Совершенствование технологий испытания, осушки и заполнения газом магистральных газопроводов в северных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование технологий испытания, осушки и заполнения газом магистральных газопроводов в северных условиях

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Комплекс работ по очистке полости, испытаниям на прочность (ИП) и осушке занимает особое место в жизненном цикле магистральных газопроводов (МГ). Находясь на рубеже между сооружением газопровода и его вводом в эксплуатацию, эти операции позволяют оценить качество строительных работ и определить важнейшие показатели готовности газопровода к эксплуатации (прочность, герметичность, чистоту полости, уровень влажности), а также оценить реальную конструктивную надёжность газопровода в целом и его отдельных участков.

Строительство МГ в северной климатической зоне осложнено суровыми природными условиями, низкими температурами грунта и окружающего воздуха. В этой связи с целью повышения пропускной способности газопроводов и увеличения расстояния между компрессорными станциями (КС), вновь сооружаемые газопроводы проектируются на более высокие давления по сравнению с сооружавшимися ранее. Широкое применение пневматического способа испытания газопроводов на прочность внутренним давлением на фоне низких температур грунтов обуславливает необходимость более глубокого изучения теплового взаимодействия газопровода с окружающим грунтом в процессе его испытаний на прочность, осушки, заполнения газом. Использование труб с внутренним гладкостным покрытием с целью повышения энергетической эффективности транспортировки природного газа обуславливает ужесточение требований к предохранению полости труб от попадания воды и загрязнений в процессе строительства, в особенности, в условиях отрицательных температур, поскольку в таком случае последующая очистка механическим способом отрицательно влияет на состояние внутренней поверхности труб газопровода. Также возросли требования как к степени осушки полости газопроводов, так и к влагосодержанию природного газа, поставляемого отечественным и зарубежным потребителям.

С учётом вышеизложенного, и в связи с отсутствием в отечественной практике достаточного опыта проведения испытаний, осушки и заполнения газом газопроводов в указанных условиях, возникла необходимость разработки новых подходов к их выполнению, основанных на исследовании происходящих при этом газодинамических и термодинамических процессов, что определяет актуальность темы диссертации.

Цель работы.

Совершенствование технологий выполнения испытаний на прочность, осушки и заполнения природным газом МГ в северных условиях с учётом низких температур, а также разработка методик, оптимизирующих эти работы.

Основные задачи исследования.

Установить влияние условий проведения испытаний на прочность МГ в северных условиях, их осушки и заполнения природным газом на эффективность указанных работ.

Установить взаимосвязь технологических параметров испытаний на прочность пневматическим способом участков МГ с повышенным давлением, пролегающих в многолетнемёрзлых и сезонно-талых грунтах на глубине заложения газопровода и последующей осушки его сухим воздухом.

Разработать методику определения технологических параметров процесса осушки МГ, позволяющую оценить продолжительность выполнения осушки и её эффективность в зависимости от характеристик применяемого оборудования и условий проведения осушки.

Разработать технологию заполнения газом участков газопровода с учётом ограничений по температурам и скоростям газа.

Научная новизна.

Исследованы термодинамические процессы, происходящие в газопроводе при проведении ИП пневматическим способом, в частности, во время подъёма давления, выдержки при испытательном давлении, стравливания и последующей осушки газопровода.

Исходя из полученной зависимости влагосодержания воздуха от испытательного давления и минимальной температуры грунта на глубине заложения газопровода впервые установлены требования к максимальному допустимому влагосодержанию воздуха, подаваемого в газопровод при ИП пневматическим способом, исключающему выпадение конденсата.

На основе исследования изменения температуры по длине МГ в процессе снижения давления воздуха после ИП установлены требования к скорости стравливания воздуха из испытанного газопровода.

Впервые разработана модель осушки трубопровода сухим воздухом, показывающая зависимости от времени влагосодержания воздуха и количества влаги в газопроводе в процессе осушки и позволяющая оценивать продолжительность осушки участков газопроводов исходя из условий проведения работ и характеристик используемого оборудования.

Впервые разработан метод контроля качества осушки газопровода сухим воздухом, позволяющий достоверно определять местоположения участков скопления влаги по длине газопровода (в случае их наличия).

Предложено техническое решение по установке адсорбционных осушителей на обвязке крановых узлов по длине протяжённых газопроводов, позволяющее при их осушке сухим воздухом сокращать продолжительность осушки и экономить трудозатраты.

На основе ограничений по температуре и скорости газа разработана технология безопасного заполнения МГ Бованенково-Ухта природным газом.

Основные защищаемые положения.

1. Методика определения влагосодержания и регулирования скорости стравливания воздуха из испытанного газопровода в зависимости от температуры и условий прокладки МГ;

2. Методика определения технологических параметров осушки МГ продувкой сухим воздухом в зависимости от температуры грунта на глубине заложения газопровода, давления воздуха, производительности установок осушки, диаметра и протяжённости участка МГ;

3. Технология заполнения построенных участков МГ природным газом с учётом ограничений по влагосодержанию природного газа, скорости газа, минимальной допустимой температуре.

Практическая значимость.

Результаты, полученные в диссертационной работе, позволили существенно усовершенствовать подходы к технологиям ИП, осушки и заполнения природным газом МГ, построенных в северных условиях, а также были применены при установлении требований к очистке полости, испытаниям на прочность и осушке МГ «Бованенково-Ухта».

