8Особенности адаптации газопроводов для перекачки нефтепродуктов_
Муравьёв Константин Александрович
кандидат технических наук, доцент, Сургутский институт нефти и газа (филиал) ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» (филиал ТИУ в г. Сургуте), mkasing@mail.ru
Особое значение на современном этапе приобретает поиск новых путей транспортирования и хранения газа и нефтепродуктов, в том числе нетрадиционных и альтернативных. Реализация адаптивной стратегии в области трубопроводных систем позволяет добиться ряда преимуществ и, в конечном итоге, повысить их эффективность и рентабельность. Постоянное ужесточение экологических требований вызывает необходимость решения проблемы снижения выбросов в атмосферу вредных веществ (сернистых соединений на газоперерабатывающих заводах и окислом азота на крупных компрессорных станциях). Исследованию и разработке технологических методов защиты газотранспортных систем от коррозийных повреждений и посвящено настоящее исследование. В его основу положены результаты научных и практических исследований и работ, выполненные автором совместно с учеными и специалистами в области газо- и нефте-продуктообеспечения.
Ключевые слова: перекачка нефтепродуктов, газопровод, газотранспортные системы, эффективность, газоперерабатывающие заводы, технологические методы защиты газотранспортных систем
Особое значение на современном этапе приобретает поиск новых путей транспортирования и хранения газа и нефтепродуктов, в том числе нетрадиционных и альтернативных. Реализация адаптивной стратегии в области трубопроводных систем позволяет добиться ряда преимуществ и, в конечном итоге, повысить их эффективность и рентабельность. Использование трубопроводов для нового функционального назначения требует решения ряда научно-технических задач, имеющих специфический характер в каждом конкретном случае. Так, например, использование газопроводов по новому функциональному назначению потребовало решения проблем, связанных с сохранением качества нефтепродуктов, разделением газотопливных смесей, обоснованием использования новых технологий и технологического оборудования. Важность проблемы обеспечения надежности и экологической безопасности функционирования объектов газовой промышленности возрастает, с одной стороны, в связи со строительством новых магистральных и распределительных газопроводов, а с другой стороны, из-за старения основных действующих фондов. Значительная часть газопроводов имеет пленочное изоляционное покрытие с относительно небольшим сроком службы, в результате чего растут затраты на электрохимическую защиту металла трубопроводов. Для решения данной проблемы необходимо перейти на применение труб с заводской изоляцией при строительстве новых и реконструкции действующих газопроводов, ввести повсеместно практику технической диагностики газопроводов с использованием внутритрубных дефектоскопов, средств контроля защищенности и напряженно-деформированного состояния трубопроводов.
Постоянное ужесточение экологических требований вызывает необходимость решения проблемы снижения выбросов в атмосферу вредных веществ (сернистых соединений на газоперерабатывающих заводах и окислом азота на крупных компрес-
сорных станциях). Исследованию и разработке технологических методов защиты газотранспортных систем от коррозийных повреждений и посвящено настоящее исследование. В его основу положены результаты научных и практических исследований и работ, выполненные авторами совместно с учеными и специалистами в области газо-и нефтепродуктообеспечения.
По переоборудованному газопроводу можно вести последовательную перекачку различных сортов нефтепродуктов. Последовательная перекачка топлива для реактивных двигателей и бензина разрешается только через разделительную партию дизельного топлива.
При последовательной перекачке нефтепродуктов по газопроводу необходимо использовать разделители. Это позволит уменьшить объем смеси в ходе перекачки и при вынужденных остановках. При этом минимальная скорость потока должна обеспечивать условия развитой турбулентности [4]. Порядок выполнения технологических операций по запуску, приему и пропуску разделителей на насосных станциях той же, как на нефтепродуктопроводах. Пропускают разделитель мимо насосной станции, имеющей на входе и выходе камеру приема-пуска при временном отключении станции.
