Методика розрахунку режимних та енергетичних параметрів роботи магістральних нафтопроводів

Размещено на http://www.allbest.ru/

50

|

Методика розрахунку режимних та енергетичних параметрів роботи магістральних нафтопроводів

М. Д. Середюк, А. С. Івоняк

Предложены методика, алгоритм и программное обеспечение для проведения многовариантных расчетов режимных и энергетических параметров работы магистральных нефтепроводов. Полученные результаты являются базой для оптимизации режимов работы и разработки удельных норм расхода электроэнергии на трубопроводный транспорт нефти.

The methods, algorithm and the software for conducting multiple calculations of regime and power work arguments of head oil pipelines are proposed. The received results are base for optimization of modes of operation and development of specific norms of expenses of an electrical power on a pipeline transportation of oil.

На сьогодні у трубопровідному транспорті нафти, як і в інших сферах суспільного виробництва, особливо актуальні питання енергозбереження. Перекачування нафти по магістральних нафтопроводах вимагає значних витрат електроенергії, які складають основну статтю транспортних витрат. Практичним інструментом реалізації енергозберігаючих технологій трубопровідного транспорту нафти є розробка і впровадження науково обгрунтованих питомих витрат електроенергії на перекачування нафти.

Питання нормування витрат електроенергії на транспортування нафти нерозривно пов'язане з технологічними аспектами роботи магістральних нафтопроводів, з визначенням їх фактичної пропускної здатності та розрахунком енергетичних параметрів роботи насосних агрегатів.

Сучасні нафтотранспортні системи мають складну структуру, окрім однониткових ділянок включають двониткові ділянки, а також ділянки зі вставками більшого діаметра та лупінгами. Нафтоперекачувальні станції (НПС), навіть в межах одної експлуатаційної ділянки, оснащені різними типами насосів. На НПС широко застосовуються нестандартні ротори насосів, які виготовлені за спеціальним замовленням і мають гідродинамічні та енергетичні характеристики, що суттєво різняться від характеристик стандартних роторів нафтових насосів. На ряді НПС насосний парк включає чотири насосні агрегати з різними типами роторів.

Аналіз фактичних режимів роботи нафтопроводів України показує, що на сьогоднішній день переважно реалізуються варіанти роботи, при яких на кожній НПС працює один магістральний насос. У практиці експлуатації вітчизняних магістральних нафтопроводів використовуються також варіанти роботи, при яких деякі проміжні НПС не працюють.

Враховуючи складну гідравлічну структуру нафтопроводів, різноманітність типів насосів та роторів на нафтоперекачувальних станціях, перекачування нафти може здійснюватись при різних варіантах роботи, що відрізняються геометричною конфігурацією трубопроводу (кількість працюючих ниток, включений чи відключений лупінг тощо), схемою роботи проміжних НПС та схемою роботи насосних агрегатів на кожній НПС. Кожен варіант роботи характеризується певною пропускною здатністю нафтопроводу, яка відповідає конкретним фізичним властивостям нафти, та певними затратами електроенергії, які відповідають енергетичним характеристикам насосних агрегатів, що здійснюють перекачування нафти.

Пропускною здатністю нафтопроводу будемо вважати максимальну кількість нафти, яка може бути транспортована трубопроводом при певних фізичних властивостях нафти для конкретної схеми роботи насосів та нафтоперекачувальних станцій з врахуванням технологічних обмежень тиску на вході та виході НПС.

Пропускна здатність нафтопроводу залежить від багатьох факторів: геометричних параметрів трубопроводу, величини максимально допустимого тиску в трубопроводі, величини мінімально допустимого тиску на вході в насосні агрегати, фізичних властивостей нафти (в`язкості і густини), напірних характеристик насосних агрегатів, схем їх спільної роботи на трубопровід тощо.

При сезонних змінах температури ґрунту на глибині укладання трубопроводу змінюється температура нафти, а отже її в`язкість, що в свою чергу викликає зміну пропускної здатності нафтопроводу та енергетичних витрат на транспортування нафти.

Пропускна здатність нафтопроводу (експлуатаційної ділянки) визначається з рівняння балансу створених насосами тисків та загальних гідравлічних втрат тиску в трубопроводі з врахуванням профілю траси та технологічних обмежень тиску на вході та виході НПС.

