Переходные процессы в трубопроводном транспорте

• Автор: Калашникова, Екатерина Сергеевна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 168 с. : ил.

Введение.
Одна из основных проблем современности - топливная проблема. Среди всех видов топлива наибольшее значение имеют нефть и газ. Транспортировка нефти и газа от мест добычи до потребителя происходит по трубопроводным системам. Увеличение протяженности трубопроводов с одновременным усложнением структуры трубопроводных систем, повышение мощности трубопроводного оборудования, интенсификация производственных процессов усугубляют последствия любых нарушений
производственного процесса. Выход из строя оборудования, разрушение труб линейных участков могут привести не только к экономическому ущербу от недопоставки продукта, но и к авариям с тяжелыми последствиями для окружающей среды. В связи с этим большое значение приобретает повышение надежности и эффективности работы магистральных трубопроводов в условиях значительной протяженности. Важное значение имеет проблема управления работой нефтепроводов при переходных режимах. Неустановившиеся процессы в магистральном нефтепроводе, вызванные изменением гидравлического режима перекачки (остановка или пуск насосных агрегатов, регулирование давления и расхода, отключение или подключение попутного сброса или подкачки) сопровождаются распространением от источника возмущения волн повышенного или пониженного давления по всей трубопроводной системе. Перераспределение давления, нарушая работу насосных станций, нередко приводит к остановке работающих в подпорном режиме станций или всего эксплуатационного участка, к динамическим перегрузкам линейной части трубопровода, которые в отдельных случаях могут превысить предел прочности труб, а также привести к перегрузке оборудования насосных станций или к кавитации в насосах. Для предупреждения последствий возмущения нефтепроводы оснащаются системами автоматической защиты, регулирования и сглаживания волн повышенного или пониженного давления. Практика эксплуатации магистральных трубопроводов в условиях современной технологии перекачки и функционирования ставит новые гидродинамические задачи по расчету систем автоматического регулирования и защиты трубопроводов. Решение этих задач служит обеспечению надежной эксплуатации систем транспорта жидкости по трубам при переменных гидравлических режимах. Получить простые расчетные формулы для сложной трубопроводной системы не всегда возможно, особенно в случаях, когда речь идет о волновом нестационарном течении. Именно эти проблемы решены в настоящей работе. Цель работы и основные задачи исследований. Цель работы - исследование переходных процессов в сложной трубопроводной системе и получение аналитических решений для
класса гидродинамических задач течения жидкости в трубах, основанных на
математической модели, предложенной профессором И.А. Чарным.
Задачи:
• исследование гидродинамических процессов, происходящих при заполнении трубопровода;
• исследование интерференции попутных отборов-подкачек жидкости в трубопроводе;
• получение расчетных формул неустановившегося течения жидкости в трубопроводе при наличии насосных станций и попутных отборов-подкачек жидкости;
• исследование влияния попутных отборов и подкачек жидкости на перераспределение давления и расхода жидкости в трубопроводе при наличии компрессорных станций;
• разработка метода решения задач течения жидкости в трубопроводе с учетом решения, получаемого при I —> да (модифицированный метод Фурье разделения переменных);
• получение приближенных расчетных формул переходного режима течения жидкости, основанное на методе Галеркина решения задач массообмена.
Научная новизна результатов исследования.
• В работе использовано выделение решения для установившегося продолжения задачи (решение при для которого основные формулы расчета получены, минуя этап получения решения для неустановившегося режима течения, что сильно облегчает решение большого круга задач неустановившегося течения жидкости в сложной трубопроводной системе предложенными в работе методами.
• Разработан метод решения задач неустановившегося течения жидкости, основанный на использовании решений, полученных для предельного случая при / —» да.
• Исследован вопрос о взаимодействии попутных отборов и подкачек жидкости, выявлено влияние на процесс течения не только мощности и мест отборов и подкачек, но также порядка их расположения относительно головной насосной станции.
• Впервые исследованы случаи, когда среднее давление газа (жидкости) не изменяется в процессе переходного режима.
• Исследован вопрос о влиянии утечки (или отбора) жидкости из трубопровода на работу насосной станции.
Достоверность исследований.
Работа основана на использовании известных уравнений И.А. Чарного и М.А.
Гусейнзаде, для решения которых применяются классические математические методы
ряда случаев проведено сопоставление решений, полученных с помощью предложенного в
работе метода с решениями, полученными классическими методами интегральных преобразований Фурье и Лапласа.
Практическая значимость результатов работы.
Полученные автором результаты, касающиеся взаимодействия попутных отборов и подкачек жидкости, а также влияния утечки на работу насосной станции, и другие могут быть использованы при составлении проектов строительства и эксплуатации нефтепроводов (газопроводов). Расчетные формулы для установившихся процессов могут быть использованы при исследовании гидравлического удара. Многие из них уже вошли в книгу М.А. Гусейнзаде "Особенности волнового течения жидкости в трубах. Гидравлический удар".
Положения, выносимые на защиту.
• Применение асимптотической теоремы операционного исчисления исследовании систем на возможность существования в них установившихся процессов, являющихся конечным результатом физического взаимодействия сложных переходных процессов.
• Использование видоизмененного метода разделения переменных, а также метода Галеркина для получения расчетных формул неустановившегося течения жидкости в трубах.
• Рассмотрение вопроса одномоментного воздействия на трубопроводную систему нескольких внешних факторов.
• Получение результатов исследований по интерференции попутных отборов и подкачек, а также влияния попутных отборов (утечек) жидкости на эффект работы насосных станций.
Апробация работы. Основные научные результаты исследований по теме диссертации докладывались:
• на II конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности», МИНГ, 1997 (доклад занял второе место);
• на конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 1998 (организатор МГУ);
• на 3-ей научно-технической конференции, посвященной 70-летию Российского Государственного Университета им. И.М. Губкина, 1999;
• на научном семинаре нефтегазовой и подземной гидромеханики РГУ НГ им. И.М. Губкина, 1999;

Рис. 1.14. Распределение давления при начальном установившемся течении, при условиях 01=02 и Х]+Х2=1. Среднее давление РСр=Рн
Рис. 1.15. Распределение давления при установившемся течении, при наличии равных расходов в конечных сечениях и попутных отбора и подкачки при условиях Gj=G2 и Xi+X2=l. Среднее давление РСр=РИ