Контроль за прохождением зоны смеси в ходе последовательной перекачки нефтепродуктов ведут при помощи линейных сигнализаторов прохождения разделителей. Расстояние между линейным сигнализатором и камерой приема в технологической обвязке насосной станции должно быть таким, чтобы обеспечивался своевременный прием разделителя в случае ручного управления запорной арматурой. Качество образующейся в процессе последовательной перекачки смеси нефтепродуктов подвергают контролю. Показания плотномеров непрерывного действия, имеющих низкую точность измерений, должны дублировать дискретными измерениями плотности проб горючего с помощью нефтеденсиметров, погрешность которых не превышает 0,5 кг/м3. На промежуточных и конечном пунктах переоборудованного газопровода предусматриваются отдельные резервуары для приема смеси нефтепродуктов. Решение об ее использовании принимают в соответствии с нормативно-технической документацией.
Объем смеси последовательно транспортируемых нефтепродуктов зависит от скорости перекачки, которую необходимо поддерживать большей некоторого предельного значения [4].
Однако существующие способы последовательной перекачки различных сортов горючего по трубопроводам (с непосредственным контактом продуктов, механическими, жидкостными и полужидкими разделителями) не исключают смешения. Так, при проведении опытной перекачки дизельного топлива последовательно с топливом Т-1 по трубопроводу диаметром 510 мм протяженностью 700 км потери Т-1 (перевод в смесь) составили около 10% перекачанного объема в двух партиях (10 и 11 тыс. т.), или примерно 1% общей вместимости трубопровода [5]
Потери от смешения можно существенно уменьшить, а иногда почти полностью исключить, если перекачиваемые последовательно нефтепродукты разобщить «газовым разделителем», ограниченным с двух сторон механическими разделителями [35]. Для реализации такого способа последовательной перекачки в трубопровод с нефтепродуктом А помещают первый разделитель вслед за которым нагнетают газ
(рис.1). Затем в трубопровод помещают второй разделитель. и за ним подают нефтепродукт В. Процесс перекачки считается завершенным, когда продукт А вытеснен из трубопровода полностью.
Физическая картина процесса выглядит следующим образом (рис. 1)
12^56
лем: 1-насосная станция, 2-трубопровод, 3-продукт В, 4-разделитель, 5-газ, 6-продукт А.
С началом подачи продукта В происходит сжатие газа, давление которого передается продукту А, вызывая его ускоренное движение. При этом сжатие газа и сокращение расстояния между перекачиваемыми продуктами будут продолжаться до момента выравнивания скоростей. В дальнейшем, поскольку длина трубопровода, занимаемого продуктом А постоянно уменьшается, скорость этого продукта начинает возрастать за счет энергии расширения газа и все более превышает скорость продукта В.
Математическая модель процесса разработана на основе уравнений Навье -Стокса о неразрывности потока и включает систему дифференциальных уравнений движения жидкости, состояния газа и напора насосной станции [4,5]:
Р1 = + 5х)А ^/н^ +Р1д^1 + Ар + ра
Р2 =ЪР2 Д 2\ й ^/(Ц2 +Р2Б2 й ^/(Ц2 +Р23Аг2 + АР
(1)
Р1 + Р2=а-Ь(^/^%1:У С начальными условиями при t=0
й2Б /
При
известных коэффициентах а, Ь, и т, функция 2/в ограничениях
Рг+ (Рг + Р2) ^ •4 - NДom где Аг2 соответствует обозначениям на
рис. 2: А^- коэффициенты гидравлического сопротивления движения продуктов А и В соответственно 0 = 1, 2); рi - плотности продуктов А и В соответственно (ь 1,2), кг/м3; д - ускорение силы тяжести,. м/с2; Ар - перепад давлений на разделителе, Па; р1 -давление на границе раздела «продукт А - газовый разделитель», Па; р2 - давление, развиваемое насосной станцией, Па; ра- давление в конце трубопровода,. Па; D -
диаметр трубопровода, м; рш- давление «газовом распределителе» в начале процесса. Па; 1го - начальная длина «газового распределения», м; рдоп - допускаемое рабочее давление в трубопроводе, Па; Л^п - максимальная мощность двигателя насосной станции, Вт: а, b - коэффициент аппроксимации характеристики Q-H насосной станции; m — коэффициент, характеризующий режим течения жидкости.
