автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Эксплуатация нефтепродуктопроводов в различных температурных режимах и загрузках при условии сохранности экологической среды

На правах рукописи

ГЛРРИС НИНА АЛЕКСАНДРОВНА

РГ6 од

1 н АПР 19°-

ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ В РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМАХ И ЗАГРУЗКАХ ПРИ УСЛОВИИ СОХРАННОСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Специальность 05.15.13. Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа 1998

Работа выполнена в

Уфимском государственном нефтяном

техническом университете Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.Н. Антипьсв доктор физико - математических наук,

Защита состоится "24" апреля 1998 г. в II00 часов, на заседании диссертационного совета

Д 063.09.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета

Автореферат разослан марта 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

профессор И.Ш. Ахатов доктор технических наук, профессор А.А.Коршак

Ведущее предприятие - А.О. Приволжскнефтепровод

Р.Н.Бахтизин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время проблема охраны жружающей среды, рационального использования природных зесурсов и энергосбережения приобрела важнейшее народно-(озяйственное значение. Академик В.И. Вернадский предупреждал, ito в результате непродуманного активного действия человечество меняет облик планеты и может нанести биосфере Земли непоправимый урон. Нет сомнения в том, что выполнение требований экологической безопасности необходимо рассматривать хак условие выживания. Этой проблеме были посвящены: :пециальная ассамблея ООН, проведенная в Стокгольме в 1972 г., конференция ООН по окружающей среде в Рио-де-Жанейро, 1992 г., 1-я всесоюзная конференция "Экология нефтегазового комплекса", Надым, 1988 г.. Вопросы экологии при сооружении северных трубопроводов решались на симпозиуме по проблемам энергетики в Иркутске, 1980г.

Современное состояние трубопроводного транспорта в России определяется не только снижением объемов финансирования и капитальных вложений в отрасль, но и недостатком технологий и стандартов, регламентирующих эксплуатацию недозагруженных трубопроводов, имеющих большой, а нередко и сверхнормативный срок службы. Трубопроводы оказывают постоянное воздействие на природную среду как во время строительства, так и в течение всего периода эксплуатации. Отечественная и зарубежная практика показала, что добыча и транспортировка нефти по магистральным трубопроводам приводит к существенному нарушению экологического равновесия и загрязнению окружающей среды.

Для трубопроводов, работающих в неизотермических режимах, проложенных в обводненных грунтах и заболоченных территориях Сибири, а так же районах многолетнемерзлых грунтов Крайнего Севера, характеризующихся высокой чувствительностью к техногенным воздействиям, проблема эффективной технологии эксплуатации с одновременным соблюдением требований экологической безопасности встает особенно остро и является актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности, надежности и экологической безопасности магистральных нефтепродуктолроводов на основе разработки методов теплогидравлического расчета нестационарных режимог работы неизотермических нефтепродуктопроводов с учетом переменности подачи центробежных насосов, а также квазистационарных режимов работы нефтепроводов в многолетнемерзлых грунтах при условии ограничения ореоло! протаивания.

В работе решены следующие основные задачи:

1.Выполнено технико-экономическое обоснование, предложен* математическая модель и разработан алгоритм расчета регламент; эксплуатации магистральных нефтепроводов в района) многолетнемерзлых грунтов при условии сохранности окружаюше! среды за счет сдерживания прогрессирующего таяния мерзльп грунтов;

2.Исследованы теплофизические процессы, связанные < перераспределением влажностно-температурного поля грунта вокру "горячего" трубопровода под действием температурного напора, ;

акже вокруг трубопровода, проложенного в гкерзлом грунте, и боснована возможность учета этого явления для инженерных целей юделью теплопроводности;

3.Предложена математическая модель и разработан метод рафо-аналитического решения сопряженных теплогидравлических адач системы "насос-трубопровод-грунт" с учетом переменности юдачи насосов с помощью динамических характеристик;

4.Получены и предложены на уровне РД полуэмпирические ависимости для определения эффективного коэффициента еплопроводности грунта л.Эф при проектировании трубопроводов, а акже для расчета нестационарных режимов: прогрева при пуске и >стывания грунта при остановке перекачки;

5.Решены краевые задачи нестационарной теплопроводности щя "челночного", встречного, обратного прогревов и дано технико-жономическое обоснование данных нетрадиционных способов.

6.Дано технико-экономическое обоснование альтернативных способов перекачки при недогрузке магистральных "горячих" тефтепродуктопроводов: циклического и непрерывного.

Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие результаты:

1.Решена краевая задача теплообмена магистрального грубопровода с многолетнемерзлым грунтом при заданном законе изменения ореола протаивания. Экспериментально доказана возможность длительной (многолетней) работы трубопровода при условии ограничения ореола протаивания.

2.Предложен регламент эксплуатации магистрального трубопровода в многолетнемерзлых грунтах при условии

сохранности окружающей среды, согласующийся с нормами технологического проектирования.

3.Экспериментально выявлен эффект снижения влажности и теплопроводности прилежащего талого грунта за счет подтягивания влаги к фронту промерзания. Дано объяснение происходящих при этом тегогофизических процессов в талом и мерзлом грунтах.

4.На основании анализа промышленных данных выявлено, что в результате подсушки грунта вокруг "горячего" трубопровода происходит снижение эффективного коэффициента теплопроводности грунта в 1,06...2,4 раза в зависимости от интенсивности прогрева.

5.Получены полуэмпирические формулы для определения эффективного коэффициента теплопроводности грунта при высокоинтенсивном, средней интенсивности и малоинтенсивном теплообмене трубопровода с окружающей средой, а также при прогреве и остывании.

6.Разработана методика определения коэффициента теплопроводности грунта вокруг трубопровода по температурным полям с учетом аккумуляции тепла грунтом и тепла фазовых превращений на границе протаивания - промерзания.

7.Рекомендовано, при дефиците информации, определять коэффициент теплопроводности грунта в естественном состоянии по гранулометрическому составу в зависимости от процентного содержания физической глины.

8.Решены краевые задачи теплопроводности нетрадиционных способов прогрева подземного трубопровода: "челночного", встречного, обратного и получены формулы для расчете

температурных режимов, теплопотерь, времени прогрева и объема теплоносителя. Выполнено технико-экономическое сравнение "челночного", встречного и обратного прогревов с прямым, которое позволило рекомендовать, как самый быстрый, встречный прогрев, а при дефиците теплоносителя - "челночный".

9.Получена многомерная функция теплового потока с единицы длины трубы при прогреве его горячей жидкостью и критериальная зависимость для внешнего коэффициента теплоотдачи на основании обработки многофакторного эксперимента.

Ю.Введено понятие и показана эффективность использования динамической характеристики системы. Предложена математическая модель, позволяющая учесть переменность подачи центробежных насосов при изменении гидравлического сопротивления трубопровода при пуске, прогреве, остановке и возобновлении перекачки, изменении производительности и температуры нагрева.

11 .Разработана методика расчета циклического режима перекачки в оптимальном варианте и с использованием имеющейся емкости.

12.Рекомендовано, для снижения себестоимости непрерывной перекачки в период сезонной недогрузки, включать в работу все тепловые станции на пониженных режимах.

На защиту выносятся теоретические обобщения, экспериментальные исследования и практические рекомендации для выполнения теплогидравлических расчетов магистральных "горячих" трубопроводов и нефтепроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах.

Практическая ценность работы.

Результаты проведенных исследований позволили разработать и внедрить в институтах Южгипротрубопровод, ИПТЭР (ВНИИСПТнефть) и управлении Башкирэнерго два нормативных и руководящий документы, что позволило повысить надежность эксплуатации "горячих" трубопроводов.

