Учебное пособие 1548

13. Затем окончательно по критериальному уравнению 3.5, 3.6 или 3.9 определяют α1 и сравнивают с α1, полученным по уравнению (3.4).

Если сходимость ≈ 5%, то расчет считают удовлетворительным, и К выбранным верно и определяют по формуле Шухова, изменяя L от 0 до L (например через 10 км) температуру нефти в «горячем» нефтепроводе и строят закон падения температуры по длине в координатах Т – L; если сходимость неудовлетворительна, то расчет повторяют, начиная со 2-го пункта, задаваясь новым значением К и делают столько приближений, сколько необходимо для достижения заданной сходимости, а затем строят график Т – L изменения температуры по длине нефтепровода.

Отчёт о выполнении лабораторной работы должен содержать следующие данные:

–цель работы;

–краткое описание теоретических основ;

–расчётные формулы с расшифровкой обозначений входящих в неё величин;

–полученные в ходе работы расчётные значения при первоначальном приближении и при сходимости менее 5%;

–построить график Т – L изменения температуры по длине нефтепровода.

–краткий вывод из проделанной работы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ЗОН ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ ПО ДЛИНЕ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА

Цель работы: Ознакомление с методикой определения мест возможного образования газовых гидратов по длине трассы магистрального газопровода.

Основные положения.

Нормальная эксплуатация магистрального газопровода может быть обеспечена при качественной осушке природного газа на промысловых пунктах подготовки. Наличие влаги в газе при некачественном ее отделении часто является причиной образования газовых гидратов.

23

Гидраты газов представляют собой кристаллические соединения, образованные ассоциированными молекулами углеводородов и воды и имеющие строго определенную структуру. Состав гидратов выражается формулой СпН2 п+2∙mН2О: СН4∙6Н2O; С2Н6∙7Н2О; С3Н5∙18Н2O. Внешне они напоминают кристаллы льда или мокрый спрессованный снег. Скопления гидратов в линейной части газопроводов могут вызвать частичную или полную их закупорку и тем самым нарушить нормальный режим работы магистрали.

На процесс образования гидратов влияет состав транспортируемого газа, содержание воды, давление и температура. Обязательными условиями существования гидратов является снижение температуры газа ниже точки росы, при которой происходит конденсация паров воды (наличие капельной влаги в газе), а также ниже температуры равновесного состояния гидратов.

Поскольку гидраты природных газов являются нестойкими химическими соединениями, любое отклонение от термодинамического равновесия приводит к их распаду. Однако, если термодинамическое равновесие сохраняется, скопления гидратов могут находиться в газопроводе длительное время. Поэтому для своевременного предупреждения образования гидратных пробок необходимо знать условия их возникновения и прогнозировать места их возможных скоплений.

Максимальное содержание влаги в газе на линии насыщения W определяют по графику в зависимости от давления и температуры (рисунок 4.1). При известном значении максимального влагосодержания можно определить температуру, соответствующую точке росы, которая понижается при уменьшении давления.

Условия образования гидратов природных газов с различной относительной плотностью можно определить по графику равновесного состояния гидратов (рисунок 4.2).

Рис. 4.1. Зависимость содержания влаги в газе при различных значениях давления и температуры

24

Рис. 4.2. Кривые равновесного состояния гидратов природных газов

Слева от кривых — область существования гидратов, а справа — область их отсутствия. Чем выше относительная плотность газа по воздуху, тем меньше давление, при котором образуются гидраты.

Определение зоны возможного образования гидратов в газопроводе.

В газопроводе очень важно определить место образования гидратов. Для этого необходимо знать (так же как и для определения самой возможности образования гидратов) состав и начальную влажность газа, а также изменение его давления и температуры в газопроводе. Пусть давление р в газопроводе (рисунок 4.3) меняется по кривой АВ, а температура Т — по кривой СD. На основании равновесных кривых гидратообразования (см. рисунок 4.3) и линии падения давления АВ строим кривую MN равновесной температуры гидратообразования Тгидр для данного газопровода. Точки m и n пересечения кривых, показывающих изменение в газопроводе температуры и равновесной температуры гидратообразования газа, определяют участок возможного образования гидратов при условии полного насыщения газа водяными парами (участок mn). Однако зона выпадения гидратов в газопроводе фактически будет зависеть от начальной влажности газа, подаваемого в газопровод, т. е. в конечном счете, от точки росы газа. Если последняя оказывается выше температуры газа в точке,