Численное решение системы (1) с использованием разностных схем позволяет представить характер протекания процесса последовательной перекачки (рис.2) и получить (варьируя значения L) ряд аппроксимирующих зависимостей с целью использования их при выполнении. практических расчетов. При этом для упрощения принято, что профиль трассы трубопровода равнинный = 0, Az2 = 0). Одна из основных характеристик процесса - показатель а, отражающий степень первоначального заполнения трубопровода газом:
а= UL- (2)
Важность этого показателя объясняется следующим. При реализации описанного последовательной перекачки большое практическое значение имеет определение длины «газового разделителя» или связанного с ней значения а. Наиболее вероятно смешение продуктов в момент их сближения (при минимальной длине «газового разделителя»), а также к концу последовательной перекачки. С одной стороны, показатель а должен быть таким, чтобы не произошел контакт перекачиваемых продуктов, с другой -увеличение значения а снижает транспортную работу, выполняемую трубопроводом. Значит, значение а должно быть минимальным при условии, что смешение продуктов исключено.
О W 80 120 160 200
Рис.2. Динамика процесса последовательной перекачки с «газовым разделителем» (Ь = 30 км, а=0,2):1,1' — путь, пройденный продуктом А и В соответственно; 2,2' — скорость продукта А и В соответственно; 3 — давление в газовом разделителе; 4 — давление на выходе насосной станции
По результатам численного решения системы (1) с использованием метода среднеквадратичной аппроксимации получены зависимости, характеризующие процесс последовательной перекачки.
Трубы газопровода обладают достаточной прочностью для хранения в нем нефтепродуктов под давлением при полной изоляции от атмосферы при наличии определенного запаса объема на температурное расширение. Это позволяет полностью исключить потери от испарения, так как отсутствуют «малые дыхания», характерные для хранения в обычных резервуарах. В герметизированном участке газопровода устанавливается давление, определяемое степенью заполнения участка, температурой закачанного нефтепродукта и давлением его насыщенных паров [4].
Хранение может бsть организовано и при отсутствии избыточного давления, когда полость газопровода сообщается с атмосферой через дыхательные клапаны, продувочные патрубки или свечи. Однако в этом случае неизбежны потери от испарения нефтепродукта. поэтому такая организация хранения нежелательна и не может рассматриваться как основной вариант.
Одна из наиболее важных и ответственных операций при хранении — контроль за количеством нефтепродукта. Он может осуществляться измерением давления на участке, уровня продукта и его температуры.
Уровень нефтепродукта в газопроводе можно контролировать с помощью уровнемеров различного типа, работающих при наличии давления в газопроводе. С учетом того, что погрешность в определении уровня приводит к большой ошибке в оценке количества хранимого нефтепродукта, предпочтительно использовать более точные уровнемеры акустического типа. Простыми и надежными средствами измерения уровня могут служить высокоточные манометры или датчики давления, устанавливаемые на восходящих и нисходящих отрезках участка газопровода с наибольшей геодезической отметкой. С их помощью определяют гидростатическое давление на этих отрезках и по известной плотности рассчитывают высоту столба нефтепродукта.
Если нефтепродукту в участке газопровода хранится при отсутствии избыточного давления, то, для измерения уровня можно использовать в наивысшей точке участка мерные рулетки или метрштоки.
В процессе длительного хранения нефтепродукта в газопроводе его температура нестабильна. Колебания температуры обусловлены теплообменом между массивом грунта и нефтепродуктом.
РцМПа
0,5
0,3 0.2
0.1 0,07 0,05 0,03 0,02
0,01
-20 0 20 1,06080 ¡;с
Рис.3. Номограмма для определения давления насыщенных паров нефтепродукта в зависимости от температуры
Если участок газопровода с нефтепродуктом герметично перекрыт, то с течением времени давление в наивысшей точке устанавливается равным давлению насыщенных паров, которое зависит только от температуры нефтепродукта. Зная из паспортных данных на нефтепродукт давление насыщенных паров при температуре 20°С или другой и воспользовавшись номограммой (рис. 3), можно найти расчетное давление в газовом пространстве трубопровода. Оно должно соответствовать фактически из-
меренному давлению. Если фактическое давление меньше расчетного, это свидетельствует о возможной утечке из участка и требует немедленной проверки уровня. Двойной контроль (по давлению и по уровню) за количеством нефтепродукта на участке газопровода позволяет своевременно фиксировать изменение уровня и принимать соответствующие меры.
