СПОСОБ ОСУШКИ ПОЛОСТИ МОРСКОГО ГАЗОПРОВОДА ПОСЛЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
METHOD FOR DRYING SEA GAS PIPELINE CAVITY AFTER HYDRAULIC TESTS

Изобретение относится к транспорту газа по магистральному газопроводу и может быть использовано при строительстве морских газопроводов.
Морские газопроводы прокладывают по дну морей, а также подводные газопроводы-шлейфы соединяют морские газовые месторождения с терминалами, расположенными на побережье. Морские газопроводы могут иметь протяженность, сопоставимую с протяженностью подземного магистрального газопровода.
Например, морской газопровод «Россия - Турция» проложен по дну Черного моря и имеет протяженность 400 км, а морской газопровод «Nord Streem» Северо-Европейского газопровода имеет протяженность 1200 км. Процесс сооружения морских газопроводов включает в себя обязательные предпусковые испытания на прочность и герметичность, которые проводят путем заполнения их водой с подъемом давления до заданной величины, выдержки под этим давлением, опорожнением до атмосферного давления, осушкой полости с последующим заполнением природным газом.
В отличие от подземного магистрального газопровода, линейные участки которого ограничены запорной арматурой и имеют протяженность до 30 км, особенности технологического процесса осушки морских газопроводов большой протяженности заключаются в следующем:
- гидравлические испытания и осушку полости морского газопровода осуществляют по всей его протяженности;
- производительность установок, используемых для осушки, зависит не только от пропускной способности газопровода, но и в значительной степени от его аккумулирующей способности;
- после гидравлических испытаний и удаления воды в полости газопровода содержится влажная среда с температурой точки росы не выше 6°С, и для достижения заданной проектной глубины осушки (например, до температуры точки росы минус 60°С) требуется применять специальные технологии, позволяющие осуществлять фазовые переходы значительных объемов влаги и ее эвакуацию из полости морского газопровода.
Технология осушки морского газопровода должна удовлетворять следующим условиям, гарантированно обеспечивающим установленные требования безопасности при заполнении газопровода природным газом и требования по качеству газа:
- минимальная температура точки росы в полости морского газопровода должна быть не выше минус 40°С, что соответствует относительной влажности среды в полости газопровода после осушки не выше 0,795%, при этом проектную температуру точки росы после осушки линейных подземных участков устанавливают равной минус 20°С;
- остаточная концентрация воздуха в смеси с природным газом, подаваемым в полость газопровода после осушки, должна быть не выше нижнего предела взрываемости <4,4% (СТО Газпром 089-2010 Газ горючий природный, поставляемый и транспортируемый по магистральным газопроводам. Технические условия. ООО «Газпром экспо», 2011 г.).
Известен способ осушки газопровода (RU №2272974, 2006), основанный на заполнении средой осушаемого газопровода, находящегося под давлением, равным атмосферному, подъеме давления в осушаемом газопроводе до заданной величины, продувке, сбросе давления до вакуума с последующей осушкой полости газопровода, находящегося под вакуумом, в котором при подъеме давления и продувке в качестве среды используют атмосферный воздух, а при осушке в осушаемом газопроводе формируют газовую среду в виде смеси атмосферного воздуха и предварительно подготовленного до заданной влажности инертного газа, полученного из атмосферного воздуха путем его разделения на азот и кислород в полимерных половолоконных мембранах. Кислород удаляют, а полученный инертный газ на основе азота перекачивающим средством нагнетают в осушаемый газопровод. После выхода из осушаемого газопровода смеси инертного газа, атмосферного воздуха и воды газовую среду отделяют от жидкости, жидкость удаляют, осушенный инертный газ вновь смешивают с атмосферным воздухом и после разделения на азот и кислород полученной газовой смеси, удаления кислорода и воды инертный газ на основе азота рециркуляционным дожимным перекачивающим средством возвращают в осушаемый газопровод.
Недостаток данного способа осушки заключается в том, что способ не обеспечивает осушку полости морского газопровода до температуры точки росы ниже минус 20°С в течение установленного проектом времени, так как не позволяет осуществить регулирование режимов осушки с учетом аккумулирующей способности морского газопровода, а также в процессе осушки не обеспечивает баланс между объемом испаряющейся влаги, объемом откачиваемой влаги и объемами замещения азотом влажного воздуха, содержащегося в полости морского газопровода.
