Определение параметров самотечного опорожнения трубопровода с помощью интегральной модели истечения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.692.4

https://doi.org/10.24411/0131-4270-2018-10402

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ САМОТЕЧНОГО ОПОРОЖНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА С ПОМОЩЬЮ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ИСТЕЧЕНИЯ

В.М. ГАЛЛЯМОВ, ведущий инженер

АО «Транснефть-Урал» (Россия, 450077, Республика Башкортостан, г Уфа, ул. Крупской, д. 10).

И.Т. АЙДАГУЛОВ, магистр Т.А. ЯНБАРИСОВ, магистр

Р.М. КАРИМОВ, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа Б.Н. МАСТОБАЕВ, д.т.н., проф., зав. кафедрой транспорта и хранения нефти и газа ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: karimov_rinat@mail.ru, E-mail: mastoba@mail.ru

Приведены результаты исследований по определению параметров откачки с использованием интегральной модели истечения. Разработан алгоритм расчета высотных отметок профиля опорожняемого наклонного участка, где происходит смена режимов течения. Алгоритм позволяет автоматизировать расчеты времени опорожнения при наличии нескольких режимов течения в процессе опорожнения, последовательно сменяющих друг друга от максимального начального до минимального конечного расхода откачки. Для апробации предложенной модели разработана лабораторная установка, представляющая трубопровод с изменяемым профилем наклонного участка. Проведенные модельные испытания с последующим сравнением измеренного фактического значения времени опорожнения с расчетным, полученным двумя способами - традиционным графоаналитическим и вновь предложенным методом, показали высокую точность последней. Использование интегральной модели истечения для расчета времени опорожнения оказалось выше по точности, чем графоаналитический метод с 100 итерациями. В рамках сравнения произведена оценка погрешностей традиционного графоаналитического метода при различном количестве итераций (шагов расчета) и вновь предложенной интегральной модели истечения. Анализ результатов сравнения показал, что даже при увеличении количества итераций в графоаналитическом методе его точность ниже из-за появления систематической ошибки, зависящей от качества графических исходных данных (разрешения профилей) и количества принятых усреднений на каждом шаге расчета. Благодаря разработанным алгоритмам обосновано преимущество интегральной модели истечения с точки зрения возможности ее автоматизации. Представлен прототип программы для определения параметров опорожнения с использованием интегральной модели расчета.

Ключевые слова: трубопровод, опорожнение, интегральная модель истечения, расчет объема и времени откачки, методика, алгоритм, режим течения, расчетная программа.

В работах [1-2] обоснована интегральная модель процесса истечения нефти для расчета объемов и времени опорожнения нефте- и продуктопроводов (рис. 1), на основании которой в [1] были получены зависимости для определения времени опорожнения разгерметизированного участка трубопровода, использующие в качестве исходных данных информацию по проектным отметкам профиля или данные вну-тритрубной диагностики. Авторами был описан алгоритм расчета максимального (начального) и минимального (конченого) расхода истечения из условия полнонапорного течения, переходные значения расходов в граничных критических числах Рейнольдса, при которых сменяются режимы. Полученные зависимости

позволяют вычислить время опорожнения участка в случае существования только одного режима течения.

На практике при значительных перепадах высотных отметок на протяженных участках трубопровода процесс

Рис. 1. Интегральная модель самотечного опорожнения трубопровода

истечения может затрагивать несколько режимов, как ламинарный, так и различные зоны турбулентного режима. Данный факт сильно усложняет аналитический расчет времени опорожнения: решение задачи сводится к нахождению определенного интеграла в пределах изменения высотных отметок переменного участка от до В случае, когда возможно несколько режимов истечения, время опорожнения будет равняться сумме интегралов, соответствующих истечению нефти в определенных режимах и зонах трения:

I

Рис. 2. Алгоритм расчета времени откачки при самотечном сливе (начало алгоритма -определение количества режимов)

--и

+ + (м о + (ЕЛО. (1)

Начало

Ввод исходных данных

(Д2,У,Р,Ц Щ, А)

Расчет критических и граничных значений расхода по вышеизложенным алгоритмам

(О0, От, 02, *3тах1 Опт)

Да Ламинарный режим

^ = 1цам

- - 1ЁА1

С учетом того, что на практике зоны квадратичного (шероховатого) трения достичь невозможно (автомодельный режим течения), время опорожнения складывается из расчетных интервалов течения в ламинарном режиме, зонах гидравлически гладких труб и смешанного трения.

