image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 3 2018

Транспорт и хранение нефти и газа

01.03.2018 10:00 Исследование ударно-волновых процессов в каналах систем сброса и утилизации газа с учетом структурных особенностей технологических коммуникаций газотранспортных систем
В статье рассматриваются структурные особенности технологических коммуникаций газотранспортных систем. Предлагается выбор вариантов расчетных схем систем сброса и утилизации газа для решения основных задач газодинамического исследования ударно-волновых процессов в каналах систем сброса и утилизации газа. Выбор расчетных схем позволит упростить задачу газодинамического исследования ударно-волновых процессов в трубопроводах. Решение данной задачи дает ответ на вопрос о возможности формирования ударных волн большой интенсивности для существующих и перспективных режимов функционирования газотранспортных систем при аварийном сбросе природного газа из технологических коммуникаций через сбросовые трубопроводы системы сброса и утилизации газа. Первый базовый вариант предлагаемых расчетных схем отличается особенностью подсоединения систем сброса и утилизации газа к общей коммуникации аппаратов и трубопроводов компрессорных станций. Особенностью второго базового варианта является подсоединение трубопроводного ответвления системы сброса и утилизации газа к аппарату высокого давления значительного объема (пылеуловитель, фильтр-сепаратор, аппарат воздушного охлаждения и др.). Приведены схемы для различных стадий процесса распространения ударной волны в трубопроводе. Рассмотрена и принята для расчетов в качестве «высоконапорного газа» и «низконапорного газа» возможная модель рабочей смеси (гетерогенная двухфазная смесь, химически инертная, без учета массового обмена между фазами). Предложены рекомендации для выбора параметров высоконапорного и низконапорного газов для повышения степени достоверности результатов аналитических расчетов, позволяющих выполнить математическое описание изучаемых ударно-волновых процессов и решить поставленные задачи.
Ключевые слова: система сброса и утилизации газа, газовая динамика, ударно-волновой процесс, трубопроводная система, расчетная схема, газодинамическое исследование.
Ссылка для цитирования: Максименко А.Ф., Кузнечиков А.С. Исследование ударно-волновых процессов в каналах систем сброса и утилизации газа с учетом структурных особенностей технологических коммуникаций газотранспортных систем // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 3. С. 52–60.
Открыть PDF


ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для аналитического описания ударно-волновых процессов целесообразно использовать хорошо зарекомендовавшие себя в теории ударных труб асимптотические методы. Необходимо построить расчетные схемы распространения ударной волны и сопутствующих течений, соответствующие различным режимам, обусловленные особенностями структуры этих течений, зависящих от физических свойств и начальных состояний высоконапорного и низконапорного газов, условий соединения канала системы сброса и утилизации газа (СУГ) с основными структурными технологическими элементами рассматриваемого объекта, конфигурации канала системы СУГ и характера работы пускового устройства.

Необходимо также выполнить математическое описание изучаемых ударно-волновых процессов для каждого режима течения и определить условия его реализации. Для этого целесообразно использовать основные уравнения для нестационарного потока за фронтом головной ударной волны и соотношения, выполняющиеся на ударном фронте и контактной поверхности (поверхности раздела между потоками высоконапорного и низконапорного газа).

Важной задачей является определение и численная оценка интенсивности ударной волны для режима форсированного сброса высоконапорного газа. Соответствующие математические модели для расчета интенсивности ударной волны связаны с условиями возможной схематизации форсированного сброса и допущениями о развитии процесса.

Помимо расчета интенсивности головной ударной волны представляет практический интерес определение параметров потоков (в частности, температурных режимов) возмущенных высоконапорных и низконапорных газов. Знание интенсивности ударной волны и температурных параметров сопутствующих течений необходимо для оценки динамических нагрузок и явлений типа теплового удара, воспринимаемых внут- ренней поверхностью канала системы СУГ, что существенно для последующего прогнозирования эксплуатационной надежности элементов системы СУГ, предназначенной для многократного использования.

Кроме того, представляет интерес изучение пропускной способности канала системы СУГ при сбросе высоконапорного газа. От решения этой задачи зависит оценка быстроты эвакуации высоконапорного газа из основных элементов коммуникаций компрессорной станции и степень их освобождения от природного газа, что связано с прямым назначением систем СУГ, включая возможность предотвращения и развития аварий.

