Резерви покращення експлуатаційних параметрів складних газотранспортних систем

 

Тут   — час,   — декартові координати ( ),   — компоненти локальної швидкості руху газу,   — густина маси газу,   — тиск газу,   — дельта Кронеккера  ,   — Декартові компоненти сили тертя, розраховані на одиницю маси газу,   — прискорення земного тяжіння,   — висота точки над рівнем моря,   — питома повна енергія газу (  — густини енергії),   — потік повної енергії газу,  — приплив ( ) або відтік ( ) тепла, зумовлений теплообміном газу з об’єктами ГТС та довкіллям, наприклад, через стінки труби або з пористим середовищем в ПСГ.

Після перетворення (1) одержимо наступне рівняння балансу внутрішньої енергії, яке є вихідним для опису теплообміну в транспортованому газі.

 

Використовуючи рівняння балансу маси, рівняння (2) можна подати у вигляді

 

де   - потік тепла, обумовлений процесом теплопровідності газу

 

— коефіцієнт теплопровідності газу,   - внутрішня енергія (термодинамічний потенціал).

Теплопровідність газу залежить від параметрів термодинамічного стану — температури  , тиску  , масових концентрацій компонент газової суміші  :

 

Параметри термодинамічного стану газу — температура  , тиск  , густина маси  , масові концентрації компонент газової суміші   —пов’язані між собою рівнянням стану.

Питома (тобто розрахована на одиницю маси газу) внутрішня енергія   є термодинамічним потенціалом. Її повний диференціал виражається рівнянням Гіббса, яке випливає з першого та другого законів термодинаміки

 

де   – питома ентропія,  - питомий об’єм газу,   — хімічні потенціали компонент газової суміші.

Беручи до уваги рівняння нерозривності (1), надамо рівнянню теплопровідності вигляду:

 

Тут   — теплоємність газу за сталого об’єму (густини),   — теплоємність газу за сталого тиску;

 — термічний коефіцієнт зміни густини газу за сталого тиску.

Термодинамічні властивості газу  ,  ,   — є функціями параметрів стану.

Розроблена математична модель роботи лінійної частини дозволяє врахувати зміни площі поперечного перерізу труби, енергетичні затрати на транспортування, неоднорідність стану внутрішньої поверхні. Крім цього в даному розділі розроблена математична модель режимів роботи КС, де використано рівняння збереження маси і кількості руху. В результаті розв’язку моделі визначено механічну потужність нагнітача, яка визначається витратою паливного газу. Створено модель керування газопотоками і визначено параметри оптимального керування динамічними режимами роботи трубопроводів.

У третьому розділі розроблена математична модель і алгоритм нестаціонарного руху газу за наявності компресорних станцій і відводів. Дана модель дозволяє знайти розподіл тисків по довжині трубопроводу з урахуванням всіх сил, які діють на нього, при використанні рядів Фур’є і перетворень Лапласа для збільшення швидкості обчислень. Проведені експериментальні дослідження розроблених математичних моделей і алгоритмів, метою яких є апробація програм для керування і прогнозування режимів складних систем як при підкачуванні, так і при відборі газу по трасі газопроводу.

Експеримент проводився на магістральному газопроводі “Союз” на ділянці КС “Борова – Первомайська – Машівка”.

Результати досліджень приведені на рисунках 1-4 у вигляді графіків, на них же нанесені для порівняння експериментальні дані, які були зафіксовані при перехідних режимах роботи газопроводу під час проведення експерименту. 

На графіках видно, що різниця між розрахунковими і заміряними значеннями знаходиться в межах точності вимірювань. Провівши аналіз експерименту при зміні режимів роботи газопроводу “Союз”, можна констатувати: 

-тиски в ході нестаціонарного процесу коливались у межах 57,5 до 69,1атм, тобто в 1,2 рази, причому при збільшенні діапазону зміни витрат діапазон зміни коливань тисків зростає. Так, при збільшенні витрат від 70873225,6 м3/добу до 73075170,92 м3/добу діапазон зміни тисків збільшився від 67,5 до 69,58 атм. 

-тривалість нестаціонарних процесів залежить від величини відбору і зміни тиску та змінюється в межах від 7920 до 21960 с.

-нестаціонарні перехідні процеси слід віднести до класу самовідновлювальних, тобто таких, які не вимагають втручання зовнішніх керуючих факторів для встановлення стаціонарного режиму. На основі теоретичних досліджень, які підтвердились результатами експерименту, можна зробити висновок: повна математична модель, яка запропонована вперше, може бути прийнята для розрахунків складних систем, в які входять підкачування і відбори з метою керування і прогнозування режимів роботи систем транспортування газу. Визначено критерії нестаціонарності лінійної частини, а також введені критерії нестаціонарності при розрахунках режимів роботи систем у цілому, а також проведено аналіз, де визначено, коли і яким критерієм користуватись при заданих режимах.

У четвертому розділі досліджуються температурні фактори, які впливають на режими роботи газотранспортної системи. Проаналізовано вплив температури та коефіцієнту теплопровідності на об’ємні витрати газу. З цією метою розглядається математична модель для розрахунків оптимальної витрати паливного газу для підтримки заданого тиску.

Результати експерименту підтверджують вплив складу термодинамічних властивостей газу на гідродинамічні характеристики процесу. Проведено аналіз експлуатації КС, де показано, що її оптимальне функціонування залежить від ступеня охолодження газу. Визначено кількість працюючих агрегатів повітряного охолодження при мінімальних затратах паливного газу на перекачування максимальних об’ємів газу споживачам. Аналіз результатів показує, що при глибині охолодження газу, однаковій для всіх КС і рівній 2 0С, загальна потужність ГПА зменшується на 0,22%, збільшення охолодження