Защита коммуникаций нефтеперекачивающих станций от воздействия ударных волн на магистральных нефтепроводах
В работе произведены расчеты скорости распространения гидравлической ударной волны в трубопроводе и давления в нефтепроводе при гидравлическом ударе. Проведено исследование выбора параметров системы управления ССВД. Проведён сравнительный анализ известных методов защиты коммуникаций нефтеперекачивающих станций. Произведено моделирование участка нефтепровода при гидравлическом ударе в системе Ansys.
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 16
1. Характеристика МН «Александровское – Анжеро-Судженск» ………………. 20
1.1 Краткая характеристика трассы «Александровское – Анжеро-
Судженск» ……………………………………………………………………………………………. 20
1.2 Описание технологической схемы НПС «Молчаново» ……………………… 21
2. Переходные процессы в магистральных нефтепроводах ……………………….. 25
2.1 Гидравлический удар …………………………………………………………………….. 25
2.1.1 Последствия гидравлического удара ……………………………………………… 27
2.2 Технологические процессы в нефтепроводах, вызывающие аварийную
ситуацию ………………………………………………………………………………………………. 28
2.2.1 Остановка насосов на перекачивающих станциях ………………………….. 28
2.2.2 Запуск насосных агрегатов на перекачивающей станции ……………….. 30
2.2.3 Закрытие задвижки. ………………………………………………………………………. 30
2.2.4 Сброс и подкачка нефти на магистральном трубопроводе ……………… 31
2.2.5 Заполнение самотечного участка. ………………………………………………….. 32
2.2.6 Отраженные волны ……………………………………………………………………….. 33
2.3 Обзор и анализ средств защиты магистральных нефтепроводов от волн
пониженного и повышения давления …………………………………………………….. 34
2.3.1 Уравнительный резервуар. ……………………………………………………………. 34
2.3.2 Воздушный колпак ……………………………………………………………………….. 36
2.3.3 Частотные преобразователи ………………………………………………………….. 38
2.3.4 Обратный клапан ………………………………………………………………………….. 39
2.3.5 Мембраны предохранительные разрывные ……………………………………. 40
2.3.6 Предохранительные клапаны пружинного типа …………………………….. 42
2.3.7 Предохранительные клапаны с пилотным управлением…………………. 46
2.3.8 Система автоматического регулирования давления ……………………….. 48
2.3.9 Быстродействующие клапаны с регулируемым приводом ……………… 49
3. Система сглаживания волн давления …………………………………………………….. 51
3.1 Назначение ССВД ……………………………………………………………………………. 51
3.2 Состав ССВД …………………………………………………………………………………… 53
Защита коммуникаций нефтеперекачивающих станций от
воздействия ударных волн в магистральных
Изм. Лист Ф.И.О. Подпись Дат нефтепроводах
Разраб. Холкин В.С. а Лит. Лист Листов
Руковод. Антропова Н.А. 13 3
Консульт. Содержание НИ ТПУ гр.2БМ6Б
Рук-льООП. Бурков П.В.
3.3 Принцип действия ССВД …………………………………………………………………. 54
3.4 Предохранительные клапаны сглаживания волн ………………………………. 56
давления Danflo …………………………………………………………………………………….. 56
3.5 Предохранительный клапан типа «Флекс-фло». ……………………………….. 59
4. Расчетно-аналитическая часть ………………………………………………………………. 61
4.1 Скорость распространения гидравлической ударной волны в
трубопроводе ………………………………………………………………………………………… 61
4.2 Уравнения, описывающие работу ССВД ………………………………………….. 66
4.3 Исследование выбора параметров системы управления ССВД …………. 69
5. Исследование напряженно-деформированного состояния участка
нефтепровода в программном комплексе Ansys ………………………………………… 86
5.1 Создание расчетной модели нефтепровода. ……………………………………… 86
5.2 Моделирование участка нефтепровода с рабочим давлением……………. 89
5.3 Моделирование участка нефтепровода при гидравлическом ударе …… 91
5.4 Моделирование участка нефтепровода при гидравлическом ударе,
оборудованном системой сглаживания волн давления …………………………… 92
5.5 Результаты расчета модели нефтепровода………………………………………… 93
в программном комплексе Ansys. ………………………………………………………….. 93
6. Оценка экономических затрат при проведении работ по ликвидации
последствий гидравлического удара …………………………………………………………. 95
6.1 Оценка готовности проекта к коммерциализации …………………………….. 95
6.2 План проекта …………………………………………………………………………………… 98
6.3 Бюджет научного исследования ……………………………………………………… 102
6.4 Расчет затрат на проведение работ …………………………………………………. 103
6.5 Организационная структура проекта ………………………………………………. 110
6.6 Определение финансовой, ресурсосберегающей , бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования ………………… 113
7. Социальная ответственность при защите коммуникаций
нефтеперекачивающей станции от воздействия ударной волны ………………. 116
7.1 Производственная безопасность …………………………………………………….. 117
7.1.1 Анализ вредных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению …………………………………………………………… 118
7.1.2 Анализ опасных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению …………………………………………………………… 124
7.2 Экологическая безопасность ………………………………………………………….. 127
Лист
Содержание 14
Изм. Лист № докум. Подпись Дат
а
7.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 128
7.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …. 131
Заключение ……………………………………………………………………………………………. 132
Список использованных источников ……………………………………………………. 134
Приложение А …………………………………………………………………………………….. 140
Приложение Б……………………………………………………………………………………… 141
Лист
Содержание 15
Изм. Лист № докум. Подпись Дат
а
В нынешнее время магистральные нефтепроводы это наиболее
высоконадѐжный и дешѐвый вид транспортировки нефти. Для того чтобы
создать и поддерживать давление в нефтепроводе, которое необходимо для
транспорта нефти, сооружаются нефтеперекачивающие станции.
