CC BY
17транспорт и хранение нефти и газа
УдК 621.646
н.С. Арбузов, к.т.н., начальник отдела расчета переходных процессов ооо «иМС индастриз», e-mail: arbuzov@imsholding.ru
ПРЕДПРОЕКТнАя ОЦЕнКА
параметров системы защиты морского нефтеналивного терминала от гидравлических ударов
Предложен инженерный метод предпроектной оценки параметров защиты морских нефтеналивных терминалов от гидравлического удара, возникающего при экстренном закрытии судовых задвижек. Речь идет об определении числа предохранительных клапанов, их пропускной способности, а также
о необходимой вместимости сбросной емкости. Такая оценка позволяет определить габариты устройств, входящих в систему защиты, и заблаговременно выделить для них место на причале.
Ключевые слова: морской нефтеналивной терминал, гидравлический удар, система защиты, предохранительные клапаны, объем сбросной емкости.
Система защиты от гидравлического удара (СЗГУ) является неотъемлемой частью любого современного морского нефтеналивного терминала. Она представляет собой крупногабаритный технологический объект причала и состоит из двух основных частей -блока предохранительных клапанов и резервуарной емкости для частичного сброса нефти в случае повышения давления в трубопроводе до предельно допустимого значения. Поскольку причал - сложное гидротехническое сооружение, насыщенное различным оборудованием для обработки судов, то уже на первых этапах его проектирования необходимо оценить размеры площадки, которую нужно выделить под СЗГУ. Оказывается, что предварительная оценка числа предохранительных клапанов, их пропускной способности и объема резервуарной емкости может быть выполнена на основе достаточно простых формул, сразу же после того как будут определены основные параметры терминала. Этими параметрами являются
максимальная проектная производительность погрузки судов, диаметр и протяженность наливного трубопровода, максимально допустимое рабочее давление для самого трубопровода и установленного на нем оборудования -узла учета, запорно-регулирующей арматуры и т.п.
Рассмотрим безнасосный налив судна, при котором требуемая производительность налива обеспечивается гидростатическим напором нефти в трубопроводе, обусловленным высотным расположением резервуарного парка. Предполагается, что СЗГУ расположена непосредственно у наливных стендеров причала, а причиной гидравлического удара является нештатное закрытие судовых задвижек. Задача состоит в определении суммарной пропускной способности предохранительных клапанов, способных защитить терминал от гидроударных процессов, а также в определении достаточной вместимости сбросного резервуара.
Для описания неустановившегося течения слабо сжимаемой жидкости в тру-
бопроводе, возникающего в результате закрытия судовых задвижек, используется известная система уравнений (1)
Д. г'-' д -V,
at ох
du{x,t) | dp{x,t)= ф dt дх ’
(1)
где и(х,ї) - скорость течения;р(х,^ - давление; Ф = hpo\v\|2d + р§ъта(х); Х(ь) - коэффициент гидравлического сопротивления; а(х) - угол наклона оси трубопровода к горизонту;р - номинальная плотность жидкости; d -внутренний диаметр трубопровода; х,ґ- координата и время; с - скорость распространения в трубопроводе волн возмущения, которая определяется по формуле: с=1/>+^ ■
7 І К Е5 где 3 - толщина стенки трубопровода; Е- модуль Юнга материала трубы (для стали Е ~ 2105 МПа); К - модуль упругости жидкости (для нефти К ~ 1,4^1,5 103 МПа).
68 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № S \\ август \ 2013
Предположим, что переходный процесс в нефтеналивном трубопроводе вызван мгновенным закрытием судовых задвижек.Тогда краевые и начальные условия для решения системы уравнений (1) состоят в следующем:
• в начальном (х = 0) сечении трубопровода давлениеp(0,t) - определяется уровнем взлива нефти в резервуаре: p0 = p(0,t) = pgH = const, причем принимаем, что давлениеp(0,t) постоянно и равно p0;
• в начальный t=0 момент времени распределение давления соответствует стационарному режиму с давлением p0 и расходом q0 в начальном сечении (x=0) трубопровода;
• в конечном(x=L) сечении трубопровода, где находятся секущая задвижка и предохранительные клапаны, давление мгновенно увеличивается от начального значенияp(L,0) давления перед стендерами до максимально разрешенного давления p (ОТ (уставки защиты CЗГУ) и поддерживается таковым для t>0, т.е. во все время процесса, так что p(L,t) = p н(Зпр, причем расход жидкости равен расходу ее сброса в резервуар.
