ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ НЕФТИ
УДК 622.692.4 © М.Д. Середюк, С.Я. Григорский, 2015
Закономерности изменения давления в нефтепроводах при остановках насосных агрегатов
М.Д. Середюк, д.т.н., С.Я. Григорский
(Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа)
Адрес для связи: tzng@nung.edu.ua
Ключевые слова: неустановившийся процесс, волна повышения давления, коэффициент затухания волны давления, скачкообразное повышение давления.
The laws of pressure change in pipelines during cessations of pumping units
M.D. Serediuk, S.Ya. Grygorskyi (Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ukraine, Ivano-Frankivsk)
E-mail: tzng@nung.edu.ua
Key words: transient process, high pressure wave, the damping coefficient of the pressure wave, an abrupt increase in pressure.
There is made a mathematical modeling of unsteady hydrodynamic processes in pipelines using the software package OLGA7. There are made the laws of pressure change in the main oil pipeline during transitional processes caused by cessations of pumping units. There are offered analytical dependences for the damping coefficient of the pressure wave in the pipeline for the cases of cessation of one, two and three sequentially operating pumps in a pumping station. Comparison of simulation results of pressure on the proposed formulas with the data of industrial experiments indicates the reliability of dependencies and their possible use for predicting the parameters of transients in oil pipelines.
Эксплуатация магистральных нефтепроводов сопровождается запусками и остановками насосных агрегатов и нефтеперекачивающих станций (НПС). Кроме плановых остановок насосов и НПС, вызванных необходимостью изменения объема перекачки нефти по нефтепроводу, нередко происходят отключения насосов из-за прекращения электроснабжения или срабатывания систем технологической защиты трубопровода. При остановке одного, нескольких насосных агрегатов или НПС на ее входе возникает волна повышенного давления, а на выходе - волна пониженного давления. Амплитуда этих волн может составлять 1-3 МПа в зависимости от параметров трубопровода, числа остановленных насосов, их характеристик и режима перекачки [1-7].
Волна повышенного давления, образовавшаяся при остановке насосов, движется со скоростью распространения звука по нефтепроводу до предыдущей (по направлению движения потока нефти) НПС. При ее движении в нефтепроводе с пересеченным профилем трассы давление в отдельных точках может превысить максимально допустимое из условия прочности трубы, что не исключает возникновения аварийной ситуации. С приходом волны давления на предыдущую НПС давление на ее выходе скачкообразно возрастает. Система автоматического регулирования (САР) давления, установленная на линии нагнетания НПС, из-за инерционности может несвоевременно компенсировать увеличение давления на выходе НПС сверх допустимого значения. Скачкообразное повышение давления на входе и выходе НПС, а также в произвольной точке нефтепровода вызывает дополнительную нагрузку на материал тру-
бопровода, что уменьшает его несущую способность. Волна пониженного давления движется в направлении НПС, расположенной после источника возмущения. Ее распространение может привести к недопустимому снижению давления в линии всасывания следующей НПС, что вызывет ее отключение средствами САР.
Таким образом, большинство технологических операций, необходимых для управления работой нефтепровода, а также нештатные ситуации, возникающие спонтанно, характеризуются значительными изменениями давления и способны привести к аварийной ситуации [2]. По этой причине исследование влияния остановок насосных агрегатов на режим эксплуатации магистральных нефтепроводов имеет важное значение.
Остановки и запуски насосных агрегатов на нефтепроводе сопровождаются нестационарными гидродинамическими процессами, аналогичными явлениям гидравлического удара. В 60-70-е годы XX века вопросы влияния остановок насосных агрегатов на режим работы магистральных нефтепроводов были предметом научных исследований ряда ученых. В работах [2-6] предложены методики прогнозирования параметров переходных процессов, базирующиеся на использовании зависимостей, применимых при возникновении в нефтепроводах прямых гидравлических ударов. Эти процессы могут наблюдаться при внезапном полном закрытии запорной арматуры на трассе нефтепровода и полном прекращении перекачки нефти. В отличие от классического гидравлического удара при отключении одного или нескольких насосов обычно не происходит полной остановки перекачки нефти. Расход перекачиваемой жидкости уменьшается на определенную величину. При оста-
новке одного или нескольких насосов на НПС возникает процесс, который частично напоминает непрямой гидравлический удар. Гидродинамику такого процесса нельзя достоверно рассчитать по традиционным методикам. В большинстве работ рассмотрены в основном закономерности изменения давления жидкости на входе и выходе НПС при остановке насосов. Закономерности изменения давления нефти по трассе нефтепровода, вызванные остановками насосных агрегатов, исследованы неполно. Кроме того, большинство теоретически полученных расчетных зависимостей не подтверждено достаточным числом опытных данных, полученных на действующих магистральных нефтепроводах, оснащенных современными насосными агрегатами.