Кроме того, экономическая целесообразность применения вышеуказанного способа осушки ограничена объектами осушки. Так, указанный способ эффективен для объектов, в технологических обвязках которых проектами предусмотрены рециркуляционные трубопроводы, например, промысловые установки комплексной подготовки газа, компрессорные станции магистрального газопровода, так как способ осушки полости магистрального газопровода предусматривает рециркуляцию осушающей среды с выхода на вход осушаемого газопровода, и данный способ экономически не эффективен для морского газопровода, так как для осуществления рециркуляции осушающей среды по такому способу осушки потребовалось бы построить временный трубопровод протяженностью, равной расстоянию между отсечными кранами морского газопровода, расположенными на противоположных берегах.
Наиболее близким решением по технической сущности и достигнутому результату является способ осушки полости морского газопровода (RU №2343379, 2009), заключающийся в заполнении полости газопровода предварительно осушенным атмосферным воздухом и сообщении полости с атмосферой, продувке полости морского газопровода предварительно осушенным воздухом, определении через заданные равные интервалы времени скорости изменения влажности воздуха, завершении продувки предварительно осушенным воздухом после выхода потока воздуха в конце морского газопровода и сбросе давления до атмосферного в полости газопровода, изолировании полости морского газопровода от окружающего наружного пространства для подготовки к вакуумированию, вакуумировании полости морского газопровода с постоянной скоростью изменения влажности откачкой влажного воздуха из полости морского газопровода, последующей доосушке полости морского газопровода до заданных значений влажности одновременно с вакуумированием путем продувки полости морского газопровода азотом, полученным в полимерных половолоконных мембранах из атмосферного воздуха путем его разделения на азот, кислород, и удалении кислорода и воды.
Недостаток такого способа осушки заключается в том, что способ не определяет распределение концентрации азота, а значит и кислорода в заданных контрольных точках по длине морского газопровода, что не обеспечивает возможности проведения контроля соответствия подводного участка требованиям безопасности и не исключает образование взрывоопасной смеси в процессе последующего приема природного газа после осушки полости морского газопровода.
Проблема изобретения заключается в повышении надежности и безопасности морских газопроводов, снижении времени осушки полости морских газопроводов после гидравлических испытаний и, как следствие - снижении инвестиционных и страховых рисков при строительстве и вводу в работу морских газопроводов.
Указанная проблема решается описываемым способом осушки, основанном на заполнении полости морского газопровода предварительно осушенным атмосферным воздухом и сообщении полости с атмосферой, продувке полости морского газопровода предварительно осушенным воздухом, определении через заданные равные интервалы времени скорости изменения влажности воздуха, завершении продувки предварительно осушенным воздухом после выхода потока воздуха в конце морского газопровода и сбросе давления до атмосферного в полости морского газопровода, изолировании полости морского газопровода от окружающего наружного пространства для подготовки к вакуумированию, вакуумировании полости морского газопровода с постоянной скоростью изменения влажности откачкой влажного воздуха из полости морского газопровода, последующей доосушке полости морского газопровода до заданных значений влажности одновременно с вакуумированием путем продувки полости азотом, полученным в полимерных половолоконных мембранах из атмосферного воздуха путем его разделения на азот, кислород, и удалении кислорода и воды, согласно изобретению предварительно до начала подачи азота в осушаемый морской газопровод моделируют изменение во времени рабочих параметров, характеризующих процесс заполнения азотом морского газопровода, включающих температуру точки росы по воде, давление среды в полости морского газопровода и концентрацию азота в заданных контрольных точках морского газопровода. По результатам моделирования определяют и в блоке моделирования и управления режимами осушки газопровода устанавливают пороговые значения рабочих параметров процесса заполнения азотом морского газопровода. Заполняют полость морского газопровода азотом, в процессе заполнения азотом непрерывно измеряют рабочие параметры и контролируют их изменение в процессе смешивания азота и воздуха в полости морского газопровода, фиксируют появление их пороговых значений, устанавливают соответствующие этим пороговым значениям параметры управления режимами заполнения азотом полости морского газопровода в течение времени вплоть до достижения заданных значений температуры точки росы по воде, давления среды в полости морского газопровода и концентрации азота на выходе из морского газопровода и после выдержки всего объема среды в полости морского газопровода до стабилизации температуры точки росы по воде, давления и концентрации азота его осушку завершают.
