Методы совершенствования технологии вакуумной осушки газопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Методы совершенствования технологии вакуумной осушки газопроводов

Кудрявцев Дмитрий Алексеевич



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основная задача газовой отрасли, как одной из главных составляющих топливно-энергетического комплекса Российской Федерации, состоит в своевременном обеспечении природным газом отечественных и зарубежных потребителей.

Важным качественным параметром природного газа является его влагосодержание, характеризуемое значением температуры точки росы по воде при нормируемом давлении.

Повышенное влагосодержание природного газа может приводить к образованию гидратов, уменьшающих или полностью перекрывающих проходное сечение газопровода. При этом растет потребляемая мощность на компримирование газа и, как следствие, увеличивается расход топливного газа, снижается эксплуатационная надежность основных узлов и деталей газоперекачивающих агрегатов.

Повышение влагосодержания транспортируемого газа может быть следствием нарушения проектных технологических режимов работы промысловых установок осушки, установок осушки экспортного газа. Кроме того, поступление влаги в полость магистральных газопроводов (МГ) бывает обусловлено невыполнением или же некачественным выполнением работ по осушке полости трубопроводов компрессорных станций (КС) и линейной части (ЛЧ) МГ после их гидравлических испытаний на прочность в ходе строительно-монтажных работ, восстановительных работ при ликвидации аварий, капитальных ремонтов.

В настоящее время для осушки полости ЛЧ МГ, а также трубопроводов КС применяется продувка сухим воздухом или вакуумирование.

При проведении работ по вакуумной осушке газопроводов возникла необходимость в совершенствовании вакуумного оборудования, технологии удаления воды, оставшейся после гидравлических испытаний трубопроводов КС, учета влияния гидравлического сопротивления осушаемых объектов на процесс осушки. Поэтому разработка методики, позволяющей прогнозировать и корректировать в ходе производства работ продолжительность вакуумной осушки газопроводов; методики расчета теплового баланса процесса вакуумной осушки газопроводов, позволяющей оценивать возможность замерзания остатков воды в полости осушаемого газопровода; методики расчета параметров сублимации льда, влияющих на продолжительность вакуумной осушки, являются весьма актуальными.

Цель работы: Разработка методов совершенствования технологии и расчета процессов вакуумной осушки газопроводов, позволяющих повысить ее эффективность в зависимости от условий производства работ.

Задачи исследования:

- провести анализ теоретических и экспериментальных работ в области осушки, современного состояние способов, технологий, технических средств и нормативных требований к качеству осушки газопроводов;

- подобрать оптимальное вакуумное оборудование и разработать методы повышения эффективности технологии вакуумной осушки газопроводов;

- разработать методику расчета продолжительности вакуумной осушки газопроводов;

- провести исследование процессов и областей применения вакуумной осушки газопроводов и разработать методики расчета теплового баланса и расчета параметров сублимации в процессе вакуумной осушки газопроводов.

Научная новизна.

Обоснован выбор вакуумного оборудования для Вакуумно-азотного комплекса, обеспечивающего эффективное производство работ по подготовке полости испытанных участков ЛЧ МГ, трубопроводов КС к заполнению природным газом.

Впервые разработана методика определения продолжительности вакуумной осушки газопроводов, позволяющая расчитывать параметры процесса осушки, прогнозировать и корректировать в ходе производства работ ожидаемый срок окончания осушки в зависимости от геометрических объемов газопроводов, количества влаги в их полости перед осушкой, температуры грунта на глубине их заложения (Т_гр), производительности вакуумных модулей и их числа.

Впервые разработана методика расчета теплового баланса процесса вакуумной осушки участков газопроводов, позволяющая оценивать возможность замерзания остатков воды в полости осушаемого газопровода при различных Т_гр , количестве влаги в газопроводе перед его осушкой и объемных производительностях вакуумных модулей.

Впервые разработана методика расчета параметров сублимации льда в ходе вакуумной осушки газопроводов.

На основе разработанных методов получены новые результаты, позволившие предложить:

· соотносить начало третьего этапа вакуумной осушки (переход вакуумного модуля на максимальную производительность) вместо ранее фиксированного значения (10³ Па) с моментом достижения в осушаемой полости давления насыщенных паров воды при Т_гр на момент проведения работ;

· применять способ продувки подогретым азотом (с использованием азотного модуля Вакуумно-азотного комплекса) для удаления льда, образующегося при вакуумной осушке трубопроводов КС Ду 700 мм и менее;

· учитывать гидравлические сопротивления газопроводов в процессе их вакуумной осушки и проводить ее до достижения абсолютного давления на входе вакуумного модуля менее 10² Па;

· вести вакуумную осушку (с использованием вакуумного модуля Вакуумно-азотного комплекса) с целью интенсификации сублимации льда до достижения значений абсолютного давления, соответствующего не нормативному значению 10² Па, а значениям абсолютных давлений на уровне 10 Па.

Основные защищаемые положения:

1. Обоснование выбора вакуумного оборудования, позволившее повысить его объемную производительность и ресурс, а также снизить весогабаритные параметры и энергопотребление;

2. Методы повышения эффективности технологии вакуумной осушки газопроводов, обеспечивающие:

· порядок работ по удалению воды из трубопроводов КС;

· соотношение начала третьего этапа вакуумной осушки с моментом достижения в осушаемой полости давления насыщенных паров воды при Т_гр на момент проведения работ;

· учет гидравлического сопротивления осушаемых газопроводов при проведении вакуумной осушки;

3. Методика определения продолжительности вакуумной осушки, позволяющая прогнозировать и корректировать в ходе производства работ ожидаемый срок окончания осушки;

4. Методика расчета теплового баланса процесса вакуумной осушки, позволяющая оценивать возможность замерзания остатков воды в полости осушаемого газопровода;

5. Методика расчета параметров сублимации, позволяющая определять продолжительность сублимации льда в процессе вакуумной осушки газопроводов.

