Аналітичне дослідження термогазодинамічних процесів у газопроводах і їх взаємодія з довкіллям

17

Размещено на http://www.allbest.ru/

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.15.13- Нафтогазопроводи, бази та сховища

АНАЛІТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕРМОГАЗОДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У ГАЗОПРОВОДАХ І ЇХ ВЗАЄМОДІЯ З ДОВКІЛЛЯМ

Тутко Тетяна Феліксівна

Івано-Франківськ - 2002

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для забезпечення економічної, надійної і безаварійної експлуатації магістральних газопроводів при мінімальному негативному їх впливі на довкілля необхідно застосовувати досконалі технологічні режими. Розробка таких режимів можлива при врахуванні більш точних даних про термогазодинамічні процеси, що відбуваються в трубопроводах при транспортуванні газу. Вказані дані можна отримати, розглядаючи і реалізуючи нові математичні моделі руху газу в трубах, які враховують всі основні фактори, що на нього впливають, на відміну від старих моделей, що характеризувалися певними спрощеннями. Такі спрощення раніше були вимушеними, оскільки без них математичні моделі не могли бути реалізованими.

Нові математичні моделі враховують вплив на термогазодинамічні процеси в газопроводах як всіх доданків газових рівнянь, так і температурного поля в грунті, знайденого при прийнятті до уваги теплової дії газопроводу і природної температури грунту як функції глибини його точок і часу. Вказані моделі дозволяють отримати нові, значно точніші результати при дослідженні термогазодинамічних процесів у трубопроводах, а тому їх застосування є актуальним.

Реалізація таких моделей, розроблених в дисертаційній роботі, стала можливою при застосуванні сучасних числових методів і існуючої комп'ютерної техніки. Отримані при реалізації результати мають як практичну цінність, так і сприятимуть розвитку термогазодинаміки газопроводів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота носить прикладний характер і входить в комплекс розробок АТ Укртрансгаз, спрямованих на підвищення ефективної і економічної експлуатації газотранспортного комплексу України і окреслених Національною програмою “Нафта і газ України до 2010 року”.

Мета і задачі дослідження. Удосконалення методів математичного моделювання термогазодинамічних процесів у газопроводах.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі задачі:

1. Математичне моделювання і дослідження температурного поля в складних газотранспортних системах, в яких газопроводи розглядаються як лінійні джерела тепла.

2. Визначення і дослідження температурного поля в складних газотранспортних системах, в яких нагрівання грунту на границях трубопроводи-грунт моделюється граничними умовами 3-го роду.

3. Математичне моделювання нестаціонарного теплового потоку для складних газотранспортних систем.

4. Математичне моделювання і дослідження нестаціонарних неізотермічних термогазодинамічних процесів у газопроводах.

5. Оцінка точності та адекватності запропонованих моделей при різному характері руху газу в трубопроводі.

Об'єкт дослідження - система магістральних газопроводів.

Предмет дослідження - нестаціонарні і квазістаціонарні процеси в газопроводах.

Методи дослідження. При математичному моделюванні і розв'язуванні поставлених задач використовувалися основи теорій: узагальнених функцій, інтегральних перетворень, структурного методу в поєднанні з варіаційним методом, методу характеристик. Для отримання числових результатів досліджень широко застосовувалася сучасна комп'ютерна техніка.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше побудовані математичні моделі температурного поля складних систем магістральних газопроводів, в яких паралельні нитки розглядаються і як лінійні джерела тепла, і як такі,що нагрівають грунт за рахунок теплопередачі від газу через стінку труби (граничні умови 3-го роду на межі “газопровід-грунт”).

2. Математична модель нестаціонарного теплового потоку для однониткового газопроводу використана при побудові математичних моделей нестаціонарного теплового потоку для складних газотранспортних систем і розроблені методи їх реалізації.

3. Проведені дослідження нестаціонарного теплового потоку від нитки газопроводу, які дозволили оцінити його зміну в часі.

4. Вперше побудована і реалізована математична модель нестаціонарних неізотермічних термогазодинамічних процесів у газопроводі під час його пуску, коли рух газу в трубопроводі представлено системою диференціальних рівнянь у характеристичній формі.

5. Удосконалено математичну модель нестаціонарних неізотермічних термогазодинамічних процесів у газопроводі під час його зупинки при застосуванні рівнянь руху газу у характеристичній формі, що дозволило отримати якісно іншу фізичну картину стабілізації тиску і масової швидкості при цьому процесі.

