Земенков Ю.Д. (ред.) Эксплуатация магистральных газопроводов - файл n5.doc

Земенков Ю.Д. (ред.) Эксплуатация магистральных газопроводов
скачать (7976.6 kb.)
Доступные файлы (12):
n1.doc7951kb.30.12.2007 11:43скачать
n2.doc728kb.01.03.2004 14:56скачать
n3.doc2218kb.01.03.2004 14:56скачать
n4.doc1149kb.01.03.2004 14:56скачать
n5.doc772kb.01.03.2004 14:56скачать
n6.doc2063kb.31.12.2010 00:34скачать
n7.doc1068kb.01.03.2004 14:56скачать
n8.doc368kb.01.03.2004 14:56скачать
n9.docскачать
n10.doc1483kb.31.12.2010 00:39скачать
n11.doc106kb.01.03.2004 14:56скачать
n12.doc50kb.01.03.2004 14:56скачать

n5.doc

4. Теоретические основы эксплуатации МГ
4.1. Развитие современных МГ
В России создана разветвленная сеть МГ, для которой характерна высокая степень концентрации производственных мощностей в виде многониточных технологических коридоров. Дальнейшее развитие МГ связано в первую очередь с разработкой месторождений Ямала.

Начавшаяся перестройка экономики страны предусматривает переход промышленности на путь интенсивного развития. Следует ожидать, что совершенствование газоиспользующего оборудования и политика энергосбережения в отраслях приведут к снижению потребления газа и восстановление промышленности будет сопровождаться замедленным нарастанием энергопотребления.

Еще в СССР было заметно снижение темпов строительства МГ. Если в период 1981-1985 годов ежегодно вводилось 9,5 тыс. км в год, то в 1986-1990 годах уже 8 тыс. км в год и далее ожидалось снижение до 68 тыс. км в год. Снижение темпов строительства рассматривалось как благоприятный фактор для реконструкции и технического перевооружения действующих газопроводов с целью интенсификации их работы.

При эксплуатации МГ интенсификация подразумевает:

Эффективность работы МГ во многом предопределяется решениями, принятыми на стадии проектирования. С этой точки зрения актуальными являются вопросы оптимизации проектных параметров МГ.

Совершенствование МГ шло по следующим направлениям:

В соответствии с уравнением пропускной способности МГ, при прочих равных условиях

,

где q1 и q2 – пропускная способность МГ при диаметрах D1 и D2.

При этом удельные металлозатраты снижаются, но медленнее, приблизительно в два раза.

В настоящее время повышение диаметра до 1620 мм признано нецелесообразным по следующим причинам:

Увеличение рабочего давления приводит практически к пропорциональному повышению пропускной способности МГ.

Влияние рабочего давления на удельные металлозатраты не однозначно. При повышении рабочего давления с 5,5 МПа до 10 МПа удельные затраты металла снижаются при D = 1020 мм на 5,2%, при D = 1220 мм на 3,8% и повышаются при D = 1420 мм на 3,5% . Таким образом, для газопроводов диаметром 1420 мм и выше, повышение рабочего давления увеличивает удельные затраты энергии при одновременном повышении удельных затрат металла.

Как показали расчеты, удельные металлозатраты снижаются при всех диаметрах труб с увеличением рабочего давления при одновременном повышении предела прочности металла. Следовательно, повышение рабочего давления может рассматриваться как перспективное направление при условии одновременного улучшения прочности металла труб.

Вместе с тем, увеличение рабочего давления для многониточных систем может привести к уменьшению количества ниток и, как следствие, к снижению общей стоимости строительных работ.

Нанесение покрытий на внутреннюю поверхность труб позволяет снизить эквивалентную шероховатость в 23 раза, что увеличивает пропускную способность МГ на 712% .

При эксплуатации МГ, с точки зрения снижения энергозатрат, важно поддерживать на оптимальном уровне гидравлическую эффективность Е. Снижение Е на 1% приводит к снижению энергозатрат на 0,5% при постоянной производительности.

Пропускная способность МГ в значительной степени зависит от температуры транспортируемого газа. От температуры газа зависит и надежность его работы. Повышение температуры выше допустимого значения может привести к потере устойчивости трубопровода. При повышении диаметра температура газа в МГ растет и при диаметре труб 1420 мм на участке между КС в грунт передается только 20% получаемой при компримировании теплоты.

В настоящее время газ на КС охлаждается в аппаратах воздушного охлаждения, что позволяет повысить пропускную способность МГ на 25%. Высокая стоимость электроэнергии придает особую актуальность оптимизации температурного режима МГ.

4.2. Технологическая схема МГ
Основными элементами МГ являются: линейная часть, компрессорные станции (КС), газораспределительные станции (ГРС), пункты измерения расхода. При необходимости в состав МГ могут входить станции охлаждения газа (СОГ).