Практическая ценность.

Совершенствование технологии вакуумной осушки с использованием оборудования Вакуумно-азотного комплекса отражено в Специальных рабочих инструкциях на производство работ по осушке участков ЛЧ МГ и трубопроводов КС, разрабатываемых ОАО «Оргэнергогаз».

Результаты работы включены в СТП 309 - 06 «Порядок проведения работ по осушке полости линейной части газопроводов, технологических трубопроводов и оборудования компрессорных станций после гидроиспытаний при их строительстве, реконструкции и ремонте», ДОАО «Оргэнергогаз», 2006г.

К настоящему времени с применением оборудования Вакуумно-азотного комплекса и технологии вакуумной осушки выполнена осушка 35 КС и 854 км ЛЧ МГ, в процессе которой использована разработанная методическая база вакуумной осушки.

Апробация работы. вакуумный осушка газопровод

Материалы исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международной научно-практической конференции «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность» (г. Москва, 19-23 ноября 2013г.); на Х Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 8-11 октября 2013г.); на слете-конкурсе молодых специалистов ОАО «Оргэнергогаз» (п. Небуг, Краснодарский край, 20 - 24 мая 2013г.); на слете-конкурсе молодых специалистов ОАО «Оргэнергогаз» (г. Саратов, 23 - 27 мая 2011г.); на V научно-практической конференции «Развитие инновационного потенциала молодых специалистов - значимый вклад в развитие газовой отрасли» (г. Москва, 19-22 мая 2009 г.); на IV международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (г. Геленджик, октябрь 2008г.); на XXVI тематическом семинаре «Диагностика оборудования и трубопроводов КС» (п. Небуг, Краснодарский край, 24-29 сентября 2007 г.).

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 работы в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации, 1 монография, 2 патента на изобретения.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, содержит 127 страниц текста, 64 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 98 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой в диссертации проблемы, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ теоретических и экспериментальных работ по осушке, а также анализ современных способов, технологий, технических средств и нормативных требований к качеству осушки МГ.

Основные положения кинетики процесса осушки впервые были сформулированы в начале XX века П.С. Коссовичем и А.В. Лебедевым применительно к испарению влаги из почвы. Затем, в 30-е годы прошлого века американскими учеными У.К. Льюисом и Т.К. Шервудом была применена теория диффузии для описания переноса влаги в процессе осушки.

В отечественной теории осушки наиболее подробно исследования данного процесса были проведены А.В. Лыковым и М.В. Лыковым. Ими были рассмотрены вопросы переноса тепла и влаги на основе теории тепло- и массообмена, термодинамики необратимых процессов.

Теоретические и экспериментальные работы в области осушки применительно к газопроводам проводятся в ОАО «Оргэнергогаз» и ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Вопросы технологии и организации выполнения работ по осушке газопроводов при их строительстве и ремонтах рассмотрены в работахВ.Г. Дубинского, М.И. Усенко, М.Ю. Митрохина, С.В. Карпова, Д.И. Ширяпова.

В соответствии с технологиями капитального строительства и ремонта работы по осушке газопроводов производят после гидравлических испытаний на прочность и герметичность и последующего удаления воды.

Известны следующие способы осушки полости газопроводов: пропуск метанольных пробок, пропуск сыпучих сорбентов, осушка природным газом, осушка сухим воздухом, осушка инертным газом (азотом), вакуумная осушка.

Из рассмотренных способов осушки газопроводов осушка сухим воздухом и вакуумная осушка являются наиболее доступными, эффективными и универсальными. Способы осушки с использованием метанольных пробок и сыпучих сорбентов могут быть применены только при осушке участков ЛЧ МГ. Способ осушки природным газом является экономически невыгодным ввиду высокого расхода природного газа, сбрасываемого в процессе осушки в атмосферу, а способ осушки азотом невыгоден из-за низкой производительности установок, вырабатывающих азот.

В настоящее время иностранные компании используют различные способы при выполнении работ по осушке трубопроводов. При этом наиболее распространена осушка трубопроводов сухим воздухом.

Вместе с тем в зарубежной литературе вакуумная осушка упоминается как этап подготовки газопровода к сдаче в эксплуатацию со следующей аргументацией: перед подачей природного газа исключается необходимость заполнения газопровода азотом; обеспечивается осушка сложных участков трубопроводных систем (плохо продуваемые, тупиковые участки, обвязка крановых узлов, трубопроводы переменных диаметров и пр.); возможность монтажа вакуумного оборудования в любой доступной точке газопровода; меньшие затраты (относительно других способов).

В соответствии со стандартами стран Европы и Северной Америки, регламентирующими качество работ по осушке МГ, требуемое значение температуры точки росы по воде в полости газопроводов составляет минус 20°С ч минус 25°С при атмосферном давлении.

В настоящее время требование к качеству осушки после испытаний отечественных МГ устанавливается отраслевым стандартом СТО Газпром 2-3.5-354-2009, где нормативное значение температуры точки росы по воде соответствует минус 20°С (на участках МГ с многолетнемерзлыми грунтами - минус 30°С) при атмосферном давлении.

На основе проведенного в первой главе анализа сформулированы цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена подбору оборудования и разработке методов повышения эффективности вакуумной осушки газопроводов.