На рис. 2 представлена блок-схема алгоритма расчета времени откачки. Приведенная последовательность вычислений позволяет определить количество (Ы) имеющих место режимов течения. Начинается расчет с определения количества режимов течения в уже найденных границах изменения расхода откачки Отах и От1п. Как видно из фрагмента алгоритма, возможны 10 вариантов развития событий с N режимами. После ввода данных рассчитываются граничные и критические значения расхода согласно [1], далее запускается цикл проверки условий, в результате которых определяются режимы возможных истечений: максимальный расход сравнивается с граничными, соответствующими смене режимов течения, и минимальным значением. В результате определяется сколько и какие именно режимы будут иметь место в диапазоне изменения расхода

откачки от ОтаХ до От1п.

В первом случае возможен всего один режим, в 10-м случае - все четыре режима течения, тогда задача сводится к определению граничных значений высотных отметок 7кр, при которых происходит смена режима течения, и определению времени истечения при каждом режиме. Расчет начинается с зоны квадратичного трения, заканчивается расчетом границ ламинарного режима (рис. 3). Расчет отметок, соответствующих границам режимов, выполняется из условия известных значений и 1к, в пределах которых они лежат, то есть между максимальными и минимальным расходами. После вычисления критических отметок 1кр1 для каждого /-го режима рассчитывается время истечения при каждом имеющем место режиме течения.

Зона гидравлически гладких труб Угг

Два режима течения = ^тт + 1лам

Да Зона смешенного трения

Да Два режима течения 1р - 1смт + 1гтт

Нет Три режима течения ^р= 1смт + *ГТТ + ^м

Зона квадратичного трения _|р= *квт

Два режима течения ^ = ^вт + Есмт

Лшп > Нет

Три режима течения

= ^вт + 1смт + Угт

Четыре режима течения (р = 1квт + 1смт + 1(ТТ + ^М

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Потери напора для каждого 1-го режима течения при самотечном опорожнении будут равны располагаемому перепаду высотных отметок, разнице между начальной (или верхней критической) и конечной (нижней критической) отметками:

= М;

¿¡(н) - -Цк)-

(2)

Выразив потери напора через уравнение Лейбензона получим:

¿¡(н) - -1(к)

= Р

0!-1(к )

О

5-т

I +

^-1(к) •

Л

эт а

(3)

Используем полученное уравнение (3) для определения первой переходной отметки, соответствующей смены режима начиная с максимального расхода. Как уже отмечалось ранее, на практике максимальный режим не может превышать границ зоны смешанного трения. Тогда уравнение

для расчета высотной отметки перехода режима течения в зону гидравлически гладких труб будет иметь следующий вид:

(н) ~ -1(к)

П 2-т мп

Ч -1(к) у

й

5-т

z:

,-1(к)

- Z„

эт а

.(4)

От

) • О4

4,15

4

_ (2 - 0,5)^0,025 _ _ 4,15 • 38,910-6 ^12 "

, 3 , „

: 302•Ю-6 — _ 302 —;

п п

(5)

|Рис. 3. Алгоритм расчета времени откачки при самотечном сливе (начало алгоритма ■ определение количества режимов)

/10 Четыре режима течения ^р= ^бт + кал + ^т + ^иц

Расход 01, соответствующий первому граничному числу Рейнольдса (Яекр1), рассчитывается согласно алгоритму, описанному в [1]. Аналогичным образом путем последовательных расчетов определяются все высотные отметки, соответствующие смене режимов течения, имеющих место при самотечном опорожнении.

Для апробации разработанной интегральной модели смоделирована установка с измененяемым профилем, состоящая из закрепленных прозрачных трубок, воронки и про-градуированной емкости с секундомером. Между сливным концом трубки и емкостью установлен шаровый кран. Расчетная схема модельной установки для наиболее простого случая -самотечного опорожнения приведена на рис. 4.

Данные по конфигурации установки - длина и диаметр трубок, угол наклона откачиваемого участка, кинематическая вязкость и температура откачиваемого продукта приведены в табл. 1. Параметры установки для упрощения испытаний подобраны, исходя из необходимости обеспечения одного ламинарного режима в процессе опорожнения всего наклонного участка. В качестве откачиваемой среды для создания ламинарного режима использовалась высоковязкая нефть.

