Обеспечение безопасности работы неизотермических трубопроводов, эксплуатирующихся в нестационарных режимах

В последние годы в связи с изменившимися экономическими и правовыми условиями производственной деятельности сохраняется тенденция к ухудшению промышленной безопасности и противоаварийной устойчивости опасных производственных объектов, к которым относятся нефтеи нефтепродук-топроводы предприятий нефтегазовой отрасли.

Одно из направлений обеспечения национальной безопасности Российской Федерации, составной частью которой является промышленная безопасность, — принятие необходимых мер по снижению вероятности техногенных аварий и смягчении их экономических и социальных последствий. Благодаря физико-химическим свойствам перекачиваемого продукта и нестационарным условиям эксплуатации нефтеи нефтепродуктопроводы относятся к одним из наиболее пожаровзрывоопасных объектов отрасли, представляющих постоянную угрозу экологической безопасности прилегающих территорий. В соответствии с [29] трубопроводы относятся к 1 уровню ответственности (повышенной) по последствиям их отказов.

Внутризаводские и внутрипромысловые нефтепродуктопроводы характеризуются крайне нестационарными условиями эксплуатации, вызванными различными переключениями нагрузки между установками, изменением режима и т. д. Все это приводит к частым изменениям производительности нефтепродук-топроводов, температуры подогрева, остановкам перекачки и повторным пускам нефтепродуктопроводов.

Задачи обеспечения безопасности при пуске после продолжительной остановки перекачки и определения допустимого снижения температуры подогрева при изменении режима требуют уделять особое внимание контролю за те-плофизическими характеристиками окружающего грунта и прогнозированию их изменения во времени. Неправильная оценка теплофизических характеристик грунта приводит к аварийным ситуациям, связанным с так называемым «замораживанием» трубопровода, когда в результате недопустимого снижения температуры нефть или мазут превращаются в вязкопластичную жидкость с высоким значением напряжения сдвига. В этом случае для его удаления из трубопровода применяют различные специальные средства. Застывшая нефть или мазут скапливаются в специальных нефтяных амбарах, создавая серьезную экологическую проблему.

Нестационарность режима работы трубопровода вызывает развитие переменных осевых усилий в трубопроводе, что приводит к возникновению дефектов в теле трубы и, в дальнейшем, к развитию трещин и повреждению изоляционного покрытия.

Нестабильность теплового режима, продольные и поперечные перемещения трубопровода вызывают миграцию влаги в окружающем грунте, в результате чего возрастает его коррозионная активность. Вследствие этого возрастает риск коррозионного разрушения трубопровода. Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации нефтепродуктопроводов в этом случае непосредственно связано со снижением времени локализации возможных аварийных участков и уменьшением объемов аварийного истечения перекачиваемого продукта. В настоящее время утечки транспортируемого продукта при авариях линейной части трубопроводов определяются косвенными методами по изменению давления перекачки и мощности, потребляемой насосами [18]. Но при малых утечках, когда отсутствует выход нефтепродукта на поверхность грунта, утечка может остаться незамеченной. В этом случае ее можно обнаружить по изменению параметров теплообмена с окружающим грунтом, пока она не переросла в серьезную аварию с выходом нефтепродукта на поверхность и загрязнением прилегающей территории.

В связи с этим, одним из направлений обеспечения промышленной и экологической безопасности нефтепродуктопроводов нефтегазовой отрасли является осуществление оперативного контроля за изменениями теплофизических характеристик системы «трубопровод-грунт» в условиях нестационарного режима работы трубопровода и прогнозирование их изменения при различных изменениях внешних условий. Это позволит определять наиболее коррозионноопасные участки трубопровода, своевременно обнаруживать утечки, оперативно корректировать время безопасной остановки трубопровода и минимально допустимую температуру подогрева перекачиваемого продукта.

Цель работы.

Повышение безопасности эксплуатации неизотермических нефтепродук-топроводов, работающих в нестационарных условиях, на основе создания технологических регламентов выбора допустимых режимных параметров.

Задачи исследований.

— Разработка мер по повышению эксплуатационной надежности неизотермических трубопроводов, работающих в нестационарных условиях.

— Разработка рекомендаций по выбору безопасных пусковых режимов неизотермических трубопроводов.

— Исследование переходных процессов в неизотермических трубопроводах и разработка рекомендаций по обеспечению безопасности их эксплуатации в условиях недостатка информации.

— Определение местоположения утечек из «горячих» трубопроводов и оценка изменения теплофизических характеристик тепловой изоляции на-" «основе анализа параметров теплообмена трубопровода с окружающей средой.

