Способ и устройство снижения потерь напора в рельефном трубопроводе
METHOD AND DEVICE FOR REDUCING HEAD LOSSES IN RELIEF PIPELINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области гидротехнического обеспечения транспортировки жидкостей и газожидкостных смесей по трубопроводам, следующим рельефу местности; более узко - к области задач организации и регулирования их течения на нисходящих участках трассы.
Уровень техники
1
1
Трубопроводная транспортировка жидкостей и газожидкостных смесей известна с незапамятных времен. При этом известно, что практически в любом жидкостном потоке в каком-то количестве содержится свободный или растворенный газ, а на межфазной границе жидкость-газ происходит испарение жидкости, интенсивность которого, как и интенсивность выделения растворенного газа, зависит от температуры и давления перекачиваемых сред. Давление среды в рельефном трубопроводе () Здесь и далее - трубопровод, следующий рельефу местности, в частности - отклоняющийся от него в силу особенностей трассы и в целях решения проектных задач.) падает по мере приближения к перевальной точке (в силу энергозатраты на преодоление гравитации).
2
2
Установлено, что газовые включения в таких потоках имеют тенденцию к консолидации, с образованием оседлых газозаполненных полостей (или - пузырей) () Далее в тексте настоящего Описания - оседлые полости.); в частности, - за перевальными точками трасс. Установлено также, что оседлые полости, сужая проточное сечение трубопровода, создают дополнительные гидравлические потери в трубопроводе, которые могут существенно снижать пропускную способность трубопровода. Известны рекомендуемые на сегодня пути устранения газовых пробок в транспортных трубопроводах, такие как:
- повышение мощности перекачивающих насосных установок, что чрезвычайно энергозатратно, требует проектного завышения эксплуатационного давления в трубопроводе (это прямо ведет к увеличению металлоемкости всего гидротехнического оборудования трассы) и, в итоге, малоэффективно, поскольку газовый пузырь не устраняется полностью, а лишь сжимается обратно пропорционально повышению давления в трубопроводе;
- повышение давления среды на участке трубопровода путем его дросселирования ниже образовавшейся пробки (что неизбежно снижает производительность перекачки);
- запуск скребка или шарового поршня (типа применяемых при поверке пруверов), что требует прерывания перекачки и дает лишь временный эффект.
Эта физико-техническая проблема пока не привлекла заметного исследовательского интереса и не получила широкого освещения в специальной литературе, - видимо, ввиду недостаточного понимания физической сущности явления.
Известны теоретические и экспериментальные исследования и научно-техническая литература, посвященные свободным течениям в желобах и трубопроводах. В частности, этой теме уделено внимание в учебниках и учебных пособиях: Ю.А. Краус «Проектирование и эксплуатация магистральных трубопроводов», ОмГТУ, 2010, А.А. Гусев «Механика жидкости и газа», Москва, 2018, в ряде диссертаций и научных статей - М.В. Лурье, Н.С. Арбузова и других.
Однако, свободное течение, при котором жидкостный поток в трубопроводе не испытывает существенных воздействий со стороны газозаполненной части сечения трубопровода (или ими можно пренебречь), лишь отчасти является аналогом обтекания оседлого газового пузыря, оказывающего конкретное и существенное воздействие на жидкостный поток.
Соответственно, технические решения, направленные на преодоление рассматриваемого явления, слабо представлены и в патентной информации. Наиболее близким аналогом, по физической сущности решения, оказался российский патент на изобретение 2263178 «Способ защиты плотины гидротехнического сооружения от разрушения», опубликованный 27.10.2005 (приоритет от 03.12.2003 г). Предложенный здесь способ включает откачивание воздушной пробки, перекрывающей основной канал сифона, с помощью вакуумной установки с использованием эжектора.
Сущность изобретения
Техническая задача состоит в оперативном удалении, либо радикальном уменьшении объема газового пузыря (то же - оседлой полости) в месте его устойчивой и регулярной дислокации.
Техническим результатом осуществления изобретения должно стать радикальное повышение производительности рельефного трубопровода без существенных дополнительных энергозатрат.
Как уже указывалось, оседлые полости, сужая проточное сечение трубопровода, уменьшают пропускную способность трубопровода.
Предлагаемый способ снижения потерь напора, обусловленных образованием оседлых полостей в рельефном трубопроводе, отличается тем, что газ удаляют из оседлой полости, настолько, что остаточное наполнение не создает существенного сопротивления потоку жидкости в трубопроводе.
