CC BY
198
УДК622.692.4.004.67 https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10602
РАСЧЕТ ОБЪЕМОВ И ВРЕМЕНИ ОСВОБОЖДЕНИЯ ОТ НЕФТИ УЧАСТКОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ НАСОСАМИ НПС В РЕЗЕРВУАРНЫЙ ПАРК
CALCULATION OF VOLUMES AND TIME OF RELEASE FROM OIL OF SECTIONS OF THE MAIN OIL PIPELINES BY PUMPS OF PUMPING STATION IN INTO THE TANK FARM
М.М. Гареев, И.Р. Шамсутдинов, И.Р. Шамсутдинов
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7478-3739, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1478-8543, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7297-4101, E-mail: [email protected]
Резюме: В статье предложен новый подход по определению времени освобождения участков магистральных нефтепроводов насосами НПС в резервуарный парк, позволяющий автоматизировать расчет и учитывать изменение уровня взлива в резервуарном парке.
Ключевые слова: ремонт нефтепроводов, время освобождения от нефти, резервуарный парк, насосы НПС, время откачки.
Для цитирования: Гареев М.М., Шамсутдинов И.Р., Шамсутдинов И.Р. Расчет объемов и времени освобождения от нефти участков магистральных нефтепроводов насосами НПС в резервуарный парк // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 5-6. С. 10-14.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10602
Mursalim M. Gareev, Ilyas R. Shamsutdinov, Islam R. Shamsutdinov
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7478-3739, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1478-8543, E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7297-4101, E-mail: samsutdinovislam@ mail.com
Abstract: The article proposes a new approach to determining the time for the release of sections of trunk pipelines by pumping pumps to a tank farm. As well as, according to a special algorithm, which is given in the article, a program is being developed that makes it possible to automate the calculation and take into account the change in the level of filling in the tank farm. The calculation was made for the pipeline section of Transneft.
Keywords: repair of pipelines, release time from oil, tank farm, pumps of the pump station, pumping time.
For citation: Gareev M.M., Shamsutdinov I.R., Shamsutdinov I.R. CALCULATION OF VOLUMES AND TIME OF RELEASE FROM OIL OF SECTIONS OF THE MAIN OIL PIPELINES BY PUMPS OF PUMPING STATION IN INTO THE TANK FARM. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 5-6, pp. 10-14.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10602
При эксплуатации магистральных трубопроводов одной из задач является обеспечение надежной и безопасной эксплуатации линейной части, которая решается в том числе и за счет своевременного проведения ремонтных работ, как правило с остановкой перекачки и освобождением ремонтируемого участка от нефти. При этом от точности расчетов времени и объема освобождения зависит и время простоя трубопровода на ремонте. Количество времени, отведенного под ремонт действующих магистральных трубопроводов с остановкой перекачки регламентировано. Однако невозможно начать мероприятия по ремонту нефтепровода, пока он заполнен перекачиваемым продуктом. Поэтому задача формализации и автоматизации методики расчета является весьма актуальной.
В РД-75.180.00-КТН-155-14 [1] ПАО «АК «Транснефть» предусмотрено освобождение от нефти или нефтепродукта участка трубопровода по схеме насосами НПС в резерву-арный парк, используя графоаналитический метод расчета объема и времени освобождения (рис. 1).
Данный способ освобождения участка магистрального нефтепровода (МН) от нефти возможно применять при условии, когда геодезическая отметка НПС расположена ниже геодезических отметок освобождаемого участка на
величину не менее 1,1•h Протяженность освобождаемого участка определяется графическим методом с использованием профиля технологического участка МН. Задаются дискретные значения производительности насоса НПС для освобождения участка МН в диапазоне от 0,25^0ном до 0,50^0ном. Далее при различных значениях производительности находится величина гидравлического уклона. Решая уравнение баланса напоров, находим величины напора на выходе НПС НП, далее, соединяя точки Р и П, получаем линии гидравлического уклона РП. Затем, параллельно перенося линии гидравлического уклона на освобождаемый участок до пересечения с профилем, определяем протяженность участка LHj и соответствующий объем.
