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

7.У • а

-Г"' / ^ . :? .

£г- у' 3

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 622.692.4.01:532.5 На правах рукописи

ГАРРИС НИНА АЛЕКСАНДРОВНА

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

Специальность 05.15.13. - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Соискатель:

Гаррис H.A. ^ ——-

Уфа 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

с.

ВВЕДЕНИЕ.....................'. . .8

1.ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО ТАЯНИЯ МЕРЗЛОГО ГРУНТА ПОД ТРУБОПРОВОДОМ ПУТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ТЕПЛООБМЕНА.....................19

1.1 .Постановка задачи по регулированию теплообмена подземного трубопровода..................22

1.2.Математическая модель сбалансированного теплообмена магистрального нефтепровода с многолетнемерзлым грунтом . .30

1.3.Вариант эксплуатации подземного нефтепровода с

остановленной границей протаивания, Ro=const . .......39

1.4.Ограничение ореола протаивания для случая Q=const;

t=const (оптимальный вариант)...............41

1.5.Гидравлический расчет нефтепровода с учетом тепла трения . 46

1.6.Регламент эксплуатации магистрального трубопровода

при условии сохранности окружающей среды.........47

1.7.Особенности эксплуатации магистрального нефтепровода в режиме, ограничивающем протаивание грунта

под трубопроводом....................54

1.8.Выводы по главе 1...................58

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛБНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОРЕОЛОВ ПРОТАИВАНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО ТАЯНИЯ ПОДСТИЛАЮЩИХ ГРУНТОВ...............59

2.1 .Краткое описание экспериментальной установки и выбор параметров регулирования ореолов протаивания........59

2.2.Анализ работы системы "труба - мерзлый грунт" в регулируемом режиме теплообмена по результатам эксперимента . 62 2.2.1 .Оценка миграционных процессов в талой зоне, кольцом

охватывающей трубу, проложенную в мерзлом массиве.....65

2.2.2.Изменение коэффициента теплопроводности грунта вокруг трубопровода при регулируемом теплообмене.........69

2.3.Выводы по главе 2...................83

3.ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГРУНТА В ЗОНЕ ТЕПЛОВОГО

ВЛИЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА................84

3.1.Определение коэффициента теплопроводности грунта Хе по

гранулометрическому составу................87

3.2.Анализ и обобщение экспериментальных данных по изменению коэффициента теплопроводности грунта в зоне теплового

влияния трубопровода....................97

3.2.1.Систематизация опытных данных и получение формулы для определения X по данным лабораторных и стендовых испытаний . 104

3.2.2.Результаты наблюдений за снижением коэффициента теплопроводности грунта в зоне теплового влияния действующих

нефтепродуктопроводов .................. 112

3.2.3.Формулы для определения эффективного коэффициента теплопроводности грунта А,эф. Промышленная апробация . . . .118

3.3Определение при малоинтенсивном теплообмене.....122

3.4.Рекомендации по определению Хэф грунта для целей

проектирования при минимальной исходной информации ... 125 3.5.Определение коэффициента теплопроводности грунта вокруг трубопровода при его остывании..............131

3.6.Учет фактора возможного переувлажнения грунта.....135

3.7.Выводы по главе 3...................137

4.ВВОД ТРУБОПРОВОДА В ЭКСПЛУАТАЦИЮ ПУТЕМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПРОГРЕВА............139

4.1."Челночный" прогрев трубопровода. Выбор модели .... 142 4.1.1.Определение температурного поля вокруг трубопровода при изменении направления прогрева..............149

4.1.2.Изменение температурного режима с момента заполнения трубопровода высоковязкой жидкостью...........156

4.1.3.Изменение внешнего коэффициента теплоотдачи в процессе

"челночного" прогрева..................159

4.1.4.0пределение времени "челночного" прогрева трубопровода . 162

4.2.Встречный прогрев трубопровода............167

4.2.1.Определение температурного поля грунта вокруг

трубопровода при встречном прогреве............167

4.2.2.Определение времени встречного прогрева........173

4.2.3.Характер теплообмена при встречном прогреве......173

4.2.4.Влияние соотношения плеч прогрева L и Ь на эффективность встречного прогрева...................174

4.3.Выбор рационального способа прогрева трубопровода при его пуске..........................178

4.4.Выводы по главе 4...................180

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ НЕТРАДИЦИОННЫХ

СПОСОБОВ ПРОГРЕВА ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА . .181

5.1.Промышленная апробация метода теплового баланса . . . .182 5.2.Экспериментальная установка по изучению прогрева подземного трубопровода теплоносителем..........186

5.3.Рациональное планирование эксперимента........190

5.4.Результаты экспериментов по "челночному" прогрев . . . .192

5.5.Анализ опытов по встречному прогреву..........195

5.6.Получение многомерной функции удельного теплового потока при прогреве подземного трубопровода горячей жидкостью . . .200

5.7.Анализ зависимости В1=В1(Ро) для прямого прогрева .... 207

5.8.Выводы по главе 5...................210

6.РАСЧЕТ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ

ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК...........211

6.1.0 необходимости учета изменения подачи центробежных насосов при изменении гидравлического сопротивления трубопровода ....................... 212

6.2.Применение динамической характеристики при теплогидравлическом расчете прогрева подземного трубопровода ...................... 221

6.3.Расчет пускового режима теплоизолированного трубопровода с применением динамической характеристики (алгоритм РКОвЯ) . 223 6.4.0пределение подачи, напора насосов при возобновлении перекачки и безопасного времени остановки (алгоритм В08Т) . .228 6.5.Динамическая характеристика мазутопровода СНХК - СТЭЦ. Промышленная апробация.................232