Авторами совместно с производственниками проведены широкомасштабные экспериментальные исследования закономерностей переходных процессов, вызванных остановками насосных агрегатов, на действующем магистральном нефтепроводе. Промышленные эксперименты выполнены на нефтепроводе внутренним диаметром 702 мм и длиной 400 км. На его трассе работают четыре НПС, оборудованные нефтяными насосами серии НМ; предусмотрены 14 контрольных пунктов, оснащенных современными средствами контроля режимных параметров. В частности, для измерения давления транспортируемой жидкости используются датчики давления типа Mikrotran F-R Fishers с классом точности 0,075-0,1 [7].
Проведены исследования скачкообразного изменения давления на входе НПС при отключении насосных агрегатов. В соответствии с работой [4] максимально возможное изменение давления на входе и выходе НПС должно равняться половине давления, создаваемого отключенными насосами до начала остановки. Выполнение данного условия на практике проверялось путем измерения и математической обработки параметров переходных процессов во время эксплуатации магистрального нефтепровода в 2012-2013 гг. Некоторые результаты опытных и теоретически ожидаемых значений скачкообразного повышения давления на входе НПС при остановке насосов приведены в таблице.
Анализ данных промышленных экспериментов показал, что фактическая величина скачкообразного повышения давления на входе НПС на 3-20 % меньше теоретически ожидаемой. С учетом этого можно предложить следующее выражение для определения значения скачкообразного повышения давления на входе НПС при остановке насосов
ApBX = 0,5k„ p^
(1)
где ^ - эмпирический коэффициент уменьшения скачкообразного повышения давления на входе НПС при остановке насосов; р0 - давление, создаваемое отключенными насосами до начала остановки.
Конкретное значение коэффициента ^ зависит от многих факторов: особенностей трубопроводной обвязки НПС; технических характеристик обратных клапанов; типа и числа отключенных наосов; режимных параметров перекачки нефти и др. При прогнозировании параметров переходных процессов в нефтепроводах целесообразно принимать максимальное значение ^ = 0,97.
Следующим этапом исследований являлось изучение закономерностей распространения волн повышенного давления в линейной части нефтепровода после остановки одного или нескольких последовательно работающих насосных агрегатов. Путем обработки опытных данных получены графические и аналитические зависимости изменения давления в произвольной точке трассы нефтепровода. Подтверждено, что по мере продвижения волны повышенного давления по нефтепроводу амплитуда скачкообразного повышения давления уменьшается по экспоненциальному закону
AP = АРвх ^PC-KX^
(2)
где Арвх - скачкообразное повышение давления на входе НПС, где произошла остановка насосных агрегатов; Кз - коэффициент затухания волны давления, который, как показали промышленные эксперименты, для каждого режима эксплуатации нефтепровода, для каждой производственной ситуации имеет свое значение
Эмпирический коэффициент Номе р
остановленного насосного агрегата НПС
1 10.08.12 г. 1,88 0,94/0,89 0,948 2 4
2 08.07.12 г. 1,96 0,98/0,95 0,970 2 4
3 25.04.12 г. 1,96 0,98/0,94 0,959 1 4
4 23.04.12 г. 1,72 0,86/0,83 0,965 3 4
5 25.02.12 г. 2,40 1,20/1,02 0,849 1 3
6 21.08.13 г. 1,98 0,99/0,85 0,861 1 3
7 26.07.13 г. 2,00 1,00/0,84 0,843 1 2
1,63 0,81/0,66 0,807 1 4
8 11.07.13 г. 1,98 0,99/0,84 0,851 1 2
1,63 0,81/0,66 0,807 1 4
9 08.07.13 г. 2,00 1,00/0,80 0,804 1 2
1,63 0,81/0,66 0,807 1 4
10 27.04.13 г. 1,94 0,97/0,87 0,899 2 3
11 06.04.13 г. 1,98 0,99/0,84 0,851 1 2
1,69 0,84/0,81 0,965 2 4
12 04.04.13 г. 2,14 1,07/1,04 0,972 3 3
1,77 0,88/0,85 0,967 1 4
13 16.03.13 г. 2,08 1,04/0,91 0,877 1 2
1,71 0,85/0,84 0,989 2 4
14 09.02.13 г. 1,75 0,87/0,85 0,978 1 4
Примечание. В числителе приведено теоретическое значение повышения давления на входе НПС, в знаменателе - опытное значение.
[7]; х - расстояние по трассе нефтепровода от места возникновения возмущения давления до произвольной точки нефтепровода.
Пример полученной зависимости при отключении насоса на НПС 3 исследуемого нефтепровода 27.04.13 г. приведен на рис. 1, а.
0,6 0,4
| 0.2
■ Экспериментальные данные [
Ар~- 0,87^*^-0,0134 Я2 = 0.9944
20 40 60 80 1 00 120 140 160 Расстояние от места возникновения волны давления, км
180
0,6 0,4 0,2
\ я Экспериментальные данные I
\
\
ч
iр 0,67-ехр(-0.0140-Jí)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.