Регулирование теплообмена магистрального нефтепровода с многолетнемерзлым грунтом

Очевидно, что фактор сохранности экологической обстановки в районах многолетнемерзлых массивов должен рассматриваться как наиважнейший, когда речь идет о сооружении и последующей эксплуатации крупнейших промышленных сооружений, какими являются магистральные нефтепроводы.

Данная задача осложняется тем, что несмотря на соблюдение экологических требований, техническое решение должно обеспечивать минимум затрат на перекачку, т.е. должно быть оптимальным. Исследования показали, что чем ближе температурный режим перекачки к изотермическому, тем экономичнее рассматриваемый вариант перекачки. Минимум затрат соответствует варианту изотермической перекачки с балансовой температурой t_бал, превышающей температуру t_e окружающей среды. Такую перекачку можно организовать, используя тепло трения.

При этом, сбалансированность теплообмена достигается при такой производительности трубопровода Q и температуре перекачки t_бал = const, при которых все тепло, регулярно выделяющееся по мере следования нефти по трубопроводу, будет затрачиваться на фазовые превращения в прилежащем грунте:

q_трен.=q=q_ф.п., (15.3)

При таком способе перекачки обеспечивается постоянство температуры по длине трубопровода. Следовательно, вдоль трубопровода одинаковы размеры ореола протаивания, температурные напряжения и прочие параметры. Труба оказывается равнопрочной в каждом сечении, что согласуется с требованием к надежности системы магистрального трубопровода. Для северных регионов, где возможны случаи морозного пучения грунтов и осадок, это чрезвычайно важно. Трубопровод, эксплуатирующийся в регулируемом режиме, при котором размеры талика не выходят за допустимые пределы, становится более надежным.

Таким образом, способ сбалансированного теплообмена как нельзя лучше подходит для трубопроводов, прокладываемых в многолетнемерзлых грунтах. Кроме того, управляемая система в условиях Крайнего Севера более надежна и перспективна.

Данный эффект регулирования достигается необычным, но простым способом: за счет сдвига по фазе колебаний радиуса R₀ ореола протаивания по отношению к температуре грунта t_e.

Температура грунта t_e в ненарушенном тепловом состоянии на глубине заложения оси трубопровода меняется в течение года по периодическому закону (рис. 15.2), который хорошо аппроксимируется выражением:

t_e = t_e'+t_e"cos(wt-b), (15.4)

где: t_e', t_e" - среднегодовое значение и амплитуда колебания температуры t_e;

w = 2p/12 - если время отсчитывается в месяцах;

b- сдвиг по фазе на начало отсчета в (15.4).

Изменение радиуса протаивания задается периодическим законом:

, (15.5)

где: ; ;

α – сдвиг по фазе на начало отсчета.

На основании (15.5) задается и скорость перемещения границы протаивания - промерзания:

. (15.6)

Таким образом, для случая управляемого процесса закон изменения скорости перемещения границы протаивания dR₀/dt задан. Величину радиуса протаивания R₀ можно поддерживать в течение года в допустимых пределах R_0min...R_0maх. Можно "остановить" границу протаивания, задав R₀" = 0, что равнозначно условию R₀ = const.

По выражению (15.7), которое получено на основании (15.3), можно определить допустимую температуру грунта, примыкающего к поверхности трубы (при отсутствии теплоизоляции вместо радиуса теплоизоляции R_из в уравнении (15.7) учитывается наружный радиус трубы R_тр):

Рисунок 15.2 – Изменение температуры грунта на глубине заложения нефтепровода Тарасовская - Муравленковская

. (15.7)

где s - удельная теплота плавления льда;

r₀ - объемная плотность мерзлого грунта;

W_н, W_c - содержание незамерзшей воды и суммарная влажность;

l_т, l_м - соответственно коэффициенты теплопроводности талого и мерзлого грунта;

R_тр, R_из – соответственно наружный радиус трубы и изоляционного покрытия.

Температура на границе талой и мерзлой зоны условно принята равной 0°С. При наличии снежного покрова по Андрияшеву, где d_сн, l_сн - толщина снежного покрова и коэффициент теплопроводности.

Наименьшие колебания параметров перекачки будут наблюдаться у нетеплоизолированного трубопровода, обладающего минимальной тепловой инерцией. Покажем, что колебания в режимах перекачки можно свести к "0".

На рис. 15.3 приведены результаты расчета примера эксплуатации подземного нефтепровода при "остановленной" границе протаивания R₀ = const.

Рисунок 15.3 – Регламент эксплуатации нефтепровода при R₀ = 0,96 м = const.

Исходные данные к примеру: D=1,2м; D_тр=1,22м; Н₀=1,32м; n₂₀=9,13×10^-6м²/с; u=0,1°С^-1; r=854кг/м³; l_т=1,7Вт/(м°С); l_м=2,1Вт/(м°С); r₀=1800кг/м³; s=336кДж/кг; t_emax=-2°C; t_emin=-4°C; R₀=0,96м; b=0; D_r=1; i_лд=0,2; льдистость i_лд=(W_c–W_м)/(W_c+1).

Из графика видно, что в данном случае колебания производительности по отношению к среднегодовой достигают 18%. Минимальное значение ее приходится на теплый летний период. Максимальное - на самый холодный месяц. Технологически такой вариант эксплуатации осуществим, если нефть

имеет незначительную крутизну вискограммы, а промыслы обеспечат регламент по производительности.