Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор литературы 9
1.1 Трубопроводный транспорт сжиженных газов 9
1.2 Особенности трубопроводного транспорта сжиженных газов 13
1.3 Анализ существующих методов расчета низкотемпературных трубопроводов и трубопроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах 15
1.4 Методы и устройства термостабилизации вечномерзлых грунтов 17
1.5 Задачи исследования 23
ГЛАВА 2 Исследование сезонно – действующего охлаждающего устройства с вертикальной и горизонтальной испарительными частями 24
2.1 Исследование работы сезонно-действующего охлаждающего устройства. Постановка задач исследования. 24
2.2 Определение температурного поля в мерзлом грунте при использовании сезонно-действующего охлаждающего устройства с вертикальной и горизонтальной испарительными частями . 26
2.3 Расчет сезонно-действующего охлаждающего устройства 35
2.3.1 Вывод формулы для нахождения температуры грунта под теплоизоляционной плитой 41
2.3.2 Вывод зависимости радиуса промерзания грунта от времени 43
2.4 Численное моделирование изменения температуры в мерзлом грунте вокруг трубопровода при использовании сезонно-действующих охлаждающих устройств 45
ГЛАВА 3 Расчет трубопровода сжиженной смеси природного газа и газового конденсата 53
3.1 Описание технологии транспортирования сжиженной смеси природного газа и газового конденсата 53
3.2 Описание региона 56
3.3 Расчет параметров перекачиваемой сжиженной смеси природного газа и газового конденсата Южно-Тамбейского газоконденсатного месторождения полуострова Ямал 60
3.4 Расчет трубопровода на прочность и устойчивость 63
3.5 Гидравлический расчет магистрального трубопровода сжиженной смеси природного газа и газового конденсата 63
ГЛАВА 4 Методика расчета изменения температуры трубопровода сжиженной смеси природного газа и газового конденсата с учетом влияния устройств температурной стабилизации грунта 89
4.1 Расчет режима нагрева трубопровода при прокачке смеси 89
4.2 Расчет режима нагрева трубопровода при его останове 92
ГЛАВА 5 Экономический анализ проекта 98
5.1 SWOT-анализ проекта 98
5.2 Технико-экономическое обоснование предложенной технологии
транспортирования сжиженной смеси природного газа и газового
конденсата по магистральным низкотемпературным трубопроводам 101
Заключение 112
Список сокращений и условных обозначений 113
Список литературы 114
- Анализ существующих методов расчета низкотемпературных трубопроводов и трубопроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах
- Определение температурного поля в мерзлом грунте при использовании сезонно-действующего охлаждающего устройства с вертикальной и горизонтальной испарительными частями
- Расчет параметров перекачиваемой сжиженной смеси природного газа и газового конденсата Южно-Тамбейского газоконденсатного месторождения полуострова Ямал
- Расчет режима нагрева трубопровода при его останове
Анализ существующих методов расчета низкотемпературных трубопроводов и трубопроводов, проложенных в многолетнемерзлых грунтах
Создание трубопровода с низкой температурой рабочей среды в особых условиях - многолетнемерзлых грунтах Крайнего Севера п-ва Ямал является сложной проблемой, и требует решения задач прочности, устойчивости, надежности. Приведены методы расчетов технологических процессов перекачки и хранения сжиженных углеводородных газов в работах многих российских ученых как: Э. М. Блейхер, П.П. Бородавкин, А.Е. Владимиров, А.И. Гриценко, О.М. Иванцов, Г.К. Клейн, А.П. Клименко, Г.Е. Одишария, А.Е. Полозов, и др. Но в этих работах недостаточно решены вопросы надежной и безопасной эксплуатации низкотемпературных теплоизолированных трубопроводов, работающих в упругой среде. Для строительства низкотемпературных трубопроводов в северных регионах разработаны методы опирания, закрепления трубопроводов путем использования низких температур транспортируемого продукта и с использованием низколегированных анкеров.