Проведённые исследования позволили разработать отраслевой стандарт СТО Газпром 2-3.5-354-2009 «Порядок проведения испытаний магистральных газопроводов в различных природно-климатических условиях», а также раздел СТО Газпром 2-2.1-249-2008 «Магистральные газопроводы». Кроме того, на основе полученных результатов были разработаны следующие отраслевые нормативные документы: Технологический регламент по заполнению газом построенных участков МГ Бованенково-Ухта от существующих газопроводов ЕСГ. ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Технические требования по очистке полости и испытанию магистральных газопроводов с рабочим давлением до 11,8 МПа для газопровода Бованенково-Ухта. ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Технические требования по очистке полости, испытаниям и осушке подводного перехода МГ Бованенково-Ухта через Байдарацкую губу ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

Апробация работы.

Материалы исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV-й международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (Москва, 2011 г.), на VIII-й всероссийской конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2009 г.), на V-й научно-практической конференции ЗАО «Ямалгазинвест», (Москва, 2009 г.), на научно-технической конференции молодых работников газовой промышленности (Оренбург, 2008 г.), на II-й международной научно-практической конференции «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов», (Москва, 2007 г.), на научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», (Москва, 2007 г.), на II-й научно-практической конференции ЗАО «Ямалгазинвест» (Москва, 2006 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе три работы - в журналах, включённых в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Министерства образования и науки РФ.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка литературы, изложенных на 125 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 6 таблиц. Список литературы включает 94 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность исследуемой в диссертации проблемы, сформулирована цель исследования, приведены методы исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор современного состояния технологий ИП, осушки полости и заполнения газом магистральных газопроводов.

Исследованием проблем ИП, очистки полости и осушки трубопроводов занимались такие отечественные инженеры и учёные, как Шварц Е.М., Ширин П.К., Таран В.Д., Березин В.Л., Климовский Е.М., Селиверстов В.Г., Тоут А.И., Красулин И.Д., Колотилов Ю.В., Волков В.А., Карпов С.В., Митрохин М.Ю., Дубинский В.Г., Усенко М.И., Зыкин А.П., Мустафин Ф.М. и др.

Выбор способа испытаний для каждого конкретного случая определяется климатическими условиями, конструктивными особенностями МГ, наличием источников воды, имеющимся в распоряжении оборудованием.

ИП гидравлическим способом являются наиболее опробованными и распространёнными. Однако при их проведении следует учитывать ряд факторов, вызывающих осложнения. Гидравлические ИП МГ при отрицательных температурах, как наружного воздуха, так и грунта на глубине заложения газопровода сопряжены с возможностью замерзания испытательной среды. В случае выполнения испытаний на прочность водой в условиях отрицательных температур грунта, после её удаления на стенках труб неизбежно образуется трудноудаляемая ледяная корка.

Выполнение гидравлических испытаний осложнено также в условиях резкопересечённой местности, в этом случае, из-за ограничений, связанных с разностью давлений в нижней и верхней точках испытываемого участка МГ, его разбивают на более короткие участки.

ИП пневматическим способом применяют для уложенных и засыпанных подземных и наземных МГ, что связано со значительным количеством потенциальной энергии сжатого воздуха, находящегося в газопроводе при его испытаниях, приводящим в случае разрыва газопровода к гораздо большим разрушениям по сравнению с ИП гидравлическим способом. Протяжённость МГ, испытываемых пневматическим способом, практически не ограничена и зависит от готовности построенного участка газопровода к проведению ИП.

При пневматических испытаниях в полость газопровода вносится влага, содержащаяся в атмосферном воздухе на входе в компрессорный агрегат, несмотря на частичный отвод воды конденсатоотводчиками между ступенями компрессоров. Строительство МГ на высокие рабочие давления (10 МПа и более) в районах с низкими среднегодовыми температурами грунтов на уровне заложения МГ (0°C и ниже) обуславливает необходимость разработки требований к влагосодержанию воздуха, подаваемого в газопровод, которые должны устанавливаться в зависимости от конкретных условий испытаний.

Вода, оставшаяся в трубопроводе после его гидравлических испытаний на прочность, или попавшая в процессе строительно-монтажных работ, при отрицательных температурах может образовывать ледяные пробки или гидраты, закупоривающие сечение труб. Кроме того, из-за присутствия воды в МГ, повышается влажность самого природного газа. Отечественными нормативными документами установлены требования к влажности природного газа, поставляемого потребителям, в зависимости от климатического района, на уровне температуры точки росы (ТТР) минус 10°C ч минус 20°C при давлении в газопроводе 40 кгс/см². По нормам США ТТР по влаге товарного газа должна составлять не более минус 43°C при атмосферном давлении, по нормам Канады - минус 48°C, Германии и Великобритании - минус 50°C. Кроме того, влажность среды, находящейся в полости МГ, влияет на интенсивность коррозии сварных стыковых соединений и внутренней поверхности труб газопроводов, не имеющих защитного покрытия.

Осушка полости вновь построенных или отремонтированных МГ является обязательным требованием перед вводом в эксплуатацию, в связи с чем является актуальной разработка технологий и методик, способствующих повышению качества осушки газопроводов.

При заполнении газом МГ существует ряд важных ограничивающих факторов, которые следует учитывать. При подаче природного газа в МГ, заполненный воздухом, происходит образование взрывоопасной газовоздушной смеси. В случае возникновения искры, например, от соударения со стенкой трубы металлических частиц, подхватываемых потоком газа, газовоздушная смесь взрывается, что может привести к протяжённому разрыву газопровода.