25

соответствующей, например, точке к, то гидратообразование начнется в точке т. Как отмечалось ранее, на конечном участке газ недонасыщен парами воды, поскольку при практически неизменной температуре давление в газопроводе быстро падает и, следовательно, гидратообразование на этом участке невозможно (начало этого участка на рисунке 4.3 отмечено точкой f). Таким образом, зона гидратообразования данного газопровода определяется участком mf. Однако гидраты могут образовываться не на всем протяжении участка mf. Это объясняется тем, что в результате образования гидратов в точке m упругость паров воды уменьшается, что соответствует снижению точки росы газа от m до m1. В дальнейшем по мере снижения температуры газ все больше насыщается парами воды, и в точке r он будет снова полностью насыщен, что приведет к образованию второй гидратной пробки. После этого точка росы газа снижается до r1 и оказывается ниже минимальной температуры газа в газопроводе, что исключает образование третьей гидратной пробки.

Таким образом, в газопроводе в зависимости от характера изменения температуры и давления газа и его начальной влажности (точки росы) могут образоваться несколько локальных гидратных пробок.

Мероприятия по предупреждению образования гидратов и их разрушению.

Для предупреждения гидратообразования могут применяться следующие способы.

Подогрев газа выше температуры гидратообразования. Этот способ применяется на газовых промыслах и на ГРС для предупреждения обмерзания трубопроводной арматуры. Подогревать газ на линейной части газопровода практически невозможно и экономически нецелесообразно.

Снижение давления газа ниже давления равновесного состояния гидра-

тов. Этот метод может применяться в качестве аварийного при закупорке газопровода гидратной пробкой. Для этого аварийный участок отсекается линейными кранами, после чего производится выпуск газа в атмосферу через продувочные свечи. Давление снижается до тех пор, пока равновесная температура гидратообразования не станет ниже температуры газа и гидратная пробка не разрушится. Данный способ применяется крайне редко как вынужденная мера, поскольку приводит к значительным потерям газа и наносит ущерб окружающей среде.

Осушка газа твердыми и жидкими поглотителями на стадии подготовки газа к транспорту. Качественная осушка газа является наиболее радикальным методом предупреждения гидратообразования в газопроводах.

Ввод ингибиторов гидратообразования в поток транспортируемого газа.

Ингибиторы, введенные в поток газа, частично поглощают водяной пар и переводят его в раствор, не образующий гидратов или же образующий их при более низких температурах. В качестве ингибиторов гидратообразования применяется метиловый спирт (метанол СН3ОН), а также растворы диэтиленгликоля (ДЭГ)

26

и триэтиленгликоля (ТЭГ). Наиболее широко используемым летучим ингибитором является метанол.

Выполнение работы

Зону возможного гидратообразования в газопроводе находят следующим образом:

1.Задаёмся значением Тср:

Тср = 1/3 Т1 + 2/3 Т2 ;

2.Определяем среднее давление:

Рср = 2/3 [Р1 + (Р22 / (Р1 + Р2 ))];

3.Для проверки принятого значения Тср определяем теплоёмкость газа

икоэффициент Джоуля-Томсона.

Ср = 1,696 + 1,838 10-3 Тср + 1,96 106 (Рср – 0,1) / Тср3 ; Di = (1 / Cр) ((0,98 106 / Тср2) – 1,5);

4.Определяем массовый расход.

G = Q ст ; ст=1,205*Δ

5.Определяем изменение температуры газа по длине участка

Тх = То + (Т1 –То) е-ах – Di (P12 – P22) (1 – е-ах) / 2alPср,

где х – расстояние от начала участка.

a=K π Dвнут / G CР

6.Определяем изменение давления газа по длине участка

7.Определяют изменение температуры гидратообразования по рас-

чётным значениям Рх и с номограммы (рисунок 2). Для выполнения работы достаточен будет расчет ТГО для трех точек трассы (1)

Все полученные значения заносим в таблицу 4.1, на основании данных из которой строим график. Участок, на котором температура газа ниже кривой

27

гидратообразования, представляет собой зону возможного гидратообразования по термодинамическим условиям.