— Разработка рекомендаций по выбору безопасных гидравлических режимов работы «горячих» трубопроводов в нестационарных условиях их эксплуатации.

Научная новизна.

— Разработан метод определения состояния тепловой изоляции и диагностирования наличия и местоположения утечек в неизотермических трубопроводах, эксплуатирующихся в нестационарных условиях.

— Установлено, что наличие эффекта осевого переноса теплоты в неизотермическом нефтепродуктопроводе позволяет продлить время его безопасной остановки.

— Сформулированы концепции и разработаны методические подходы, позволяющие уточнять теплофизические характеристики неизотермического нефтепродуктопровода для обеспечения безопасного теплового режима его эксплуатации.

— Определены значимые физические параметры, определяющие характер переходных процессов в «горячих» трубопроводах. Получены эмпирические зависимости, позволяющие контролировать и прогнозировать изменение гидравлических характеристик подобных систем.

На защиту выносятся теоретические выводы и обобщения, экспериментальные исследования, разработанные модели, методики, эмпирические зависимости и практические рекомендации по повышению безопасности эксплуатации «горячих» трубопроводов путем осуществления оперативного контроля за изменением теплофизических и гидравлических характеристик системы «трубопровод-грунт».

Практическая ценность.

Полученные в работе результаты дают возможность:

— корректировать время безопасной остановки неизотермических трубопроводов и допустимую температуру подогрева нефтепродукта в зависимости от изменений условий теплообмена в системе «трубопровод-грунт»;

— оценивать изменение скорости коррозии трубопроводов в зависимости от изменений теплофизических характеристик окружающего грунта;

— определять безопасное время выхода неизотермического трубопровода на квазистационарный режим эксплуатации на основе анализа диспетчерских данных;

— осуществлять оперативный контроль за изменением гидравлических характеристик «горячего» трубопровода, работающего в нестационарных условиях, по величине коэффициента осевой теплопроводности.

Реализация работы.

— рекомендации по определению времени безопасной остановки неизотермических трубопроводов и по уточнению их тепловых режимов в нестационарных условиях эксплуатации используется на Уфимской ТЭЦ-2 ОАО «Башкирэнерго» для повышения эксплуатационной надежности ма-зутопроводов топочного мазута;

— разработанная «Методика определения продолжительности переходного процесса в неизотермическом трубопроводе» используется в учебном процессе УГНТУ.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на:

— 5-й международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов», июнь 1999 г. (Уфа);

— межрегиональной научно-методической конференции «Проблемы нефтегазовой отрасли», декабрь 2000 г. (Уфа);

— 50, 51 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, 1999;2000 г. (Уфа).

По материалам диссертации опубликовано 11 работ.

Краткое содержание работы.

Во введении определены цель и задачи исследования, показана актуальность и дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена общему анализу аварийности на объектах трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. Отмечается, что благодаря большому объему внутритрубной диагностики и существенному увеличению выборочного ремонта за период с 1993 по 1997 гг. количество аварий на нефте-и нефтепродуктопроводах снизилось в 4 раза. Одной из основных причин аварий является разрушение трубопровода в результате действия внешней коррозии. Причем опасность коррозионного разрушения пропорциональна агрессивности грунта, определяемой его механическим составом и влагосодержанием.

Проанализированы особенности эксплуатации нефтеи нефтепродукто-проводов предприятий нефтегазовой отрасли. Отмечается, что для внутризаводских нефтеи мазутопроводов характерны высокая степень нестационарности режима, частые изменения производительности перекачки и продолжительные остановки, что для магистральных нефтеи нефтепродуктопроводов является скорее исключением из правил. Обеспечение безопасности в этих условиях требует особого внимания к процессам теплообмена трубопровода с окружающим грунтом. Отмечается, что ошибки при теплогидравлическом расчете могут привести к созданию аварийной ситуации при пуске нефтепродукто-провода в работу или при изменении режима его работы. Теплофизические характеристики грунта претерпевают значительные изменения под тепловым воздействием трубопровода, из чего следует, что для исключения ошибок при проведении теплогидравлических расчетов необходимо знать действительные значения теплофизических характеристик грунта, полученные при эксплуатации нефтеи мазутопровода.

В первой главе рассматриваются также существующие модели, описывающие пусковые и переходные процессы, происходящие в нефтеи нефтепродуктопроводах при нестационарных режимах эксплуатации. Отмечается, что практически невозможно использовать существующие модели для решения обратных задач (определения коэффициентов, входящих в модельные уравнения по экспериментальным данным) ввиду большого количества переменных, входящих в их состав.