Для обеспечения безопасного заполнения природным газом МГ, а также с целью консервации их предварительно заполняют инертным газом. С учётом этого разработана технология последующего вытеснения азота при заполнении участков МГ природным газом.

Учитывая актуальность строительства МГ в северных условиях, представляется своевременной разработка технологий и методик, направленных на снижение количества влаги, поступающей в полость газопровода при выполнении ИП, осушки и заполнения газом.

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

Во второй главе рассмотрены испытания на прочность пневматическим способом участков МГ Бованенково-Ухта, в том числе, его подводного перехода через Байдарацкую губу. Исследованы термодинамические и газодинамические процессы, происходящие в газопроводе при проведении ИП. Установлены требования к влагосодержанию воздуха, используемого при пневматических ИП, исследован режим стравливания воздуха из испытанного газопровода и сопровождающее его изменение температуры в газопроводе.

При ИП пневматическим способом атмосферным воздухом в полость газопровода вносится значительное количество воды. Согласно требованиям нормативных документов влагосодержание внутри МГ после осушки сухим воздухом должно соответствовать ТТР минус 20°C (при атмосферном давлении). Если при пневмоиспытаниях воздух также осушить до минус 20°C, то его массовое влагосодержание составит 0,63 г/кг (рис. 1). По мере повышения давления в газопроводе происходит конденсация влаги из воздуха.

Суммарное количество воды, кг, конденсирующейся в газопроводе при испытаниях, определяется как



Рис. 1 - Зависимость влагосодержания воздуха при его 100%-й относительной влажности от давления при различных температурах

,(1)

где D - внутренний диаметр газопровода, м; L - протяжённость газопровода, км, - плотность воздуха при испытательном давлении и температуре грунта, кг/м³; - массовое влагосодержание воздуха, подаваемого в газопровод при испытаниях, соответствующее его ТТР при атмосферном давлении; - массовое влагосодержание воздуха при его 100%-м относительном влагосодержании, температуре грунта и испытательном давлении, г/кг. Расчёт показывает, что количество воды (льда), выпадающей при пневматических испытаниях на участке МГ Бованенково-Ухта от КС Ярынская до КС Гагарацкая, протяжённостью 120 км составит около 16 т.

Условие невыпадения конденсата в газопроводе в процессе испытаний пневматическим способом выглядит, как

,(2)

где d_{под.возд} - влагосодержание воздуха, подаваемого в газопровод при ИП пневматическим способом; d_{исп.возд} - влагосодержание воздуха, находящегося в газопроводе при испытательном давлении и температуре грунта на глубине заложения МГ.

С учётом зависимости влагосодержания насыщенного воздуха от давления и температуры

,(3)

где t - температура поверхности воды, °C; P - абсолютное давление, МПа, ограничение влагосодержания воздуха, подаваемого в газопровод можно записать, как

,(4)

где t_гр - температура грунта, °C; P_исп - абсолютное давление испытания, МПа.

Для удобства практического применения с достаточной для инженерных расчётов точностью условие для максимальной допустимой температуры точки росы воздуха, °C, (при атмосферном давлении), подаваемого в газопровод в процессе пневматических ИП, может быть представлено в виде:

ТТР_под ? 0,6275·t_гр - 0,5278·P_исп - 45,222(5)

После выдержки испытуемого участка газопровода под давлением воздух из него выпускают в атмосферу, при этом происходит дросселирование, сопровождаемое расширением остающегося в газопроводе воздуха с одновременным его охлаждением.

На теплоизолированных участках МГ теплообмен с окружающим трубопровод грунтом затруднён, и при быстром стравливании воздуха из газопровода после его испытания температура труб может упасть ниже минимальной допустимой температуры эксплуатации труб, соединительных деталей и арматуры, установленной на МГ.

Температуры грунтов на глубине заложения МГ на участке от КС Байдарацкая до КС Ярынская изменяются от положительных значений на его подводной части (в летний период) до отрицательных на прибрежных участках, проложенных в ММГ и имеющих тепловую изоляцию.

При адиабатическом расширении воздуха от давления P₁ до P₂ его температура в газопроводе, К, изменяется как

,(6)

где k - коэффициент адиабаты воздуха.

Поскольку теплоизолированный газопровод не является полностью адиабатической системой, то падение температуры частично компенсируется за счёт теплового потока от окружающего грунта.

При этом

,(7)

где Q_гр-тр - количество теплоты, передаваемой от грунта к трубопроводу, Дж; K - коэффициент теплопередачи от газопровода в окружающую среду, Вт/м²К; S - площадь соприкосновения газопровода с грунтом, м²; t - продолжительность воздействия теплового потока, с; T_гр - температура грунта на глубине заложения газопровода; T_тр - температура трубопровода, K.

Для получения зависимости температуры в газопроводе от времени в процессе стравливания воздуха, рассматривался единичный отрезок МГ, а процесс стравливания был разбит на множество квазистационарных состояний, длящихся Dt--с, с допущением, что в каждом из них на воздух, находящийся в МГ, воздействует постоянный тепловой поток. За каждый промежуток времени Dt=t_i-t_i-1, давление в МГ изменяется от P_i-1 до P_i, Па.

За период изменения давления с P_i-1 до P_i вытекает масса воздуха, кг

,(8)

где r_i-1 и r_i - плотность воздуха, находящегося в газопроводе при условиях, соответствующих i-1 и i - му состоянию, соответственно, кг/м³.

