авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Совершенствование защиты трубопроводов морских нефтеотгрузочных терминалов от чрезмерно высоких давлений

-- [ Страница 1 ] --

УДК 622.692.4 На правах рукописи

Верушин Александр Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДОВ

МОРСКИХ НЕФТЕОТГРУЗОЧНЫХ ТЕРМИНАЛОВ

ОТ ЧРЕЗМЕРНО ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ

Специальность 25.00.19 Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2010

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

Научный консультант доктор технических наук, профессор Гумеров Асгат Галимьянович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гумеров Кабир Мухаметович кандидат технических наук Пиядин Михаил Николаевич
Ведущее предприятие Открытое акционерное общество «Институт «Нефтегазпроект»

Защита диссертации состоится 19 марта 2010 г. в 1130 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 19 февраля 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одним из приоритетных направлений повышения эффективности и надежности эксплуатации морских нефтеотгрузочных нефтяных терминалов с удаленными от берега наливными устройствами является адекватная система защитных мероприятий, включающая как защиту акватории от проливов, так и защиту трубопроводной системы от возможно более крупных аварий из-за гидравлических ударов, возникающих при быстром закрытии клапанов.

В этой связи актуальным является разработка прогнозных методов оценки влияния различных системных мероприятий, например логики закрытия отсечных клапанов и останова насосной станции, а также технологических мероприятий, например отбора жидкости перед отсечными клапанами, влияющего на парамет­ры гидравлических ударов.

Среди главных проблем моделирования гидравлических ударов примени­тельно к сложным трубопроводным системам, каковыми являются морские тер­миналы, отметим следующие:

  • проблема адекватности математической модели, отражающей гидродинамику переходных процессов при наличии различных воздействий запорными элементами, нестационарных режимах насосной станции, сложной трубопроводной обвязке (разветвлениях, разных диаметрах труб), существенном различии модулей упругости стальных труб и армированных нефтеотгрузочных шлангов;
  • проблема адекватного задания силы трения при одномерном гидравлическом приближении;
  • проблема выбора аналитических или прямых численных методов расчета в рамках одномерного приближения, обеспечивающих приемлемую точность;
  • системные и технологические проблемы как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации;
  • системная проблема разработки адекватной логики реакции системы на штатную аварийную ситуацию, обусловленную позицией танкера, включающая начало, синхронность или рассогласованность, а также продолжительность закрытия отсечных кранов и время задержки останова насосной станции;
  • технологическая проблема использования защитных мероприятий с целью предотвращения динамических перегрузок при гидравлических ударах, в частности использование в случае необходимости форсированного отбора нефти перед отсечными клапанами, начиная с момента начала их закрытия.

На стационарных морских отгрузочных причалах режим аварийной оста­новки отгрузки нефти может быть инициирован:

  • аварийной остановкой пускового, подпорного или магистрального насосов;
  • самопроизвольным или несанкционированным разъединением отгрузочного шланга стационарного морского отгрузочного причала и захватного носового приемного устройства танкера;
  • сигналом автоматической системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) нефтеотгрузочного терминала при нарушении одного из параметров «зеленой линии» «береговой резервуарный парк стационарный морской отгрузочный причал танкер».

Сложность конструкций нефтеотгрузочного терминала обусловлена особы­ми условиями эксплуатации гидравлической системы. Одной из важных особенностей является зависимость устойчивой работы технологического оборудования и системы автоматизации нефтеотгрузочного терминала от позиционирования танкера во время проведения технологических операций по отгрузке нефти. Смещение танкера в продольном и поперечном направлениях за допустимые нормативы приводит к тому, что автоматическая система управления технологическим процессом на береговых сооружениях, стационарном морском причале и танкере путем управляющих воздействий и сигнализации производит немедленное пре­кращение отгрузки нефти.

Наличие относительно большого количества быстродействующих клапанов, перекрывающих доступ нефти при поступлении на них аварийно-предупредительных сигналов, переводит гидравлическую систему нефтеотгрузочного терминала из установившегося режима в неустановившийся до полного пре­кращения отгрузки нефти. При неустановившемся режиме возможны резкие и часто опасные волновые колебания давления (гидроудары), которые могут привести к снижению надежности отдельных элементов и гидравлической системы в целом.

Вследствие важного значения надежности нефтеотгрузочного терминала для устойчивого функционирования системы нефтеснабжения потребителей с использованием морского танкерного флота проектировщики и эксплуатационный инженерно-технический персонал нуждаются в удобных аналитических методах инженерного расчета неустановившегося движения нефти в гидравлических системах морских терминалов, позволяющих прогнозировать гидравлические удары в зависимости от режима эксплуатации трубопроводной системы, особенностей конструкций, являющихся источником переходных процессов, получать необхо­димую информацию для выбора мероприятий по защите труб от чрезмерно высо­ких давлений, а также для расчета уставок и настройки срабатывания быстродей­ствующей запорной арматуры. Последнее особенно важно для нефтеотгрузочных терминалов, поскольку из-за ограниченности возможностей применение традиционных систем и средств защиты от чрезмерно высоких давлений может быть проблематичным (например ограниченная площадь для размещения емкости для сброса части жидкости при использовании клапанов-гасителей гидроудара), и вы­бор начала срабатывания, времени закрытия отсечного клапана может быть един­ственным и эффективным решением.