Практичне значення одержаних результатів. Розвя'зані в дисертації задачі, отримані результати і використані методики досліджень дозволяють ставити і розв'язувати різноманітні задачі, що пов'язані з дослідженням термогазодинамічних процесів в газопроводах при аварійних ситуаціях, включенні і виключенні компресорних агрегатів, влюченні і виключенні буферних споживачів, тощо. Крім того, можна досліджувати термогазодинамічні процеси в трубопроводах, що протікають протягом дещо більших проміжків часу: наприклад, термогазодинамічні процеси, що викликані добовою нерівномірністю споживання газу. В останньому випадку необхідно приймати до уваги зміни температури грунту навколо газопроводу.

З цією метою в роботі запропоновані два різних способи визначення потоку теплообміну між газопроводом і грунтом, в яких величина потоку визначається як з врахуванням зміни температури газу в газопроводі, так і зміни температури грунту навколо газопроводу. Ці способи рекомендується застосовувати при вивченні всіх плавних динамічних процесів у газопроводах.

Для визначення теплового впливу між нитками газопроводу (дві і більше ниток) і області прогрівання грунту рекомендується скористатися розв'язком задачі, в якій теплова дія ниток газопроводу замінена лінійними джерелами тепла.

Виконані дослідження дозволили створити “Методику розрахунку розподілення потоків газу в складних газотранспортних системах і підрахунку його запасу в трубах”, яка є керівним документом ДК “Укртрансгаз” НАК “Нафтогаз України”.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації виконана така робота:

1. Одержано аналітичний розв'язок задачі по визначенню природного температурного поля в грунті по вдосконаленій математичній моделі і після визначення параметрів закону зміни температури повітря для району м. Івано-Франківська досліджено температурне поле в грунті [7].

2. Визначено нестаціонарні температурні поля в грунті навколо двониткового газопроводу в результаті реалізації двох математичних моделей (перша модель - нитки газопроводу розглядаються як лінійні джерела тепла; друга модель - нагрівання грунту відбувається за рахунок теплопередачі через стінку труби з ізоляцією) з врахуванням природного температурного поля і проведено їх дослідження. Крім того, одержано розв'язок стаціонарної задачі теплопровідності в грунті навколо двониткового газопроводу структурним методом для випадку неврахування залежності природної температури грунту від часу [2,3,1].

3. Тепловий потік від кожної з ниток двониткового газопроводу знайдено в аналітичному вигляді і за допомогою температурного поля в грунті в місці контакту з газопроводом, проведено його дослідження [4].

4. Для вивчення термогазодинамічних процесів при нестаціонарному неізотермічному русі газу в газопроводі використано систему диференціальних рівнянь в характеристичній формі з врахуванням профілю траси. Побудовано математичну модель пуску газопроводу, після реалізації якої досліджено отримані результати [5,6].

Автор брала безпосередню участь у розробці та впровадженні у виробництво “Методики розрахунку розподілення потоків газу в складних газотранспортних системах і підрахунку його запасу в трубах”.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися:

на школі-семінарі “Методи і засоби технічної діагностики” (Мізунь, 2001);

на координаційній нараді з питань експлуатації магістральних газопроводів УМГ Прикарпаттрансгазу (Івано-Франківськ, 2001);

на науковому семінарі кафедри спорудження та ремонту газонафтопроводів і газонафтосховищ ІФНТУНГ (Івано-Франківськ, 2002);

на науковому семінарі кафедри транспорту та зберігання нафти і газу ІФНТУНГ (Івано-Франківськ, 2002);

на розширеному семінарі за спеціальністю 05.15.13 - Нафтогазопроводи, бази та сховища (Івано-Франківськ, 2002р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 друкованих робіт і при цьому 5 у фахових виданнях України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4-х розділів, підсумкових висновків, переліку використаних джерел, що містить 87 найменувань, та 6-ти додатків. Основний зміст викладено на 156 сторінках машинописного тексту, який містить 42 рисунки і 5 таблиць.

Основний зміст роботи

термогазодинамічний газопровід енергія теплообмін

У вступі обгрунтована актуальність проведення нових досліджень термогазодинамічних процесів у газопроводах з урахуванням всіх основних факторів, що на них впливають, включаючи теплові втрати газопроводів, змінність у часі природної температури. Сформульовано мету і задачі досліджень, наведено перелік методів, що використовувалися для вирішення поставлених задач, відмічена наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, а також їх апробація.

