Расчет объемов и времени освобождения от нефти участков магистральных нефтепроводов самотеком в резервуарный парк Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК622.692.4.004.67 https://doi.org/10.24411/0131-4270-2018-10502

РАСЧЕТ ОБЪЕМОВ И ВРЕМЕНИ ОСВОБОЖДЕНИЯ ОТ НЕФТИ УЧАСТКОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ САМОТЕКОМ В РЕЗЕРВУАРНЫЙ ПАРК

М.М. ГАРЕЕВ, д.т.н., проф., заместитель завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа

И.Р. ШАМСУТДИНОВ, магистрант кафедры транспорта и хранения нефти и газа ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Рос-сия, 450062, Республика Башкортостан, г Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: m_gareev49@mail.ru, E-mail: ilyas.shamsutdinov2015@yandex.ru

В статье предложен новый подход к определению времени освобождения участков магистральных нефтепроводов самотеком в резервуарный парк. Разработана программа для расчета времени и объема освобождения участка магистрального нефтепровода самотеком в резервуарный парк, которая позволяет вести расчет с учетом изменения уровня взлива в резервуаре.

Ключевые слова: ремонт нефтепроводов, время освобождения от нефти, резервуарный парк, самотечный слив, время откачки.

При эксплуатации магистральных трубопроводов (МТ) 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. Время, отведенное для ремонта действующих магистральных трубопроводов с остановкой перекачки, строго 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 самотеком в резервуар-ный парк с использованием графоаналитического метода расчета объема и времени освобождения. Данный способ освобождения участка магистрального нефтепровода от нефти возможно применять при условии, когда геодезическая отметка резервуара ниже геодезической отметки освобождаемого участка.

Протяженность участка определяется графическим методом с использованием профиля технологического участка МН следующим образом.

Задаются дискретные значения производительности сброса нефти самотеком в резервуар с определенным интервалом.От точки К на месте расположения резервуара, подготовленного для сброса нефти, откладывается отрезок КР (рис. 1) в масштабе с учетом высоты взлива в резервуаре 2 м, которая принимается постоянной величиной, и потери напора на трение в технологических трубопроводах т « (5-10 м)

[КР] = 2 + (1)

На продольном профиле до начала освобождаемого участка МТ по ходу движению нефти/нефтепродукта проводится вертикальная ось OZ. От точки Р проводится горизонтальная линия до пересечения с вертикальной осью ОZ. Находится точка пересечения горизонтальной линии с вертикальной осью ОZ - точка Л.

Рассчитываются значения гидравлического уклона для различных значений производительности qpj самотечного сброса нефти в резервуар в диапазоне от 300 м3/ч до qj, с определенным интервалом (шагом).

Рассчитывается значение величины напора в точке Уi по формуле

[ОУ ] = [ОЛ] + i • [РЛ],

(2)

где / - гидравлический уклон для различных значений производительности qp/; [ОЛ] = Zк + 2 + hпт.

Через точки Р и У/ проводятся линии гидравлического уклона для различных значений производительности qрi до пересечения с освобождаемым участком на профиле нефтепровода.

Протяженность участка, подлежащего освобождению самотеком в резервуар рассчитывается по формуле

Lp = Lp1 + Lp2 + Lp3,

(3)

где Lpj - длины опорожняемых участков с расчетным расходом qр/.

Объем нефти по участкам, подлежащим освобождению, рассчитывается по формуле:

V

i=1(DH ) ' Lpi

Z UD

pi

(4)

n

4

Рис. 1. Графический метод расчета параметров освобождения участков МТ самотеком в резервуар: Ру - линия гидравлического уклона, соответствующая различным производительностям qpj, сброса нефти/нефтепродукта в резервуар; Lpj - длины участков, освобождаемые от нефти/нефтепродукта самотеком в резервуар

где Dн/ - наружный диаметр /-го освобождаемого участка нефтепровода; 5/ - толщина стенки /-го участка нефтепровода.