Рассмотренная выше методика [1] обладает рядом существенных недостатков, а именно:
- необходимость проведения нескольких итераций для определения производительности насоса НПС;
- нет учета изменения уровня взлива в резервуаре;
- увеличение трудоемкости расчетов при повышении их точности.
С целью повышения точности проводимых расчетов и их упрощения и возможности автоматизации расчетов предлагаем определить параметры опорожнения участка
Рис. 1. Графический метод расчета протяженности участков, подлежащих освобождению насосом НПС: РП^ и ЖБ1 - линии гидравлического уклона, соответствующие производительности qнj; НП■1 - напор на выходе НПС, соответствующий производительности насоса qнj; НЖ = 1,1ФК, hк - допустимый кавитационный запас; Zн, Zк - геодезические отметки соответственно промежуточной НПС и днища резервуара; Lнj - длины участка, освобождаемого от нефти/нефтепродукта насосом НПС с производительностью qнj
Высотная
нефтепровода (время, объем) в резервуарный парк, задавшись интервалом (шагом) не по расходам, а по определенному интервалу длины (или объема) А/. При этом допускаем, что в пределах участка длиной А/- расход будет постоянным: q^ = const.
Составим уравнение баланса напоров для конечного и начального сечений
ZH+hnj +(Ac-BcQ2-m) = ZK+ \02h+hnT + HB3:nma , (1)
где hnT - потери напора в технологических трубопроводах, hnT =7 м; hnj - напор на приеме промежуточной НПС; ZH -геодезическая отметка НПС; ZK - геодезическая отметка НПС с резервуарным парком; Ac, Bc- коэффициенты Q-H характеристики насоса.
Продольный профиль освобождаемого участка нефтепровода насосами НПС приведен на рис. 2.
Уровень взлива в резервуаре
H0
F n п —
FT n
= Ho+ нвзл=н0+ -jT-TPi' (2)
p i=1
где Нвзл - уровень взлива в резервуаре;
«карманных» участков (определяется по специальному алгоритму).
Напор на приеме НПС
^ = ^св, - 1,0^осв, - (3)
Потери напора на трение в трубопроводе до промежуточной НПС определяется по обобщенной формуле Лейбензона
RQ2" mam
D
5-m ocB'
(4)
где Q - расход нефти в трубопроводе; D - внутренний диаметр трубопровода; 9 - кинематический коэффициент вязкости нефти при температуре перекачки.
В связи с уменьшением длины освобождаемого участка в процессе ведения работ по откачке потери напора на трение будут снижаться
rQ2-mqm h = 1,02 ,
D
,5-m
(5)
^Р i=1
Н0 - первоначальный уровень взлива нефти в резервуаре; Fт¡ - площадь поперечного сечения трубы на (-м шаге расчета; Fp - площадь поперечного сечения резервуара;
п
^Д/у - протяженность освобождаемых участков, без учета
!=1
где X( - дистанция (-го сечения, то есть граница раздела ГВС (газовоздушная среда) - нефть.
Подставив в уравнение (3) уравнение (5), получим без учета «карманных» участков:
= ¿осв, - ^св-х^-гн. (6)
5-6
• 2019
11
Рис. 2. Продольный профиль освобождаемого участка нефтепровода насосами НПС: Х1 - дистанция участков, подвергаемых к освобождению от нефти или нефтепродуктов; Zосв. - геодезические отметки, на каждой дистанции X; Пр - линии гидравлического уклона; Д1'2 - длина «карманного» участка; Lосв - длина участка, от первой максимальной геодезической отметки, где открывается вантуз для подачи воздуха, до промежуточной НПС [Lосв = Хнпс - Х1); Lр - протяженность от промежуточной НПС до НПС с резервуарным парком (РП)
«Карманные» участки - участки, которые не освобождаются от нефти. С учетом (2) и (6) уравнение (1) примет вид
po2-msm
-102
D
5-m
-(L0CB -Xj)-(Ac -Bc02-m)
= Z к +hn.r. + 102hT+ H0 + Нвзл-
(7)
Потери напора на трение на участке от НПС до НПС с РП определяются по обобщенной формуле Лейбензона:
hi= 1,02 РГ 5 0 Lp,
1 D5~m p
(8)
первом приближении исходя из условия AZ
Qmax =
AZmaxD5-m 1 , 02pSmLOCB
(9)
где AZmax = Zocb1 - Zn.p.