Линейная часть представлена одной или несколькими (до 6) нитками с максимальным диаметром 1420 мм каждая. В случае многониточных газопроводов между нитками сооружаются перемычки через 4060 км и на входе и выходе каждой КС. В сложных условиях перемычки сооружаются у каждого линейного крана. Линейные краны устанавливаются через 2030 км. Перемычка выполняется из труб диаметром не менее 0,7 меньшего из диаметров соединяемых ниток. При соединении ниток, имеющих различное рабочее давление, перемычки помимо крановых узлов оборудуются узлами редуцирования. Эксплуатируемые в настоящее время газопроводы имеют рабочее давление 5,4 и 7,35 МПа и степень сжатия 1,451,50. Длина участка между КС при этом составляет 100150 км. В конец газопровода газ поступает с давлением 1,52 МПа. По пути газ выдается потребителям через газораспределительные станции.
4.3. Пропускная способность МГ
Основным уравнением для расчета МГ является уравнение пропускной способности.

Для горизонтального газопровода (< 100 м), работающего в стационарном режиме, уравнение движения газа можно представить в следующем виде

, (4.1)

где dP – изменение давления на длине dx; – коэффициент гидравлического сопротивления; W – скорость течения газа; D – внутренний диаметр газопровода; – плотность газа при давлении и температуре в точке x.

При отсутствии ответвлений для любой точки МГ можно записать уравнение неразрывности движения газа в виде

М=WF, (4.2)

где F – площадь поперечного сечения трубопровода; М – массовый расход газа.

Связь между массой газа, скоростью его течения и плотностью можно установить с помощью уравнения состояния газа

Pv = zRT, (4.3)

где v – удельный объем газа; z – коэффициент сжимаемости газа; R – газовая постоянная;

, (4.4)

где RВ = 287 Дж/(кгК) – газовая постоянная воздуха; – относительная плотность газа; Т – абсолютная температура газа.

Учитывая, что

, (4.5)

Подставив в (4.2) выразим скорость течения газа

. (4.6)

Видим, что скорость течения газа возрастает с уменьшением давления и уменьшается с падением температуры.

По длине участка давление снижается в степень сжатия раз (1,451,5 раза). Температура газа снижается менее чем в 1,2 раза. Таким образом, влияние изменения давления доминирует над изменением температуры, что приводит к возрастанию скорости течения газа по длине участка.

После подстановки в (4.1) уравнений (4.5) и (4.6) и интегрирования (при условии Т=Тср=idem, z=zср=idem и =idem), получим

, (4.7)

Учет газа при коммерческих операциях производится в объемных единицах приведенных к стандартным условиям (Т = 293К, Р = 0,1 МПа)

, (4.8)

где Q – объемная производительность МГ; – плотность газа при стандартных условиях.

После преобразований уравнение пропускной способности МГ принимает вид

, (4.9)

; (4.10)

где kП – переводной коэффициент, учитывающий размерность входящих в формулу величин.

На практике обычно используют с = 105,087, при этом размерность остальных величин следующая: q – млн. м3/сут, Р – МПа, L – км.

Для определения пропускной способности необходимо определить:


4.4. Определение коэффициента гидравлического сопротивления 
В общем случае коэффициент гидравлического сопротивления зависит от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости

, (4.11)

где k – эквивалентная шероховатость труб.

При отсутствии уточненных данных k принимается равным 0,03 мм.

Число Рейнольдса определяется зависимостью

, (4.12)

где – динамическая вязкость газа, Пас.

Приняв и , получаем

. (4.13)

Для условий МГ можно считать динамическую вязкость постоянной величиной. В таком случае постоянной величиной будет и Re.

Для расчетов МГ нормами технологического проектирования рекомендуется формула ВНИИгаза

. (4.14)

Эта формула справедлива для всей области турбулентного режима течения газа. МГ при полной их загрузке обычно работают в квадратичной зоне этого режима. Для определения зоны, в которой работает МГ, используются переходные значения числа Рейнольдса и производительности

, (4.15)

. (4.16)

В квадратичной зоне влияние Re незначительно, поэтому

(4.17)

или при k = 0,03 мм

, (4.18)

здесь D – диаметр МГ, мм.

На гидравлическое сопротивление МГ оказывают влияние местные сопротивления и засорение труб. Для учета этих факторов при расчетах используется расчетное значение коэффициента гидравлического сопротивления

, (4.19)

где Е – коэффициент гидравлической эффективности газопровода.

В соответствии с ОНТП и правилами технической эксплуатации МГ, при отсутствии реального значения эффективности работы МГ, принимается Е = 0,95 для газопровода оборудованного узлами для очистки труб и Е = 0,92 при их отсутствии.
4.5. Определение среднего давления Рср
Пользуясь уравнением (4.9) можно определить давление в любой точке участка МГ

. (4.20)

Из (4.20) видно, что Р2 меняется по длине участка линейно.
Р2

P12




P22




L

Рис. 4.1. Изменение Р2 по длине участка

Из рисунка видно, что


Q2 .