На протяжних нафтопроводах, НПС яких оснащені різними типами насосів та роторів, можна реалізувати десятки або навіть сотні різних варіантів роботи. Це робить необхідним застосування комп'ютерних методів при визначенні режимних та енергетичних параметрів роботи нафтопроводу з метою нормування витрат електроенергії на перекачування нафти. Нижче наведені методика, алгоритм та характеристика програм для розрахунку за допомогою ПЕОМ режимних та енергетичних параметрів роботи магістральних нафтопроводів.

Методика визначення пропускної здатності нафтопроводу (експлуатаційної ділянки) залежить від його структури. Для нафтопроводів з одним перегоном (однією НПС) або з кількома перегонами, що мають приблизно однаковий гідравлічний опір (відсутня лімітуюча ділянка), пропускна здатність може визначатись шляхом спільного розв'язування рівняння гідравлічної характеристики лінійної частини та рівняння сумарної напірної характеристики насосів, які працюють при даному варіанті роботи. Для нафтопроводу з кількома перегонами, які помітно різняться гідравлічним опором, пропускна здатність системи визначається пропускною спроможністю лімітуючої ділянки, що вносить суттєві корективи у методику розрахунку.

Комплект вихідних даних для розрахунку режимних та енергетичних параметрів роботи нафтопроводу довільної структури включає:

- розрахункову густину нафти ;

- розрахункову кінематичну в'язкість нафти ;

- кількість перегонів між НПС ;

- внутрішній діаметр трубопроводу (для трубопроводу складної структури еквівалентний діаметр) ;

- довжину нафтопроводу ( експлуатаційної ділянки) ;

- різницю геодезичних позначок кінця і початку нафтопроводу ;

- технологічно необхідний тиск у кінці нафтопроводу ;

- мінімально допустимий тиск нафти на вході в -ту НПС ;

- максимально допустимий тиск у трубопроводі (після регуляторів тиску-ої НПС) ;

- внутрішні діаметри кожного перегону (для трубопроводу складної структури еквівалентний діаметр) ;

- довжини кожного перегону нафтопроводу ;

- різницю геодезичних позначок кінця і початку кожного перегону нафтопроводу ;

- абсолютну еквівалентну шорсткість внутрішньої поверхні труби ;

- масив коефіцієнтів математичних моделей напірних характеристик підпірного та магістральних насосів;

- масив фактичних (паспортних) даних для одержання коефіцієнтів математичних моделей, що описують залежність ККД кожного насоса від його подачі;

При відсутності на нафтопроводі лімітуючої ділянки алгоритм розрахунку режимних та енергетичних параметрів роботи передбачає виконання наступних операцій.

Описують у вигляді тричленного полінома залежність ККД насоса від його подачі у робочій зоні. З цією метою для кожного насоса, що здійснює перекачування нафти при даному варіанті роботи нафтопроводу, обчислюються коефіцієнти математичної моделі за формулами

, (1)

, (2)

, (3)

де: - три відомих значення ККД насоса при подачах відповідно в робочій зоні насоса.

Алгоритм гідравлічного розрахунку включає реалізацію методу послідовних наближень. Задаються першим наближенням витрати нафти і визначають середню швидкість руху нафти у трубопроводі. За відомим діаметром трубопроводу, витратою і кінематичної в'язкістю обчислюється число Рейнольдса

(4)

Коефіцієнт гідравлічного опору нафтопроводу знаходиться за методикою, яка запропонована нами у роботі [1]. Спочатку обчислюється значення коефіцієнта гідравлічного опору за формулою Блазіуса

. (5)

Методом послідовних наближень знаходиться перше перехідне число Рейнольдса , що відповідає ідеалізованій зернистій шорсткості внутрішньої поверхні труби

. (6)

Визначається ефективна еквівалентна шорсткість труби за умовою

. (7)

Методом послідовних наближень знаходиться значення коефіцієнта гідравлічного опору за модифікованою формулою Колбрука

.(8)

Як кінцевий результат вибирається більше із двох розрахованих значень коефіцієнта гідравлічного опору в нафтопроводі.

Знаходяться втрати тиску на тертя і загальні втрати тиску в нафтопроводі

, (9)

, (10)

де - прискорення сили тяжіння;

Тиск, який розвиває підпірний насос при прийнятій подачі нафти

. (11)

Тиск, який створюють магістральні насоси на кожній проміжній НПС

, (12)

де: - коефіцієнти математичної моделі фактичної (паспортної) напірної характеристики підпірного насоса; - коефіцієнти математичної моделі фактичної (паспортної) напірної характеристики працюючого магістрального насоса -ої НПС.

