CC BY
9
Пивень В.П. Научная поддержка управленческих решений на этапе аванпроекта магистрального газопровода и в процессе анализа его эффективности/ В.П. Пивень // Управлшня проектами та розвиток виробництва. Зб.наук.пр. - Луганськ: вид-во СНУ iM. В.Даля, 2003.- № 4(8).- C.70-78._'_
УДК 658.5
В.П. Пивень
НАУЧНАЯ ПОДДЕРЖКА УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ЭТАПЕ АВАНПРОЕКТА МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА И В ПРОЦЕССЕ АНАЛИЗА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ
Разработана методика проектирования новых МГП и реализующий ее алгоритм, позволяющие получить серии зависимостей расстояния между КС от диаметра трубопровода при различной производительности МГП для различных пар начальных и конечных давлений на входе и выходе ГПА определенного типа. Рис. 3, ист. 3.
В.П. ^вень
НАУКОВА П1ДТРИМКА УПРАВЛ1НСЬКИХ Р1ШЕНЬ НА ЕТАП1 АВАНПРОЕКТУ МАГ1СТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДУ I В ПРОЦЕС1 АНАЛ1ЗУ ЙОГО ЕФЕКТИВНОСТ1
Розроблено методику проектування нових МГП i реалiзуючий ТТ алгоритм, яю дозволяють отримати серп залежностей вщстаы мiж КС вщ дiаметра трубопроводу при рiзнiй продуктивностi МГП для рiзних пар початкових i кiнцевих тискiв на входi и виходi ГПА визначеного типу. Рис. 3, дж. 3.
V.P. Piven'
SCIENTIFIC SUPPORT FOR MANAGERIAL DECISIONS AT A PILOT PROJECT STAGE IN GAS-MAIN PIPELINE (GMP) SPHERE AND ITS EFFICIENCY ANALYSIS
The new technique for GMP designing and the algorithm implementing it are developed. It allows to receive the series of dependences of distance between CP from diameter of the pipeline at various GMP productivity for various initial and final pressure pairs on entrance and exit of the indicated gas compressor unit.
Постановка и исследование проблемы. Научная поддержка управленческих решений на этапе аванпроекта магистрального газопровода (МГП) и в процессе анализа его эффективности при реконструкции или модернизации заключается в системном использовании методик технологических расчетов его линейной части и оборудования компрессорных станций (КС), а также существующих прайс-релизов и справочных данных на это оборудование [1, 2].
Технологические расчеты включают в себя: определение пропускной способности МГП; выбор типа газоперекачивающего агрегата (ГПА); определение диаметра газопровода и толщины стенок труб; гидравлические расчеты.
Основными параметрами КС являются: количество компремированного газа; давление газа и его температура на входе и выходе; мощность ГПА; мощность КС.
"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 4(8)
1
Цель статьи. Для проектирования новых МГП и анализа эффективности действующих необходимо разработать методику, позволяющую определить основные параметры МГП, располагая определенным количеством исходных данных. К числу таковых в первую очередь относится производительность МГП Qгод [млрд. м3/год], являющаяся базовой для проектирования МГП.
В основу методики могут быть положены зависимости, приведенные в справочнике [2], в котором собран и большой объем фактических данных. Однако приведенные в [2] формулы содержат неточности в размерностях и не объединены в последовательную методику, позволяющую проектировать МГП на начальной стадии проекта.
В связи с этим ниже предложена такая методика, включающая в себя зависимости, в том числе и заимствованные из [2], лишенные указанных выше недостатков.
Основная часть исследования. Входящие в КС МГП ГПА имеют ряд технических характеристик, среди которых на первой стадии проектирования из всех характеристик ГПА задействованы только давление газа на входе и выходе
Рн и Рк ■
Кроме этого, уже на начальной стадии проектирования используется целый ряд параметров и констант, к числу которых относятся: й - диаметр трубы, м; Е - коэффициент гидравлической эффективности; К - эквивалентная шероховатость труб, м; Тн - начальная температура газа, К; Тгр - температура
земли (грунта), К; рд - плотность газа при нормальных условиях, кг/м ; р0 -
нормальное давление, МПа; То - нормальная температура, К; Ср - удельная
теплоемкость газа, Дж/кгК; Xт - коэффициент теплопроводности грунта, Вт/мК;
Нд - глубина залегания трубопровода, м; Ув - скорость ветра, м/с.
Потери на трение при движении газа по трубопроводу постоянного сечения равны [3]
у2 ^
рн - Рк =Х—1. (1)
где X - коэффициент трения; р - плотность газа, кг/м3; V - скорость течения
газа, м/с; Ь - длина участка газопровода (расстояние между КС), м; й -диаметр газопровода, м.
Считая, что скорость течения газа V выражается через пропускную способность ГПА (расход через сечение трубы) д как
у. (2)
с учетом (1) получим:
Р Ъй2
д = —1= й ' 2у/2 V
Рн Рк (3)
ХрЬ
2
"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 4(8)
Тогда зависимость расстояния между КС от диаметра газопровода будет иметь вид
¿ = ^ ^ Рн ~ Рк (4)
8 д 2 Хр . ( )
При расчетах в зависимости (4) под Х и р следует принимать средний коэффициент трения и среднюю плотность газа, а пропускная способность ГПА д отнесена к потоку газа средней плотности рср .