Для решения системы уравнений (1) воспользуемся хорошо зарекомендовавшим себя методом характеристик [1]. Оэгласно этому методу, давление pmx,tm) и расход qM(xk,tm) жидкости в произвольной точкеM(xk,tm) плоскости переменных (x, t) определяется как решение системы уравнений
Рм{Х^ш)+уЧм{Х^ш)=Рл{Ч-іЛ-і)
, +рс F ■ qA (хкА, tm_,) - ФА (хк_,, г„_, )Ax = J^\
Рм{хЬ’0-уЯміхк’0 = Рв{хк+i.C-i)-. -pclF-qB{xM,tmA)+0B{xM,tmAysx = 4 \
(2)
Здесь Ax = xk - xk-1 шаг сетки метода характеристик по оси трубопровода; At = tk - tk-1 шаг счета по времени; Ax = cAt.
Рассмотрим наливной трубопровод AB. В начальном сечении A трубопровода располагается резервуарный парк, в конечном сечении B - предохранительный клапан CЗГУ.
Для использования метода характеристик в рассматриваемом случае примем следующее упрощающее до-
пущение: шаг Ах вычислительной сетки положим равным протяженности Ь наливного трубопровода (рис. 1). Такое допущение вполне оправданно, поскольку наливные трубопроводы относятся к классу «коротких» трубопроводов, т.е. трубопроводов, имеющих относительно небольшую протяженность.
Допустим,что гидравлический удар произошел в момент времени t = 0. Из первого уравнения системы (2) имеем:
л*(40)+ру-9д(£,0) = ./^дг, (3) где
Л-* = Рл,-&1 + ' Чл,-м .
Уравнение (3) связывает значения Рв,0 = Рв(Ь,0) и дВ0 = дв(Ь,0) давления и расхода жидкости в конце трубопровода (перед стендерами) в момент времени 1 = 0 закрытия судовых задвижек с давлением рА-А1 = р0 и расходом Ча,-м = ?о в начале трубопровода (у ре-зервуарного парка) в момент времени, предшествующий начальному на величину А1.
Возможны два случая в решении уравнения (3):
• рв <р ССТУ, т.е. давление перед клапанами СЗГУ меньше настроечного. В этом случае расход дв(Ь,0) = 0, и, следовательно, сброс через клапаны отсутствует;
• рв > р СзРу, т.е. давление перед клапанами СЗГУ превысит настроечное. Тогда клапаны СЗГУ откроются и ограничат давление значениемр ССг? следовательно, нужно положить: рв(Ь,0) = рСзгу- В этом случае из уравнения (3) определяется расход дП0 перепуска нефти из внутренней полости наливного трубопровода в сбросной резервуар:
Чп.а = Л-* — Рв, о ) =
Рс
=<?о--к^-(Ро-Ф^)] (4)
рс ’ . (4)
Поскольку расход дП0 сброса нефти из трубопровода через СЗГУ в момент закрытия судовых задвижек найден, то предохранительные клапаны должны обладать такой пропускной способностью, чтобы при разности (р С^ГУ? -рат) давлений обеспечивать расход дП0
B2(t+2At)
\ Bi(t+At)
At-L/c
X
B(t)
О Дх=1 L
Рис. 1. упрощенная сетка метода характеристик
(р ат- давление в открытом опорожненном резервуаре). Зная типоразмер существующих клапанов, можно выбрать число предохранительных клапанов в составе СЗГУ и пропускную способность каждого из них так, чтобы общая пропускная способность при разности давленийр СзГУ? ~рат. была не ниже дП0.
Дадим теперь оценку объема УСЗГУ сброса нефти через СЗГУ, считая его равным минимально необходимому объему сбросного резервуара, обеспечивающему защиту трубопровода от гидравлического удара.