Необходимо аналитически, в рамках применяемых математических моделей для расчета ударно-волновых процессов, определить совокупность основных факторов, управляющих величиной интенсивности ударной волны и пропускной способности трубопровода системы СУГ. В частности, требуется выяснить условия, способствующие снижению интенсивности ударной волны.

Далее должны быть предложены рекомендации для выбора исходных термодинамических параметров высоконапорного и низконапорного газов для повышения степени достоверности результатов аналитических расчетов по сравнению с более трудоемким графоаналитическим методом, отражающим изменения реальных теплофизических свойств сбрасываемого газа.

Математические модели ударно-волновых процессов и рекомендации по их расчету должны быть дополнены соответствующими примерами численной реализации для типичных ситуаций сброса природного газа.

Приоритетным в целевом назначении разработок, приведенных в данной работе, является получение достоверной информации о численных значениях интенсивности ударных волн, которые формируются при форсированной эвакуации природного газа через специальные трубопроводы системы СУГ, включающие как сбросовые трубопроводы, так и сборные коллекторы.

Ключевым является ответ на вопрос о возможности формирования ударных волн большой интенсивности при аварийном сбросе природного газа из технологических коммуникаций газотранспортных систем для существующих (или перспективных) режимов их функционирования через сбросовые трубопроводы системы СУГ.

В прямой связи с вопросом об интенсивности ударной волны находится решение задачи о динамических (ударных) нагрузках, воспринимаемых сбросовым трубопроводом, и, как следствие, поиск мероприятий по обеспечению динамической прочности и эксплуатационной надежности системы СУГ при многократном нагружении.

При обосновании выбора диапазона изменения определяющего параметра Р41 (отношение давлений высоконапорного и низконапорного газов) необходимо учесть возможное вакуумирование низконапорного газа во внутренних каналах системы СУГ для интенсификации ее эвакуационной способности при утилизации природного газа, а также влияние объемного содержания метана СН4 в природном газе на величину интенсивности ударной волны.

Выявление возможности генерирования сильных ударных волн в сбросовом трубопроводе системы СУГ требует дополнительной информации о реализующихся температурных режимах в газовых потоках, сопутствующих распространению ударной волны, для чего необходимо разработать методические рекомендации по расчету местной температуры природного газа в потоках и провести численные расчеты значений температуры в потоках непосредственно за фронтом ударной волны и за контактной поверхностью.

 

МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ

Для существенного снижения динамических (ударных) нагрузок на стенки трубопроводных элементов системы СУГ, предназначенной для многократного использования, в принципе возможны два варианта. Первый обеспечивает существенное снижение интенсивности генерируемой ударной волны, которое можно обеспечить путем уменьшения степени раскрытия канала пускового устройства (ПУ) , т. е. уменьшением площади поперечного сечения «горлового» участка канала. Но этот способ снижения интенсивности ударной волны имеет существенный недостаток, связанный с тем, что одновременно снижается пропускная способность сбросового трубопровода, а значит, и темп эвакуации природного газа [1].

Во втором варианте используются естественные возможности установки сборного коллектора, следующей за сбросовым трубопроводом. Площадь сечения канала сборного коллектора существенно больше, чем сбросового трубопровода, поэтому сборный коллектор играет роль расширительной камеры, снижающей интенсивность исходной ударной волны. Сборный коллектор представляет собой своего рода «гаситель» ударной волны. Можно оценить его «гасительные» способности при помощи вычислений, используя одномерные расчетные схемы для описания развития последующего ударно-волнового процесса, связанного с переходом ударной волны из сбросового трубопровода в канал сборного коллектора. Влияние теплофизических свойств «низконапорного» газа следует учитывать выбором показателя адиабаты.

По результатам численных расчетов необходимо построить диаграммы зависимости P51 = P51 (P21, ) для определения условий реализации каждого режима в отдельности, что даст возможность количественно оценить «гасительную» способность сборного коллектора для широкого диапазона изменений величин P21 и (0 ≤ ≤ 1), включая предельную ситуацию вырождения прошедшей ударной волны в звуковое возмущение (P51 1).

 

ВАРИАНТЫ ОБОБЩЕННЫХ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ

Учитывая структурные особенности технологических коммуникаций газотранспортных систем (рис. 1, 2), можно предложить два базовых варианта обобщенных расчетных схем систем СУГ. По своему композиционному исполнению и функциональному назначению системы СУГ являются трубопроводными обвязками второго иерархического уровня (специального назначения) в общей коммуникации технологических аппаратов и трубопроводных сетей КС [2].

