Исследование пульсации потока в технологических трубопроводах компрессорных станций магистральных газопроводов

Развитие газовой промышленности в значительной степени зависит от состояния и дальнейшего совершенствования работы систем трубопроводного транспорта природных газов. Увеличение объёмов перекачки и рост стоимости дальнего транспорта газа значительно повысили требования к надёжности работы всех элементов системы и, особенно, перекачивающих станций.

Однако, в последние годы, основные фонды газовой промышленности значительно постарели. Несмотря на поступление новых газоперекачивающих агрегатов (ГПА), в эксплуатации находятся ГПА с наработкой более 120 ООО часов. При этом, стоимость технического обслуживания и ремонта технологического оборудования компрессорной станции (КС) постоянно растет по мере износапостоянным явлением стали трудности с получением запасных частей, заменой выработавших ресурс узлов и деталейвсе это требует дополнительных затрат времени и ресурсов.

Ещё более сложное положение с трубопроводными системами компрессорной станции, — процесс реконструкции компрессорных цехов ограничивается только заменой устаревших ГПА на более совершенные. Трубопроводная обвязка компрессорной станции не меняется, а, между тем, большое число обвязок уже имеет срок службы более 25−30 лет. При этом, статистика отказов оборудования КС (по данным ИТЦ «ОРГТЕХДИАГНОСТИКА») показывает, что на долю технологических трубопроводов приходится 47% выявленных дефектов. Поэтому, вопросы, связанные с надёжностью работы технологических трубопроводов КС, имеют большое значение для повышения надёжности работы всей газотранспортной системы.

Старение оборудования и трубопроводной обвязки происходит с различной скоростью. Ускоренная выработка ресурса связана с нерасчётными режимами работы, низким качеством монтажа и плохой подготовкой рабочих сред (газа, масла, воды). Но если в предыдущие годы опасные дефекты технологических трубопроводов КС возникали только в единичных случаях, подвергшихся комплексу неблагоприятных воздействий, то теперь имеется существенная группа ГПА, положение с обвязкой которых не является удовлетворительным [13, 14,38,39,47].

Если дефекты либо неблагоприятные воздействия своевременно обнаруживаются и устраняются, то оборудование можно эксплуатировать ещё долгие годы (естественно, при условии проведения периодического контроля или, точнее, диагностики). Особенно важен контроль элементов и оборудования КС, не имеющих резервирования, что, прежде всего, относится к трубопроводным обвязкам компрессорных станций.

Поэтому, в последние годы техническая диагностика приобретает все более важное значение, в особенности, для отраслей, использующих энергомеханическое и технологическое оборудование, существенно различающиеся по наработке. В условиях интенсивного старения систем трубопроводной обвязки, обуславливающего необходимость их реконструкции, практически единственным средством, обеспечения высоконадежного и эффективного транспорта газа становится переход от традиционного регламентного обслуживания к системе обслуживания «по состоянию» .

При этом, одной из наиболее актуальных, представляется задача обеспечения надежности технологических трубопроводов КС. Сложность конструктивной схемы, многообразие видов нагружения, характерных для трубопроводных обвязок, как объекта диагностирования, предопределили то, что до настоящего времени задача прогнозирования остаточного ресурса осталась нерешенной.

Одна из основных причин этого заключается в том, что в трубопроводных обвязках компрессорных машин происходят, наряду с учитываемым при расчётах нагружением давлением и температурным перепадом, динамические процессы, оценка влияния которых затрудняется наличием ряда случайных факторов. Технология трубопроводного транспорта и работа нагнетательных машин обуславливает появление динамических процессов, которые, совместно с внешними динамическими нагрузками, приводят к вибрации и повышению уровня напряжённо-деформированного состояния материала стенки трубы, что, в свою очередь, может привести к потере геометрической формы и разрушению трубопровода.

Результаты паспортизации технологических обвязок КС, проведённой ИТЦ «ОРГТЕХДИАГНОСТИКА», показали, что на 1/3 обследованных трубопроводных обвязок обнаружены повышенные деформации трубопроводов [13]. Такие деформации приводят к возникновению больших статических напряжений. Их значения близки к пределам текучести, а в ряде случаев и превышают их. Такие напряжения уже могут сопровождаться пластическими деформациями.

Учитывая эрозионный износ отводов технологических трубопроводов КС (до 3 мм на 1/3 обследованных обвязок), значительное число неработающих опор и сезонные подвижки грунтов [13], появление динамических напряжений, связанных с повышенной вибрацией, может привести к серьёзной аварийной ситуации [14].