При снижении уровня необходимо перекрыть все технологические патрубки камер приема и свечи на трассе, организовать поиск места утечки и устранить ее причини. В случае, когда утечка носит аварийный характер и ее невозможно устранить в кратчайшие сроки, принимают меры к экстренному опорожнению газопровода в наливной транспорт, резервный участок действующего газопровода или на нефтебазу. Порядок действий при экстренном опорожнении газопровода должен быть детально изложен в рабочей инструкции по эксплуатации.
Литература
1. Качество реактивного топлива при его последовательной перекачке по нефте-продуктопроводу прямым контактированием с другими нефтепродуктами/ В.И. Костин, Б.Н. Клопов и др. // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеродного сырья. - 1984. — №2-С.5-9.
2. Промышленная безопасность: опыт, проблемы и перспективы эксплуатации нефтегазопроводов / Р.Г. Шарафиев, Н.И.Крюков, Р.А. Кускильдин и др. ЦНТИ. 2005.-448с
3. Бычков В.Е. Результаты исследований перетоков газа через разделители ДЗК / В.Е. Бычков И.Г. Данильченко, И.М. Баклагин // Транспорт и хранения нефтепродуктов и углеродного сырья.-1986.-№6. С.3-6.
4. Бычков В.Е. Газопроводы для транспорта и хранения нефтепродуктов / В.Е. Бычков, И.Г. Данильченко, Ю.Н, Пирогов. - М.: Недра, 1992.-154 с.
5. Бычкон В.Е. Последовательная перекачка различных сортов нефтепродуктов с газовым разделителем / В.Е. Бычкон, И.Г. Данильченко. И.М. Баклагин // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеродного сырья.-1988.- №4.-С. 13-16.
Features of adaptation of gas pipelines for pumping oil products Muravyov K.A.
Tyumen Industrial University (branch in Surgut)
Of particular importance at the present stage is the search for new ways of transporting and storing gas and oil products, including non-traditional and alternative ones. The implementation of an adaptive strategy in the field of pipeline systems allows you to achieve a number of benefits and, ultimately, increase their efficiency and profitability. The constant tightening of environmental requirements makes it necessary to solve the problem of reducing emissions of harmful substances into the atmosphere (sulfur compounds at gas processing plants and nitrogen oxide at large compressor stations). The study and development of technological methods for protecting gas transmission systems from corrosion damage is the subject of this study. It is based on the results of scientific and practical research and work carried out by the author together with scientists and specialists in the field of gas and oil products supply. Keywords: pumping oil products, gas pipeline, gas transmission systems, efficiency, gas processing plants, technological methods
for protecting gas transmission systems References
1. The quality of jet fuel during its sequential transfer through an oil product pipeline by direct contact with other oil products / V.I.
Kostin, B.N. Klopov et al. // Transport and storage of oil products and carbon raw materials. - 1984. - No. 2-C.5-9.
2. Industrial safety: experience, problems and prospects for the operation of oil and gas pipelines / R.G. Sharafiev, N.I. Kryukov,
R.A. Kuskildin and others. TSNTI. 2005.- 448s
3. Bychkov V.E. Results of studies of gas flows through the separators of the SSC / V.E. Bychkov I.G. Danilchenko, I.M. Baklagin
// Transport and storage of petroleum products and carbon raw materials.-1986.-№6. S.3-6.
4. Bychkov V.E. Gas pipelines for transport and storage of petroleum products / V.E. Bychkov, I.G. Danilchenko, Yu.N., Pirogov. -
M.: Nedra, 1992.-154 p.
5. Bychkon V.E. Sequential pumping of various grades of petroleum products with a gas separator / V.E. Bychkon, I.G.
Danilchenko. THEM. Baklagin // Transport and storage of oil products and carbon raw materials.-1988.- No. 4.-S. 13-16.