Результаты анализа, проведенного в первой главе, позволили сформулировать цель работы и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке модельного уравнения, описывающего процессы, происходящие в неизотермических нефтеи мазутопроводах при нестационарных условиях их эксплуатации. Проводя аналогию между процессами, происходящими в трубопроводе при последовательной перекачке жидкостей с различной плотностью, и переходными процессами, вызванными изменением режима перекачки, предложено для описания переходного процесса ввести в традиционное уравнение стационарного теплообмена дополнительный член, учитывающий неравномерность поля скоростей по сечению трубы и действие турбулентной диффузии — коэффициент осевой теплопроводности.

Приведены решения разработанного модельного уравнения, полученные как для стационарных условий, так и для нестационарных, соответствующих скачкообразному изменению температуры среды в начале трубопровода. Разработаны рекомендации по повышению эксплуатационной надежности нефте-продуктопровода путем корректировки скорости коррозии в зависимости от изменения режима его работы. Суть их в том, что состав и влагосодержание грунта определяют не только его теплофизические характеристики, но и его коррозионную активность. Таким образом, контролируя изменения теплофизи-ческих характеристик нефтепродуктопровода, эксплуатирующегося в нестационарных условиях, можно констатировать увеличение или уменьшение скорости коррозии металла труб.

Проведен расчет коэффициентов модельного уравнения по данным исследований стационарных режимов эксплуатации нефтепродуктопровода. Отмечается, что для определения коэффициентов модельного уравнения по данным исследований трубопроводов, эксплуатирующихся в стационарных условиях, эксперименты необходимо проводить на нескольких режимах, отличающихся скоростью перекачки. В ходе расчетов доказано существование осевого переноса теплоты, ведущего к увеличению времени безопасной остановки ма-зутопровода.

Во второй главе приведены также результаты расчета коэффициентов модельного уравнения по данным исследований переходных процессов в трубопроводе, полученных в ходе заполнения и прогрева мазутопровода ТЭЦ. Расчет проводился методом предварительного логарифмирования модельного уравнения. Показано, что этот метод позволяет определять коэффициент теплопередачи и коэффициент осевой теплопроводности в случае переходного процесса в трубопроводе, вызванного скачкообразным изменением температуры в начале трубопровода при известной производительности перекачки. Рассмотренный метод может быть использован для определения продолжительности предварительного прогрева трубопровода и необходимой температуры подогрева продукта перед подачей его в трубопровод для обеспечения безопасного пуска «горячего» нефтепродуктопровода. Также рассмотрена методика, позволяющая приводить начальные условия к расчетному виду в том случае, когда изменение температуры в начале трубопровода происходит не скачкообразно, а в течение некоторого времени.

Третья глава посвящена разработке методик решения обратных задач нестационарного теплообмена на основе предлагаемого модельного уравнения, в том числе: метод теории чувствительностиоперационный методметод моделирующих функцийметод стохастической аппроксимации. Метод теории чувствительности основан на предварительном получении решения прямой задачи, представленного в виде функциональной связи между температурой и искомыми параметрами и последующей «подгонке» этого решения под экспери ментальные точки путем последовательного уточнения искомых параметров. Метод позволяет определять искомые коэффициенты и, соответственно, выбирать допустимые, с точки зрения безопасности, параметры пуска неизотермического трубопровода, и в случае нехватки исходной информации, в частности, когда скорость перекачки неизвестна. Доказано, что рассмотренная методика обладает высокой точностью (отклонение расчетной кривой от экспериментальных точек не превышает 1%).

Для уточнения изменившихся параметров теплообмена трубопровода с окружающим грунтом при переходе нефтепродуктопровода на новый тепловой режим разработан упрощенный операционный метод, использующий преобразования Лапласа. Показано, что применение данного метода позволяет при достаточном объеме исходной информации существенно снизить трудоемкость расчетов по сравнению с методом теории чувствительности при сохранении достаточной точности расчетов.

Методы моделирующих функций и стохастической аппроксимации отличаются тем, что позволяют определять коэффициенты модели без использования решения краевой задачи. Показано, что эти методы позволяют решать обратные задачи и в том случае, когда начальные условия не соответствуют скачкообразному изменению температуры в начале мазутопровода. Это дает возможность использовать эти методы для определения параметров теплообмена на локальных участках трубопроводной сети, что позволяет находить участки с поврежденной тепловой изоляцией и вычислять места малых утечек. Проведенные математические эксперименты показали достаточную точность этих методов при условии наличия необходимого объема информации.

