Расчет теплоизолированного трубопровода в мерзлоте

Тепловая изоляция подземного нефтепровода позволяет уменьшить теплоотдачу и поддерживать температуру транспортируемой нефти на более высоком уровне, уменьшить гидравлическое сопротивление трубопровода и снизить удельные энергозатраты на перекачку.

В таком случае температура нефти t_бал будет значительно выше, чем при перекачке ее по нетеплоизолированному трубопроводу. Температура t_из на поверхности теплоизолированного трубопровода обычно невысокая (рисунок 4), термодинамические процессы происходят в грунте под действием низких температур, теплообмен можно рассматривать как низкотемпературный.

В течение года температура грунта на глубине заложения трубопровода меняется, но изменение в течение одного месяца невелико, в пределах 1 °С, что позволяет считать режим теплообмена нефтепровода квазистационарным.

 

 

Рисунок 5 – Схема распределения температур в зоне теплового влияния нефтепровода

Сопряжение решений внутренней и внешней задач теплообмена нефтепровода с мерзлым грунтом обеспечивает режим, при котором выполняется одновременно два условия:

– обеспечивается изотермическое течение нефти по трубопроводу с положительной температурой t_бал, превышающей температуру t_е мерзлого грунта в естественном состоянии;

– поддерживается сохранность окружающей среды за счет ограничения размеров ореола протаивания вокруг трубопровода.

 

Преимущества регулирования теплообмена между трубопроводом и мерзлым грунтом

При технологическом регулировании теплогидравлических режимов обеспечивается сбалансированный режим работы нефтепровода, ореол протаивания вокруг которого поддерживается, в соответствии с регламентом эксплуатации, в допустимых передах R_0min < R₀ < R_0max.

Способ изотермической перекачки углеводородов в мерзлоте имеет определенные преимущества:

– трубопровод в талом грунте остается потенциально подвижным и не защемляется. С наступлением холодного осенне-зимнего периода небольшой слой талого грунта вокруг трубы с радиусом протаивания R_0min будет предохранять трубопровод от защемления.

– несмотря на различие грунтовых условий по трассе трубопровода, выполнение условия теплообмена обеспечивает одинаковые температурные напоры, следовательно, и ореолы протаивания на всей длине нефтепровода будут иметь небольшие отличия в размерах, что в значительной мере соответствует состоянию равнопрочности линейной части трубопровода по его длине.

– с применением современных теплоизоляционных материалов для трубопровода значительно уменьшается гидравлическое сопротивление трубопровода и расширяется предел применимости способа изотермической перекачки нефти в мерзлоте.

– не исключается возможность перекачки нефти с подогревом: способом горячей перекачки, или, что предпочтительнее, способом распределенного подогрева с помощью тепловых насосов.

С экологической точки зрения регулирование необходимо для сохранения уникальной экосистемы северных районов. Тепловое воздействие влечет за собой появление рытвин на почве грунты, которые являются преградами для миграции животных, также эти трещины разрушают целостность растительности на поверхности.

 

 

Теплогидравлический расчет

Исходные данные

Годовой объем перекачки G_год = 7 млн т/год.

Плотность нефти при 20 °С ρ₂₀= 890 кг/м³.

Кинематический коэффициент вязкости нети при 5 °С ν₅ = 0,00007 м²/с.

Кинематический коэффициент вязкости нети при 35 °С ν₃₅ = 0,000008 м²/с.

Коэффициент теплопроводности мерзлого грунта λ _м = 1,42 Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности талого грунта λ _т = 1,20 Вт/(м·К).

Температура фазовых переходов t_фп = 0 °С.

Температура грунта на глубине заложения оси трубопровода в ненарушенном состоянии t_е = – 4,5 °С.

Наружный диаметр трубопровода D = 426 мм.

Толщина стенки трубы δ = 8 мм.

Коэффициент объемного расширения β_р = 0,000746 1/°С.