Формируемый в настоящее время комплекс теоретических и эмпирических данных позволяет с достаточно высокой достоверностью предопределять вероятные зоны образования таких полостей как при проектировании трубопровода, так и при его пробной эксплуатации.
В основе технических решений по настоящему изобретению лежит принудительный отвод газа из образовавшейся оседлой полости. При этом необходимое на практике уточнение дислокации оседлой газозаполненной полости производят при опробовании построенной трубопроводной системы - например, современными инструментами интроскопии. Зависимые пп. 2-5 защищают некоторые особенности и варианты реализации предлагаемого способа.
Необходимая для реализации упомянутого способа устройства трубопроводных систем и оборудования защищены в пп. 6 и 7 формулы изобретения. При этом п. 7 формулы защищает один из наиболее экономичных вариантов реализации газоудаляющего устройства, использующего собственные энергетические возможности жидкостного потока.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая способ удаления газа из оседлой газонаполненной полости в наиболее общем случае.
Здесь:
1 - рельефный жидкостный (или газожидкостный) трубопровод,
2 - перевальная точка,
3 - оседлая (газозаполненная) полость,
4, 5 - датчики давления перекачиваемой среды в трубопроводе,
6 - распределенная интроскопическая система контроля оседлой полости,
7 - штуцер отбора газа с управляемым запорным клапаном,
8 - насос откачки газа,
9 - датчик появления жидкости.
На Фиг. 2 - вариант способа по п. 3 формулы (сброс в атмосферу газа, не имеющего коммерческой ценности и не наносящего вреда окружающей среде).
Здесь:
1 - рельефный жидкостный (или газожидкостный) трубопровод,
2 - перевальная точка,
3 - оседлая (газозаполненная) полость,
4, 5 - датчики давления перекачиваемой среды в трубопроводе,
6 - распределенная интроскопическая система контроля оседлой полости,
7 - штуцер отбора газа с управляемым запорным клапаном,
8 - насос откачки газа,
9 - датчик появления жидкости,
10 - рассеиватель с фильтром.
На Фиг. 3 - вариант способа по п. 4 формулы (отвод в накопительную емкость газа, имеющего коммерческую ценность и способного нанести вред окружающей среде).
Здесь:
1 - рельефный жидкостный (или газожидкостный) трубопровод,
2 - перевальная точка,
3 - оседлая (газозаполненная) полость,
4, 5 - датчики давления перекачиваемой среды в трубопроводе,
6 - распределенная интроскопическая система контроля оседлой полости,
7 - штуцер отбора газа с управляемым запорным клапаном,
8 - насос откачки газа,
9 - датчик появления жидкости,
11 - накопительная емкость.
На Фиг. 4 - вариант способа по п. 5 формулы (отбор газа из оседлой газовой полости с возвращением в трубопровод ниже по течению).
Здесь:
1 - рельефный жидкостный (или газожидкостный) трубопровод,
2 - перевальная точка,
3 - оседлая (газозаполненная) полость,
4, 5 - датчики давления перекачиваемой среды в трубопроводе,
6 - распределенная интроскопическая система контроля оседлой полости,
7 - штуцер отбора газа с управляемым запорным клапаном,
8 - насос откачки газа,
9 - датчик появления жидкости,
12 - байпасная линия газа,
13 - штуцер возврата с обратным клапаном.
На Фиг. 5 - схема устройства (трубопроводной системы) по п. 6 формулы - для отбора газа из оседлой полости с возвратом в трубопровод, с автономной системой контроля и управления процессом.
Здесь:
1 - рельефный жидкостный (или газожидкостный) трубопровод,
2 - перевальная точка,
3 - оседлая (газозаполненная) полость,
4, 5 - датчики давления перекачиваемой среды в трубопроводе,
6 - распределенная интроскопическая система контроля оседлой полости,
7 - штуцер отбора газа с управляемым запорным клапаном,
8 - насос откачки газа,
9 - датчик появления жидкости,
12 - байпасная линия газа,
13 - штуцер возврата с обратным клапаном
14 - автономный системный блок контроля и управления процессом.
На Фиг. 6 - схема устройства (трубопроводной системы) по п. 7 формулы, содержащего линию забора жидкости на участке повышенного давления и эжекторный насос.