Динамические процессы в трубопроводных обвязках КС обусловлены, прежде всего, пульсацией транспортируемого потока и процессами пуска-остановки нагнетателей. При этом, с ростом диаметра трубопроводов, пульсации с минимальной амплитудой, связанные, например, с турбулентным характером потока, вызывают появление больших вынуждающих сил.

Вообще же, причинами появления таких сил могут быть: воздействие на систему внешней нагрузкисамостоятельное перемещение опор трубопровода и присоединённого оборудованиядинамическое взаимодействие трубопроводной системы с характеристиками транспортируемого потока.

Анализ современного состояния проблемы [32] показал, что определяющим оказывается воздействие пульсации транспортируемого потока. Пульсация потока является следствием технологического процесса и наличия гидравлических сопротивлений в трубопроводной системе.

Вопросы, связанные с анализом и гашением пульсации газа в трубопроводных системах поршневых машин рассматривались в работах С. А. Хачатуряна, А. А. Козобкова, В. М. Писаревского, В. П. Шорина, Р. П. Старобинского и ряда др. авторов. Однако, в этих работах основным источником возмущения являлся рабочий процесс в цилиндре поршневого компрессора. Частотный и амплитудный состав генерируемых источником колебаний определялся кинематикой движения поршня и режимными параметрамидиаметры трубопроводной обвязки не превышали 300. .400 мм. Поэтому, для снижения интенсивности колебаний широко использовались гасители пульсации.

Полученные результаты не могут быть использованы для анализа пульсации в трубопроводах с центробежными нагнетателями (ЦБН) в связи с принципиальными различиями в рабочем процессе компрессорных машин и увеличением диаметров трубопроводов. Работы, связанные с анализом пульсации в технологических трубопроводах с ЦБН, появившиеся в последнее время, решали частные технические задачи и не имели достаточного экспериментального обоснования.

Между тем, центробежные нагнетатели природного газа являются основным типом технологического оборудования магистральных газопроводов, а их надежность и эффективность определяют показатели работы всей отрасли.

При этом, с увеличением диаметра трубопроводов и мощности ЦБН растут требования к надежности и эффективности их работы. Поэтому, для нормальной эксплуатации ЦБН большой мощности, оказывается необходимым не только более обстоятельное изучение их рабочего процесса и использование прогрессивных конструктивных решений, но и обеспечение надежной работы всех элементов установки, что, прежде всего, относится к трубопроводным системам, и, соответственно, определяет актуальность темы. Это подтверждается прово. димой в последнее время технической политикой ОАО «ГАЗПРОМ», направленной на паспортизацию технологических трубопроводов КС.

38, 39].

По результатам паспортизации определяются :

— срок безопасной эксплуатации обвязки;

— дефекты, возникшие в процессе эксплуатации;

— перечень мероприятий по устранению дефектов.

При этом установлено, что техническое состояние трубопроводной обвязки определяется эрозионным износом отводов, просадками кол лектора, работоспособностью опор и, самое главное, уровнем вибра ции трубопроводов. В результате вибрации происходит разрушение сварных стыков, нарушение герметичности соединений, разрушение опор и креплений. Последствием разрушения трубопроводных систем иногда является взрыв, приводящий к большим материальным убыт. кам и человеческим жертвам.

Попытки уменьшить вибрацию трубопроводных систем на стадии проектирования приводят к увеличению сроков проектирования и оказываются малоэффективными в связи с несовершенством расчет, ных методов. Поэтому рекомендации по снижению вибрации разра батывают в процессе пуско-наладочных работ, что увеличивает их продолжительность и задерживает ввод в эксплуатацию производст. венных мощностей. Кроме этого, вибрация появляется уже в процессе эксплуатации ЦБН при изменении режимов работы нагнетателей и характеристик трубопровода как колебательной системы. При этом^ даже кратковременная остановка производственных мощностей для устранения аварийной ситуации, приводит к большим экономическим потерям.

Однако, если при малой мощности ЦБН вибрацию удавалось сни зить с помощью традиционных средств, то с увеличением мощности ЦБН и ростом диаметра трубопроводов, эти средства оказались мало, пригодными. Более того, применение некоторых методов и средств борьбы с вибрацией, типа установки хомутов или дополнительных опор, может вызвать ухудшение напряжённо-деформированного со стояния трубопровода, а то и привести к аварийной ситуации.