Проверим, соответствует ли конфигурация установки модели истечения с одним ламинарным режимом, для чего рассчитаем максимальный начальный расход и число Рейнольдса в верхней точке профиля (точка разрыва потока):

Расчет границ зоны квадратичного трения

(г^г^УА.) ш условия Ь„щт= Дг

Расчет границ зоны смешенного трения (г^г^нг) из условия ЬдеМ„-л*

Расчёт гн1

Расчет границ зоны гидравлически гладких труб (г^<г<г„,) из условия ^щ,- Аг

Расчет г^

Расчет границ ламинарного режима

(2,<г<г«з) из условия К,,,.™- Дг

Рис. 4. Установка для моделирования самотечного слива

Таблица 1.

Конфигурация установки для моделирования самотечного слива

Параметр Обозначение Значение Ед. изм.

Температура испытаний (продукта) T 20 °С

Кинематическая вязкость продукта и 38,9 сСт

Внутренний диаметр трубки D 2,5 см

Общая длина трубки L 12 м

Общий объемтрубки V 589 мл

Объем приемной емкости [V] 1000 мл

Угол наклона откачиваемого участка а 30 град.

Таблица 2

Результаты испытаний самотечного опорожнения

Параметр Обозначение Значение Ед. изм. 1

Начальная (верхняя) отметка профиля Z2 2 м

Нижняя отметка профиля Z1 1 м

Конечная отметка профиля Zк 0,5 м

Длина опорожняемого участка ф 2 м

Измеренное время опорожнения tф 4,85 с

Измеренный объем опорожнения Vф 981 мл

Средний расход опорожнения Qф 202 мл/с

Rem

4 • Qm

Рис. 5. Расчет интеграла (7) в программе Wolfram Mathematics

к-D-S

4-302-10~6

3,14-0,025 • 38,910-6 = 396 < 2320.

(6)

Integrate

I (=-zk) «Diant*""

Так как расчетное значение числа Рейнольдса в точке максимального расхода ниже границы переходной зоны, то интегральная модель истечения для ламинарного режима применима для всей длины наклонного участка (р = 0,025, m = 1). Результаты испытаний самотечного опорожнения сведены в табл. 2.

Расчет времени самотечного опорожнения по разработанной интегральной модели выполнен с помощью программы Wolfram Mathematica (рис. 5). Расчет произведен с использованием как данных по фактическим отметкам профиля, так и по длине опорожняемого участка - оба метода привели к одному и тому же результату:

Wolfram MathsüiMlica 6.0 -

m = 1 ; Ь =4.15; zk = 0.5 ; а = Р± / б ; Diam = 0 .025 ; zl = 1 ; 7.2 = 2 ;

v= 38.9*10 "-б; L = 8;

:, {з , в! , в2}]

m = 1 ; Ь = 4.15 ; zk = 0.5; а = Pi / 6 ; Diam = 0.025 ; 11 = 2; 12 = 4 ;

V = 38 . 9 * 10 ; L= 8;

Integrate

у b.Vn. [Тр+1

г, {1, 11, 12}

tp =4,82 с

= J-

я-0,0252 dz 4 sin30°

-0,5 )

,5-1

:4,82 с. (7)

4,15-(38,910-6) I8 +

sin30°

принятых усредненных значений на каждом последующем шаге расчета.

Еще одним преимуществом интегральной модели является возможность ее полной автоматизации благодаря используемым алгоритмам. В качестве исходных данных достаточно иметь профиль опорожняемого участка в виде таблицы.

Рабочий интерфейс прототипа программы для расчета параметров откачки с использованием интегральной модели истечения (прототип используется только для самотечного опорожнения) представлен на рис. 6.

Результаты оценки точности разработанной интегральной модели расчета по сравнению с традиционным графоаналитическим методом определения параметров опорожнения трубопроводов [5] представлены в табл. 3. Сравнение производилось относительно фактического времени, измеренного по результатам испытаний.