Внедрение рекомендаций по технологическим режимам эксплуатации нефтепровода Тарасовское - Муравленковское в Ноябрьском районном нефтепроводном управлении УМНЗ и СЗС Главтранснефти позволило получить фактический экономический эффект ГПб'ООО рублей (в ценах 1988г.). Долевое участие автора, давшей рекомендации по ограничению протаивания многолетнемерзлых грунтов, составляет 279'ООО рублей (в ценах 1988г.).

Теоретические и практические результаты работы используются при чтении лекций и выполнении курсовых работ по дисциплине "Гидромеханика" для студентов УГНТУ специальности 09070С "Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов V. газонефтехранилищ" и по дисциплинам "Гидрогазодинамика" V. "Нагнетатели и тепловые двигатели" для студентов специальность 100700 "Промышленная теплоэнергетика" в разделах, связанных с перекачкой жидкостей в неизотермических условиях.

Апробация работы. Основные результаты работь докладывались на:

-республиканских научно-технических конференциях ш проблемам нефтегазовой, нефтехимической I

нефтеперерабатывающей промышленности Башкирии (Уфа, У НИ, 1970, 1973, 1975, 1977, 1979);

-Всесоюзной научной конференции "Основные направления дальнейшего совершенствования трубопроводного транспорта" (Москва, МИНХиГП, 1974);

-Всесоюзной конференции по оптимизации трубопроводного транспорта нефти и газа (Киев, 15-17 мая 1979);

-2-й Всесоюзной школе по коллоидной химии нефти и нефтепродуктов (Дрогобыч, ЦНИИТЭнефтехим, 1981);

-республиканской научно-технической конференции "Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического баланса (Уфа, УНИ, 1982);

-Всесоюзной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири. Проблемы добычи и транспортировки" (Тюмень, ТюмИИ, 1985);

-1-ой Всесоюзной конференции "Экология нефтегазового комплекса" (Надым, Миннефтегазстрой, 1988);

-республиканской научно-технической конференции "Проблемы нефти и газа" (Уфа, УНИ, 1988);

-ХШ Всесоюзной школе-семинаре по проблемам трубопроводного транспорта (Уфа, ВНИИСПТнефть, 1990);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 108 работ, в том числе 2 обзора и 8 статей без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 384 страницах,включая 70 рисунков,

17 таблиц, 72 стр. приложений и список использованных источников из 324 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность проведенных исследований.

В первой главе дано обоснование возможности предотвращения прогрессирующего таяния мерзлого грунта под трубопроводом путем регулирования теплообмена.

При этом последовательно рассмотрены следующие вопросы:

1.Выполнен анализ современного состояния трубопроводного транспорта в районах многолетнемерзлых грунтов и поставлена задача по регулированию теплообмена подземного трубопровода;

2.Получено аналитическое решение задачи путем интегрирования системы дифференциальных уравнений теплопроводности для талого и мерзлого грунтов при заданном законе изменения радиуса протаивания R^;

3.Рассмотрен вариант эксплуатации подземного нефтепровода, когда радиус протаивания меняется по периодическому закону и не выходит за допустимые пределы: Romm---Rcmax, а также вариант с остановленной границей протаивания (Rq = const);

4.На основании полученного решения разработан регламент эксплуатации магистрального нефтепровода при условие сохранности окружающей среды (алгоритм и программа счета ш ЭВМ REGL).

При решении конкретных вопросов теплового взаимодействия трубопроводов с многолетиемерзлыми грунтами, и при обосновании оптимального варианта перекачки учитывались результаты исследований В.А. Кудрявцева, Э.Д. Ершова, А.Ф. Чудновского, Д.А. Куртенера, JI.C. Лейбензона, И.А. Чарного, Х.Р. Хакимова, Г.М. Мариупольского, Г.В. Порхаева, A.JT. Ястребова, М.М. Дубины и Б.А.Красовицкого, А.В.Лыкова, Г.Н. Фельдмана, А.В. Павлова, А.Ф. Клементьева, С.Е. Кутукова, B.C. Яблонского, Л.С. Абрамзона, Л.Е. Джонсона, Д.Н. Андерсона, О.Б. Андерсленда и др..

Укладку магистрального трубопровода, как в подземном, так и наземном варианте, следует рассматривать как грубое нарушение сбалансированного теплообмена. С точки зрения сохранения окружающей среды необходимо обеспечить сбалансированность тепловых потоков на поверхности массива и после укладки трубопровода. Иными словами, тепловой поток от стенки трубы в грунт q не должен достигать поверхности грунта. Это возможно в том случае, когда теплота, теряемая жидкостью при ее транспортировке по трубопроводу, полностью затрачивается на фазовые превращения при продвижении границы протаивания-промерзания грунта под трубопроводом, т.е., q = q,^.

В такой постановке задачи тепловой поток будет меняться в пределах qraax...qrtlin в зависимости от времени года, а размеры ореола протаивания вокруг трубопровода - в пределах Romax- • -Ron™- При этом отмечается два положительных момента:

- ограничение ореола протаивания по максимуму обеспечивает сохранность окружающей среды, так как грунт по массиву остается мерзлым;

- ограничение ореола протаивания по минимуму исключает возможность порыва трубы вследствие морозного пучения, т.к. трубопровод в талом грунте потенциально подвижен.

В работе показано, что оптимальным способом транспортировки, с минимальными энергозатратами, является способ изотермической перекачки с температурой I, превышающей температуру окружающей среды ^ Такую перекачку можно организовать различными способами: используя тепло трения, химическое, или физическое тепло. Абрамзон Л.С. показал, что сбалансировашюсть теплообмена обеспечивается за счет того, что все тепло трения, выделившееся при движении нефти по трубопроводу, отдается в окружающую среду, т.е., q = ятр.

Такой способ перекачки обеспечивает не только постоянство температуры по длине трубопровода. Т.к. q = =qфП, то по длине трубопровода не меняются размеры ореола протаивания, осадки, температурные напряжения и пр.. Различные участки трубопровода находятся в идентичных условиях. Трубопровод, эксплуатирующийся в условиях Севера, где возможны случаи морозного пучения грунтоЕ и осадок, становится более надежным.

Данная задача сбалансированного теплообмена решена при условии ограничения ореола протаивания вокруг трубопровода с использованием метода смены стационарных состояний в следующей постановке.

Изменение температурного поля грунта в талой и мерзлой зона? во времени х описываются уравнениями теплопроводности:

а,.

■ = а„

дх2

(2)

дх \дхг ду' где ^ и,; ат, ам - температуры и коэффициенты температуропроводности талого и мерзлого грунтов, соответственно.

При заданном периодическом законе изменения радиуса протаивания (а - сдвиг по фазе на начало отсчета),

110 = ^ + ^^(сйт - а), (3)

- °да0тах+*от;п), я;=о,5(к0тах - я0т!п),

скорость продвижения границы протаивания-промерзания определяется выражением:

<1т

- = -Яо'ю 8ш(оот - а).

(4)

В результате решения поставленной задачи при условиях ограничения (3-4), при соответствующих краевых условиях, общепринятых допущениях и балансе тепла на границе протаивания-промерзания получена формула для определения допустимой температуры прилегающего грунта (при отсутствии теплоизоляции вместо 11Из Шяг в уравнении (5) учитывается 11тр и 1Ф):

и=11В(т)

"Ро

* КНп2« Я.

