Расчет трубопроводов

GIBBS позволяет использовать экспериментальные данные по вязкости в расчете трубопроводов.

Трубопровод подачи нефти с морской платформы

Рассмотрим задачу расчета трубопровода, подающего неньютоновскую жидкость.

Исходные данные

Трубопровод подает 10300 тонн в день нефти с морской платформы на берег. Температура морской воды 25 оС. Состав пластового флюида (мольные доли):

CO2	0.00010
H2S
Methane	0.42888
Ethane	0.08478
Propane	0.05623
i-Butane	0.01772
n-Butane	0.02687
i-Pentane	0.00981
n-Pentane	0.01220
n-Hexane	0.01650
С7+	0.34691

Фракция С7+ имеет плотность 835 кг/м3 и молекулярный вес 253.2 г/моль. Этот флюид подвергается сепарации на платформе под давлением 2.5 бар при температуре 86 оС. Далее нефть подается насосом под давлением 15 бар в трубопровод. Профиль трубопровода следующий:

Схема трубопровода

Нефть проявляет неньютоновские свойства при температуре ниже 34 оС, имеет температуру застывания 21 оС. Экспериментальные данные по напряжению сдвига показаны на рисунке (точки).

Решение

Сначала проанализируем экспериментальные данные по вязкости в подсистеме моделей вязкости. Создадим модель вязкости и введем экспериментальные данные. Позволим системе самой выбрать модель вязкости и вычислим параметры. Наилучшие параметры будут получены для модели Hershel-Buckley. В базе данных эти измерения имеются по именем VM_test.

Далее перейдем к моделированию трубопровода. Создадим набор компонентов.

В качестве С7+ создадим углеводородный псевдокомпонент с температурой кипения 580 К (HC). Скорректируем его плотность и температуру кипения в соответствии с исходными данными.

Создадим проект и соберем схему:

Схема трубопровода подачи нефти

Сначала подберем расход исходного флюида через сепаратор, чтобы количество жидкости составляло 10300 тонн в день. Это количество составляет 12140.76 тонн в день. Зададим параметры трубопроводов. Мы будем использовать трубопроводы в соответствии с диаметром.

SSeg-1 – для первых 5 участков, и далее – по рабочему элементу на каждый участок. Зададим параметры. Поскольку теплопроводность изоляции неизвестна, зададим величину 0.11 Вт/м-К.

Коэффициент теплопроводности трубы зададим 46.5 Вт/м-К. Коэффициент теплоотдачи в морскую воду зададим 500 вт/м2-К. Выберем модель вязкости VM_test и укажем, что неньютоновская вязкость используется:

Поскольку параметры шероховатости неизвестны, а от этого параметра не зависят только результаты модели DEF, зададим величину 0.0005 для всех труб. Зададим также эффективность 0.9.

Выполним расчет. На рисунках показаны итоговые профили давления и температуры в трубопроводе (построены по данным расчета). Точками показаны данные промысла.

Профиль давления

Профиль температуры

Температурный профиль показывает, что неньютоновские свойства нефти не проявляются.

Попытаемся ответить на вопрос, можно ли использовать последнюю секцию длиной 3504 м без изоляции.

Чтобы решить эту задачу, создадим копию текущего варианта данных. Это позволит сохранить уже полученный результат и получить новый на его основе. Создание и анализ многочисленных вариантов одной и той же задачи является, несомненно, одним из самых значительных достижений GIBBS, расширяющих его возможности в анализе данных по сравнению с другими симуляторами.

Зададим нулевую толщину изоляции в трубопроводе Tube-2 и повторим расчет. Программа выдаст сообщение об ошибке расчета давления в последней секции – Tube-1. В результате на участке произойдет снижение температуры до 25 оС, в результате повышения вязкости произойдет повышение сопротивления, и прокачка такого количества нефти перестанет быть возможной.

Изменение температуры без изоляции последнего участка

Изменение давления на последнем участке за счет повышения вязкости

Трубопровод подачи газоконденсатной смеси

Рассмотрим задачу расчета трубопровода, подающего двухфазную смесь.

Исходные данные

Трубопровод подает 257 тонн в час газоконденсатной смеси с морской платформы на берег. Температура морской воды 26 оС. Состав смеси (мольные доли):

CO2	0.00102
Nitrogen	0.00086
Methane	0.73562
Ethane	0.12512
Propane	0.07298
i-Butane	0.01646
n-Butane	0.02268
i-Pentane	0.00665
n-Pentane	0.00704
n-Hexane	0.00512
n-Heptane	0.00346
n-Octane	0.00192
n-Nonane	0.00060
n-Decane	0.00033
n-C11	0.00011
n-C12	0.00003

Давление на входе – 130.3 Бар, температура 42.9 оС. Профиль трассы показан на рисунке.

Конструкция трубопровода следующая:

Теплопроводность изоляции 0.86 вт/м-К.

Решение

Создадим набор компонентов. Создадим проект и соберем схему из трех секционируемых труб. Первая будет соответствовать участкам 1 и 2 с диаметром 406 мм и толщиной стенки 14 мм, вторая – участкам 3-6 с толщиной стенки 10 мм, третий участок – с той же трубой но без изоляции. Толщину изоляции зададим приблизительно – 35 мм на первом участке и 50 мм на втором. Зададим также коэффициент теплоотдачи в морскую воду – 700 вт/м2-К.

Поскольку трубопровод газоконденсатный, величину относительной шероховатости зададим равной 1e-07. Выполним расчет. Результаты расчета профиля давления и температуры приведены на графиках и оказались достаточно близки к данным промысла.

Профиль давления

Профиль температуры

Истинное объемное содержание жидкости

Мы выясним, что вначале поток однофазный, а дальше по трубопроводу содержание жидкости нарастает. Характерно выглядит последний не теплоизолированный (мелководный) участок горизонтальный участок, где охлажденная за счет дросселирования газоконденсатная смесь начинает нагреваться за счет окружающей воды.