У першому розділі проведено аналіз наукових праць, присвячених визначенню термогазодинамічних параметрів руху газу, в тому числі і температури газу в трубопроводах, а також температурних полів грунту навколо газопроводів. При цьому наголошується на надзвичайній важливості вивчення температурного режиму роботи газопроводу, оскільки він пов'язаний з такими практичними проблемами як збільшення енерговитрат на транспортування газу, погіршення стійкості газопроводів, укладених у грунті, закупорка газопроводів газовими гідратами, неповне використання пропускної здатності газопроводів великих діаметрів і низкою інших. Крім того, відмічено, що температура газу в трубопроводі залежить в значній мірі від величини тепловіддачі в навколишній грунт, а остання залежить від температурного поля навколо газопроводу.

Значний внесок у розвиток досліджень термогазодинамічних процесів у газопроводах зробили Р.Н.Бікчентай, С.А.Бобровський, Е.А.Бондарєв, О.Ф.Васильєв, А.Ф.Воєводін, А.І.Гарляускас, А.А.Грачов, В.Я.Грудз, М.О.Жидкова, М.О.Каніболотський, Б.Л.Кривошеїн, Д.Ф.Тимків, І.Ю.Ходанович, С.Г.Щербаков, Є.І.Яковлєв та інші вчені.

На основі аналізу літературних джерел показано, що вивчалися в переважній більшості стаціонарні неізотермічні режими роботи газопроводів. При прогнозуванні нестаціонарних термогазодинамічних процесів у трубопроводах використовувалися спрощенні математичні моделі. При визначенні стаціонарних і нестаціонарних температурних полів грунту навколо газопроводів природне температурне поле враховувалося тільки як функція глибини точок грунту.Задача визначення температурного поля навколо газопроводу і задача знаходження термогазодинамічних параметрів газу в ньому розглядалися окремо.

Вищенаведені задачі досліджень були сформульовані при врахуванні недоліків попередніх досліджень, проведених різними авторами, великого розповсюдження нестаціонарних режимів роботи газопроводів, а також можливостей сучасної комп'ютерної техніки.

У другому розділі проведено аналітичні дослідження теплового впливу газотранспортних систем на довкілля, зокрема вивчається температурне поле грунту, зумовлене системою паралельних газопроводів. При цьому спершу розглядаються різноманітні математичні моделі температурних полів навколо одно- і двониткових газопроводів, поставлена і розв'язана задача визначення природного температурного поля грунту як функції часу і глибини точок, знайдено стаціонарне температурне поле грунту навколо двох паралельних газопроводів при використанні структурного і варіаційного методів. І нарешті з метою дослідження теплового взаємовпливу між нитками газопроводу була сформульована і розв'язана задача для нестаціонарного температурного поля грунту, зумовленого двома лінійними джерелами тепла сталої і однакової потужності, які заміняють собою теплову дію газопроводів.

Оскільки розглядалися двониткові газопроводи, то використовувалися математичні моделі, область нагрівання грунту для яких зображена на рис.1 і рис.2.

Температура точок грунту записувалася у вигляді

, (1)

де - природна температура точок грунту;

- температура точок грунту, викликана тепловою дією газопроводів чи лінійних джерел тепла.

Природну температуру грунту описує функція

, (2)

де - кліматичні характеристики для певного району;

- параметри закону (- функція температури повітря);

, , ;

- коефіцієнти теплопровідності, температуропровідності грунту і тепловіддачі від грунту в повітря;

- час і глибина точок грунту;

- геотермічний градієнт.

Визначення нестаціонарного температурного поля в грунті, зумовленого двома лінійними джерелами тепла, звелося до визначення температури , яка є розв'язком крайової задачі

, (3)

, , , (4)

де - координати точок грунту (див. рис.2);

- відстань між лінійними джерелами і глибина їх розміщення;

- потужність лінійних джерел тепла, Вт/м;

- дельта-функції Дірака.

Після знаходження нестаціонарної температури і переходу до границі отримано аналітичний вираз для стаціонарного температурного поля грунту у вигляді

, (5)

де - функція Хевісайда.