На режим работы НПС могут повлиять такие факторы как, например,
аварийные и ремонтные ситуации, нестационарные явления в нефтепроводе,
которые связаны с колебаниями физических параметров нефти и разными
технологическими операциями, годовые и сезонные колебания добычи нефти
из-за которых происходит изменение величины подачи нефти. Подобные
изменения могут привести к неблагоприятным ситуациям, может произойти
аварийная остановка НПС, что повлечет за собой очень большие
экономические потери. Чтобы избежать неприятностей, во-первых,
необходимо осуществлять постоянную, непрерывную, согласованную работу
станций на всех участках нефтепровода, во-вторых, защищать нефтепровод и
оборудование, установленное на нем.
При остановке насосного агрегата или НПС на приеме станции
происходит резкое изменение скорости движения нефти, и вследствие
инерционности потока происходит рост давления, причем скорость
нарастания давления может достигать нескольких МПа в секунду. Волна
повышенного давления, образовавшаяся в нефтепроводе, может
поспособствовать каскадному отключению нефтеперекачивающих станций, а
также привезти к выходу из строя оборудования НПС или разгерметизации
трубопровода.
В настоящее время не теряет актуальности тема исследования
переходных процессов в нефтепроводе, на смотря даже на то, что данным
вопросом занималось большое количество авторов, среди которых есть
Защита коммуникаций нефтеперекачивающих станций от
воздействия ударных волн в магистральных
Изм. Лист Ф.И.О. Подпись Дат нефтепроводах
Разраб. Холкин В.С. а Лит. Лист Листов
Руковод. Антропова Н.А. 16 4
Консульт. Ведение НИ ТПУ гр.2БМ6Б
Рук-льООП. Бурков П.В.
известные отечественные и зарубежные ученые, такие как Жуковский Н.Е.,
Громека И.С., Резаль, Чарногв И.А. и многие другие.
Анализируя экспериментальные и теоретические работы теории
переходных процессов в магистральных нефтепроводах, можно сделать вывод,
что данная теория достаточно хорошо развита, она опирается на прочный
научный фундамент и имеет значительные достижения в практической
области применения. Не смотря на это обстоятельство, было выяснено, что
существуют некие проблемы важные для эксплуатации и проектирования
магистральных нефтепроводов, которые остаются практически неизученными.
Одной из таких проблем является проблема защиты нефтепровода от
повышенного давления с помощью ССВД.
В данной диссертации изложено исследование аварийных ситуаций на
магистральных нефтепроводах, целью которого является разработка систем и
методов защиты трубопровода от волн повышенного давления и
недопустимых перегрузок. Волна повышенного давления может возникать при
свершении различных технологических операциях, которые связаны с
изменением режимов транспорта нефти. Выполненное исследование
отличается от исследований других автором тем, что в работе рассмотрен
метод, основанный на использовании системы сглаживания волн давления,
предотвращающий аварийные ситуации.
В диссертации дан критический анализ существующих конструкторских
решений по защите трубопроводов от повышенных перегрузок. В результате
анализа были указаны проблемы, которые нуждаются в дальнейшей
разработке. В оригинальной части работы развита теория для расчета и
моделирования функционирования системы сглаживания волн давления. В
работе также выяснено влияние настроечных параметров ССВД на характер
изменения давления на НПС.
