Система трубопроводного транспорта является одной из важнейших отраслей России, функционирование которой имеет высокое стратегическое и тактическое значение для обеспечения безопасности государства в целом. Смещение интересов добывающих компаний в сторону территорий со сложными природно-климатическими условиями делает необходимой проработку вопросов транспорта извлекаемых углеводородов с учетом специфики протекающих в подобных условиях процессов и учета их в технологии транспортировки. Объективно необходима система интеллектуального выбора режимов течения газожидкостных потоков в зависимости от условий внешней среды.
Моделирование и изучение двухфазного газожидкостного течения в трубопроводах, проложенных на местности со сложным рельефом, выполняются на разработанном сотрудниками кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов» ФГОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» экспериментальном стенде «Гидродинамика многофазных потоков в трубопроводах» (рис. 1).
Экспериментальный стенд состоит из трех участков для моделирования и изучения двухфазного газожидкостного течения в трубопроводах, проложенных на местности со сложным рельефом (рис. 2, 3).
На участке 1 (рис. 2, показан сплошными линиями) создается модельная система движения по горизонтальному трубопроводу жидкости и газа в условиях наличия возвышенностей, в которых могут концентрироваться газы и создаваться газовые пробки. Участки подъема имеют углы наклона 3о, 6о, 9о и изготовлены из прозрачных материалов в видимой области спектра.
На участке 2 (на рис. 2, показан пунктирными линиями) моделируется гидродинамика газожидкостной смеси в трубопроводе, проложенном на местности с пониженными участками. Участки опускания имеют углы наклона 3о, 6о, 9о и изготовлены из стеклянных трубок.
Участок 3 предназначен для решения задач определения коэффициента теплоотдачи, определения объемов прокачанных жидкостей и газа, потерь давления и других задач (рис. 3). Данный участок изготовлен из металлических труб.
На экспериментальной установке реализована интеллектуальная система сбора, обработки информации и наблюдения за гидродинамикой процессов в трубопроводе в режиме реального времени. Для цифровой визуализации структурных форм течения на стенде предусмотрены участки, изготовленные из прозрачных материалов в видимой области спектра и оснащенные веб-камерами, которые транслируют изображения участка на рабочее место оператора установки. Все участки укомплектованы высокотехнологичными современными средствами регулирования потока жидкости и газа, управление которыми осуществляется через компьютер.
Указанные конструктивно-технологические особенности стенда являются его отличительной характеристикой в сравнении с подобными исследовательскими стендами.
Экспериментальная установка позволяет обучающимся по направлениям подготовки бакалавров 21.03.01 «Нефтегазовое дело» (профиль «Проектирование, сооружение и эксплуатация нефтегазотранспортных систем») и магистров 21.04.01 «Нефтегазовое дело» (программы «Технологии транспорта и хранения нефти и газа в сложных природно-климатических условиях», «Надежность и безопасность объектов транспорта углеводородных ресурсов», «Управление эффективностью систем транспорта, хранения нефти и газа») выполнять следующие задачи:
- изучение тепловых и гидродинамических режимов работы трубопровода при перекачке двухфазных и многокомпонентных сред с высокой и сниженной вязкостью;
- исследование пропускной способности нефтепровода на местности со сложным рельефом с учетом образования газовых полостей в возвышенных участках трассы трубопровода;
- изучение технологических режимов перекачки с учетом накопления воды в пониженных участках трассы газопроводов;
- исследование пропускной способности многониточных трубопроводов с регулируемыми перемычками;
- экспериментальное исследование эффективности подогревающих устройств для перекачки высоковязкой нефти;
- моделирование неустановившихся режимов перекачки нефти, газа и газожидкостных сред.
В рамках научно-исследовательской работы на экспериментальной установке можно решать следующие задачи в области повышения энергоэффективности трубопроводного транспорта углеводородных ресурсов:
- разработка методики оперативного расчета технологических параметров выноса жидкой и газовой фазы из пониженных и повышенных участков трубопровода;
- экспериментальные исследования условий формирования газовой фазы в повышенных участках трассы трубопровода;
- определение условий выноса жидкой фазы из пониженных участков трассы трубопровода;
- определение условий выноса газовой фазы из повышенных участков трассы трубопровода;
- исследование структурных форм течения газожидкостной смеси в трубопроводе;
- определение потерь давления в трубопроводе при дисперсном режиме течения;
- изучение пробкового и эмульсионного режимов течения.