Расчеты прочности и надежности низкотемпературного трубопровода, решения по определению зависимостей напряженно-деформационного состояния низкотемпературного трубопровода приведены в работах [1,2,14,16,17,50,55-59,66,70,76,79,81,114,121]. В работах О.Ю. Володченковой [21] и Т.Н. Дрынкиной [50] приведены расчёты взаимодействия системы «теплоизоляция-грунт» при воздействии постоянных и временных нагрузок. Проведены исследования по элементам компенсации температурных деформаций низкотемпературных трубопроводов в работах [59,61,76,81,87].
Недостаточно изучены особенности и механизмы транспорта сжиженных газов по магистральным трубопроводам на значительные расстояния. Значительно мало работ, направленных на изучение особенностей трубопроводного транспорта сжиженной смеси природного газа и газового конденсата в условиях Крайнего Севера. В основном изучено влияние «горячих» трубопроводов на грунт, а влияние «холодных» трубопроводов на грунт мало изучено.
При проектировании трубопроводов для сжиженных газов в настоящее время отсутствует единый подход к решению многих важнейших вопросов, таких как определение прочностных характеристик трубопровода, температурных потерь подземного трубопровода в зоне вечной мерзлоты. Для низкотемпературных трубопроводов важно поддерживать однофазное состояние потока по всей длине трубопровода.
Проектирование и строительство зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах (ММГ) неотъемлемо связаны с проведением прогнозных теплотехнических расчетов динамики температурного поля грунтов основания на весь период эксплуатации сооружения. При этом актуальным является расчет теплового взаимодействия инженерного сооружения с грунтом и окружающим воздухом. Однако не существует готового точного аналитического решения всех задач, так как сооружения, климатические условия и геологический разрез в каждом случае различны. Кроме того, нередко в условиях распространения ММГ для поддержания грунтов в мерзлом состоянии предусматриваются мероприятия по температурной стабилизации грунтов с помощью сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ), что дополнительно осложняет расчет.
Для подземных трубопроводов в зоне распространения ММГ следует применять (на основании теплотехнических расчетов) теплоизоляцию и балластировку трубопровода, термостабилизацию грунтов и другие мероприятия [1,11,14,25-27,50,55,56,75,76,87,89,114,121].
При проектировании и строительстве подземных трубопроводов, проложенных в ММГ следует учитывать все выше перечисленные факторы
Основания грунтовых сооружений на Севере характеризуются сложными геокриологическими условиями - наличием сплошной или островной мерзлоты, сквозных или замкнутых таликов, стратификацией температуры. Мерзлые грунты и скальные трещиноватые породы, как правило, обладают резким снижением несущей способности и высокой водопроницаемостью после оттаивания
Многие работы посвящены проблемам поддержания многолетнемерзлых грунтов в замороженном состоянии, т.к. при низких отрицательных температурах мерзлые грунты устойчивы и прочны, и менее подвержены влиянию техногенных факторов. В настоящее время нормативные документы [87,104,106-109] регламентируют два принципа строительства сооружений на многолетнемерзлых основаниях: I – в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения; II – в оттаянном или оттаивающем состоянии. При использовании ММГ по I принципу применяются различные технические решения, в том числе СОУ различных модификаций. Грунты Ямала относятся к грунтам 1Г типа [103].
Для сохранения в мерзлом состоянии (термостабилизации) грунтов в свайном основании применяют капсулированные трубчатые погружные жидкостные либо парожидкостные устройства –термостабилизаторы, которые помещают в специальные скважины, пробуренные рядом с опорным фундаментом для создания мерзлотного экрана [122]. В зимнее время конвекционная циркуляция теплоносителя (в простейшем варианте это керосин) в жидкостных устройствах и паров пропана в парожидкостных термостабилизаторах обеспечивает охлаждение грунтов основания. С наступлением летнего периода, как только температура верхнего, находящегося на наружном воздухе, конуса (конденсатора) устройства становится выше температуры теплоносителя, циркуляция прекращается и процесс приостанавливается с частичным инерционным оттаиванием верхнего слоя грунта до следующего похолодания.
