image
energas.ru

Газовая промышленность № 06 2018

Транспортировка газа и газового конденсата

01.06.2018 11:00 ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ ГАЗОКОНДЕНСАТНОЙ СМЕСИ В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХ
В статье рассматривается транспортировка многофазных углеводородов по трубопроводам. При движении многофазной системы в трубах наблюдаются особые силовые, а при неизотермическом течении – тепловые взаимодействия, которые влияют на изменение скоростей течения, давления и температуры. Влияние разнообразных параметров на движение газоконденсатных смесей не позволяет получить основные уравнения на основе теоретического анализа. В исходное уравнение входят сложные функции, такие как касательное напряжение и истинные скорости фаз, которые на современном этапе их научной изученности могут быть определены только эмпирическим путем. Предлагается методика изучения движения двухфазной смеси. На основе режимной характеристики получена формула для определения основных параметров трубопровода. Данная методика апробирована на промысловых трубопроводах и показала хорошую сходимость расчетного и измеренного давлений, что дает возможность рекомендовать эту методику для широкого применения при проектировании трубопроводов. Исследования показывают, что для проектирования и строительства трубопроводов необходима более полная методика расчета на основе режимной классификации отдельных фаз, составляющих газожидкостную или многокомпонентную систему. С учетом безразмерных параметров Фруда, Рейнольдса и коэффициента гидравлического сопротивления можно моделировать гидродинамические процессы в двухфазных системах. Предложенная методика дает удовлетворительные решения для двухфазных и однофазных систем, таких как однородная жидкость или однородный природный газ, в условиях суши и моря. В отличие от структурной классификации режимная классификация более доступна, поскольку она опирается на основные законы механики жидкости и газа, при этом точность расчета приемлема в нефтяной и газовой промышленности.
Ключевые слова: КОЭФФИЦИЕНТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, ПЛОТНОСТЬ, ДИАМЕТР, ОБЪЕМНОЕ РАСХОДНОЕ ГАЗОСОДЕРЖАНИЕ.
Открыть PDF


Транспортировка многофазных углеводородов по трубопроводам широко применяется в газовой промышленности. Данная проблема изучена недостаточно полно в связи со сложностью явлений, происходящих при совместном движении смеси конденсата и газа, отличающемся от движения однофазного потока. Лабораторные эксперименты показали, что относительное движение фаз в трубах приводит к появлению особых силовых взаимодействий, а при неизотермическом течении – тепловых взаимодействий, которые влияют на изменение скоростей течения, давления и температуры. Эти явления объясняются образованием различных структурных форм двухфазного потока и пульсацией давления в трубопроводах [1–5].

На практике в трубопроводах, которые прокладываются зачастую по пересеченной местности промысла, происходит более сложный процесс движения газожидкостной смеси. При движении двухфазной смеси в таких трубопроводах кроме влияния сил трения проявляется воздействие и других сил.

Совокупность влияния разнообразных параметров на движение газоконденсатных смесей затрудняет получение основных уравнений на основе теоретического анализа. Это объясняется тем, что в исходное уравнение входят сложные функции, такие как касательное напряжение и истинные скорости фаз, которые на современном этапе их научной изученности могут быть определены только эмпирическим путем.

Основной причиной недостаточной изученности данного процесса – движения газоконденсатной смеси по трубопроводу – является малый объем выполненных теоретических и экспериментальных работ.

Большинство посвященных изучению данной проблемы работ в лабораторных условиях проводилось на горизонтальных трубах малого диаметра и ограничивалось изучением движения воздухо-водяных смесей без учета физических свойств компонентов, составляющих газожидкостную смесь. На материале некоторых лабораторных и промысловых наблюдений изучалось по отдельности влияние плотности, вязкости и других параметров на процесс движения. Отметим, что пока еще не проводятся систематические наблюдения и контроль за работой действующих газоконденсатопроводов, поэтому собранный материал по движению двухфазных систем недостаточен для более детальных исследований. Вместе с тем сложность проблемы заключается в отсутствии доказанного теоретически и экспериментально обоснованного метода постановки лабораторных исследований.

Недостаточно изучено влияние на результаты экспериментов таких обобщенных параметров, как числа Рейнольдса, Фруда и т. д. Не всегда обосновано использование критерия подобия однофазного движения жидкой или газовой фазы, что создает трудности при изучении общепринятой классификации газоконденсатной смеси. Нет надежных способов определения границ между фазами и ширины зон переходов структур. Отсутствуют достаточно надежные зависимости для определения истинного содержания фаз и коэффициента гидравлического сопротивления. Имеющиеся в литературе многочисленные математические формулы часто противоречивы с точки зрения не только количественной, но и качественной оценки всего процесса. Еще меньше изучены природа скоплений конденсата в трубах, влияние шероховатости труб на гидравлические характеристики потока, а также неустановившие-ся процессы при пуске, остановке и изменении режимов работы трубопровода, вопросы, связанные с повышением пропускной способности данного трубопровода.

 

ВЫЧИСЛЕНИЯ

Проведенный анализ показывает, что при движении газожидкостной смеси общее уравнение можно записать следующим образом [6]:

 

,        (1)

 

где ∆pс – потеря давления на трение при движении газожидкостной смеси, Па; ∆pж и ∆pг – потери давления на трение при движении однородной жидкости и газа соответственно, Па; k – экспериментальный параметр, безразмерная величина.

Данная зависимость апробирована на экспериментальных данных работ [1, 2, 4, 5] при следующих соответствующих параметрах для различных жидкостей: число Фруда для газа Frг = 0,15–3246; число Фруда для жидкости Frж == 0,00005–134,12; число Рейнольдса для газа Reг = 211–67 500; число Рейнольдса для жидкости Reж = = 404–18 886; внутренний диаметр трубы D = 0,02–0,05 м.