Предпочтительно с целью предупреждения образования льда в полости морского газопровода согласно изобретению заполнение азотом одновременно с вакуумированием полости газопровода осуществляют в течение времени до достижения заданной величины порогового значения давления, характеризующего состояние фазового равновесия в полости газопровода, и при превышении заданной величины порогового значения давления вакуумирование полости морского газопровода завершают отключением откачных вакуумных агрегатов и закрытием крана на выходе морского газопровода. Доосушку и подготовку к последующему безопасному заполнению природным газом полости морского газопровода осуществляют нагнетанием азота в полость морского газопровода блоком получения азота от давления фазового равновесия до заданной величины давления в полости морского газопровода, превышающей давление наружного атмосферного воздуха.
Полученный технический результат заключается в том, что заполнение газопровода последовательно азотом, а затем природным газом, соответствует физическим процессам замещения азотом воздуха, находящегося в полости газопровода после его осушки, и процессу замещения азота природным газом.
Заполнение газопровода инертной газовой средой на основе азота с объемной концентрацией не ниже 98% обеспечивает условия для безопасного приема природного газа.
При проведении описываемого способа распределение концентраций азота в контрольных точках газопровода при моделировании процесса замещения воздуха азотом определяют из соотношения:
a
в
x
2
где  - отношение объема азота (V) на выходе из блока получения азота к объему входящего в блок воздуха (V),  - относительная продольная координата, равная отношению расстояния x к общей протяженности морского газопровода L, k - коэффициент продольного перемешивания газов, м/с; t - время выравнивания концентрации азота между заданными точками морского газопровода, с; erfc - функция ошибок Гаусса, м.
m
m
Величины функции Erfc в зависимости от значений A приведены в таблице 1, где A - градиент концентрации азота в воздухе при диффузионном массопереносе.
см
см
Длину L и объем смеси V при смешивании азота и воздуха определили по формулам:
см
см
x
3
3
2
где  - число Пекле; L - длина смеси, м; V - объем смеси, м; V - объем полости морского газопровода, м; L - длина морского газопровода, м; k - коэффициент продольного перемешивания газов, м/с; ϑ - средняя линейная скорость смеси в газопроводе, м/с.
Коэффициент продольного перемешивания рассчитали по формуле Дж. Тейлора:
вн
где λ - коэффициент гидравлического сопротивления газопровода; D - внутренний диаметр газопровода, м; ϑ - средняя линейная скорость смеси в газопроводе, м/с.
N2
3
3
Моделирование рабочих параметров заполнения азотом по предлагаемому способу осушки показан на примере заполнения азотом подводящего к морскому газопроводу участка Северо-Европейского газопровода. Указанный участок использовали в качестве аккумулятора азота, а в последующем и природного газа для заполнения морского газопровода. Рабочие параметры, включая давление и концентрацию азота в полости газопровода, измеряли в начале участка, промежуточных контрольных точках и на входе в морской газопровод (с помощью анализатора концентрации азота). В участок газопровода (диаметр 1420 мм, толщина стенки 21,6 мм) протяженностью 191 км, находящийся под абсолютным давлением 0,03 МПа, закачали азот до концентрации 98% по объему. Производительность азотной установки Q=800 нм/час (0,22 м/с), температура среды в полости газопровода 278 K, коэффициент гидравлического сопротивления участка газопровода λ=0,01.
Определили распределение концентраций азота в смеси с воздухом по длине участка газопровода в контрольных точках, расположенных на крановых узлах: км754, км811 и на входе в морской газопровод (км917):
- массовая скорость азота:
- плотность азота при давлении 0,03 МПа и температуре 278 K:
- средняя линейная скорость потока смеси:
- коэффициент продольного перемешивания kχ определили по формуле (5):
.
