15.2. Расчет образования гидратных отложений

На основе приведенной системы уравнений произвели численные расчеты. Для газа со средней плотностью (р_В - плотность воздуха) на основе данных, описывающих равновесные условия гидратообразования, приняли сле­дующие значения: МПа, К, =8,28. При численных расчетах брали участок трубопровода протяженностью z₁= 10 км, с диаметром D = 2а₀ = 0,22 м и толщиной стенок d= а₁ –а₀ = 0,011 м; температура грунта составила T_G = 279 К (6 ⁰С), теплоизоляция отсутствовала (а₂ = а₁). Для подаваемого в трубопровод газа ис­пользовались следующие значения теплофизических параметров: с_g = 2911 Дж/(кг*К); λ_g=0,03 Дж/(м*с*К); μ_g= 1,1*10-^5кгкг/(с*м); R_g = 450 Дж/(кг*К). Для коэффициентов тепло­проводности приняли следующие значения: λ_h = 2,2 Дж/(мc*c*К); λ₁ = 58,24 Дж/(м*с*К); λ_G =2 Дж/(м-сК). Глубина залегания трубопровода h = 1 м. Для эмпирических коэффи­циентов взяли следующие значения: р_w* = 3,94*10⁹; Т_w* = 4228. Для водяного пара при­няли следующие значения параметров: R_v= 461 Дж/(кг*К); L_w = 1,7*10⁶ Дж/кг.

Для заданных условий значение равновесной температуры гидратообразования в трубопроводе составило Т_S(р) = 282 К (9 ⁰С). Оно достигается при температуре стенки Т_σ в сечении с координатой z_s≈ 1,8 км (рис. 15.1).

Рис. 15.1 Распределение давления (а) и температуры (б) вдоль трубопровода в начальный момент времени, когда газогидратный слой отсутствует. Условия гидратообразования выполняются при z z_s

На рис. 15.2 приведена зависимость к_v, рассчитанная для распределения давления температуры газа (рис. 19)

Для вышеприведенных параметров газа и массового содержания пара k_vo=3*10^-3 на входе в трубопровод (рис. 15.2) точка росы наступает (одновременно в потоке и вблизи стенки трубопровода) уже в нулевом сече­нии при температуре газа T_g≈T_σ≈50 °С. Важно отметить, что левая граница зоны вы­деления влаги соответствует входному сечению (z = 0). Таким образом, определяя, где пересекаются зоны выделения влаги и гидратообразования, находим, что образование гидратного слоя начинается на некотором расстоянии z=z_s≈1,8 км от входного сече­ния трубопровода.

15.3. Способы устранения гидратообразований

На практике для борьбы с газогидратами применяют способы, которые основаны на устранение одного из условий гидратообразования. Так для предотвращения образова­ния газогидратов можно поддерживать в трубопроводе оптимальный температурный режим (температура внутренней стенки канала Т_σ должна быть выше, чем равновесная температура гидратообразования Т_s(p), соответствующая давлению в потоке). Этого можно добиться переходом к более низким давлениям перекачки газа в трубопроводе. Метод заключается в следующем. Температура в газопроводе изменяется по известно­му закону, следовательно, зависимость изменения температуры газа от длины газопро­вода задана. Этой температуре соответствует определенное равновесное давление, ни­же которого при данной температуре гидраты образовываться не могут. Метод сниже­ния давления дает положительный эффект при ликвидации гидратной пробки, образо­вавшейся при плюсовых температурах. Для устранения пробок, образовавшихся в мес­тах, где температура грунта ниже 0⁰С, этот метод не пригоден, так как при разложении гидратов вода переходит в лед и возникает ледяная пробка.

При применении этого способа новое значение давления необходимо подобрать та­ким образом, чтобы равновесная температура гидратообразования T_s(p) была ниже соответствующего ей значения температуры газа Т_g.

В этом случае резкое снижение давления приводит к разложению гидратов. Причем интенсивность разложения будет определяться текущим значением температуры гидратообразования.

