Совершенствование технологий и оборудования для осушки магистральных газопроводов после испытаний

ТРУБОПРОВОД / ОБОРУДОВАНИЕ

В статье рассмотрена технология осушки полости газопроводов, а также состав оборудования вакуумно-азотного комплекса для осушки полости газопроводов после проведения гидравлических испытаний на прочность и проверки их на герметичность.

Методология осушки, описанная в данной статье, заключается в том, что в процессе осушки устанавливают баланс между количеством испарившейся влаги и влаги, откачиваемой из полости газопровода, а при отклонении параметров осушки от заданных допусков регулируют производительность откачных вакуумных агрегатов и доосушку одновременно с вакуумированием осуществляют продувкой азотом вплоть до заданной (проектной) величины влажности.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ОСУШКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

ПОСЛЕ ИСПЫТАНИЙ

В.Г. ДУБИНСКИИ Д.А. КУДРЯВЦЕВ

зам. главного инженера ИТЦ по ИТ ДОАО «Оргэнергогаз» ведущий инженер ИТЦ по ИТ ДОАО «Оргэнергогаз»

г. Москва

Повышенные требования, устанавливаемые проектами к качеству осушки строящихся магистральных газопроводов, прокладываемых в районах Крайнего Севера, и морских газопроводов большой протяженности, потребовали в сжатые сроки разработать новые методы и технологии, а также создать новое наукоемкое оборудование для обеспечения осушки полости газопроводов до температуры точки росы минус 400С и ниже.

Особенности технологического процесса осушки линейных участков магистральных газопроводов большой протяженности, проложенных в различных природно-климатических условиях, заключаются в следующем [1], [2]:

• испытания и осушку полости участка осуществляют по всей его протяженности;

• производительность установок, используемых для осушки, зависит не только от пропускной способности участка, но и от его аккумулирующей способности;

• после испытаний и удаления воды в полости участка содержится влажная среда с температурой точки росы, равной температуре грунта, и для достижения заданной проектной глубины осушки требуется применять специальные технологии, позволяющие осуществлять фазовые переходы значительных объемов влаги и ее

Рис. 1 Размещение оборудования ВАК на объекте производства работ

эвакуацию из полости испытываемого участка газопровода;

• остаточная концентрация воздуха в смеси с природным газом, подаваемым в полость газопровода, после осушки должна быть не выше нижнего предела взрываемости (<5%).

С целью практической реализации поставленных ОАО «Газпром» задач по повышению качества осушки строящихся магистральных газопроводов ДОАО «Оргэнергогаз» спроектирован, изготовлен и эксплуатируется вакуумно-азотный комплекс оборудов ания для осушки КС и линейной части МГ (далее ВАК).

В технологии, реализуемой ВАК, удаление воды, осушку и консервацию трубопроводов производят соответственно продувкой воздухом, вакуумированием полости трубопроводов и их заполнением газообразным азотом, полученным непосредственно из атмосферного воздуха на объекте производства работ.

ВАК размещается в контейнерах и перемещается на одном автоприцепе по временным вдольтрассовым дорогам без твердого покрытия, при работе не требует укрытия (навеса) и может быть подвержен всевозможным климатическим воздействиям при температуре наружного воздуха от минус 400С до плюс 400С.

В комплект поставки ВАК входят три технологических модуля:

• вакуумный модуль в контейнере;

• азотный модуль в контейнере;

• компрессорный модуль в контейнере. Компактная вакуумная установка изготовлена в блочно-комплектном исполнении, поставляется в полной заводской готовности и предназначена для выполнения работ по осушке трубопроводов после гидроиспытаний. Вакуумная установка состоит из группы последовательно соединенных насосов. На первой

ЭКСПОЗИЦИЯ НЕФТЬ ГАЗ 2/Н (02) апрель 2009 г.

21

ТРУБОПРОВОД / ОБОРУДОВАНИЕ

ступени установлен форвакуумный винтовой насос, а на второй ступени - высокооборотный безмасляный роторный насос. Насосы объединены общим всасывающим трубопроводом и общим патрубком для подсоединения установки к вакуумируемым трубопроводам.

Вакуумная установка обеспечивает создание вакуума от атмосферного давления до остаточного давления 0,002 мбар, что соответствует температуре точки росы минус 60 0С.

Технические данные вакуумно-азот-ного комплекса приведены в таблице 1, общий вид модулей ВАК и их расположение на объекте производства работ показаны на рис. 1.

