Средства предупреждения аварийных ситуаций на трубопроводах большой протяженности

Авторы: Заслуженный изобретатель РФ, д.т.н., X.Н. Низамов; к.т.н., В.Н. Применко; А.В. Колычев; Российский университет дружбы народов


Журнал «Двойные Технологии», №2, 2001г.


Для трубопроводов большой протяженности предложено использовать стабилизаторы давле­ния с неактивными элементами (выносными демпфирующими камерами, заполненными упру­гим податливым материалом или газом, либо имеющие и газовую полость и упругоподатливый заполнитель). Установлена зависимость между эффективностью гашения гидроударов и пульсаций давления в трубопроводной системе с основными характеристиками стабилизатора давления (массовая податливость, суммарная площадь распределенной перфорации и др.)


При эксплуатации трубопроводных систем большой протяженности неизбежно возникают гидравлические удары, пульсации давления и вибрации, приводящие к высоким динамическим нагрузкам на трубопроводы. Специфика трубопроводов большой протяженности включает в себя ряд проблем, связан­ных с большой инерционностью потока транспорти­руемой среды. Известно, что при резких перепадах высоты по трассе прокладки вероятность гидравличе­ского удара значительно возрастает и возрастают со­провождающие его волны повышенного давления, при этом амплитуда гидроудара в трубопроводах большой протяженности может многократно превышать уровень рабочего статического давления. Положение усугубляется огромной инерционностью жидкости, в силу которой каждый разрыв трубопровода сопровож­дается обширными разливами и загрязнениями окру­жающей среды на значительных площадях.

В настоящее время для защиты от гидроудара в этих гидросистемах используются предохранитель­ные клапаны, осуществляющие сброс транспортируе­мой жидкости из трубопровода в резервные емкости. Примером таких клапанов являются клапаны типа «Флексфло» и «Аркрон», которыми оборудованы не­которые магистральные нефтепроводы. Они реагиру­ют только на превышение давления выше установочного (настроеч­ного), например, – клапан «Флексфло» – или на градиент нараста­ния давления свыше допустимого рабочего (клапан «Аркрон») [1]. При других формах колебания давле­ния в трубопроводе, таких, как провалы давления, вынужденные колебания на высокой частоте, они не­работоспособны. Кроме того, для сброса излишней жидкости из трубопроводов необходимы резервуары значительного объема.

Данные обстоятельства обусловливают актуаль­ность разработки принципиально новых устройств защиты трубопроводных систем. Наиболее перспек­тивным направлением в области защиты трубопро­водных систем от волновых и вибрационных процес­сов является применение стабилизаторов давления (СД), принцип действия которых основан на ком­плексном воздействии на волновую энергию и заклю­чается в том, что транспортируемая жидкость или газ теряют ее за счет диссипативных свойств и податли­вости указанных устройств.

При прочих равных условиях к числу преиму­ществ стабилизаторов, по сравнению с существующими средствами можно отнести следующие:

  • минимальные массогабаритные характеристики при равной эффективности;
  • простота и надежность в эксплуатации, как и у гасителей емкостного типа (аккумуляторы давления, ресиверы ит. п.);
  • отсутствие дополнительного гидравлического со­противления потоку;
  • широкий диапазон гасимых частот колебаний давления, что позволяет использовать их практически с равной эффективностью для борьбы как с гидроуда­рами, так и с вынужденными колебаниями давления, а также уменьшить непроизводительные потери порш­невых нагнетательных установок и повысить их про­изводительность.