При снижении давления разложение газогидратов обусловлено тем, что они стано­вятся неустойчивыми химическими соединениями, поэтому сам процесс не сопровож­дается какими-либо тепловыми эффектами (выделением или поглощением тепла). В этом случае разложение газогидратов не оказывает никакого воздействия на темпера­турный режим внутри трубопровода, тепловой баланс на внутренней поверхности тру­бопровода (включая участок, где имеется гидратный слой) запишется в виде

q_gσ=q_σG . (15.1)

где q_gσ и q_σG - интенсивность теплопередачи от газового потока к стенке трубопровода и от стенки в окружающий грунт.

При проведении численных расчетов газа до снижения давления задавались равными: р₀ =3,2 МПа, Т₀=323,15 К, m_g=0,683 кг/с – массовый расход газа, к_w0=3*10^-3 – массовая концентрация воды в газовой фазе, после снижения - р₀= 1,2 МПа. Образующиеся газовые гидраты имеют следующие значения теплофизических параметров: ρ_h=917 кг/м³ – плотность газогидратов; к_gh=0,1 – массовая концентрация гидратообразующего газа в составе газогидрата.

На рис. 15.3 представлены изменения толщины отложении газогидратов на внутренних стенках трубопровода в различные моменты времени после снижения давления пере­качки. Пунктирная линия соответствует толщине газогидратного слоя до снижения давления, время образования которого - два месяца. Разложение газогидратной пробки происходит неравномерно, интенсивнее процесс разрушения протекает в передней час­ти газогидратного слоя (рис. 22). Это обусловлено неравномерностью притока тепла к поверхности газогидратов из газа и грунта. По мере удаления от левой кромки, вели­чина теплового потока снижается. Расчеты также показали, что за 30 часов происходит полное удаление газовых гидратов из трубопровода.

Другим способом сохранения в газопроводе достаточно высокого уровня темпера­тур является использование теплоизолированных труб. Также эксплуатация теплоизо­ляционных труб значительно увеличивает время задержки протаивания мерзлого грун­та, что благоприятным образом влияет на устойчивость трубопроводов. Негативной стороной использования теплоизолированных труб является то, что изготовление по­добных труб довольно сложно и не всегда экономически оправдано.

При отсутствии теплоизоляции на внешней поверхности трубы (рис. 15.3) из-за тепловых потерь на начальном участке трубопровода (длиной около двух километров) происходит почти полное остывание газа до температуры гидратообразования. Расчеты показывают, что использование теплоизолированных труб позволяет существенно улучшить температурные условия в трубопроводе. Линии 2 и 3 (рис. 15.3) соответствуют случаям, когда в качестве утеплителя принимали кальматерм (λ₂ = 0,14 Дж/(м*с*К) и порилекс (λ₂= 0,04 Дж/(м*с*К) толщиной d=5 см. Если же использовать утеплитель с коэффициентом теплопроводности λ₂ = 0,024 Дж/(м*с*К), то теплоизоляционный слой толщиной d= 5 см полностью исключит образование газо­гидрата на всем протяжении трубопровода (линия 4).

На рис. 15.4 представлены результаты исследования влияния теплоизоляции на дина­мику накопления газовых гидратов на внутренней поверхности трубопровода. Числа на кривых характеризуют время (в сутках) гидратообразования. Пунктирная линия описы­вает распределение толщины газогидратного слоя при отсутствии теплоизоляции, сплошные линии - при ее наличии.

В качестве утеплителя при расчетах брали порилекс, в этом случае температурный режим в трубопроводе описывается линией 3 (рис. 15.3).

Наличие теплоизоляции (рис. 15.4) приводит к тому, что, во-первых, зона гидратообразования смещается ниже по трубопроводу и образование гидратов начинается с сечения z_s≈6,4 км; во-вторых, скорость склеротических процессов снижается. Это следует из сравнения толщины газогидратного слоя, образовавшегося в том и другом случаях за промежуток времени, равный 2 месяцам; в-третьих, расширяется зона гидратообразования.

Расчеты показали, что при отсутствии теплоизоляции полное зарастание трубопро­вода происходит за 3 месяца, тогда как за аналогичный период, при наличии утеплите­ля, толщина газогидратных отложений составит менее 1,5 см, что мало сказывается на пропускной способности трубопровода.