1 стр. из 1

В последние годы в Российской Федерации все большее значение приобретают вопросы, связанные с развитием, оптимизацией эксплуатации и функционирования трубопроводного транспорта. При этом особое внимание уделяется проектам, связанным с расширением существующей сети магистральных газопроводов. Планируется строительство нескольких таких объектов, а один из них — магистральный газопровод из России в Турцию с переходом через Черное море (проект «Голубой поток») — уже построен и вводится в эксплуатацию.

Особенности эксплуатации и функционирования трубопроводного транспорта

По целому ряду причин многие из проектируемых газопроводов будут иметь протяженные морские участки длиной несколько сотен километров. К примеру, в уже реализованном проекте «Голубой поток» длина такого участка составляет около 400км. Строительство промежуточных подстанций на этих участках не предусматривается в силу различных причин экономического, политического или технического характера. Следовательно, для обеспечения транспортировки необходимых объемов газа по таким участкам требуется создавать на входе в них давление порядка десяти и более МПа.

В этой ситуации движущийся газ является неидеальным, а его плотность может достигать значений десятков и даже сотен килограмм на метр кубический. Само движение, в силу такой плотности газа, является турбулентным, хотя средняя скорость газового потока может и не достигать больших значений. Допускается, что трубопровод может проходить по поверхности со сложным рельефом, поэтому в уравнениях, определяющих движение газа, необходимо учитывать влияние силы тяжести на различные характеристики газового потока.

Кроме того, движение газа будет неизотермическим, причем температура окружающей среды может изменяться вдоль трассы трубопровода в зависимости от глубины моря, принимая на отдельных участках отрицательные значения, близкие к точке фазового перехода. Могут меняться и теплофизические свойства стенок трубопровода: например, на различных участках толщина слоев стенок трубы может меняться в зависимости от значений температуры окружающей среды.

Характеристика процессов транспортировки газа по подводным магистральным трубопроводам

Итак, для процессов транспортировки газа по протяженным участкам магистральных газопроводов без промежуточных подстанций характерны высокое давление и плотность движущегося газа, существенную роль в них играют неизотермичность течения, неидеальность газовой среды и влияние силы тяжести. Все это заметно осложняет расчет таких процессов и делает весьма актуальным вопрос о разработке соответствующих математических моделей.

При этом необходимо отметить, что хотя стационарный режим и является основным режимом транспортировки газа, на практике эксплуатации трубопроводов нестационарный режим также занимает важное место. Нестационарность течения газа может возникнуть как в связи с плановой сменой параметров работы насосной станции на входе в трубопровод, так и иметь определенный, заранее заданный тестовый характер. В последнем случае в зависимости от вида параметров на выходе с определенного участка трубопровода можно судить о его техническом состоянии, наличии утечек газа и, используя специально разработанные процедуры, определить места и время их возникновения. Кроме того, нестационарность течения газа может быть вызвана нештатными режимами функционирования газопроводной системы, например, возникновением сбоя в работе нагнетающей насосной станции.

В зависимости от технических параметров трубопровода (таких, например, как массовый секундный расход газа), а также в зависимости от технических характеристик используемых труб (качества обработки внутренней поверхности), стенки трубопровода можно считать как гладкими, так и шероховатыми. Поэтому требуется разрабатывать как математическую модель движения газа в трубопроводе с гидродинамически гладкими стенками, так и с шероховатыми (обычно в режиме развитой шероховатости).

Таким образом, для адекватного рассмотрения вопроса о транспортировке газа по подводным трубопроводам большой протяженности без промежуточных подстанций требуется разработать математические модели развитого турбулентного неизотермического стационарного и нестационарного движения неидеального газа в трубопроводе круглого сечения, позволяющие учитывать влияние на поток силы тяжести, а также других упомянутых выше факторов.

Математические модели процессов транспортировки газа по подводным магистральным трубопроводам

Такие модели в течение целого ряда лет разрабатываются научным коллективом кафедры физической механики СанктПетербургского государственного университета: Б.В.Филипповым, А.В. Скробач, Г.И. Курбановой. Отправной точкой для начала этих работ послужили вопросы, связанные с возможностью разработки и ввода в эксплуатацию Штокмановского газоконденсатного месторождения. В 1998г. авторским коллективом получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программа по расчету развитого турбулентного неизотермического движения природного газа по подводным магистральным газопроводам».