Пусть расход сброса дал нефти, перетекающей из трубопровода в сбросной резервуар, известен в произвольный момент 1 времени: например, в начальный момент он определяется выражением (4). Получим уравнение, выражающее расход + 2А в последующий момент 1 + 2А1 времени через расход дП1 нефти в предыдущий момент 1 времени в предположении, что клапаны СЗГУ все еще открыты. Запишем уравнения системы (2) для характеристик ВА1 и А1В2 (рис. 1):
Ро ~§“у 9щ +ФвА
Рсзгу+ ^г9п,!+2А( ~Ро + д; —
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
Время, с
---Давление перед СЗГУ --Расход через СЗГУ — Расчетное значение расхода через СЗГУ
Рис. 2. упрощенная схема морского Рис. 3. сравнение значений давления и расхода нефти через клапаны сЗГу, найденные
нефтеналивного терминала
по приближенной методике (красная пунктирная линия) и полученные при более точных компьютерных расчетах (зеленая сплошная линия)
Из этой системы находим: ' ^
?д,|+д» — ?п,і \рсзгу (р о
рс
9п,(+2Д( — 9п,г {[/’сЗГУ (ро ®Я,е^)] +
рс
+ [р37-(ро"ф^)]} . (5)
Иными словами, связь расходов дП1+2А и дП1 сброса нефти в резервуар в последовательные моменты времени 1 и
1 + 2А1 , где 2А1 = 2Ь/с - время двойного пробега волны давления от начала трубопровода к его концу. Формулы (4) и
(5) дают решение поставленной задачи: расход дП0 сброса нефти в резервуар известен в начальный момент (формула 4), и известно выражение расхода дП1 + 2А сброса в последующий момент времени через расход дП1 сброса в предыдущий момент времени. Следовательно, объем ¥СЗГУ нефти, перепускаемой через СЗГУ при гидравлическом ударе, можно определить по формуле:
П
Vсзгу = ' ^#я,г+2дм’, (6)
1=0
где п - количество временных интервалов I перепуска нефти через СЗГУ протяженностью 2А1 = 2Ь/с, в течение которых расход дП1+2А1ч. сброса нефти остается постоянным.
Из уравнений (5) следует, что в каждом следующем временном интервале расход сброса нефти через СЗГУ должен уменьшаться. Очевидно,что в общем случае сбросные клапаны СЗГУ должны быть настроены так, чтобы они оставались закрытыми, если давление перед ними меньше или равно гидростатическому р0 + pghAв, где ИАв — разность высотных отметок начала и конца трубопровода.
Отсюда следует, чтор СЗГУ? > р- ФВ,Ь) и р СЗГуР > (р0 — ФЛ1,1+А1 Ь), поэтому дП1+2А < дП1 . Иными словами, доказано, что расход сброса нефти из нефтеналивного трубопровода в сбросной резервуар постепенно уменьшается. Как только вычисленный по формуле (5) расход сброса станет отрицательным, это будет означать, что на соответствующем интервале времени предохранительные клапаны СЗГУ закрылись; при этом давление в трубопроводе будет меньше р СЗГУР.
В качестве примера дадим оценку максимального расхода д ^ЗГУ , а также УСЗГУ объема нефти, перепускаемой через СЗГУ при гидравлическом ударе, вызванном мгновенным закрытием судовых задвижек в процессе налива судна. Производительность д0 погруз-
ки примем равной 14 000 м3/ч, диаметр наливного трубопровода - 1000 мм, протяженность Ь = 5000 м. Погрузка происходит из резервуарного парка с высотной отметкой 100 м, причем Н = 10 м. В качестве физических свойства нефти принимаем значение р плотности равным 865 кг/м3 и значение V вязкости - равным 10 сСт. Пусть также давление срабатывания предохранительных клапанов СЗГУ (уставка защиты) равнор ССзГУ? = 1,5 МПа. Рабочее давление перед судовыми задвижками р(Ь,0) = 0,2 МПа. Схема нефтеналивного терминала представлена на рисунке 2.
Выполним расчет переходных процессов с использованием компьютерной программы «Терминал», в которой исходная система уравнений (1) решается методом характеристик, однако при этом шаг Ах вычислительной сетки равен 10 м. Предварительно вычислим значение входящей в эту формулу скорости звука с, а также параметра ФЛ—А, Ь.
В соответствии с приведенной ранее формулой имеем:
865
г+-
865-1
■4-І
1,5-10’ 2,0-10"-0,001
= 995 м/с ;
70 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № 8 \\ август \ 2013
• по формуле Альтшуля вычисляем коэффициент X гидравлического сопротивления при расходе д(х,0)= д0. Имеем:
л=о,п-Г—+—Т = одьГ^^ч ——""
и Яе,1 [ 1 495150
= 0,01365,
где Яе = vd/v число Рейнольдса; и — скорость потока нефти в трубопроводе;
V - вязкость;
• определяем Ар—А1 потери давления в трубопроводе
Др_д, =Ари\с\ь/2<1 = 0,01365-865-
• 4,952 • 5000/(2 • 1) = 0,723 МПа.
Учитывая, что р0-Фв_Ь = р0+рghAв-Аp-д„ подставив полученные значения Ар— и с в формулу (4), получаем значение д сЗГУ = дд0 расхода нефти через СЗГУ:
=14000— ’ [1,5 - 0,2] • 3600 - 10б =
п’° 865 ■ 995 1
= 9762 м3/ч.
