CC BY
13
УДК 621,311(571.66)
ТРАНСПОРТИРОВКА ПАРОВОДЯНОЙ СМЕСИ НА МУТНОВСКОМ ГЕОТЕРМАЛЬНОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ:
МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Л.Н. Шу. ионии (КамчатГТУ)
Рассматриваются uemt/ды /хзсчета трубопроводов Лад транспортировки паровоОятш сиеси ни .’eame/MOAht1ых месторождениях. Описан опыт расиста тру6опро«гн)ов пи Мут полек аи геотермлшнш месторождении (Камчатка).
Methods of calculation of pipelines for xteamwater mixture transfer construction are considered Results of calculation of pipelines in Muinwsky geothermal fidd in Kamchatka are described.
Использование глубинною тепла Земли уже давно перестало быть экзотическим направлением энергетики, оставаясь тем не менее одним из перспективных направлений ввиду огромного запаса энергии Актуальными остаются научные работы, сватанные с совершенствованием технологий добычи, транспортировки и утилизации геотермальных теплоносителей, чему способствует усиление экологических требований и освоение новых месторождений со специфическими характеристиками тепл оное щелей.
Наибольшие перспективы в освоении глубинного тепла 'Земли связаны с освоением месторождений с теплоносителем, представленным смесью пара и воды |1]. Мри этом известно, что при необходимости транспортировки не только пара, но и воды, связанной со стремлением к более глубокому использованию потенциала теплоносителя и требованиями экологического характера, особую привлекательность приобретает транспортировка теплоносителя в виде смеси воды и пара [2]. Поэтому в последнее время в практике освоения геотермальных месторождений все чаще прибегают к транспортировке пароводяной смеси от скважин к ГооЭС [3-7).
При внедрении новых технологий к научным исследованиям обычно прнбегактг только дня выработки концептуальных решений и в случае возникновения проблем на стадии практического воплощения. Принятию решения о транспортировке теплоносителя в виде пароводяной смсен на Мугновеком месторождении предшествовала публикация большою обьема научных работ 11, Н], соплание необходимой научно-методической базы. Однако разработанная Ьиш оставалась невос-трсбованной до возникновении проблем, возможность возникновения которых отмечалась в ука тайных работах, ’Гак, скважина А2, устойчиво работавшая при избыточном давлении на уиье до 10 бар. после подключения к трубопроводу стала работать в пульсирующем режиме, имея избьгточ-»юе давление на устье менее 7 бар. А трубопровод от скважины № 037 создавал гидравлическое сопротивление 4,2 бара, что привело к повышению устьевого давления и существенному снижении) расходы добываемого теплоносителя. Все это потребовало внедрения существующих научнометодических разработок на практике, а опыт внедрения показал необходимость их развития
Главная проблема при транспортировке пароводяной смеси заключается н том, что для снижения уровня пульсаций в потоке, окатывающих негативное влияние на трубопровод н сопряженное с ним оборудование, требуется поддержание высоких скоростей. С другой стороны, высокие скорости приводят к большим г идравлическим сопротивлениям. Кроме того, зависимость расходных параметров скважин от устьевого давления требует согласованного расчета течения и трубопроводе с данными испытания скважин.
Основы методики гидравлическою расчета, ориетпгированного на короткие трубопроводы пароводяной смсси на геотермальных промыслах, представлены в работе 11]. Коррект ировка методического аппарата для длинных (более 1 км) трубопроводов предложена в работе |Х]. Укачанные основы включают и себя рекомендации по выбору диаметра труб для обеспечения бсс-пульсационното режима работы трубопровода и рекомендации по расисту перепада давления. Для выбора диаметра труб рекомендуется условие, предложенное М.А. I огоне ким и П..І I. Гольдбергом по результатам обобщения опытных данных на стенде «Камчатскэнсрго» [9]:
/>*0,252
•м
(1)
где О диаметр трубы: - массовый расход смеси; рсм плотность смсси. определяемая по
гомогенной модели.