Общее время, необходимое для освобождения участка самотеком в резервуарный парк:

n V ■ t = v VPL

общ ¿L ' i=1 qpi

(5)

(время, объем) в резервуарный парк, задавшись интервалом (шагом) не по расходам, а по определенному интервалу длины (или объема) А/ [3]. При этом допускаем, что в пределах участка длиной А/,- расход будет постоянным, qi = const (рис. 2).

Составим уравнение Бернулли для конечного и начального сечений:

где Vpj - объем нефти в участке, подлежащем освобождению; qpj - расход нефти на участке освобождения на /-м шаге.

Рассмотренная выше методика [1] обладает рядом существенных недостатков [2, 3], а именно:

- необходимость проведения нескольких итераций для определения расхода откачки с последующим определением времени;

- приближенность определения максимально возможного расхода откачки;

- неучитываемость изменения уровня взлива в резервуаре;

- увеличение трудоемкости расчетов при повышении их точности.

С целью повышения точности проводимых расчетов, их упрощения и возможности автоматизации расчетов предлагаем определить параметры опорожнения участка нефтепровода

т Рн ZH + -н--

н pg

9

ан — = ZK +—^1 + ак — + hT.

2g

pg

2g

(6)

$2 §2

Примем, что ан^ = , так как диаметры труб в

начале и конце участка одинаковы, а также с учетом того, что Рн = Р уравнение (6) примет следующий вид:

■ Рис. 2. Продольный профиль освобождаемого участка нефтепровода

Высотная отметка, м

н + н

взл! dpk.0

трассы МТ, мХ

Zh = ZK +-А + ht.

pg

(7)

Остаточный напор на конечном пункте представим в виде

(8)

Р

—к = h + H ■

"пт ^' 'взливаI •

pg

где hnT - потери напора в технологических трубопроводах, hnT»(5-10)м.

Нвзлива1 = H0 + Нвзл = H0

Fp I=1

(9)

где Нв,

Ft/п n Fp i=1

Z&lj -уровень взлива в резервуаре, вели-

Qx

Ft

Zk - Ho - hn

w=1

f ■ (L - Xj]

1

2-m

(14)

где х - дистанция трассы для ього сечения; f - коэффициент, зависящий от вязкости, режима течения и диаметра

нефтепровода, равный f = р.

D 5-m'

^вн

Находим среднее значение расхода на участке освобо-

ждения длиной ДА,

чина динамическая в процессе расчета; Н0 - первоначальный уровень взлива нефти в резервуаре (постоянная величина); Fт/п, - площадь поперечного сечения нефтепровода на /-м шаге расчета; Fp - площадь поперечного сечения резервуара.

С учетом (8) и (9) уравнение (7) примет вид

Q0Pi =-

Qx

-Qx

2

(15)

Время на опорожнение участка длиной ДА будет

At,

Ft / п А/i Qopi

(16)

Zh = Zk + — + hx = Zk + hn.T. + hT + Hвзлива!. (10) pg

Потери напора на трение определим по обобщенной формуле Лейбензона:

Определяется общее время опорожнения:

tобщ = ZAti.

i=1

(17)

pQ2-m3m

h = 1,02

D

5-m

-u

(11)

где Q - расход нефти в трубопроводе; диаметр трубопровода; кинематический коэффициент вязкости нефти при температуре перекачки; р, т - коэффициенты, характеризующие режим течения.

С учетом увеличения длины освобождаемого участка в процессе ведения работ по откачке потери напора на трение будут уменьшаться:

и,02 Q * (L -xi),

D

5-m

(12)

где х - дистанция -го сечения.