Одновременное воздействие значительных статических нагрузок в обвязке (вследствие подвижек свайных фундаментов и просадок кол. лектора) и динамических нагрузок (из-за повышенных вибраций) вы. зывает повышенные напряжения в локальных узлах трубопроводной обвязки [14]. При этом, координаты расположения повышенных на. пряжений в узле трубопроводной обвязки изменяются, в зависимости от величины и направления статических нагрузок и частоты динами. ческих нагрузок, достаточно произвольно, иногда попадая на сварные стыки.

Различие эквивалентных напряжений (минимального и максимального), располагающихся достаточно близко друг от друга (расстояние меньше диаметра трубы), может достигать 10-ти раз. Такое напряжённо-деформированное состояние может приводить к появлению трещин в сварных стыках. Особенно опасно в этом отношении распределение напряжений, возникающее на одном из наиболее распространённых типовом тройниковом узле «трубопровод нагнетаниятрубопровод рециркуляции» 720×426.

Наряду с низкочастотной вибрацией, возникающей вследствие резонансных колебаний газа, в трубопроводной обвязке КС существует и высокочастотная вибрация, частота которой определяется, обычно, частотой пульсации газового потока на «лопаточных частотах», кратных произведению числа оборотов вала нагнетателя на число лопаток колеса, и частотой резонансных высокочастотных пульсаций газового потока в трубопроводе, вызванных как работой лопаточного аппарата нагнетателя, так и автогенерацией колебаний газового потока в элементах трубопроводной обвязки КС [54]. Эти составляющие могут приводить к появлению вибрации трубопроводов на «оболочечных частотах» трубы.

Следовательно, можно утверждать, что с увеличением мощности ЦБН и ростом диаметра трубопроводов, повышенные уровни вибрации трубопроводов вызываются не только просадкой опор и подвижкой фундаментов, приводящих к снижению жёсткостных и диссипа-тивных свойств трубопроводной обвязки и появлению низкочастотных вибраций, но и высокими уровнями высокочастотной вибрации.

При этом, с изменением режимов работы ЦБН, порядка работающих машин, времени года и т. д., уровни вибрации существенно изменяются, причём не только в сторону понижения.

Поэтому для повышения надежности и эффективности работы КС необходимо снижение до допустимых пределов уровней вибрации трубопроводных систем, которая, определяется интенсивностью колебаний (пульсаций) потока транспортируемого газа.

Трубопроводные системы центробежных нагнетателей природного газа состоят из прямолинейных участков труб, между которыми расположены местные сопротивления и технологические аппаратыэлементы, изменяющие эффективный диаметр, направление движения потока, либо то и другое одновременно.

В таких элементах происходит изменение амплитуд колебаний газа, в результате чего энергия колебаний переходит в механическую. Возникающие динамические усилия имеют периодический характер и вызывают вибрацию всей системы.

То есть, в большинстве случаев, амплитуды и частоты сил, вызывающих вибрацию, определяются амплитудами и частотами колебаний газа.

Тем не менее, даже сегодня, при проведении базовой паспортизации трубопроводных обвязок технологического оборудования компрессорных станций типовые инструкции [23, 30], не предусматривают измерение и анализ газодинамических процессов в трубопроводных системах ЦБН.

Максимальные амплитуды вибрации возникают при совпадении (резонансе) частот гармонических составляющих колебаний газа с собственными частотами колебаний трубопровода как механической системы. В этом случае, для снижения вибрации, необходимо либо уменьшение общего уровня колебаний газа и, в особенности, амплитуды резонирующей гармонической составляющей, либо изменение частоты собственных колебаний трубопровода как механической системы.

Следовательно, снижение амплитуды колебаний газа до допустимых пределов позволяет снизить уровни вибрации, и соответственно, исключить воздействие вибрации на трубопроводные системы и технологические аппараты, улучшить условия труда эксплуатационного персонала, т. е. повысить надёжность работы систем трубопроводной обвязки КС.

Таким образом, инженерная (техническая) задача повышения надёжности работы трубопроводных систем КС и снижения уровней вибрации трубопроводов обуславливает необходимость снижения интенсивности пульсации газового потока в технологических трубопроводах КС. Для этого необходимо изучение и последующий анализ колебательных газодинамических процессов в трубопроводных системах ЦБН.

Научная новизна работы заключается в том, что :

1. Определён амплитудно-частотный состав пульсации газа в технологических трубопроводах КС с ЦБН, в том числе и в коллекторной системе.