Якщо на НПС працює не один, а кілька магістральних насосів, то попередньо знаходяться коефіцієнти математичної моделі сумарної напірної характеристики насосів при їх послідовній чи паралельній роботі.

Сумарний тиск всіх працюючих насосів при прийнятій подачі нафти

. (13)

Перевіряється виконання умови балансу тисків. Якщо абсолютна величина різниці сумарного тиску НПС і загальних втрат тиску в трубопроводі перевищує необхідну точність гідравлічного розрахунку

, (14)

то коригується витрата нафти в нафтопроводі таким чином:

при , (15)

при , (16)

де - крок зміни витрати нафти в трубопроводі.

Далі розрахунки повторюються, починаючи з визначення середньої швидкості руху нафти, до досягнення необхідної точності гідравлічного розрахунку .

Визначене таким чином значення пропускної здатності нафтопроводу не є остаточним. З метою перевірки виконання існуючих технологічних обмежень по максимальному тиску нафти в трубопроводі та мінімальному тиску нафти на вході в проміжні НПС проводиться подальший гідравлічний розрахунок кожного із перегонів між НПС при знайденому значенні продуктивності нафтопроводу. Обчислюється середня швидкість , число Рейнольдса і коефіцієнт гідравлічного опору для кожного перегону між НПС. Знаходяться втрати тиску на тертя і загальні втрати тиску з врахуванням профілю траси

, (17)

. (18)

Тиск нафти на початку першого перегону

. (19)

Тиск нафти на початку всіх інших перегонів, окрім першого

, (20)

де: - величина тиску на вході в магістральний насос - ої НПС.

Якщо тиск нафти на початку перегону перевищує максимально допустиму із умов міцності трубопроводу величину

, ( 21)

то коригується початковий тиск нафти за умовою

(22)

і визначається необхідна величина дроселювання із умови міцності трубопроводу

. (23)

Обчислюється загальний тиск, що підлягає дроселюванню для забезпечення міцності трубопроводу

. (24)

Знаходиться тиск у кінці кожного перегону і підпір на вході проміжних НПС

, (25)

. (26)

Перевіряється виконання умови безкавітаційної роботи насосів на проміжних НПС

. (27)

Якщо для будь-якої НПС тиск на вході стає менший від мінімально допустимого із умови безкавітаційної роботи насосів

, (28)

то це свідчить про наявність лімітуючої ділянки нафтопроводу і вимагає використання іншої методики гідравлічного розрахунку, алгоритм якого наведений нижче.

Визначається величина тиску насосів НПС, яка може бути використана на перекачування нафти з врахуванням технологічних обмежень тиску

нафтопровід енергетичний пропускний здатність

, (29)

і розрахунки повторюються, починаючи з перевірки виконання умови балансів тиску (14), коригування витрати нафти за формулами (15) або (16) і подальшого визначення режимних параметрів роботи нафтопроводу при скоригованій витраті. В результаті знаходиться пропускна здатність нафтопроводу з врахуванням технологічних обмежень тиску.

Після закінчення гідравлічного розрахунку нафтопроводу визначаються енергетичні витрати на реалізацію даного варіанта його роботи. Спочатку для кожного насоса обчислюється ККД, що відповідає пропускній здатності нафтопроводу

, (30)

. (31)

Якщо на НПС працює не один, а кілька магістральних насосів, то попередньо обчислюються коефіцієнти математичної моделі еквівалентного ККД насосів при їх послідовній чи паралельній роботі.

Знаходиться потужність насосних агрегатів НПС, що необхідна для перекачування нафти

 кВт (32)

кВт (33)

де - ККД електродвигунів для привода підпірного і магістрального насосів відповідно.

Загальні витрати потужності на реалізацію будь-якого варіанта роботи нафтопроводу

, кВт (34)

Питомі витрати електроенергії при реалізації будь-якого варіанта роботи нафтопроводу з врахуванням переходу до практичних одиниць вимірювання витрати нафти

, кВт год/(тис.т км). (35)

Наведений алгоритм реалізований у програмі NORM1, яка дає змогу визначити пропускну здатність та питомі витрати потужності для будь-якого варіанта роботи нафтопроводу, що не має лімітуючої ділянки.

