CC BY
60ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
УДК 622.691.4.052
М.В. Лурье1, e-mail: lurie254@gubkin.ru
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
Транспортировка партий водорода по газопроводу в потоке природного газа
Рассмотрена перспективная технология транспортировки партий (порций) водорода в потоке природного газа, текущего по газопроводу. Согласно этой технологии крупную, в несколько миллионов стандартных кубических метров, партию водорода или смеси природного газа с водородом с определенного момента времени начинают закачивать в действующий газопровод, вытесняя находящийся в нем газ. По завершении закачки заданного объема водорода газопровод возвращают на перекачку природного газа. Подобная процедура может повторяться много раз с той или иной периодичностью. Таким образом, каждая партия водорода вытесняет в трубопроводе находящийся перед ней природный газ и, в свою очередь, вытесняется природным газом, идущим позади партии. В конце газопровода природный газ либо сразу направляют в распределительную сеть для поставки потребителям, либо в подземное хранилище газа, а партию водорода принимают и аккумулируют отдельно в специальном хранилище. В результате одновременно достигаются две цели: во-первых, действующий газопровод без существенных изменений используется для транспортировки по нему водорода или газовой смеси, обогащенной водородом; во-вторых, водород или эта обогащенная смесь доходят до потребителя практически без изменения состава и, следовательно, качества. Контроль движения партий водорода в потоке природного газа осуществляют путем мониторинга изменения плотности с помощью ультразвуковых приборов, регистрирующих плотность протекающей среды в заданном сечении газопровода. С технических позиций эта технология является родственной известной технологии транспортирования по трубопроводу моторных топлив, называемой последовательной перекачкой нефтепродуктов. В статье также рассмотрен вопрос о газодинамических параметрах такой технологии.
Ключевые слова: водород, газопровод, природный газ, партия водорода, вытеснение, смесеобразование, объем и длина смеси, раскладка смеси.
M.V. Lurie1, e-mail: lurie254@gubkin.ru
1 Federal State Autonomous Educational Institution for Higher Education "Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)" (Moscow, Russia).
Transportation of Hydrogen Batches by a Gas Pipeline in the Flow of Natural Gas
A promising technology for transporting batches (portions) of hydrogen in a natural gas stream flowing through a gas pipeline is considered. According to this technology, a large, several million standard cubic meters, batch of hydrogen or a mixture of natural gas with hydrogen from a certain point in time is pumped into the operating gas pipeline, displacing the gas in it. Upon completion of the injection of a predetermined volume of hydrogen, the gas pipeline is returned to transportation of natural gas. This procedure can be repeated many times with one or another frequency. Thus, each batch of hydrogen displaces the natural gas locating in front of it in the pipeline and, in turn, is displaced by the natural gas coming behind the batch. At the end of the gas pipeline, natural gas is either immediately directed to the distribution network for delivery to consumers, or to underground gas storage, and a batch of hydrogen is received and accumulated separately in a special storage facility. As a result, two goals are simultaneously achieved: first, the operating gas pipeline is used without significant changes to transport hydrogen or a gas mixture enriched with hydrogen through it; secondly, hydrogen or this enriched mixture reaches the consumer practically without changing its composition and, consequently, quality. Control of the movement of hydrogen batches in the natural gas flow is carried out by monitoring the density change using ultrasonic devices that register the density of the flowing medium in a given section of the
84
№ 11-12 декабрь 2020 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE
gas pipeline. From a technical point of view, this technology is related to the well-known technology for transporting motor fuels through a pipeline, called sequential pumping or batching of oil products. The article also discusses the issue of gas-dynamic parameters of this technology.