При нагріванні грунту лінійними джерелами тепла відбувається інтерференція температурних полів, створюваних кожним із джерел тепла, яка характеризується функцією теплового впливу . Ця функція вказує на скільки градусів збільшується температура в кожній точці грунту при одночасній дії обох джерел тепла у порівнянні з випадком, якщо б діяло тільки одне джерело тепла. Вона визначалася як для нестаціонарного, так і для стаціонарного температурних полів . У випадку стаціонарного температурного поля

. (6)

Проводилися дослідження зміни природної температури грунту , температури і функції теплового впливу . Параметри температури повітря, що входять у формулу (2), приймалися із косинусоїдального закону зміни температури повітря, для якого вони розраховувались на основі експериментальних даних (результатів багаторічних спостережень за температурою повітря в м. Івано-Франківську).

Аналізуючи отримані результати, було встановлено, що

коливання природної температури на глибині осей сучасних газопроводів () є досить значним. Для району м. Івано-Франківська воно складає приблизно ;

при міжосьовій відстані двониткового газопроводу і тепловій потужності ниток величина теплового впливу на область, що знаходиться поблизу нитки, зі сторони другої нитки не перевищує (для випадку стаціонарної температури , а при нестаціонарній температурі величина буде меншою);

процес нагрівання грунту є досить інерційним процесом. Наприклад, за 400год лінійне джерело тепла потужністю прогріває приблизно кругову область радіусом 2м. При цьому в кожній точці цієї області температура збільшилась не менше ніж на .

Третій розділ присвячений аналітичним дослідженням теплової взаємодії газопроводів з грунтом і визначенню величини теплового потоку від паралельних ниток в грунт. Область нагрівання грунту представляє собою півплощину з двома отворами під газопроводи (див. рис.1).

Математична модель плоскої задачі побудована на основі рівняння

(7)

при таких крайових умовах:

; (8)

 (знак плюс в нерівності береться при , а мінус - при ),

де - температури повітря і температура газу;

- коефіцієнт теплопередачі від газу в грунт;

- внутрішня нормаль на границі

Як і в розділі 2, температура записувалася у вигляді (1),внаслідок цього задача звелася до знаходженння певної безрозмірної температури

, (9)

де - відома функція часу.

Температура визначалася методом суперпозиції. При цьому граничні умови 3-го роду введенням "додаткових шарів" грунту замінялися умовами 1-го роду, використовувалася безрозмірна система координат і наближений розв'язок осесиметричної задачі. Застосування методу суперпозиції виявилось можливим завдяки практичній відсутності теплового впливу другого газопроводу на область поблизу першого газопроводу, що було встановлено в розділі 2.

Величина теплового потоку від нитки газопроводу в грунт знаходилася двома способами. При першому способі визначалася середня температура грунту по контуру контакту газопроводу з грунтом і після цього тепловий потік з 1м погонного труби

. (10)

Другий спосіб полягає в тому, що потік теплообміну записується через середнє значення похідної температури грунту в напрямі внутрішньої нормалі по контуру газопроводу. В результаті цього отримано аналітичний вираз для теплового потоку з 1м труби у такому вигляді:

, (11)

де - безрозмірний тепловий потік, який знаходиться за допомогою безрозмірної температури;

- радіус отвору в грунті під газопровід;

- кількість годин від початку року, що відповідає моменту пуску газопроводу.

Проводилися дослідження зміни як температурного поля навколо газопроводу, так і теплового потоку від нитки газопроводу. На рис.3 зображена залежність температури у верхній точці контакту грунту з газопроводом () і природної температури грунту у цій же точці як функції часу, починаючи від моменту пуску газопроводу. Порівняння графіків і показує, що температура у великій мірі залежить від природної температури грунту. При обчисленнях температура газу в газопроводі була прийнята .

У четвертому розділі досліджуються нестаціонарні неізотермічні процеси в газопроводах, зокрема пускові режими газопроводів. Математична модель термогазодинамічного процесу побудована на основі газових рівнянь нерозривності, руху та енергії, які доповнювались рівнянням газового стану і калоричним рівнянням.

В розглянутих останніх двох задачах температура грунту навколо газопроводу приймалася незмінною, оскільки фізичні процеси, які досліджуються в цих задачах, відносно короткочасні і температура грунту за такі проміжки часу суттєво не змінюється. При дослідженні більш довготривалих термогазодинамічних процесів у трубопроводах (декілька годин і більше) тепловий потік від газопроводу в грунт треба визначати або за формулою (11) або (10). Користування формулою (10) вимагає розглядати термогазодинамічні процеси в трубопроводах і температурну задачу грунту взаємопов'язано.