отметка первой перевальной точки; 1пр отметка места производства работ. И при граничных значениях Re
кр
2320, Re1nap = 10/в1
Г =
R0. kDQ
(10)
Далее по полученным значениям граничных расходов и максимальному значению расхода при Д£тах определяем режим течения жидкости. Если:
- Отах < Окр - ламинарный режим;
- Окр< Отах< 01пер - режим гидравлических гладких труб;
- 01пер < Отах < @2пер, - режим смешанного трения;
- Отах> 02пер, - режим квадратичного трения. Подставляем (8) в (7) и, решая уравнение, получим
формулу для определения производительности освобождения нефти насосами НПС из трубопровода в резерву-арный парк в зависимости от длины опорожняемого участка для каждого шага расчета
где Lp - протяженность нефтепровода от НПС до НПС с РП.
Режим течения жидкости в первоначальный момент времени после включения насосного агрегата на промежуточной НПС определяется по производительности, в
max ~ 1,02hтосв;'
Qx =
zocb, + Ас - zk - hn.r. - H0 —
Ft
t / п.
D
5-m
1,02pSm (Lp + Locb - X ,) + BCD
5-m
1
2-m
(11)
Находим среднее значение расхода на участке освобо-
ждения длиной ДА
ZocB1 - геодезическая высотная геодезическая
rcpi
ГХ; _ + ГХ; 2
(12)
Время на опорожнение участка длиной Д/. будет
Re2пер = 500/в, (в - относительная шероховатость) находим граничные значения расходов по формуле
FTI п -¡М;
Ati = . (13)
Р
Определяется общее время опорожнения:
n
toбщ = ■
i=1
(14)
где i - освобожденные участки.
Находим производительности опорожнения нефти из трубопровода на разных сечениях по формуле (11), например для 10014 номера сечения с учетом уровня взлива:
Общий объем нефти
Vобщ - "j^j • FT/nj ■
j-1
(15)
А/, = 98,723 - 98,711 = 0,012 км.
Общая протяженность участков, освобождаемых насосами НПС с учетом изменения уровня взлива в резервуаре, составляет
-общ = Щ = 5,76 ^
I Таблица 2
Результаты расчета
Q
Приводим пример расчета.
Требуется выполнить расчет времени освобождения и расчет объема освобождения участка трубопровода насосами НПС 1 в резервуары НПС 2 общей протяженностью 117 км с учетом изменения уровня взлива. Нефть с кинематическим коэффициентом вязкости 20 мм2/с откачивается в РВС-5000, площадь поперечного сечения которого равна 417 м2. Ремонтные работы проводятся на трассе трубопровода на дистанции 98,723 км.
Выполним расчет времени освобождения и расчет объема освобождения по формулам, полученным выше, c использованием прикладной программы Microsoft Ехсе1. При расчете допущено, что расход освобождения в пределах участка длиной А/- остается постоянным. При этом чем меньше длина шага расчета, тем выше точность, однако увеличивается и трудоемкость расчета.
В табл. 1 приведены значения высотных отметок для трубопровода с соответствующими значениями дистанции (дистанция X км и соответствующая ему геодезическая высотная отметка ZJ, полученные из базы данных ГРАНС [3].