По принципу работы принято подразделять термостабилизаторы грунтов (ТСГ) на конвективные (газовые, жидкостные и газожидкостные) и испарительные (двухфазные). По способу монтажа и конструктиву закладки различают горизонтальную систему (ГСТ), так называемую систему «ГЕТ», и вертикальную – «ВЕТ». Современные ТСГ используют наиболее эффективные по термодинамическим свойствам хладоносители (теплоносители) – сжиженные аммиак или диоксид углерода. Керосин и фреоны (обычно R22) не рекомендуются, так как первый пожароопасен и травмирует экологию, а вторые запрещены из-за их озоноразрушающих и «парниковых» свойств.
Таким образом, ТСГ представляют собой трубчатую бескомпрессорную холодильную машину, использующую естественные конвекционные свойства хладагента при наличии градиента температур между слоем вечной мерзлоты и наружным воздухом [11]. Существуют экологически безопасные и энергоэффективные теплоносители класса ХНТ-НВ, разработаны НПК ООО «Спектропласт» на основе пропиленгликоля с ПАВами, снижающими вязкость и гибридными комплексом ингибиторов коррозии, обеспечивающими стабильную эффективную длительную (более 15 лет) работу термостабилизаторов грунта [113]. Важно отметить, что полный производственный цикл пакета ингибиторов коррозии и снижающих вязкость ПАВов находится в России. Данные теплоносители доступны по цене и выпускаются в промышленных масштабах на российских заводах.
Определение температурного поля в мерзлом грунте при использовании сезонно-действующего охлаждающего устройства с вертикальной и горизонтальной испарительными частями
На современном этапе при проектировании оснований и фундаментов, возводимых в сложных геотехнических условиях с применением технологии искусственного замораживания грунтов, требуется применение компьютерного моделирования для прогнозирования температурных полей и механических свойств грунтов. При выполнении теплотехнических расчетов грунтов необходимо учитывать замерзание и оттаивание грунтов с расчетом конвективной теплопередачи, миграции влаги к фронту промерзания, а также работу охлаждающих устройств [29,30,32,41].
При моделировании процесса охлаждения грунта важным параметром является радиус области замораживания вокруг СОУ [5-7,31,48,49,72,73]. При его расчёте необходимо учитывать, что в случае двух рядом стоящих СОУ температурные поля многолетнемёрзлых грунтов вокруг СОУ взаимодействуют между собой. В работе [7,8,72,73] приведены результаты расчётов динамики зон промерзания и оттаивания двух стабилизаторов, установленных в грунт.
Исследования эффективности работы СОУ с вертикальной и горизонтальной испарительными частями в условиях Крайнего Севера при эксплуатации трубопровода сжиженной смеси природного газа и газового конденсата проводились в программном комплексе Ansys Workbench 15.0.
При решении задач промерзания и растепления грунта исходными данными для расчета являются следующие теплофизические свойства грунтов: теплоемкость и теплопроводность для талого и мерзлого грунта, зависимость содержания незамерзшей воды от температуры в грунте, температура начала фазового перехода в грунте. В пакете ANSYS для решения тепловых задач необходимо задать изменение теплоемкости и теплопроводности от температуры. Таким образом, для решения задачи промерзания и растепления грунта в пакете Ansys Workbench 15.0, пишем программную процедуру, которая на основании теплофизических свойств грунтов (теплоемкость и теплопроводность для талого и мерзлого грунта, зависимость содержания незамерзшей воды от температуры в грунте, температура начала фазового перехода в грунте) будет вычислять зависимость теплоемкости и теплопроводности от температуры.
Моделирование процесса промерзания затрудняется эффектом выделения тепла при замерзании воды, содержащейся в грунте. Для учета этого явления мы использовали понятие условной теплоемкости грунта, данные по теплоемкости грунта представлены главе 3, п. 3.2. При рассмотрении задач промерзания и растепления грунта в нашем случае также необходимо учесть наличие в расчетной области термостабилизирующих грунт устройств - сезонно - действующих охлаждающих устройств и теплоизоляционных плит над трубопроводом.
В результате исследований были получены температурные поля, создаваемые заданной конструкцией СОУ с вертикальной и горизонтальной испарительными частями. Учитывая, что СОУ работают только при температурах воздуха ниже минус 5 ОС важной задачей исследования было проследить динамику промерзания грунта в зимний период и динамику растепления грунта в летний период. Данные по грунтам и температуре воздуха были взяты из СП 131.13330.2012 -регион Уренгой [103].
Сравним данные полученные при использовании устройства для термостабилизации грунта – СОУ с данными полученными без установок термостабилизации грунта.
Расчет параметров СОУ проведен по формулам, которые представлены в главе 2 п. 2.3. Расчет параметров трубопровода, изоляции, траншеи, обоснование использования теплоизоляционных плит представлены в главе 3. Результаты численного моделирования растепления супесчаного грунта в обычных условиях и при наличии охлаждающих устройств представлены на рисунках 2.12 и 2.13. Результаты численного моделирования промерзания супесчаного грунта в обычных условиях и при наличии охлаждающих устройств представлены на рисунках 2.14 и 2.15.
Расчет параметров перекачиваемой сжиженной смеси природного газа и газового конденсата Южно-Тамбейского газоконденсатного месторождения полуострова Ямал
При выборе материалов и изделий для трубопровода сжиженной смеси природного газа и газового конденсата будем руководствоваться требованиями ПБ 03-585-03, а также указаниям других нормативно 64 технических документов и рекомендации в работах [55-59,81,87], устанавливающих их сортамент, номенклатуру, типы, основные параметры, условия применения и т.п. При этом будем учитывать [50]: расчетное давление и расчетную температуру транспортируемой среды; свойства транспортируемой среды (агрессивность, взрыво- и пожароопасность, вредность и т.п.); свойства материалов и изделий (прочность, хладостойкость, стойкость против коррозии, свариваемость и т.п.); отрицательную температуру окружающего воздуха для трубопроводов, расположенных на открытом воздухе или в неотапливаемых помещениях.
Защиту от повреждений покрытия при подземной прокладке трубопровода в ММГ обеспечивают путем устройства подсыпки и присыпки из мягкого или мелкозернистого грунта (песка), а также применения защитных покрытий.
Для строительства трубопроводов высокого давления (10 МПа и выше) эффективно использование труб из сталей высокого класса прочности Х70, Х80 и Х100. Многие трубные предприятия Европы, Северной Америки и Японии изготавливают трубы такого класса прочности.
В последние годы Выксунский металлургический комбинат, Волжский и Ижорский трубные заводы, а также Харцызский трубный завод совместно с институтом электросварки им. Е.О. Патона провели исследовательские и опытные работы по освоению производства труб из стали класса Х80.
Впервые использование труб этого класса было применено в проекте газопровода высокого давления (11,8 МПа) Бованенково-Ухта и нефтепровода ВСТО (11,2 МПа).
Чтобы иметь представление о физических параметрах труб (толщина стенки, масса) для трубопроводов высокого давления диаметром 530-1420 мм в сравнении с трубами на обычное давление 5,5-7,5 МПа РОССНГС и ВНИИГазом были проведены исследования применительно к сталям классов прочности Х70 и Х80 по трем классам безопасности.
Т.к. температура перекачиваемого продукта не превышает температуру минус 50 0С и давление не превышает значение 12 МПа, то возможно использование не криогенных, а хладостойких сталей. Например, стали высокого класса прочности К65(зарубежный аналог Х80), работоспособны при вышеуказанных температуре и давлении. Данные стали нашли широкое применение при строительстве новых систем для поставки газа с полуострова Ямал (при температуре до минус 60С).
В дальнейшем при расчете будем использовать характеристики стали класса прочности К65 (Х80).
Основные расчеты трубопровода, расчет теплоизоляции проводились по известным формулам, приводимых в [21,50,58,66,76,84,87].
Проектирование трубопроводов, предназначенных для прокладки в районах многолетнемерзлых грунтов, следует выполнять в соответствии с требованиями технических регламентов, стандартов, других нормативных документов в области технического регулирования, распространяющихся на проектирование для условий многолетнемерзлых грунтов, с учетом требований свода правил [107].
Для трассы трубопровода должны выбираться наиболее благоприятные в мерзлотном и инженерно-геологическом отношении участки по материалам опережающего инженерно-геокриологического изучения территории.
Выбор трассы для трубопровода и площадок для его объектов должен проводиться на основе: мерзлотно-инженерно-геологических карт и карт ландшафтного микрорайонирования оценки благоприятности освоения территории масштаба не более 1:100000; схематической прогнозной карты восстановления растительного покрова; карт относительной осадки грунтов при оттаивании; карт коэффициентов удорожания относительной стоимости освоения. На участках просадочных грунтов небольшой протяженности должны предусматриваться мероприятия, снижающие тепловое воздействие трубопровода на грунты и обеспечивающие восстановление многолетней мерзлоты в зимний период.
Глубину прокладки подземного трубопровода определяют принятым конструктивным решением, обеспечивающим надежность работы трубопровода с учетом требований охраны окружающей среды.
Расчетные сопротивления материала труб и соединительных деталей по временному сопротивлению R1, пределу текучести R2 при расчетной температуре следует определять по формулам:
Нормативные сопротивления растяжению (сжатию) металла труб и йпх пх і и з следует принимать равными соответственно минимальным значениям временного сопротивления и предела текучести, принимаемым по государственным стандартам и техническим условиям на трубы. Расчетные сопротивления растяжению (сжатию) R1 и R2 следует mу (н) определять по формулам: 2 2 к2-кн где m - коэффициент условий работы трубопровода, kl, k2 -коэффициенты надежности по материалу, kн - коэффициент надежности по назначению трубопровода. К прокладке трубопровода приняты трубы класса прочности К65, диаметром 630 мм. Согласно СНиП 2.05.06-85: m = 0,9, ki = 1 55, k н = 1 Толщину стенки трубопровода определяем по формуле 8 = R. ,np pD н = 19,3мм 2\R +np-p) где п - коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему давлению в трубопроводе; Р - рабочее давление в трубопроводе, МПа; Dн– наружный диаметр трубопровода, см; 1 - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние; Согласно СТО Газпром 2-2.1-249-2008, в качестве расчетного давления в газопроводе следует принимать давление Рd, МПа, вычисляемое по формуле: Pd =np.
Полученное расчетное значение толщины стенки трубы округляется до ближайшего большего значения, предусмотренного государственными стандартами или техническими условиями. Поэтому толщина стенки трубы принимается равной 20 мм. В соответствии со СНиП 2.05.06-85 выбираем трубы - 630х20 мм.
Внутренний диаметр трубопровода d = Dн -2-8 = 590 мм Исходя из проведенных расчетов для сооружаемого газопровода выбираем трубы производства Выксунского металлургического завода, удовлетворяющие расчетным параметрам длиной до 18м с наружным антикоррозионным трехслойным полиэтиленовым покрытием и гладкостным эпоксидным внутренним покрытием. Используемый тип труб с указанием основных характеристик приведен в Таблице 3.8.
Расчет режима нагрева трубопровода при его останове
К сооружению и эксплуатации трубопроводов смеси сжиженного природного газа и газового конденсата предъявляются высокие требования по безопасности и надежности, обусловленные большой ответственностью магистрали и прохождением трассы в сложных природно-климатических условиях с наличием высокой сейсмичности, многолетнемерзлых грунтов и различных экзогенных процессов. Трасса проходит в труднодоступных и необжитых районах. В виду наличия по трассе трубопровода участков с многомерзлыми рыхлыми просадочными грунтами для поддержания рабочего состояния трубопровода в случае его остановки, прокладка трубопровода на этих участках общей протяженностью около 200 км, проходящих по территории с многолетнемерзлыми грунтами предусмотрено прокладывать с тепловой изоляцией подземно.
Тепловая изоляции должна быть такой, чтобы на трубопроводе сжиженной смеси природного газа и газового конденсата Тамбей – Бованенково, производительностью 5 млн. тонн в год можно было безопасно останавливать перекачку на 72 часа – время, установленное регламентом, в летнее время.
Опубликован ряд работ [15,50,105], в которых описываются свойства теплоизоляционных материалов, раскрываются особенности их строений, позволяющие сократить передачу тепла от перекачиваемого продукта в окружающую среду (если у продукта температура выше температуры окружающей среды) или смерзание трубопровода с грунтом (если продукт с отрицательной температурой)
Опыт, накопленный при эксплуатации нефтегазопроводов показал, что теплоизоляционные материалы на основе пенополиуретана имеют высокие показатели теплового сопротивления.
Изучением теплоизоляционных покрытий для трубопроводов занимались: Т.Н. Дрынкина, О.Ю. Володченкова. Благодаря очень низкой теплопроводности: 0,019-0,035 Вт/м К, малой паропроницаемости, износостойкости, хорошей адгезии, прекрасной гидроизоляции жесткие пенополиуретаны нашли применение в строительстве трубопроводов в качестве теплоизоляционного материала. Труба ППУ - стальная конструкция с покрытием из пенополиуретановой изоляции, дополнительную защиту которой обеспечивает стальная лента, легированная материалами, обеспечивающие ее нержавеющие свойства.
В монографии П.И. Тугунова [114] изучены вопросы определения толщины изоляции при нестационарных режимах для подземного трубопровода, по определению толщины изоляции из условий пуска трубопровода после его остановки. П. И. Тугунов разработал методы расчета толщины теплоизоляции с учетом тепла трения при перекачивании продукта. Подробно рассмотрены вопросы по определению напряжений, возникающих в изоляционном покрытии трубопроводов под действием вертикальной нагрузки в работах советского ученого В.И. Воронина. Эти исследования показали, что напряжения, возникающие в теплоизоляционном покрытии, существенно зависят от дуги опирания трубопровода, и при наличии мягкой песчаной подушки они в 4 – 5 раз меньше, чем при укладке на глинистый грунт. Кроме того, напряжения в теплоизоляционном покрытии значительно возрастают из-за появления местных концентраторов напряжения (неровности поверхности опирания, засохшие куски грунта и т.д.) [50].
Советские в своих работах привели решение задачи по расчету оптимальной толщины теплоизоляции по участкам трассы трубопровода для грунтов с различным коэффициентом теплопроводности. При этом трасса трубопровода была разбита на отдельные участки. В пределах каждого из таких участков теплопроводность грунта принималась постоянной и определялась на основании уравнения Шухова.
В работе [15] приведены расчеты толщины теплоизоляционного покрытия подземного трубопровода, при которой сохраняется мерзлое состояние грунта при эксплуатации и обеспечивается стабильное проектное положение трубопровода в траншее.
Тщательный анализ современного состояния проблем теплоизоляции подземных трубопроводов и взаимодействия с многолетнемерзлыми грунтами приведен в работе [15,50].
Действующие нормативные документы определяют правила выбора теплоизоляции для подземных трубопроводов. Определение толщины изоляции по заданной потере тепла является наиболее распространенным случаем расчета тепловой изоляции. Расчет может производиться исходя из нормативных плотностей теплового потока (qFН ;qLН ) и как завершающий этап более сложного расчета, в результате которого определяются тепловые потери, удовлетворяющие производственно-техническим и технологическим требованиям.
В качестве теплоизоляционного материала предусмотрено использовать жесткий пенополиуретан. Тепловая изоляция на трубе наносится в заводских условиях на всю длину трубы, за исключением концевых участков для выполнения сварки. Зона сварных стыков теплоизолируется в трассовых условиях заливкой пенополиуретаном и с применением соединительных муфт из оцинкованной стали или термоусаживающихся манжет.
Пенополиуретан надежно работает в интервале температур от 80 К до 400 К, обладает высокими теплоизоляционными свойствами и механической прочностью, малой водо -и паропроницаемостью, повышенной адгезией к различным материалам.
Комплекс физико-механических (плотность - 40 - 200 кг/м3, теплопроводность - 0,025-0,045 Вт/м.К, прочность - 0,3-1,0 МПа) и технологических свойств пенополиуретана вместе с высокими эксплуатационными характеристиками позволяет говорить, что пенополиуретан является одним из лучших материалов для теплоизоляции трубопроводов.
Конструкция теплоизоляционного покрытия, как правило, включает в себя два основных элемента (слоя): теплоизоляционный и защитный (покровный). В современных теплоизоляционных конструкциях для надземной прокладки в качестве защитных (покровных) слоев используют листы или ленты из алюминия и алюминиевых сплавов, либо тонколистовую оцинкованную сталь. При подземной прокладке, как правило, используют полиэтиленовое защитное покрытие [44,45].