Моделирование тепловых и гидравлических процессов в магистральном газопроводе

Abstract

Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования методик расчета термогидравлических режимов газопровода для задач снижения энергозатрат на транспортировку газа и увеличение пропускной способности магистральной трубопроводной системы. Цель работы: анализ существующих методик расчета тепловых и гидравлических процессов и разработка усовершенствованных экономичных вариантов. Рассмотрен комплекс вопросов по моделированию гидродинамических и тепловых процессов в системе «газовый поток - труба - окружающая среда». Процессы перекачивания газа сопровождаются его нагревом при компримировании, что отражается на росте давления в газопроводе и снижении пропускной способности. Для снижения энергозатрат на транспортировку газа рассмотрен комплекс задач моделирования. Методы исследования. Расчеты тепловых и гидравлических процессов в грунте и газопроводе выполнены с помощью метода конечных элементов, реализованного в программном пакете Comsol. Проведен анализ влияния сезонных изменений температуры воздуха на тепловые потоки между газопроводом и грунтом. С учетом большой инерционности процессов теплообмена в грунте предложен последовательный алгоритм решения задач моделирования процессов теплопередачи в грунте и процессов термо- и гидродинамики в трубе с движущимся газом. Результаты. Разработаны численные модели процессов распространения тепла в грунте, определены параметры моделей длястационарных режимов. На базе связанной термогидравлической модели газового потока в трубе с учетом теплообмена с окружающей средой определен профиль скоростей и толщина пристенного слоя, что позволило перейти к тепловой задаче с движущейся двухслойной средой, эквивалентной по распределению температуры в трубопроводе и величине теплового потока в окружающую среду. На основе расчетов тепловых процессов в грунте определены параметры упрощенной термогидравлической модели для газопровода, что позволяет получить решения для большого диапазона температур среды.

The relevance of the discussed issue is caused by the necessity to improve the procedures of designing thermohydraulic modes of a pipeline for reducing power requirements on gas transporting and increasing carrying capacity of the main pipeline. The main aim of the study is to analyze the existing design procedures of thermal and hydraulic processes and to develop the advanced economical alternatives. The paper considers the complex of problems on modelling the hydrodynamic and thermal processes in the system «gas stream - pipe - circumambient». Gas swapping is accompanied by its heating at compression, that is reflected in pressure growth in a pipeline and capacity reduction. To decrease power inputs on gas transporting the authors have considered the complex of modelling problems. The methods. The authors applied the finite element method realized in software package Comsol to calculate thermal and hydraulic processes in the ground and the pipeline. The influence of air temperature seasonal modifications on thermal streams between the pipeline and the ground was analyzed. Taking into account large inertia of heat transfer processes in the ground the authors proposed the consecutive algorithm of solving the problem of modelling heat transfer in the ground and thermos-and fluid dynamics in a pipe with moving gas. The results. The authors developed the numerical model of heat distribution processes in the ground and determined the parameters of the models for stationary modes. On the basis of the thermohydraulic model of a gas stream in a pipe the velocity profile and thickness of a wall layer were determined taking into account heat exchange with environment. This allowed passing to a thermal problem with the moving two-layer medium, equivalent in temperature distribution in the pipeline and magnitude of a thermal stream into environment. Based on the calculations of thermal processes in the ground the authors determined the parameters of the simplified thermohydraulic model for a pipeline that allows gaining the solutions for a great range of environment temperature.