Keywords: hydrogen, gas pipeline, natural gas, hydrogen batch, outstanding, mixing, volume and length of mix, distribution of mix.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы все большее внимание инженерной и научно-технической общественности привлекают проблемы использования экологически чистой, так называемой зеленой, т. е. не наносящей ущерб окружающей среде, энергетики. Проблема использования двигателей внутреннего сгорания, работающих на водороде и кислороде, в которых выхлопные газы представляют собой водяной пар, обсуждается уже много лет и вышла далеко за рамки простого обсуждения. В ряде стран даже созданы первые автомобили, работающие на водородном топливе. В связи с этим особую остроту приобретают вопросы производства, хранения и транспортирования больших объемов водорода от места производства потребителю. Не останавливаясь на деталях технологии производства водорода, относящихся в большей мере к газохимии, чем к механике и трубопроводному транспорту, отметим, что одной из перспективных технологий является получение водорода из метана и его гомологов, составляющих, как известно, основную массу природного газа. К настоящему времени разработки этой технологии, соответствующей современным требованиям к разумному расходу энергии, достигли значительного прогресса, и уже не за горами производство водорода в объемах, исчисляемых десятками миллионов и миллиардами кубометров. Одновременно с задачей производства водорода возникает вопрос о методах и системах его транспортирования. Как нельзя лучше для этой цели подходит сеть действующих, а также проектируемых газопроводов. В истории развития трубопроводного транспорта нефти и газа подобный прецедент уже был. Более 70 лет назад
во всем мире, в т. ч. в России, возникла проблема одновременного транспортирования по трубопроводам многих сортов моторныхтоплив,вырабатываемых из нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Эта проблема была успешно решена, а примененная технология получила повсеместное распространение и была названа последовательной перекачкой нефтепродуктов (в англоязычной литературе она называется batch technology - перекачка нефтепродуктов порциями). В соответствии с данной технологией отдельные нефтепродукты, объединенные в партии по несколько десятков или даже сотен тысяч кубических метров, транспортируют не по разным, а по одному трубопроводу последовательно друг за другом. При этом каждая партия вытесняет в трубопроводе предыдущую и в свою очередь вытесняется последующей. В конце трубопровода нефтепродукты принимают в отдельные резервуары практически без потери их количества и качества.
Конечно, в области контакта партий нефтепродуктов образуется некоторое количество смеси, что обусловлено прежде всего неравномерностью распределения скорости жидкости по сечению трубопровода. На оси трубопровода скорость частиц жидкости больше, чем у его стенок, поэтому жидкость, идущая позади, как бы вклинивается в жидкость, транспортируемую перед ней. В то же время турбулентные пульсации размешивают вторгающуюся жидкость по сечению трубопровода. К сожалению, этот процесс нельзя остановить, он происходит непрерывно в течение всего времени транспортирования, вызывая перемешивание жидкостей в области их контакта. Однако объем образующейся смеси крайне
невелик, он составляет не более 0,005 объема участка трубопровода, по которому осуществляется прокачка данной партии жидкости. Как правило, далее смесь раскладывают, т. е. подмешивают в небольших количествах либо к обеим жидкостям, либо к одной из них. Следует отметить, что чем больше скорость перекачки,тем более развита турбулентность течения,что, в свою очередь, приводит к более равномерному вытеснению одной жидкостью другой и уменьшению объема образующейся смеси. Применительно к газам, транспортирование которых происходит при огромных числах Рейнольд-са, профиль осредненных скоростей весьма плоский, а объем образующейся смеси будет минимально возможным по сравнению с другими видами углеводородных сред.
Технологию последовательной перекачки жидкостей можно успешно использовать для транспортирования партий водорода между партиями природного газа, перекачиваемого по действующим газопроводам или газопроводам, специально спроектированным для этой цели. Рассмотрим технические параметры данной технологии.
ОБЪЕМ ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ СМЕСИ
Пусть партия водорода вытесняет в газопроводе партию природного газа. Предположим, что значение массовой концентрации 0 водорода в смеси не зависит от давления, при котором находится смесь газов. Тогда уравнение распределения концентрации водорода в области контакта партий имеет вид:
где и - скорость движения газовой смеси в области контакта партий, м/с;
Ссылка для цитирования (for citation):
Лурье М.В. Транспортировка партий водорода по газопроводу в потоке природного газа // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2020. № 11-12. С. 84-88. Lurie M.V. Transportation of Hydrogen Batches by a Gas Pipeline in the Flow of Natural Gas. Territorija "NEFTEGAS" [Oil and Gas Territory]. 2020;(11-12):84-88. (In Russ.)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 11-12 December 2020
85
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
К - коэффициент продольного перемешивания, м2/с; х - координата по оси газопровода; t - время от начала процесса вытеснения, ч [1-4]. Скорость течения газа и, входящая в уравнение (1), не является постоянной величиной, она по мере уменьшения давления от начала газопровода к его концу постепенно увеличивается. Поскольку смесь вытесняемого и вытесняющего газа имеет сравнительно с протяженностью газопровода небольшую величину, допустимо считать скорость течения газа функцией от времени, равной скорости газа в середине области смеси: и = и^). Коэффициент продольного перемешивания К, введенный выдающимся механиком современности Дж. Тейлором, отражает эффект от совокупного действия двух процессов перемешивания - конвективной диффузии, происходящей за счет неравномерности распределения скоростей газа по сечению трубопровода, и турбулентной диффузии, обусловленной турбулентным перемешиванием в каждом сечении трубопровода. Тейлор получил для этого коэффициента выражение:
K = l,7S5-J\-Ud,
(2)
к=г,2Пу/х-ис1.