Условие (I) можно рассматривать как требование к поддержанию высоких скоростей транс порптровкн. Кроме того, существуют требования к фановому составу теплоносители - пароео-держанне должно соответствовать условию 111:
.т>
I
(2)
где р"и р' плотности пара и воды; т- массовое расходное паросодсржанис.
Гидравлический расчет основывается на выражении перепада давления
Ар = Ар,л, +Ьрх +А/?уск +Др^, (3)
где Ар обший перепад давления: Др^ - перепад давления на трение; Дрк і равитационный перепад давления; Л/У* - перепаді давления на ускорение смсси; Лрдц - суммарный перепад давления на местных сопротивлениях.
Для определения перепада давления на трение рекомендуется формула 111:
'К =
0.02р„(у
20
(4)
і де ц.-ч скорость смсси по гомогенной модели; £ длина трубопровода: г'с максимальная скорость жидкой фаты, определяемая в соответствии с линией насыщения по формуле
• ІФ ргг > р?7
(5)
где г - удельная теплота парообразования; Л'-удельная энтальпия воды.
Формула (4)соответствует упрощенному расчету [I], и при ее использовании рекомендуется пренебречь перепадом давления на ускорение. Отметим, что следование рекомендациям но выбору диаметра труб фактически приводит к работе в достаточно утком диапазоне скоростей, а ускорение траст значительную роль только при приближении к сечению критического потока.
I раяитанионный перепад давления рассчитывается по формуле
Ару = р 1И£//, б)
где Н- перепал высот начальной и конечной точек участка; к ускорение свободного падения.
Но результатам опытных исследований на стенде «Камчатсюнерго» для расчета перепада давления на местных сопротивлениях при течении пароводяной геотермальной смеси
М.А, І отовским рекомендована гомогенная модель потока, при этом коэффициент местного civ противления двухфазного потока предлагается считать в 1,4 раза больше принятого /іди данного сопротивления коэффициента при однофазном течения [9|. С учетом этого для расчета перепала давления на местном сонроіивлении в пароводяном потоке имеем:
V.*—(7)
где Арм - перепал давления на местном сопротивлении; С, коэффициент мес тного сопротннле-пия для однофазного потока.
Суммарный перепад давления на местных сопротивлениях и уравнении (3) находится как еумма перепадов ни всех местных сопротивлениях, имеющихся па рассматриваемом участке трубопровода.
Особенностью расчета коротких трубопроводов (до 100 м) является возможность принятия положения о незначительном изменении параметров смеси, что позволяет рассчитывать перепады давления в уравнении (3), используя параметры смеси в одной точке, Кроме того, гравитационный перепад давления является незначительным, и им можно пренебречь. Более длинные трубопроводы следует разбивать на несколько участков, в пределах которых параметры смеси изменяются незначительно, и расчет производить последовательно, принимая конечное давление на предыдущем участке за исходное на текущем. При этом гравитационный перепад давлення, являясь незначительным на отдельном участке, для трубопровода в целом может достигать существенных значений. Поэтому для исключения возможной систематической погрешности расчета на каждом интервале при перепале высот по трассе более 10 м рекомендуется учитывать гравитационный перепад.
Исходными данными для гидравлического расчеіа служат результаты выпусков из скважин, представ.іениьіе в виде зависимостей расхода и энтальпии смеси от устьевого давления (т-рафики производительности), рабочее давление на входе в I соЭС (в конечной точке трубопровода), а также геометрия трассы. Дополнительные сложности вызывает отсутствие конкретных значений расходных параметров при расчеіе. Требуется согласовать расчет течения в трубопроводе с результатами выпусков.
В работах [1,8] предлагается метод последовательною приближения для нахождения необходимого согласованного решения. Суть метода заключается и том, что по предполагаемому перепаду давления, зная давление в конечной точке, определяется устьевое давление (давление в начальной точке трубопровода). По уст ьевому давлению с помощью і рафиков ироизводитсль-носіи определяется расход и энтальпия смеси, после чего осуществляется расчеі трубопровода (фактически от конечной ючки к начальной), Внонь полученное в результате расчета устьевое давление используется для уточнения расходных параметров, и процедура расчета повторяется до тех пор, пока вновь уточненные нарамеїрьі не совпадут (в пределах ноірешности измерений) с используемыми при текущем расчете.