Здесь:
1 - рельефный жидкостный (или газожидкостный) трубопровод,
2 - перевальная точка,
3 - оседлая (газозаполненная) полость,
4, 5 - датчики давления перекачиваемой среды в трубопроводе,
6 - распределенная интроскопическая система контроля оседлой полости,
7 - штуцер отбора газа с управляемым запорным клапаном,
9 - датчик появления жидкости,
11 - штуцер возврата газожидкостной смеси с обратным клапаном,
14 - автономный системный блок контроля и управления процессом,
15 - байпасная линия газожидкостной смеси,
16 - штуцер отбора жидкости на участке повышенного давления с запорным клапаном,
17 - эжекторный насос откачки газа.
Раскрытие изобретения
Как указывалось, газовые включения в потоке жидкости, текущей по рельефному трубопроводу, имеют тенденцию к консолидации, с образованием оседлых газонаполненных полостей (или - пузырей) - за перевальными точками трасс.
Принципиально необходимая цепочка элементов, необходимых для отвода газа из полости по настоящему изобретению показана на Фиг. 1. В потоке жидкости по рельефному трубопроводу 1 после отмеченной на рисунке перевальной точки 2 можно прогнозировать образование оседлой газонаполненной полости 3 в верхней части сечения трубопровода.
Следовательно, уже на стадии проектирования можно предусмотреть здесь установку датчиков давления 4 и 5, а при выявлении такой необходимости и размещение распределенной интроскопической системы контроля оседлой полости 6, а также врезку штуцера 7 для отвода газа из полости. Штуцер располагают на верхней образующей трубы ниже по течению ожидаемой границы газовой полости, которую следует уточнить методами интроскопии (например, ультразвуковым) при пробных включениях перекачки жидкости по трубопроводу.
Датчики давления в трубопроводе 4 и 5 устанавливают перед и после (соответственно) предполагаемой зоны расположения оседлой полости. По величине перепада давлений в трубопроводе на участке между точками врезки этих датчиков можно предположить образование здесь оседлой полости, а, удостоверившись в ее образовании и уточнив ее границы, использовать эти данные для принятия решения для подачи команды на открытие штуцера 7.
Распределенная интроскопическая система 6 позволяет достоверно зафиксировать факт образования газовой полости в процессе перекачки, определить (или уточнить) ее конфигурацию и в дальнейшем осуществлять контроль за ее объемом.
Распределенная интроскопическая система контроля оседлой полости 6 может быть полностью автономной, ее создание не требует больших затрат, в силу этого она является одним из важнейших элементов, определяющих эффективность мероприятий. При этом исключительно важно обеспечить достоверное прогнозирование расположения полости при предварительном обследовании и расположить зону сканирования системы 6 таким образом, чтобы в нее попадала вся вероятная зона размещения газонаполненной полости 3. Зона сканирования интроскопической системы 6 должна охватывать прогнозируемую зону размещения газонаполненной полости 3 с запасом, определяемым, исходя из оценки вероятности неучтенных отклонений.
По факту образования оседлой полости и/или развития ее до формы и размеров, при которых она может препятствовать работе трубопровода с заданной производительностью, открывают клапан, установленный на штуцере 7 для отбора газа из оседлой полости 3.
Необходимым условием для открытия штуцера отбора газа 7 предлагается считать превышение заданной максимальной величины объема оседлой газовой полости, либо - превышение (сверх допустимого) перепада давления на контрольном участке трубопровода (между датчиками 4 и 5, показанными на рисунках). Хотя возможны и другие варианты логики принятия решения об открытии штуцера 7; например, - по критической величине снижения расхода жидкости в трубопроводе при неизменной мощности перекачивающей насосной системы, либо - по критическому изменению параметров энергопотребления, отражающих нагрузку насосной установки, либо - по сочетанию упомянутых и других критериев.
Штуцер 7 закрывают по уменьшению потерь давления на контрольном участке до приемлемого уровня, по уменьшению объема оседлой полости 3 до приемлемой величины, либо по сигналу от датчика появления жидкости 9, установленного за выходом из штуцера 7.
Насос 8 не является принципиально необходимым элементом, если давление на данном участке трубопровода достаточно велико для выдавливания газа из полости, - учитывая преодоление сопротивлений, которые он встречает на пути удаления.
Не имеющий коммерческой ценности и не наносящий вреда окружающей среде газ, отобранный из оседлой газовой полости, сбрасывают в атмосферу через рассеиватель с фильтром 8, как показано на Фиг. 2.
