Технологический расчёт МН при нестационарных процессах

5.6.1 Общие сведения о неустановившихся процессах и причинах их возникновения

Под нестационарными (неустановившимися) процессами в МН подразумеваются процессы, в которых характеристики потока жидкости изменяются не только от сечения к сечению, но и в каждом сечении в зависимости от времени. Изменяются давление, скорость и расход жидкости и др. (например – температура потока), т.е. эти параметры являются функциями не только от координаты сечения, но и от времени , , .

Неустановившиеся режимы течения жидкости связаны с различными технологическими операциями, осуществляемыми при перекачке. Пуск и остановка трубопровода, включение или отключение дополнительного агрегата на головной или промежуточной НПС, полное или частичное открытие задвижки, переключение резервуаров, начало или прекращение сброса или подкачки нефти, разрыв трубопровода и т. д. – все это приводит к тому, что в трубопроводе начинаются изменения. Такие изменения в виде волн давления и расхода жидкости распространяются вверх и вниз по потоку от места, где они генерированы. Возникшие изменения продолжаются в трубопроводе, как правило, до установления нового режима транспортирования, поэтому неустановившиеся процессы называют еще переходными режимами.

Плотности транспортируемых жидкостей достаточно высоки, их скорости движения также не малы, поэтому поток жидкости в трубопроводе имеет вполне ощутимую инерцию, учетом которой нельзя пренебрегать при совершении той или иной технологической операции. Значительные перегрузки по давлению (гидравлический удар) возникаютв трубопроводе при внезапном торможении потока жидкости. Впервые явление гидравлического удара теоретически и экспериментально исследовал Н. Е. Жуковский применительно к водопроводным сетям.

Пусть имеется система, состоящая из резервуара и трубопровода, в котором поддерживается избыточное давление p ₀ [2, 10]. В конце трубопровода, по которому со скоростью w ₀ двигалась жидкость, произведено мгновенное закрытие крана (рис. 5.22а). Резкое изменение скорости D w = w – w ₀ приводит к тому, что из-за инерции слои жидкости, идущие сзади тормозятся и сдавливают слои прилегающие к крану, а их кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию давления D p_уд. Величина D p_уд называется ударным давлением, а переходная область, в которой давление изменяется на величину D p_уд – ударной волной.

Рис. 5.22. Схема возникновения волны давления

Всё новые и новые слои нефти будут набегать на уже заторможенные (рис. 5.22 а), в результате длина растянутой части трубы D l будет увеличиваться в сторону обратную течению (сечение n-n перемещается вправо со скоростью с, называемой скоростью распространения ударной волны).

В некоторый момент времени ударная волна достигнет резервуара. При этом жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки всего трубопровода – растянутыми (рис. 5.22 б). Поскольку жидкость в резервуаре практически неподвижна, дальнейшее распространение ударной волны вправо прекращается. Более того, под действием перепада давления D p_уд частицы жидкости устремятся из трубы обратно в резервуар. Это движение начнется с сечения, непосредственно примыкающего к резервуару (рис.5.22в). В результате сечение n-n со скоростью с будет перемещаться к крану. Поскольку жидкость и стенки трубы предполагаются упругими, то они возвращаются к прежнему состоянию. Потенциальная энергия деформации полностью переходит в кинетическую энергию и в трубе устанавливается первоначальное давление p ₀, а жидкость приобретает первоначальную скорость w ₀, но направленную теперь в противоположную сторону (рис. 5.22 г). С этой скоростью она стремится оторваться от крана, в результате чего возникает отрицательная ударная волна, давление в которой составляет p ₀–D p_уд. Со скоростью с она направляется от крана к резервуару. В области пониженного давления стенки трубы сжимаются, а жидкость расширяется, т.е. кинетическая энергия потока вновь переходит в потенциальную энергию, но противоположного знака (рис. 5.22 д).

В момент, когда отрицательная волна давления достигнет резервуара скорость жидкости в трубе станет равна нулю, а давление составит p ₀–D p_уд (рис. 5.22е). Но так как давление в резервуаре более высокое, то жидкость снова устремится к крану со скоростью w ₀ (рис. 5.22 ж). Как только отраженная от резервуара волна под давлением p ₀ достигнет крана, возникнет ситуация, уже имевшая место в момент его закрытия. После этого весь цикл гидравлического удара повторится.

Волны гидравлического удара, генерируемые в нефте- и нефтепродуктопроводах резкими изменениями скорости потока, могут распространяться на значительные расстояния, постепенно затухая вследствие диссипации механической энергии за счет сил вязкого трения. Наибольшую опасность волны повышенного давления прещздставляют для тех участков трубопровода, где и без того существовало достаточно высокое статическое давление. Такие участки находятся вблизи нефтеперекачивающих станций, а также в наиболее низких сечениях трубопровода. В последних может быть высоким пьезометрический напор. При отражении волны гидравлического удара от закрытого сечения трубопровода или тупикового отвода амплитуда D p_уд волны удваивается, что еще больше способствует возникновению аварийной ситуации.

Но и волны снижения давления могут вызывать опасные явления. В наиболее высоких сечениях трубопровода могут возникать парогазовые скопления, которые при возврате к стационарному режиму исчезают далеко не сразу. При этом они значительно уменьшают расход перекачки и вызывают повышенную вибрацию трубопровода.

При реальных гидроударах имеет место затухания колебаний давления вследствие трения и ухода энергии в резервуар.

5.6.2 Инерционные свойства потока нефти в трубопроводе. Формулы Н.Е. Жуковского

Таким образом, резкое изменение скорости ведёт к увеличению давления, что в свою очередь приводит к растягиванию (расширению) стенки трубопровода и увеличению его площади на величину D S=S–S ₀, а также сжатию жидкости, т.е. увеличению её плотности на величину D r=r–r ₀.

