Ограничение ореола протаивания мерзлых грунтов вокруг трубопровода

При сооружении коммуникаций в районах мерзлоты нарушается естественное тепловое равновесие, вследствие чего происходит протаивание подстилающих грунтов и осадка сооружений. Укладка трубопровода сопровождается нарушением целостности мерзлого массива. В период эксплуатации трубопровод оказывает тепловое воздействие на окружающую среду. Поэтому прокладку трубопровода в районах мерзлоты следует рассматривать как грубое нарушение сбалансированности теплообмена. Даже в том случае, когда температура трубопровода не отличается от температуры прилегающего грунта, происходит изменение гидрологического режима, наблюдается барражный эффект, дренажный, а следовательно, происходит нарушение условий тепломассообмена поверхностного активного слоя массива грунта.

Поэтому способ эксплуатации магистральных трубопроводов в многолетнемерзлых грунтах, должен быть не только энергоресурсосберегающим, но и экологически чистым, безопасным. Для этого необходимо выполнение следующих условий:

· выполнение требования экологической безопасности окружающей среды, т.е. ограничения ореола протаивания под трубой;

· предупреждение защемления трубопровода в буграх пучения, что снижает риск аварийных ситуаций е повышает надежность;

· оптимизации, из условий минимума затрат;

· соответствие параметров магистрального трубопровода нормам технологического проектирования.

Управляя процессом тепломассообмена, можно поддерживать постоянным нулевой теплооборот на поверхности массива, т.е. восстановить нарушенный радиационно-тепловой баланс и обеспечить экологическое равновесие.

Рассмотрим уравнение радиационно-теплового баланса в ненарушенном тепловом состоянии грунта, которое представляет собой равенство прихода и расхода тепла на поверхности массива:

, (15.1)

где: q_п - тепловой поток в почву;

q_р - поток солнечной радиации;

q_об- источники (стоки) тепла;

q_л - лучистый поток за счет излучения поверхности;

q_к - конвективный поток от поверхности в воздух;

q_и - теплота, обусловленная испарением.

Знаки в уравнении (15.1) соответствуют дневному периоду летнего сезона. В ночное время тепловые потоки q_к и q_л, могут иметь противоположную направленность, а q_p=0. Преимущественное направление теплового потока q_п в летний период – к поверхности земли, в холодный зимний – наоборот, от земли в атмосферу.

С точки зрения сохранения окружающей среды необходимо обеспечить сбалансированность тепловых потоков на поверхности массива и после укладки трубопровода. Для этого необходимо, чтобы ход изменения температуры поверхности деятельного слоя грунта остался прежним. Иными словами, тепловой поток от стенки трубы в грунт q_тр не должен достигать поверхности грунта. Это возможно в том случае, если q_тр £ q_фп (теплоты плавления льда, равной теплоте фазовых переходов), т.е. когда теплота, теряемая жидкостью при ее транспортировке по трубопроводу, полностью затрачивается на фазовые превращения q_фп при продвижении границы протаивания-промерзания грунта вокруг трубопровода.

В данной постановке задачи удельный тепловой поток от трубы в грунт меняется в течение года, находясь в пределах: q_min...q_max. При этом ореол протаивания будет увеличиваться в летний период и уменьшаться в зимний, оставаясь в пределах D_0min...D_0max (рис. 15.1).

Рисунок 15.1 – Схема подземного трубопровода с регулируемым ореолом протаивания

Таким образом, путем регулирования тепловых потерь q можно поддерживать талик вокруг трубопровода в допустимых пределах. При этом отмечается два положительных момента:

-ограничение по D_0max талой зоны обеспечивает сохранность окружающей среды, т.е. грунт по массиву остается мерзлым;

-ограничение по D_0min талой зоны исключает возможность разрыва трубы вследствие морозного пучения грунта, т.к. трубопровод в талом грунте потенциально подвижен. Практика показывает, что защемление трубы при морозном пучении ведет к деформациям трубопроводов и порывам.

Величину теплопотерь можно регулировать путем изменения расхода Q или температуры t перекачиваемой нефти, меняя тем самым и тепло трения (которое разогревает нефть). Так как в условиях мерзлоты перекачка возможна только при температурах, близких к 0°С, то в уравнении теплового баланса для участка трубопровода длиной dz, тепло кристаллизации парафина не учитываем:

, (15.2)

где: Q - объемный расход;

r, c - плотность и удельная теплоемкость нефти;

t - температура нефти;

К - коэффициент теплопередачи;

D, z - внутренний диаметр и координата длины трубопровода;

i - гидравлический уклон;

t_e - температура грунта на глубине заложения оси трубопровода в ненарушенном тепловом состоянии, t_e = Т_е – 273,15.

При определенном сочетании параметров (относительно низкие температуры при значительных скоростях перекачки и т.п.) возможна ситуация, когда потери тепла равны тепловыделению вследствие вязкого трения. Перекачка в этом случае характеризуется изотермичностью течения при температуре t = const, превышающей температуру окружающей среды, t ³ t_e. Левая часть уравнения (15.2) равна 0, т.к. dt = 0.

Именно этот режим можно считать целесообразным в условиях мерзлых грунтов по следующим причинам.

Во-первых, изотермическая перекачка является экономически выгодной.

Во-вторых, температуры перекачки, определенные с учетом тепла трения ожидаются невысокие, превышают температуру грунта t_e всего лишь на несколько градусов.

В третьих, эксплуатация трубопровода при невысоких положительных температурах со стабильным тепло-гидравлическим режимом, при котором ореол протаивания невелик, регулируется и не выходит за допустимые пределы R_0min...R_0max, отвечает требованиям экологической безопасности.

Специальным подбором параметров перекачки можно добиться также стабильности температурного режима во времени, несмотря на изменение климатических условий. Процесс теплообмена в таких условиях можно рассматривать как квазистационарный, а расчет вести по формулам стационарного режима.