Опыт проведения работ по вакуумной осушке объектов транспорта газа ОАО «Газпром» показал необходимость совершенствования как вакуумного оборудования в части повышения его производительности и ресурса, снижения весогабаритных параметров и энергопотребления, так и технологии вакуумной осушки в части снижения продолжительности работ, обеспечения ведения вакуумной осушки в условиях пониженных Т_гр , подтверждения достигнутого качества осушки.

В 2001 году при участии автора были начаты работы по совершенствованию технических средств, обеспечивающих вакуумную осушку газопроводов, и в 2002 году был разработан и изготовлен опытный образец передвижной вакуумной установки для осушки газопроводов «УОВ-1».

В ходе испытаний «УОВ-1» был отмечен ряд недостатков, в том числе минимально возможный уровень абсолютного давления 10² Па, ограничивающий возможности применения данного оборудования, а использование водяного охлаждения вакуумных насосов и применение воды в насосах в качестве рабочего тела предусматривает использование установки только при положительной температуре атмосферного воздуха.

В 2005 году ООО «Уромгаз» (г. Екатеринбург) был разработан образец вакуумной установки «УВ-7200».

В ходе испытаний «УВ-7200» были отмечены недостатки: повышенный уровень вибрации силовых установок, перегрев насосных агрегатов, выброс масла из выхлопного коллектора вакуумного насоса, повышенные вес и габариты.

Вышеизложенное свидетельствовало об актуальности продолжения работ по совершенствованию вакуумного оборудования для осушки газопроводов в части повышения его производительности, ресурса, снижения весогабаритных параметров и энергопотребления.

Для реализации поставленных задач в 2006 году был выполнен подбор оптимального вакуумного оборудования и изготовлен вакуумный модуль в составе Вакуумно-азотного комплекса. Также в Вакуумно-азотный комплекс вошли азотный и компрессорный модули.

Оптимальная производительность вакуумного модуля была определена, исходя из следующих условий:

· на начальном этапе осушки вакуумный модуль должен за минимально возможное время обеспечить откачку из полости осушаемых газопроводов влажного воздуха до достижения давления насыщенных паров, соответствующего Т_гр ;

· в процессе вакуумной осушки, во избежание замораживания остатков влаги в полости осушаемых газопроводов, необходимо обеспечить скорость откачки паров воды, соответствующую балансу между испаряющейся водой и откачиваемым паром.

С учетом всех требований была предложена компоновка вакуумного модуля, состоящего из двух последовательно соединенных вакуумных насосов (рис. 1).



(а)

(б)

Рис. 1 - Компоновка вакуумных насосов в вакуумном модуле (а) и схема движения парогазовой смеси через вакуумные насосы (б)

В качестве первой ступени вакуумирования был предложен форвакуумный (вспомогательный) насос Screw Line SP630 максимальной производительностью 630 м³/ч, в качестве второй ступени вакуумирования был предложен вакуумный насос Рутса RUVAC WS 2001 максимальной производительностью 2000 м³/ч.

Анализ технических характеристик вакуумного оборудования, применяемого для вакуумной осушки газопроводов, показывает, что вакуумный модуль Вакуумно-азотного комплекса выгодно отличаются по своим основным эксплуатационным параметрам. Например, величина удельной производительности : для «УОВ-1» - 0,635; для «УВ-7200» - 0,144; для вакуумного модуля - 0,89, а отношение производительности к затрачиваемой при этом приводной мощности : для «УОВ-1» - 10,8; для «УВ-7200» - 3,27; для вакуумного модуля - 133,3.

Наиболее полное удаление воды из участков ЛЧ МГ и трубопроводов КС способствует уменьшению продолжительности вакуумной осушки.

При удалении остатков воды из полостей участков ЛЧ МГ обеспечение их готовности к проведению вакуумной осушки может быть осуществлено при использовании пенополиуретановых поршней, а в случае удаления остатков воды из трубопроводов КС, где отсутствует возможность применения поршней, обеспечение готовности газопроводов к вакуумной осушке является серьезной проблемой.

Экспериментально доказано, что остаточные скопления влаги необходимо удалять отдельно из каждого участка обвязки КС путем их неоднократной продувки сжатым воздухом. Была отработана наиболее эффективная последовательность продувки КС: пылеуловители, всасывающий коллектор, пусковой коллектор, рециркуляционный коллектор, установка подготовки топливного и импульсного газа совместно с трубопроводами топливного, импульсного и пускового газа, нагнетательный коллектор совместно с аппаратом воздушного охлаждения газа, выходной шлейф, входной шлейф.

Продуваемый от остатков воды участок обвязки КС необходимо при помощи штатных кранов отсечь от прилегающего к нему участка-ресивера, в котором аккумулируют сжатый воздух. После открытия кранов остатки воды следует удалить из продуваемого участка в атмосферу через штатные дренажные устройства, перьевые врезки, люк-лазы, продувочные свечи, открытые сечения шлейфов.

Для создания давления воздуха компрессорный модуль Вакуумно-азотного комплекса следует подключать к одному из пылеуловителей.

В процессе вакуумной осушки после достижения устойчивого нормируемого значения абсолютного давления необходимо произвести выдержку газопровода при отключенном вакуумном модуле в течение 24 часов. В ходе выдержки следует вести непрерывный контроль величины абсолютного давления. Если в течение выдержки величина абсолютного давления (с учетом погрешности вакууметра) не превысит нормируемое значение, то работы по вакуумной осушке следует завершить.

Если в ходе выдержки произойдет увеличение контролируемого абсолютного давления свыше нормируемого на величину, превышающую погрешность вакууметра, то это будет свидетельствовать о присутствии скоплений влаги в полости осушаемых газопроводов. В таком случае необходимо провести дополнительную вакуумную осушку до достижения нормируемого абсолютного давления и повторную выдержку.