Подставив (12) в (10), получим формулу для определения производительности освобождения нефти самотеком из трубопровода в резервуарный парк в зависимости от длины опорожняемого участка для каждого шага расчета:

Qx

( D5-m ^2-m

PS"

Zh, - Zk - hnj.- Но • ZП=1 AII

(L - X)

1

2-m

(13)

Эту формулу запишем в форме, более удобной для автоматизации расчетов и позволяющей исключить из расчета длины участков трубопровода, которые не будут опорожняться, то есть не учитывать протяженность «карманных» участков по специальному алгоритму:

С использованием полученных формул разработана программа расчета с помощью программного обеспечения Delphi, которая позволяет автоматизировать расчет времени и объема освобождения участков МН. Программное обеспечение Delphi предусматривает использование дистанции и соответствующей геодезической высотной отметки для каждого трубопровода из программного комплекса «Гидравлический расчет нефтепроводных систем» (ГРАНС) [4].

Приводим результаты расчета для следующего примера.

Требуется выполнить расчет времени освобождения и расчет объема освобождения участка трубопровода самотеком в резервуары нефтеперекачивающей станции (НПС) для одного из нефтепроводов организации системы «Транснефть» (ОСТ) с общей протяженностью 73 км, при проведении ремонтных работ на 60,1 км трассы с высотной отметкой Z = 215 м. Нефть вязкостью 40 мм2/с сбрасывается в РВС-5000, площадь поперечного сечения которого равна 417 м2.

Продольный профиль трассы нефтепровода представлен на рис. 3.

В табл. 1 приведены для участка нефтепровода координаты трассы (дистанция X (км) и соответствующая ему геодезическая высотная отметка Z (м)) из базы данных программного комплекса ГРАНС [4].

Получены следующие результаты по программе расчета, разработанной с помощью программного обеспечения «Delphi»: нефтепровод освобождается от нефти объемом 2223,3 м3 самотеком в резервуары на участках общей протяженностью 2000 м, при этом время освобождения составляет 0,72 ч.

Также для сравнения выполнен расчет времени освобождения и объема освобождения по формулам, полученным выше, c использованием прикладной программы

X

Microsoft Excel. 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. Поэтому из нескольких значений длины А/ выбирается рациональное значение А/. Также расчет выполнен с учетом изменения уровня взлива в резервуаре и без его учета.

Значение коэффициента f составляет

f = 0,0246 •

(40•10

-6n0,25

5-0,25

max2

L

общ

■■ YAJ; = 2,08 км.

Рис. 3. Продольный профиль трассы нефтепровода: I, II, III, IV- участки трубопровода, которые не освобождаются от нефти

350

воо

250

200

1,9

= 0,000856.

Находим участки трубопровода, подвергаемые освобождению: из базы данных Хп, Zn на участке освобождения находим первое максимальное число Zmax1 в промежутке от Х1 до Хр, если Zmax1 *Zр, то далее находим второе максимальное число Zmax2 в промежутке (Хтах1 Хр], если Z,

150

100

X, км

Таблица 1

Координаты трассы участка нефтепровода

* Zр, то третье в (Хтах2; Хр] и

т.д. до тех пор, пока Zmaxn = Zр. Здесь Х1 - дистанция закрытой задвижки или перевальной точки (возвышенности), самой дальней от места производства работ, а Хр - дистанция места проведения ремонтных работ. Координаты участков освобождения приведены в табл.2

Находим длины освобождаемых участков, например для 29-го участка:

А/, = 22,7 - 22,6 = 0,10 км.

Остальные значения длин участков освобождения приведены в табл. 3.

Общая протяженность освобождаемых участков самотеком при учете изменения уровня взлива в резервуаре составляет