Технология осушки полости трубопроводов, осуществляемая ВАК, обеспечивает следующие режимы работы (рис. 2):

• продувка сжатым воздухом с целью вытеснения воды после гидроиспытаний: только компрессорный модуль 1 подключается к объекту осушки 4;

• вакуумирование с целью испарения воды с внутренней поверхности трубопроводов и откачки паров воды: только вакуумный модуль 5 подключается к объекту осушки 4;

• доосушка и заполнение полости инертной средой на основе азота до достижения заданных (проектных) значений температуры точки росы и концентрации кислорода не выше 2% во всем объеме осушаемых трубопроводов: схема предусматривает компремирование атмосферного воздуха в винтовом компрессоре 1, отделение механических примесей

и влаги в механических и адсорбционных фильтрах (расположенных в азотном модуле 2), получение азота с температурой точки росы не выше минус 400С из атмосферного воздуха в азотном модуле 2 и подачу азота в полость объекта осушки 4 при работающем вакуумном модуле 5. На трубных обвязках КС может быть осуществлен наиболее экономичный режим осушки смешанным потоком атмосферного воздуха и азота с рециркуляцией

осушающей среды в трубопроводах до достижения проектной температуры точки росы. Данный режим осушки предусматривает сжатие атмосферного воздуха винтовым компрессором 1, отделение влаги и получение азота в азотном модуле 2, подачу азота в трубопровод 4 и далее после удаления влаги, рециркуляцию азота в основной поток воздуха (на вход компрессорного модуля). Такой режим осушки позволяет наращивать с каждым последующим циклом рециркуляции концентрацию азота с температурой точки росы не выше минус 40°С и регулировать производительность ВАК по воздушно-азотной смеси, подаваемой в осушаемые трубопроводы и оборудование КС.

Особенности вакуумно-азотной технологии осушки участков магистральных газопроводов заключаются в том, что первоначально вакуумирование полости осуществляют в условиях нестационарного режима, при котором давление и скорость течения откачиваемой среды меняются по длине участка. При этом объем воздуха в полости газопровода превышает объемы влаги, испаряющейся с его внутренней поверхности.

Принятая физическая модель осушки основана на том, что в процессе ваку-умирования частицы жидкости из объема переходят на внутреннюю поверхность, испаряются и с объемом воздуха откачиваются из полости трубопровода, а условиям баланса соответствует оптимальный режим осушки, при котором объем испарившейся при вакуумирова-нии жидкости равен объему воздуха, откачиваемого из полости газопровода за равные промежутки времени.

Для определения объема влаги, содержащейся в полости участка газопровода, уравнение для полного термодинамического потенциала состояния системы «жидкость - пар» представили в виде:

где:

N1 - количество частиц влаги в паровой фазе;

N2 - количество частиц в жидкой фазе;

Ф1 - термодинамический потенциал паровой фазы при температуре

Т и давлении Р в полости газопровода;

Ф2 - термодинамический потенциал жидкой фазы;

4nR2а - энергия жидкости, содержащейся в виде пленки на внутренней поверхности труб газопровода после удаления воды;

а - сила поверхностного натяжения;

R - внутренний радиус труб. Для условия равновесия выражение 1 представили в виде:

выразив количество частиц в жидкои фазе N2 через объем молекул воды

.' у. .

I -ы

и учитывая соотношения

d<p1 = V1dH

dф2= V2dH

После дифференцирования выражения 2 получили уравнение для определения скорости испарения воды в зависимости от изменения упругости паров воды Н в участке газопровода в виде:

Ш

Проинтегрировав уравнение 3, получили выражение для определения количества влаги, содержащейся в полости газопровода перед началом осушки, в виде формулы:

АV - 1 =

= 1,244 АТ^пН^Щ,

где:

А - коэффициент, зависящий от диаметра труб, толщины пленки жидкости на внутренней поверхности труб и силы поверхностного натяжения;

Ттр - абсолютная температура в газопроводе;

L - протяженность газопровода;

Н1 - упругость паров воды перед началом осушки;

Н3 - упругость паров воды, соответствующая заданной (проектной) температуре точки росы;

р - плотность паров воды при нормальных условиях (0,8 кг/м3). Формулу для определения суммарного количества влаги, которую необходимо удалить из полости газопровода для достижения заданных проектных значений влажности, представили в виде:

= 1,244 АТт^(1пН-1пЩ+

^О-'-РшРМРтгТтг)*

Р0

+1,244^Рнг, Тн) - d(PmpJmP)]),

и

ТРУБОПРОВОД / ОБОРУДОВАНИЕ

где:

V - геометрический объем полости

тр г

газопровода; с!(Рт,Тт) - начальное влагосодержание воздуха при измеренных давлении (Ртр) и температуре (Ттр) в полости газопровода;

Рн,Тнг) - влагосодержание воздуха при измеренных на нагнетании компрессора давлении (Риг) и температуре (Тиг); Р0 - давление, приведенное к нормальным условиям.

Формулу для определения максимальной производительности откачных вакуумных агрегатов представили в виде:

qmax=4,1x10-+

Ln

+V

где:

Ф

(НгЩбг

уА - показатель аккумулирующей способности участка газопровода; Ри - давление в начале вакуумирования; а - скорость изменения давления в полости газопровода; т1 - продолжительность вакуумирования от начального давления до давления, соответствующего проектному; П - коэффициент динамической вязкости среды, откачиваемой из полости участка газопровода; К - коэффициент, учитывающий профиль трассы; Vл - объем влаги в полости участка

газопровода; dp/dт - скорость изменения давления в полости газопровода за время при изменении упругости паров воды от Н1 до Н3.