я, '

(5)

где: о -удельная теплота плавления льда; р0 -объемная плотность мерзлого грунта;

Wc -содержание незамерзшей воды и суммарная влажность;

-коэффициенты теплопроводности мерзлого и талого грунта;

Н -глубина заложения трубопровода до оси;

1е -температура грунта на глубине трубопровода в ненарушенном тепловом состоянии.

Формула (5) положена в основу теплогидравлического расчета магистрального трубопровода с выходом на регламент эксплуатации.

На основании полученного решения составлена целевая функция, выполнена минимизация энергозатрат на перекачку и получены оптимальные параметры перекачки для нефтепроводов, прокладываемых в многолетнемерзлых грунтах при условии сдерживания прогрессирующего протаивания подстилающих грунтов.

Расчет оптимального режима эксплуатации на ЭВМ ЕС 1033 по программе ИЕОЬ для условий нефтепровода Тарасовское-Муравленковское (1988 г.) позволил получить параметры перекачки, при которых исключается прогрессирующее таяние грунта под трубопроводом на участках с островной мерзлотой, а также рекомендации, соблюдение которых позволило повысить надежность трубопровода и избежать возможных аварийных ситуаций вследствие потери устойчивости трубопровода.

Во второй главе диссертации представлено экспериментальное обоснование возможности регулирования ореолов протаивания с целью предотвращения прогрессирующего таяния подстилающих грунтов.

Эксперимент проводился на лабораторном стенде кафедры "Гидравлика и ГМ". Модельный трубопровод представляет собой

участок трубы с относительной глубиной залол<ения Н/К~3,62, находящийся в мерзлом песчаном грунте (1x1x1м). На поверхности грунта поддерживалась постоянная минусовая температура. В качестве трубы использовался ТЭН, с помощью которого регулировался тепловой поток в соответствии с расчетным режимом. В замерном сечении было установлено 99 датчиков температуры (хромель-копелевые термопары), 6 термометров сопротивления ТСМ 0879-01 и 12 датчиков влажности АМ-11.

Температурный режим моделировался для условий севера Тюменской области. При условиях моделирования годовой период на установке "проходил" за 12ч.

Так как возможности установки не позволяли осуществлять изменение температуры воздуха над поверхностью грунта а следовательно и естественной температуры грунта соответственно годичному периоду колебания этих температур в натуре, то эксперимент проводился при ^сопэ! и ^сог^.

Результаты опытов оформлялись графически. Размеры ореолов протаивания устанавливались по нулевым изотермам. Значение радиуса протаивания К0 осреднялось по 4-м направлениям: вверх, вниз и по горизонтали. Основные параметры одного из опытов, характеризующие теплообмен, представлены на рис. 1 в виде графических зависимостей мощности теплового источника ц, температуры на поверхности трубы ^ и радиуса протаивания К0 от времени. По расчетной кривой 1р можно судить, что отклонения фактического режима от расчетного невелики.

Из графиков видно, что температурное поле перестраивается на режим, диктуемый управляющими факторами. Происходит

Результаты опыта №3 по регулированию ореола протаивания

саморегуляция, позволяющая неравновесным процессам протекать от одного стационарного состояния к другому. Это типичный квазистационарный режим, аналогичный тем, что встречаются в природе. Опыт наглядно подтверждает справедливость применения метода смены стационарных состояний для рассмотрения подобных процессов.

В процессе опыта, проведенного в соответствии с расчетным режимом, ореолы протаивания практически не выходили за допустимые пределы: Кот1П=0,015м и Котах=0,045м. Длительность данного опыта, состоящего из 6-ти циклов, соответствующих 6-ти годам эксплуатации нефтепровода в натуре, достаточна для того, чтобы утверждать, что подобное регулирование осуществимо.

Таким образом, результаты аналитических исследований по регулированию ореолов протаивания вокруг трубопровода подтверждаются экспериментально. Прогрессирующего протаивания мерзлого грунта под трубопроводом можно избежать.

Особый интерес представляют форма и положение нулевой изотермы, которая разделяет талую и мерзлую зоны грунта вокруг трубопровода. Всего было построено 12 температурных полей, по числу месяцев в году. На рис. 2 представлены 6 полей с равными интервалами по времени. Следует отметить, что если при прогрессирующем таянии грунта под трубопроводом форма талой зоны "корытообразная", то в данной ситуации нулевые изотермы оказываются замкнутыми или близкими к этому. Конфигурация их приближается к окружностям. Характерно, что радиусы протаивания, отмеренные вниз от оси трубопровода, и в горизонтальном направлении практически одинаковы. Лишь в верхнем секторе, с

Динамика ореолов протаивания при регулируемом теплообмене

рис.2

уменьшением размеров талика, относительные размеры радиуса протаивания увеличиваются, вследствие чего ореол протаивания имеет яйцевидную форму, а его размеры изменяются в допустимых пределах: 0,015..,0,045м.

Как показывают замеры, влажность "кольца" талого грунта вокруг трубы на протяжении всего опыта оставалась весьма низкой, на уровне 1...2%. Снижение влажности оказалось весьма существенным, т.к. начальная влажность грунта, как по показаниям закладных датчиков, так и определенная термостатно-весовым методом в соответствии с ГОСТ 5180-75 находилась в пределах 10,5...13,5%.

Отметим, что на "подсушивание" грунта вокруг вертикальных стволов промораживаемых контуров указывал в своих исследованиях Х.Р. Хакимов. На обезвоживание слоя талого грунта на подходе к границе промерзания указывали также Э.Д. Ершов, Т.Н. Жесткова, В.Е. Борозинец, Г.М. Фельдман, Я.И. Попов и др.

В результате обработки температурных полей и решения обратной задачи теплопроводности получены значения коэффициента теплопроводности грунта Я в зоне теплового влияния трубы, см. рис. 3. Как видно, значения X в талой и мерзлой зонах отличаются более, чем в 2 раза. В то время, как в ненарушенном тепловом состоянии отличие коэффициентов теплопроводности Ям/^т«1,2...1,3. Такое изменение теплопроводности грунта свидетельствует о перераспределении влаги. Вблизи трубы грунт обезвоживается; на удалении в мерзлой зоне влажность становится больше.

К описанию эффекта снижения теплопроводности и влажности талого грунта вокруг трубопровода (8ч. ЗОмин. 03.11.89)

рис.3

На рис. 3 вертикальными линиями отмечены три характерные области: область талого грунта, где отмечается минимальная влажность порядка 0...2,5%; область фазовых переходов, в пределах температуры от 0 до -5°С, где отмечаются наиболее сильные изменения влажности, и область мерзлого грунта, где уровень влажности соответствует первоначальному и превышает 10%.

Известны специальные исследования циклического оттаивания и промерзания на образцах каолинитовой глины с выявлением качественного характера льдообразования, выполненные Э.Д. Ершовым. Полученные результаты качественно сопоставимы и не противоречат друг другу.

Проведенные исследования подтверждают возможность регулирования процесса протаивания-промерзания и выявляют сложные сопутствующие теплофизические эффекты.

Третья глава диссертации посвящена изучению теплообмена "горячего" трубопровода с обычными грунтами. Полученные результаты позволяют прогнозировать изменение коэффициента теплопроводности грунта в зоне теплового влияния трубопровода при различных температурных режимах широкого диапазона.

Для "горячего" трубопровода от правильного выбора расчетного значения коэффициента теплопроводности грунта зависит точность теплогидравлических расчетов и определения числа тепловых станций, а следовательно, размеры капитальных затрат и себестоимость перекачки.