Задали расстояния x, определили относительные продольные координаты  участков и время движения смеси азота и воздуха в полости морского газопровода, приведенные в таблице 2.
m
Задали значения параметра A, из таблицы 1 получили значения функции erfc и определили соответствующее этим значениям распределение объемных концентраций азота в смеси с воздухом в каждой контрольной точке, приведенные в таблице 3.
Распределение объемных концентраций азота CN2 в контрольных точках Северо-Европейского газопровода на участке км726 - км917 при замещении воздуха азотом показано на фиг. 1. График 1 получен с использованием формулы (1), график 2 получен по результатам измерений концентрации азота. Точками отмечены результаты натурных измерений концентраций азота на крановых узлах км754, км811 и км917 (вход в морской газопровод).
Максимальная величина погрешности расчета распределения концентрации азота в контрольных точках газопровода по предлагаемому способу составила 4,5%.
В предлагаемом способе осушки морского газопровода:
- предварительно до начала подачи азота в осушаемый морской газопровод моделируют изменение во времени и по длине морского газопровода рабочих параметров, характеризующих процесс заполнения азотом полости морского газопровода, по результатам моделирования в блоке управления устанавливают пороговые значения рабочих параметров, в процессе заполнения азотом непрерывно измеряют рабочие параметры, фиксируют появление их пороговых значений, что в отличие от прототипа позволяет в процессе смешивания азота и воздуха в полости морского газопровода устанавливать режимы управления процессом осушки, исключающие образование взрывоопасной смеси, при последующем заполнении природным газом;
- заполнение азотом одновременно с вакуумированием осуществляют в течение времени до достижения давления фазового равновесия, после чего вакуумирование завершают, а последующую доосушку полости морского газопровода ведут нагнетанием азота, что в отличие от прототипа позволяет исключить условия для сублимации влаги и образования льда в полости морского газопровода.
На фиг. 2 показана схема предлагаемого способа осушки морского газопровода, где: 1 - магистральный газопровод; 2 - морской газопровод; 3 - заглушка; 4 - камера продувки; 5 - камера вакуумирования; 6 - блок компрессоров; 7 - блок получения азота; 8 - блок осушки воздуха; 9 - блок откачных вакуумных агрегатов; 10, 11, 12, 15, 16, 17 - кран; 13, 14 - продувочный кран; 18 - датчик температуры наружного воздуха; 19 - датчик давления на входе блока компрессоров; 20 - датчик температуры на выходе блока компрессоров; 21 - датчик давления на выходе блока компрессоров; 22 - анализатор концентрации азота на выходе блока получения азота; 23 - гигрометр (измеритель температуры точки росы азота); 24 - гигрометр (измеритель температуры точки росы в полости морского газопровода); 25 - вакуумметр; 26 - гигрометр; 27 - анализатор концентрации азота в полости морского газопровода; 28 - датчик температуры в полости морского газопровода; 29 - расходомер, 30 - датчик давления, 31 - блок моделирования и управления режимами осушки морского газопровода, 32 - вход блока моделирования и управления режимами осушки морского газопровода; 33 - выход блока моделирования и управления режимами осушки морского газопровода; 34, 35 - каналы локальной беспроводной сети; 36 - вход блока откачных вакуумных агрегатов; 37 - вход сигнала на продувочный кран 14.
Предлагаемый способ показан на примере осушки морского газопровода «Nord Streem» первой нитки Северо-Европейского газопровода.
Для гидравлических испытаний и удаления воды, оставшейся в полости морского газопровода в виде пленки на внутренней поверхности труб, морской газопровод 2 отделили от магистрального газопровода 1 заглушками 3. К началу морского газопровода 2 пристыковали камеру продувки 4 и продувочный кран 13 диаметром 150 мм, а к концу морского газопровода присоединили камеру вакуумирования 5 и продувочный кран 14 диаметром 300 мм.
Предлагаемый способ осушки полости морского газопровода 2 магистрального газопровода 1 осуществили после гидравлических испытаний, слива основного количества воды.
После завершения гидравлических испытаний и удаления основного количества воды к морскому газопроводу 2 присоединили блок компрессоров 6, блок осушки воздуха 8, блок получения азота 7, блок откачных вакуумных агрегатов 9.