Третья глава посвящена разработке методики расчета продолжительности вакуумной осушки газопроводов.

Продолжительность вакуумной осушки зависит от фактической объемной производительности вакуумного модуля, геометрического объема осушаемого объекта, количества влаги в полости объекта перед его осушкой и Т_гр.

В процессе вакуумной осушки происходит уменьшение объемной производительности вакуумного модуля относительно паспортной, соответствующей этапам работы вакуумного модуля на заданных интервалах абсолютных давлений в полости осушаемого газопровода: 510 м³/час на первом этапе работы вакуумного модуля в интервале давлений 10⁵ч4,5*10³ Па, 1100 м³/час на втором этапе работы вакуумного модуля в интервале давлений 4,5*10³ч10³ Па и 3200 м³/час на третьем этапе работы вакуумного модуля в интервале давлений 10³ч10² Па.

Снижение объемной производительности вакуумного модуля в процессе вакуумной осушки вызвано увеличением гидравлического сопротивления его входного трубопровода, с помощью которого вакуумный модуль подключают к осушаемому газопроводу.

Установлено, что фактическая объемная производительность вакуумного модуля в интервалах давлений 10⁵ч4,5*10³ Па, 4,5*10³ч10³ Па и 10³ч10² Па ниже паспортной, соответственно, на 2%, 5% и 22%.

Осушаемые участки ЛЧ МГ и трубопроводы КС также являются элементами систем сложных трубопроводов, наличие гидравлического сопротивления которых (также, как и входного трубопровода вакуумного модуля) создает перепад абсолютного давления между их входом и выходом.

В связи с этим нормируемое значение абсолютного давления 10² Па, измеряемое на входе вакуумного модуля, не будет являться единым значением, которое необходимо достичь во всех точках осушаемого газопровода.

Результаты определения гидравлического сопротивления участка ЛЧ МГ диаметром 1420 мм и длиной 60 км показали, что в зависимости от количества применяемых вакуумных модулей с целью достижения в осушаемом участке давления не более 10² Па, на входе в вакуумный модуль измеренное абсолютное давление должно составлять от 65 Па (один модуль) до 56 Па (три модуля).

Расчет гидравлического сопротивления типовой КС показал, что для достижения во всех ее точках абсолютного давления не более 10² Па на входе в вакуумный модуль должно быть достигнуто абсолютное давление 72 Па.

Количество воды, содержащейся в водяной пленке на метре длины газопровода, в зависимости от его диаметра после пропуска по нему пенополиуретановых поршней, определяют по экспериментальным данным, полученным ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

Т_гр регистрируют перед началом и в ходе производства работ по осушке.

Продолжительность откачки воздуха (вакуумирования) из замкнутого пространства (полостей трубопроводов, сосудов, технологического оборудования) описывается известным уравнением

,(1)

где ф - продолжительность вакуумирования, ч; V - геометрический объем замкнутого пространства, м³; q - производительность вакуумного насоса, м³/ч; - начальное абсолютное давление вакуумирования, Па; - конечное абсолютное давление вакуумирования, Па.

Однако, уравнение (1) не может быть использовано применительно к вакуумной осушке газопроводов по причине того, что оно не учитывает изменяющиеся в течение осушки значения количества влаги в полости осушаемого газопровода и Т_гр . В этой связи с целью совершенствования технологии вакуумной осушки в работе предложена методика, позволяющая рассчитать продолжительность вакуумной осушки газопроводов.

Разработанная методика основана на делении каждого из трех этапов работы вакуумного модуля на интервалы и определения на каждом из интервалов значений их продолжительности ( , ч), массового расхода вакуумного модуля (, кг/ч), плотности насыщенного влажного воздуха (, кг/м³), влагосодержания воздуха (d_i , кг/кг), скорости выноса влаги из полости осушаемого газопровода (, г/ч), количества влаги, удаленной из полости газопровода ( , г).

Первый этап (10⁵ ч 4,5*10³ Па) делится на N интервалов, второй этап (4,5*10³ ч 10³ Па) - на M интервалов, третий этап (10³ч10² Па) - на F интервалов.

Продолжительность интервалов на первом и втором этапах вакуумной осушки газопроводов опишем уравнением

,(2)

где - продолжительность вакуумной осушки от до , ч; V - геометрический объем осушаемого газопровода, м³; - производительность вакуумного модуля на каждом этапе его работы, м³/ч; - соответственно, начальное и конечное абсолютное давление на каждом интервале работы вакуумного модуля, Па; i - номер интервала в ходе каждого этапа работы вакуумного модуля.

Массовый расход вакуумного модуля на всех интервалах (, кг/ч) определяется следующим уравнением

,(3)

где - плотность насыщенного влажного воздуха, кг/м³.

При вакуумной осушке плотность насыщенного влажного воздуха изменяется в соответствии с уравнением

,(4)

где d_i - влагосодержание воздуха (кг/кг) при температуре в газопроводе t_i , °С.

Влагосодержание насыщенного воздуха d_i определяется по формуле

, (5)

где - давление насыщенных водяных паров, Па (в зависимости от фактической температуры в полости осушаемого газопровода t_i , °С).

На рисунках 2 и 3 приведены зависимости влагосодержания насыщенного воздуха от температуры и абсолютного давления в полости газопровода, построенные с использованием формулы 5.