Подставляя отдельные парамет-ры в уравнение (1), получим:

 

        (2)

 

где ж и г – коэффициенты гид-равлического сопротивления для однородной жидкости и газа соответственно, безмерные величины; vж и vг – приведенные скорости жидкости и газа соответственно, м/с; ж и г – плотности жидкости и газа соответственно, кг/м3; L – длина трубопровода, м.

Проведем группировку для получения безразмерных параметров:

 

                          (3)

 

Между приведенными скоростями жидкости и газа существует зависимость:

.                                        (4)

 

Отсюда приведенная скорость газа равна:

 

.                                        (5)

 

С учетом данного выражения имеем:

 

(6)

     (7)

 

 

Введем новое обозначение:

                          (8)

 

Далее получим:

                                         (9)

 

 

При расчете трубопроводов вводится параметр напора [2, 3]:

                                       (10)

 

тогда

                                         (11)

 

Из формулы (9) определим среднюю скорость жидкости:

 

                                       (12)

 

Длина конкретной трубы – всегда известная величина, поскольку определяется производственными условиями, поэтому при расчете трубопровода возникают три основные задачи: определение расхода, напора и диаметра трубопровода, связанных уравнением движения.

Рассмотрим решение этих задач. Представим, что требуется определить необходимый действующий напор для трубопровода длиной L и диаметром D для пропуска расхода Qж. Для этого умножаем левую и правую части выражения (12) на площадь трубопровода:

 

                                       (13)

 

где – площадь трубопровода, м2.

Решение сводится к прямому вычислению напора. При этом требуется определить коэффи-циент гидравлического сопротивления для однородной жидкости и газа. Данные параметры определяются в зависимости от режима движения с числом Рейнольдса, но при заданном диаметре трубопровода и расхода фаз – без затруднений.

Учитывая вышесказанное, можно решить вторую задачу. Часто на практике необходимо определить расход одной из фаз. В нефтяной отрасли определяется расход по нефти, в связи с чем получим:

                                       (14)

 

Вычисление по данной формуле встречает некоторые затруднения, связанные с тем, что коэффициенты сопротивления зависят от числа Рейнольдса для жидкости и газа, а для определения этих параметров необходимо знать скорость или расход отдельных фаз. Поэтому при определении объемного расхода жидкости необходимо пользоваться методом попыток или графоаналитическим путем использования формулы (14) для построения графика H = f(Qж).

Построение графика кривой производится достаточно просто. Задавая ряд значений расхода жидкости при постоянных параметрах газа, вычисляем ряд значений напора системы.

Третья задача требует определить диаметр трубопровода, по которому прокачивается двухфазная система типа «нефть – газ». Анализ показывает, что определить диаметр трубопровода наиболее просто графоаналитическим методом. Можно построить кривую D = f(H) при заданных параметрах отдельных фаз, а по ней определить требуемый диаметр, задавая конкретное значение напора данного трубопровода.

Отметим, что для длинных трубопроводов, когда потерями на местные сопротивления можно пренебречь, все три основные задачи решаются с помощью данной методики.

При сохранении методики рас- чета вычисления представляются достаточно несложными. В таблице приведено сопоставление вычисленного по данной методике распределения давления по длине трубопровода с измеренными значениями [7]. Предлагаемая методика проста и удобна в применении, что поз-воляет рекомендовать ее для широкого промыслового использования.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе многочисленных лабораторных данных предложена методика расчета основных параметров двухфазных течений в горизонтальной трубе с учетом физических свойств жидкости и газа.

Получена методика расчета основных параметров трубопроводов, транспортирующих двухфазную систему типа «нефть – газ». На основе данной методики определено давление по длине трубопровода для различных расходов отдельных фаз. С помощью данных расчетных формул можно определить основные показатели трубопровода: давление, напор и диаметр или объемный расход данного трубопровода. 


Определение распределения давления в трубе (Dтр = 0,0504 м, Lтр = 197,2 м)Determination of pressure distribution in the pipe (Dтр = 0.0504 m, Lтр = 197.2 m)

Расход газа, м3/с 

Gas flow rate, m3/s

Расход жидкости, м3/с 

Liquid flow rate, m3/s

Число Фруда для жидкости 

Froude number for liquid

Число Фруда для газа 

Froude number for gas

Число Рейнольдса для газа 

Reynolds number for gas

Число Рейнольдса для жидкости 

Reynolds number for liquid

Отношение измеренного давления по длине трубы к атмосферному давлению 

Ratio of measured pressure along the pipe length to atmospheric pressure

Отношение расчетного давления по длине трубы к атмосферному давлению 

Ratio of the calculated pressure along the pipe length to atmospheric pressure

Длина трубы, м 

Pipe length, m

0,00167

0,00205

2,138

1,4136

2732

51 505

1,935

1,955

32,4

0,00167

0,00205

2,138

1,4136

2732

51 505

1,660

1,652

95,9

0,00167

0,00205

2,138

1,4136

2732

51 505

1,468

1,429

144,5

0,00167

0,00205

2,138

1,4136

2732

51 505

1,220

1,178

197,2

0,0055

0,00205

2,138

15,389

9014

51 505

2,540

2,589

32,4

0,0055

0,00205

2,138

15,389

9014

51 505

2,045

2,062

95,9

0,0055

0,00205

2,138

15,389

9014

51 505

1,715

1,755

144,5

0,0055

0,00205

2,138

15,389

9014

51 505

1,358

1,369

197,2

 




← Назад к списку