СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДАХ
METHOD TO PREVENT PRESSURE PULSATIONS IN PROCESS PIPELINES

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано при строительстве новых и реконструкции действующих технологических трубопроводов промышленных объектов и объектов трубопроводного транспорта, например, технологических трубопроводов обвязки газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций.
Известен способ предотвращения пульсаций давления в трубопроводах газотранспортных систем (Bruggeman J.C., Hirschberg A., Van Dongen М.Е. et al. Self-sustained aero-acoustic pulsations in gas transport systems: experimental study of the influence of closed side branches // Journal of sound and vibration. - 1991. - V. 150. - №3). При реализации этого способа в тройниковые соединения трубопроводных систем устанавливают специальные конструкции, корректирующие движение перекачиваемой среды и препятствующие формированию крупномасштабных газодинамических неоднородностей при прохождении потока перекачиваемой среды мимо безрасходных участков.
Недостатком данного способа является необходимость изготовления и монтажа конструкций, корректирующих движение перекачиваемой среды, а также повышение гидравлического сопротивления трубопроводной системы после установки таких конструкций, что приводит к повышенному расходу энергии на осуществление технологических процессов.
Известен способ предотвращения пульсаций давления в трубопроводных системах компрессорных станций с центробежными нагнетателями (Rogers L.E. Design stage acoustic analysis of natural gas piping systems in centrifugal compressor stations // Journal of engineering for gas turbines and power. - 1992. - V. 114. - №4). При реализации этого способа определяют длины безрасходных участков трубопроводной системы, определяют скорости потока газа в магистральных линиях, рассчитывают диапазоны опасных скоростей. Если скорости потока попадают в диапазоны опасных скоростей, оценивают амплитуды пульсаций давления по аналитическим формулам, причем для разных диапазонов чисел Рейнольдса используются разные формулы, и изменяют длины безрасходных участков.
Недостатком данного способа является отсутствие учета взаимодействия двух и более безрасходных участков, а также использование завышенной консервативной оценки для амплитуд пульсаций давления при числах Рейнольдса, характерных для трубопроводной обвязки компрессорных станций, что в ряде случаев не согласуется с экспериментальными данными и не позволяет обеспечить выполнение условий снижения пульсаций давления в сложных трубопроводных системах с большим количеством безрасходных участков.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ предотвращения пульсаций давления в технологических трубопроводах компрессорных станций (Рекомендации по повышению виброустойчивости технологических трубопроводов при проектировании и реконструкции компрессорных цехов компрессорных станций. - М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2002). При реализации этого способа определяют геометрические параметры трубопроводной системы (длины и диаметры безрасходных участков, расстояния между безрасходными участками вдоль магистральных линий, диаметры магистральных линий), определяют скорости потока газа в магистральных линиях, рассчитывают критические скорости на основании данных о скоростях звука в газе, длинах и диаметрах безрасходных участков. Если скорости потока газа превышают критические скорости, то уменьшают скорости потока газа мимо безрасходных участков или увеличивают критические скорости или устанавливают определенные соотношения между длинами безрасходных участков и/или расстояниями между ними вдоль магистральных линий.
Недостатком данного способа являются жесткие ограничения, накладываемые на допустимые диапазоны длин безрасходных участков и/или расстояний между ними вдоль магистральных линий (отношение расстояния между безрасходными участками к их длине должно находиться в диапазонах от 0,6 до 1,4 или от 2,8 до 3,2), что с учетом большого количества вариантов трубопроводных систем с безрасходными участками, реализующихся при разных режимах работы газоперекачивающих агрегатов, не позволяет обеспечить выполнение геометрических условий снижения вибрации в современных компактных трубопроводных обвязках компрессорных станций.
Задача предлагаемого способа состоит в повышении эффективности предотвращения пульсаций давления в технологических трубопроводах при одновременной минимизации ограничений, накладываемых на геометрические параметры элементов трубопроводных систем, что позволяет использовать компактные и эффективные системы технологических трубопроводов с минимальными пульсациями давления и минимальным уровнем вибрации.