Для повышения точности при нахождении координат начала «карманных» участков используется линейная интерполяция геодезических отметок из базы данных ГРАНС. После нахождения длины освобождаемых участков определяем расходы нефти для каждого участка по мере продвижения границы раздела между ГВС и нефтью с шагом А/- . После определения среднего расхода нефти для каждого участка определяется время и объем освобождения трубопровода от нефти при заданной дистанции ремонтных работ.
Находим длины участков, освобождаемых насосами НПС, например для 10014 номера участка:
'10014 ■
196,12 - 205,9 - 7 + 48,2-
0,7'
4,9
к0,72 '4 ■ 417
■(0,1 + ... + 0,012)
1,02 ■ 0,006894 ■ 0,0000201 (43,5 +117 - 98,723) -0,0000476 ■ 0,749
1
2-0,1
= 0,1604 м3/с
Средний расход с учетом уровня взлива
QсP10014 = (0,1647 + 0,1604)/2 = 0,1626 м3/с = 585,186 м3/ч. Находим время освобождения трубопровода на разных участках, например для 10014 номера участка с учетом уровня взлива в резервуаре:
At
3,14 ■ 0,72 ■ 12
10014
: 0,0079 ч.
4 ■ 585,186
Общее расчетное время освобождения трубопровода от нефти насосами НПС с учетом изменения уровня взлива составит
нпс = xatl
i=1
3,778 ч.
Общий объем освобождения трубопровода насосами НПС от нефти с учетом изменения уровня взлива будет
п- D2 • L
■общ
3,14 - 0,72 - 5760
нпс ■
2210,703 м3.
4 4
Также выполнен расчет графоаналитическим методом по методике [1] без учета изменения уровня взлива, результаты расчета приведены в табл. 2.
Сравнение результатов расчета, выполненного в предположении уровня взлива в резервуарном парке постоянным и с учетом изменения уровня взлива, показывает необходимость учета изменения уровня взлива нефти в
I
Таблица 1
Координаты трассы нефтепровода из базы данных ГРАНС
Номер участка 1 2 3 . .. 10013 10014 ... . 11526
X, км 0,001 0,003 0,006 98,711 98,723 . 117
Z, м 125,16 125,15 125,14 . 197,46 196,12 ... 148,04
Длина участка без учета «карманных» участков, м Графоаналический метод Аналитический метод Погрешность по
Графоаналитический метод Аналитический метод объем нефти, м3 время освобождения, ч объем нефти, м3 время освобождения, ч объему, %
11 900 5-6 • 2019 5760 4577,34 5,82 2210,703 3,778 107,1 13
резервуарном парке, так как в результате расчетов возникает погрешность, равная 7,6%.
Расхождение расчетов по графоаналитическому и аналитическому методам для рассмотренного примера составляет по объему 107,1%, а по времени 54%, при графоаналитическом методе погрешность больше всего зависит от выбранного масштаба.
Выводы
Предложена методика расчета времени и объема освобождения трубопровода от нефти для выполнения ремонтных работ с учетом задания интервала длины (объема) освобождения в отличие от задания интервала по расходу, рекомендованного по методике [1]. Преимущества предложенной методики расчета: - возможность автоматизации расчетов;
- отсутствие необходимости проведения расчетов с использованием продольного профиля трассы в отличие от методики, предложенной в [1];
- отсутствие необходимости определения угла наклона трассы трубопровода на анализируемых участках к горизонтали в отличие от методики, предложенной в [2];
- возможность учета изменения уровня взлива в резерву-арном парке.
Сравнение результатов расчета, выполненного в предположении уровня взлива в резервуарном парке пункта слива постоянным как принято в методике [1], и с учетом изменения уровня взлива, показывает необходимость учета изменения уровня взлива нефти в резервуарном парке, так как возникающая в результате расчетов погрешность по расчету объема и времени освобождения может быть значительной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РД-75.180.00-КТН-155-14 Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Методика расчета объемов и времени освобождения от нефти и нефтепродуктов участков магистральных трубопроводов для проведения плановых работ.
