовый расход, удельная теплоемкость и входящая температура теплоносителя; 8, А, - толщина и
г из из ^
теплопроводность ППУ-изоляции; Dн, L - наружный диаметр и длина трубопровода; ^ (т) - температура наружного воздуха в момент времени т. При выводе формулы (2) учитывается, что вследствие низкого термического сопротивления металлической стенки трубопровода и высокого значения коэффициента вынужденного конвективного теплообмена на внутренней поверхности трубопровода полное сопротивление теплопередачи от теплоносителя к наружному воздуху определяется в основном термическим сопротивлением изоляции.
Рис. 1. Расчетная модель по определению оптимальной толщины изоляции трубопровода
ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 3 март 2014
77
ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ ТРУБОПРОВОДОВ
Линейная плотность теплового потока может быть определена с помощью уравнения (1):
1п[0"+25»
(3)
Далее выберем достаточно короткий участок трубопровода длины и определим мощность теплопотерь на этом участке:
0(1>!К(хд)с1х=
=6С[^н(т)][1-ехр(-т^)].
I.
(4)
Составим следующую стоимостную целевую функцию Ф1(11) для участка длины 11 [1,2]:
Ф(1l)=Фo(1l)+Фl(1l) + CизVиз(1l) + CQТQ(1l),
(5)
где Ф0 (11) - полные капитальные затраты при строительстве трубопровода за вычетом стоимости теплоизоляции; Сиз, СQ - соответственно удельные стоимости теплоизоляции (в руб./м3) и те-плоэнергии (в руб./Дж); Vиз(l1) - объем изоляции на участке Т - нормативный срок окупаемости дополнительных капиталовложений. Vиз находится из соотношения:
V (1)=1^н5 + 82 )1. (6)
из* и * Н из из' 1 _ * '
Оптимальная толщина изоляции 5из находится из условия минимума целевой функции Ф (11):
(18
=0
(7)
и является корнем следующего нелинейного уравнения:
ЛСиз(0н+25из)-СаТ6С[^н(т)]ехр
ехр(-—)—. ^ I Т с!5
хар хар из
(8)
Рис. 2. График зависимости целевой функции от толщины изоляции
После этого выбирается следующий участок трубопровода длины 12, для него составляется аналогично (5) целевая функция Ф(12), при этом входной температурой теплоносителя для этого участка является ^у^/г). Минимизируя Ф(12), находим оптимальную толщину 5 изоляции на этом участке и т.д.
В таблице приведены значения полученных параметров при следующих расчетных данных (на примере теплопровода): йн=0,159 м; С=4250 Дж/(кг.К); L=10 км; G=13 кг/с; А,из=0,036 Вт/(м-К); 5из=45 мм; 1:н( х)=-30 0С (Новый Уренгой, январь) [4, 5]. Для выяснения «остроты» - минимума вычислим по предлагаемой методике
Таблица. Значения параметров, полученных при оптимизации целевой функции на участках разбиения 1.
По найденному из (8) значению 5из из (2) определяется значение 1хар, что позволяет, в свою очередь, из (1) вычислить температуру теплоносителя ^(^д) в сечении х = 11.
1, км 8,, из, мм 1 , км 1, хар' 1',, 0С 1'',, 0С ФЦ, руб.
2,0 46,6 113,3 115 112,5 1,52
2,0 46,3 112,63 112,5 110 1,51
2,0 45,9 111,9 110 107,5 1,49
2,0 45,6 111,3 107,5 105,1 1,48
2,0 45,2 110,4 105,1 102,6 1,46
ЕФ^. = 7,46
78
№ 3 март 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
Ощутите прогресс.
Преимущества трубоукладчиков ЫеЬИегг:
■ Мощная бесступенчатая гидростатическая трансмиссия
■ Кабина повышенной комфортности и управление посредством джойстиков
■ Высокий отклик и точная работа гидравлики
■ Безопасность: защита кабины от опрокидывания в серийной комплектации
Москва: тал.: (495) 710 83 65, факс: 710 83 66 ^^^^^^ ^^^^^^ ^^^^^^^^^
РСК»: тал.: (495) 710 74 10. факс: 710 74 04 Я Щ
Санкт-Пвтарбурп тал.: (812) 448 84 10, факс: 448 8411
Краснодар: тал.: (861) 238 60 07, факс: 238 60 08
Екатеринбург: тал.: (343) 345 70 50. факс: 345 70 52
Новосибирск: тал.: (383) 230 1040, факс: 2301041
Камарово: тал.: (Э842) 34 59 00, факс: 34 64 65
Хабаровск: тал.: (4212) 74 78 47, факс: 74 78 49 ^^^^
^¡^^^НГ^Е^Е^г^ЕГГ...»3..., Группа компаний
www.llabherr.ru ■ '
на правах рекламы
ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ ТРУБОПРОВОДОВ
Рис. 3. Производная функции цели
значения Ф1(Ь) для 11=Ь при минималь ном и максимальном значениях 5. ;
1,из
Вт1пиз= 45,2 мм Ф1 (Ц) = 7,3 млн руб.