Тогда для давления в любой точке участка можно записать

. (4.21)

Следовательно, давление по длине участка меняется по параболическому закону и среднее давление должно определяться как среднегеометрическое.

. (4.22)

P



P1

Pср


P2


L

Рис. 4.2. Изменение Р по длине участка

4.6. Определение средней температуры Тср
Температурный режим участка зависит от многих факторов.

1. Температурой газа на входе в КС (Т2).

2. Повышением температуры газа при его компремировании

, (4.23)

где ТВ – температура газа на выходе ЦН; – степень сжатия нагнетателя; – политропический КПД ЦН.

3. Охлаждением газа в АВО

, (4.24)

где Т1 – температура на выходе КС; Q0 – теоретический теплосъем с одного АВО при двух работающих вентиляторах, Вт; kA2, kA1, kA0 – коэффициенты тепловой эффективности АВО при 1,2 и 0 работающих вентиляторах; n2,n1,n0 количество АВО работающих с 2,1 и 0 вентиляторов; М – массовый расход газа через все АВО; сРМ – теплоемкость газа при условиях АВО.

Схема работы АВО определяется из условия минимума затрат электроэнергии для обеспечения оптимальной температуры газа за КС. Не рекомендуется принимать температуру на выходе КС t1 > 500С.

4. Охлаждением газа в трубопроводе.

Газ в участке охлаждается вследствие теплообмена с окружающей средой и его расширения при снижении давления. В дифференциальной форме изменение температуры газа на участке между КС можно записать следующим образом

, (4.25)

где Di – коэффициент Джоуля-Томсона, К/МПа; k – полный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); T0 – температура окружающей среды, К.

Приняв

,

после интегрирования и преобразований получаем

, (4.26)

где

, (4.27)

Пренебрегая влиянием дросселирования газа, получим уравнение Шухова

. (4.28)


В соответствии с (4.28) температура газа стремиться в бесконечности к температуре окружающей среды. С учетом дроссельного эффекта температура газа в конце участка меньше температуры окружающей среды. При температуре грунта близкой к 00С температура газа может быть отрицательной, что вызовет промораживание грунта вокруг труб и дополнительные деформации трубопровода. Рекомендуется ограничивать температуру газа в конце участка Т2 = 271273К, что приводит к ограничению температуры газа на выходе КС.

Т.к. температура газа по длине участка меняется экспоненциально, то средняя температура определяется как среднегеометрическая

. (4.29)
T

Т1

Т0



L

Рис. 4.3. Распределение температуры газа по длине участка
4.7. Физические свойства газа
Широкое использование ЭВМ диктует необходимость аналитического определения физических свойств газа. Базовыми параметрами являются относительная плотность газа или плотность газа при стандартных условиях

.

Критические параметры газа

(4.30)

. (4.31)

Приведенные параметры газа

Рпр=Р/Ркр, Тпр=Т/Ткр . (4.32)

Коэффициент сжимаемости газа

z=1-0,0241Pпр / , (4.33)

где = 1-1,68Тпр+0,78Тпр2-0,0107Тпр3

Динамическая вязкость газа



(4.34)

, Пас.

Удельная теплоемкость газа

ср=1,696+1,838 10-3T+1,96 106(P-0,1)/T , кДж/(кгК) (4.35)

Коэффициент Джоуля-Томсона


. (4.36)

4.8. Расчет сложных газопроводов
Реальные МГ всегда являются сложными трубопроводами, т.е. отдельные участки его отличаются друг от друга внутренними диаметрами или количеством параллельных ниток. Такие трубопроводы можно рассчитывать последовательно по участкам или целиком, заменяя расчет сложного трубопровода расчетом простого. Второй подход является менее трудоемким и более используемым.

Переход к расчету простого трубопровода производится использованием понятий эквивалентного диаметра или коэффициента расхода.

Эквивалентным диаметром называется диаметр простого газопровода имеющего пропускную способность равную пропускной способности реального трубопровода при прочих равных условиях.

Коэффициентом расхода называют отношение пропускной способности реального трубопровода к пропускной способности эталонного трубопровода с произвольно выбранным эталонным диаметром при прочих равных условиях

кр = q / q0 . (4.37)

Для случая простого трубопровода


, (4.38)

где Di и диаметр и коэффициент гидравлического сопротивления простого трубопровода; D0 и диаметр и коэффициент гидравлического сопротивления эталонного трубопровода.

При квадратичном режиме течения газа

крi=(Di/D0)2,6 . (4.39)

При параллельном соединении простых трубопроводов

. (4.40)

. (4.41)

При последовательном соединении трубопроводов

, (4.42)

. (4.43)

В общем случае сложного газопровода коэффициент расхода kр или эквивалентный диаметр DЭ определяются последовательным использованием формул (4.40) и (4.42) или (4.41) и (4.43).





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации