Гидравлический расчет нефтепровода с учетом тепла трения при сбалансированном теплообмене

Теплогидравлические режимы нефтепровода описываются дифференциальными уравнениями, решение которых для случая изотермической перекачки с температурой t = t_бал > t_е, полученное Л.С. Абрамзоном, устанавливает связь между температурой перекачки t и параметром диссипации П_д.

, (15.8)

где . (15.9)

Отсюда видно, что параметры Q и t взаимосвязаны:

, (15.10)

где: u - крутизна вискограммы;

m - коэффициент в формуле Лейбензона, зависящей от режима течения жидкости;

D_r - радиальный градиент температуры;

i_e - гидравлический уклон, условно определяемый по температуре t_e для данного трубопровода.

Величины D_r и i_e определяются по стандартным методикам курса "Проектирование и эксплуатация магистральных нефтепроводов". Коэффициент теплопередачи можно считать по формуле (15.11) с учетом теплопередачи в талом и мерзлом массиве

. (15.11)

Сопрягая полученное решение "внешней" задачи теплообмена (15.7) с решением "внутренней" задачи (15.10) и, аналогично, принимая за целевую функцию выражение

DQ=Q_max-Q_min, (15.12)

получаем возможность минимизировать колебания производительности.

Соответствующая программа REGL позволяет также осуществить поиск оптимального варианта и выполнить расчет основных параметров перекачки с выходом на регламент эксплуатации магистрального трубопровода при условии ограничения ореола протаивания по (15.5).

Если при минимизации целевой функции DQ достигнут уровень DQ=0, то это значит, что в течение года производительность трубопровода не меняется.

4.5.5. Регламент эксплуатации магистрального нефтепровода Тарасовская – Муравленковская при условии сохранности окружающей среды

Вследствие выделения тепла трения при транспорте нефти по трубопроводам, температура перекачки всегда превышает температуру грунта, окружающего трубопровод. Температура нефти может повышаться к концу трубопровода на несколько градусов. Для трубопроводов, пролегающих в многолетнемерзлых грунтах, этот фактор имеет особо важное значение.

Например, если температура грунта на глубине заложения трубопровода -1...-2°С, что характерно для северных нефтеносных районов России, повышение температуры нефти вследствие выделения тепла трения даже на 2...3°С приведет к образованию ореола протаивания и нарушению экологического равновесия в районе прохождения трассы. Обычно процесс протаивания грунта под трубой носит прогрессирующий характер. Но путем регулирования, как показано выше, зону протаивания можно ограничить и перекачку организовать при условии сохранности окружающей среды. Режимы эксплуатации магистрального трубопровода, при которых обеспечивается сбалансированность теплообмена, реально осуществимы. Радиус протаивания поддерживается в допустимых пределах и меняется от R_0max до R_0min. Сезонные колебания температуры воспринимаются только грунтом и гасятся за счет фазовых превращений в промерзающем - протаивающем грунте. Сбалансированность потоков тепла обеспечивается за счет колебания радиуса талой зоны. Тепловая инерция грунта обеспечивает возможность сдвига по фазе этих колебательных процессов. При таких условиях температура нефти положительная, но ограничена. Ее величина определяется расчетом. Вдоль оси трубопровода температура не меняется, а устанавливается постоянной за счет того, что количество выделяемого тепла трения равно теплу, уходящему в грунт от трубы. Тепло в грунте полностью затрачивается на фазовые превращения на границе протаивания. Процесс теплообмена оказывается сбалансированным по всей длине трубопровода.

Если трубопровод нетеплоизолирован, то температура перекачки будет мало отличаться от температуры окружающей среды. Хотя тепловое возмущение невелико, ореол протаивания вокруг трубопровода образуется непременно. Так как протаивание грунта под трубопроводом крайне нежелательно, то следует, по мере возможности, сдерживать его распространение. Если температура закачки нефти в трубу будет равна расчетной температуре t_р, то на всем протяжении трубопровода температура будет постоянной. В противном случае появится так называемый начальный участок, на котором происходит стабилизация теплообмена

Покажем, что параметры трубопровода в результате минимизации целевой функции DQ получаются вполне реальными.

Программа REGL прошла апробацию на магистральном нефтепроводе Тарасовская-Муравленковская, при условии ограничения ореолов протаивания в зимний период эксплуатации. С учетом изменения свойств грунтов по трассе было выделено 3 характерных участка (табл. 15.1).

Таблица 15.1 Свойства грунтов и перекачиваемой нефти характерных участков нефтепровода Тарасовская - Муравленковская

Участок	Грунт	rск, кг/м3	We, %	lт, Вт/(м°С)	lм, Вт/(м°С)	u, 1/°С	n40´106, м2/с	r, кг/м3
	песок			2,11	2,36	0,0209	4,14
	песок			1,77	2,08	0,0209	4,14
	супесь			1,40	1,72	0,0209	4,14
	песок			2,11	2,36	0,0268	6,05
	песок			1,77	2,08	0,0268	6,05
	супесь			1,40	1,72	0,0268	6,05

Изменение температуры грунта на глубине заложения нефтепровода Тарасовская-Муравленковская в ненарушенном тепловом состоянии представлено на рис. 15.2. Грунты вдоль трассы нефтепровода относятся к категории сезоннооттаивающих с островным расположением многолетнемерзлых. Поэтому расчет режимов летнего периода следует считать приближенным.

Для удобства анализа расчетных данных обратимся к таблице 15.2, с расчетными параметрами трубопровода, при которых радиус протаивания ограничивается величинами R_0max...R_0min.

Анализ таблицы 15.2 показывает, что на различных участках трассы регламентированные режимы отличаются незначительно. Эксплуатацию нефтепровода можно вести при условии ограничения ореолов протаивания. При средней производительности 0,537м³/с (0,502...0,570) и температуре закачки нефти в трубопровод +6,4°С(+5,7...+7,5°С) ореолы протаивания на мерзлотных участках не выйдут за допустимые пределы R₀ = 0,61...1,09м.

Таблица 15.2 Регламент эксплуатации нефтепровода Тарасовская-Муравленковская, обеспечивающий сохранность окружающей среды

Участок	Грунт	r0, кг/м3	r, кг/м3	Q, м3/с	H, м на 1км	t, °С	R0max, м	R0min, м
	песок			0,570	6,99	7,50	1,09	0,61
	песок			0,551	8,04	5,67	1,09	0,61
	супесь			0,551	6,58	6,15	1,09	0,61
	песок			0,531	7,12	7,50	1,09	0,61
	песок			0,512	8,20	5,67	1,09	0,61
	супесь			0,508	7,71	6,15	1,09	0,61

Производительности Q = 0,537м³/с соответствует Q @ (14...15)млн. т/год. Согласно технологическим нормам на проектирование для нефтепроводов диаметром D = 0,72м рекомендуется производительность 14...18 млн. т/год. Таким образом, режим перекачки и в этом случае, также как и в предыдущем примере, соответствует технологическим нормам. Данный магистральный нефтепровод длительное время эксплуатировался при более высоких температурах, порядка 30°С, что привело к прогрессирующему таянию подстилающих грунтов на мерзлотных участках.