СПОСОБ ОСУШКИ ПОЛОСТИ ГАЗОПРОВОДА В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР
GAS PIPELINE INSIDE DEHYDRATION AT NEGATIVE TEMPERATURES

Изобретение относится к транспорту газа по магистральному газопроводу и может быть использовано при вводе в эксплуатацию новых газопроводов, а также при реконструкции и ремонте действующих газопроводов.
Процесс сооружения газопровода включает в себя обязательные предпусковые испытания на прочность и плотность, которые проводят путем заполнения газопровода водой или сжатым атмосферным воздухом с подъемом давления до заданной величины и последующим опорожнением до атмосферного давления, причем оставшаяся влага удаляется из газопровода путем осушки его полости.
Технология осушки газопровода должна удовлетворять следующим условиям:
- температура точки росы природного газа, транспортируемого по газопроводу, должна быть не выше минус 20°C, что соответствует относительной влажности среды в полости газопровода после его осушки - не выше 4,4%;
- остаточная концентрация воздуха в смеси с природным газом в объеме газопровода должна быть не выше нижнего предела взрываемости (<5%).
Обеспечение безопасности при подаче природного газа на действующих объектах, например на многониточных газопроводах, соединенных между собой перемычками, связано еще и с тем, что в процессе ремонта одного из газопроводов в параллельно работающих газопроводах находится природный газ. При негерметичности отсечных кранов не исключается возможность попадания газа в осушаемый газопровод и образования в нем взрывоопасной среды. Кроме того, опасность представляет и заполнение газопровода газом после завершения осушки. При строительстве магистральных газопроводов в многолетнемерзлых грунтах, испытании их на прочность и осушке полости в условиях отрицательных температур возникают трудности, связанные с замерзанием воды в полости газопроводов, что приводит к увеличению общей продолжительности строительства по причине значительного снижения интенсивности испарения влаги (сублимации льда).
Известен способ осушки полости газопровода [Патент №2272974, приоритет от 15.06.2004 г.], основанный на первоначальном заполнении средой осушаемого газопровода, находящегося под давлением, равным атмосферному, подъеме давления в осушаемом газопроводе до заданной величины путем нагнетания среды перекачивающим средством, продувке, сбросе давления до вакуума с последующей осушкой полости газопровода, находящегося под вакуумом, 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.
Недостаток такого способа заключается в том, что применение на начальном этапе осушки неосушенного (влажного) атмосферного воздуха в условиях отрицательных температур повышает температуру точки росы в полости осушаемого газопровода и не обеспечивает подвод тепла, необходимого для начала испарения льда в полости осушаемого газопровода.
Наиболее близким решением по технической сущности и достигнутому результату является способ осушки полости газопровода [Патент №2373466, приоритет от 11.06.2008 г.], включающий очистку полости газопровода от воды и иных отложений механическими очистными и осушающими устройствами продувкой полости газопровода атмосферным воздухом, нагнетаемым компрессором с давлением заданной величины, сброс давления до атмосферного, вакуумирование полости газопровода до давления заданной величины, заполнение полости газопровода, находящейся под вакуумом, инертным газом на основе азота, полученного путем разделения атмосферного воздуха на азот и кислород в полимерных половолоконных мембранах, и последующую циркуляцию инертного газа на основе азота в полости газопровода до заданных величин влажности и концентрации азота во всем объеме осушаемого газопровода.
Таким образом, данный способ осушки полости газопровода за счет использования предварительно осушенного в полимерных половолоконных мембранах инертного газа в качестве осушающей среды путем ее нагнетания в осушаемый газопровод обеспечит замещение в полости газопровода только влажного воздуха (паровой фазы) сухим азотом.
Недостаток данного способа заключается в том, что такой способ осушки, основанный на циркуляции сухого азота в полости газопровода, при отрицательных температурах не создает термодинамические условия для фазовых переходов всей влаги, содержащейся в полости газопровода, из твердого состояния (лед) в жидкое состояний (вода) и далее - в пар, обеспечивающие 100% насыщение паровоздушной смеси над поверхностью льда для последующей откачки паров воды из полости газопровода.
В основу изобретения положена задача повышения эффективности осушки полости газопроводов после их испытаний при отрицательных температурах и обеспечение проектных показателей по качеству природного газа за счет:
- создания в полости газопровода термодинамических условий, исключающих возможность насыщения природного газа влагой при вводе газопровода в действие после строительства или капитального ремонта;
- определения текущих и предельных величин температуры, давления, интенсивности испарения льда, характеризующих изменение термодинамического состояния среды в полости газопровода в процессе осушки от начальной температуры точки росы до 100% насыщения паровоздушной смеси над поверхностью льда;
- определения режимов регулирования и времени отключения вакуумных насосов и включения генераторов азота для достижения заданной температуры точки росы во всем объеме газопровода.
Поставленные задачи достигаются тем, что в предлагаемом способе осушки полости газопровода в условиях отрицательных температур, включающем очистку полости газопровода от воды и иных отложений механическими очистными и осушающими устройствами продувкой полости газопровода атмосферным воздухом, нагнетаемым компрессором с давлением заданной величины, сброс давления до атмосферного, вакуумирование полости газопровода до давления заданной величины, заполнение полости газопровода, находящейся под вакуумом, инертным газом на основе азота, полученного путем разделения атмосферного воздуха на азот и кислород в полимерных половолоконных мембранах и последующую циркуляцию инертного газа на основе азота в полости газопровода до заданных величин влажности и концентрации азота во всем объеме осушаемого газопровода, согласно изобретению в процессе вакуумирования полости газопровода в условиях отрицательных температур осушаемой среды в полости газопровода через заданные равные интервалы времени измеряют параметры, характеризующие термодинамическое состояние среды в полости газопровода, включающие давление, температуру осушаемой среды, температуру точки росы в полости газопровода и температуру грунта на глубине у стенки газопровода. Измеренные параметры сравнивают с заданными допусками и при достижении в полости осушаемого газопровода заданной величины минимального абсолютного давления отключают вакуумные насосы. Вакуумирование останавливают и выдерживают газопровод под минимальным абсолютным давлением в течение времени до 100% насыщения паровоздушной смеси над поверхностью льда в полости газопровода. После достижения заданной величины температуры точки росы, соответствующей 100% насыщению паровоздушной смеси над поверхностью льда, включают вакуумные насосы, откачивают из полости газопровода пары воды. После достижения заданной величины температуры точки росы во всем объеме газопровода откачку паров воды и осушку полости газопровода завершают.
Температуру, давление и интенсивность испарения льда в полости газопровода определяют по формулам:
i+1
л
л
i
тр
ст
л
гр
л
c
с
2
2
2
2
где T - температура льда в конце каждого заданного равного интервала времени, К; i - порядковый номер каждого заданного равного интервала времени; m - масса льда на метре длины газопровода, кг; С - теплоемкость льда, кДж/кг·К; T - температура льда в начале каждого заданного равного интервала времени, К; m - масса трубы на метре длины газопровода, кг; С - теплоемкость стали, кДж/кг·К; α - центральный угол дуги окружности сегмента сечения газопровода, занятого льдом; τ - продолжительность каждого заданного равного интервала времени, ч; k - общий коэффициент теплопередачи от грунта к полости газопровода, Дж/м·с·К; S - площадь контакта льда с поверхностью метра длины газопровода, м; Т - температура грунта, К; ε - коэффициент теплопроводности стали, Bт/м·К; δ - толщина стенки газопровода, мм; L - длина окружности сечения газопровода, занятая льдом, м; j - интенсивность испарения (сублимации) льда, кг/м·ч; S - площадь сублимации образовавшейся ледяной поверхности, м; λ - теплота сублимации, кДж/кг;
i+1
i
i
субл(i)
i-1
3
3
3
3
где P - абсолютное давление в полости осушаемого газопровода в конце каждого заданного равного интервала времени, мбар; i - порядковый номер каждого заданного равного интервала времени; P - абсолютное давление в полости осушаемого газопровода в начале каждого заданного равного интервала времени, мбар; q - объемная производительность вакуумного модуля, м/час; τ - продолжительность каждого заданного равного интервала времени, ч; ρ - плотность насыщенного пара в начале каждого заданного равного интервала времени, г/м; V - геометрический объем осушаемого участка газопровода, м; m - количество пара, сублимированного в течение каждого заданного равного интервала времени, г/м; ρ - плотность насыщенного пара в начале предыдущего заданного равного интервала времени, г/м;
2
где j - интенсивность испарения (сублимации) льда, кг/м·ч; T - температура льда, К; P - абсолютное давление в полости осушаемого газопровода, мбар.
