МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОСУШКИ ТРУБОПРОВОДОВ И ОБОРУДОВАНИЯ КС ПОСЛЕ ГИДРОИСПЫТАНИЙ МЕТОДЫ

ДОАО "Оргэнергогаз" ОАО "Газпром":
Борис Николаевич Антипов, генеральный директор , к.т.н.
Виктор Григорьевич Дубинский, заместитель главного инженера ИТЦ по испытаниям трубопроводов, к.т.н.
Дмитрий Алексеевич Кудрявцев, ведущий инженер ИТЦ по испытаниям трубопроводов

Приведены методология и технология поддержания оптимальных режимов осушки полости магистральных газопроводов с перспективой создания ВСУ для их реализации.

После завершения монтажа трубопроводов-обвязок компрессорных станций (КС), перекачивающих природный газ по газопроводам, проводятся испытания систем на прочность. В ходе опрессовки все каналы заполняются водой, и в них поднимают давление. После этих работ все полости трубопроводов и оборудования КС должны быть осушены до заданной влажности и прокачаны инертным газом (азотом) для безопасного приема природного газа. ДОАО "Оргэнергогаз" разработал и внедрил технологию осушки трубопроводов КС и создал вакуумно-азотный комплекс оборудования (ВАК), прошедший приемочные испытания на КС "Микунь" ООО "Севергазпром".

Весь комплекс работ по осушке КС условно можно разделить на четыре этапа.

На первом этапе оценивают качество удаления воды после гидроиспытаний.

На втором этапе выполняют работы по динамической продувке трубопроводов и оборудования КС, при этом каждый контур трубопроводов продувают по отдельности. Остаточное содержание воды оценивается с допуском в 0,05% от геометрического объема труб КС.

На третьем этапе вакуумируют трубопроводы и оборудование КС до давления не выше 1 мбар (температуры точки росы минус 20°С).

На четвертом этапе систему заполняют азотом и консервируют трубопроводы и оборудование КС, чтобы достигнуть концентрации кислорода не выше 2%.

В состав ВАК для осушки трубопроводов КС включены четыре технологических блока, комплект средств измерений и программное обеспечение.

Блок 1 - компрессорный модуль, нагнетающий воздух для продувки трубопроводов и оборудования КС.

Блок 2 - вакуумный модуль, применяемый в процессе осушки в качестве средства понижения давления в осушаемой системе для испарения воды и удаления ее паров из полости трубопроводов.

Блок 3 - азотный модуль, применяемый для заполнения трубопроводов КС азотом перед приемом природного газа.

Блок 4 - блок управления процессами осушки.

Программное обеспечение содержит алгоритмы, обеспечивающие опрос параметров, а также алгоритмы, определяющие изменение во времени контролируемых параметров, их сравнение с заданными допусками и формирование управляющих команд.

 

Направления разработок математических моделей

Математические модели должны отражать физическую сущность процесса осушки. При вакуумировании системы трубопроводов создают термодинамические условия для испарения воды, а пары воды, в свою очередь, откачивают вакуумными насосами. Таким образом, физическая сущность процесса осушки состоит в том, чтобы в каждый момент времени и в каждом сечении осушаемой системы обеспечить баланс между количеством испаряемой влаги и количеством влаги, откачиваемой из системы.

Разработанные локальные математические модели контроля и управления процессом осушки составляют основу программного обеспечения и реализуются на базе технических средств блока контроля и управления ВАК.

По назначению выделены три основные модели:

1. Мониторинг термодинамического состояния осушаемой системы.

Математическая модель основана на функциональной зависимости изменения объемов влаги, содержащейся в полости трубопроводов, от изменения давления, характеризующего фазовые переходы при испарении влаги в процессе вакуумирования. Модель позволяет оценить количество паров воды в объеме трубопроводов, которое необходимо откачать, т.е. определить скорость откачки для задания режима работы вакуумных агрегатов.

2. Регулирование баланса между испаряемой и откачиваемой влагой в процессе осушки.

В процессе проведения работ по осушке КС экспериментальным путем определили, что при вакуумировании полости трубопроводов с геометрическим объемом труб 2000…4500 м3 в диапазоне давлений 60…1 мбар пропускная способность трубопроводов в зависимости от давления и аккумулирующей способности изменяется по экспоненциальному закону.
В указанном диапазоне давлений скорость откачки паров воды превышает скорость ее испарения при вакуумировании, что снижает эффективность осушки.

В качестве показателя, определяющего баланс между испаряемой и откачиваемой влагой, приняли отношение скорости откачки паров воды (т.е. изменение объемов паров воды в единицу времени) к скорости изменения давления при вакуумировании выражается как dV(τ)/dP(τ). В качестве диагностируемого параметра, определяющего диапазон регулирования производительности откачных вакуумных агрегатов, установили величину отклонения указанного показателя от заданного допуска.

Регулирование осуществляют изменением частоты вращения вакуумных агрегатов. В случае необходимости, доосушку ведут путем циркуляции азота в трубопроводах (температура точки росы на выходе из азотного модуля минус 40 °С).

3. Определение времени азотирования.

Из основ газовой динамики известно, что если давление входящего в трубопровод потока газа не меньше критического, то скорость его истечения в вакуум через продувочный трубопровод равна критической. В выходном сечении устанавливается критическое давление.

Для указанного процесса получена формула определения времени, необходимого для заполнения трубопроводов азотом до заданной (проектной) величины.

Функционирование системы контроля и управления процессом осушки трубопроводов, для которой в основу программного обеспечения заложены представленные модели, было продемонстрировано в процессе приемочных испытаний ВАК.

Перспективы развития технологий осушки газопроводов ОАО "Газпром" связаны с созданием отечественных образцов нового высокопроизводительного оборудования. В частности, разработка и применение турбокомпрессорной силовой установки на базе авиационного ГТД, сочетающей в себе облегченный (масса до 4000 кг), высокопроизводительный источник вакуумирования воздуха в полости магистрального газопровода и механический привод (до 1000 кВт), позволят решить задачу значительного сокращения сроков производства работ по осушке и вводу в эксплуатацию газопроводов.