Длительность истечения массы воздуха M_i составляет, с

,(9)

где G - массовый расход воздуха при его истечении из газопровода, кг/с, равный при критическом и некритическом истечении, соответственно:

,(10)

где s - площадь проходного сечения свечи, через которую стравливают воздух из газопровода, м²; R - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/кг·К; T - температура воздуха в газопроводе, K.

Для регулировки скорости падения давления в процессе стравливания необходимо использовать для выпуска воздуха сначала свечи меньшего диаметра, расположенные у испытательных агрегатов, а затем переходить на продувочные свечи, находящиеся на МГ, либо контролировать темп падения давления в МГ путём изменения расхода воздуха краном-регулятором.

Получены зависимости температуры в газопроводе от времени при различных скоростях снижения давления в процессе стравливания воздуха из подводного перехода через Байдарацкую губу для теплоизолированного прибрежного и нетеплоизолированного морского участка (рис. 2).

Из полученных данных следует, что контроль температуры в газопроводе в процессе стравливания можно обеспечивать, проводя его с переменной скоростью, постепенно замедляя темп падения давления в газопроводе.

Рис. 2 - Зависимости температуры в газопроводе от времени при его опорожнении с различной скоростью снижения давления в процессе стравливания воздуха из подводного перехода через Байдарацкую губу для теплоизолированного прибрежного и нетеплоизолированного морского участка

Третья глава посвящена изучению термодинамических процессов, происходящих в полости участков МГ при их осушке сухим воздухом. С помощью разработанной модели массообмена в процессе осушки показано, что вынос влаги происходит не равномерно по всей протяжённости газопровода, а граница осушки постепенно перемещается от начала участка МГ к концу. Показано, как влияют температура и давление в МГ на эффективность осушки.

Баланс воды в процессе осушки участка МГ после ИП гидравлическим способом представлен как

,(11)

где M_SV - общая масса воды в участке газопровода после снижения давления в нём до атмосферного по окончании испытаний; M_уВ - масса воды, извлекаемой из участка газопровода при удалении из него воды путём вытеснения разделительными поршнями; M_уПП - масса воды, удаляемой из газопровода пенополиуретановыми поршнями до оставления водяной плёнки на внутренней поверхности участка газопровода; М_Пл - масса воды, содержащейся в плёнке на внутренней поверхности участка МГ после пропуска по нему пенополиуретановых поршней; М_Пар - количество воды, содержащееся в паровой фазе перед осушкой в воздухе в полости газопровода.

Правая часть выражения 11 относится к процессу удаления воды осушкой, и представлена в виде

,(12)

где М_{ВынОсушк} - количество воды, выносимой из газопровода в процессе его продувки осушенным воздухом; М_{остНорм} - количество воды, остающееся в осушенном газопроводе в паровой фазе после окончания осушки, , где М_влУст - влага, поступившая из установки осушки в газопровод в составе воздуха, заполняющего один его объём с влагосодержанием, равным влагосодержанию на выходе установки осушки; М_влОст - остаточная влага, содержащаяся (как показано далее) в полости газопровода на его конечном участке. При условии осушки газопровода до ТТР на выходе установки осушки М_влОст=0.

Количество воды, содержащейся в плёнке на внутренней поверхности участка МГ после пропуска по нему пенополиуретановых поршней определяют по графику (рис. 3), полученному на опытно-экспериментальной базе ООО «Газпром ВНИИГАЗ» путём распыления воды внутри труб различного диаметра без внутреннего гладкостного покрытия и последующего удаления излишков воды с помощью пенополиуретана, идентичного материалу поршней.

Полученная зависимость аппроксимирована следующим выражением

(13)

Рис. 3 - Зависимость максимального количества воды в плёнке на внутренней поверхности одного метра трубопровода от его диаметра

С учётом формулы 3 получено выражение для определения количества воды, кг, выносимой из газопровода в процессе его осушки сухим воздухом:

,(14)

где ТТР - нормативное значение ТТР при осушке МГ, °C.

В правой части выражения 14 два первых слагаемых есть количество воды, содержащейся, соответственно, в плёнке на внутренней поверхности труб и в паровой фазе, а третье слагаемое - количество влаги, которое остаётся в газопроводе в паровой фазе по окончании осушки при условии равенства ТТР воздуха нормативному значению по всей длине газопровода.

Зная производительность компрессора установки осушки q_К.о., м³/ч, можно оценить продолжительность осушки газопровода, ч,

,(15)

где d_{возд(P,t)} и d_УстОс - массовое влагосодержание насыщенного воздуха и воздуха на выходе из установки осушки, г/кг; ?_возд - плотность воздуха при давлении и температуре в газопроводе, кг/м³.

Процесс осушки МГ сухим воздухом рассмотрен, как конвективный массообмен при течении газа по трубопроводу. Для его исследования применена модель, предполагающая, что при движении потока воздуха вдоль поверхности раздела фаз, единственным потоком, направленным по нормали к поверхности раздела фаз, является поток массоотдачи за счёт молекулярной диффузии и для процесса испарения воды в турбулентный поток воздуха при стационарных условиях выражение для массового потока испаряющейся влаги, кг/с·м², имеет вид

,(16)

где Y и Y_S, соответственно, мольное влагосодержание воздуха в ядре потока и вблизи стенки газопровода.