Четвертая глава посвящена определению физических параметров, оказывающих влияние на прохождение переходного процесса, проверке их значимости и поиску эмпирических зависимостей, описывающих взаимосвязь между ними и коэффициентом осевой теплопроводности. Показано, что величина коэффициента осевой теплопроводности определяется диаметром и протяженностью трубопровода, скоростью перекачки, величиной гидравлического сопротивления трубопровода, вязкостью и температуропроводностью нефтепродукта. Для мазутопроводов, не имеющих тепловой изоляции, определяющими величинами также будут температуропроводность грунта и глубина заложения.

13 трубопровода. Также отмечено, что коэффициент осевой теплопроводности, определяющий продолжительность переходного процесса в неизотермическом трубопроводе является фактором, влияющим на эксплуатационную надежность трубопровода, т.к. при переходном процессе в теле трубы возникают значительные осевые усилия, вызванные температурным расширением металла, которые могут привести к потере продольной устойчивости трубопровода и вероятность этого события будет определяться продолжительностью переходного процесса.

Найденная эмпирическая зависимость описывает существующую взаимосвязь коэффициента осевой теплопроводности с выбранными физическими параметрами с достаточной точностью (отклонение расчетных значений от экспериментальных не превышает 3%). Отмечено, что найденная эмпирическая зависимость позволяет по изменению коэффициента осевой теплопроводности оценивать величину коэффициента гидравлического сопротивления трубопровода.

Модельное уравнение и методики решения обратных задач разработаны в соавторстве с проф. И. Р. Байковым.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Разработаны рекомендации по повышению эксплуатационной надежности неизотермических трубопроводов, эксплуатирующихся в нестационарных режимах, путем осуществления контроля за изменением теплофизических характеристик прилегающих грунтов. Установлено, что наличие эффекта осевого переноса теплоты в потоке жидкости вызывает увеличение средней температуры среды в трубопроводе и, как следствие, позволяет продлить время безопасной остановки неизотермического трубопровода на 5−15%.

2. Предложены рекомендации по обеспечению безопасности пуска неизотермического нефтепродуктопровода, основанные на повышении точности определения времени предварительного прогрева трубопровода по уточненным теплофизическим характеристикам фунта и температуре подофева нефтепродукта. Для определения изменения теплофизических характеристик фунта разработана математическая модель, описывающая нестационарные процессы в неизотермических трубопроводах, и предложен метод расчета, который позволяет с погрешностью, не превышающей 3%, определять ее параметры.

3. Разработаны методики, позволяющие минимизировать риск «замораживания» неизотермических нефтепродуктопроводов при их пуске в условиях недостатка исходной информации для определения теплофизических характеристик системы «трубопровод-грунт», и осуществлять оперативный контроль за изменением теплофизических характеристик фунтов при изменении теплового режима трубопроводов. Пофешность расчетов не превышает 1−2%.

4. Разработан способ определения изменения теплофизических характеристик тепловой изоляции и выявления местоположения утечек в теплоизолированном нефтепродуктопроводе, основанный на определении параметров теплообмена трубопровода с окружающей средой с использова.

166 нием численных методов решения обратных задач нестационарного теплообмена.

5. Предложены рекомендации по поддержанию безопасных гидравлических режимов неизотермических трубопроводов, эксплуатирующихся в нестационарных условиях, путем осуществления оперативного контроля за изменением их гидравлических характеристик по величине коэффициента осевой теплопроводности. Разработаны эмпирические модели, описывающие изменение теплогидравлических характеристик неизотермических трубопроводов в зависимости от изменения коэффициента осевой теплопроводности. Достоверность расчетов при этом достигает 97−98%.

6. Предложен способ расчета времени безопасного выхода неизотермических трубопроводов на квазистационарные режимы эксплуатации, основанный на анализе диспетчерских данных, что позволяет исключить возможность «замораживания» нефтепродуктопроводов при проведении пусковых операций.

В заключение раздела можно сделать следующие выводы:

Разработаны рекомендации по обеспечению безопасного гидравлического режима неизотермического трубопровода, эксплуатирующегося в нестационарном режиме, путем осуществления оперативного контроля за изменением гидравлических характеристик по величине коэффициента осевой теплопроводности. Предложены эмпирические уравнения, которые с погрешностью, не превышающей 3%, описывают взаимосвязь между гидравлическими характеристиками трубопровода и коэффициентом осевой теплопроводности.