Для осуществления контроля параметров, их передачи по каналам локальной беспроводной сети и автоматического управления в процессе осушки полости морского газопровода на входе в блок компрессоров 6 установили датчик температуры 18 и датчик давления 19, на выходе из блока компрессоров 6 установили датчик температуры 20 и датчик давления 21, на выходе из блока получения азота 7 смонтировали анализатор концентрации азота 22 и гигрометр 23, на выходе продувочного крана 13 смонтировали гигрометр 24. В подводной части морского газопровода 2 установили датчик температуры 28, на входе блока откачных вакуумных агрегатов 9 установили расходомер 29 и вакуумметр 25, а на выходе продувочного крана 14 смонтировали гигрометр 26 и анализатор концентрации азота 27. Для осуществления управления режимами осушки морского газопровода по предлагаемому способу дополнительно установили блок моделирования и управления режимами осушки газопровода 31 и выходы вакуумметра 25, гигрометра 26, анализатора концентрации азота 27, расходомера 29, датчика давления 30 каналами локальной беспроводной сети 34 соединили со входом 32 блока моделирования и управления режимами осушки газопровода 31, а выходы 33 блока моделирования и управления режимами осушки газопровода 31 каналами локальной беспроводной сети 35 подключили к входу 36 блока откачных вакуумных агрегатов 9 и входу 37 сигнала на продувочный кран 14.
Первоначально закрыли кран 10 на входе блока получения азота 7, кран 11 на выходе блока 7, закрыли продувочный кран 13 и кран 15 на входе блока откачных вакуумных агрегатов 9. Открыли кран 12, краны 16 и 17, полость морского газопровода заполнили воздухом, предварительно осушенным в блоке 8 до температуры точки росы минус 20°С, и открытием продувочного крана 14 и затвора камеры вакуумирования 5 сообщили полость морского газопровода 2 с атмосферой, образовали канал продувки морского газопровода 2 воздухом, предварительно осушенным в блоке осушки 8. Воздух нагнетали в полость морского газопровода 2 компрессором 6.
Для оценки начальных параметров, характеризующих термодинамическое состояние среды, содержащейся в полости морского газопровода 2, в момент выхода воздуха через продувочный кран 14 измерили давление 30, температуру 28, температуру точки росы 26 и параметры работы компрессора 6: давление 20, температуру нагнетания 21 и давление 18, температуру наружного воздуха 19.
Продувку полости морского газопровода 2 завершили после выхода предварительно осушенного в блоке 8 потока воздуха через продувочный кран 14 в конце морского газопровода 2 и после сброса давления до атмосферного в полости морского газопровода 2. Отключили компрессор 6, закрыли кран 12, продувочный кран 14 и после закрытия затвора камеры вакуумирования 5 изолировали морской газопровод 2 от окружающего наружного пространства, тем самым создали условия для его вакуумирования.
3
Для вакуумирования морского газопровода 2 магистрального газопровода 1 применили двухступенчатые откачные вакуумные агрегаты, производительностью 4000 нм/час каждый, включающие на первой ступени форвакуумные насосы и насосы Рутса на второй ступени.
3
К полости осушаемого морского газопровода 2 магистрального газопровода 1 подключили три агрегата, которые параллельно объединили трубопроводами в блок откачных вакуумных агрегатов 9 суммарной производительностью 12000 нм/час.
3
3
Первоначально, после пуска блока 9, форвакуумные насосы обеспечивали откачку воздуха из полости участка 2 со скоростью 9000 нм/час от давления 99 кПа (990) мбар, при достижении давления 5,2 кПа (52 мбар) включили насосы Рутса и последующую откачку влаги осуществляли со скоростью 12000 нм/час, при двухступенчатой работе блока откачных вакуумных агрегатов 9.
Для измерения вакуумметрического давления в начале и конце морского газопровода применили технический преобразователь вакуумметрического давления, модель TTR 96S «Thermovac» (Германия), погрешность 1,5% от измеренного значения в диапазоне давлений 1 кПа (0,01 мбар) - 10 кПа (1000 мбар).
Для осуществления вакуумирования открытием крана 15 на входе блока откачных вакуумных агрегатов 9 образовали канал вакуумирования полости морского газопровода 2 магистрального газопровода 1.
Осуществили откачку влажного воздуха из полости морского газопровода 2 в окружающее наружное пространство.