Результаты сравнения графоаналитического метода и вновь предложенной интегральной модели расчетов свидетельствуют о более высокой точности последней. При этом точность традиционного метода повышается только при очень большом количестве итераций, что многократно увеличивает трудоемкость работ. Так, даже при 100 итерациях, точность интегральной модели расчета выше. Увеличение протяженности опорожняемых участков трубопровода в еще большей степени усложняет расчеты традиционным методом, для интегральной же модели протяженность не имеет никакого значения. Более того, при большом количестве итераций с применением традиционного метода, растет роль систематической погрешности из-за низкого разрешения исходных графических схем и

Таблица 3

Результаты сравнительной оценки точности методов

Фактическое время опорожнения (измеренное значение), с 4,85

Относительная ошибка е = ((ф - tp)-100%)/tf (),%

Время самотечного Количество 2 си 3,86 15

опорожнения, определенное графоаналитическим шаговрасчета (итераций) 4 4,27 12

10 'р10 4,58 5,6

методом [5], с 100 ^100 4,80 1

Время самотечного опорожнения, рассчитанное с 'р 4,82 0,6

помощью интегральном модели истечения, с

|Рис. 6. Рабочий интерфейс прототипа программыдля расчета параметров откачки с использованием интегральной модели истечения

В настоящий момент ведутся работы по доработке программного кода, в том числе для расширения функционала - расчета параметров опорожнения для случаев откачки в резервуары с помощью насосов

перекачивающих станций, а также с использованием передвижных насосных установок в амбары и действующие трубопроводы, проложенные в одном технологическом коридоре.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каримов Р.М., Галлямов В.М., Мастобаев Б.Н. Исследование процессов истечения нефти при опорожнении трубопровода для ремонтных работ. Интегральная модель расчета времени опорожнения // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2015. № 4. С. 9—13.

2. Каримов Р.М., Галлямов В.М. Расчетный алгоритм определения времени самотечного опорожнения трубопровода / Тез. докл. Межд. науч.-техн. конф., посв. памяти акад. А.Х. Мирзаджанзаде. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2016. С. 87-88.

3. Каримов Р.М., Галлямов В.М. Способы опорожнения ремонтируемых участков при выборочном ремонте линейной части нефтепровода / Тез. докл. IX Межд. учеб.-науч.-практ. конф. «Трубопроводный транспорт -2013». Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. С. 76-78.

4. Каримов Р.М., Галлямов В.М. Недостатки и перспективы методов выборочного ремонта линейной части с разгерметизацией нефтепровода / Тез. докл. IX Межд. учеб.-науч.-практ. конф. «Трубопроводный транспорт - 2013». Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. С. 78-79.

5. РД-75.180.00-КТН-362-09. Методика расчета объемов и времени освобождения от нефти участков маги-стральныхнефтепроводов для проведения плановых работ.

6. РД-75.180.00-КТН-399-09. Технология освобождения нефтепроводов от нефти и заполнения после оконча-нияремонтных работ.

7. РД-75.180.00-КТН-159-13. Вырезка и врезка «катушек», соединительных деталей, заглушек, запорной и регулирующейарматуры. Подключение участков магистральных нефтепроводов. Организация и выполнение работ.

8. РД-75.180.00-КТН-198-09. Унифицированные технологические расчеты объектов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов.

CALCULATION OF PIPELINE EMPTYING TIME BY THE GRAVITY INTEGRAL OUTFLOW MODEL

GALLYAMOV V.M., Lead Engineer

Transneft Urals, JSC (10, Krupskoy St., 450077, Ufa, Russia).

AIDAGULOV I.T., Master of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas. YANBARISOV T.A., Master of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas. KARIMOV R.M., Cand. Sci. (Tech.), Department of Transport and Storage of Oil and Gas. MASTOBAEV B.N., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of Transport and Storage of Oil and Gas. Ufa State Petroleum Technical University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Russia). E-mail: karimov rinat@mail.ru, E-mail: mastoba@mail.ru