Как показал опыт расчета, данная схема обычно быстро сходится к согласованному значению устьевого давления (достаточно двух-трех приближений). Однако наблюдались случаи неустойчивости предложенной схемы решения, характеризующиеся существенной зависимостью расхода скважины от устьевого давления и значительным перепадом давления r трубопроводе В этих случаях для нахождения согласованного значения предлагался графический метод, заключающийся в том. что на график производительности скважины накладывается график зависимости устьевого давления от расхода, построенный на основании расчета трубопровода. Рабочая точка находится на пересечении графиков, характеризующих скважину и трубопровод.
На рис. I представлен пример ірафического решения залачи транспортировки пароводяной смеси от скважины № 017 Муїновского месторождения. Расстояние до I со'К - J 500 м. сква жина расположена на 100 м выше станции, рабочее давление на сіанции - 5,9 бара, знталышя смеси слабо зависит от устьевого давления и в рабочем диапазоне составляет 1 407 кДж. кг. Под цифрой 2 представлена характеристика трубопровода, поедчнтаиная в строгом соответствии с рекомендация ми по выбору диаметра трубопровода. Одпако оптимальную с гидравлической точки зрення конструкцию на данный момент времени не следует рекомендовать для эксплуатации. В процессе жеплушации существует тенденция к снижению расхода, которое может вызвать нарушение условия (I). Поэтому необходим запас расхода, способный обеспечить нормальную работу трубопровода при длительной эксплуатации. Величина запаса определяется для
каждой скважины отдельно и основывается на данных о сс конструкция, зонах пипшии. результатах выпусков в различные моменты времени, общих тенденциях в поведении скважин в процессе эксплуатации и т. д.
Следует обратить внимание на то, что начиная с расхода 23 кт/с перепад давления трубопровода оптимальной конструкции практически не зависит m его величины. Это связано с тем. что трубопровод состоит ит двух участков диамет ром 377 мм - вначале и 426 мм - далее. При росте расхода увеличивается протяженность участка с большим диаметром (и меньшими гидравлическими сопротивлениями), что компенсирует увеличение соиротвлений при росте расхода.
in-
i'
0
о*
1 4
а
=
ї
Z
>У
9
«-І
7
6
5 -
------1 і-------1--------1-------1-----►
20 22 24 26 28 .V)
Рпсхол смеси, кг,'с
Рис І Зависимость \г тынного дшиеиия сквимпиь/ Аї ОI ? Мушовского »е.х:ятрпжИеиия от рисяойа:
I /Ьаиные выпусков а < ашимин; 2 - расчетная характеристика аптимшыюги (по гидравлике/ трубафовода: і расчетная хораюпгристики рекамемдиммчого трубопровода
Оны! показа.'!, что изменения диаметра рекомендуются для длинных трубопроводов от скважин с невысокой энтальпией (менее I 300 кДж/кг). Для приведенного на рис. I примера рекомендован трубопровод диаметром 377 мм. При этом имеется достаточный резерв расхода, я поіеря добываемого теплоносителя по сравнению с оптимальным вариантом нешичительна.
Анализ сочетания графиков производительности скважин с характеристиками труб позволил сформулировать криіерий устойчивости ранее предложенной схемы решения методом последовательных приближений. Схема устойчива, когла в точке пересечения графика производительности и характеристики трубопровода выполняется условие
Кр =
<1
09
іде К] и к., угловые коэффициенты характеристики трубопровода и графика производительности.
Нетрудно убедиться, что в случае Кр > 1 «уточнение» расхода по трафику производительности фактически будет удалять от истинного решения.
