Гидравлический расчет сложных трубопроводов для транспортировки пароводяной смеси на геотермальном месторождении

УДК 622.997

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СЛОЖНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ПАРОВОДЯНОЙ СМЕСИ НА ГЕОТЕРМАЛЬНОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ

А.Н. Шулюпин

Для гидравлического расчета сложных трубопроводов при транспортировке пароводяной смеси на геотермальном месторождении предлагается метод, основанный на последовательном расчете трубопроводов по направлению течения и нахождении характеристики системы скважина - трубопровод, выступающей аналогом графика производительности скважин.

Method of hydraulics calculation of compose pipeline in the process of transportation of wa-ter-stream mixture in geothermal area is presented. The method is based on calculation of pipeline along the flow. Also graphic productivity of well-pipeline system is obtained.

Обострение проблем топливно-энергетического комплекса обусловливает особую привлекательность альтернативных источников энергоресурсов, использование которых во многих регионах мира уже сейчас оказывается экономически эффективным. Для некоторых районов Дальнего Востока России, таких как Камчатка и Курилы, использующих в основном привозное топливо, стратегически перспективным и практически эффективным является освоение геотермальных месторождений. При этом наибольшие перспективы связаны с освоением месторождений, теплоноситель которых находится в пароводяном состоянии [1]. В свою очередь, для транспортировки такого теплоносителя все чаще используются трубопроводы пароводяной смеси [2-4].

Гидравлический расчет трубопроводов пароводяной смеси характеризуется наличием двух методических сложностей. Первая - это собственно расчет пароводяного течения в трубе. Вторая - нахождение согласованного решения для системы скважина - трубопровод. Исходными данными для гидравлического расчета служат результаты выпусков из скважин, представленные в виде зависимостей расхода и энтальпии смеси от устьевого давления (графики производительности), рабочее давление на входе в ГеоЭС (в конечной точке трубопровода), а также геометрия трассы. Наличие методических основ расчета течения еще не позволяет выполнить конкретный расчет, так как расходные параметры скважины и, следовательно, транспортируемой смеси зависят от устьевого давления, которое выступает в качестве неизвестного.

Методические основы расчета пароводяного течения в трубах достаточно подробно изложены в работах [1, 5]. Там же предлагается метод последовательного приближения для нахождения необходимого согласованного решения. Суть метода заключается в том, что по приближенно-ожидаемому перепаду давления, зная давление в конечной точке, определяется устьевое давление (давление в начальной точке трубопровода). По устьевому давлению с помощью графиков производительности определяются расход и энтальпия смеси, после чего осуществляется расчет трубопровода (фактически от конечной точки к начальной, т. е. в направлении, обратном течению). Вновь полученное в результате расчета устьевое давление используется для уточнения расходных параметров. Процедура расчета повторяется до тех пор, пока вновь уточненные параметры не совпадут (в пределах погрешности измерений) с используемыми при текущем расчете.

В качестве альтернативы данному методу в работе [5] предложен графический метод, заключающийся в том, что на график производительности скважины накладывается график зависимости устьевого давления от расхода, построенный на основании расчета трубопровода при фиксированном давлении в конце. Рабочая точка находится на пересечении графиков, характеризующих скважину и трубопровод.

Как показал опыт, при использовании метода последовательного приближения расчет быстро сходится к согласованному значению устьевого давления (достаточно двух - трех приближений). Однако наблюдались случаи неустойчивости предложенной схемы решения, характеризующиеся существенной зависимостью расхода скважины от устьевого давления и значительным перепадом давления в трубопроводе. В работе [5] предложен критерий неустойчивости данного метода, основанный на анализе графиков производительности скважины и пропускной способности трубопровода.

Поскольку заранее нельзя определить устойчивость решения по методу последовательных приближений (необходимо либо получить соответствующий результат при его использовании, либо анализировать те же графики), на практике более удобным оказался графический метод. При этом следует отметить, что ключевой точкой в согласовании характеристик в обоих методах является устье скважины. Другими словами, фактически расчет трубопровода осуществляется от конечной точки с известным давлением (коллектора ГеоЭС) к начальной точке (устью скважины).