6.6.Работа "горячего" трубопровода при переменных режимах . .235 6.6.1 .Определение времени безопасной работы "горячего"

трубопровода при отключении центробежных насосов.....235

6.6.2.Режим работы "горячего" трубопровода при снижении температуры нагрева нефти................240

6.7.Графический способ построения сетки мгновенных характеристик (программа STAC)..............244

6.8.Динамическая характеристика "горячего" трубопровода для перекачки вязкопластичных жидкостей (программа STAC) . . .248 6.9.0пределение области возможной безаварийной работы "горячего" трубопровода по динамической характеристике (программа BOST)....................251

6.Ю.Выводы по главе 6..................255

7.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕГЛАМЕНТА ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГОТРУБОПРОВОДА ПРИ НЕДОГРУЗКЕ

(С УЧЕТОМ КЛИМАТИЧЕСКОГО ФАКТОРА)........257

7.1.Циклическая эксплуатация "горячего" нефтепровода . . . .261 7.2.0 возможности регулирования работы "горячего"

трубопровода в периоды сезонной недогрузки........267

7.3.0птимальная загрузка установленных мощностей на

магистральных нефтепроводах в летний период........272

7.4.0 возможности циклической эксплуатации одного из

сахалинских нефтепроводов.................279

7.5.Выводы по главе 7...................284

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ........285

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......287

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................313

ПРИЛОЖЕНИЕ. 1. Обзор литературы по миграционным процессам

в грунте при промерзании-протаивании . . .314 ПРИЛОЖЕНИЕМ. Документы о внедрении результатов

исследования..............358

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время проблема охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов и энергосбережения приобрела важнейшее народно-хозяйственное значение. Академик В.И. Вернадский предупреждал [49], что 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 как условие выживания. Этой проблеме была посвящена специальная ассамблея ООН, проведенная в Стокгольме в 1972г., конференция ООН по окружающей среде, Рио-де-Жанейро, 1992 г., а так же 1-я всесоюзная конференция "Экология нефтегазового комплекса", Надым, 1988г. [58, 149, 297]. Вопросы экологии при сооружении северных трубопроводов решались на симпозиуме по проблемам энергетики в Иркутске, 1980г. [140], также [63] и др.

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 в ряде случаев и сверхнормативный срок службы. По данным [95] 54,3% эксплуатирующихся магистральных нефтепроводов имеют "возраст" свыше 20 лет.

Для трубопроводов, работающих в неизотермических режимах, проложенных в обводненных грунтах и заболоченных территориях

Сибири, а так же районах многолетнемерзлых грунтов Крайнего Севера в создавшихся условиях проблема эффективной технологии эксплуатации с одновременным соблюдением требований экологической безопасности встает особенно остро и является актуальной.

Отечественная и зарубежная практика показала [297, 149, 126, 46, 141, 134, 202, 102, 96, 23, 233, 42, 11, 124, 51, 88, 14], что добыча нефти и газа и их транспортировка по магистральным трубопроводам приводит к существенному нарушению экологического равновесия и загрязнению окружающей среды. Особенно актуальны вопросы экологической безопасности для малоосвоенных природных районов Крайнего Севера, характеризующихся высокой чувствительностью к техногенным воздействиям [209, 88, 226, 225, 207, 208, 171, 140, 322, 45, 113]. В настоящее время в северных районах функционирует развитая сеть магистральных нефтепроводов общей протяженностью труб около 10 тыс. км. [284]. Осваиваются районы Крайнего Севера, сложенные вечномерзлыми грунтами, в частности районы Обской губы и полуострова Ямал, крайне чувствительные к антропогенному воздействию.

Трубопроводы оказывают постоянное влияние на природную среду как во время строительства, так и в течение всего периода эксплуатации [292]. В [237] были сформулированы основные задачи охраны окружающей среды, комплексное решение которых позволит сохранить экологическую обстановку в районах прохождения трасс. Четыре из них рассматриваются в данной работе:

"-разработка научных принципов выбора проектных решений магистральных газонефтепроводов, позволяющих предотвратить или

минимизировать отрицательные воздействия на природные компоненты;

-совершенствование технологии и технических средств для сооружения и эксплуатации газонефтепроводов с учетом требований по охране природной среды;

-повышение надежности трубопроводов для сокращения аварийных потерь транспортируемых продуктов;

-прогнозирование взаимодействия природных компонент и трубопроводов при их эксплуатации...".

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

В работе решены следующие основные задачи:

1.Выполнено технико-экономическое обоснование, предложена математическая модель и разработан алгоритм расчета регламента эксплуатации магистральных нефтепроводов в районах многолетнемерзлых грунтов при условии сохранности окружающей среды за счет сдерживания прогрессирующего таяния мерзлых грунтов;

2.Исследованы теплофизические процессы, связанные с перераспределением влажностно-температурного поля грунта вокруг

"горячего" трубопровода под действием температурного напора, а также вокруг трубопровода, проложенного в мерзлом грунте, и обоснована возможность учета этого явления для инженерных целей моделью теплопроводности;

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

4.Получены и предложены на уровне РД полуэмпирические зависимости для определения эффективного коэффициента теплопроводности грунта ХЭф при проектировании трубопроводов, а также для расчета нестационарных режимов: прогрева при пуске и остывания грунта при остановке перекачки;

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

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

Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие результаты:

1 .Решена краевая задача теплообмена магистрального трубопровода 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 теплофизических 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 расчета температурных режимов, теплопотерь, времени прогрева и объема теплоносителя. Выполнено технико-экономическое сравнение "челночного", встречного и обратного прогревов с прямым, которое

о и и

позволило рекомендовать, как самый быстрый, встречный прогрев, а при дефиците теплоносителя - "челночный".

9.По лучена 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