1 стр. из 1

Как отмечалось ранее (см. «НефтьГазПромышленность», №6/2005), вопрос о транспортировке реального газа по подводным магистральным трубопроводам большой протяженности без промежуточных подстанций в стационарном режиме сводится к гидродинамической задаче о развитом турбулентном стационарном неизотермическом движении газа в трубопроводе круглого сечения.

Для математического моделирования и расчета таких течений научным коллективом кафедры физической механики Санкт-Петербургского государственного университета в составе Б. В. Филиппова, А. В. Скробача, Г. И. Курбатовой был разработан целый ряд моделей и расчетных методик как для гидродинамически гладких, так и для шероховатых труб. Данные методики позволяют рассчитывать вышеназванные движения при различных природных, эксплуатационных и технологических условиях транспортировки газовой среды, как до момента возможного обледенения внешней поверхности трубопровода, так и после него. Кроме того, с помощью этих методик удалось исследовать целый ряд закономерностей, присущих внутренней структуре рассматриваемых движений, таких, например, как поведение толщины ламинарного подслоя в зависимости от значения числа Рейнольдса, влияние шероховатости и рельефа дна на среднюю температуру газа, законы сопротивления гладких и шероховатых труб и целый ряд других закономерностей, присущих рассматриваемым движениям.

Отметим, что реальные трубопроводы всегда необходимо рассматривать как шероховатые. Дело в том, что влияние неровностей внутренней поверхности трубы на поток определяется не только физической величиной элементов шероховатости (или величиной эквивалентной данной относительной песчано-зернистой шероховатости), но и самим гидродинамическим режимом транспортировки газа по трубопроводу. То есть величиной числа Рейнольдса, определяемого, например, установленным значением расхода газа, радиусом трубопровода и динамической вязкостью газа. Если зафиксировать все параметры, кроме расхода, то с ростом последнего будет расти и значение числа Рейнольдса, присущее потоку в целом. Экспериментальные исследования показывают, что при движении жидкости или газа в круглой трубе с песчано-зернистой шероховатостью в зависимости от значения числа Рейнольдса могут быть реализованы три режима движения.

Первый предельный режим — бугорки шероховатости погружены в ламинарный подслой и их наличие не нарушает ламинарного подслоя, они обтекаются без отрывов и вихреобразования — движение происходит так же, как и в гладкой трубе.

Второй предельный режим реализуется тогда, когда турбулентные пульсации проникают к элементам шероховатости, и напряжение трения передается непосредственно от выступов шероховатости внешнему течению, это происходит потому, что с ростом числа Рейнольдса толщина ламинарного подслоя уменьшается и турбулентность распространяется ближе к стенке трубы. Чем больше выступы шероховатости, тем меньше число Рейнольдса, при котором реализуется этот режим.

Промежуточный режим, или переходный от первого предельного ко второму, является наиболее общим, и предыдущие режимы по отношению к нему являются предельными.

Таким образом, гладкость или шероховатость не являются абсолютными свойствами поверхности, а зависят также от характера обтекания стенки.

В данной статье приведены результаты численного расчета по вышеуказанной методике развитых турбулентных стационарных неизотермических движений реального газа в гидродинамически гладких трубах при различных значениях параметров на входе в трубопровод.

Расчеты были проведены для возможной трассы пролегания одной из веток проектируемой подводной трубопроводной системы для освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения. По проекту, данная система должна связать между собой само месторождение, которое находится на шельфе Баренцева моря, с материком. Длина трубопровода — 550 км, стенки трубопровода многослойные, с реальными теплофизическими характеристиками, внутренний радиус трубы равен 0,4798 м, а профиль морского дна на трассе трубопровода представлен на рис. 1.

Рис. 1. Профиль дна (м) вдоль по трассе трубопровода (км) с шагом 10 км

Рис. 2. Зависимость скорости газа на оси трубы (м/с) от z (км)

Считалось, что транспортируемый газ — это метан. Полагалось, что режимы транспортировки газа таковы, что лед на внешних стенках трубы не образуется. Температура внешней среды полагалась переменной, равной до отметки 400 (км) Твн(z) = –1°С, а после нее равной Твн(z) = –1,2°С. Теплоемкость газа принималась равной cv = 2000(м2/с2К), значения плотности, температуры в начальном сечении и расход газа полагались равными:
сгр ст = 110,2209 (кг/м3), Тгр ст = 40°С, Q = 403,98 (кг/с).

Рис. 3. Зависимость температуры газа (°С) от z (км)

Рис. 4. Сравнительное изменение плотности газа в зависимости от z (км) для течений с расходами: 403,98 (кг/с), 423,98 (кг/с), 443,98 (кг/с), 463,98 (кг/с), 483,98 (кг/с), соответственно, сверху вниз

Результаты расчетов представлены на рис. 2–5, при этом на рис. 4–5 представлены сравнительные результаты расчетов движений газа с различными значениями расхода при тех же граничных значениях плотности и температуры.

Рис. 5. Сравнительное изменение давления газа (атм) в зависимости от z (км) для течений с расходами: 403,98 (кг/с), 423,98 (кг/с), 443,98 (кг/с), 463,98 (кг/с), 483,98 (кг/с), соответственно, сверху вниз

Анализ полученных результатов показывает, что транспортировка необходимых объемов газа по рассмотренному трубопроводу в режиме гидродинамически гладкой трубы при данных начальных параметрах возможна без промежуточных подстанций. При этом суммарное падение давления для случая движения с самым большим расходом составило 40% от начального значения, а по абсолютной величине давление на выходе из трубы превышало 90 атм. Температура газа, хотя и установилась ниже температуры окружающей среды, однако, превышала –1,8°С, что дает основание утверждать, что угроза обледенения значительных участков трубопровода при таких режимах транспортировки газа незначительна.

Однако для того, чтобы указанные режимы могли быть реализованы на практике, требуется очень высокое качество обработки внутренней поверхности трубопровода. Достичь такого качества, по всей видимости, на практике не удастся, как по техническим, так и по экономическим причинам. Поэтому при рассмотрении вопроса транспортировки необходимых объемов газа по вышеназванным трубопроводам необходимо рассматривать развитое турбулентное стационарное неизотермическое движение газа в круглой трубе в режиме развитой шероховатости.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!