Самые существенные изменения происходят в грунте при длительной стационарной работе "горячего" трубопровода, когда под действием температурного напора Ц,-^ влага мигрирует и вокруг

трубы создается кольцо практически сухого грунта. Это объясняется эффектом тепловлагопроводности. В результате тепловые потери становятся меньше. Например, на нефтепроводе Озек-Суат-Грозный необходимость подогрева нефти в период эксплуатации снизилась вполовину по сравнению с проектной. Недогрузка тепловых станций наблюдалась на нефтепроводе Узень-Гурьев-Куйбышев и др.

Несмотря на то, что явление подсушки грунта вокруг трубопровода широко распространено в трубопроводном транспорте, формул для определения /Ц, с учетом подсушки грунта в зоне теплового влияния трубопровода немного. Это формулы Н. Петри, Л.С. Абрамзона и др., П.И. Тугунова, Г.Г. Годуна и И.А. Иоффе.

Обработка опытов, проведенных П.И. Тугуновым на опытном полигоне Уфимского нефтяного института в 1960-1962 годах на трубах, диаметром 0,060...0,325м и при глубине заложения 1,6м до оси, позволила выявить характер изменения коэффициента теплопроводности грунта (глины) в зоне теплового влияния "горячего" трубопровода и дать объяснение этому явлению.

В результате обработки температурных полей, построенных в ходе промышленных экспериментов на действующих "горячих" нефтепроводах Озек-Суат-Грозный и Гурьев-Куйбышев, мазутопроводах Башкортостана СНХК - Стерлитамакская ТЭЦ и НУНПЗ - ТЭЦ-2, а также опытном полигоне УГНТУ и его лабораторных стендах получены экспериментальные формулы, позволяющие рассчитывать и прогнозировать изменение коэффициента теплопроводности грунта как при стационарной работе "горячего" трубопровода, так и при нестационарных процессах: прогреве и остановке.

В результате решения обратной задачи теплопроводности, включающей обработку температурных полей по разработанной методике, на основании закона теплопроводности Фурье, определены значения к как в области замкггутых, так и "незамкнутых" изотерм, и получена полуэмпирическая формула, позволяющая рассчитать Лэф в процессе прогрева трубопровода и выхода па стационарный режим

** = = -О + (6)

2 ьА

где Ь'(т) = Ь,е-м, ь=0,0156Вт/(м°С2) и Ь3=0,00887сут-' = 1,027-10"'с "'-для глинистого грунта; т - время прогрева.

Формулу (б) можно использовать при решении задач прогрева подземного трубопровода, т.к. она отвечает краевым условиям.

Для повышения точности расчетов, связанных с остыванием грунта при остановках, рекомендуется полуэмпирическая формула (7), полученная при обработке данных промышленного стенда нефтепровода Гурьев-Куйбышев в зимних условиях эксплуатации:

М-*) = -

, я.-я

а» -

А.СГ )

е2Р0

(7)

где Хст - коэффициент теплопроводности грунта, прилежащего к стенке трубопровода;

-безразмерное время остановки.

л.

Полуэмпирическая формула (7) также удовлетворяет начальным и граничным условиям, и ее можно использовать при решении краевых задач.

На рис. 4 приведена типичная картина изменения коэффициента теплопроводности грунта в зоне теплового влияния при длительной работе мазутопровода НУНПЗ-ТЭЦ 2. Вблизи от трубы X примерно в 3 раза ниже, чем на удалении, где Хе = 1,63Вт/(м°С).

Аналогичные исследования были проведены на мазутопроводе СНХК - Стерлитамакская ТЭЦ диаметром 0=0,426м. Мазутопровод теплоизолирован битумовермикулитом, большей частью подземный. Грунт, в основном, глинистый, 1:е=+12,30С. Обработка температурных полей в замерном сечении, где температура мазута составляла на время замера 76°С, также выявила факт подсушивания грунта вокруг трубопровода. Т.к. трубопровод теплоизолирован, то на рис. 5 получились изломы, характеризующие изменение термического сопротивления при переходе от изоляции к грунту. Попутно можно отметить, что теплоизолирующее свойство битумовермикулита после 3-х лет эксплуатации мазутопровода сильно ухудшилось. Как видно из рис.5, >н,з=0.,2...0,4Вт/(м°С), в то время, как в сухом состоянии ^из= 0,085Вт/(м°С). Вскрытие трубопровода и лабораторный анализ пробы битумовермикулита показали, что влажность его составляет 10... 12% по весу, а в пойме реки достигает даже 30...35%. В грунте же, наоборот, влажность уменьшается вследствие миграции влаги к периферии под действием температурного напора, и появляется определенный теплоизолирующий эффект.

Полученные данные по промышленным "горячим" трубопроводам, представленные в табл. 1, показывают, что в зоне теплового влияния Яэф снижается примерно в 1,06.„2,4 раза в зависимости от интенсивности прогрева.

Изменение X грунта вокруг мазутопровода НУНПЗ-ТЭЦ-2 (на 14.06.72)

50

45

40,

\ X —

X Чк

_— • к- >о<

1.6

Вт, м С

1.2

X

0.8

0.4

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 г-

рис.4

Зависимость X от температуры для мазутопровода СНХК-СТЭЦ (пост №2)

0 30 40 50 60 70 °С 80 г-—

рис.5

м

оч

Таблица 1

Снижение коэффициента теплопроводности грунта

в зоне теплового влияния трубопровода_

Эксперимент о, 1хт, Ь, \¥с, ч, К" Грунт

м 0 с 0 С % Вт/м Вт/(м 0 С )

Мазутопровод СНХК-СТЭЦ 0.426 45 12 - 137 1.63 0.80 1.16 1.40 Глина

Мазутопровод НУНПЗ-ТЭЦ2 0.219 56 10 - 126 1.63 0.42 1.04 1.57 Глина

Опытный полигон 0.090 116 5 22 158 1.63 0.81 1.12 1.46 Глина

УНИ 0.222 81 7 22 160 1.63 0.81 1.09 1.49 Глина

0.325 103 4 22 242 1.63 0.70 0.97 1.69 Глина

Гурьев-Куйбышев 1.020; 50 19 15 35...90 1.34 - 0.65 2.06 Сугл.

0.720 10 13...17 90 1.34 - 0.89 1.51 Сугл.

1 15 90... 140 1.34 - 1.03 1.30 Сугл.

14 - 40...65 1.34 - 0.75 1.77 Сугл.

Опыты И. Каммерера 0.050; 180 - - - 2.33 0.58... 1.16 2.0 Песок

0.300 ...0.70

Опыты Петри 0.064; 180 - очень - 2.90 0.35 1.21 2.4 Глина

0.165; влажн.

0.267 180 - оч.сух. - 1.75 0.35 0.87 2.0

Озек-Суат-Грозный 0.331 28...45 4...7 - 32...103 1.17 0.57 0.7... 1.67... Супесь,

I нитка ...1.1 ...1.06 сугл.

Узень-Шевченко 0.529 44...53 - 3.6 - 0.74 0.37 0.54 1.38 Супесь

50 14 - 46 0.78 - 0.58 1.34 Супесь

- - - - 0.76 0.60 0.62 1.22 Супесь

Проведенные исследования позволяют утверждать, что в результате теплового воздействия трубопровода в грунте происходят следующие явления:

-перераспределение влажностно-температурного поля в зоне теплового влияния трубопровода;

-подсушивание слоя грунта, прилежащего к трубопроводу вследствие миграции влаги;

-снижение ЯЭф грунта в зоне теплового влияния трубопровода; -на степень снижения коэффициента теплопроводности влияет температура стенки трубопровода, удельный тепловой поток и влажность грунта.

