Визначення пропускної здатності кільканиткового газопроводу при роботі з відкритими перемичками на ділянках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.691.4.07

ІФНТУНГ, 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15 , тел.(03422) 42166

Визначення пропускної здатності кільканиткового газопроводу при роботі з відкритими перемичками на ділянках

М.Д.Середюк, А.І.Ксенич, М.І.Фик

e-mail: tzng@nung.edu.ua

Аннотация

кільканитковий газопровід пропускний

Разработаны методология, вычислительный алгоритм и программное обеспечение для определения пропускной способности многониточного газопровода при любой комбинации открытых перемычек между нитками на линейных участках. С помощью разработанных алгоритмов и программы исследовано влияние ряда факторов на пропускную способность и режимы роботы трёхниточной газотранспортной системы на участке КС Бар - КС Богородчаны.

Annotation

Designed methodology, computing algorithm and software for the determination of reception gas pipeline's peak capacity with any combinations of open locks between pipelines section. Was done research of influence of ambient conditions and other factors on pipeline's carrying peak capacity and mode of working tree gas pipelines in the CS Bar-CS Bogorodchany's area using the aforementioned software.

Обєктом досліджень є газотранспортна система, яка складається із кількох паралельних газопроводів і здійснює транзитне транспортування газу. Компресорні станції газопроводів (ниток) оснащені різними типами газоперекачувальних агрегатів (ГПА). Конкретним прикладом такої системи є триниткова газотранспортна система “Союз”, Уренгой-Помари-Ужгород та “Прогрес” на ділянці КС Бар - КС Богородчани. Кільканиткові газотранспортні системи України оснащені перемичками між нитками як на вході і виході кожної КС, так і по трасі газопроводів. З цієї причини складні за структурою газотранспортні системи можуть транспортувати газ за різними схемами роботи. У найпростішому випадку кожна нитка може працювати автономно як окремий газопровід. При цьому перемички між нитками як на вході і виході компресорних станцій, так і на перегонах між компресорними станціями закриті. Методика та обчислювальний алгоритм визначення пропускної здатності автономно працюючої нитки кільканиткової газотранспортної системи наведені у роботі [1]. Там же запропоновані методика визначення пропускної здатності кільканиткового газопроводу при одночасно відкритих перемичках на вході і виході кожної компресорної станції.

Метою досліджень, результати яких наведені нижче, є розробка методології та обчислювальних алгоритмів визначення пропускної здатності кільканиткового газопроводу при будь-якій комбінації відкритих перемичок між нитками на лінійних ділянках.

Під пропускною здатністю будемо розуміти максимальну кількість газу, яку можна транспортувати кільканитковим газопроводом для певної комбінації відкритих перемичок при заданих значеннях тиску і температури газу на вході у першу компресорну станцію, заданому тиску газу у кінці газопроводу, заданій кількості працюючих ГПА на кожній компресорній станції, за умов навколишнього середовища, що відповідають розрахунковому періоду.

Після відкриття перемичок між нитками кільканитковий газопровід працює як єдина газодинамічна система. При цьому пропускна здатність кільканиткового газопроводу, режим роботи кожної КС та витрата газу на кожному перегоні до і після перемички можуть помітно відрізнятись від відповідних параметрів роботи газопроводів при їх автономній роботі.

Обчислювальний алгоритм визначення пропускної здатності кільканиткового газопроводу при роботі з відкритими перемичками на ділянках між нитками базується на використанні таких розрахункових блоків, характеристика яких наведена в [1]:

- блок розрахунку фізичних властивостей природного газу;

- блок розрахунку наявної потужності газотурбінного привода газоперекачувальних агрегатів компресорної станції;

- блок математичного моделювання зведених газодинамічних характеристик відцентрових нагнітачів;

- блок розрахунку режиму роботи газоперекачувальних агрегатів компресорної станції;

- блок розрахунку витрат газу на власні потреби компресорної станції;

- блок теплогідравлічного розрахунку ділянки газопроводу.