Актуальность данной выпускной квалификационной работы состоит в
том, что постоянно усложняются технология и техника трубопроводного
транспорта, увеличиваются как объемы перекачиваемой нефти, так и
Лист
Ведение 17
Изм. Лист № докум. Подпись Дат
а
протяженность трубопроводов, во много раз усложняется и возрастает
уровень управления и автоматизации трубопроводной системой, при этом
ужесточаются требования к экологической и технической безопасности их
эксплуатации. При этом основным направлением является исключение
возникновения аварийных ситуаций на магистральном нефтепроводе, что
позволит обеспечить нормальное и бесперебойное функционирование
объектов магистрального нефтепровода.
Кроме того, следует иметь в виду, что в настоящее время срок
эксплуатации больше половины магистральных нефтепроводов приблизился
или превысил проектный. Этот факт значительно увеличивает вероятность
аварии на линейной части нефтепровода, поэтому необходимо выполнять
мероприятия, которые направлены на повышение надежности
нефтепроводов, предотвращение аварий и их последствий.
Цель работы – исследование методов и систем, защищающих
трубопровод от недопустимых перегрузок, вызываемых волнами
повышенного давления, зависящими от изменения режимов транспортировки
нефти, исключение возникновения аварийных ситуаций на магистральном
нефтепроводе, что позволит безаварийное функционирование объектов на
магистральном нефтепроводе «Александровское – Анжеро – Судженск».
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены
следующие основные задачи исследования:
– изучить гидравлический удар и возможные его последствия,
возникающий в результате изменения режима перекачки нефти либо
остановке или запуске перекачиваемой станции.
– провести обзор и анализ средств защиты магистральных
нефтепроводов от волн повышения давления.
– рассчитать величину ударного давления и скорости распространения
фронта волны в трубопроводе при гидравлическом ударе
– исследовать выбор параметров системы управления системы
сглаживания волн давления
Лист
Ведение 18
Изм. Лист № докум. Подпись Дат
а
– провести расчет гидравлического удара на стенки участка
магистрального нефтепровода в программной системе ANSYS.
Анализ исследований в области защиты нефтепроводов от повышения
давления показал, что из основных средств защиты магистральных
нефтепроводов от волн давления наиболее эффективным способом является
система сглаживания волн давления, срабатывающая при повышении
давления в магистральном нефтепроводе на 0,1 – 0,3 МПа и обеспечивающая
плавный рост давления со скоростью 0,01 – 0,03 Мпа/c.
Определена скорость распространения гидравлической ударной волны
в магистральном нефтепроводе «Александровское – Анжеро – Судженск», а
также ударное давление при гидравлическом ударе в случае остановки НПС
«Молчаново».
Был исследован выбор основных параметров управления ССВД,
влияние параметров системы управления ССВД на режим работы всей
системы в целом. Выяснили, что чем больше значение коэффициента расхода
дросселя, тем быстрее происходит увеличение давления в газовом
аккумуляторе, а следовательно, сбросной клапан быстрее перекрывается и
прекращается сброс нефти в емкость. Настройку ССВД можно осуществлять
на математической модели, при этом необходимо изменять безразмерный
критерий а, в который входят основные параметры управления ССВД. Если
настроечные параметры сбросного клапана выбраны неверно, то велика
вероятность того, что ССВД не сработает при повышении давления и
произойдет разрушение нефтепровода или сработает, но будет происходить
чрезмерный сброс нефти в емкость.
Моделирование участка нефтепровода в системе Ansys показало, что
эквивалентные напряжения при гидравлическом ударе, действующие на
стенки магистрального нефтепровода, превышают аналогичные напряжения
Защита коммуникаций нефтеперекачивающих станций от
воздействия ударных волн в магистральных
Изм. Лист Ф.И.О. Подпись Дат нефтепроводах
Разраб. Холкин В.С. а Лит. Лист Листов
Руковод. Антропова Н.А. 132 2
Консульт. Заключение НИ ТПУ гр.2БМ6Б
Рук-льООП. Бурков П.В.
при рабочем давлении на 30,81%, что способствует повышению усталостной
прочности трубопровода. При возникновении гидравлического удара в
магистральном нефтепроводе, оборудованном ССВД максимальные
эквивалентные напряжения незначительны по сравнению с аналогичными
напряжениями при рабочем давлении на стенки трубопровода, что
уменьшает возможность возникновения усталостных напряжений металла.
Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дат
Заключение 133
а
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (1033 отзыва)
4.2 (25 отзывов)
4.7 (82 отзыва)
4.9 (66 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.9 (20 отзывов)
0 (13 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
5 (1241 отзыв)