Поставленная задача решается тем, что в способе предотвращения пульсаций давления в технологических трубопроводах, включающем определение геометрических параметров трубопроводной системы (длин и диаметров безрасходных участков, расстояний между безрасходными участками вдоль магистральных линий, диаметров магистральных линий), определение скоростей потока перекачиваемой среды в магистральных линиях, согласно изобретения, определяют тип, давление и температуру перекачиваемой среды, определяют максимальные амплитуды пульсаций давления в трубопроводной системе при заданных вариантах геометрических параметров трубопроводной системы на основании данных о типе перекачиваемой среды, давлении, температуре, скорости потока перекачиваемой среды, определяют безопасные геометрические параметры трубопроводной системы, при которых значения максимальных амплитуд пульсаций давления с учетом коэффициента запаса не превышают заданных критериальных значений, назначают и реализуют корректирующие мероприятия для приведения геометрических параметров системы к безопасным значениям: изменяют длины и/или диаметры безрасходных участков и/или расстояния между ними вдоль магистральных линий и/или диаметры магистральных линий.
В качестве пояснения приводим следующее. Повышенная вибрация технологических трубопроводов компрессорных станций приводит к снижению ресурса технологических трубопроводов и запорной арматуры, а также к развитию усталостных трещин, что негативно сказывается на надежности, эффективности и безопасности эксплуатации систем магистрального трубопроводного транспорта газа. Одной из основных причин повышенной вибрации технологических трубопроводов являются интенсивные пульсации давления, связанные с периодическим формированием газодинамических неоднородностей потока в сочетании с акустическим резонансом в системе технологических трубопроводов с глухими боковыми ответвлениями (так называемые тупиковые колебания). На границе потока перекачиваемой среды в магистральной линии и безрасходной области в тупиковом ответвлении образуется так называемый сдвиговый слой, в котором происходит периодическое формирование вихревых структур, движущихся в направлении потока перекачиваемой среды. Движение вихревых структур приводит к возникновению колебаний давления, которые, в свою очередь, инициируют и синхронизируют формирование новых вихревых структур в сдвиговом слое. Наибольшую опасность представляют тупиковые колебания в случае предрасположенности трубопроводных систем к акустическому резонансу, что связано с наличием условий для формирования стоячих акустических волн определенной частоты. Один из практически важных примеров таких систем - трубопровод с двумя и более последовательно расположенными безрасходными участками. Такие системы часто встречаются в трубопроводной обвязке компрессорных станций (например, всасывающий или нагнетательный коллектор, в качестве безрасходных участков выступают участки трубопроводной обвязки неработающих нагнетателей). Резонанс в таких системах возникает при определенном соотношении длины безрасходных участков и длины участка магистральной линии между безрасходными участками. В настоящее время процессы возникновения тупиковых колебаний в трубопроводных системах остаются не исследованными в достаточной степени. Существующие модели возникновения тупиковых колебаний разработаны для систем с конкретной конфигурацией и имеют полуэмпирический характер, что ограничивает их применение для решения инженерных задач. Систематические экспериментальные исследования процессов возникновения тупиковых колебаний в трубопроводных системах, особенно при параметрах, характерных для трубопроводной обвязки компрессорных станций (большие диаметры трубопроводов, высокое давление), требуют проведения полномасштабных промышленных испытаний, что сопряжено со значительными организационными, экономическими и техническими сложностями. Наиболее эффективным способом анализа условий возникновения колебательных процессов в трубопроводных системах является расчет с применением методов вычислительной гидрогазодинамики, позволяющих определять амлитуды и частоты пульсаций давления в системах со сложной геометрической конфигурацией при изменяющихся в широких диапазонах параметрах перекачиваемой среды. Следовательно, путем проведения расчета амплитуд пульсации давления можно определить геометрические параметры трубопроводной системы, при которых амплитуда пульсации давления не выходит за пределы диапазона допустимых значений, что обеспечивает снижение вибрации, а, следовательно, повышение надежности и ресурса технологических трубопроводов и связанного с ними оборудования.