При начальной температуре среды в полости газопровода, равной температуре начала кристаллизации воды, газопровод продувают азотом под атмосферным давлением вплоть до достижения заданной величины температуры точки росы во всем объеме газопровода, а градиент температуры азота по длине осушаемого газопровода определяют по формуле:
<mrow><msubsup><mi>Т</mi><mrow><mi>а</mi><mi>з</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
гр
аз
аз
m
2
где
- температура азота, равная температуре грунта, К; Т - температура грунта, К; Т - температура азота на выходе из азотного модуля, К; k - общий коэффициент теплопередачи от грунта к полости газопровода, Дж/м·с·К; D - внутренний диаметр продуваемого газопровода, м; x - координата длины газопровода, м; С - удельная теплоемкость азота, кДж/кг·К; Q - массовый расход азота, кг/ч.
В предлагаемом способе осушки полости газопровода в условиях отрицательных температур:
- создание термодинамических условий в полости осушаемого газопровода, исключающих возможность насыщения природного газа влагой при заполнении газопровода газом в условиях отрицательных температур в отличие от прототипа позволяет обеспечить проектные показатели по качеству газа при вводе в действие газопровода после строительства или капитального ремонта;
- определение текущих и предельных величин температуры, давления, интенсивности испарения льда, в отличие от прототипа позволяет в процессе осушки вести мониторинг изменения термодинамического состояния среды в полости газопровода от начального состояния до 100% насыщения паровоздушной смеси над поверхностью льда и по результатам мониторинга регулировать режимы работы вакуумного модуля и генератора азота для достижения заданной температуры точки росы во всем объеме газопровода.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием способа осушки полости газопровода в условиях отрицательных температур со ссылкой на фигуры 1, 2, 3 и 4.
На фигуре 1 представлена схема процесса сублимационной осушки газопровода.
3
3
На фигуре 2 в качестве примера реализации заявленных технических решений представлена схема осушки полости участка газопровода (протяженность 60 км, диаметр 1420 мм, геометрический объем полости 89292 м) после гидравлических испытаний в условиях отрицательных температур, имеющего два нисходящих участка длиной по 500 метров со скоплениями льда в пониженном месте (горизонтальный 10-метровый участок газопровода), где 1 - осушаемый участок газопровода, 2 - нисходящие участки, 3 - участок газопровода со скоплениями льда, 4 - камера запуска механических очистных и осушающих устройств, 5 - кран продувочного трубопровода, 6 - заглушка, 7 - компрессор, 8 - вакуумный модуль, включающий два последовательно соединенных вакуумных насоса общей производительностью 2520 м/час, 9 - генератор азота, 10, 11, 12 - краны, 13 - датчик давления осушаемой среды, 14 - датчик температуры осушаемой среды, 15 - датчик температуры точки росы осушаемой среды, 16 - датчик температуры грунта, 17 - датчик температуры точки росы азота, 18 - датчик температуры азота.
На фигуре 3 показана схема сечения газопровода перед его вакуумной осушкой.
На фигуре 4 в качестве примера реализации заявленных технических решений для частного случая осушки полости газопровода при отрицательных температурах представлен график зависимости количества влаги (%), которая может быть вынесена с насыщенным азотом за время продувки азотом участка газопровода длиной 150 метров, диаметром 700 мм, при температуре среды, равной температуре начала кристаллизации воды (близкой к 0°C).