Розраховані параметри режиму роботи КС повинні бути перевірені на виконання таких технологічних обмежень:

- тиск газу на нагнітанні не повинен перевищувати максимальне допустиме значення із умов міцності трубопроводів та обладнання

; (1)

- зведена продуктивність нагнітача за умов на його вході повинна бути не менша за мінімальне значення , що забезпечує роботу нагнітача без помпажа

 ; (2)

- потужність, спожита нагнітачем, повинна бути не більша за наявну потужність газотурбінної установки

; (3)

- зведена відносна обертова частота нагнітача повинна бути не менша за мінімально допустиму паспортну величину

. (4)

Загалом газотранспортна система може мати компресорних станцій і паралельних ниток газопроводів. Параметрам роботи компресорних станцій і лінійних ділянок газопроводів присвоюємо два індекси, перший із них вказує номер компресорної станції і прилеглого перегону на трасі газопроводу, другий вказує номер нитки газопроводу. Вводимо двовимірні масиви вхідних даних для розрахунку режимів роботи компресорних станцій і лінійних ділянок кільканиткової газотранспортної системи.

За відомим складом природного газу в об'ємних відсотках, використовуючи відповідний розрахунковий блок, знаходимо відносну густину газу за повітрям , газову сталу і нижчу теплоту згоряння .

Використовуючи відповідний розрахунковий блок, визначаємо наявну потужність газотурбінних установок для привода нагнітачів на кожній компресорній станції.

Виконуємо математичне моделювання зведених газодинамічних характеристик кожного типу відцентрових нагнітачів, що установлені на компресорних станціях кільканиткового газопроводу. У результаті для кожного типу нагнітача одержуємо математичні моделі його напірних та енергетичних характеристик у вигляді поліномів третього степеня.

У загальному випадку на першій КС для кожної нитки газопроводу можуть бути задані різні значення абсолютного тиску і температури газу на вході у нагнітачі. Задане значення абсолютного тиску газу на вході в нагнітачі кінцевої компресорної станції КС ()j також може бути різним .

Вважаємо, що на кожному перегоні передбачена хоча б одна перемичка, яка може з'єднати всі або деякі із працюючих паралельних ниток газопроводу.

Відкриття будь-якої перемички між нитками призводить до вирівнювання тиску у місці їх з'єднання, що у свою чергу викликає зміни режиму роботи кожної із компресорних станцій і відповідних ділянок газопроводів.

Для визначення пропускної здатності кільканиткової газотранспортної системи при відкритих перемичках на ділянках необхідно мати перше наближення тиску газу у кожному місці з'єднання ниток.

Вводимо масив коефіцієнтів , які визначають схему роботи перемичок. Для відкритої перемички приймаємо , для закритої - . Наприклад, для газотранспортної системи, що складається з трьох ниток (, на кожній із яких є два перегони (, при відкритті перемичок на кожному перегоні масив значень коефіцієнтів має вигляд

, , ,, , .

Для випадку, коли перемичками на трасі з'єднані тільки перший і другий газопроводи, а третій працює окремо, масив значень коефіцієнтів має вигляд

, , ,, , .

Позначимо через відстань від КС до -ої перемички на -ій нитці газопроводу.

Для кожної нитки газопроводу на кожному перегоні, використовуючи блок теплогідравлічного розрахунку ділянки газопроводу, визначаємо тиск газу у місці розташування перемички за витрати газу, що відповідає пропускній здатності нитки при її автономній роботі . Як перше наближення приймаємо середнє арифметичне значення тисків газу на перемичці для тієї кількості ниток , які з'єднані відкритою перемичкою на -ому перегоні

. (5)

Приймаємо як перше наближення об'ємної витрати газу через нагнітачі першої КС, що працює на -ий газопровід (КС 1), витрату, яка відповідає автономній роботі ниток