Изобретение поясняется фигурами:
на фиг. 1 представлена геометрическая модель трубопроводной системы с двумя безрасходными участками;
2
2
на фиг. 2 представлены зависимости максимальной амплитуды пульсаций давления в системе от времени P(t) при L=10,0 м (а) и L=12,0 м (б);
2
2
на фиг. 3 представлены зависимости максимальной амплитуды пульсаций давления в системе от частоты P(f) при L=10,0 м (а) и L=12,0 м (б);
2
на фиг. 4 представлена номограмма для определения максимальной амплитуды пульсаций давления в системе при различных значениях L.
Способ реализуется следующим образом. Определяют геометрические параметры трубопроводной системы (длины и диаметры безрасходных участков, расстояния между безрасходными участками вдоль магистральных линий, диаметры магистральных линий), например, с использованием измерительных инструментов или по данным эксплуатационной и/или проектной документации. Определяют скорости потока перекачиваемой среды в магистральных линиях, например, с помощью расходомеров перекачиваемой среды с последующим пересчетом расхода в скорость потока. Определяют тип перекачиваемой среды, например, с использованием аналитического оборудования или по данным эксплуатационной документации. Определяют давление перекачиваемой среды, например, с помощью манометров. Определяют температуру перекачиваемой среды, например, с помощью датчиков температуры. Определяют максимальные амплитуды пульсаций давления в трубопроводной системе при заданных вариантах геометрических параметров трубопроводной системы на основании данных о типе перекачиваемой среды, давлении, температуре, скорости потока перекачиваемой среды, например, путем расчетов с применением методов вычислительной гидрогазодинамики. Определяют безопасные геометрические параметры трубопроводной системы, при которых значения максимальных амплитуд пульсаций давления с учетом коэффициента запаса не превышают заданных критериальных значений. Назначают и реализуют корректирующие мероприятия для приведения геометрических параметров системы к безопасным значениям: изменяют длины и/или диаметры безрасходных участков, например, путем изменения положения запорной арматуры, и/или расстояния между ними вдоль магистральных линий, например, путем изменения положения тройников, и/или диаметры магистральных линий.
Пример 1.
1
2
1
2
12
0
с1
с2
с1
с2
с2
2
с1
с2
с1
2
Необходимо предотвратить возникновение недопустимых пульсаций давления в трубопроводной системе с двумя безрасходными участками. По результатам измерений установлено, что система имеет следующие параметры: диаметр магистральной линии D=1020 мм, диаметры первого и второго безрасходных участков d=d=720 мм, длина первого безрасходного участка L=10,0 м, длина второго безрасходного участка L=10,0 м, расстояние между безрасходными участками вдоль магистральной линии L=20,0 м (фиг. 1), давление в системе Р0=7,5 МПа, температура T=300 К, скорость потока перекачиваемой среды ν=20,0 м/с. Перекачиваемая среда - метан. На основании представленных исходных данных проводят расчет распределения давления в системе Р в зависимости от времени t с использованием методов вычислительной гидрогазодинамики. В данной системе максимальные амплитуды пульсаций давления наблюдаются в районе закрытых концов безрасходных участков. По результатам расчета получают зависимость максимальной амплитуды пульсаций давления в системе от времени P(t) (фиг. 2а). На основе зависимости P(t) с помощью преобразования Фурье получают спектр пульсаций давления P(ƒ), ƒ - частота пульсаций давления (фиг. 3а). По спектру пульсаций давления определяют максимальную амплитуду пульсаций Р=104,1 кПа и частоту пульсаций ƒ=11 Гц. Для нормирования и оценки опасности амплитуд пульсаций давления используют отраслевые критерии, приведенные в нормативной документации (СТО Газпром 2-2.3-324-2009. Диагностическое виброобследование технологических трубопроводов компрессорных цехов с