Согласно аналогии процессов тепло- и массопередачи Чилтона-Колборна коэффициент массоотдачи, кг/с·м², определяется, как

,(17)

где m_вод и m_возд - относительные молекулярные массы воды и воздуха, соответственно, г/моль; Re - число Рейнольдса; h_возд - динамическая вязкость воздуха, кг/с·м.

На основе вышеизложенного получены выражения для массового расхода воды, испаряющейся в поток сухого воздуха с внутренней поверхности МГ и составлена модель выноса влаги из осушаемого газопровода во времени, основанная на следующих допущениях:

- предполагается, что вода, находящаяся в газопроводе, равномерно распределена в виде плёнки по его протяжённости и по окружности на внутренней поверхности труб;

- температура постоянна по длине газопровода и не изменяется во времени в процессе осушки, т.е. процесс считается изотермическим;

- непрерывное распределение влагосодержания осушающего воздуха и количества воды в плёнке на внутренней поверхности осушаемого трубопровода заменяется дискретным;

- процесс испарения влаги с внутренней поверхности МГ состоит из последовательности квазистатических состояний и считается равновесным.

Выполнен расчёт осушки участка МГ диаметром 1420 мм, протяжённостью 100 км, при температуре грунта на глубине заложения МГ +10°C. Установка осушки имеет производительность 14000 нм³/ч, ТТР воздуха на выходе составляет минус 35°С, давление на входе в газопровод близко к атмосферному.

Для приведённых выше условий получены зависимости влагосодержания воздуха вдоль осушаемого газопровода от продолжительности выполнения осушки (рис. 4).

Видно, что начальный участок МГ подвергается наиболее интенсивной осушке, поскольку он многократно пропускает через себя воздух с влагосодержанием, равным влагосодержанию на выходе из установки осушки.

Конечный же участок, напротив, в течение всего процесса подвергается воздействию насыщенного влагой воздуха, имеющего влагосодержание, соответствующее давлению насыщенных паров воды при температуре грунта на глубине заложения газопровода. Осушка конечного участка начинается на заключительном этапе, когда его достигает ненасыщенный влагой воздух.

Рис. 4 - Зависимости влагосодержания воздуха вдоль осушаемого газопровода от продолжительности осушки при давлении, близком к атмосферному и температуре грунта +10°C.

Зависимости иллюстрируют «идеальный» случай, когда перед осушкой вода распределена равномерно по всей протяжённости МГ, а по её окончании полностью удаляется из газопровода и влагосодержание на выходе из газопровода равно влагосодержанию на входе. Реально осушка продолжается не до полного освобождения газопровода от влаги, а до достижения на его выходе некой нормативно установленной ТТР, как правило, минус 20°C. При этом остаточная влага, обеспечивающая насыщение воздуха до ТТР минус 20°C, не распределена равномерно по всей протяжённости газопровода, а находится, в основном, на его конечном участке. К моменту достижения на выходе из газопровода ТТР воздуха минус 20°C влага удалена более чем с 99 км.

Практически всё время осушки газопровода влагосодержание воздуха на его выходе равно максимальному влагосодержанию при температуре, равной температуре грунта на глубине заложения МГ (ТТР равна температуре грунта). Падение ТТР на выходе из газопровода начинается примерно за час до конца осушки. То есть, при этом основная часть газопровода уже полностью осушена.

С тем чтобы определить, как влияет изменение давления на эффективность осушки, рассмотрена осушка участка МГ с теми же параметрами, но при избыточном давлении в газопроводе 0,5 МПа (рис. 5).

Рис. 5 - Зависимости влагосодержания воздуха вдоль осушаемого газопровода от продолжительности выполнения осушки при давлении 0,5 МПа и t_гр=+10°C.

По сравнению с осушкой при давлении, близком к атмосферному, эффективность насыщения воздуха влагой при давлении 0,5 МПа ниже. Осушка газопровода происходит воздухом с ТТР минус 35°C при давлении 0,5 МПа (что соответствует влагосодержанию 0,000032 г/кг) в отличие от минус 35°C при атмосферном давлении (что соответствует влагосодержанию 0,000192 г/кг) в предыдущем примере, то есть более осушенным. Однако, несмотря на это, из-за высокого давления воздуха, сохраняющегося по длине газопровода, основной потенциал по насыщению его влагой не используется. Как следствие, продолжительность осушки увеличилась с 20 до 84 суток, т.е., более чем в четыре раза по сравнению с осушкой при давлении, близком к атмосферному.

Для оценки влияния температуры на продолжительность осушки МГ сухим воздухом получены зависимости влагосодержания воздуха вдоль газопровода при давлении, близком к атмосферному, и температуре грунта +5°C (в предыдущих случаях +10°C), приведённые на рис. 6.

Рис. 6 - Зависимости влагосодержания воздуха вдоль осушаемого газопровода от продолжительности выполнения осушки при давлении, близком к атмосферному и t_гр=+5°C.

Видно, что продолжительность осушки при более низкой температуре грунта на глубине заложения газопровода возросла в 1,4 раза.

Эффективность осушки трубопроводов сухим воздухом при низких температурах грунта снижается, данную операцию целесообразно выполнять при максимальной сезонной температуре грунта на глубине заложения МГ.

Помимо выбора оптимальных температуры и давления, существуют и другие пути повышения эффективности осушки МГ сухим воздухом.

В процессе осушки влагосодержание воздуха повышается от входного значения до уровня, соответствующего 100%-му насыщению, достаточно резко, в месте границы между осушенной и влажной частями газопровода (далее это влагосодержание незначительно увеличивается в связи с тем, что давление по длине МГ падает). Это значит, что дальнейший путь до выхода из газопровода воздух проходит, не совершая полезной работы по абсорбции влаги. В этой связи целесообразна установка промежуточных блоков осушки воздуха по длине газопровода при осушке протяжённых участков газопроводов.