. (6)

Виконуємо розрахунок режиму роботи першої КС на -ому газопроводі при номінальній обертовій частоті нагнітачів , перевіряючи при цьому виконання технологічних обмежень параметрів роботи (1)-(3). При порушенні будь-якої із зазначених умов приймається рішення про зменшення обертової частоти нагнітачів відповідної КС. Далі розрахунки повторюються до досягнення умов виконання всіх технологічних обмежень. Після завершення ітерацій обчислюємо абсолютний тиск газу на виході нагнітачів , температуру газу та потужність, спожиту нагнітачами .

Використовуючи відповідний блок, обчислюємо витрати газу на власні потреби першої КС -ого газопроводу .

Переходимо до теплогідравлічного розрахунку першої частини першого перегону на -ому газопроводі довжиною (до перемички). При цьому враховуємо, що витрата газу на зазначеній ділянці дорівнює витраті газу через нагнітачі відповідної КС

. (7)

Знаходимо температуру газу на початку ділянки . Визначаємо тиск газу на початку ділянки з врахуванням втрат тиску у вихідних комунікаціях компресорної станції.

Використовуючи блок теплогідравлічного розрахунку ділянки газопроводу, методом послідовних наближень знаходимо тиск газу в -ому газопроводі на відстані від КС 1 . Як перше наближення приймаємо, що необхідний тиск газу на перемичці дорівнює усередненому значенню відповідних тисків при автономній роботі ниток

. (8)

При виконанні умови

, (9)

де - точність розрахунку тисків газу,

розрахунок КС 1 і першої частини перегону для даної ітерації завершений.

Інакше при виконанні

(10)

зменшується витрата газу через нагнітачі першої КС -ого газопроводу за умовою

, (11)

а при виконанні умови

(12)

збільшується витрата газу через нагнітачі відповідної КС за умовою

, (13)

де - крок зміни витрати газу.

У результаті знаходимо витрати газу у нитках газопроводів до першої перемички , при яких тиск газу у місці з'єднання газопроводів однаковий і рівний прийнятому значенню тиску . Визначаємо також температуру газу для кожної нитки у місці знаходження першої перемички .

Для ниток газопроводу, які на першому перегоні не з'єднані відкритими перемичками, а працюють автономно (для яких виконується умова),

(14)

ітерації по величині тиску газу у місці розташування перемичок не передбачаються.

Обчислюємо сумарну витрату газу на першій частині першого перегону

. (15)

Коригуємо перше наближення тиску газу у відкритих перемичках на першому перегоні шляхом порівняння розрахованої сумарної витрати газу з прогнозованою витратою при роботі з відкритими перемичками, яка знаходиться так:

, (16)

де: - розрахована раніше сумарна витрата газу на першому перегоні при автономній роботі ниток газопроводу;

- прогнозована зміна сумарної витрати газу, спричинена відкриттям перемичок між нитками на ділянках.

При виконанні умови

, (17)

де - точність визначення сумарної для паралельних ниток витрати газу,

коригування тиску газу на перемичці на першому перегоні завершено.

Інакше, при виконанні умови

, (18)

зменшується тиск газу на відповідній перемичці

, (19)

а при виконанні умови

, (20)

збільшують тиск газу на відповідній перемичці

, (21)

де - крок зміни тиску газу.

Переходимо до теплогідравлічного розрахунку другої частини першого перегону на -ій нитці довжиною . Тиск газу на початку зазначеної ділянки однаковий для всіх ниток, що з'єднані відкритими перемичками, і становить

. (22)

Температуру газу на початку ділянки після перемички приймаємо рівною розрахованій раніше температурі газу у кінці ділянки відповідного газопроводу до перемички

. (23)

Як перше наближення витрати газу на першому перегоні після перемички приймаємо

. (24)

Реалізуючи блок теплогідравлічного розрахунку ділянки газопроводу, методом послі-довних наближень знаходимо тиск газу у кінці першого перегону для кожної нитки газопроводу та кінцеву температуру газу .