В результате обобщения и систематизации результатов исследований были получены расчетные формулы для Х.эф и составлена таблица 2, положенная в основу РД по выбору расчетных значений коэффициента теплопроводности грунта. Таблицей 2 можно также пользоваться и в случаях крайнего дефицита информации, когда известен только тип грунта и температура стенки трубы, но неизвестно значение V

Основной причинои, затрудняющей определение Яе расчетным путем, является недостаточная систематизация исследований в этом направлении. Подробное изложение данной проблемы выполнено В.В. Новоселовым.

В предлагаемой формуле (14) для расчета Хе коэффициенты Сь С2 и С3 определяются в зависимости от гранулометрического состава (от процентного содержания физической глины) на основании обобщения результатов многочисленных исследований, как в области

К) о©

Таблица 2

Формулы, рекомендуемые для определения эффективного _коэффициента теплопроводности грунта_

В ысокоинтенсивный теплообмен Теплообмен средней интенсивности Малоинтенсивный теплообмен

1ст>100°С гст = 50...1 оо°с 1С1 <50°С эт ^ гатЛ ап ап )хр

ат ^ Гсгг^ 5п 1, Эп ЛР

^ = Л ;(8) ь ^эф - >Хст ; (9) ,пх: Хэф - (1.0 +1.15 К

^=4+8^-01(11) ь = ^^ -(13)

Для ориентировочных расчетов

Глина \ = 0.4...0.8Вт/(м-°С) Х^ = 0.7...0.9Вт/(м-°С) С2 = 3.400 • 10"5 (Вт-м2)/(°С-кг-%)

Суглинок = 0.3...0.6 Вт/(м ■ °С) >ч.т = 0.6...0.8 Вт/(м- СС) С2 = 1.700 • 10~5 (Вт • м2)/(°С • кг • %)

Супесь Х.с =0.3...0.5Вт/(м-°С) >1СГ =0.5...0.7Вт/(м-°С) С2 =2.090-10~5 (Вт-м2)/(°С-кг-%)

Пески к =0.2...0.4Вт/(м-°С) Хст =0.4...0.6Вт/(м-°С) С2 =0.284-10~3 (Вт -м 2)/(°С-кг-%)

Примечание: При дефиците исходной информации А,е можно рассчитать по формуле = с, + С2рск \уе + СзРск (14)

трубопроводного транспорта, так и в смежных областях, например, грунтоведении, почвоведении (М. Керстен, Д.Л. Лайхтман, В.П. Ушкалов, О. Кришер, Д.Р. Шейнкман, A.B. Павлов, Н.С. Иванов и Р.Н. Гаврильев, А.Ф. Чудновский, Э.Д. Ершов и др., Т.П. Полетыкина и O.A. Степанов, А.Л. Мандаров и П.Н. Скрябин, А.У. Франчук, Г.В. Порхаев и В.К. Щелоков и др.).

Четвертая глава посвящена вопросам прогрева трубопровода. Ввод в эксплуатацию трубопровода, предназначенного для транспорта высоковязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов, представляет собой известные трудности, так как при закачке в холодную трубу, вследствие большого перепада температур горячая жидкость интенсивно охлаждается. В ряде случаев необходимо предварительно прогревать трубопровод и окружающий его грунт.

Задачи прогрева трубопровода решались в различных математических постановках и освещены в трудах Л.М. Альтшуллера, И.А. Иоффе, В.И. Черникина, B.C. Яблонского, П.И. Тушнова, В.Ф. Новоселова, В.М. Агапкина, Б.Л. Кривошеина, В.Н. Новаковского, Б.А. Красовицкого, А.И. Асатуряна, A.C. Бенусовича, В.В. Губина, Л.С. Абрамзона, A.B. Фурмана и Р.П. Дячука, A.A. Кошелева, Г.В. Алексеевой, Т.С. Давенпорта и В.Г. Конти, Р.Г. Козловой, Л.П. Семенова, Л.Н. Щукина, В.Н. Дегтярева и др., А.И. Мамедова, В.В. Тихонова, М.А. Галлямова, М.Н. Мансурова и др..

При поиске рационального способа предварительного прогрева магистрального трубопровода при вводе его в эксплуатацию решены краевые задачи "челночного", встречного и обратного прогревов.

Полученные зависимости позволяют рассчитать температурный режим, тепловые потери и время прогрева для каждого варианта.

При "челночном" прогреве определенный объем теплоносителя прокачивается поочередно в прямом направлении в течение времени xni, и обратном, T0i (i=l...n). Решение задачи прогрева грунта усложняется тем, что при смене режима перекачки, т.е. при изменении направления движения горячей жидкости по трубопроводу, происходит смена тепловых потоков qi5 которые и определяют характер теплообмена системы.

Процесс перераспределения температурного поля в рассматриваемый период описывается дифференциальным уравнением теплопроводности, которое при общепринятых допущениях записывается в виде:

дх2 +ду2

:^+^8(х)6(у-Н), (15)

т{ ср ' 4 '

где 6(х) и 6(у-Н) - дельта-функции, обладающие следующим свойством:

-кооэ

|jF(x, y)5(x)8(y-H)dxdy=F(0, Н). (16)

F(x, у) - произвольная функция: интегралы берутся по всей области изменения х и у.

Дифференциальное уравнение теплопроводности (15) решается поэтапно для каждого рассматриваемого периода: тпЬ т0ь тп2, хо2 и т.д. Причем решение предыдущего является начальным условием для последующего периода, т.е., за начальные условия каждый раз принимается температурное поле грунта вокруг трубопровода,

а

сложившееся на момент окончания предыдущего периода перекачки. Вследствие нарастания "предистории" формулы усложняются.

Основываясь на представлении, что грунтом воспринимается все тепло, отданное жидкостью, обратимся к такому универсальному условию сопряжения, как тепловой баланс. Принимая стержневой характер течения жидкости, запишем удельный тепловой поток:

Ч;=0рс(1н1-1к1)~. (17)

Уравнение (17) справедливо для любого ¡-го рассматриваемого периода "челночного" прогрева. Температура в конечном сечении трубопровода 1К1 определяется дифференциальным уравнением теплопроводности (15). Система этих двух уравнений при соответствующих краевых условиях является замкнутой и для каждого рассматриваемого периода "челночного" прогрева дает единственное решение. Дифференциальное уравнение (15) решается с помощью функции Грина для полупространства.

При "челночном" прогреве частая смена направлений перекачки нежелательна. Это объясняется тем, что за счет временного снижения теплоотдачи в грунт в процессе "вытеснения" увеличивается общее время прогрева трубопровода. Преимуществом "челночного" прогрева является то, что он не требует большого объема теплоносителя.

При встречном прогреве теплоноситель закачивается в трубопровод одновременно с начального и конечного пунктов со сбросом в каком-либо промежуточном пункте. При встречном прогреве могут рассматриваться различные соотношения плеч

прогрева 1, и 12, температур нагрева ^ и но в оптимальном варианте 1]=12 игн1=1н2.

В процессе вытеснения в сечении х второго участка трубопровода различаются три периода. Первый период - это вытеснение теплоносителя из второго участка трубы. Второй период -это прохождение через рассматриваемое сечение объема теплоносителя, вытесняемого из первого участка трубопровода. Тепловой поток сменяется на ц2. В третий период по трубе движется только высоковязкая нефть; тепловой поток при этом qз.

Задача встречного прогрева решена методом источников с помощью функций Грина путем трехкратного интегрирования дифференциального уравнения теплопроводности при усложняющихся начальных условиях. При встречном прогреве хорошо прогревается конечный участок трубопровода. Преимуществом встречного прогрева является быстрота.