Рис. 2 - Зависимости влагосодержания насыщенного воздуха в полости осушаемого газопровода от температуры при абсолютных давлениях 10⁵, 5*10⁴, 10⁴, 6*10³ и 4,5*10³ Па

Рис. 3 - Зависимости влагосодержания насыщенного воздуха в полости осушаемого газопровода от температуры при абсолютных давлениях 4,5*10³, 2,5*10³, 2*10³, 1,5*10³, 10³ и 7,5*10² Па

Скорость выноса влаги (, г/ч) из полости осушаемого газопровода определим, как

. (6)

Количество влаги (), удаленной из полости осушаемого газопровода за каждый интервал первого этапа вакуумной осушки, определим по формуле

(7)

Количество влаги, оставшейся в полости осушаемого МГ после первого этапа вакуумной осушки и подлежащее дальнейшей осушке (), определим как

,(8)

где - количество воды, находящееся перед осушкой в полости осушаемого газопровода, г; - количество влаги, находящееся перед осушкой в полости осушаемого газопровода в паровой фазе, г; - количество влаги, удаленное из полости газопровода за первый этап вакуумной осушки, г.

Величину , входящую в уравнение 8, определим, как

; (9)

Количество влаги в полости осушаемого газопровода после второго этапа вакуумной осушки и подлежащее дальнейшей осушке (), определим, как

,(10)

где - количество влаги, удаленное из полости осушаемого газопровода за второй этап вакуумной осушки, г.

На третьем этапе работы вакуумного модуля (10³ ч 10² Па) количество воздуха в полости осушаемого объекта крайне мало по сравнению с количеством насыщенного пара, образующимся при испарении влаги. В связи с этим представляется возможным пренебречь наличием воздуха в полости осушаемого объекта и расчет продолжительности третьего этапа вакуумной осушки вести при допущении, что полость осушаемого объекта заполнена исключительно насыщенным водяным паром.

Зависимость плотности насыщенного пара от абсолютного давления описывается уравнением

(11)

Для определения продолжительности каждого из F интервалов третьего этапа вакуумной осушки газопроводов предложена формула

,(12)

где - производительность вакуумного модуля на третьем этапе вакуумной осушки, м³/ч.

Общую продолжительность вакуумной осушки газопроводов (ч) определим по формуле

.(13)

На рисунке 4 представлен характер изменения продолжительности вакуумной осушки участка ЛЧ МГ диаметром 1420 мм и длиной 60 км (объем 89282 м³) при фактической производительности вакуумного модуля на каждом из трех этапов его работы 500, 1044 и 2520 м³/ч; температуре среды в полости осушаемого газопровода, равной Т_гр (от 0 до 10°С), количестве применяемых вакуумных модулей от 1 до 3 и количестве влаги, находящейся в полости газопровода перед осушкой: 27 т. (450 г/м), 40 т. (670 г/м) и 50 т. (830 г/м).

На рисунке 5 приведены зависимости продолжительности вакуумной осушки типовой КС, суммарный объем трубопроводов которой примерно равен 4000 м³, от Т_гр (0ч10°С), а также от количества влаги, находящейся в обвязке КС перед осушкой при использовании одного вакуумного модуля при фактической производительности на каждом из трех этапов его работы 500, 1044 и 2520 м³/ч соответственно.

1 - остаток влаги 27 т., 1 ВМ; 2 - остаток влаги 40 т., 1 ВМ;

3 - остаток влаги 50 т., 1 ВМ; 4 - остаток влаги 27 т., 2 ВМ;

5 - остаток влаги 40 т., 2 ВМ; 6 - остаток влаги 50 т., 2 ВМ;

7 - остаток влаги 27 т., 3 ВМ; 8 - остаток влаги 40 т., 3 ВМ;

9 - остаток влаги 50 т., 3 ВМ

Рис. 4 - Характер изменения продолжительности вакуумной осушки участка газопровода в зависимости от Т_гр , °С, остатка влаги в газопроводе, т, количества применяемых вакуумных модулей



Рис. 5 - Характер изменения продолжительности вакуумной осушки типовой трубопроводной обвязки КС в зависимости от Т_гр и количества влаги перед осушкой при использовании одного вакуумного модуля

На начальном этапе вакуумной осушки можно спрогнозировать только момент окончания второго этапа (10³ Па), тогда как момент достижения нормируемого абсолютного давления 10² Па может быть спрогнозирован только в ходе третьего этапа вакуумной осушки по зависимости абсолютного давления от продолжительности осушки, построенной по фактическим данным в ходе осушки газопроводов.

Четвертая глава посвящена исследованию процессов и областей применения вакуумной осушки газопроводов.

Процесс вакуумной осушки состоит из двух стадий: 1 стадия - откачка насыщенного влагой воздуха до достижения в полости осушаемого газопровода давления насыщенных водяных паров при фактической температуре среды в полости объекта - Т_гр; 2 стадия - откачка водяных паров при интенсивном испарении (кипении) воды.

Величина давления насыщенных водяных паров определяется из уравнения

, (14)



где P - давление насыщенных водяных паров, Па; Т - температура среды, К; А и В - постоянные коэффициенты (для воды: А=16,23; В=5367).

В ходе первой стадии вакуумной осушки вместе с откачкой влажного воздуха происходит поверхностное испарение воды, находящейся как в виде пленки на стенках осушаемого объекта, так и в виде скоплений в его пониженных местах. При этом, чем ниже величина абсолютного давления в полости осушаемого объекта, тем выше интенсивность испарения воды.

В ходе второй стадии вакуумной осушки образование водяного пара происходит не с поверхности, а из всего объема.

По окончании второй стадии в полости осушаемого объекта практически нет воды, а содержатся только водяные пары, по мере откачки которых и достижения во всех точках объекта устойчивого значения абсолютного давления 10² Па (соответствует температуре точки росы минус 20°С при атмосферном давлении, рис. 6), вакуумную осушку завершают.