Так как
Рн рср
рнТн рсрТср то среднюю плотность газа можно выразить формулой
(5)
_ РсРТн_ Рср То
рср рн-— "р0-— , (6)
Рн * ср Ро * ср
где ро,Ро,То - соответственно плотность, давление и температура газа при
нормальных условиях.
С учетом формулы (6) зависимость (4) приобретает вид
— (Рн ~Рк}Р0Тср
8 д2 ХРоРсрт0 Среднее давление в газопроводе рср определяется по формуле [2]:
_ 2 Рср " 3
( 2 Л
Рн
Рн + Рк
(8)
а коэффициент гидравлического сопротивления Х равен
Х = 1,о5Х щр (9)
Е 2
где Х тр - коэффициент сопротивления трения; 1,05 - поправочный
коэффициент для учета сопротивления линейных кранов; Е - коэффициент гидравлической эффективности (Е =0,95 при периодической очистке газопровода; Е =0,92 при отсутствии очистки).
"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 4(8)
3
В соответствии с рекомендациями [2] коэффициент гидравлического сопротивления Xтр определяется по формуле
158 2K Л °'2 X тр = °,°67^ — + — J , (Ю)
где Re - число Рейнольдса; K - эквивалентная шероховатость труб, м (K =310-5 м для новых труб); d - диаметр труб, м. С учетом (2) число Рейнольдса равно
Re = ^, (11)
radp,
где ц - динамическая вязкость газа, Пас.
Средняя динамическая вязкость газа аппроксимируется выражением [2]
цср = 1°-6 (°,°32Т + °,°°175р + 0,166), (12)
где Т - температура, К; р - давление, МПа.
Средняя температура газа с учетом эффекта Джоуля-Томсона равна
Т - Т 2 _ 2 | ,
Tcp = Тр + [1 - exp(- а!)] - D * p^f J1 [l - exp(- al) J , (13)
al 2 рср aL { aL
где Тгр - температура грунта на глубине залегания трубопровода, К;
а = "~m~ ; (14)
%Ктй
дроС
Кт - коэффициент теплоотдачи от газа в землю, Дж/м2К; д - расход газа, м3/с; Ср - удельная теплоемкость газа, Дж/кгК. Температура газа в конце участка равна
2 _ 2
Тк = Тгр + Тн - Тгр [1 - ехр(- аЬ)] - Б* [1 - ехр(- аЬ)], (15)
2 рср аЬ
где В* - коэффициент Джоуля-Томсона.
Величина В * может быть определена по зависимости [2], К/МПа:
В*= 0,098Т - Тк) ■ (16)
рн - рк
4 "Управлiння проектами та розвиток виробництва", 2003, № 4(8)
Коэффициент теплоотдачи от газа в землю определяется как
К _ Х т Кт = ,
а
о,8 +
' а
к
у кпР )
где Хт - коэффициент теплопроводности грунта, Вт/мК; кпр - приведенное расстояние от поверхности земли до оси трубопровода, м. Для определения кпр используется зависимость
кпр = ко +
Х
т
а.
(18)
где ко - расстояние от поверхности земли до оси трубопровода, м; ав
2
коэффициент теплоотдачи от поверхности земли в воздух, Вт/м К. Коэффициент теплоотдачи ав вычисляется как [3]
ав = 5,6 + 4Ув,
(19)
где Ув - среднемесячная (сезонная) скорость ветра, м/с.
Приведенных выше формул вполне достаточно для методики определения серий зависимостей расстояния между КС Ь от диаметра труб МГП а при различных производительности Q и перепадах давления до нагнетателя рн и
за нагнетателем рк.
Суть методики состоит в обеспечении вычислительного процесса Ь = / (а) по формуле (7) для ряда фиксированных значений (рн — рк) и д или Q с
возможностью последующего построения графиков, позволяющих осуществить в дальнейшем выбор оптимальных параметров МГП по их стоимостным оценкам.
Алгоритм предлагаемой методики реализуется в такой последовательности.
1. По формуле (18) определяется приведенное расстояние от поверхности земли до оси трубопровода кпр .*)
2. По формуле (17) определяется коэффициент теплопередачи от газа в землю Кт, для чего в нее вводится полученное в п. 1 значение кпр , а также
значение внутреннего диаметра трубопровода из диапазона выпускаемых отечественной промышленностью и поставляемых из-за рубежа (о,4 < авн < 1,4 м).