На основании полученных решений в работе предлагается графоаналитический способ, а также упрощенные формулы для определения времени "челночного" и встречного прогревов.

Таблица 3

К технико-экономическому обоснованию способов прогрева

Способы Показатели в Показатели в относительных

прогрева абсолютных числах числах

Время Объем Время Объем Стоимость

прогрева, теплоносит. 3 тыс.м прогрева теплоносит. прогрева

ч

Встречный 35,0 60,7 ШИШ! 0,92 0,81

Прямой 76,0 65,8 1,00 1,00 1,00

Челночный 88,3 38,6 1,16 №11111 ЙШЩЦ

Обратный 114,0 98,6 1,50 1,50 1,50

Технико-экономическое сравнение встречного и "челночного" с прямым прогревом показало, см. табл. 3, что стоимость прогрева может быть снижена весьма существенно за счет выбора соответствующей технологии. Встречный прогрев отличается быстротой, уменьшая время прогрева. При "челночном" прогреве снижается объем теплоносителя.

Пятая глава посвящена экспериментальному изучению нетрадиционных способов прогрева подземного трубопровода. Для проверки адекватности принятой математической модели прогрева и полученных решений был использован экспериментальный материал, накопленный в результате промышленных испытаний упомянутых выше трубопроводов, а также данные других исследователей. Кроме того, на специально созданной лабораторной установке были проведены серии экспериментов по нетрадиционным способам прогрева: "челночному" и встречному.

Основным элементом экспериментальной установки является трубопровод диаметром 0,0135м, длиной б,7м, уложенный вдоль продольной оси ящика с песком (0,51x0,47x7,8м). Относительная глубина заложения изменялась в пределах 11/11=2...32 посредством послойного снятия песка. В качестве теплоносителя при прогреве использовалась вода, которая предварительно нагревалась в емкостях, оборудованных ТЭНами заводского изготовления, мощностью 2x4,0кВт. В измерительный комплект вошли датчики температуры: ХК-термопары с предельной относительной погрешностью ±0,2% в измеряемом диапазоне температур, ртутные термометры с пределами измерения 0...50°С и предельной

абсолютной погрешностью ±0,05 °С, а также потенциометр ПП-63 класса точности 0,05. Предельная относительная погрешность замера температур составила 2,75%.

В результате многофакторного планирования эксперимента, изучалось не только влияние каждого из основных параметров перекачки (температуры нагрева теплоносителя tH, времени прогрева т, относительной глубины заложения трубопровода H/R и числа однонаправленных перекачек п) на прогрев, но и была произведена оценка совместного их влияния при всевозможных комбинациях.

По результатам опытов, методом последовательных исключений влияющих факторов, получена многофакторная зависимость удельного теплового потока (18), со средней квадратичной погрешностью 9,2% в интервале Fo=4,17...20,8; TH-*4-te==24,3...54,3°C; H/R=2...31; n=1...5.

Hi = BLI=f6-l

Fo

(18)

(19)

Полученная формула (19) для коэффициента внешней теплоотдачи согласуются с исследованиями П.И. Тугунова, В.В, Губина, Давенторта и Конти,

Один из результатов опытов по "челночному" прогрев} приведен на рис. 6 в виде графических зависимостей температур I начальном и конечном сечениях трубопровода от времени прогрева На рисунке виден характерный для процесса прогрева рос: температуры стенки трубопровода и уменьшение температурной перепада по длине трубопровода. Во время смены направлений

Результаты одного из 25-и опытов по "челночному" прогреву трубопровода

рис.6

перекачки резко меняется направление хода температурных кривых, вследствие чего график носит ярко выраженный характер "челночного" прогрева. Точке пересечения кривых г„ и т.е. моменту выравнивания температур по длине трубы, соответствует "0"-е значение q и В1, что свидетельствует о снижении интенсивности прогрева в периоды изменения направления перекачки.

В результате апробации метода теплового баланса в промышленных условиях прогрева и стационарного режима 5-ти нефтепродуктопроводов, а также в условиях физического эксперимента для "челночного", встречного, прямого и обратного прогревов получено качественное и количественное соответствие результатов. Относительная погрешность расчетов при Ро>1 не превышает погрешности экспериментов.

В шестой главе введено понятие и показана эффективность использования динамической характеристики магистрального трубопровода, представляющей собой совокупность суммарной характеристики насосов, графика потребного напора трубопровода, сетки мгновенных характеристик, построенных с шагом по температуре или вязкости, а также вспомогательных температурных кривых.

Предложена, на уровне РД, методика расчета нестационарных режимов работы магистрального трубопровода с помощью динамических характеристик, позволяющая учесть переменность подачи ЦБН при изменении гидравлического сопротивление трубопровода в ходе пуска, прогрева, остановки и возобновлении перекачки, изменении производительности, температуры и др эксплуатационных режимах.

Для повышения экономической эффективности и работы АСУ ТП необходимо уметь рассчитывать любые нестационарные режимы эксплуатации трубопровода. С этой целью решен круг основных задач нестационарной теплопроводности с учетом переменности подачи ЦБН. В данной главе представлены лишь алгоритмы теплогидравлического расчета основных нестационарных процессов с учетом изменения подачи ЦБН. Подробно в публикациях представлены решения следующих задач: -пуск из холодного состояния, -возобновление перекачки после остановки, -режим работы при снижении температуры нагрева, -режим работы при отключении ЦБН,

-остывание трубопровода при одновременном снижении температуры нагрева и подачи ЦБН.

На основании полученных решений разработан пакет прикладных программ, каждая из которых апробирована в промышленных условиях. Для примера, на рис. 7 приведена динамическая характеристика мазутопровода СНХК-Стерлитамакская ТЭЦ, рассчитанная на перекачку мазута М100 с ^=84°С.

Сопоставление проводилось с данными промышленного эксперимента, проведенного в период с 16.06.79г по 8.07.79г. Целью эксперимента было изучение теплофизических процессов, сопровождающих остановку и последующее возобновление перекачки по трубопроводу мазута. Длительность остановки составляла 72ч. Перед началом опыта грунт был хорошо прогрет, т.к. мазутопровод перед этим достаточно длительное время работал в

300

Динамическая характеристика мазутопровода СНХК-СТЭЦ

40 41

I =45°С

200

1

8060-40Н

ср -20-

Н

100

(х) -стационарный режим

I I

/ху данные Башкирэнерго

100 200 300

о-

рис.7

400 м3/ч 500

1-характеристика мазутопровода; П-статические напоры; Ш-кривая средних температур; 1У-сетка мгновенных характеристик; У-характеристика насоса 8НД-9хЗ

стационарном режиме с (2=212м3/ч и 1Н=85°С. На поле С>-Н нанесены режимные точки, помеченные цифрами в следующем порядке: на момент "страгивания" т.1, развитие нестационарного процесса -т.т.2...8 и восстановления стационарного режима - т.т.9... 11.

Из рис. 7 хорошо видно, что, несмотря на малый расход С)=100м3/ч в момент "страгивания", потери напора в трубопроводе велики и в 2 раза превышают потери стационарного режима. Это объясняется тем, что к моменту возобновления перекачки средняя температура мазута по данным замера 1ср=38°С, что значительно ниже стационарной 1сра0==47°С.

С момента возобновления перекачки температура жидкости нарастает быстро, так как тепловая инерция грунта работает на восстановление режима. Режимные точки располагаются в области мгновенной характеристики на 50°С, затем 60°С и, наконец, ложатся на стационарную характеристику мазутопровода. Через 26ч с момента возобновления перекачки положение т.10, через 50 ч - т. 11.