Автоматизация стенда построена на базе трехуровневой структуры автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП):
- нижний уровень обеспечивает сбор данных о параметрах технологического процесса перекачки и состояния оборудования, реализует управляющие воздействия оператора установки;
- средний уровень реализован на основе контроллеров, которые позволяют выполнять задачи автоматического управления и регулирования, пуска и остановки оборудования, логико-командного управления, аварийных отключений и защит;
- верхний уровень реализован на базе автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора и позволяет решать задачи управления процессами, оптимизации режимов, визуализации и архивирования процесса, диагностики и коррекции программного обеспечения установки.
На верхнем уровне АСУ ТП экспериментального стенда реализуются следующие функции:
- сбор данных с измерительных приборов и контроллеров;
- визуализация технологического процесса в режиме реального времени;
- построение и вывод трендов технологических параметров;
- предоставление возможности дистанционного ручного и автоматизированного управления технологическим процессом;
- ведение архивов значений параметров, событий, управляющих директив и донесений об их исполнении;
- предоставление информации на АРМ в виде мнемосхем, графиков, столбиковых диаграмм и таблиц;
- подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.
Верхний уровень АСУ ТП в виде программного модуля выполнен на языке Delphi. Нижний и средний уровни АСУ ТП стенда представлены следующим оборудованием (табл. 1, 2).
В соответствии с методикой полного факторного эксперимента [4] на стенде выполнена серия предварительных экспериментов и экспериментов основного цикла. При планировании эксперимента учитывались следующие факторы: расход жидкой фазы, расход газовой фазы, температура на входе в участок трубопровода, температура в конце участка трубопровода, перепад давления от самой нижней точки до самой верхней точки экспериментальной установки.
На первом этапе экспериментальных исследований выполнены работы по изучению структурных форм газожидкостных течений в трубопроводах. На рис. 4, 5 приведены результаты экспериментальных наблюдений режимов перекачки газожидкостного потока для участков с разным наклоном трубы относительно горизонта. В опытах имитировались технологические режимы при разных значениях производительности перекачки жидкости с постоянным неизменным расходом газа.
В результате экспериментальных исследований выявлены следующие характерные структуры потока газожидкостной смеси на контрольном участке трубопровода:
- пузырьковая (эмульсионная), характеризующаяся движением пузырьков газа в потоке жидкости;
- пробковая (снарядная, пробково-дисперсная), характеризующаяся чередованием жидкостных и газовых объемов по длине трубопровода.
Формирование, устойчивое существование и смена структурных форм течения газожидкостной смеси в трубопроводе зависит от ряда условий при входе в контрольный объем (участок) трубопровода: теплофизических свойств жидкой и газовой фаз; скорости двухфазного потока и угла наклона оси трубопровода к горизонту. К основным критериям подобия газожидкостных потоков в трубопроводах относятся [6, 7]:
В табл. 3, 4 приведены результаты расчета характеристик газожидкостного потока на участках экспериментальной установки с разным наклоном трубы относительно горизонта. Расчетные данные свидетельствуют об адекватности полученных результатов экспериментальных наблюдений структурных форм течения газожидкостного потока.
Расчетное определение границ существования различных структур в настоящее время носит лишь оценочный прогнозный характер и является важной, не решенной в полной мере задачей. Различные авторы на основе ограниченных баз экспериментальных данных предлагают карты режимов в различных переменных.
Выводы:
- Конструктивно-технологическими характеристиками экспериментальной установки предусмотрена возможность моделировать и изучать газожидкостные потоки в трубопроводах, имитировать течение газонасыщенной углеводородной жидкости, анализировать гидродинамические и теплообменные процессы при трубопроводном транспорте многофазных потоков.
- На экспериментальной установке реализована интеллектуальная система управления процессом моделирования и перекачки газожидкостных смесей в трубах в широком диапазоне объемного газосодержания потока. Для цифровой визуализации структурных форм течения смонтированы прозрачные участки трубопроводов, оснащенные веб-камерами, которые транслируют изображения участка на персональный компьютер. Все участки укомплектованы высокотехнологичными современными средствами регулирования потока жидкости и газа, управление которыми осуществляется через компьютер.
- В соответствии с методикой планирования эксперимента на стенде выполнена серия экспериментов предварительного и основного циклов по моделированию течения двухфазного газожидкостного потока в трубопроводах с восходящими и нисходящими участками при разных значениях производительности. По результатам лабораторных исследований выявлено, что пробковая (снарядная) и эмульсионная структурные формы течения являются наиболее характерными для заданных гидродинамических режимов перекачки.
Авторы благодарят за поддержку данного исследования национальный проект «Наука и университеты» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (FEWN-2021-0012).