В этом пункте и далее не указываются вводимые известные (исходные) параметры,
которые показаны стрелками на блок-схеме алгоритма рис. 1 (см. ниже)._
"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 4(8) 5
3. По формуле (8) определяется среднее давление в МГП рср, для чего в формулу вводится пара значений начального и конечного давления р^ и рщ, где у = 1,2,..., к - пары, соответствующие поставляемым ГПА.*)
4. Полученное в п. 2 значение Кт и в п. 3 значение рср вводятся в
формулу (14), в которую также вводится значение внутреннего диаметра газопровода. В результате определяется коэффициент а ■
5. По формуле (13) после введения полученного в п. 4 а и введения произвольного (начального) значения расстояния между КС Ь , которое в последующем корректируется (см. ниже), определяется средняя температура Т
6. Полученное в п. 5 значение ТСр вводится в формулу (12) совместно со значением рср , определенным в п. 3, после чего определяется среднее значение динамической вязкости дср , поставляемое в формулу (6).
7. По формуле (6) определяется значение средней плотности газа рср, поставляемое в формулу (11).
8. По формуле (11) после введения полученных в п. 6 дср и в п. 7 рср
определяется среднее значение числа Рейнольдса Яе .
9. По формуле (11) после введения полученного в п. 8 Яе определяется коэффициент гидравлического сопротивления X.
10. Значение X подставляется в формулу (7), по которой определяется уточненное расстояние между КС Ь.
11. Значение Ь вводится в формулу (13).
12. Повторяется цикл пп. 5-11 до тех пор, пока значения Ь и Ц+1 не будут отличаться на наперед заданную точность расчета (1...3 %).
Блок-схема описанного выше алгоритма определения зависимости Ь = / (ё) представлена на рис. 1.
Приведенные выше методика и реализующий ее алгоритм позволяют получить серии графиков зависимости Ь =/(ё) при различной производительности МГП для различных пар начальных и конечных давлений на входе и выходе ГПА определенного типа.
*) Эти значения приводятся в справочной литературе, например, [2].
6
"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 4(8)
а/
д, Ро ,с
р
ы
С2
(15)
я
в
Ь
аI
к
пр
(17)
\ Кт
(14)
а
Р
(8)
ср
(13)
Т.
ср
(12)
№ср
ср
(11)
I Яв
Рср
Рср
'Рн] , рк]
Рср
(6)
(9)
Е, К
Х
(7)
ТЬ= f (а)
Рис. 1. Блок-схема алгоритма определения Ь = f (а) с учетом эффекта Джоуля-Томсона
Алгоритм, приведенный выше, реализован программой «1^Р», с помощью которой получены серии зависимостей Ь = f(d) для различныхрн и рк .
В качестве примера на рис. 2 и 3 приведены серии для МГП первого класса (2,5 < рраб < 1о МПа).
На рис. 2 и 3 показаны точки, соответствующие Ь и а функционирующих МГП «Прогресс» и «Долина - Ужгород - Госграница». Отклонение точек от соответствующих кривых составляет соответственно 8,7% и 15,9%.
■ '
"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 4(8)
7
ё, м
Рис. 2. Зависимость Ь = / (ё) при рн =10 МПа, рк =4 МПа
при производительностях МГП:
1 - 24 млрд м3/год;
2 - 28 млрд м3/год;
3 - 32 млрд м3/год;
* - МГП «Прогресс» Q =27 млрд. м3/год
8
"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 4(8)
100000
80000
60000
40000
20000
1 \ 7
>
Г/
\
3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
ё, м
Рис. 3. Зависимость Ь = / (ё) при рн =7 МПа, рк =4 МПа при производительностях МГП:
1 - 24 млрд м3/год;
2 - 28 млрд м^год;
3 - 32 млрд м /год; * - МГП «Долина - Ужгород - Госграница» Q =28 млрд. м3/год
Выводы. Анализ динамики изменения числовых значений параметров позволяет сделать некоторые выводы :
- эффект Джоуля-Томсона практически не проявляется во всем диапазоне изменения параметров 0,43 < ё < 1,62 м (отклонения значительно меньше 1%);
- различие средней температуры газа Тср и его температуры в конце
участка Тк составляет при 0,43 < ё < 1,62 м значительно меньше 1% и может не учитываться;
- сходимость процесса в алгоритме в цикле пп. 5-11 составляет не более 3 - 5 итераций и не зависит от величины вводимого начального значения Ьо;
- корректность предложенной методики проверена на частных примерах действующих МГП «Прогресс» и «Долина - Ужгород - Госграница», свидетельствующих о сравнительно малых отклонениях теоретически определенных соотношений параметров Ь и ё от реальных при близких к реальным для этих МГП давлениях рн и рк, что свидетельствует о
приемлемости методики для анализа характеристик на этапе аванпроектов новых МГП, а также оценочных расчетов при глубокой реконструкции действующих.
0
"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 4(8)
9
ЛИТЕРАТУРА
1. Пивень В.П. Некоторые вопросы обоснования формирования программ модернизации и реконструкции газотранспортной системы Украины // Технологические системы: Науч-технич. журнал. - К.: УкрНИИАТ, 2003. - Вып. 2(18), С. 65-70.
2. Довщник пра^вника газотранспортного пщприемства / За загальн. ред. А.А. Рудника. -К.: Росток, 2001. - 1091 с.
3. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - 520 с.
Стаття надмшла до редакцп 15.12.2003 р.
10
"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2003, № 4(8)