X, км 0 0,1 0,2 0,3 72,7 72,8 72,9 73

Z, м 240,96 242,1 249,3 259,08 . 207,85 207,78 205,61 203,8

Таблица 2 Координаты участков освобождения

n 1 2 3 4 26 27 28 29

Zmaxn 305,35 305,32 303,1 302,12 ... 255,13 250,43 245,42 237,96

Х ^Viaxn 14,2 14,3 14,37 14,4 ... 22,4 22,5 22,6 22,7

Таблица 3 Значения длин участков и времени освобождения нефтепровода от нефти

Zi, м Х^ км Ali Alj Q'cp. м3/ч Q'opj, М3/Ч At, ч aî;,4

1 305,32 14,3 0,10 0,10 2578,131 2582,296 0,043 0,043

2 303,1 14,37 0,07 0,07 5120,171 5131,495 0,015 0,015

3 302,12 14,4 0,03 0,03 5068,012 5083,638 0,007 0,007

4 298,37 14,5 0,10 0,10 4989,871 5011,288 0,022 0,022

5 293,21 14,5546 0,05 0,05 4841,815 4870,494 0,013 0,012

28 245,42 22,6 0,1 0,1 1949,178 3299,534 0,057 0,034

29 237,96 22,7 0,1 0,1 1370,769 2970,112 0,081 0,037

Итого

2,08 3,017

0,74 1,651

* Результаты расчета определены с использованием в качестве прикладной программы Microsoft Excel. Примечание: / - номер участка; Z/ - геодезическая высотная отметка конца /-го участка; Xj - дистанция конца i-го участка.

Общая длина участков освобождения трубопровода, когда не учитывается изменение уровня взлива в резервуаре, то есть, когда значение уровня взлива принимается постоянным и равном Отах29 2 м, составляет

1

I '

'-общ

:£Al/7 = 3,02 км.

2

237,96 - 203,85 - 7 - п1,19 • (22700 -14200) _!_4 • 417 v_'_

0,000856 • (72700 - 22700) = 0,27 м3/с.

2-0,25

Находим производительности опорожнения нефти из трубопровода на разных участках, например для 29-го участка с учетом уровня взлива:

Производительность освобождения этого участка без учета уровня взлива:

Qm

237,96 - 203,85 - 7 0,000856•(72700 - 22700)

2-0,25

:0,77 м3/с.

Средний расход с учетом уровня взлива и без учета уровня взлива будет соответственно:

Q,

op 29

QO

OP29

0,49 + 0,27 2

0,88 + 0,77 " 2

=0,38 м3/с = 1370,8 м3/ч;

= 0,83 м3/с = 2970 м3/ч

Остальные значения средних расходов приведены в табл. 3.

Находим время освобождения трубопровода на разных участках, например для 29-го участка с учетом уровня взлива в резервуаре:

3,14-1,192 -1000 ппо. М29 = ——, ______= 0,081 ч.

4-1370,8

Время освобождения этого участка без учета уровня взлива в резервуаре, будет

At'

3,14-1,192 -1000

29

: 0,037 ч.

4 2970

Остальные значения времени освобождения нефтепровода от нефти для каждого участка приведены в табл. 3.

Общее расчетное время на самотечное освобождение трубопровода с учетом и без учета уровня взлива составляет 0,74 ч и 1,65 ч соответственно.

Общий объем нефти на самотечное освобождение с учетом уровня взлива будет

V = п- Dн2- ^бщ = 3,14-1,192-2080 = 23157 м3

4 4

Общий объем на самотечное освобождение без учета уровня взлива составляет:

V - = П- Dн2 Loбщ = 3,14-1192-3017 = 3354,5 м3

4 4

Для рассмотренного примера расхождение расчетов по определению времени и объема опорожнения трубопровода от нефти самотеком в резервуары по программе расчета, разработанной с помощью программного обеспечения «Delphi», и по результатам ручного расчета с использованием прикладной программы Microsoft Exсel не превышает 5%.

Анализ учета изменения уровня взлива в резервуаре по мере поступления освобождаемой нефти показывает следующее при учете уровня взлива в резервуаре опорожняется самотеком участок нефтепровода объемом 2315,7 м3, а время освобождения составляет 0,74 ч, а если не учитывать изменение уровня взлива в резервуаре, то объем освобождения составляет 3354,5 м3 и расчетное время освобождения составляет 1,65 ч.

Таким образом, при расчетах, неучет изменения уровня взлива в резервуаре приводит к ошибочному определению объема освобождения, для рассмотренного примера объем освобождения завышается на 1038,8 м3 и расхождение составляет 45%.