Динамические процессы в системах (на гидравлических станциях, магист­ральных нефтепроводах и газопроводах, в насосных и турбинных установках, в трубопроводах гидромеханизмов и т.п.), различных по своей физической природе, как правило, имеют одинаковое математическое описание. В то же время анали­тические, численные и графические методы решения задач динамики волновых процессов в некоторых областях техники часто оказываются более разработанными, чем в других. А в отдельных областях, например применительно к нефтеотгрузочным морским терминалам, продолжают оставаться малоизученными, и их разработка является актуальной задачей. Это объясняется тем, что существующие методы расчета волновых процессов удобно применять к простым трубопровод­ным системам, состоящим из однородных элементов, не имеющих разветвленных участков трубопроводов различных диаметров, большого количества запорной арматуры, расположенных на относительно небольших расстояниях друг от друга и соответственно взаимно влияющих на колебания давления и расхода при их од­новременном срабатывании при аварийной остановке отгрузки нефти, сопровож­дающемся возникновением волновых процессов.

В связи с указанным, возникла потребность в исследованиях волновых процессов, присущих сложным гидравлическим системам нефтеотгрузочных мор­ских терминалов, и усовершенствовании методов их расчета. Указанные исследо­вания и усовершенствования методов расчета, в первую очередь, предусматрива­ют учет особенностей конструкций и условий эксплуатации как терминала в це­лом, так и отдельных элементов (например при расчете гидравлических характеристик шаровых клапанов коэффициентов гидравлического сопротивления, коэффициентов расхода).

Другой причиной, вызвавшей интерес к совершенствованию методов расче­та волновых процессов в трубопроводах отгрузочного морского терминала, явилась необходимость разработки наряду со сложными аналитическими и численными методами расчета также аналитических зависимостей, позволяющих на инженерном уровне оперативно прогнозировать возможность возникновения чрезмерно высоких давлений и выбора адекватных мероприятий систем защиты трубопроводов терминала от скачкообразного изменения давления, т.е. динамических нагрузок ударного характера, снижающих надежность эксплуатации гидравлической системы отгрузки и поставки нефти потребителям морским транспортом.

Большой вклад в теорию нестационарных динамических процессов в трубопроводах, начиная с пионерских работ Н.Е. Жуковского, внесли Л. Аллиеви, Л. Бержерон, О. Шнидер, Д.А. Фокс, Л.С. Лейбензон, С.А. Христианович, И.А. Чарный, А.Х. Мирзаджанзаде, Г.Д. Розенберг, В. Стритер, В.И. Марон, М.В. Лурье, В.И. Мащенко, М.А. Гусейнзаде, В.А. Юфин, Б.Ф. Лямаев, Х.Н. Низамов, Р.Ф. Ганиев, Л.Б. Кублановский, Л.В. Полянская и другие ученые.

Несмотря на значительные достижения в исследованиях нестационарных процессов в трубопроводах различных гидравлических систем до настоящего времени остаются нерешенные проблемы, в том числе при расчете гидравличе­ских ударов в трубопроводных системах морских терминалов.

Цель работы повышение безопасности трубопроводов морских нефтеотгрузочных терминалов на основе адекватных методов расчета переходных режи­мов и системных и технологических защитных мероприятий от чрезмерных давлений.

Основные задачи работы:

  1. Разработать расчетную математическую модель гидравлических ударов в трубопроводах морских нефтяных отгрузочных терминалов на основе взаимно дополняющих инженерных, аналитических, численных методов и алгоритмов расчета;
  2. Доказать адекватность математической модели на основе сравнительного анализа численных данных фактическим данным, полученным в условиях промышленной эксплуатации в широком диапазоне режимных параметров;
  3. Провести расчеты эффективности влияния различных системных и технологических мероприятий на параметры гидроударов, в частности синхронизации останова насосной станции и закрытия отсечных клапанов, а также отбора нефти перед отсечными клапанами;
  4. Определить возможность использования погрузки нефти с нефтеотгрузочных причалов на удалениях до 45 км, обеспечивающих предельную величину гидроудара меньше предела прочности труб. Определить параметры гидроудара при использовании противотурбулентных присадок как средства регулирования его интенсивности.

Методы решения поставленных задач

При решении поставленных задач использовались приближенные инженерные, аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений гидродинамики нестационарных течений жидкости в сложных трубопроводных системах. Для доказательства адекватности математической модели и предложенных расчетных методов использованы опытно-промышленные данные, полученные при гидравлических ударах на действующих трубопроводах морских нефтеотгрузочных терминалов.

Научная новизна

  1. Построена математическая модель переходных процессов в трубопроводах морских нефтеотгрузочных терминалов и разработан алгоритм решения задачи расчета гидроударов с учетом особенностей их конструкции.
  2. Доказана адекватность математической модели переходных режимов в широком диапазоне режимных параметров эксплуатации морских нефтеотгрузочных терминалов.
  3. На основе моделирования гидравлического удара разработаны методы прогнозирования и мероприятия по уменьшению последствий гидроудара на трубопроводах морских нефтеотгрузочных терминалов.