Переходимо до розрахунку режиму роботи компресорних станцій, що працюють на другий перегін (). Визначаємо тиск газу на вході -ої КС з врахуванням втрат тиску у вхідних комунікаціях КС. Приймаємо, що . Перше наближення витрати газу через нагнітачі -ої КС знаходимо за умовою

. (25)

Виконуємо розрахунок режиму роботи -ої КС при номінальній обертовій частоті нагнітачів , перевіряючи при цьому виконання технологічних обмежень параметрів роботи (1)-(3). При порушенні будь-якої із зазначених умов приймається рішення про зменшення обертової частоти нагнітачів відповідної КС . У результаті знаходимо абсолютний тиск газу на виході нагнітачів , температуру газу та потужність, спожиту нагнітачами . Обчислюємо витрати газу на власні потреби компресорних станцій, розміщених на початку другого перегону .

Знаходимо уточнене значення витрати газу через нагнітачі КС

. (26)

Якщо виконується умова

, (27)

де - точність розрахунку витрати газу в одній нитці газопроводу, то розрахунок режиму роботи -ої КС, яка працює на другий перегін, для даної ітерації закінчений. Інакше, приймаємо

(28)

і розрахунки режиму роботи відповідної КС повторюємо до виконання умови (27).

Переходимо до теплогідравлічного розрахунку першої частини другого перегону газопроводу довжиною . При цьому враховуємо, що витрата газу на зазначеній ділянці дорівнює витраті газу через нагнітачі попередньої КС

. (29)

Знаходимо температуру газу на початку ділянки . Обчислюємо початковий тиск газу . Методом послідовних наближень знаходимо тиск газу у кожному газопроводі на відстані від КС 2 . Якщо для -ої нитки перемичка між нитками закрита, тобто при виконанні умови

, (30)

коригування тиску у місці розташування перемички не передбачається.

Якщо для -ої нитки перемичка між нитками відкрита, тобто при виконанні умови

, (31)

як перше наближення приймаємо, що необхідний тиск газу на перемичці дорівнює усередненому значенню відповідних тисків при автономній роботі ниток

, (32)

або у загальному випадку

. (33)

При виконанні умови

, (34)

розрахунок КС 2 та першої частини перегону для даної ітерації завершений.

Якщо умова (34) не виконується, то для коригування величини тиску газу необхідно знайти на трасі газопроводу до перемички, що розглядається, найближчу відкриту перемичку, для якої

. (35)

При виконанні умови

(36)

зменшується витрата газу на другій частині -ого перегону -ого газопроводу за умовою

, (37)

а при виконанні умови

(38)

збільшується витрата газу на другій частині -ого перегону -ого газопроводу за умовою

. (39)

Якщо перед перемичкою, що розглядається, відсутні відкриті перемички, то коригується витрата газу через нагнітачі першої КС. Тоді при виконанні умови (36) зменшується витрата газу через нагнітачі КС 1 -ого газопроводу за умовою

, (40)

а при виконанні умови (38) збільшується витрата газу через нагнітачі КС1 -ого газопроводу за умовою

. (41)

У результаті знаходимо витрати газу у нитках газопроводів до другої перемички , при яких тиск газу у місці з'єднання газопроводів однаковий і рівний прийнятому значенню тиску . Визначаємо також температуру газу для кожної нитки у місці знаходження другої перемички .

Перевіряємо виконання матеріального балансу газу у місці знаходження перемички на другому перегоні. Якщо на перегоні, що розглядається, або на попередньому відсутні відкриті перемички між нитками

, (42)

, (43)

то умова матеріального балансу газу виконується автоматично.