Сравнивая метод последовательных приближений с графическим и учитывая опыт практических расчетов, следует отмеїшь. что первый проще в реализации и является предпочтительным, естественно, при выполнении условия (8). Поэтому к графическому методу рекомендуется прибегал только в случае обнаружения неустойчивости схсмы решения методом последовательных приближений. Заметим, что на практике графический метод использовался только для нескольких вариантов предполагаемых трубопроводов, характеризующихся повышенным запасом по расходам и соответственно большими перепадами давления, которые и конечном ечеіе не были рекомендованы. Предпочтение было отдано другим вариатам. позволяющим эксплуатировать скважины с меньшим устьевым давлением и большим расходом добываемого теплоносителя
В настоящее время на Мугиовском месторождении нмекпея два длинных трубопровода па роводяной смеси; от скважин №037 (2 080 м) и №013 (I 600 м). Причем первый был выполнен бет предварительного расчета, вследствие чею перепад давления оказался необоснованно большим - 4,2 бара. Применение указанных рекомендаций по расчету перепада давления дало значе-
4Н
ние 4,1 бара Данное расхождение было интерпретировано как дополнительное сопротивление сильфонных компенсаторов, что учитывалось при дальнейших расчетах. Грубопровод от скважин №013 был выполнен с учетом разработанных рекомендации. Перепад давления составил 1,7 бара при расчетом значении 1,5 бара.
Н практике освоения Мугновского месторождения для ликвидации пульсаций и снижения гидравлических сопротивлений с иелыо увеличения расхода теплоносителя делались попытки не пол ьзо ватт, частичное удаление воды (подсушка смеси), повышающее паросодержанне и энтальпию транспортируемой смеси. Однако данные попытки, выполненные без необходимой научной проработки, имели или явно негативный, или сомнительный результат.
Идея использования подсушки возникла в связи с возникновением пульсаций в скважине X? А2, вызванных ошибками в выборе диаметра і руб для транспортировки смеси. Предполагалось. что частичное удаление воды с помощью малогабаритного сепаратора с малым гидравлическим сопротивлением решит указанную проблему. Однако удалось лишь увеличить период работы скважины между остановами, вызванными, по всей видимости, возвратным течением воды из трубопровода.
Согласно представленным методическим рекомендациям, для обеспечения нормальной ра-бо1Ы ірубопровода должны выполняться условия (I) и (2). При этом условие (2) не зависит от диаметра труб и является для практической геотермии достаточно мягким. На рис. 2 представлен график зависимости минимально допустимого расходного паросодержания от давления, определяемого условием (2). Так как вопрос о транспортировке пароводяной смеси на геотермальных промыслах ставится обычно в случаях, когда массовое расходное паросодержанне 'значительно больше 0,1 (в том числе и для Мутновского месторождения), го из графика видно, что ечкпвег-сгвующее условие выполняется и без подсушки.
Ліс. 2. Наетжтхт» минимально Лип«іюм ««я магептмо роеммього нвросодержямяя ( \гс) от давления ҐР) при траыспарит/Нниа! пароводяной ,'«<■<'а
Условие (I) определяет максимально допустимый диаметр для трансіюртировки смеси. В случае со скважиной № А2 имеет место несоблюдение именно этого условии. Следует заметить, что от ношение массового расхода и плотности смеси, стояшсс в условии (I). ест ь объем ный расход смеси. Слсдоваїельио, условие (1) можно представить в виде
£)< 0.278 Й1\ (9)
где Qeм - объемный расход смеси.
Ввиду значительно большей плотности воды объемный расход смеси, даже при чначиїель-ном содержании воды по массе, определяется объемным расходом пара. Па рис. 3 представлен і рафик зависимости доли воды в объемном расходе от массового расходного паросодержания для давления 10 бар. Анализ данного графика показывает, чго подсушка не может существенно повлиять на объемный расход смеси. Ьолсс того, подсушка снижает, хоть н незначительно, объемный расход смеси, т. е. согласно условию (9) уменьшает максимально допустимый диаметр для транспортировки смеси.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что частичное удаление воды является неэффективным средством для перевода трубопроводов, транспортирующих пароводяную смесь на геотермальных промыслах, из пульсационного режима в нормальный. Для этой цели реальным
средством ниляегся полное удаление воды, или высокая степень сепарации с отводом конденсата но трассе в местах ею возможного скопления.