Записывая уравнение баланса массы для возмущённого участка получим [9]

,

т.к. и , то

или

. (5.104)

Подставив в (4.1) выражение (2.7) и (4.13) получим

или

, (5.105)

При изменении скорости течения происходит изменение количества движения возмущенного объема жидкости. Согласно известной теореме механики, изменение количества движения системы материальных точек равно импульсу всех внешних сил, действующих на эту систему [1, 9], т.е.

,

где . Отсюда получаем формулу:

,

Если принять, что скорость распространения волны возмущения может быть как положительной (когда волна распространяется вниз по потоку), так и отрицательной (когда волна распространяется вверх по потоку), как в данном случае, то полученную формулу можно записать в универсальном виде:

. (5.106)

Формула (5.106)представляет собой первую формулу Н.Е.Жуковского. Читается она следующим образом: всякое изменение скорости течения жидкости в трубопроводе вызывает пропорциональное ему изменение давления и наоборот, изменение давления в потоке жидкости, текущей в трубопроводе, приводит к пропорциональному изменению скорости течения.

Подставляя (5.106) в (5.105), получаем вторую формулу Н.Е.Жуковского устанавливающую связь скорости распространения волн возмущения в трубопроводе с параметрами жидкости и самого трубопровода.

откуда

. (5.107)

Скорость распространения волн гидравлического удара в стальных трубопроводах близка к значению 1000 м/с, а изменение скорости течения на 1 м/с вызывает изменение давления примерно на 0,9 МПа. Необходимость считаться с разрушительной силой гидравлического удара в МН, выражается в том, что на них (в отличие от газопроводов) никогда не устанавливают краны, быстро перекрывающие сечение трубопровода. На них применяют задвижки, дающие медленное перекрытие сечения и обеспечивающие безопасную остановку потока жидкости.

Формулы Жуковского справедливы, когда время закрытия задвижки равно [10]

, (5.108)

где τ_ГУ – фаза гидравлического удара.

При этом условии имеет место прямой гидравлический удар. Непрямой гидравлический удар возникает когда ударная волна, отразившись от резервуара, возвращается к задвижке раньше, чем она будет полностью закрыта. При этом повышение давления в трубопроводе будет меньше, чем при прямом гидроударе.

5.6.3 Борьба с гидравлическим ударом

Различают активные и пассивные методы защиты трубопроводов от перегрузок по давлению.

К активным относится создание волны пониженного давления, идущей навстречу волне повышенного давления. Волна пониженного давления создается путем посылки сигнала по линии связи с остановленной НПС, на предшествующую для отключения на ней одного или нескольких насосных агрегатов. При этом возникает волна пониженного давления, двигающаяся по потоку. При встрече волн пониженного и повышенного давления они взаимно гасятся и, следовательно, опасного повышения давления в трубопроводе не произойдет (такая система внедрена на отдельных участках МН «Дружба»).

Недостатком данного метода защиты трубопроводов от перегрузок по давлению является необходимость обеспечения помехоустойчивости и высокой надежности линии связи. Кроме того, отключение насосов необходимо осуществлять на нескольких НПС, предшествующих остановленной, так как каждое отключение приводит к возникновению волны повышенного давления на предшествующем участке МН.

К пассивным средствам защиты трубопроводов от перегрузок относятся:

- увеличение скорости закрытия запорной арматуры;

- увеличение толщины стенки трубопровода;

- гашения волны повышенного давления в месте ее возникновения

- система сглаживания волн давления (ССВД).

Применение в качестве запорной арматуры, относительно медленно закрывающихся задвижек автоматически исключает резкое изменение скорости потока при изменении степени их открытия. Соответственно уменьшается и величина ударного давления. Увеличение толщины стенки закладывается на этапе проектирования МН т.к. согласно [4] расчет толщины стенки производится с использованием коэффициента перегрузки трубопроводов по давлению n_P, т.е. толщина стенки завышается.

Эффективным методом уменьшения ударного давления является гашение волны повышенного давления непосредственно в месте ее возникновения (в этом случае исключается динамическая перегрузка всей линейной части трубопровода). Гашение волны повышенного давления у остановленной НПС осуществляется за счет того, что уменьшение расхода через остановленную НПС происходит постепенно, за время, соизмеримое с временем пробега ударной волной участка между НПС. Для этого в общем случае применяют автоматический сброс части перекачиваемой нефти в месте возникновения волны повышенного давления в специальный резервуар. На этом принципе основывается механизм действия ССВД.

По нормам проектирования системы сглаживания волн давления (ССВД) должны устанавливаться на промежуточных станциях магистральных трубопроводов диаметром 720 мм и выше. Необходимость применения ССВД на трубопроводах меньшего диаметра должна обосновываться расчетом.

ССВД должна срабатывать при повышении давления на трубопроводе на величину не более, чем на 0,3 МПа, происходящим со скоростью выше 0,3 МПа/с. Дальнейшее повышение давления в зависимости от настройки ССВД должно происходить плавно со скоростью от 10 до 30 кПа/с.

ССВД устанавливается на байпасе приемной линии НПС после фильтров-грязеуловителей. Диаметр байпасного трубопровода выбирается так, чтобы площадь его сечения была не менее половины площади сечения приемной линии. Объем резервуаров-сборников для сброса нефти должен быть не менее: 500 м³ для нефтепроводов диаметром 1220 мм, 400 м³ – 1020 мм, 200 м³ – 820 мм, 150 м³ – 720 мм и менее.

Дата добавления: 2015-08-05