Указанными методами на Мутновском месторождении было рассчитано несколько трубопроводов, в том числе длиной более 2 000 м. Успешная эксплуатация этих трубопроводов, подтвердившая выполненные расчеты, воодушевила специалистов на создание сложных трубопроводов пароводяной смеси.

Однако методы, использующие обратный течению расчет трубопроводов, оказались неудобными. Например, смесь от двух скважин сначала транспортируется по отдельным трубопроводам, а затем поступает в общий трубопровод. Возникают сложности в расчете трубопроводов от скважин, так как неизвестно давление в их конечной точке.

Для решения подобной задачи удобным оказался метод, который можно рассматривать как вариант графического. Трубопроводы от скважин предлагается считать их продолжением, и для конечной точки трубопроводов находится общий график производительности системы скважина -трубопровод. Иначе говоря, осуществляется расчет трубопровода по течению, где в качестве начальных значений используются данные опробования скважин (графики производительности скважин), а на выходе определяются параметры в точке сопряжения трубопроводов.

Кстати, такая модификация графического метода может быть использована и для простых трубопроводов. После того как построен общий график производительности системы скважина -трубопровод, рабочая точка определяется значением давления в коллекторе станции.

Различные варианты реализации предлагаемого метода для расчета сложных трубопроводов рассмотрим на конкретных примерах расчетов, выполненных по заказу ОАО «Геотерм» для Мутновской ГеоЭС.

Первый пример заключается в гидравлическом расчете двухфазной транспортировки теплоносителя от скважин 013 и 053. В качестве характеристики производительности скважин принимались результаты выпусков, представленные в табл. 1, 2. Атмосферное давление принималось равным

0,9 бар. Давление (абсолютное) в конечной точке системы (давление в коллекторе на входе в станционные сепараторы) принималось равным 6,2 бар. Геометрия трасс трубопроводов определялась имеющимися линиями трубопроводов. От скважины 013 идет трубопровод диаметром 0,377 м и длиной 890 м; от скважины 053 - трубопровод диаметром 0,529 м и длиной 1 530 м. Затем теплоноситель транспортируется по общему трубопроводу диаметром 0,529 м и длиной 710 м.

Таблица 1

Исходные данные по скважине 013

Давление на устье, бар Расход смеси, кг/с Энтальпия, кДж/кг

5,5 23,67 1 718

8,0 19,38 1 533

9,7 17,85 1 470

12,7 16,54 1 302

Таблица 2

Исходные данные по скважине 053

Давление на устье, бар Расход смеси, кг/с Энтальпия, кДж/кг

6,9 70 1 184

9,0 64,7 1 179

11,8 50 1 134

Расчет трубопроводов от скважин выполнялся с использованием данных табл. 1, 2. Другими словами, для заданных давлений, расходов и энтальпий вначале рассчитывалось давление в конечной точке. Таким образом определялся аналог графика производительности, характеризующий систему скважина - трубопровод (рис. 1). На основании этих графиков строился график суммарной производительности, который согласовывался с характеристикой общего трубопровода. Результаты расчета и согласование графиков представлены на рис. 1. Кроме того, рассматривались возможные изменения в случае замены диаметра общего трубопровода с 0,529 на 0,630 м.

В точке сопряжения трубопроводов расчетное давление равно 7,7 бара, расход смеси -85,0 кг/с, расход пара на станцию - 23,9 кг/с. Расчетное давление на устье скважины 013 составляет 8,1, скважины 053 - 8,6 бара. Следует также отметить, что в трубопроводе от скважины 013 скорости потока меньше рекомендуемых методикой, т. е. возможно возникновение пульсаций. При замене диаметра общего трубопровода на 630 мм расчетное давление в точке сопряжения составляет 6,9 бара, расход смеси - 86,5 кг/с, расход пара на станцию - 24,4 кг/с.