Інакше, обчислюємо сумарну витрату газу на першій частині другого перегону

 . (44)

Перевіряємо виконання умови матеріального балансу. Сумарна витрата газу на першій частині другого перегону (до другої перемички) повинна дорівнювати

. (45)

Якщо виконується умова

, (46)

то умова матеріального балансу виконана, і розрахунок системи до другої перемички для даної ітерації завершений. Інакше, при виконанні умови

(47)

зменшується величина тиску газу на відповідній перемичці

, (48)

а при виконанні умови

(49)

збільшується величина тиску газу на другій перемичці

. (50)

У результаті знаходимо величину тиску газу на другій перемичці , при якій виконується умова матеріального балансу газу при прийнятому на початку розрахунку значенні тиску газу на першій перемичці .

Для інших компресорних станцій і перегонів () розрахунки виконуються аналогічно за наведеним вище алгоритмом.

Нижче наведені особливості розрахунку другої частини останньої ділянки газопроводу.

Реалізуючи блок теплогідравлічного розрахунку, методом послідовних наближень знаходимо тиск газу у кінці останнього перегону для кожної нитки газопроводу та кінцеву температуру газу . Визначаємо тиск газу на вході -ої КС, що розміщена у кінці системи .

Якщо виконується умова

, (51)

то розрахунок кільканиткової газопровідної системи для даної ітерації завершений. Інакше, за умови відкриття останньої перемички на -ій ділянці газопроводу

(52)

при виконанні умови

(53)

збільшується витрата газу на останній ділянці після перемички

, (54)

а при виконанні умови

(55)

зменшується витрата газу на останній ділянці після перемички

. (56)

Якщо остання перемичка на даній нитці закрита, то для коригування величини кінцевого тиску газу треба знайти місцезнаходження на трасі газопроводу найближчої відкритої перемички, для якої

. (57)

Тоді при виконанні умови

(58)

збільшується витрата газу на -ій ділянці після перемички

, (59)

а при виконанні умови

(60)

зменшується витрата газу на -ій ділянці після перемички

. (61)

Рисунок 1 - Розрахункова схема триниткової газотранспортної системи на ділянці КС Бар - КС Богородчани з перемичками між нитками на ділянках

Якщо всі попередні перемички на -ому газопроводі закриті, то коригується витрата газу через нагнітачі першої КС. При виконанні умови (58) збільшується витрата газу через нагнітачі першої КС за умовою (41), а при виконанні умови (60) зменшується витрата газу через нагнітачі першої КС 1 за умовою (40).

Знаходиться сумарна витрата газу на останньому перегоні газопроводу після останніх перемичок

. (62)

Перевіряємо виконання умови матеріального балансу. Баланс газу для останньої ділянки газопроводів знаходимо за формулою

. (63)

Якщо виконується умова

, (64)

то умова матеріального балансу газу виконана, і розрахунок складної газопровідної системи завершений.

Інакше, необхідно провести коригування тиску на першій (від початку газопроводу) відкритій перемичці, для якої .

При виконанні умови

, (65)

збільшується величина тиску на -ій перемичці

, (66)

а при виконанні умови

, (67)

зменшується величина тиску на -ій перемичці

. (68)

Далі розрахунки повторюються за наведеним вище алгоритмом, розпочинаючи із розрахунку режиму роботи першої КС, що працює на першу нитку газопроводу. Після виконання умови (64) процес обчислення завершений. Знайдена пропускна здатність кільканиткового газопроводу при роботі з відкритими перемичками на ділянках, розрахований розподіл потоків газу до і після кожної перемички, визначені режимні та енергетичні параметри роботи кожної із компресорних станцій.