Рис. 6 - Зависимость давления насыщенных паров воды от температуры точки росы

При использовании одного и того же вакуумного модуля продолжительность первой стадии вакуумной осушки зависит от объема осушаемого газопровода, величин атмосферного давления и давления насыщенных водяных паров, а продолжительность второй стадий - от количества и температуры воды в полости газопровода в процессе его осушки.

На второй стадии вакуумной осушки количество образовавшихся водяных паров значительно превышает количество пара, образующегося только с поверхности воды в ходе первой стадии. В основном, вынос влаги из полости осушаемого МГ происходит на второй стадии, а именно - на третьем этапе работы вакуумного модуля при давлениях 10³ ч 10² Па. То есть, обеспечение максимально возможной производительности вакуумного модуля на третьем этапе его работы должно обеспечить наименьшую продолжительность работ.

Однако обеспечение максимально возможной производительности вакуумного модуля может привести к замерзанию влаги в полости осушаемого газопровода.

В ходе вакуумной осушки при испарении воды от неё отводится тепло. При этом объем образовавшегося водяного пара зависит от скорости откачки паров воды вакуумным модулем. То есть, количество тепла, отводимое от воды, зависит от производительности вакуумного модуля.

При переходе от первой стадии вакуумной осушки ко второй, в связи с изменением механизма переноса тепла и пара от воды в парогазовую среду, часть воды вследствие интенсивного испарения может превратиться в лед и дальнейшая осушка будет происходить путем превращения льда в пар (сублимации).

Уравнение теплового баланса в ходе вакуумной осушки запишем как

,(15)

где m_{в (ср.)} - средняя масса воды на участке газопровода в течение каждого этапа его вакуумной осушки, кг; С_в - теплоемкость воды (на линии насыщения), кДж/кг·К; Т_кон - конечная температура среды в осушенном газопроводе, К; m_тр - масса труб на участке осушаемого газопровода, кг; С_ст - теплоемкость стали, кДж/кг·К; m_п - масса образовавшегося пара, кг; л - теплота парообразования, кДж/кг; k - коэффициент теплопередачи от грунта к газопроводу, Дж/м²·с·К;S_в(ср.) - средняя площадь поверхности участка осушаемого газопровода, занятая водой, в течение каждого этапа вакуумной осушки, м²; ф - продолжительность каждого этапа вакуумной осушки, ч; е - коэффициент теплопроводности стали, Вт/м·К; д - толщина стенки газопровода, мм; L - протяженность осушаемого участка газопровода, м; L_в(ср.) - средняя длина окружности газопровода, занятая водой, в течение каждого этапа вакуумной осушки, м.

При равномерном распределении воды в виде пленки по всей поверхности осушаемого газопровода, когда отсутствуют объемные скопления воды в его пониженных местах, вакуумная осушка происходит без образования льда.

На практике остатки воды после ее слива по завершении испытаний скапливаются в нижней части осушаемых газопроводов (рис. 7).

Центральный угол (б) дуги окружности сегмента, занятого водой в нижней части трубопровода, может быть определен методом итераций из уравнения

, (16)

где - площадь сечения остатков воды, м², R - внутренний радиус окружности газопровода, м.



Рис. 7 - Схема изменения количества воды по сечению газопровода в ходе его вакуумной осушки

Из уравнения 15 получим выражение, определяющее температуру среды в полости осушаемого газопровода после каждого этапа вакуумной осушки

,К (17)

Из уравнения 17 следует, что основное влияние на температуру среды в полости осушаемого газопровода оказывают количество тепла, отводимого от воды с паром (m_п), количество которого растет при снижении абсолютного давления в газопроводе, а также количество тепла, подводимое от грунта, величина которого зависит от площади поверхности газопровода, занятой водой (S_в), постоянно уменьшающейся при испарении влаги. То есть, риск замерзания воды возрастает на конечном этапе вакуумной осушки, когда достигается максимальная скорость испарения и снижается количество влаги, контактирующей с поверхностью осушаемого газопровода.

Расчеты показывают, что возможность образования льда на участке ЛЧ МГ, при условии проведения его очистки пенополиуретановыми поршнями, возникает в тех случаях, когда осушаемый газопровод имеет пониженный участок, обусловленный холмистым рельефом местности, протяженность которого превышает 1,5% от длины осушаемого газопровода.

Возможность образования льда возникает также в случаях вакуумной осушки трубопроводных обвязок КС из-за трудности удаления воды из отдельных участков трубопроводов.

В связи с замерзанием остатков воды в ходе вакуумной осушки общая продолжительность работ по осушке увеличивается, так как при этом значительно снижается интенсивность испарения влаги (сублимации льда).

Уравнение теплового баланса для периода вакуумной осушки в режиме сублимации льда с метра длины газопровода запишем в виде

, (18)

где m_л - масса льда на метре длины газопровода, кг; С_л - теплоемкость льда, кДж/кг·К; j - интенсивность испарения (сублимации) льда, кг/м²·ч; S_с - площадь сублимации образовавшейся ледяной поверхности, м²; л_с - теплота сублимации, кДж/кг; S_л - площадь контакта льда с поверхностью метра длины газопровода, м²; L_л - длина дуги окружности сечения газопровода, занятая льдом, м.

На рисунке 8 приведена зависимость интенсивности испарения льда от температур паровоздушной смеси вблизи поверхности льда, построенная по экспериментальным данным, полученным А.В. Лыковым и М.И. Вербой, при абсолютных давлениях надо льдом от 1,5*10³ до 13 Па.