Сравним значение д СЗГУ максимального расхода сброса нефти через СЗГУ, определенное по приближенной формуле (4), с соответствующим значением, полученным при расчете нестационарных процессов с использованием компьютерной программы (рис. 3). Зеленой линией на рисунке 3 показан график изменения расхода дД1через предохранительные клапаны СЗГУ, полученный на основе более точных компьютерных расчетов; красная штриховая линия соответствует изменению этого расхода через СЗГУ, найденного по предлагаемой приближенной методике. Максимальное значение д сЗГУ = 9762 м3/ч расхода через СЗГУ, полученное по формуле (4),
практически совпадает с расходом, полученным по «точной» модели, в момент 1 = 0 времени закрытия судовых задвижек. Однако максимальное значение д СзГнУ = 10655 м3/ч расхода через СЗГУ по «точной» модели оказывается несколько выше. Относительная
погрешность ад определения расход ДИН £ л.
да д сзгу сброса нефти по предлагаемой упрощенной методике для рассматриваемого примера составляет примерно 8%:
10655-9762 4 10655
Оценку объема УСЗГУ нефти, перепускаемой через СЗГУ, выполняем по формуле
(6). Расход дП0 сброса нефти через СЗГУ в момент закрытия судовых задвижек уже известен дП0 = 9762 м3/ч. Используя последовательность вычислений, приведенную выше, рассчитываем расходы да(+2Д4 и дал+4Д4 сброса нефти для второго 1 + 2А1 и третьего 1 + 4А1 временных интервалов соответственно: дпл+2А = 4209 м3/ч и дп,1+4М= 146 м3/ч., после чего предохранительные клапаны СЗГУ закрываются. Так как для рассматриваемого примера продолжительность 2А1 = 2Ь/с интервала сброса составляет 2Ь/с = 2-5000/995 ~ 10 с, то в соответствии с формулой (6) рассчитываем объем УСЗГУ сброса нефти
Усзгу = 10 • (9762 + 4209 + 14б)/3600 =
= 27,2 + 11,7 + 0,41 = 39,3 м3.
Значение УСЗГУ этого же объема, рассчитанное «точной» компьютерной программой, составляет 44,4 м3. Следовательно, погрешность о, оценки объема УСЗГУ сброса нефти через СЗГУ,
полученного расчетом по предлагаемым приближенным формулам, составляет
44,4-39,3
а =----------
44,4
•100 = 11,5%.
ВЫВОДЫ
Показано, что простые инженерные формулы для предпроектной оценки параметров СЗГУ морского нефтеналивного терминала позволяют с приемлемой точностью определить основные параметры системы защиты. Хотя предлагаемая «упрощенная» методика и дает несколько заниженный результат по сравнению с более точной, компьютерной моделью, погрешность не превышает 12% как по значению максимального расхода сброса,так и по величине объема необходимой резерву-арной емкости. Это позволяет рекомендовать изложенную инженерную методику расчетов для предварительной предпроектной оценки параметров и габаритов причальной системы защиты наливных трубопроводов от гидравлических ударов.
Автор благодарит профессора М.В. Лурье за обсуждение результатов работы и продуктивные замечания.
ЛИТЕРАТуРА:
1. Лурье М.В. Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа // Нефть и газ. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. - 2012. - 460 с.
2. Левченко Е.Л., Арбузов Н.С., Ходяков В.А., ЦараковА.Г. Инженерные методы прогнозирования и профилактики гидроудара // Трубопроводный транспорт нефти. - 1995. - № 11. - С. 24-28.
Transport and storage of oil and gas
N.S. Arbuzov, PhD, department head of IMS Industries ltd, e-mail: Arbuzov@imshoLding.ru
Pre-project estimating the parameters of protect systems of the marine oil terminals from the hydraulic shock
An engineering method for pre-project estimating the parameters of the protect system marine oil terminals from the hydraulic shock is presented in this paper. The method allows to calculate a number of safety valves and to find capacity of every from them. Such estimations are necessary to determine the size of the devices in the protect system to allocate a place for them on the jetty in advance.
Keywords: marine oil terminal, hydraulic shock, protect system, safety valves, outlet tank capacity.
References:
1. Lurie M.V. Matematicheskoe modeLirovanie protsessov truboprovodnogo transporta nefti, i gaza (Mathematic modeling of processes of oil, oil products and gas transportation by pipelines) // Oil and gas. - Moscow: Gubkin Russian State University of Oil and Gas. - 2012. - 460 p.
2. Levchenko Ye.L., Arbuzov N.S., Khodyakov V.A., Tsarakov A.G. Inzhenernye metody prognozirovaniya i profiLaktiki gidroudara (Engineering methods for water hammer forecasting and preventing) // OiL transportation by pipelines. - 1995. - No. 11. - P. 24-28.