Установка адсорбционных блоков на байпасных линиях обвязок крановых узлов значительно сократит продолжительность осушки, позволяя также экономить энерго- и трудозатраты на осушку.

Важнейшим показателем качества осушки является достоверность данных о влагосодержании воздуха в газопроводе. Существенно искажает информацию о процессе осушки неравномерность испарения воды, как по периметру трубы, так и по длине трубопровода в связи со стеканием воды к нижней образующей трубопровода, вследствие чего граница между его осушенной и влажной частями может быть не столь резкой, а также наличие тупиковых и застойных зон, таких как перемычки между параллельными нитками газопровода, понижения профиля, обвязки крановых узлов и пр.

Такие участки являются сосредоточенными источниками влаги, которые при осушке не успевают насытить проходящий воздух водой из-за короткого времени их контакта и малой площади поверхности воды, при наличии которых по окончании осушки может создаваться искажённое впечатление что, в газопроводе не осталось воды, в тот момент, когда на выходе из него поступает воздух с ТТР, близкой к нормативному значению, или равной ему.

В качестве способа контроля отсутствия скоплений воды в газопроводе необходима остановка осушки на время, достаточное для насыщения воздуха в газопроводе влагой в случае наличия её источников и последующее возобновление осушки с непрерывным контролем ТТР воздуха на выходе МГ в течение времени, с, необходимого для прохождения количества воздуха, занимающего объём осушаемого газопровода

.(18)

Тогда координата источника влаги от начала газопровода, м,

,(19)

где t_в - момент времени, при котором зафиксирован всплеск влагосодержания воздуха на выходе газопровода, с.

Сопоставление полученных данных с технологической схемой и профилем трассы МГ позволяет достоверно указать, в каких именно точках находится источник влаги (перемычки между МГ, пониженные места и пр.).

Для наблюдателя, осуществляющего мониторинг ТТР выходящего воздуха у открытого сечения осушаемого МГ, осушку сухим воздухом по характеру протекания процесса можно условно разделить на три этапа.

На первом этапе в газопроводе находится значительное количество воды в паровой и жидкой фазе, поверхность её испарения практически равна площади внутренней поверхности газопровода, и на выходе МГ происходит вынос воздуха со 100%-м относительным влагосодержанием при имеющейся температуре грунта на глубине заложения МГ.

Постепенно, вследствие выноса влаги, поверхность контакта воды и воздуха сокращается, однако для наблюдателя, контролирующего ТТР на выходе из газопровода, картина не меняется, поскольку, за счёт прохождения по всей длине газопровода, воздух, тем не менее, успевает достичь 100%-й влажности, используя, таким образом, всю свою аккумулирующую способность по восприятию влаги из полости МГ.

Поскольку наибольшее количество воды содержится в воздухе при давлении, близком к атмосферному, на первом этапе осушки наиболее эффективным способом является продувка МГ воздухом с минимальным возможным давлением и наибольшей производительностью.

Второй этап осушки сухим воздухом начинается при понижении ТТР на выходе из МГ вследствие сокращения площади испарения воды и длится короткое время. При этом следует снизить производительность установки осушки до минимума. Продолжение осушки при сохранении максимальной производительности приведёт в результате к форсированному снижению ТТР на выходе МГ и создаст ложное впечатление об окончании осушки.

Третий этап осушки - возобновление продувки сухим воздухом после остановки по достижении нормативного значения ТТР на выходе МГ. На этом этапе выполняется продувка газопровода сухим воздухом в течение времени ?_контр и, в случае если ТТР на выходе из МГ не превысила нормативного значения, осушку считают завершённой. В противном случае принимают решение о дальнейшем продолжении осушки, с предварительной ликвидацией отдельных локальных источников влаги по трассе МГ.

В четвертой главе исследованы особенности заполнения природным газом МГ Бованенково-Ухта, обусловленные прохождением его по зонам залегания ММГ, отрицательными температурами на глубине заложения газопровода, возможностью возникновения недопустимо низких температур в газопроводе в процессе дросселирования подаваемого газа и необходимостью обеспечения требуемого влагосодержания газа, поступающего в газопровод, с целью недопущения выпадения влаги в его полости.

Разработана технология заполнения природным газом МГ Бованенково-Ухта, основанная на том, что с целью ускорения ввода в эксплуатацию, заполнение МГ запланировано от действующей системы газопроводов Северные районы тюменской области - Торжок (СРТО-Торжок), Сосногорского газоперерабатывающего завода (СГПЗ) и от Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ). При этом МГ после строительства, испытания и осушки должен находиться под давлением азота.

При разработке технологии вытеснения азота и заполнения участков МГ газом учтены следующие ограничения технологических параметров:

- объёмный расход газа в участке МГ при вытеснении азота в процессе его стравливания в атмосферу через свечу должен соответствовать объёмному расходу азота по участку МГ для обеспечения стационарного режима вытеснения азота в заданное время;

- температура газа в МГ и в обвязке крановых узлов не должна быть ниже минус 20°С, исходя из ограничений по температуре, предъявляемых к трубам, соединительным деталям и кранам;

- ТТР газа при максимальном давлении заполнения в МГ должна быть ниже минимальной температуры грунта на глубине заложения газопровода на этих участках с целью недопущения выпадения из газа воды в виде конденсата;

- скорость газа при заполнении участков МГ не должна превышать максимальной скорости газа при его транспортировке по действующим МГ (15 м/с) во избежание возникновения повышенных динамических нагрузок.