Рис. 1. Характеристики системы скважина - трубопровод (013 и 053) и пропускной способности общего трубопровода: Рс - давление в точке сопряжения трубопроводов; О - расход теплоносителя (пароводяная смесь);

1 - график производительности системы трубопровод - скважина 013; 2 - график производительности системы трубопровод - скважина 053; 3 - график суммарной производительности; 4 - характеристика общего трубопровода диаметром 0,529 м; 5 - характеристика общего трубопровода диаметром 0,630 м

Кстати, данный метод можно развить и далее - на основании суммарного графика путем расчета общего трубопровода получить характеристику в виде графика производительности для системы скважины - отдельные трубопроводы - общий трубопровод и рабочую точку данной системы определить по конечному давлению (в нашем случае оно равно 6,2 бара).

Второй пример заключается в гидравлическом расчете комбинированной транспортировки теплоносителя от скважин 013 и 053. Исходные условия те же, что и в первом примере, но перед подачей в общий трубопровод смесь сепарируется и пар транспортируется по тому же общему трубопроводу.

Поскольку в данном случае в качестве характеристики пропускной способности общего трубопровода является зависимость давления в точке сопряжения от расхода пара, то в качестве характеристик систем скважина - трубопровод использовалась зависимость расхода пара от давления в точке сопряжения (рис. 2).

В точке сопряжения трубопроводов (сепараторе) расчетное давление равно 6,9 бара, расход пара на станцию - 23,9 кг/с. Расчетное давление на устье скважины 013 составляет 7,6, скважины 053 - 8,0 бара. При замене общего трубопровода на 0,630 м расчетное давление в точке сопряжения составляет 6,6 бара, расход пара на станцию - 24,6 кг/с.

Наибольший расход пара на станцию (24,6 кг/с) обеспечивается при транспортировке пара по общему трубопроводу диаметром 630 мм. В случае транспортировки теплоносителя по общему трубопроводу диаметром 529 мм расход пара в обоих вариантах останется неиз-

менным - 23,9 кг/с, но в случае транспортировки пароводяной смеси возможно возникновение пульсаций в трубопроводе от скважины 013.

Таким образом, для расчета сложных трубопроводов при транспортировке пароводяной смеси предлагается метод, основанный на последовательном расчете трубопроводов по направлению течения и нахождении характеристики системы скважина - трубопровод, выступающей аналогом графика производительности скважин. Сначала по данным графиков производительности скважин и результатам расчета трубопроводов строятся графики производительности систем скважина - трубопровод. Затем в точке объединения трубопроводов (для начальной точки общего трубопровода) определяется график суммарной производительности системы скважины -трубопроводы. Данный график согласуется с пропускной способностью общего трубопровода (рис. 1, 2).

Рис. 2. Характеристики системы скважина - трубопровод (013 и 053) и пропускной способности общего

трубопровода (пар): Рс - давление в точке сопряжения трубопроводов; G - расход теплоносителя (пар);

1 - график производительности системы трубопровод - скважина 013; 2 - график производительности

системы трубопровод - скважина 053; 3 - график суммарной производительности; 4 - характеристика

общего трубопровода диаметром 0,529 м; 5 - характеристика общего трубопровода диаметром 0,630 м

Можно также выполнить расчеты для нахождения графика производительности системы скважины - трубопроводы - общий трубопровод. В последнем случае имеется возможность определить рабочую точку по конечному давлению или продолжить расчет в случае объединения потоков уже в общих трубопроводах.

Литература

1. Шулюпин А.Н. Пароводяные течения на геотермальных промыслах. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2004. - 149 с.

2. Lee K.C., Jenks D.G. Ohaaki geothermal steam transmission pipelines // Proceedings, 11-th New Zealand Geothermal Workshop. - 1989. - P. 25-30.

3. Wigly D.M. Separation plant and pipework design - Ohaaki steam field // Proceedings, 11-th New Zealand Geothermal Workshop. - 1989. - P. 19-24.

4. Zhao H.D., Lee K.C., Freeston D.H. Geothermal two-phase flow in horizontal pipes // Proceedings, World Geothermal Congress-2000. - Kyushu-Tohoku, 2000. - P. 3349-3353.

5. Шулюпин А.Н. Транспортировка пароводяной смеси на Мутновском геотермальном месторождении: методы расчета и опыт эксплуатации // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2005. - № 4. - С. 45-52.