ABSTRACT

Here you can see the review of results to determine to determine the pumping parameters using the integral model of the flow, previously described in [1,2]. An algorithm has been developed for calculating the elevations of the profile of an empty sloped section, in which the flow regimes change. The algorithm helps to automate the calculations of the emptyingpipeline time in the presence of several flow modes in the emptyingpipeline process, successively replacing each other from the maximum initial to the minimum final pumping flow. For approbation of the proposed model, a laboratory installation was developed, representing a pipeline with a variable profile of an inclined section. The carried out model tests with the subsequent comparison of the measured actual value of pipeline emptying time with the calculated one, obtained by two methods - the traditional graphic-analytical method according to [5] and the newly proposed method [1], showed high accuracy of the latter. The use of an integrated flow model for calculating the pipeline emptying time turned out to be higher in accuracy than the graphic-analytical method with 100 iterations. Within the framework of the comparison, the estimation of the errors of the traditional graphic-analytical method with a different number of iterations (calculation steps) and the newly proposed integral model of expiration was made. Analysis of the comparison results showed that even with an increase in the number of iterations in the grapho-analytical method, its accuracy is lower due to the appearance of a systematic error, depending on the quality of the graphical source data (profile resolution) and the number of accepted averages at each calculation step. The advantage of the integrated model of the expiration from the point of view of the possibility of its automationdue to the developed algorithms is substantiated. A prototype of the program for determining the pipeline emptying parameters using the integrated calculation model is presented. Keywords: pipeline, pipelineemptying, integral flow model, calculation of pumping volume and time, method, algorithm, flow regime, calculation program.

REFERENCES

1. Karimov R.M., Gallyamov V.M., Mastobayev B.N. Study of oil outflow processes during pipeline emptying for repair work. Integral model for calculating the emptying time. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2015, no. 4, pp. 9-13 (In Russian).

2. Karimov R.M., Gallyamov V.M. Raschetnyy algoritm opredeleniya vremeni samotechnogo oporozhneniya truboprovoda [The computational algorithm for determining the time of gravity emptying of the pipeline]. TrudyMezhd. nauch.-tekhn. konf., posv. pamyati akad. A.KH. Mirzadzhanzade [Proc. of Intl. scientific- technical Conf. dedicated to the memory of academician A.KH. Mirzadzhanzade]. Ufa, 2016, pp. 87-88.

3. Gallyamov V.M., Karimov R.M. Sposoby oporozhneniya remontiruyemykh uchastkov pri vyborochnom remonte lineynoy chasti nefteprovoda [Methods of emptying the repaired areas during the selective repair of the linear part of the pipeline]. Trudy IX Mezhd. ucheb.-nauch.-prakt. konf. «Truboprovodnyy transport - 2013» [Proc. of IX Int. study scientific and practical. conf. «Pipeline transport - 2013»]. Ufa, 2013, pp. 76-78.

4 • 201!

15

4. Gallyamov V.M., Karimov R.M. Nedostatki i perspektivy metodov vyborochnogo remonta lineynoy chasti s razgermetizatsiyey nefteprovoda [Disadvantages and prospects for selective repair of the linear part with depressurization of the pipeline]. Trudy IX Mezhd. ucheb.-nauch.-prakt. konf. «Truboprovodnyy transport - 2013» [Proc. of IX Int. study scientific and practical. conf. «Pipeline transport - 2013»]. Ufa, 2013, pp. 78-79.

5. RD-75.180.00-KTN-362-09. Metodika rascheta ob»yemov i vremeni osvobozhdeniya ot nefti uchastkov magistral'nykh nefteprovodovdlya provedeniya planovykh rabot [Ruling Document 75.180.00-KTN-362-09. The method of calculating the volume and time of release from oil sections of trunk pipelines for the planned works].

6. RD-75.180.00-KTN-399-09. Tekhnologiya osvobozhdeniya nefteprovodov ot nefti izapolneniya posle okonchaniya remontnykh rabot [Ruling Document 75.180.00-KTN-399-09. The technology of freeing oil pipelines from oil and filling after the completion of repair work].

7. RD-75.180.00-KTN-159-13. Vyrezka i vrezka «katushek», soyedinitel'nykh detaley, zaglushek, zapornoy i reguliruyushchey armatury. Podklyucheniye uchastkov magistral'nykh nefteprovodov. Organizatsiya i vypolneniye rabot [Ruling Document 75.180.00-KTH-159-13. Cutting and inset of «coils», fittings, plugs, stop and control valves. Connecting sections of trunk pipelines. Organization and performance of work.].

8. RD-75.180.00-KTN-198-09. Unifitsirovannyye tekhnologicheskiye raschety ob»yektovmagistral'nykh nefteprovodov i nefteproduktoprovodov [Ruling Document 75.180.00-KTN-198-09. Unified technological calculations of the objects of main oil pipelines and oil product pipelines].