З метою апробації розроблених методик, обчислювальних алгоритмів та програмного забезпечення нами виконані багатоваріантні розрахунки пропускної здатності, режимних та енергетичних параметрів роботи трьох паралельних транзитних газопроводів "Союз", Уренгой-Помари-Ужгород та "Прогрес" на ділянці КС Бар-КС Богородчани. Для цього за матеріалами, представленими УМГ "Черкаситрансгаз" і УМГ "Прикарпаттрансгаз", були узагальнені геометричні характеристики лінійної частини газопроводів та технічні характеристики газоперекачувальних агрегатів шести компресорних станцій. Аналіз показав, що на зазначеній ділянці три паралельні газопроводи мають перемички як на вході, так і на виході кожної компресорної станції. Окрім того, майже на всіх лінійних ділянках також передбачені перемички між паралельними нитками. Виключенням є перегін КС Гусятин-КС Богородчани, на якому відсутня перемичка між нитками газопроводами "Союз" та Уренгой-Помари-Ужго-род. Розрахункова схема триниткової газотранспортної системи, яка була об'єктом досліджень, наведена на рисунку 1.

За допомогою розроблених алгоритмів та програм був досліджений вплив низки чинників на пропускну здатність та режими роботи триниткової газотранспортної системи на ділянці КС Бар-КС Богородчани. Одним із найбільш впливових чинників, як показали результати наших досліджень [1], є температурний чинник, тобто сезонні зміни температури повітря і температури грунту на глибині укладання трубопроводів. Розрахункові значення температури повітря і відповідні значення температури грунту, які використовувалися у розрахунках, наведені в [1].

Рисунок 2 -- Залежність пропускної здатності триниткової газотранспортної системи на ділянці Бар-Богородчани від температури повітря (повне завантаження системи)

Рисунок 3 -- Залежність пропускної здатності триниткової газотранспортної системи на ділянці Бар-Богородчани від температури повітря (неповне завантаження однієї з ниток)

За програмою GazPipes спочатку визначали пропускну здатність кожного із трьох газопроводів на ділянці КС Бар - КС Богородчани при автономній роботі, тобто при всіх закритих перемичках. Розглядали варіант повного завантаження газотранспортної системи і найскладніші температурні умови, тобто найвищі температури повітря і грунту.

Відтак за тих же умов знайдена пропускну здатність триниткової газотранспортної системи при відкритих перемичках 1-3 на ділянках (рисунок 1). Для дослідження впливу сезонних температурних чинників на пропускну здатність триниткового газопроводу при автономній роботі і при роботі з відкритими перемичками аналогічні розрахунки проведені для всіх інших значень температур повітря і грунту.

Аналогічно визначена пропускна здатність триниткової газотранспортної системи на ділянці КС Бар - КС Богородчани при автономній роботі, а також при роботі з відкритими перемичками для одного із варіантів неповного завантаження системи. Досліджений також вплив сезонних температурних чинників на пропускну здатність триниткової газопровідної системи при її неповному завантаженні.

За результатами багатоваріантних розрахунків з врахуванням сезонних змін температури повітря та ґрунту побудовані графіки залежності сумарної пропускної здатності триниткової газопровідної системи КС Бар - КС Богородчани від розрахункової температури повітря при роботі із закритими та відкритими перемичками на ділянках газопроводів. Рисунок 2 ілюструє одержану залежність при повному завантаженні всіх газопроводів, а рисунок 3 показує таку ж залежність для одного із варіантів неповного завантаження системи.

Аналіз результатів багатоваріантних розрахунків засвідчив, що при повному завантаженні кожної із ниток газопроводу на ділянці КС Бар - КС Богородчани відкриття перемичок між нитками на ділянках призводить до незначного зменшення сумарної пропускної здатності системи (до 1 млн. м³/д). У той же час при неповному завантаженні однієї з ниток відкриття перемичок на ділянках між нитками може призвести до деякого зростання сумарної пропускної здатності газотранспортної системи.

Література

1. Середюк М.Д., Лісафін Д.В. Визначення пропускної здатності складних газотранспортних систем // Науковий вісник Івано-Франків-ського національного технічного університету нафти і газу. - 2004. - № 3(9). - С.69-78.

Размещено на Allbest.ru

...