Точки, обозначенные знаком "х", соответствуют стационарным режимам; получены в результате длительного наблюдения за состоянием мазутопровода с момента пуска в октябре 1978г по 1983г.

С использованием метода динамических характеристик значительно повышается точность определения времени безопасной остановки тб0 и безопасной работы Тбр при изменении режимов, так как при этом учитывается изменение гидравлического сопротивления трубопровода и падение подачи ЦБН.

В седьмой главе дано технико-экономическое обоснование регламента эксплуатации "горячего" магистрального трубопровода

при его недогрузке в вариантах циклической и непрерывной перекачки.

При недогрузке перекачку можно вести не только непрерывно, но и циклически. Циклически эксплуатировалась первая нитка "горячего" нефтепровода Озек-Суат-Грозный, а также нефтепроводы Вознесенская-Грозный и Изберг-Махачкала. При любом способе эксплуатации нефтепровода с недогрузкой себестоимость перекачиваемой нефти повышается по сравнению с проектной величиной, вследствие снижения объемов перекачки.

В связи с этим, решены основные задачи циклической перекачки:

-определение оптимального числа циклов Цопт для "горячего' трубопровода;

-циклическая эксплуатация "горячего" нефтепровода с использованием имеющейся емкости;

-технико-экономическое обоснование циклической

эксплуатации "горячего" нефтепровода.

Оптимальное число циклов Цопт получено при минимизацш функции приведенных годовых затрат на перекачку.

где ф - степень загрузки трубопровода по производительности: иьиьи2- определяются структурой приведенных затрат. Показано также, что при перекачке по данной технологии, но I числом циклов Ц, отличным от оптимального, т.е. с использование» имеющейся емкости, и приведенные затраты, и себестоимость

(20)

Режимы циклической перекачки нефтепровода Даги-Вагис при степени загрузки ^=0.42

¡-характеристика нефтепровода Даги-Вагис; И-характеристика ЦНС-105-245 {¿=3) и к.п.д. VI; Ш-характеристика ЦНС-180-215 (/=-5) и к.п.д. VII; IV, У-суммарные характеристики насосов при параллельной работе

перекачки также снижаются, что оссбенно проявляется при малых степенях загрузки <р<фэ нефтепровода.

На рис. 8 показана возможность циклической эксплуатации одного из сахалинских нефтепроводов. Щи циклической перекачке работа нефтепровода чередуется с его остановками. Два насоса при параллельном соединении работают в режиме 1 в течение времени тр, затем, на период остановки т0 отключаются. Нефть с промысла накапливается в резервуарах головного пункта.

Циклическую перекачку можно вести и в другом варианте, включая в работу параллельно два одинаковых насоса в режиме т.4. В обоих случаях режимы работы насосов близки к оптимальным.

Технико-экономическое обоснование показало, что при работе:

a) с оптимальным числом циклов Цопт,

b) с использованием имеющейся емкости,

c) со ступенчатым изменением расхода

себестоимость циклической перекачки значительно ниже, чем при непрерывной.

Оптимизация варианта непрерывной перекачки показала, что в период сезонной недогрузки себестоимость непрерывной перекачки снижается при включении в работу всех тепловых станций; чем ближе режим к изотермическому, тем эффект выше. Максимальный эффект возможен при комбинации данного метода с циклическим.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Исследован теплообмен магистрального нефтепровода с многолетнемерзлыми грунтами: аналитически получено решение,

позволяющее рассчитать экономически выгодный вариант эксплуатации нефтепровода в многолетнемерзлых грунтах при заданном законе изменения ореола протаивания, экспериментально доказана возможность управления ореолом протаивания вокруг трубопровода при длительной его эксплуатации, - в результате разработан, обоснован и предложен регламент эксплуатации магистрального нефтепровода в многолетнемерзлых грунтах, предупреждающий прогрессирующее протаивание грунтов под трубопроводом.

2. Выявлен, исследован и объяснен теплофизический эффект снижения влажности и теплопроводности грунта в пределах ореола протаивания вокруг нефтепровода, проложенного в многолетнемерзлых грунтах, за счет подтягивания влаги к фронту промерзания при регулируемом режиме, а также эффект снижения теплопроводности грунта вокруг "горячего" трубопровода за счет миграции влаги при прогреве, остывании, стационарном режиме в 1,06...2,4 раза в зависимости от интенсивности теплообмена, и в результате предложен метод определения эффективного коэффициента теплопроводности грунта для целей проектирования трубопроводов на уровне РД.

3. Комплексно исследован прогрев магистрального трубопровода нетрадиционными способами: "челночным", встречным, обратным, включая постановку и решение краевых задач теплопроводности, планирование, проведение и обработку многофакторного эксперимента, а также разработку методики расчета температурных режимов, тепловых потерь, определения времени прогрева и объема теплоносителя. Выполнено технико-

экономическое обоснование рационального ввода в эксплуатацию "горячего" трубопровода путем выбора способа предварительного прогрева на основе сопоставления вариантов: "челночного", встречного, обратного и прямого. Выявлено, что самым быстрым является встречный прогрев, а объем теплоносителя минимален при "челночном" прогреве.

4. Разработан и предложен на уровне нормативных документов метод графо-аналитического расчета, основанный на использовании динамических характеристик магистральных нефтепродукто-проводов, повышающий точность теплогидравлических расчетов нестационарных режимов перекачки за счет учета реальных характеристик центробежных насосов при изменении гидравлического сопротивления трубопровода.

5. Решены вопросы повышения экономичности и надежности эксплуатации недогруженных "горячих" магистральных нефтепродуктопроводов организацией оптимального регламента эксплуатации в вариантах циклической перекачки с оптимальным числом циклов Цолт, полученным при минимизации приведенных затрат на перекачку, и с использованием имеющейся емкости. Показано, что себестоимость непрерывной перекачки при временной и сезонной недогрузке также значительно снижается с включением в работу всех промежуточных тепловых станций на пониженных режимах.

На основании проведенных исследований разработаны и внедрены нормативные и руководящий документы: РД 39-0147103386-87 "Выбор расчетных значений коэффициента теплопроводности грунта при проектировании трубопроводов", "Методика

теилогидравлического расчета мазутопроводов", "Методика расчета эксплуатационных режимов теплоизолированных мазутопроводов". Внедрение рекомендаций по технологическим режимам эксплуатации нефтепровода Тарасовское - Муравленковское позволило получить фактический экономический эффект в размере 279000 рублей (в ценах 1988 года).

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

1.Тугунов П.И., Новоселов В.Ф., Кузнецова (Гаррис) H.A. Оптимальное число циклов при циклической эксплуатации "горячих" трубопроводов // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. -1968. - №11. -с.77-80.

2.Тугунов П.И., Гаррис H.A. О целесообразности циклической перекачки вязких нефтей по трубопроводам // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. -1969. - №4. -с.87-89.

3.Тугунов П.И., Гаррис H.A., Егорова P.A. Изменение температуры грунта при изменении технологического режима эксплуатации трубопровода // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. -1972. -№2. -с. 87-90.

4.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Новоселов В.Ф., Беккер С.Ф. Экспериментальное изучение "челночного" прогрева трубопровода //НТС ВНИИОЭНГ. Сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -1974. -№7. -с. 5-7.

5.Гаррис H.A., Тугунов П.И. Определение времени прогрева трубопровода "челночным" способом //Изв. ВУЗов. Нефть и газ. -1975. -№5. -с.93-95.

6.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Егорова P.A. Выбор рационального способа прогрева трубопровода при его пуске // PC ЦНИИТЭнефтехим. Сер. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. -1975. -№7. -с. 7-9.