Дня трубопроводов большой протяженности, с уче­том большой инерционности потока транспортируемой среды, необходимы стабилизаторы давления, обладаю­щие большой податливостью и диссипативностью, т. е. возможностью перевода энергии колебаний в другие формы энергии. С учетом этого из всего множества кон­структивных решений наиболее рациональны типы СД с неактивными элементами (выносными демпфирующи­ми камерами, заполненными упругим податливым мате­риалом или газом либо имеющими и газовую полость, и упругоподатливый заполнитель). В случаях, когда пере­пады высот по трассе прокладки трубопровода значи­тельны, стабилизатор может быть оборудован дополни­тельной линией сброса (рис. 1), через которую осущест­вляется сброс жидкости в резервуар малого объема. Эта мера необходима для предотвращения аварийной ситуа­ции в тех случаях, когда вследствие значительного перепада высот и гидроудара для того, чтобы стаби­лизатор принял на себя всю нагрузку перека­чиваемой среды, необходимо многократное увеличение его массы и размеров по сравнению с базовыми характеристиками.

Стабилизатор давления со сбросной линиейРис. 1. Стабилизатор давления с линией сброса:

1 — СД; 2 — предохранительный клапан; 3 — обратный клапан; 4 — СД линией сброса; 5 — резервуар.

Основной причиной возникновения динамиче­ских процессов в трубопроводных системах является изменение расхода перекачиваемой жидкости или га­за в каком-либо сечении вследствие работы насосного агрегата или запорной аппаратуры, которые в общем случае могут быть произвольными функциями време­ни.

Для определения основных зависимостей, опре­деляющих изменение давления в трубопроводной сис­теме, рассмотрим схему, приведенную на рис. 2.

Рис. 2. Схема гидросистемы со стабилизатором давле­ния:

1 — насос; 2 — задвижка; 3 — обратный клапан; 4 — предохранительный клапан; 5 — СД; 6 — трубопровод.

Предполагается, что изменение расхода G=G(t) на входе в стабилизатор давления осуществляют либо насосный агрегат, либо запорная арматура (задвижка или обратный клапан). При этом в зависимости от ти­па установленного в трубопроводной системе насоса функция G(t) будет иметь различный характер.

Пуск центробежных насосов происходит при за­крытой задвижке, которая начинает постепенно открываться после выхода насоса на стационарный ре­жим работы. В этом случае изменение расхода можно представить линейной функцией времени либо их комбинацией:

(1)

где GН — расход, обеспечиваемый насосом;
tЗ — время полного открытия задвижки.

Остановка насоса осуществляется в обратной по­следовательности, т. е. тип функции G(t) фактически не изменяется.

В случае аварийного отключения электропитания насоса его остановка осуществляется при открытой задвижке и изменение расхода жидкости в трубопро­воде происходит гораздо быстрее. В то же время, как показывают результаты экспериментальных исследо­ваний, характер изменения давления и расхода также близок к линейной функции времени.

Для гидросистем с поршневыми насосами изме­нение расхода имеет периодический характер:

(2)

где ρ — плотность жидкости;
F — площадь поперечного сечения трубопровода;
ν(t) — скорость жидкости в трубе, которую можно определить по следующей формуле [2]:

(3)

здесь ωb — угловая скорость вращения вала насоса;
νср — средняя скорость жидкости в трубе.

Связь между расходом G и давлением Р жидко­сти в каком-либо сечении трубопровода (X) можно представить следующей линеаризованной системой дифференциальных уравнений:

(4)

где P(x,t); G(x,t) — давление и расход жидкости в трубопроводе (0<х<l);
х — координата, отсчитываемая от выходного сече­ния трубопровода;
a — приведенный коэффициент линейного трения;
с — скорость распространения волн давления в трубопроводе;
t — время.

Для определения функций P(x,t); G(x,t) к систе­ме уравнений необходимо задавать граничные и начальные условия.

Граничные условия при х=l и t>0 можно пред­ставить в виде:

G(t)=GH(t)–GСТ(t),

(5)

где GCT(t) — расход жидкости через отверстия перфора­ции стабилизатора давления;
величина GH(t) опреде­ляется зависимостями (1) и (2).

Начальные условия задаем нулевыми.