При испытании на прочность и осушке газопроводов при отрицательных температурах, например, проложенных в многолетнемерзлых грунтах, предъявляются особые требования, связанные с необходимостью применения специальных технологий, позволяющих исключить возможность нарушения геокриологических и структурных характеристик грунтов при испытании и осушке газопроводов, ухудшения напряженно-деформированного состояния их конструкций, а также обеспечить проектные показатели по качеству природного газа при вводе газопроводов в действие.
Особенностью вакуумно-азотной технологии осушки газопроводов в условиях отрицательных температур является необходимость испарения влаги надо льдом, то есть осуществление сублимации льда.
На фигуре 1 видно, что при испарении температура воды снижается, переходя в область отрицательных температур. Данное изменение может происходить скачкообразно, так как при достижении некоторого отрицательного значения (точка А) температура воды резко возрастает, что объясняется выделением теплоты кристаллизации. Начиная с этого момента при некоторой постоянной температуре (прямая А′Б) происходит кристаллизация поверхностного слоя воды, после чего начинается сублимация льда.
В период сублимации температура льда имеет тенденцию к снижению (кривая БВ), а после того, как весь лед сублимируется (точка В), температура стенки газопровода в том месте, где она контактировала со льдом, повышается до температуры парогазовой смеси в полости осушаемого газопровода (точка Г), после чего вакуумную осушку завершают.
Осушку полости газопровода по предлагаемому способу ведут в следующей последовательности (см. фиг. 2).
Первоначально из осушаемого участка газопровода 1 удаляют воду, оставшуюся после испытаний, путем продувки участка газопровода 1 сжатым до давления заданной величины атмосферным воздухом с пропуском механических очистных и осушающих устройств. Для этого в осушаемый участок газопровода 1 компрессором 7 нагнетают атмосферный воздух, под давлением которого по всей протяженности полости газопровода 1 пропускают последовательно очистной и осушающие устройства, например, в виде манжетного разделительного поршня и группы поролоновых поршней, предварительно запассованных в камеру запуска очистных и осушающих устройств 4. Каждый последующий поршень запускают в полость газопровода 1 непосредственно после выхода из осушаемого газопровода 1 предыдущего поршня. Для продувки газопровода 1 атмосферным воздухом открывают кран 11, демонтируют заглушку 6, закрывают краны 5, 10, 12, образуя канал продувки для вытеснения остатков воды из полости газопровода 1 с пропуском очистного и осушающих устройств от камеры 4 на открытое сечение в противоположном конце участка газопровода 1. После завершения продувки и вытеснения основного объема воды в полости газопровода 1 остается локальное скопление воды в пониженном месте 3.
Для удаления локального скопления воды полость газопровода 1 вакуумируют во всем его объеме до заданной величины минимального абсолютного давления.
Для создания в полости газопровода 1 вакуума закрывают краны 5, 10, 11, 12, устанавливают на торец газопровода заглушку 6 и открытием крана 12 подключают к газопроводу 1 вакуумный модуль 8, выход которого сообщен с окружающим наружным пространством, образуя канал вакуумирования полости газопровода 1. В ходе вакуумирования через заданные равные интервалы времени с использованием датчиков 13, 14, 15, 16 измеряют параметры, характеризующие термодинамическое состояние среды в полости газопровода 1, и сравнивают измеренные параметры с заданными допусками. При достижении в полости осушаемого газопровода 1 заданной величины минимального абсолютного давления отключают вакуумный модуль 8 и выдерживают газопровод 1 под минимальным абсолютным давлением в течение времени до 100% насыщения паровоздушной смеси над поверхностью льда в полости газопровода 1. После достижения в полости газопровода 1 заданной величины температуры точки росы, соответствующей 100% насыщению паровоздушной смеси над поверхностью льда, включают вакуумный модуль 8 и откачивают из полости газопровода 1 пары воды до достижения заданной величины температуры точки росы во всем объеме газопровода.
При достижении в полости газопровода 1 начальной температуры среды, равной температуре начала кристаллизации воды, вакуумирование газопровода 1 прекращают и приступают к продувке газопровода 1 азотом под атмосферным давлением вплоть до достижения заданной величины температуры точки росы во всем объеме газопровода 1.