2. Каримов Р.М., Мастобаев Б.Н., Галлямов В.М. Исследование процессов истече-ния нефти при опорожнении трубопровода для ремонтных работ. Интегральная модель расчета времени опорожнения // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2015. № 4. С. 9-13.
3. Шаммазов А.М., Козачук Б.А., Пирогов Н.Е. и др. Свидетельство об официальной регистрации. программы для ЭВМ № 2005610784. Программный комплекс «Гидравлический расчет нефтепроводных систем» «ГРАНС». М.: Роспатент, 2005.
4. Шамсутдинов И.Р., Гареев М.М. Усовершенствование расчета объемов и времени опорожнения от нефти участков магистральных нефтепроводов насосами НПС резервуарный парк // Матер. XIV Междунар. учеб. науч.-практ. конф. «Трубопроводный транспорт - 2019». Уфа: Изд-во УГНТУ, 2019. С. 163-164.
5. Шамсутдинов И.Р., Гареев М.М. Автоматизированный расчет объемов и времени опорожнения от нефти участков магистральных нефтепроводов насосами НПС резервуарный парк // Матер. 70-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и мо-лодых ученых УГНТУ. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2019. С. 461.
REFERENCES
1. RD-75.180.00-KTN-155-14. Magistra/'nyy truboprovodnyy transport nefti i nefteproduktov. Metodika rascheta oti'yemov i vremeni osvobozhdeniya ot nefti i nefteproduktov uchastkov magistra/'nykh truboprovodov d/ya provedeniya p/anovykh rabot [RD-75.180.00-KTN-155-14. Main pipeline transport of oil and oil products. The methodology for calculating the volumes and time of the release of sections of trunk pipelines from oil and oil products for planned work].
2. Karimov R.M., Mastobayev B.N., Gallyamov V.M. Investigation of the pro-cesses of oil outflow when emptying the pipeline for repair work. Integral model for calculating the time of emptying. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2015, no. 4, pp. 9-13 (In Russian).
3. Shammazov A.M., Kozachuk B.A., Pirogov N.YE. Svid. ob ofits reg. pro-grammy d/ya EVM № 2005610784. Programmnyy komp/eks «Gidrav/icheskiy raschet nefteprovodnykh sistem» «GRANS» [Certificate of official registration of the computer program no. 2005610784. Software package "Hydraulic calcu-lation of oil pipeline systems"]. Moscow, Rospatent Publ., 2005.
4. Shamsutdinov I.R., Gareyev M.M. Usovershenstvovaniye rascheta ob"yemov i vremeni oporozhneniya ot nefti uchastkov magistral'nykh nefteprovodov nasosami NPS rezervuarnyy park [Improving the calculation of volumes and time of emptying of sections of main oil pipelines from oil by pumps of pumping sta-tion of tank farm]. Trudy XIV Mezhd. ucheb. nauch.-prakt. konf. «Truboprovodnyy transport - 2019» [XIV International educational and scientific prac-tical conference. "Pipeline transport-2019»]. Ufa, 2019, pp. 163-164.
5. Shamsutdinov I.R., Gareyev M.M. Avtomatizirovannyy raschet ob"yemov i vremeni oporozhneniya ot nefti uchastkov magistral'nykh nefteprovodov na-sosami NPS rezervuarnyy park [Automated calculation of volumes and time of emptying of sections of main oil pipelines from oil by pumps of tank farm]. Trudy 70-y nauch.-tekhn. konf. studentov, aspirantovi mo/odykh uchenykh UGNTU [Proc. of 70th scientific and technical conf. of students, graduate students and young scientists of USNTU]. Ufa, 2019, p. 461.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Гареев Мурсалим Мухутдинович, д.т.н., проф., заместитель завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Шамсутдинов Ильяс Раисович,, аспирант, инженер кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Шамсутдинов Ислам Раисович, студент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Mursalim M. Gareev, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Deputy Head of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Ilyas R. Shamsutdinov, Postgraduate, Engineer of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Islam R. Shamsutdinov, Student of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