Дифференциальное уравнение движения жидко­сти в СД при Р≤РН можно записать в виде [3]:

(6)

где mСТ — масса жидкости в камере СД; Fn — площадь перфорации;
kД — коэффициент эквивалентного вязко­го демпфирования, имеющий размерность силы, от­несенной к единице скорости;
kСТ — коэффициент, ха­рактеризующий жесткость СД (величину, обратную податливости), отнесенную к единице площади пер­форации:

kCT=ρFn,

где П — податливость СД;
ε — смещение частиц жидко­сти в отверстиях перфорации;
P(l,t) — изменение давления на входе СД.

Разделив левую часть уравнения (6) на mCT полу­чим:

(7)

Рассмотрим возможные решения уравнения (7) в зависимости от характера функции P(t).

Предположим, что она является линейной функ­цией времени, т. е. P(t)=Bt, где В — коэффициент пропорциональности. Тогда решение уравнения (7) можно представить в виде:

(8)

Третий член в выражении (8) показывает, что стабилизатор давления обладает диссипативным свойством, приводящим к затухающим колебаниям жидкости.

Аналогичное решение можно получить для P(t)=P0cosωt, т. е. когда давление и расход на выходе из насосного агрегата изменяются по периодическому закону.

Решение уравнения (7) для вынужденных коле­баний давления на входе в СД может быть записано:

(9)

Таким образом, установившиеся вынужденные колебания жидкости в стабилизаторе представляют собой простое гармоническое колебание с амплиту­дой А1 и фазовым сдвигом φ1.

Расход жидкости в стабилизаторе определим, ис­пользуя зависимость:

(10)

где μ — коэффициент расхода отверстий перфорации.

Дифференцируя (8) и (9) по времени и подстав­ляя в зависимость (10), получим:

(11)



(12)

Формулы (11) и (12) определяют измене­ние расхода в стабилизаторе.

В случае, когда стабилизатор дополнительно оборудован предохранительным клапаном, для исключения чрезмерного повышения давления в напор­ном трубопроводе необходимо определенную часть жидкости пропустить через клапан в резервуар мало­го объема.

Расход жидкости через клапан определяется по формуле:

(13)

Здесь dк — диаметр клапана;
hк — полная высота поднятия клапана над седлом;
Ркл — давление жидко­сти в стабилизаторе;
μк — коэффициент расхода.

Расход жидкости в стабилизаторе с предохрани­тельным клапаном определяется по формуле:

(14)

После решения системы уравнений (4) для тру­бопровода со стабилизатором и без него (GCT(t)=0) получены зависимости для определения эффективно­сти гашения пульсаций давления и гидроударов СД.

При линейном изменении расхода:

(15)

При периодическом изменении расхода:

(16)

Если стабилизатор дополнительно оборудован предохранительным клапаном, то на первом этапе рассчитывается значение величины Кэф по формуле (15). Для этого необходимо определить время откры­тия обратного клапана tок .

Время открытия клапана определяется из чис­ленного решения следующего уравнения:

(17)

После определения значения tок рассчитывается приращение давления в трубопроводе за время Δt=t3-tок:

(18)

где (G(t3)=G(t0K)) — изменение расхода в трубопро­воде за стабилизатором за время Δt; величина Кэф:

(19)

Уравнения (15) — (19) устанавливают зависимость между эффективностью гашения гидроударов и пуль­саций давления в трубопроводной системе с основ­ными характеристиками и основными проектными параметрами стабилизатора давления (массовая по­датливость, суммарная площадь распределенной пер­форации и др.)

Литература

1. Левченко Е.Л., Арбузов Н.С., Ходяков В.А., Дараков А.Г. «Инженерные методы прогнозирования и профилактики гидроудара» // Трубопроводный транспорт нефти, №11, 1995г.
2. Чарный И.А. «Неустановившееся движение ре­альной жидкости в трубах» - 2-е изд. — М: Недра, 1975г.
3. Ганиев Р.Ф., Низамов Х.Н., Дербуков Е.И. «Волновая стабилизация и предупреждение аварий в трубопроводах» - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996г.

Статья поступила 20.04.2001г.