На основе этого программного комплекса были выполнены многочисленные расчеты режимов транспортировки газа по подводным магистральным трубопроводам от места добычи до материка. Полученные данные были использованы для техникоэкономического обоснования возможности разработки данного месторождения. В последнее время научный коллектив участвует в выполнении работ, связанных с перспективным проектом СевероЕвропейского газопровода, включающего в себя, как известно, протяженный подводный переход через Балтийское море.

Суть предлагаемого подхода к математическому моделированию рассматриваемых задач заключается в следующем.

Развитые турбулентные неизотермические стационарные и нестационарные движения реального газа в трубопроводах круглого сечения рассматриваются в рамках схемы турбулентное ядро — ламинарный подслой и моделируются посредством систем, интегродифференциальных уравнений баланса массы, импульса и энергии и алгебраического уравнения состояния реального газа (например, РедлихаКвонга), с соответствующими граничными и начальными условиями. Для определения компоненты тензора напряжений используется модель ПрандтляНикурадзе. В интегродифференциальных уравнениях используется оригинальная процедура осреднения по поперечной координате, в которой вид осреднения заранее неизвестен, так как неизвестна зависимость скорости газа от этой координаты.

Данная зависимость находится в ходе решения задачи, как и соотношения для толщины ламинарного подслоя, касательной компоненты тензора напряжений и трения на стенке трубы. Затем выполняется осреднение по поперечной координате в системах определяющих уравнений, которые после этого решаются численными методами.

Методика позволяет учитывать в определяющих уравнениях вклад нелинейных слагаемых, а также влияние силы тяжести на различные характеристики газового потока. В ее рамках при моделировании теплообмена между транспортируемым газом и внешней средой имеется возможность учитывать изменение вдоль трассы трубопровода температуры окружающей среды, динамической вязкости газа, а также теплофизических свойств стенок трубопровода.

В рамках данной методики приводится математическая модель и излагается метод приближенного расчета развитого турбулентного нестационарного неизотермического движения реального газа в магистральных трубопроводах с учетом влияния силы тяжести на различные характеристики газовой среды.

Суть предлагаемого метода заключается в последовательном рассмотрении задачи в различных приближениях, начиная с квазистационарного. В этих работах выполнена постановка задачи в различных приближениях и приведена процедура решения. В них также приводятся и анализируются результаты численного счета в сравнении с результатами других авторов. Разработанные научным коллективом математические модели и расчетные методики для развитого турбулентного стационарного неизотермического движения реального газа в трубопроводе с песчанозернистой шероховатостью позволили проанализировать влияние шероховатости на возможность транспортировки газа по протяженным участкам подводных трубопроводов без промежуточных подстанций. Позволили изучить влияние шероховатости на температурный режим газового потока, и как следствие, на проблему возможного обледенения внешней поверхности трубопровода.

Данные математические модели и созданные на их основе расчетные методики могут быть использованы для расчета турбулентного течения газа в трубах со стенками, обладающими различными видами шероховатости, вызванными как процессами износа, так и технологией изготовления труб. Дело в том, что благодаря понятию эквивалентной песчанозернистой шероховатости такие задачи, при наличии соответствующих экспериментальных данных, могут быть сведены к задаче о турбулентном движении газа в трубопроводе с песчанозернистой шероховатостью.

Разработанная процедура приближенного решения задачи о развитом турбулентном нестационарном неизотермическом движении неидеального газа в гидродинамически гладком трубопроводе круглого сечения при медленном изменении начальных параметров позволяет производить расчет таких движений, с учетом всех вышеперечисленных особенностей задачи, с достаточной точностью. При этом характер изменения параметров потока с течением времени согласуется с результатами других авторов.

Эта методика справедлива для различных законов изменения параметров в начальном сечении и может быть использована как для расчетов нестационарных режимов, связанных с плановой сменой параметров работы трубопроводных систем, так и служить основой для разработки различных методик тестирования трубопровода.

Методику также можно использовать как основу для разработки математических моделей и процедур расчета различных нештатных режимов функционирования газопроводных систем, в частности методик дистанционного обнаружения и определения мест и времени возникновения утечек, или несанкционированного отбора газа.

Все разработанные математические модели могут служить основой для постановки и решения различных оптимизационных задач, связанных с вопросами транспортировки газа по реальным магистральным трубопроводам, с минимальными затратами энергии при изменяющихся условиях внешней среды.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!