С целью обеспечения стационарного режима вытеснения азота из построенных участков МГ получены зависимости объёмного расхода газа при его подаче через кран-регулятор в сопоставлении с расходом азота при его истечении из продувочных свечей в конце участка газопровода (рис. 7).

Для каждого диаметра продувочной свечи при данном давлении азота в МГ существует такая степень открытия крана-регулятора, которая позволяет уровнять объёмные расходы газа в начале участка МГ и азота на выходе из него, обеспечив, тем самым, стационарный режим вытеснения азота из МГ. Обеспечение равенства объёмных расходов азота и газа по участку при вытеснении азота газом ограничивает их смешение, позволяет определить расчётом момент необходимости закрытия крана на свече.



Рис. 7 - Зависимости объёмного расхода газа при его подаче через кран-регулятор в сопоставлении с расходом азота при его истечении из продувочных свечей различного диаметра в конце участка газопровода

Например, для вытеснения азота из МГ с манометрического давления 0,02 МПа через свечу DN 300, необходимо провести горизонтальную прямую, соответствующую давлению 0,02 МПа (рис. 7) и в точке её пересечения с зависимостью объёмного расхода азота через свечу данного диаметра (коричневого цвета) возвести перпендикуляр. Точки пересечения перпендикуляра с зависимостями объёмных расходов газа из подающего газопровода в заполняемый (голубого цвета) указывают число оборотов штурвала крана-регулятора на оси ординат слева, обеспечивающее искомый расход газа.

Для определения расходов азота и природного газа использовались зависимости 10, с учётом физических свойств азота и газа, соответственно.

При вытеснении азота и заполнении газом участков МГ Бованенково-Ухта дросселирование газа осуществляется кранами-регуляторами DN 100 производства ООО «Самараволгомаш».

Для разработки алгоритма работы с кранами путём геометрического моделирования получена зависимость площади указанного крана-регулятора от угла поворота пробки и числа оборотов штурвала (рис. 8).

Рис. 8 - Зависимость площади проходного сечения крана-регулятора DN 100 от угла поворота пробки и числа оборотов штурвала.

Продолжительность вытеснения азота из участка газопровода, с, можно определить как

,(20)

Где r_0аз - плотность природного газа при нормальных условиях (273,16 K; 101325 Па), кг/м³; P_аз - избыточное давление азота в участке газопровода, МПа; G_аз- массовый расход азота через продувочную свечу, кг/с, определяемый по формуле 10 (для некритического истечения).

Опасность снижения температур в МГ ниже минус 20°С обусловлена дросселированием газа из подающего участка в заполняемый, которое сопровождается падением температуры газа (эффект Джоуля-Томсона).

Получены зависимости от манометрического давления температурных перепадов DT,°C, возникающих при дросселировании газа в заполняемом МГ, при различных давлениях в подающем участке P_под и в заполняемом P_зап, МПа, и минимальной температуры грунта на глубине заложения МГ в районе Ухты и в районе КС Байдарацкая на п-ове Ямал (рис. 9).

Рис. 9 - Зависимости ДT при дросселировании газа от P_зап при различных P_под в районе Ухты и в районе КС Байдарацкая.

В связи с тем, что для заполнения МГ Бованенково-Ухта планируется использование природного газа из различных источников, в том числе от МГ СРТО-Торжок с рабочим давлением 7,4 МПа, СГПЗ и, собственно, Бованенковского НГКМ, получены зависимости ТТР от давления для газа, поступающего из всех перечисленных источников (рис. 10). Технология работы установки низкотемпературной сепарации газа на Бованенковском НГКМ предусматривает три режима подачи газа на стадии пуска месторождения при различных давлениях газа, при этом глубина его осушки прямо пропорциональна давлению.

В соответствии с ограничением по минимальной допустимой температуре газа в заполняемых участках МГ следует выполнять вытеснение азота и заполнение газом участков МГ последовательно от участка к участку ступенями по давлениям.

Продолжительность заполнения участков газопровода газом, с, с учётом заполнения их ступенями по абсолютным давлениям в заполняемом участке от P_{зап i-1} до P_{зап i}, Па, в промежутке между которыми степень открытия крана-регулятора является постоянной, рассчитывается по формуле

, (21)

где G_i-1 и G_i - массовые расходы природного газа, кг/с, соответственно, начальный и конечный моменты периода заполнения при заданном постоянном открытом сечении крана-регулятора, которые определяются по формуле 10 с учётом физических свойств природного газа; z_i - средний коэффициент сверхсжимаемости природного газа в i-ом процессе.

Рис. 10 - Зависимости ТТР природного газа, поступающего для заполнения МГ Бованенково-Ухта от манометрического давления: 1, 2, 3 - газ, подаваемый с ГП 2, при заполнении до 2; с 2 до 3,5 и с 3,5 до 6,5 МПа, соответственно; 4 - итоговая ТТР газа в газопроводе при его заполнении до 6,5 МПа с ГП 2; 5 - газ, подаваемый с СГПЗ; 6, 7 - газ, поступающий от КС Ухтинская МГ СРТО - Торжок в зимний и летний сезон, соответственно.