(3)
сечения газопровода, в котором произошла смена газов, до текущего сечения, получим уравнение:
дт дх~ и дх'.
(4)
В подвижной системе отсчета, перемещающейся вместе с серединой области смеси, уравнение для распределения концентрации 9(х,т) водорода в смеси еще больше упрощается и принимает вид:
дв = К<?в дх U дхг'
где X - коэффициент гидравлического сопротивления течению среды в трубопроводе, а d - внутренний диаметр трубопровода, м [4]. В дальнейшем тщательное сопоставление результатов перемешивания жидкостей в промышленных трубопроводах с результатами расчета с использованием коэффициента Тейлора показало, что формула (2) дает заниженные результаты и поэтому, как было показано в [3], предпочтительным является выражение:
е(*,т) = ;
•n/jt
f ехрН'И
(6)
Чтобы найти распределение концентрации 0(х,т) водорода в момент подхода середины области смеси к концу газопровода где L - длина газопровода, м, следует положить, что т = Учитывая выражение (3) для отношения К/ и, имеем:
Разделив обе части уравнения (1) на скорость и и введя вместо времени t новую переменную:
(
х = {и-сН,
о
равную расстоянию, пройденному серединой области смеси от начального
2 «д/мув
Vit { ех|
(7)
Длину области смеси водорода и природного газа 1с, м, можно определить как область газопровода, в которой концентрация водорода в смеси с природным газом изменяется в симметричных пределах от 1 до 99 %. Подставив
х = /с/2 в выражение (7) и положив, что 8(/с/2, L) = 0,99, получим уравнение для определения длины области смеси:
1--| / ехРН>|. (8)
0,99 = -2
Из этого уравнения с учетом табличных значений функции ег^I получаем выражения для длины /с и объема Vс,
м3, смеси:
4 К
ic = 6,58^ - (б,58-у/з,21 Wv■ d) ■ -Л,
(9)
(5) Vc =6,58S^ -|6,58>/3,2lWw)->/L (10)
Заметим, что отношение К/и=3,211у/х-с1 остается практически постоянным, поскольку коэффициент гидравлического сопротивления при таких больших числах Рейнольдса, как те, которыми характеризуется течение газа в магистральных газопроводах,не изменяется и потому определяется только диаметром трубопровода и состоянием его внутренней поверхности (относительной шероховатостью). Как правило, А, = 0,009 - 0,010.
Решение задачи распределения концентрации вытесняющего газа в смеси, а также определения длины и объема области смеси, образующейся при мгновенной смене одного газа другим в начале трубопровода, с достаточной точностью представляется функцией е = 0,5-егГс(х/х/4Щ7) - хорошо известной в теории вероятностей и различных математических приложениях [5]:
х!4щи
ОЦЕНКА ДЛИНЫ И ОБЪЕМА СМЕСИ
Дадим количественную оценку длины /с и объема V смеси водорода с природным газом для весьма протяженного участка газопровода с внутренним диаметром d = 1,0 м, длиной £ = 1200 км и конечным давлением р ~ 10 МПа. Коэффициент гидравлического сопротивления примем равным 0,01. Согласно формулам (9) и (10) имеем:
(с = 6,58^ =6,58^3,211^0^-1 х *Vl<2-106s4100 м;
я-12
V----4100 s 3220 м3.
с 4
Таким образом, смесь газов, образующаяся к концу газопровода, вытянется в трубопроводе на 4,1 км. Если учесть, что при давлении 10 МПа в конце газопровода плотность газов увеличивается примерно в 120 раз по сравнению с плотностью в стандартных условиях, объем смеси, выраженный в стандартных кубических метрах, составит примерно 386 400 ст. м3. Поскольку же смесь природного газа и водорода образуется как в начале партии водорода, так и в ее конце, то суммарный объем смеси водорода и природного газа составит 772 800 ст. м3 в расчете на одну партию водорода. Если объем партии водорода, выделенного для транспортирования по газопроводу, составляет 25 млн ст. м3 («265 км в трубопроводе), то два полуобъема смеси водорода (в начале и в конце партии) с природным газом, которые необходимо будет добавить к рассматриваемой
86
№ 11-12 декабрь 2020 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
Казахстан, Атырау
Подробная информация:
\л/\лм.оП-да5-к2
19-я Северо-Каспийская региональная выставка «Атырау Нефть и Газ»
7-9 апреля 2021
ату иди
ОИ&ЗАЗ КАгАКН5ТАМ
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
0 5-V 0 5-V и'3 "oVHj и'3 "ovHj ( \
сн, 4 А -rrtf, \ : д \ сн4 к
O'5'Vh, X 0 5-V
Нг
Раскладка смеси водорода с природным газом в партию водорода, где V - объем, м3 Distribution of a mixture of hydrogen with natural gas into a hydrogen batch, where V is the volume, m3
партии водорода, составят около 1,5 % объема этой партии.