Идея использования подсушки также возникла в связи с попыткой увеличил» расход добываемого теплоносителя скважины №03? Мутновского месторождения. Трубопровод пароводяной смеси от этой скважины бит выпатнен, как и в предыдущем случае, без необходимого на учнот обоснования, по в этом случае имело место занижение диаметра трубы. При этом с учетом большой длины трубопровода (2 080 м) имел место значительный перепад давлении (более 'I бар), в евши с чем для транспортировки смеси требовалось эксплуатировать скважину при большом устьевом давлении. В свою очередь, расход добываемою теплоносителя уменьшается с ростом давления. Поэтому было решено (опять без необходимою научною обоснования) вблизи устья скважины установить малогабаритный сепаратор, способный удалить из смеси часть воды, и транспортировать уже подсушенную смесь, снизив устьевое давление и увеличив расход теплоносителя.
Однако необходимо тамегить, что удаление йоды вблизи устья скважины происходит при более высоком, по сравнению со станционными сепараторами, давлении. В результате теряется часть пара, который мог бы выделиться из удаленной воды. А поскольку именно пар используется для выработки электроэнергии на Мутновской ГеоЭС. то эффективность подсушки будет зависеть от конкретных характеристик пропускной способности трубопроводов и графиков про-изводшельносги скважин.
Для примера проведем оценку эффективности подсушки с целью увеличения расхода теплоносителя но скважине № 037 Мутновского месторождения. В качестве характеристики производительности скважины принимались результаты выпуска 2001 года (табл. I). Давление и конечной точке трубопровода принималось равным 5.9 бара, длина трубопровода — 2 080 м. диаметр
0,309 м.
Таблица I
Исхл.щмг линммс її» і'юижиии As 037
Давление ла уте, бпр Расход смссн, кг/с 'Тнтл н.пин. кДж.'кі
2,? 31.4 1 461
f>,H 30,7 1 457
8,0 14.2 1 316
10.2 27,7 1 336
12,0 27.4 1 319
Согласование пропускной способносіи трубопровода и характеристики производительности скважины осуществлялось графическим методом (рис. 3) Расчет пропускной способности трубопровода выполнялся для четырех вариантов: без удаления воды (энтальпия смеси 1 336 кДж/кг, массовое расходное паросодержание на устье - 0,3). подсушка смеси на устье до энтальпии I 800, 2 200 и 2 570 кДж'кі, что соответствует массовому расходному паросодсржа-нию 0,5, 0,7, и 0,9 соответственно. Для каждого варианта определялся расход пара, подаваемого на станцию, с учетом окончательной сепарации смеси при давлении 5.9 бара. Полученные результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Данные по марили им транспортировки емгги от гкпмжмны Лі 1X3"?
"Этилмі ни смеси. н-Дж/кі Давление но устье, бар Расход cwcch на скважине, кг/с 1 Ьросодержаанс на «.чаде в трубопровод Раскол Ігира ни сгашщю, кі /с
1 336 10,1 27.8 0,3
1 800 ад 28.7 0,5 8.7
2 2М 8.5 28.8 0,7 8,7
2 570 29,0 0.9 8,7
Как видно из табл. 2, использование подсушки для данной скважины не увеличивает, а напротив, уменьшает расход подаваемого на станцию пара- Следует также заметить, что частичная сепарация имеет некоторые недостатки, которые даже в случае заметного увеличения расхода пара могут привести к неэффективности ее использования. Во-первых, сепарация вблизи устья требует решения вопроса об утилизации с сі пірата., что, как правило, святанос нарушениями эко*
логических требований. Во-вторых, общее увеличение расхода добываемой смеси сопряжено с дополнительными нагрузками как на геотермальный резервуар, так и на оборудование промысла (водоводы сепарата. насікы закачки и т. д.), что снижает эффективность использования ресурсов и повышает стоимость эксплуатации промысла.