В работе представлены графики и составлены таблицы для расчёта процесса заполнения различных участков МГ в зависимости от условий их заполнения с учётом изложенных ограничений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Исследованы термодинамические процессы, происходящие в газопроводе при испытании на прочность пневматическим способом, в том числе во время заполнения воздухом, выдержки под испытательным давлением, стравливании воздуха из испытанного газопровода. В результате установлены требования к влагосодержанию воздуха, подаваемого в газопровод при пневматических испытаниях и регулированию скорости стравливания воздуха из испытанного газопровода в зависимости от температуры грунта на глубине его заложения, испытательного давления, наличия тепловой изоляции.

2 Разработана методика определения технологических параметров осушки МГ продувкой сухим воздухом в зависимости от температуры грунта на глубине заложения газопровода, давления воздуха, производительности установок осушки, количества остаточной воды, диаметра и протяжённости участка МГ, позволяющая оценивать продолжительность осушки.

3 Предложено техническое решение по установке промежуточных адсорбционных блоков при осушке линейной части МГ, позволяющее сократить продолжительность осушки сухим воздухом по сравнению с традиционным способом.

4 Разработан способ определения местоположения источников влаги по длине газопровода после его выдержки на заключительной стадии осушки на основании данных непрерывного мониторинга температуры точки росы воздуха, занимающего один объём газопровода.

5 Разработаны технология и методика вытеснения азота и заполнения газом участков МГ Бованенково-Ухта, учитывающие: ограничение влагосодержания газа; температурный перепад, возникающий при дросселировании вследствие эффекта Джоуля-Томсона; линейную скорость газа; а также обеспечивающие стационарный режим вытеснения азота из заполняемых газом участков МГ и позволяющие обеспечить безопасное заполнение природным газом.

6 На основании полученных результатов разработаны требования, включенные в следующие отраслевые нормативные документы: СТО Газпром 2-3.5-354-2009 «Порядок проведения испытаний магистральных газопроводов в различных природно-климатических условиях», СТО Газпром 2-2.1-249-2008 «Магистральные газопроводы», Технические требования на испытания магистрального газопровода Бованенково-Ухта и его подводного перехода через Байдарацкую губу, Технологический регламент по заполнению построенных участков МГ Бованенково-Ухта от существующих газопроводов Единой системы газоснабжения и от месторождения Бованенково.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

испытание магистральный газопровод

1 Ширяпов Д.И. Особенности заполнения природным газом магистрального газопровода Бованенково-Ухта / Д.И. Ширяпов, С.В. Карпов // Газовая промышленность. - 2011 - №1 - С.66-69.

2 Ширяпов Д.И. Методические вопросы осушки магистральных газопроводов / Д.И. Ширяпов, С.В. Карпов // Наука и техника в газовой промышленности. - 2011 - №3. - С. 8-17.

3 Ширяпов Д.И. Термодинамика пневматических испытаний газопроводов // Территория НЕФТЕГАЗ. - 2011. - №3. - С. 82-88.

4 Ширяпов Д.И. Определение технологических параметров осушки магистральных газопроводов после гидроиспытаний. Тезисы докладов II научно-практической конференции ЗАО «Ямалгазинвест». - М.: ЗАО «Ямал-газинвест», 2006. - С.31.

5 Ширяпов Д.И. Проблемы испытания газопроводов в условиях Крайнего Севера и пути их решения / С.В. Карпов, Д.И. Ширяпов, Т.Н. Трофимова // Целостность и прогноз технического состояния газопроводов: Тезисы докладов международной научно-практической конференции 10-11 октября 2007 г. - М.: ВНИИГАЗ, 2007. - С.10-11.

6 Ширяпов Д.И. Порядок проведения очистки полости, испытаний и осушки газопроводов на участках с многолетнемёрзлыми грунтами. Тезисы докладов научно-технической конференции молодых работников газовой промышленности ООО «Газпром добыча Оренбург» 8-12 сентября 2008 г. - Оренбург: ИПК «Газпромпечать», 2008. - С.26.

7 Ширяпов Д.И. Особенности испытаний магистрального газопровода Бованенково-Ухта. Тезисы докладов V научно-практической конференции ЗАО «Ямалгазинвест» 18-22 мая 2009 г. - М.: ЗАО «Ямалгаз-инвест», 2009. - С.42.

8 Ширяпов Д.И. Особенности выполнения предпусковых операций на магистральном газопроводе Бованенково-Ухта. Тезисы докладов восьмой всероссийской конференции молодых учёных, специалистов и студентов 6-9 октября 2009 г. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009. - С.42.

9 Ширяпов Д.И. Исследование термодинамических процессов, происходящих при испытаниях магистральных газопроводов на прочность пневматическим способом в условиях низких температур // Сборник научных статей аспирантов и соискателей ООО «Газпром ВНИИГАЗ». - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2011. - С.86-105.

10 Ширяпов Д.И., Губарев Е.Б., Карпов С.В., Елфимов А.В., Алихашкин А.С., Трофимова Т.Н. Новые подходы при заполнении газом первой нитки системы МГ «Бованенково-Ухта». Тезисы докладов IV-й международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2011. - С.99.

11 Карпов С.В., Федотов В.В., Елфимов А.В., Ширяпов Д.И., Алихашкин А.С. Комплексный подход к систематизации требований к очистке полости, испытаниям и осушке при строительстве, реконструкции и ремонте магистральных газопроводов, включая подводные переходы и морские газопроводы. Тезисы докладов IV-й международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2011. - С.89.

Размещено на Allbest.ru

...