Первый базовый вариант (рис. 1а) отличается особенностью подсоединения систем СУГ к общей коммуникации аппаратов и трубопроводов компрессорной станции. Сбросовый канал трубопроводного ответвления системы СУГ подсоединен в рассматриваемом случае с помощью ПУ к участку технологического трубопровода в системе коммуникаций компрессорной станции, по которому осуществляется компримирование природного газа в канале 4.

Сечение 0–0 трубопроводного ответвления системы СУГ, как показано на схеме (рис. 1а), соответствует положению ПУ (предохранительная арматура, специальный клапан, в частности, использующий разделительную мембрану). Согласно схеме ПУ может находиться в непосредственной близости к технологическому трубопроводу, но может и отстоять от него на некотором расстоянии l0 вправо по трубопроводному ответвлению.

Участок канала справа от ПУ до его срабатывания, т. е. до сброса газа, заполнен неподвижным «низконапорным» газом, физические свойства которого, вообще говоря, отличны от компримируемого природного. При сбросе «высоконапорный» газ вытесняет низконапорный и развивается ударно-волновой процесс. Давление невозмущенного «низконапорного» газа Р1 всегда меньше Р4 – давления компримируемого газа в области 4.

Трубопроводное ответвление системы СУГ в общем случае соединено с коллектором (рис. 1), который, в свою очередь, связан с аккумулирующими емкостями (сборные резервуары) для сбора природного газа. Отметим, что степень раскрытия соединительного канала ПУ при сбросе газа влияет в итоге на интенсивность ударной волны и пропускную способность канала системы СУГ, т. е. на темпы эвакуации природного газа. Рассматриваемая схема системы СУГ может в ряде случаев быть распространена и на магистральный газопровод [3].

Особенностью второго базового варианта (рис. 2а) является подсоединение трубопроводного ответвления системы СУГ к технологическому аппарату – аппарату высокого давления (АВД) значительного объема (пылеуловитель, фильтр-сепаратор, аппарат воздушного охлаждения и др.). В общем случае ПУ (сечение 0–0) отстоит от АВД на расстоянии l0. В частном случае l0 = 0. До сброса высоконапорного газа слева от сечения 0–0 внутреннее пространство 4 участка сбросового трубопровода и АВД заполнено природным газом («высоконапорный» газ). Справа от ПУ пространство 1 трубопроводного ответвления заполнено неподвижным «низконапорным» газом (не обязательно природным) низкого давления (Р4 > Р1).

Сбросовый канал системы СУГ может быть подсоединен к коллектору, связанному с аккумулирующей емкостью (сборным резервуаром) для утилизации природного газа. При открытии соединительного канала ПУ происходит сброс «высоконапорного» газа, вытесняющего «низконапорный» газ с распространением ударной волны.

В общем случае реальная рабочая коп- римируемая среда (природный газ) представляет собой смесь газов с твердыми и жидкими частицами, причем доминирующим по своей массовой доле газом является метан CH4. Поэтому в качестве модели рабочей смеси «высоконапорного» газа рассматривается гетерогенная двухфазная смесь, которую считаем химически инертной, без учета массового обмена между фазами. Состав «высоконапорного» газа считаем, таким образом, «замороженным». Гетерогенную смесь считаем также однородной. Поэтому f – массовая доля газообразных компонентов в гетерогенной смеси – остается постоянной (f = const).

Предположим, что частицы (твердые и жидкие включения) имеют достаточно малые размеры, причем все фазы (газообразная, твердая и жидкая) находятся при компримировании рабочей среды в кинематическом и тепловом равновесии (равенство скоростей ug = us = u, а также температур Tg = Ts = T, где индекс g относится к газовой фазе, s – к частицам).

Примем также, что частицы не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на давление в газовом потоке. Следовательно, давление рабочей среды определяется исключительно давлением газообразной фазы (Pg = P). В соответствии с указанными допущениями имеем: ug = us = u, Tg = Ts = T, f = const, Pg = P.

Примем далее в качестве основного теплофизического условия допущение, что гетерогенная смесь представляет собой смесь совершенных газообразных компонентов и частиц с постоянной средней массовой плотностью s и удельной теплоемкостью cs.