Рис. 3 Зависимость дали объемного расхода ялды яраеклде смеси от массовом расходного пигнкчмкгржашш (х/
Таким образом, но поводу эффективности частичного удаления воды при транспортировке пароводяной смеси на геотермальных месторождениях можно сказать следующее:
1. Указанное мероприятие не решает проблему предотвращения пульсаций в случае их возникновения в результате ошибок при выборе диаметра труб или неучтенного снижения расхода скважины.
2. Вопрос об использовании подсушки для увеличения расхода подаваемою к потребителю теплоносителя должен быть решен на основе анализа (рафиков производительности конкретных скважин и пропускной способности соответствующею трубопровода при различной степени сепарации.
3. Анализ (рафика производительности скважины .V? 037 и соответствующего трубопровода пароводяной смеси показал, что подсушка смеси для данной скважины трубопровода является нецелесообразной.
В целом следует отмезить. что разрабошнные научно-методические основы позволяют достаточноуверенно решать практические задачи, связанные с транспортировкой пароводяной смеси на геотермальных месторождениях, а именно: определять оптимальную конструкцию трубопроводов. риссчктывать перепады давления в трубопроводах и расходы скважин, прогнозировать эффективность использования подсушки для снижения уровня пульсаций и увеличения расхода добываемого теплоносителя. Тем не менее, учитывая перспективы расширения опыта транспортировки смеси (с объединением потоков от нескольких скважин, созданием трубопроводов без восходящих и даже горизонтальных участков и т. д.), в ближайшее время плакируется проведение широкомасштабного исследования действующих трубопроводов, включающею испытания в различных режимах (номинальный и пульсационный), с целью совершенствования предложенного методического аппарата.
Кроме того, наступает момент, когда следует по-новому выполнить анализ положительных и отрицательных сюрон двухфазной технологии транспортировки теплоносители. В частности, обнаружилось, что данная технология даже в случае применения промывки пара не дает тою качесгва теплоносителя, подаваемого на турбины, какое имеет место при сепарации на устье, например при эксплуатации I (аужстского геотермального месторождения (Камчатка). Заметим, что тепловые потерн и конденсация в паропроводе с последующим удалением конденсата являются эффективными методами промывки пара.
N" i. докабрч № r.
Литература
1. ll/улюпин A II I Ьронодяныс течения на геотермальных промыслах. - Петропавловск-Камчатский: Камчат!ТУ*2004.- 149с.
2. Earth sciences. Paris: UNESCO, 1973. .Ye 12.
3. Lee K.C., Jenks D.G. Ohaaki geothermal steam transmission pipelines // Proceedings, I l-lh
New Zealand Geothermal Workshop, 1989. P. 25 -30.
4. Wigfy D M. Separation plant and pipework design - Ohaaki steam field ff Proceedings, 11-th New Zealand Geothermal Workshop, 1989. - P. 19-24.
5. Delttov K. Shulyupin A. Geothermal power generation in Kamchatka. Russia // Geothermal Re
sou lees Council Transactions. Portland. 1996. VoL 20. P. 733 736.
6. Zhao H.D., Lee K.C.. Freexlon D.H. Geothermal two-phase flow in horizontal pipes // Proceedings, World Geothermal Congress 2IMKI. - Kyushu-Tohoku, 2000. - P. 3349-3353.
7. Мутновскнй геотермальный энергетический комплекс на Камчатке / О.В. Ьритвин. О.А. Поваров. Е.Ф. Клочков и др. И Теплоэнергетика. 2001. N“ 2 -С. 4-10.
8. Шуиопин А.И., Чермошеищва А.А. Гидравлический расчет трубопроводов для транспортировки пароводяной смеси не геотермальных промыслах// Иш. высш.учеб. заведений. СевероКавказский регион. Техн. науки. - 2004. - 11рил. № 4. - С. 97-102.
9. Разработка методики расчета транспорта пароводяной смеси от скважин к ГеоТЭС: Отчет о НИР / НПО ЦКГИ; Под рук. М.А. Готовского. Л.. 1990