Рис. 8 - Зависимость интенсивности испарения (сублимации) льда от температуры и абсолютного давления паровоздушной смеси надо льдом

Видно, что с увеличением температуры паровоздушной смеси надо льдом при постоянном абсолютном давлении интенсивность испарения льда возрастает. В случае недостаточного подвода тепла к осушаемому газопроводу сублимация льда будет приводить к понижению его температуры.

Площадь поверхности сублимации с метра длины МГ определим как

. (19)

Температуру льда на границах каждого интервала определим из 18

,(20)

где ф - произвольно задаваемый интервал времени (примем ф = 1 час); Т_i - температура льда, К (начальная температура 273 К).

Автором предложено уравнение, аппроксимирующее экспериментальные данные, приведенные на рис. 9, и позволяющее определить интенсивность испарения льда (j) в зависимости от давления паровоздушной смеси надо льдом (Р) и температуры льда (Т):

(21)

Значения давлений паровоздушной смеси, необходимые для определения интенсивности испарения льда (j) с учетом уравнения 11 определим как

(22)

где P_i+1 - абсолютное давление в полости газопровода в конце каждого интервала, Па; P_i - абсолютное давление в полости газопровода в начале каждого интервала, Па; q - объемная производительность вакуумного модуля, м³/час;с_i - плотность насыщенного пара воды, г/м³; V - геометрический объем газопровода, м³; m_субл(i) - количество пара, сублимированного в течение каждого интервала, г/м; с_i-1 - плотность насыщенного пара на предыдущем интервале, г/м³.

Наличие льда на локальном заниженном участке осушаемого газопровода приводит к увеличению продолжительности вакуумной осушки из-за необходимости его сублимации. С учетом этого, для конкретных случаев продолжительность вакуумной осушки может быть определена расчетом.

Снижение абсолютного давления в полости осушаемого газопровода вплоть до значений менее 1 Па, приводит к резкому уменьшению объемной производительность вакуумного модуля, что требует для поддержания уровня интенсивности сублимации льда применения одной из дополнительных операций:

· регулирование объемной производительности вакуумного модуля для поддержания оптимального соотношения между абсолютным давлением и производительностью вакуумного модуля;

· остановке вакуумного модуля при достижении в полости осушаемого газопровода абсолютного давления, соответствующего началу падения объемной производительности вакуумного модуля и выдержке осушаемого газопровода в течение времени, необходимого для 100% насыщения влагой разреженного воздуха над поверхностью льда.

На трубопроводы КС Ду 1400 (подключающие шлейфы), Ду 1000 (цеховые коллекторы) и Ду 700 (трубопроводы подключения газоперекачивающих агрегатов) приходится практически весь геометрический объем КС (около 96%).

Расчеты показывают, что при вакуумной осушке типовой КС возможность образования льда возникает в полости шлейфов (при Т_гр менее 4°С и более 9°С), в полости цеховых коллекторов (при Т_гр до 5°С и свыше 8°С), а также в полости трубопроводов подключения газоперекачивающих агрегатов - при всех рассматриваемых Т_гр(от 1 до 10°С).

То есть, чем меньше диаметр газопровода, тем выше риск замерзания в нем остатков воды, а это означает, что при удалении влаги из обвязок КС особое внимание необходимо уделять газопроводам диаметром 700 мм и менее.

При расчете каждого трубопровода КС производительность вакуумного модуля принималась пропорциональной отношению геометрического объема данного трубопровода к геометрическому объему КС (4000 м³).

Установлено, что с уменьшением диаметра трубопровода КС уменьшается минимально допустимая длина его участка, на котором может находиться вода, удаляемая при вакуумной осушке без риска замерзания.

Решением, позволяющим не допустить замерзания влаги в ходе вакуумной осушки, является уменьшение производительности или отключение вакуумного насоса второй ступени. Уменьшение производительности вакуумного модуля на третьем этапе его работы может быть осуществлено путем снижения частоты вращения роторов вакуумного насоса на 50%, а если этого не достаточно - путем полного отключения вакуумного насоса второй ступени.

Однако расчеты показывают, что при Т_гр менее 2,2°С и более 9,3°С образование льда при вакуумной осушке КС (Ду 700 мм и менее) неизбежно.

В работе предложено два возможных способа подвода тепла ко льду с целью его плавления и возобновления вакуумной осушки в штатном режиме (путем испарения воды): 1 способ - остановка вакуумного модуля и выдержка газопроводов КС под вакуумным давлением (при этом тепло ко льду подводится только через стенки газопроводов от грунта); 2 способ - остановка вакуумного модуля и последующая продувка газопроводов КС подогретым до 50°С азотом при атмосферном давлении.

Уравнение теплового баланса в полости метра длины газопровода КС в ходе выдержки (способ 1) представим в виде

,(23)

где ф_в - продолжительность выдержки, ч; л_пл - теплота плавления льда, кДж/кг.

При этом принято условие, что выдержку газопроводов КС под вакуумным давлением необходимо начинать в момент, когда температура льда близка к 0°С.

С учетом уравнения 23, продолжительность выдержки определим как



.(24)

Исследование влияния способов подвода тепла ко льду на длительность его полного растепления приведено для трубопроводов Ду 700, 400 и 150 мм.

На рисунке 9 приведены зависимости длительности выдержки под вакуумным давлением газопроводов КС Ду 400 до достижения в их полости температуры, равной Т_гр, от количества льда, находящегося в нижней образующей на метре длины трубопроводов (100, 150, 300, 600, 1200 и 2000 г/м), и Т_гр (1 ч 10°С).