На защиту выносятся:

  1. Математическая модель гидравлического удара в трубопроводах морских нефтяных терминалов, разработанная на основе одномерных уравнений гидродинамики;
  2. Комбинированные инженерные, аналитические и численные методы расчета параметров гидроудара;
  3. Доказательство адекватности математической модели на основе численного моделирования гидравлических ударов на нефтяных морских терминалах;
  1. Результаты прогнозного численного моделирования различных системных и технологических мероприятий по снижению интенсивности гидравлических ударов;
  2. Прогнозный численный анализ возможности строительства и эксплуатации морских нефтеотгрузочных терминалов со значительным удалением нефтеотгрузочных причалов от берегового резервуарного парка;
  3. Численный анализ гидравлических ударов при использовании противотурбулентных присадок.

Практическая ценность результатов работы

Предложенная методология исследования переходных процессов в трубопроводах морских нефтяных терминалов может быть использована при проекти­ровании систем защиты от гидравлических ударов как функционирующих, так и вновь проектируемых морских нефтеотгрузочных терминалов.

Достоверность результатов подтверждается сравнением численных рас­четных и фактических значений параметров гидравлических ударов на морских терминалах, а также сравнением численных расчетов с точными аналитическими решениями на модельных примерах.

Апробация работы

Основные результаты исследований, представленные в работе, прошли тестовую апробацию на Варандейском нефтяном отгрузочном терминале и доложе­ны на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения на­дежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России (27.05.2009 г., г. Уфа) и на научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и реше­ния» в рамках IX Российского энергетического форума (21.10.2009 г., г. Уфа).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных трудах, в т.ч. 2 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 138 наименований. Работа изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 13 рисунков, 7 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и ос­новные задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе рассмотрены проблемы безопасности трубопроводных сис­тем морских нефтеотгрузочных терминалов, обусловленные нестационарными процессами.

Диапазон углеводородных жидкостей, которые загружают в танкеры и разгружают из них, варьируется от сырой нефти до сжиженного природного газа. Эти операции осуществляются специализированными средствами и сопряжены с опасностью утечек, пожаров, взрывов, а также связаны с погодными и климатическими условиями, такими как шторм или плавучие льды.

Типичные проблемы, обусловленные погрузкой и разгрузкой углеводород­ных жидкостей, заключаются в следующем:

  • чрезмерные давления, вызванные закрытием корабельных отсечных клапанов, являющиеся причиной повреждения нефтеотгрузочных шлангов или манипуляторов, нефтеотгрузочных причалов и подводных трубопроводов;
  • низкие давления и возможные паровые полости, возникающие после незапланированной остановки насосной станции;
  • высокие давления в течение пуска насосной станции, особенно, если до этого были сформированы паровые полости;
  • чрезмерные нагрузки на трубы и перемещения труб, вызванные как большими давлениями, так и большими темпами изменения давления;
  • низкие давления после клапанов, связанные с их быстрым закрытием.

Исторически сложилось таким образом, что при закрытии аварийного кла­пана на танкере насос продолжал работать в течение некоторого периода после закрытия клапана. Давления гидравлического удара могли быть уменьшены или предотвращены с использованием системы безопасности. Эта система использует инициирование аварийного сигнала на борту танкера для останова насосной станции с последующим закрытием отсечных клапанов. В основном на традиционных морских нефтяных терминалах используется система защиты, включаю­щая клапаны, настроенные на контролируемые значение давления. Одним из вариантов таких клапанов является клапан DANFLO, при работе которого используется пружина, находящаяся в равновесии с давлением инертного газа азота. Время открытия этого клапана составляет 100 мс. При открытии этого клапана жидкость сбрасывается в специальную емкость. Причем все это достаточно громоздкое оборудование устанавливается, как правило, на берегу.

В этой же главе рассмотрены особенности гидравлических ударов в трубопроводах морских терминалах с удаленными наливными причалами.

На морских терминалах с удаленными наливными причалами время прохождения волны гидроудара до берегового резервуарного парка (БРП) вследствие закрытия отсечных клапанов больше 20 с, т.е. больше времени останова насосной станции 10 с. Вследствие этого, интенсивность гидроудара, несмотря на большее линейное переуплотнение, может быть меньше, чем на терминалах с короткими трубопроводами. Это обстоятельство в ряде случаев дает возможность обходиться без технических средств защиты от гидроудара, таких как предохра­нительных клапанов DANFLO или FLEXFLOW с емкостями для сброса нефти. Подтверждение этого обстоятельства необходимо производить в каждом конкрет­ном случае на основе современных вычислительных средств прогноза и анализа путем прогонки всевозможных сценариев взаимодействия управляющих элемен­тов.

Среди главных проблем моделирования гидравлических ударов применительно к сложным трубопроводным системам, каковыми являются морские нефтеотгрузочные терминалы, отметим следующие:



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.