Для продувки полости газопровода 1 азотом закрывают краны 11, 12 и открытием кранов 5 и 10 образуют канал продувки азотом полости газопровода 1 от генератора азота 9 через продувочный трубопровод в наружное окружающее пространство. В ходе продувки азотом через заданные равные интервалы времени с использованием датчиков 17 и 18 измеряют параметры, характеризующие термодинамическое состояние азота в полости газопровода 1, и сравнивают измеренные параметры с заданными допусками. При достижении в полости осушаемого газопровода 1 заданных величин температуры точки росы и температуры азота продувку газопровода 1 азотом завершают.
По окончании продувки полости газопровода 1 азотом закрывают краны 5 и 10, тем самым участок газопровода 1 изолируют от наружного окружающего пространства, после чего осушку полости газопровода 1 завершают.
гр
кон
Уравнение теплового баланса в процессе вакуумной осушки в течение времени τ от начальной температуры среды в полости газопровода, равной температуре грунта (T), до конечной температуры в осушенном газопроводе (Т) имеет вид:
в(ср.)
в
гр
кон
тр
ст
п
в(ср.)
в(ср.)
2
2
где m - средняя масса воды, эквивалентная количеству льда на участке газопровода в течение его вакуумной осушки, кг; С - теплоемкость воды, кДж/кг·К; Т - температура грунта, К; Т - конечная температура среды в осушенном газопроводе, К; m - масса труб на участке осушаемого газопровода, кг; С - теплоемкость стали, кДж/кг·К; m - масса образовавшегося пара, кг; λ - теплота парообразования, кДж/кг; k - общий коэффициент теплопередачи от грунта к полости газопровода, Дж/м·с·К; S - средняя площадь поверхности участка осушаемого газопровода, занятая льдом, в течение его вакуумной осушки, м; τ - продолжительность вакуумной осушки, ч; ε - коэффициент теплопроводности стали, Вт/м·К; δ - толщина стенки газопровода, мм; L - протяженность осушаемого участка газопровода, м; L - средняя длина окружности газопровода, занятая льдом, в течение его вакуумной осушки, м. Из уравнения 5 получим выражение, определяющее температуру среды в объеме метра длины газопровода после его вакуумной осушки:
кон
гр
п
в(ср.)
в
тр
ст
в(cp.)
в(ср.)
2
2
где Т - конечная температура среды в осушенном газопроводе, К; Т - температура грунта, К; m - масса образовавшегося пара, кг; λ - теплота парообразования, кДж/кг; m - средняя масса воды, эквивалентная количеству льда на участке газопровода в течение его вакуумной осушки, кг; С - теплоемкость воды, кДж/кг·К; m - масса трубы на метре длины осушаемого газопровода, кг; С - теплоемкость стали, кДж/кг·К; α - центральный угол дуги окружности сегмента сечения газопровода, занятого льдом; τ - продолжительность вакуумной осушки метра длины газопровода, ч; k - общий коэффициент теплопередачи от грунта к газопроводу, Дж/м·с·К; S - средняя площадь поверхности участка осушаемого газопровода, занятая льдом, в течение его вакуумной осушки, м; ε - коэффициент теплопроводности стали, Вт/м·К; δ - толщина стенки газопровода, мм; L - средняя длина окружности газопровода, занятая льдом, в течение его вакуумной осушки, м.
Величина центрального угла (α), входящая в формулу 6, показана на фигуре 3 и может быть определена методом итераций из уравнения:
сегм
2
где S - площадь сегмента сечения полости осушаемого газопровода, занятого льдом, м; R - внутренний радиус сечения трубы осушаемого газопровода, м; α - центральный угол дуги окружности сегмента сечения газопровода, занятого льдом.
Площадь поверхности сублимации с метра длины газопровода определяется по формуле:
c
2
где S - площадь поверхности сублимации с метра длины газопровода, м; R - внутренний радиус сечения трубы осушаемого газопровода, м; α - центральный угол дуги окружности сегмента сечения газопровода, занятого льдом.
2
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>0,6884</mn><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mfrac><mrow><mn>43,62</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>0,511</mn><mtext> </mtext><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
Для газопровода диаметром 1420 мм и толщиной стенки 21,6 мм (R=0,6884 м) площадь сублимации:
.