Таблица 4.1. Результаты расчета

Постановка задачи

На диспетчерском пункте участка МГ (длина L=95 км, D=1420 мм, δ=12 мм) за период стабильного режима работы были получены следующие усредненные значения данных: относительная плотность газа по воздуху ; производительность за два часа Q тыс. м3; давление и температура газа в начале и в конце участка, соответственно, – p1, МПа и p2, МПа; 36 С и 19 С. Известно, что полный коэффициент теплопередачи от газа в грунт k, Вт/м2 К; температура

грунта tгр, С.

Построить графики распределения давления и температуры по длине участка. По данным графика, изображенного на рисунке 4.1, построить зависимость температуры гидратообразования по длине участка газопровода, выявить возможные зоны гидратообразования. Данные для расчета выбираются по последней цифре номера зачетной книжки студента в соответствии с таблицей 4.2.

Таблица 4.2.

Исходные данные по вариантам

28

Отчёт о выполнении лабораторной работы должен содержать следующие данные:

–цель работы;

–краткое описание теоретических основ;

–расчётные формулы с расшифровкой обозначений входящих в неё величин;

–полученные в ходе работы расчётные значения виде табл. 4.1;

–построить график зависимости температуры гидратообразования по длине участка газопровода и выявить возможные зоны гидратообразования.

–краткий вывод из проделанной работы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ТРУБОПРОВОДА В ППУ ИЗОЛЯЦИИ

Цель работы: Освоение одного из методов определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов (метод цилиндрического слоя) и закрепление знаний по теории теплопроводности.

Основные положения. Теплота является наиболее универсальной формой передачи энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастицмолекул, атомов, электронов. Универсальность тепловой энергии состоит в том, что любая форма энергии(механическая, химическая, электрическая, ядерная и т.п.) трансформируется, в конечном счете, либо частично, либо полностью в тепловое движение молекул(теплоту). Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики.

Теплообмен − это самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем.

Температурным полем называют совокупность мгновенных значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства. Поскольку температура − скалярная величина, то температурное поле − скалярное поле.

В общем случае перенос теплоты может вызываться неоднородностью полей других физических величин(например, диффузионный перенос теплоты за счет разности концентраций и др.). В зависимости от характера теплового движения различают следующие виды теплообмена.

Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры посредством теплового движения микрочастиц.

Конвекция − перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры при движении среды.

Теплообмен излучением − теплообмен, включающий переход внутренней энергии тела(вещества) в энергию излучения , перенос излучения, преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела (вещества).

29

В зависимости от времени теплообмен может быть: стационарным, если температурное поле не зависит от времени; нестационарным, если температурное поле меняется во времени.

Для количественного описания процесса теплообмена используют следующие величины:

Температура Т в данной точке тела, осредненная: по поверхности, по объему, по массе тела. Если соединить точки температурного поля с одинаковой температурой, то получим изотермическую поверхность. При пересечении изотермической поверхности плоскостью получим на этой плоскости семейство изотерм − линий постоянной температуры.

Перепад температур ∆Τ − разность температур между двумя точками одного тела, двумя изотермическими поверхностями, поверхностью и окружающей средой, двумя телами. Перепад температуры вдоль изотермы равен нулю. Наибольший перепад температуры происходит по направлению нормали к изотермической поверхности. Возрастание температуры по нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры.

Средний градиент температуры ∆T/∆n − отношение перепада температур между двумя изотермическими поверхностями ∆Τ к расстоянию между ними ∆n, измеренному по нормали n к этим поверхностям (рис. 5.1).

Истинный градиент температуры ∂T/∂n − средний градиент температуры при ∆n—>0 или это есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, численно равный первой производной температуры по этой нормали:

Рис. 5.1. Изотермы температурного поля, градиент температуры, тепловой поток: а) положение нормали и направление градиента температуры и теплового потока; б) n-нормаль к изотермической поверхности ∂F,q – удельный

тепловой поток, мощность теплового потока ∂Q=q·∂F

Количество теплоты ∂Q, Дж, мощность теплового потока ∂Q/∂τ, Вт − количество теплоты, проходящее в единицу времени, удельный тепловой поток q=·∂Q/(∂τ·∂F) Вт/м2 - – количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности.

30