центробежными нагнетателями. Нормы оценки и методы проведения работ. - М.: ОАО «Газпром», 2009). В указанной нормативной документации рассматриваются три варианта состояния системы: «Допустимо» - нет аномалий газодинамических процессов; «Требуется принятие мер» - имеются аномалии газодинамических процессов, указывающие на непригодность трубопроводов или оборудования для длительной эксплуатации; «Недопустимо» - имеются аномалии газодинамических процессов, указывающие на высокую возможность повреждения трубопроводов или оборудования. Для рассматриваемых параметров системы и частоты пульсаций давления граничное значение вариантов «Допустимо» / «Требуется принятие мер» составляет Р=20 кПа, граничное значение вариантов «Требуется принятие мер» / «Недопустимо» составляет Р=32 кПа. Сравнивают полученное значение максимальной амплитуды пульсаций Р с критериальными значениями Р и Р с учетом коэффициента запаса k=3,0. Значение kP=312,3 кПа превышает Р, следовательно, при выбранных параметрах системы в ней возможно возникновение недопустимых пульсаций давления, геометрические параметры системы не являются безопасными. Выполняют расчет для системы с L=12,0 м. Получают зависимость P(t) (фиг. 2б). На основе зависимости P(t) получают спектр пульсаций давления P(f) (фиг. 3б). По спектру пульсаций давления определяют максимальную амплитуду пульсаций Р=0,2 кПа. Сравнивают полученное значение максимальной амплитуды пульсаций Р с критериальными значениями Р и Р с учетом коэффициента запаса k=3,0. Значение kP=0,6 кПа не превышает Р, следовательно, при выбранных параметрах системы в ней не возникает аномалий газодинамических процессов, геометрические параметры системы являются безопасными. Назначают и реализуют корректирующее мероприятие: изменяют значение L с 10,0 м на 12,0 м путем изменения положения запорной арматуры.
Пример 2.
1
2
1
2
12
0
0
2
2
с1
с2
с1
с2
с2
2
с1
c2
с1
2
Необходимо предотвратить возникновение недопустимых пульсаций давления в трубопроводной системе с двумя безрасходными участками. По результатам измерений установлено, что система имеет следующие параметры: диаметр магистральной линии D=1020 мм, диаметры первого и второго безрасходных участков d=d=720 мм, длина первого безрасходного участка L=10,0 м, длина второго безрасходного участка L=30,4 м, расстояние между безрасходными участками вдоль магистральной линии L=20,0 м (фиг. 1), давление в системе Р=7,5 МПа, температура Т=300 К, скорость потока перекачиваемой среды ν=20,0 м/с. Перекачиваемая среда - метан. Для определения амплитуд пульсаций давления в трубопроводной системе используют номограмму (фиг. 4), построенную заранее для рассматриваемого набора параметров и значений L в интервале от 2,0 м до 38,0 м путем проведения расчетов с использованием методов вычислительной гидрогазодинамики. Для значения L=30,4 м с использованием линейной интерполяции определяют максимальную амплитуду пульсаций Р=59,2 кПа. Сравнивают полученное значение максимальной амплитуды пульсаций Р с критериальными значениями Р и Р (значения Р и Р приведены в примере 1) с учетом коэффициента запаса k=3,0. Значение kP=177,6 кПа превышает Р, следовательно, при выбранных параметрах системы в ней возможно возникновение недопустимых пульсаций давления, геометрические параметры системы не являются безопасными. Выполняют расчет для системы с L=27,8 м. С использованием линейной интерполяции определяют максимальную амплитуду пульсаций Р=0,3 кПа. Сравнивают полученное значение максимальной амплитуды пульсаций Р с критериальными значениями Р и P с учетом коэффициента запаса k=3,0. Значение kP=0,9 кПа не превышает Р, следовательно, при выбранных параметрах системы в ней не возникает аномалий газодинамических процессов, геометрические параметры системы являются безопасными. Назначают и реализуют корректирующее мероприятие: изменяют значение L с 30,4 м на 27,8 м путем изменения положения запорной арматуры.