Через заданные равные интервалы времени определяем параметры, характеризующие термодинамическое состояние среды в полости газопровода в процессе его вакуумной осушки:
- температура льда на границах каждого интервала времени:
i+1
л
л
i
тр
ст
л
гр
л
c
с
2
2
2
2
где T - температура льда в конце каждого заданного равного интервала времени, К; i - порядковый номер каждого заданного равного интервала времени; m - масса льда на метре длины газопровода, кг; С - теплоемкость льда, кДж/кг·К; T - температура льда в начале каждого заданного равного интервала времени, К; m - масса трубы на метре длины газопровода, кг; С - теплоемкость стали, кДж/кг·К; α - центральный угол дуги окружности сегмента сечения газопровода, занятого льдом; τ - продолжительность каждого заданного равного интервала времени, ч; k - общий коэффициент теплопередачи от грунта к полости газопровода, Дж/м·с·К; S - площадь контакта льда с поверхностью метра длины газопровода, м; Т - температура грунта, К; ε - коэффициент теплопроводности стали, Bт/м·К; δ - толщина стенки газопровода, мм; L - длина окружности сечения газопровода, занятая льдом, м; j - интенсивность испарения (сублимации) льда, кг/м·ч; S - площадь сублимации образовавшейся ледяной поверхности, м; λ - теплота сублимации, кДж/кг;
- давление паровоздушной смеси, необходимое для определения интенсивности испарения льда (j):
i+1
i
i
субл(i)
i-1
3
3
3
3
где P - абсолютное давление паровоздушной смеси в полости осушаемого газопровода в конце каждого заданного равного интервала времени, мбар; i - порядковый номер каждого заданного равного интервала времени; P - абсолютное давление в полости осушаемого газопровода в начале каждого заданного равного интервала времени, мбар; q - объемная производительность вакуумного модуля, м/час; τ - продолжительность каждого заданного равного интервала времени, ч; ρ - плотность насыщенного пара в начале каждого заданного равного интервала времени, г/м; V - геометрический объем осушаемого участка газопровода, м; m - количество пара, сублимированного в течение каждого заданного равного интервала времени, г/м; ρ - плотность насыщенного пара в начале предыдущего заданного равного интервала времени, г/м;
- интенсивность испарения льда (j) в зависимости от давления паровоздушной смеси надо льдом (P) и температуры льда (T):
2
где j - интенсивность испарения (сублимации) льда, кг/м·ч; T - температура льда, К; P - абсолютное давление в полости осушаемого газопровода, мбар.
В таблице 1 для рассматриваемого примера приведены результаты расчета параметров сублимации льда в ходе вакуумной осушки с метра длины участка газопровода 1420×21,6 мм длиной 10 метров.
При начальной температуре среды в полости газопровода, равной температуре начала кристаллизации льда, в полость газопровода подают азот.
- градиент температуры азота по длине газопровода определяют по формуле:
<mrow><msubsup><mi>Т</mi><mrow><mi>а</mi><mi>з</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
гр
аз
аз
m
2
где
- температура азота, равная температуре грунта, К; Т - температура грунта, К; Т - температура азота на выходе из азотного модуля, К; k - общий коэффициент теплопередачи от грунта к полости газопровода, Дж/м·с·К; D - внутренний диаметр продуваемого газопровода, м; x - координата длины газопровода, м; C - удельная теплоемкость азота, кДж/кг·К; Q - массовый расход азота, кг/ч.
На фигуре 4 приведен график зависимости количества влаги (%), которая может быть вынесена с насыщенным азотом за время продувки участка газопровода длиной 150 метров, диаметром 700 мм при температурах грунта от 1 до 10°C и количестве льда 100÷2000 г/м.
Таким образом, способ осушки газопроводов позволяет достичь поставленной цели, повышает эффективность осушки газопроводов после испытаний в условиях отрицательных температур, так как сокращает время осушки и обеспечивает заданные параметры по влажности в полости газопровода при его приеме в эксплуатацию, а также гарантирует безопасность газопровода при заполнении природным газом.