Видно, чем больше льда на метре длины трубопроводов КС, тем в большей степени градиент Т_гр влияет на длительность выдержки. Например, длительность выдержки газопровода КС Ду 400 при Т_гр 7°С составит: при количестве льда 600 г/м - 1,47 часа (точка 1), при количестве льда 2000 г/м - 6,77 часа (точка 2), а при Т_гр 4°С, соответственно, 2,37 часа (точка 3) и 11,2 часа (точка 4).

Рис. 9 - Зависимость длительности выдержки под вакуумным давлением трубопроводов КС Ду 400 до достижения в их полости температуры среды, соответствующей Т_гр , от количества льда, находящегося в нижней образующей трубопроводов (100, 150, 300, 600, 1200 и 2000 г/м), и Т_гр (1 ч 10°С)

В случае продувки газопроводов КС подогретым азотом (способ 2) также, как при выдержке, останавливать вакуумный модуль необходимо в момент, когда вода находится в процессе кристаллизации, то есть в момент, когда ее температура близка к 0°С, а заполнение и продувку газопроводов азотом необходимо производить при атмосферном давлении.

Градиент температуры азота по длине продуваемых газопроводов

, (25)

где T_аз' - температура азота, равная Т_гр , К; T_аз - температура азота на выходе азотного модуля, К; D - внутренний диаметр продуваемого газопровода, м; x - координата длины газопровода, м; С_аз - удельная теплоемкость азота при атмосферном давлении, кДж/кг·К; Q_m - массовый расход азота, кг/ч.

С учетом указанных величин, а также с учетом объемной производительности азотного модуля Вакуумно-азотного комплекса, уравнение 25 примет следующий вид

(26)

При использовании азотного модуля Вакуумно-азотного комплекса продувка подогретым азотом трубопроводов КС диаметрами более 700 мм не эффективна.

В связи с тем, что температура азота зависит от длины продуваемого участка трубопровода КС, для обеспечения возможности проведения сравнительного анализа способов подвода тепла ко льду определим конечные длины участков газопроводов КС, наиболее приближенные к реальным условиям, на которых может быть применена продувка азотом: 50, 150 и 300 метров.

Уравнение теплового баланса в полости метра длины газопровода КС (в конце газопровода) в ходе его продувки азотом имеет вид

,(27)

где б_аз - коэффициент теплоотдачи азота, Дж/м²·с·К.

Тогда продолжительность продувки азотом определим, как

. (28)

Коэффициент теплоотдачи от азота к стенке трубопровода определим, как

,(29)

где d_вн - внутренний диаметр трубопровода, мм; Re - число Рейнольдса, ; q - объемный расход азотного модуля, млн.н.м³/сут; Д - относительная плотность азота по воздуху; м - динамическая вязкость азота, Па·с.

Как показывают результаты расчета, чем больше диаметр продуваемого трубопровода, тем в большей мере длительность продувки азотом зависит от его длины.

На рисунке 10 представлены совмещенные графики длительности выдержки под вакуумным давлением и продувки азотом при Т_гр 1ч10°С и количестве льда 100ч2000 г/м для участка газопровода КС Ду 400 мм длиной 150 м.

Рис. 10 - Совмещенные графики длительности выдержки под вакуумным давлением (экспоненциальные кривые) и продувки подогретым азотом с последующей его откачкой (наклонные прямые) при Т_гр 1ч10°С и количестве льда 100ч2000 г/м для участка газопровода КС Ду 400 мм длиной 150 м

На рисунке отмечены точки пересечения соответствующих графиков. При Т_гр , соответствующей какой-либо точке пересечения, выдержка и продувка азотом одинаково эффективны.

В тех случаях, когда Т_гр выше точки пересечения соответствующих графиков, более эффективна выдержка, а если ниже - более эффективна продувка азотом.

Расчеты показывают, что чем меньше диаметр газопровода и ниже Т_гр в процессе вакуумной осушки КС, тем предпочтительнее становится применение продувки азотом.

Дополнительным преимуществом операции по продувке азотом может явиться возможность проведения при этом осушки продуваемых трубопроводов за счет высокой влагоемкости азота.

Температура азота на выходе из продуваемых газопроводов КС и, соответственно, влагосодержание насыщенного азота зависят от Т_гр.

Установлено, что за время продувки азотом из полостей рассмотренных трубопроводов можно удалить до трети воды, образующейся при плавлении льда.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны методы совершенствования технологии и расчета процессов вакуумной осушки газопроводов, позволяющие повысить ее эффективность в зависимости от условий производства работ.

2. Обоснован выбор вакуумного оборудования для Вакуумно-азотного комплекса, обеспечивающего производство работ по подготовке полости испытанных участков ЛЧ МГ, трубопроводов КС к заполнению природным газом.

3. Предложены последовательность удаления воды из трубопроводов КС, позволяющая свести к минимуму количество воды перед их вакуумной осушкой, а также контроль качества вакуумной осушки, позволяющий подтвердить качество работ или же определить необходимость доосушки.

4. Разработана методика определения продолжительности вакуумной осушки газопроводов, позволяющая прогнозировать и корректировать в ходе производства работ ожидаемый срок окончания осушки газопроводов в зависимости от их геометрических объемов, количества в них влаги перед осушкой, температуры грунта на глубине заложения осушаемых газопроводов (Т_гр), производительности вакуумных модулей и их числа.

5. Разработана методика расчета теплового баланса процесса вакуумной осушки газопроводов, позволяющая оценивать возможность замерзания остатков воды в полости осушаемого газопровода при различных Т_гр , количестве влаги в газопроводе перед его осушкой и объемных производительностях вакуумного модуля.