Алгоритм розрахунку режимних та енергетичних параметрів роботи нафтопроводу за наявності лімітуючої ділянки має ряд суттєвих відмінностей.

Задається перше наближення витрати нафти, яке значно менше за пропускну здатність нафтопроводу. Спочатку виконується розрахунок режиму роботи головної НПС і першого перегону нафтопроводу. За формулами (11), (12) прораховуються параметри роботи НПС, а за формулами (4)-(8), (17)-(26) знаходяться початковий тиск , загальні втрати тиску на прилеглій ділянці нафтопроводу , тиск у кінці перегону і величина підпору для наступної НПС. При виконанні умови (27) для всіх проміжних НПС аналогічно першому перегону прораховується другий і всі наступні ділянки нафтопроводу.

Якщо при заданому значенні витрати нафти на вході всіх проміжних НПС ще забезпечується запас тиску над мінімально допустимим із умови безкавітаційної роботи, то збільшується витрата нафти у нафтопроводі за умовою (16).

При певному значенні витрати нафти у нафтопроводі на вході -ої НПС тиск нафти з точністю до стає рівним мінімально допустимому тиску із умови безкавітаційної роботи насосів . Це значення витрати і буде пропускною здатністю нафтопроводу для даного варіанта його роботи і певних фізичних властивостях нафти. Перегон, що знаходиться перед - ою НПС, є лімітуючим. На всіх перегонах, що розміщені після лімітуючої ділянки, при знайденій продуктивності буде мати місце надлишок тиску, який необхідно дроселювати. Загальний обсяг дроселювання складається із величини дроселювання для забезпечення міцності трубопроводу , яка розрахована за формулами (23) і (24), та додаткового дроселювання, спричиненого наявністю лімітуючої ділянки і необхідністю забезпечення необхідних тисків на вході проміжних НПС

, (36)

, (37)

де - розраховане значення тиску нафти у кінці нафтопроводу за відсутності додаткового дроселювання.

Далі за формулами (30)-(34 ) визначаються енергетичні витрати на реалізацію даного варіанта роботи нафтопроводу.

Наведений алгоритм реалізований у програмі NORM2, яка дає змогу визначити пропускну здатність та питомі витрати потужності для будь-якого варіанта роботи нафтопроводу, що має лімітуючі ділянки.

Розроблені нами методика, алгоритм та програмне забезпечення використані для розрахунку пропускної здатності та питомих витрат електроенергії на транспортування нафти по нафтопроводу Кременчук-Снігурівка. Трубопровід має складну структуру, включає лупінги і вставки, що впливають на його гідравлічний опір. На трасі розміщені головна і три проміжні НПС. Кожна НПС оснащена чотирма насосними агрегатами з різними типами роторів. На даному нафтопроводі теоретично можна реалізувати кілька сот різних варіантів роботи. Аналіз статистичних даних за останні роки дає змогу вибрати множину варіантів роботи, які доцільно використовувати при наявному на сьогодні завантаженні нафтопроводу.

Сформований банк вихідних даних по лінійній частині трубопроводу та нафтоперекачувальних станціях. За програмою NORM2 виконані багатоваріантні гідравлічні розрахунки нафтопроводу Кременчук-Снігурівка для варіантів роботи, що можуть мати практичну реалізацію. Одержані результати наведені в таблиці. Режимні та енергетичні параметри роботи нафтопроводу відповідають середньорічним умовам перекачування за останні роки - розрахунковій густині нафти кг/м³ та розрахунковій кінематичній в'язкості нафти =31 сСт. Одержані результати оформлені у вигляді технологічних карт режимів роботи нафтопроводу (дивись таблицю). Технологічні карти є необхідною базою для нормування витрат електроенергії на перекачування нафти та оптимізації режимів роботи магістральних нафтопроводів за критерієм мінімальних енерговитрат.

Описана вище методика розрахунку режимних та енергетичних параметрів роботи магістральних нафтопроводів є складовою частиною розробленої нами методики нормування питомих витрат електроенергії на транспортування нафти, яка оформлена у вигляді стандарту підприємства “Придніпровські магістральні нафтопроводи”. На сьогодні стандарт проходить процедуру затвердження в НАК “Нафтогаз України”.

Таблиця - Режимні та енергетичні параметри роботи нафтопроводу Кременчук-Снігурівка

Размещено на Allbest.ru