Подбор температурного режима перекачки для Надземного способа прокладки

В связи с тем, что температура мерзлого грунта всегда отрицательная, то при перекачке нефти с положительной температурой вокруг трубы образуется «талик». Размеры талой зоны зависят от теплового потока qтр, идущего от трубы в грунт. Соответственно, можно подобрать такие температурные режимы перекачки, чтобы величина ореола

протаивания R0 находилась в допустимых пределах:

                     

Размеры области протаивания зависят не только от геометрических размеров насыпи и положения трубы в ней, но и определяются теплосодержанием самого потока нефти, теплом трения и параметрами теплообмена системы. Из сказанного следует, что теплообменом трубопровода с грунтом можно управлять, регулируя производительность и температуру перекачки нефти по трубопроводу, которая должна быть положительной. Для сохранения сбалансированности теплообмена по всей длине трубопровода в условиях Крайнего Севера необходимо, чтобы тепло, теряемое жидкостью, аккумулировалось грунтом и шло на фазовые превращения qф.п., т.е. необходимо, чтобы выполнялось условие ограничения ореола протаивания.

При соответствующих краевых условиях и общепринятых допущениях баланс тепла на границе «протаивания–промерзания» записывается в виде:

где λм, λт — соответственно коэффициенты теплопроводности мерзлого и талого грунта; дtм/ дr и

 дtт/дr — градиенты температуры в мерзлом и талом грунте соответственно; σ — удельная теплота плавления льда; ρо — объёмная плотность мерзлого грунта; Wс, Wн — содержание незамерзшей воды и суммарная влажность соответственно.

Правая часть в уравнении (2) известна, так как закон изменения скорости перемещения границы протаивания dR0/dτ задаётся из условия «невыпучивания» [10]. Если dR0/dτ=0, то граница протаивания «остановится». Тогда радиус протаивания будет величиной постоянной: R0 = const.  

Подобная задача уже решалась для случая подземного нефтепровода, проложенного в многолетнемёрзлых грунтах. В [4] показано, что при сбалансированном теплообмене температура нефти по длине трубопровода остается постоянной и поддерживается, за счёт тепла трения, на уровне tбал>t0>tм. Таким образом, задавая величины границы протаивания, в допустимом диапазоне R0 min-R0 max, можно управлять условиями теплообмена. Условие (2) на границе «протаивания– промерзания» учитывает, что интенсивность теплового потока, идущего от трубы в грунт, будет увеличиваться при увеличении разности температур стенки трубы и грунта. То есть, в ходе естественного изменения климата, смены сезонов будут меняться и условия теплообмена. В летнее время года тепловой поток, идущий от трубы в грунт, будет меньше, чем зимой. Математическая модель теплового взаимодействия учитывает переменность теплофизических характеристик грунта в расчетном сечении и теплоту фазовых переходов. В результате решения краевой задачи определения температурного поля вокруг трубы и положения нулевой изотермы (условной границы протаивания), получена формула для допустимой температуры грунта, примыкающего к поверхности трубы:

где t ′0 — температура на границе протаивания (нулевой изотермы).

Объективная оценка эффективности наземного способа прокладки может быть получена по резуль-татам эксперимента [16]. Результаты одного из опы-тов по регулированию процессом «протаивания– промерзания» грунта вокруг наземного трубопро-вода, приведены на рис. 3.

 

Под действием источника тепла мощностью qэ (трубы с температурой tэ) формируется ореол про-таивания с относительным радиусом R0/R, который в течение пяти циклов не выходит за допустимые пределы, принятые в данном опыте: R0 min/R = 1,5, и R0 max/R = 3,4. Как видно, температурный режим перестраивается в соответствии с заданным, а экс-периментальные точки вполне соответствуют рас-четному режиму.

 

Длительность данного опыта, состоящего из пяти циклов, соответствующих пяти годам эксплуата-ции реального нефтепровода, достаточна для того, чтобы утверждать, что подобное регулирование осу-ществимо.