2. Установлено, что основными источниками пульсации являются центробежный нагнетатель и вихреобразование в турбулентном потоке на местных сопротивленияхрассмотрено влияние каждого источника на амплитуды и частоты динамического давления газа. Разработан метод определения местоположения источника в трубопроводной системе.

3. Разработана методика оценки затухания колебаний газа в системе, состоящей из участков с потоком и безрасходных участков трубопроводов.

4. Установлено, что для разделения частотного диапазона пульсации на области низких и высоких частот может использоваться частота первого поперечного резонанса трубопроводаобоснован выбор математических моделей для расчёта параметров пульсации газа в трубопроводной КС с ЦБН. Рассчитаны амплитудно-частотные и фазовые характеристики пульсации газа в типовых трубопроводных системах КС и отдельных элементах этих систем.

Практическая ценность состоит в том, что:

1. Разработаны методы решения задач снижения уровней пульсации газа в технологических трубопроводах КС на стадии проектирования.

2. Разработаны рекомендации по снижению интенсивности пульсации газа в трубопроводной обвязке эксплуатируемой КС. В результате снижение уровней вибрации составило до 5.10 дБ (до 10.20 раз).

3. Разработанная методология снижения интенсивности газодинамических колебаний в технологических трубопроводах КС включена в методику проведения паспортизации трубопроводной обвязки на компрессорных станциях ООО «ВОЛГОТРАНСГАЗ».

В процессе исследования были получены и защищаются следующие основные результаты:

1. Определены параметры пульсации газа и проведён анализ зависимости параметров пульсации от геометрических размеров трубопроводных обвязок и режимов работы компрессорного цеха (числа, порядка включения и режимов работы ГПА);

2. Определены основные источники пульсации и условия работы компрессорного цеха, при которых происходит рост интенсивности колебаний;

3. Выбраны, на основании обоснованного критерия, соответствующие математические модели расчёта параметров пульсации в различных частотных диапазонах.

4. Разработан алгоритм расчёта, по выбранным математическим моделям, амлитудно-частотных и фазовых характеристик типовых трубопроводных обвязок КС.

5. Установлены основные методы снижения уровней пульсации газа в технологической обвязке КС как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

1. XVII международном тематическом семинаре «Диагностика оборудования и трубопроводов», Одесса, 1997.

2. VIII Международной деловой встрече «Диагностика-98», Сочи, 1998.

3. Второй международной конференции «Энергодиагностика», Москва, 1998.

4. IX Международной деловой встрече «Диагностика-99», Сочи, 1999.

5. XIX Международном тематическом семинаре «Диагностика оборудования и трубопроводов КС», Калининград, 1999.

6. Научно-техническом совете предприятия «ВОЛГОТРАНС-ГАЗ», Н. Новгород, 1999.

7. Заседании кафедры «Транспорта и хранения нефти и газа» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 1999.

Результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате анализа результатов экспериментальных исследований пульсации газа в системе технологических трубопроводов КС с ЦБН установлено, что: а) пульсация газа в надземной обвязке, подземных коллекторах и узле подключения КС является широкополосным колебательным процессом с частотным диапазоном от долей Герца до нескольких килогерцб) основные источники пульсации связаны с рабочим процессом нагнетателя и вихреобразования при срыве потока на местных сопротивлениях.

2. Амплитуды и частоты пульсации определяются, в основном, геометрической конфигурацией трубопроводов обвязки и скоростями потока в трубопроводной системе, а также, комбинацией работающих ГПА, термодинамическими параметрами (температурой, давлением, скоростью звука и т. п.) и режимными и конструктивными параметрами нагнетателя (оборотами, числом лопаток, числом ступеней и т. д.).

3. На основании результатов экспериментального исследования предложены методики расчёта резонансных частот в низкочастотной и высокочастотной областях.

4. Расчёт резонансных параметров газодинамических систем, в широком диапазоне частот, подтверждён результатами экспериментальных измерений, что позволяет использовать расчётную модель для разработки рекомендаций по снижению амплитуд пульсации газа в технологических трубопроводах КС с ЦБН.

5. Разработана методология снижения интенсивности газодинамических колебаний, которая может быть использована при проектировании и эксплуатации технологической обвязки КС с ЦБН. Разработанная методология, в настоящее время, применяется при проведении паспортизации трубопроводных обвязок компрессорных станций предприятия «ВОЛГОТРАНСГАЗ».