То есть в первом приближении газовые компоненты смеси являются идеальными газами с постоянными удельными теплоемкостями. Тогда уравнение состояния для смеси газообразных компонентов запишется в виде:

 

,                                              (1)

 

где g – средняя массовая плотность смеси газообразных компонентов, кг/м3; P – давление, Па; T – температура, °С; R – универсальная газовая постоянная;

µ – молекулярный вес, совпадающий численно с мольной массой смеси газообразных компонентов.

Суммарный удельный объем для гетерогенной смеси будет равен сумме объемов, занимаемых отдельными фазами. Поэтому связь между характерными массовыми плотностями:

 

,                                              (2)

 

где – массовая плотность гетерогенной смеси, кг/м3; f – массовая доля газообразных компонентов, %; (1 – f) – массовая доля инородных включений – частиц, %.

На основании (1) и (2) запишем уравнение состояния гетерогенной смеси в виде

 

.                              (3)

 

 

Воспользуемся соотношениями, которые являются следствиями первого и второго начал термодинамики. Тогда, опуская выражения для химического потенциала вследствие химической инертности рабочей среды, используя (3), получим калорическое уравнение состояния (связывающее P, и s – удельную энтропию гетерогенной смеси):

 

 

 

,                              (4)

 

 

 

где индекс (0) относится к некоторому начальному состоянию рабочей среды. Для удельной энтропии

 

s = fsg + (1 – f)sg.                                (5)

 

Для обобщенного показателя адиабаты :

 

 

,                                              (6)

 

где ср – удельная теплоемкость среды при постоянном давлении, Дж/(кг.К); сv – удельная теплоемкость среды при постоянном объеме, Дж/(кг.К).

Наряду с (5) удельные величины объема и внутренней энергии подчиняются соотношениям:

V = fVg + (1 – f)Vs,

E = fEg + (1 – f)Es.                                              (7)

 

При выводе (4) использовались соотношения, связывающие удельную энтропию и энтальпию с удельной внутренней энергией [4]:

 

Tds = PdV + dE,

i = E + PV.                                            (8)

 

Уравнение (4) соответствует допущению, что при движении рабочей среды в канале взаимодействие потока с окружающей средой через стенки канала происходит при отсутствии теплообмена и в пренебрежении диссипативными эффектами, обусловленными вязкостью. В этом смысле можно говорить об адиабатическом характере движения среды в целом, когда «квазичастица» гетерогенной смеси сохраняет при своем движении энтропию, хотя удельная энтропия в разных точках пространства для «квазичастиц» в рассматриваемый момент времени неодинакова. Если удельная энтропия для всех «квазичастиц» гетерогенной среды не изменяется во времени и одинакова, то течение будет изоэнтропическим и выражение (4) упрощается.

В общем случае, исключая в (4) с помощью (3), получим связь между P, T и s в виде:

 

 

.                              (9)

 

Определение а – скорости звука, м/с, осуществляем по формуле:

 

.               (10)

 

 

В заключение покажем соотношения, связывающие µ, f, s, g с соответствующими величинами компонентов гетерогенной смеси.

Пусть ng и ns – числа различных компонентов газообразной, твердой или жидкой фазы. Тогда

 

,

 

,                                             (11)

 

 

где fgj и fsi – массовые доли газообразных и твердых (жидких) компонентов с соответствующими номерами j и i.

Для величины µ – приведенного молекулярного веса (мольной массы) смеси газообразных компонентов имеем:

 

.                                              (12)

 

Вместе с тем в соответствии с законом Дальтона положим, что давление смеси равно сумме парциальных давлений всех газообразных компонентов.

В целях общности рассмотрения целесообразно использовать аналогичную модель гетерогенной среды для «низконапорного» газа, заполняющего участок сбросового канала (справа от ПУ на рис. 1 и 2) до начала процесса сброса «высоконапорного» газа [5].

Отметим, что в качестве «низконапорного» газа можно выбрать среду, идентичную по составу газообразных компонентов «высоконапорному» газу, или же однокомпонентный нейтральный газ другого состава и с другими теплофизическими свойствами.

 

ВЫВОДЫ

На примере возможных технических схем утилизации природного газа, с учетом особенностей технологической коммуникации компрессорных станций рассмотрен выбор базовых вариантов расчетных схем систем сброса и утилизации газа. Приведенные варианты расчетных схем систем сброса и утилизации газа и схемы для различных стадий процесса распространения ударной волны в трубопроводе позволят в дальнейшем рассмотреть различные задачи газодинамического исследования ударно-волновых процессов в трубопроводах.



← Назад к списку


im - научные статьи.