5тахиз= 46,6 мм Ф2 (Ц) = 7,6 млн руб.
При различных параметрах авторами были выполнены расчеты и по предла-
гаемому алгоритму построены зависимости, которые приведены на рисунках 2 и 3.
Анализ полученных значений целевой функции показывает, что минимум целевой функции является достаточно пологим, что обеспечивает свободу в выборе толщины изоляции. Проведенные исследования позволяют аналитически обосновать определение оптимальной толщины изоляции трубопровода при надземной прокладке и решить вопросы энергосбережения. Исследования и выполненные расчеты по наземной прокладке трубопроводов позволили авторам дать рекомендации, направленные на снижение энергопотребления и увеличение надежности трубопроводов.
Исследования выполнялись на основании целевой и комплексной программы «Нефть и газ Западной Сибири».
UDC 658.264
Yu.D. Zemenkov, Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Head of the Chair for Transportation of Hydrocarbon Resources of the
Institute of Transport, Tyumen State Oil and Gas University; B.V. Moiseev, Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Tyumen State
University of Architecture and Civil Engineering; S^. Dudin, Assistant, Tyumen State Oil and Gas University, e-mail: srghome@mail.ru;
N.V. Nalobin, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, e-mail: kpt@tgasu.ru, Tyumen State University of Architecture
and Civil Engineering
Optimum Thickness Definition Technique Of Ground Pipelines Isolation
In the suggested work the technique of thermal calculations of pipelines is specified on the basis of the received new results.
For definition of optimum thickness of ground pipelines isolation the objective function is offered. The dependences of objective
function from thickness of pipelines isolation are received.
Keywords: heat pipeline, heat insulation.
References:
1. Bogoslovsky V.N. Stroitel'naya teplofizika (Construction thermophysics). - Moscow: Vysshaya Shkola, 1982. - 415 p.
2. Zemenkov Yu.D., Moiseev B.V., Ilyukhin K.N., Nalobin N.V. Matematicheskaya model' temperaturnogo rezhima truboprovodov v vechnomerzlykh gruntakh (Mathematical model of temperature conditions of the pipelines in permafrost soils) // News of higher education institutions. Oil and gas. - 2012. - No. 4. - P. 96-99.
3. Ilyukhin K.N., Nalobin N.V. Povyshenie energoeffektivnosti i snizhenie teplopoter' v sistemakh teplosnabzheniya neftegazovykh ob'ektov na severe Zapadnoi Sibiri (Improvement of energy efficiency and reduction of heat losses in the heat supply systems of oil and gas facilities in the north of Western Siberia). - Saint Petersburg: Nedra LLC, 2007.
4. SNiP 41-03-2003 «Teplovaya izolyatsiya oborudovaniya i truboprovodov» («Heat insulation of equipment and pipelines»). - Moscow: Gosstroy, 2004. - 29 p.
5. SNiP 41-02-2003 «Teplovye seti» («Heating systems»). - Moscow, 2004. - 39 p.
6. Examination of thermal processes at pipeline transport facilities: Training manual / Under general editorship of Yu.D. Zemenkov. - Tyumen: Vector Book Publishing House, 2008. - 224 p.
Литература:
1. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. - М.: Высш. шк., 1982. - 415 с.
2. Земенков Ю.Д., Моисеев Б.В., Илюхин К.Н., Налобин Н.В. Математическая модель температурного режима трубопроводов в вечномерзлых грунтах // Известия вузов. Нефть и газ. -2012. - № 4. - С. 96-99.
3. Илюхин К.Н., Налобин Н.В. Повышение энергоэффективности и снижение теплопотерь в системах теплоснабжения нефтегазовых объектов на севере Западной Сибири. - СПб.: ООО «Недра», 2007.
4. СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов». - М.: Госстрой, 2004. - 29 с.
5. СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети». - М., 2004. - 39 с.
6. Исследование тепловых процессов на объектах трубопроводного транспорта: Учебное пособие / Под общей редакцией Ю.Д. Земенкова. - Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2008. - 224 с.
80
№ 3 март 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