ОБЪЕМ ПРИМЕСИ ОДНОГО ГАЗА В ДРУГОМ
С практической стороны интерес представляет не столько объем смеси водорода и природного газа, сколько объем примеси природного газа (будем считать - метана), попадающей в партию водорода при раскладке образовавшейся смеси в контактирующие друг с другом газы.
Если партию водорода в конце участка газопровода отсечь от природного газа в сечениях, в которых концентрация водорода составляет 0,5 (в этом случае сохраняются объемы контактирующих газов), то в партию водорода попадет некоторое количество природного газа (рис.).
Оценим объем примеси природного газа V™ ш , попадающей в отсеченный объ-
сн4/н2
ем партии водорода. В работах [1-3] по последовательной перекачке нефтепродуктов было показано, что
1/СНЛ-2(0,08б-1/с) = 0,172-Ис. (11)
В этой формуле множитель 2 возникает с учетом того обстоятельства, что примесь природного газа попадает в партию водорода с обоих ее концов (рис.). Таким образом, если партия водорода в конце участка газопровода будет
отсечена от природного газа в сечениях, где концентрация водорода уменьшится до значения 0,5, то в партию водорода попадет примерно 0,172 « 1/6 часть объема образовавшейся смеси. В рассмотренном примере это означает, что в партию водорода объемом 25 млн ст. м3 попадет примерно 66,47 тыс. ст. м3 природного газа, т. е. концентрация водорода в партии уменьшится со 100 до 99,73 %, т. е. примерно на 0,3 %.
ВЫВОД
Резюмируя сказанное, а также анализируя оценочные расчеты, можно утверждать, что транспортирование водорода по действующим магистральным газопроводам в виде отдельных партий (порций), ограниченных с обеих сторон
партиями природного газа, представляется более целесообразным, чем простое добавление водорода в природный газ и таким образом транспортировка водорода в виде смеси с природным газом. Основное преимущество последовательной перекачки водорода с природным газом состоит в том, что данная технология способна обеспечить сохранность качества транспортируемого водорода, на производство которого уже было затрачено много энергии. Выполненные расчеты показывают, что при правильном выборе объемов партий водорода раскладка в нем смеси с природным газом, образовавшейся в области контакта партий в процессе движения, приводит к снижению концентрации водорода лишь на доли процента.
References:
1. Lurie M.V., Matskin L.A., Maron V.I., Schwartz M.E., Yufin V.A. Optimization of Oil Products Sequential Pumping. Moscow: Nedra; 1979. (In Russ.)
2. Ishmukhametov I.T., Isaev S.L., Lurie M.V., Makarov S.P. Pipeline Transportation of Petroleum Products. Moscow: Neft' i gaz [Oil and Gas]; 1999. (In Russ.)
3. Lurie M.V. Theoretical Foundations of Pipeline Transport of Oil, Oil Products and Gas: Textbook. Moscow: Nedra Publishing House LLC; 2017. (In Russ.)
4. Taylor G. Dispersion of Soluble Matter in Solvent Flowing Slowly through a Tube. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1953;219(1137):186-203.
5. Taylor G.I. The Dispersion of Matter in Turbulent Flow through a Pipe. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1954;223(1155):446-468.
6. Janke E., Emde F., Lsch F. Tafeln H herer Funktionen. Stuttgart: B.G. Teubner Verlagsgeselshaft; 1960. (In Germ.)
Литература:
1. Лурье М.В., Мацкин Л.А., Марон В.И., Шварц М.Э., Юфин В.А. Оптимизация последовательной перекачки нефтепродуктов. М.: Недра, 1979. 256 с.
2. Ишмухаметов И.Т., Исаев С.Л., Лурье М.В., Макаров С.П. Трубопроводный транспорт нефтепродуктов. М.: Нефть и газ, 1999. 300 с.
3. Лурье М. В. Теоретические основы трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: Учебник. М.: ООО «Издательский дом Недра», 2017. 477 с.
4. Taylor G.I. Dispersion of Soluble Matter in Solvent Flowing Slowly through a Tube // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1953. Vol. 219. No. 1137. P. 186-203.
5. Taylor G.I. The Dispersion of Matter in Turbulent Flow through a Pipe // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1954. Vol. 223. No. 1155. P. 446-468.
6. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. Формулы, графики, таблицы. М.: Наука, 1964. 344 с.
88
№ 11-12 декабрь 2020 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