Продолжительность вакуумирования т1 при постоянной производительности q=qmax определили интегрированием выражения

dP

бу_

dт1

V N

* тр' "

Р

х

dт1

и представили в виде формулы:

V N

* тр' "

х 1п Н

х1п н

где:

dV - объем откачиваемой из полости газопровода среды за время dт при изменении давления на величину dp;

Vmp - геометрический объем газопровода;

N - кратность обмена среды в объеме газопровода (отношение суммарного количества влаги, которое следует удалить для достижения заданной величины влажности к количеству влаги, откачиваемой из одного объема газопровода);

q - производительность откачных вакуумных агрегатов;

Н1 - упругость паров воды в начале осушки;

Н3 - упругость паров воды, соответствующая заданному значению влажности среды.

При вакуумировании полости газопровода в диапазоне давлений от 0,2 мбар до 0,01 мбар пропускная способность газопровода в зависимости от давления и аккумулирующей способности изменяется по закону, близкому к экспоненциальному. Величина снижения производительности откачных вакуумных агрегатов в зависимости от изменения пропускной и аккумулирующей способности газопровода определяется по формуле:

о

(и-

=Ят

Вакуумный модуль 1 ступень 2 ступень Азотный модуль Компрессорный модуль

Производительность, м3/час Давление на входе 630 от 1000 мбар 4000 от 22 мбар азот 96% - 800 азот 98,2% - 660 1,8 МПа 1600 0,1 МПа

Давление на выходе до 22 мбар до 0,002 мбар 1,65 МПа 1,96 МПа

Мощность силовой установки (потребная), кВт 15 7,5 20 315

Масса контейнера, кг 2200 1200 5600

Электрическое питание 400 В, 50 Гц 220 В, 50 Гц -

росы азота составит минус 500С, а при соотношении, равном 0,42, минус 600С. Причем азотирование полости газопровода осуществляют от начала участка, а откачку среды производят вакуумирова-нием полости от конца участка.

Первоначально весь объем газопровода, находящийся под вакуумом, заполняют азотом. Дальнейшую доосушку осуществляют продувкой азотом и ваку-умированием полости газопровода вплоть до заданной (проектной) величины влажности.

Формулу для определения суммарного времени осушки вакуумированием, заполнением азотом и продувкой азотом вплоть до заданной (проектной) влажности в полости газопровода представили в виде:

т,

Ту-'

тр

х 1п

Н +

тр

qmax Л "' Н3 qN2

I-4 пк 21

Dпp2/Г

-1,1

где:

С целью повышения эффективности и сокращения времени осушки одновременно с регулированием производительности откачных вакуумных агрегатов в полость газопровода подают азот, полученный из атмосферного воздуха путем его разделения на азот и кислород в полимерных половолоконных мембранах. Температуру точки росы азота, подаваемого в полость газопровода, регулируют таким образом, чтобы после расширения потока азота в вакууме величина температуры точки росы была бы равной заданному проектному значению. Например, при соотношении объема азота на выходе из полимерных половолоконных мембран к объему воздуха, входящему в мембраны, равном 0,5, температура точки

Табл. 1 Технические характеристики ВАК

N - кратность обмена среды в объеме газопровода (отношение суммарного количества влаги, которую следует удалить для достижения заданной величины влажности, к количеству влаги, откачиваемой из одного объема газопровода);

V - геометрический объем полости

тр

газопровода;

qN2 - производительность азотного модуля;

Dmр - диаметр труб участка газопровода;

Dпр - диаметр труб продувочного трубопровода;

Н2 - упругость паров воды в полости участка газопровода в момент начала заполнения азотом;

F - кратность обмена азота в объеме участка газопровода для достижения заданной влажности;

Т - абсолютная температура в полости газопровода.

Разработанная технология и оборудование ВАК использовались при осушке завершенных строительством компрессорных станций МГ «СРТО-Торжок» и МГ «Ямал-Европа».

В настоящее время ОАО «Газпром» фактически является обладателем передовых технологий и новых образцов оборудования для выполнения комплекса работ по осушке и консервации азотом трубопроводов и технологического оборудования объектов ЕСГ ОАО «Газпром» с реальной перспективой их эффективного использования в смежных отраслях промышленности как на территории РФ, так и за рубежом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. «Способ осушки полости трубопровода и устройство для его осуществления». Патент № 2272974, 15.06.2004г.

2. «Способ осушки полости подводного участка магистрального газопровода после гидравлических испытаний». Патент: заявка

№ 2007142057/06 (046049), 15.11.2007г.

+

+

q