Висновки

На основі аналітичних досліджень термогазодинамічних процесів у магістральних газопроводах і їх системах, а також нестаціонарного теплообміну з навколишнім середовищем розв'язано важливу науково-технічну задачу прогнозування пускових режимів газопроводів та їх температурного впливу на навколишнє середовище.

Розроблено математичні моделі температурного поля в грунті для складних систем магістральних газопроводів, в яких паралельні нитки розглядаються як лінійні джерела тепла, і як такі, що нагрівають грунт за рахунок теплопередачі від газу. Застосовані методики реалізації створених математичних моделей дозволили побудувати нестаціонарні температурні поля в грунті навколо складних газотранспортних систем, які визначають взаємовплив між газопроводами і навколишнім середовищем - грунтом. Цей вплив необхідно враховувати при дослідженні термогазодинамічних процесів у трубопроводах.

Побудовані математичні моделі нестаціонарного теплового потоку для складних газотранспортних систем і розроблені методи їх реалізації. Аналіз отриманих результатів показав, що при реальних віддалях між паралельними нитками газопроводів вплив однієї з ниток на температурне поле поблизу іншої нитки газопроводу не перевищує при тепловій потужності нитки газопроводу . Тому при практичних розрахунках теплових потоків взаємовпливом між нитками можна знехтувати.

Використання функцій тиску , температури , отриманих при дослідженні термогазодинамічних процесів у газопроводах, для визначення кількості газу в газопроводі показує, що для квазістаціонарних процесів застосування запропонованих в роботі моделей визначення вказаних термодинамічних величин вносить поправку в результати, що не перевищує 0,5%, а для нестаціонарних технологічних режимів ця поправка суттєво зростає (до 10%). Крім того, застосування вказаних математичних моделей для визначення функцій тиску, температури і масової швидкості при зупинці газопроводу дозволило на відміну від існуючих моделей отримати фізичну картину процесу, яка адекватна реальній.

В результаті реалізації математичної моделі пускового режиму магістрального газопроводу встановлено, що термогазодинамічний процес в трубопроводі характеризується значною нестаціонарністю температурних і газодинамічних параметрів, при цьому температура газу як функція лінійної координати, має максимум величиною до 4%, який з часом переміщається в напрямі руху газу.

На основі створених математичних моделей і методів їх реалізації розроблено “Методику розрахунку розподілення потоків газу в складних газотранспортних системах і підрахунку його запасу в трубах”, яка затверджена як керівний документ ДК “Укртрансгаз”.

Основний зміст дисертації викладений у наступних публікаціях

Тутко Т.Ф. Математичне моделювання теплової взаємодії газопроводу з навколишнім середовищем //Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія : Транспорт і зберігання нафти і газу.- 1999.-Вип.36(т.5).-С.74-80.

Тутко Т.Ф. Теплові режими газопроводів. В кн.: Трубопровідний транспорт газу // М.П.Ковалко, В.Я.Грудз, В.Б.Михалків та інш.- Київ: Арена Еко, 2002.-С.157-179.

Грудз В.Я., Тутко Т.Ф. Нестаціонарне температурне поле в грунті навколо двох паралельних газопроводів //Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія : Розробка та експлуатація нафтових і газових родовищ.- 2001.-Вип.38(т.3).-С.161-172.

Грудз В.Я., Тутко Т.Ф. Визначення потоку теплообміну між газопроводом і грунтом //Наук.вісник Івано-Франків.національного техн. ун-ту нафти і газу.- 2001.-№1-С.72-75.

Тутко Т.Ф. Система характеристичних рівнянь нестаціонарного неізотермічного руху газу в негоризонтальних трубопроводах// Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія : Методи і засоби технічної діагностики.- 2001.-Вип.38(т.8).-С.193-200.

Грудз В.Я., Тутко Т.Ф. Пускові динамічні параметри газу на дільниці магістрального газопроводу //Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія : Транспорт і зберігання нафти і газу.- 2001.-Вип.38(т.5).-С.45-61.

Грудз В.Я., Тутко Т.Ф. Природне температурне поле верхніх шарів грунту //Матеріали 6-ої Міжнародної науково-практичної конференції “Нафта і газ України -2000”,т.3.- Івано-Франківськ : Факел,2000.-С.10-14.

Размещено на Allbest.ru