В процессе вакуумирования через интервалы времени, равные 1,0 час, измеряли давление 25 на входе блока откачных вакуумных агрегатов 9 и по характеристике частотного преобразователя скорости вращения вала привода каждого откачного вакуумного агрегата определяли его производительность.
В процессе осушки измеряли производительность 29 и давление 25 на выходе откачных вакуумных агрегатов 9.
По мере снижения скорости испарения воды регулировали производительность откачных вакуумных агрегатов 9 до величины, равной пропускной способности осушаемого морского газопровода 2.
С целью обеспечения условий, исключающих образование льда в полости морского газопровода 2, а также для безопасного приема природного газа, исключающего образование взрывоопасной газовоздушной смеси после осушки полости морского газопровода, согласно предлагаемому способу осушки моделировали изменение во времени рабочих параметров, характеризующих процесс заполнения азотом морского газопровода: температуру точки росы по воде, давление среды в полости морского газопровода и концентрацию азота в контрольных точках морского газопровода 2 и подводящего к морскому газопроводу 2 участка магистрального газопровода 1. По результатам моделирования определили величины пороговых значений рабочих параметров: температура точки росы подвода в начале морского газопровода 60°С, в конце морского газопровода 40°С, давление равновесного фазового состояния в полости морского газопровода 610 Па (при температуре °С), объемная концентрация азота 98%.
Одновременно с вакуумированием последующую доосушку полости морского газопровода 2 магистрального газопровода 1 осуществили заполнением азотом. Открыли кран 10 на выходе блока компрессоров 6, кран 11 на выходе блока получения азота 7. Включили компрессоры, заполнили азотом полость морского газопровода 2, при этом согласно предлагаемому способу осушки поддерживали давление в начале морского газопровода и в конце морского газопровода не превышая величины порогового значения давления фазового равновесия, равного 610 Па (6,1 мбар) путем регулирования положения шарового затвора относительно корпуса продувочного крана 14. При достижении величины порогового значения давления в полости морского газопровода 2, измеренного вакуумметром 25 на входе блока откачных вакуумных агрегатов 9 и переданного по каналу локальной беспроводной сети 34 на вход 32 блока моделирования и управления режимами осушки морского газопровода 31, с целью предупреждения образования льда в полости морского газопровода согласно предлагаемому способу завершили вакуумирование полости морского газопровода путем передачи сигнала по каналу локальной беспроводной сети 35 с выхода 33 блока моделирования и управления режимами осушки морского газопровода 31 на вход 36 и последующего отключения с выводом из работы блока откачных вакуумных агрегатов 9. Одновременно с выводом из работы блока откачных вакуумных агрегатов 9 для обеспечения герметичности полости находящегося под вакуумным давлением морского газопровода 2 осуществили передачу сигнала по каналу 34 с выхода 33 блока моделирования и управления режимами осушки 31 морского газопровода 2 на вход 37 сигнала на закрытие продувочного крана 14. После закрытия продувочного крана 14 и обеспечения герметичности полости морского газопровода 2 дальнейшее заполнение полости морского газопровода 2 азотом осуществили путем нагнетания азота с выхода блока получения азота 7. По результатам моделирования режимов осушки установили режим разделения газов в блоке получения азота 7, соответствующий отношению объема азота на выходе блока к объему входящего в блок воздуха, равному 0,6, что обеспечило подачу азота от блока получения азота 7 в морской газопровод 2 с температурой точки росы минус 60С и подъем давления от превышающего величину порогового значения, равного 610 Па (6,1 мбар), до достижения заданной величины давления, превышающей давление окружающего наружного воздуха. После достижения температуры точки росы минус 60°С в начале морского газопровода и минус 40°С в конце морского газопровода, величины объемной концентрации азота 98% в начале и в конце морского газопровода заполнение азотом и осушку полости морского газопровода завершили.
Таким образом, описываемый способ осушки морского газопровода повышает надежность и безопасность морских газопроводов, уменьшает время осушки, позволяет осуществлять контроль и управление процессом осушки, обеспечить условия, исключающие образование льда в полости газопровода при строительстве и исключающие образование взрывоопасной газовоздушной смеси при заполнении природным газом морского газопровода.