Выводы

1. Предложена методика расчета времени и объема освобождения трубопровода самотеком в резервуары для выполнения ремонтных работ с учетом задания интервала длины (объема) освобождения, в отличие от задания интервала по расходу, рекомендованного по методике [1].

2. Преимуществом предложенной методики расчета является:

- возможность автоматизации расчетов;

- отсутствие необходимости в проведении расчетов с использованием продольного профиля трассы, в отличие от методики, предложенной в [1];

- отсутствие необходимости определения угла наклона трассы нефтепровода на каждом анализируемом участке к горизонтали, в отличие от методики, предложенной в [2];

- возможность учета изменения уровня взлива в резерву-арном парке.

3. Разработана программа расчета с помощью программного обеспечения «Delphi» для автоматизации расчета времени и объема освобождения трубопровода для выполнения ремонтных работ, которая использует базу данных координат трубопровода из программного комплекса ГРАНС.

4. Сравнение результатов расчетов, выполненных в предположении уровня взлива в резервуарном парке пункта слива постоянным, как принято в методике [1], 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 (для рассмотренного примера погрешность по определению объема составляет 45%).

29

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 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.

3. Гареев М.М., Каримова Г.И. Расчет объемов и времени освобождения от нефти участков магистральных нефтепроводов самотеком в резервуарный парк // Тру-бопроводный транспорт - 2015: мат. X Межд. учеб.-на-уч.-практ. конф. УГНТУ. Уфа, 2015. С. 110-113.

4. Шаммазов А.М., Козачук Б.А., Пирогов Н.Е. и др. Свид. об офиц. рег. программе для ЭВМ № 2005610784. Программный комплекс «Гидравлический расчет нефтепроводных систем» "ГРАНС"/ М.: Роспатент, 2005.

CALCULATION OF VOLUME AND EMPTION FROM OIL OF MAIN OIL PIPELINES BY GRAVITY IN TO THE TANK FARM

GAREEV M.M., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Deputy Head of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas

SHAMSUTDINOV I.R., Undergraduate of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas

Ufa State Petroleum Technical University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan,

Russia). E-mail: m_gareev49@mail.ru,

E-mail: ilyas.shamsutdinov2015@yandex.ru

ABSTRACT

The article proposes a new approach to determining the time of liberation of sections of trunk oil pipelines by gravity into the tank farm. A program has been developed for cal-culating the time for the release of a section of a trunk oil pipeline by gravity to a tank farm, which allows calculation taking into account changes in the level of product flow in the park.

Keywords: repair of pipelines, the liberation of oil storage tanks, gravity drain, pumping time.

REFERENCES

RD-75.180.00-KTN-155-14 Magistral'nyy truboprovodnyy transport nefti i nefteproduktov. Metodika rascheta ob»yemov i vremeni osvobozhdeniya ot nefti i nefteproduktov uchastkov magistral'nykh truboprovodov dlya provedeniya planovykh rabot [Ruling Document 75.180.00-KTN-155-14 Main pipeline transport of oil and petroleum products. The method of calculating the volume and time of release from oil and oil products sections of pipelines for carrying out planned work].

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

Gareyev M.M., Karimova G.I. Raschet ob»yemov i vremeni osvobozhdeniya ot nefti uchastkov magistral'nykh nefteprovodov samotekom v rezervuarnyy park [Calculation of volumes and time of release from oil of sections of trunk oil pipe-lines by gravity to the tank farm]. TrudyXMezhd. ucheb-nauch.-prakt. konf. [Proc. of X Int. study and scientific practical conf.]. Ufa, 2015, pp. 110-113.

Shammazov A.M., Kozachuk B.A., Pirogov N.Ye. Svid. ob ofits reg. programmydlya EVM№2005610784. Programmnyy kompleks «Gidravlicheskiy raschet nefteprovodnykh sistem» "GRANS" [Certificate on the official reg. software for computer № 2005610784. Program complex "Hydraulic calculation of oil pipeline systems" "GRANS"]. Moscow, Rospatent Publ., 2005.