Имеющий коммерческую ценность или вредный для окружающей среды газ, отобранный из оседлой газовой полости, направляют на утилизацию - через накопительную емкость 7, согласно Фиг. 3.
Газ, отобранный из оседлой газовой полости может быть также возвращен в трубопровод ниже по течению, на участок, где образование оседлой газовой полости физически невозможно, а давление в транспортном трубопроводе заведомо ниже, чем в точке отбора газа, - согласно Фиг. 4. Необходимость наличия насоса 8 в этой схеме или возможность его отсутствия определяют расчетом, исходя из соотношения давлений в трубопроводе в точке отбора газа и в точке возврата, с учетом потерь давления в байпасной линии газа.
На Фиг. 5 показано схема устройства (системы) для удаления газа из оседлой полости по независимому пункту 6 формулы изобретения, предназначенного для осуществления способа по пп. 1 и 5, - в наиболее полном составе элементов.
На Фиг. 6 показана схема полностью автономной системы удаления газа из оседлой полости, содержащей насос 6 перекачки газа (однозначно - эжекторный в данном случае), приводимый в действие потоком жидкости, отбираемой из трубопровода на участке повышенного давления, предшествующем подъему к упомянутой перевальной точке, доставляющей газожидкостную смесь в трубопровод ниже места образования оседлой газозаполненной полости, на участок пониженного давления.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение может быть применено как при проектировании вновь создаваемых и реконструируемых объектов, так и в процессе эксплуатации.
В процессе проектной разработки рельефных трубопроводных трасс для транспортировки жидкостей (а, тем более, газожидкостных смесей) целесообразно проводить их виртуальный анализ на предмет выявление потенциальных мест формирования в трубопроводах оседлых газовых полостей. Очевидно, что уже имеющихся на сегодня научно-технических данных достаточно, чтобы предоставить проектировщику несложную программу тестирования проектируемых трасс. При обнаружении потенциально-опасных мест следует либо видоизменить профиль трассы, либо, если первое невозможно, - заложить в проект одно из технических решений по настоящему изобретению.
Выявление мест регулярного образования оседлых газовых пузырей при эксплуатации также не слишком сложно, при определенном навыке. Основной симптом, позволяющий предположить такую вероятность, - снижение пропускной способности трубопроводной системы после некоторого времени перекачки по ней жидкости, неустранимое и при допустимом увеличении мощности перекачивающей насосной системы.
Наиболее эффективным методом выявления оседлых полостей и уточнения их расположения и конфигурации является интроскопия, например, - ультразвуковое обследование, потенциально предрасположенных к этому мест трубопровода, по которому течет поток. На стадии предварительного обследования оно может выполняться мобильными средствами интроскопии.
Участок трубопровода, в котором сформировалась оседлая полость, может быть определен и по падению давления перекачиваемой среды на его протяженности, существенно превышающем величину, определяемую расчетом - с учетом известных особенностей формы трубопровода на этом участке и наличия в нем конструктивных элементов, увеличивающих сопротивление потоку.
Специальные экспериментальные работы и опыт эксплуатации рельефных трубопроводов с применением предложенных здесь технических решений позволит развить и совершенствовать методы и инструменты для эффективного определения мест образования оседлых полостей в жидкостных трубопроводах и их конфигурации, а также фактической динамики этих процессов.
После определения (уточнения) зоны образования оседлой полости, по размерам и конфигурации существенно влияющей на пропускную способность трубопровода, необходимо:
• врезать в стенку трубопровода 1 штуцер отбора газа 9;
• смонтировать необходимые для данного случая отводящие трубопроводы, запорную арматуру и датчики;
• установить систему контроля и управления оседлой полостью (системный блок 14 и др. элементы).
Важнейшей составляющей освоения предлагаемых новаций является построение достоверной и оптимальной по затратам системы диагностики и контроля процессов образования и устранения оседлых полостей в потоке жидкости, транспортируемой по рельефному трубопроводу.
Возможен также комбинированный вариант: применение интроскопии (например, ультразвукового обследования мобильными средствами) на стадии диагностики образования оседлых полостей и при контрольных проверках, в сочетании с установлением постоянного контроля потерь гидравлического давления на выявленном участке их образования - в качестве компонента автономной системы текущего контроля состояния потока.