7.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Егорова P.A., Новоселов В.Ф. Температурное поле вокруг подземного трубопровода при встречном прогреве //В кн.: Проектирование, строительство и эксплуатация магистральных нефтегазопроводов и нефтебаз: НТС УНИ. -Уфа, 1974. -Вып. 18. -с. 94-97.

8 .Гаррис H.A., Тугунов П.И. Режим работы "горячего" трубопровода при уменьшении температуры нагрева нефти // Нефтяное хозяйство. -1975. -№ 11.-е. 42-44.

9.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Егорова P.A. Обратный прогрев трубопровода И Нефтяное хозяйство. -1976. -№ 4. -с. 63-64.

Ю.Гаррис H.A. Применение динамической характеристики при теплогидравлическом расчете прогрева подземного трубопровода //НТС ВНИИОЭНГ. Сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -1976. -№7. -с. 6-8.

11.Тугунов П.И., Гаррис H.A. Учет переменности теплового потока при прогреве подземного трубопровода горячей жидкостью // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. - 1976. -№ 8. -с. 85-86.

12.Гаррис H.A., Галиев B.C., Тугунов П.И. Определение практически безопасной продолжительности остановки "горячего" трубопровода// Изв. ВУЗов. Нефть и газ. - 1979. -№ 8. -с. 68-72.

13.Гаррис H.A., Новоселов В.В., Тугунов П.И. Определение потерь напора без применения коэффициента теплопередачи // Нефтяное хозяйство. -1980. -№ 1. - с. 48-50.

14. Гаррис H.A., Тугунов П.И., Галиев B.C. Определение пускового давления и подачи насосов при возобновлении перекачки по горячим трубопроводам //Нефтяное хозяйство. -1979.-№8.-с.48-50.

15.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Галиев B.C. Определение параметров работы трубопровода с использованием динамической характеристики при транспорте вязкопластичных жидкостей // РНТС ВНИИОЭНГ. Сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -1980.-№ 10, с. 2-4.

16.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Верховский С.А. и др. Опыт эксплуатации и результаты испытания одного из мазутонроводог Башкирии // Электрические станции. -1981. -№8. с. 40-42.

17.Гаррис H.A. О возможности регулирования ореол: протаивания вокруг подземного магистрального трубопровода /, Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетическогс баланса: Тезисы докл. 1 респ. науч.-тех. конф. -Уфа, 1982. -с. 111-112.

18.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Александров В.К. Эксплуатацю магистрального "горячего" трубопровода в период сезонног недогрузки // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. -1982. -№3. -с. 63-67.

19.Гаррис H.A. Ограничение ореола протаивания вокру] подземного трубопровода // В кн.: Проблемы нефти и газа Тюмени НТС. Тюмень, 1983. -Вып. 60. -с. 45-47.

20.Гаррис H.A. О возможности регулирования работы магистрального трубопровода в периоды сезонной недогрузки // Изв. ВУЗов. Нефть и газ, -1984. -№3. -с. 53-55.

21. Тугунов П.И., Гаррис H.A. Применение динамических характеристик для расчетов эксплуатационных режимов неизотермических трубопроводов // ОИ ВНИИОЭНГ. Сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -1985. -Вып. 3(62). - 60 с.

22.Гаррис H.A. Определение коэффициента теплопроводности грунта по его механическому составу // Нефтяное хозяйство. -1986. -№3. -с. 51-52.

23.Гаррис H.A., Новоселов В.В. Определение коэффициента теплопроводности грунта вокруг трубопровода при его остывании // Нефтяное хозяйство. -1987. -№ 5. -с. 47-48.

24.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Галиев B.C. Экспериментальные исследования остывания промышленного мазутопровода при остановке перекачки // РТИС ЦНИИТЭнефтехим. Сер. Транспорт и хранение нефти и углеводородного сырья. -1988. -№1. -с. 19-21.

25.Гаррис H.A. К вопросу учета переувлажнения грунта при определении расчетного коэффициента теплопроводности при проектировании магистральных нефтепроводов //НТИС ВНИИОЭНГ. Научно-производственные достижения нефтяной промышленности в новых условиях хозяйствования. -1988. -№6. -с. 1-2.

26.Новоселов В.В., Гаррис H.A., Тугунов П.И., Беккер JI.M. Прогнозирование теплофизических свойств грунтов при выполнении тепловых расчетов неизотермических трубопроводов // ОИ ВНИИОЭНГ. Сер. Транспорт и хранение нефти. -1989. -Вып. 9. -31с.

27.Гаррис H.A., Глазырина В.М., Брот P.A. и др. Экспериментальное обоснование возможности предотвращения прогрессирующего протаивания грунтов под трубопроводом // В кн. Актуальные вопросы технической эксплуатации магистральных нефтепроводов: Сб. науч. тр. ВНИИСПТнефть. -Уфа, 1989. -с. 25-28.

28. Гаррис H.A., Тугунов П.И. О возможности транспорта нефти в районах многолетнемерзлых грунтов при условии сохранности окружающей среды // Экология нефтегазового комплекса. Материалы I всесоюзной конференции 3-6 окт. 1988г. Надым. Вып. 1, Часть 1. -М., 1989.-е. 85-91.

29.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Бикташев Р.Т. Чернов O.JI. Особенности работы нефтепровода в многолетнемерзлых грунтах //Нефтяное хозяйство. -1990. 12. -с. 55-56.

ЗО.Гаррис H.A., Новоселов В.В., Тугунов П.И. Определение коэффициента теплопроводности грунта вокруг трубопровода по температурному полю // Библ. указатель ВИНИТИ "Депонированные научные работы". -1990. -№4. -с.28.

ЗГ.Гаррис H.A., Максимова С.А. Регламент эксплуатации магистрального трубопровода при условии сохранности окружающей среды // Нефтяное хозяйство. -1990. -№1. -с. 63-64.

32.Гаррис H.A.. Новоселов В.В., Максимова С.А. Фактор переувлажнения грунта: его влияние на трубопровод // Строительство трубопроводов. -1991. -№ 4. -с. 29-30.

33.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Чернов O.JL, Гостев Н.М. Регулируемый теплообмен нефтепровода с многолетнемерзлым грунтом //В кн.: Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири: Межвуз. сб. науч. труд. ТИИ. -Тюмень, 1991. -с. 87-91.

34.Гаррис H.A. О возможности циклической эксплуатации сильно недозагруженного нефтепровода // ИС ВНИИОЭНГ. Научно-технические достижения и передовой опыт, рекомендуемые для внедрения в нефтяной промышленности. -1991. -Вып. 11, -с. 27-29.

35.Гаррис H.A., Тугунов П.И., Сазонов О.В., Гостев Н.М. Анализ теплогидравлических режимов нефтепровода сильно недогруженного по производительности // ИС ВНИИОЭНГ. Научно-технические достижения и передовой опыт, рекомендуемые для внедрения в нефтяной промышленности. -1992. -№ 2, с. 4-5.

36.Гаррис H.A. О возможности предотвращения порывов трубопровода вследствие морозного пучения грунтов (в порядке обсуждения) // "Нефть и газ": Межвуз. сб. науч. тр. УГНТУ. -Т. 1. -Уфа, 1997.-с. 168-170.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры "Гидравлика и гидромашины" Уфимского государственного нефтяного технического университета за помощь при проведении исследований и подготовке работы.

Учителю, заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации и Республики Башкортостан, доктору технических наук, профессору Тугунову Павлу Ивановичу посвящается.

Соискатель

Гаррис H.A.