CC BY
6
УДК 532.55:621.1.016
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНЦЕВЫХ УЧАСТКОВ ТРУБОПРОВОДОВ ПАРОВОДЯНОЙ СМЕСИ НА ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
А.Н. Шулюпин (Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН)
Рассматриваются особенности проектирования входных и выходных участков трубопроводов для транспортировки пароводяной смеси от геотермальных скважин до потребителя. Установлено, что плавный отвод смеси от скважины способен заметно снизить устьевое давление, увеличив расход добываемого теплоносителя. Для выходных участков получены соотношения, позволяющие проектировать разветвления трубопроводов, не создающие дополнительных гидравлических сопротивлений.
Features of designing of entrance and target sites of pipelines for transportation of a steam-water mix of geothermal wells to the consumer are considered. It is established, that smooth removal of a mix from a well is capable to lower head pressure, increasing the charge of the extracted heat-carrier. For target sites the ratios, allowing to project the branchings of pipelines which are not creating additional hydraulics resistance, are received.
Введение
При эксплуатации геотермальных электростанций мира, в том числе на Камчатке, активно используется транспортировка теплоносителя в виде пароводяной смеси, что имеет ряд преимуществ по сравнению с раздельной транспортировкой пара и воды [1]. Известно, что для обеспечения нормального режима транспортировки требуется поддержание высоких скоростей смеси, что приводит к существенным гидравлическим сопротивлениям [2]. Гидравлические сопротивления требуют повышения давления на устье скважин, а это снижает расход теплоносителя. Поэтому, проектируя трубопроводы, необходимо свести до минимума количество элементов, способных вызвать дополнительные гидравлические сопротивления, а в оставшихся элементах -минимизировать сами сопротивления. Например, для компенсации температурных расширений при строительстве трубопроводов на Мутновской ГеоЭС использовались сильфонные компенсаторы, обладающие меньшими, по сравнению с традиционными П-образными, сопротивлениями.
Опыт строительства трубопроводов пароводяной смеси показал наличие сложности при проектировании концевых участков. Смесь из скважины в трубопровод обычно подается через боковое ответвление в виде крестовины или тройника, которые характеризуются существенными коэффициентами местного сопротивления. В этой связи возникает необходимость оценки того, насколько способен снизить перепад давления, а следовательно, и устьевое давление плавный отвод смеси. Из трубопровода смесь подается в сепаратор, диаметр входа в который не всегда соответствует диаметру трубопровода. Если диаметр входа больше, то данное несоответствие легко устранить установкой соответствующего переходника. Но если диаметр входа меньше, переход на трубу меньшего диаметра способен вызвать существенные дополнительные сопротивления. Обычно в этом случае поток разбивается на части, и ввод смеси осуществляется по нескольким линиям. При этом вопрос о согласовании количества разветвлений, диаметров подводящего трубопровода и трубопроводов разветвлений остается открытым.
Входной участок
Для оценки снижения устьевого давления при установке плавного входа в трубопровод воспользуемся методическими рекомендациями по расчету местных сопротивлений для пароводяного потока в соответствующих условиях, а именно: параметры смеси определяются по гомогенной модели, коэффициенты местного сопротивления увеличиваются в 1,4 раза [1].
Движение теплоносителя в скважине направлено вертикально вверх. Крестовина или тройник, устанавливаемые на устье, направляют поток горизонтально, при этом другие ответвления заглушены. По типу данный вид сопротивления ближе всего соответствует угольнику с коэффициентом 1,4, а колено с плавным поворотом характеризуется коэффициентом 0,2 [3]. Следовательно, при установке плавного перехода коэффициент местного сопротивления снижается на 1,2.
Оценки снижения перепада давления на местном сопротивлении при снижении коэффициента на 1,2 для параметров пароводяной смеси на устье некоторых скважин Мутновского место-
рождения, а также соответствующие им увеличения расхода приведены в таблице. Расчеты осуществлялись на основе графиков производительности скважин, полученных ОАО «Геотерм». Из приведенных данных видно, что только для скважины 013 снижение давления несущественно. По скважине А2, несмотря на наличие небольшого снижения давления, учитывая слабую зависимость расхода от устьевого давления, ожидаемое увеличение расхода незначительно.
Скважина Снижение устьевого давления, бар Увеличение расхода, кг/с
53 0,4 2,1
013 менее 0,1 0
048 0,8 3,4
042 0,6 2,9
037 0,1 0,1
А2 0,1 0
017 0,1 0,1
Заметим, что обеспечить полностью плавный поворот потока смеси при эксплуатации скважин невозможно, так как согласно правилам разработки месторождения скважина должна иметь фонтанную задвижку, которая обеспечивает вертикальный (фонтанный) выброс теплоносителя и спуск в ствол скважины геофизического оборудования. Тем не менее вертикальный отвод на фонтанную задвижку может быть выполнен из трубы меньшего диаметра, соединенной с плавным поворотом. Например, обвязка устья скважин на Мутновском месторождении выполнена из труб и арматуры диаметром 300 мм, а для фонтанной задвижки достаточен диаметр 200 мм. Из этого следует, что приведенные оценки не являются точными, но дают представление о возможном снижении устьевого давления при плавном отводе смеси из скважины.
Заметим также, что снижение давления на входном участке трубопровода непосредственно снижает устьевое давление и увеличивает расход скважины, в то время как снижение давления на выходном участке частично компенсируется снижением перепада давления в самом трубопроводе за счет уменьшения расхода, т. е. во втором случае устьевое давление оказывается менее зависимым.
Выходной участок
При проектировании трубопроводов следует обратить внимание на условия ввода смеси в сепаратор. Часто входные патрубки в сепараторы имеют фиксированный диаметр. Если площадь сечения входного патрубка будет меньше площади сечения трубы, то мероприятия по снижению гидравлических сопротивлений могут оказаться неэффективными, так как будут иметь место большие сопротивления на входных участках. Поэтому в случае меньшего диаметра входных участков поток следует разбивать на части. При этом бытует мнение, что достаточно следить за тем, чтобы суммарная площадь сечения разветвленных труб была не меньше площади сечения подводящего трубопровода. Однако равенство указанных площадей характеризуется увеличением градиента давления в разветвлениях, следовательно, увеличением перепада давления.
Рассмотрим случай разбиения потока на п равных по расходу и по площади частей:
в1 = пОъ £ = пЯ (1)
где G1, G2 - массовые расходы в подводящей трубе и разветвлении;
£1, £2 - площади сечения подводящей трубы и разветвления;
п - число разветвлений.
Согласно классическим представлениям гидравлики основная часть градиента давления, связанная в нашем случае с трением, будет иметь вид
йр | 8А,^ (йр | 8А,202
йг )1 пр1 Д5 ’ ^ йг )2 пр2 Д5 ’
где | йр | и | йр | - градиенты давления в подводящей трубе и разветвлениях;
^ йг )1 ^ йг ) 2
р1, р2 - плотности среды в подводящей трубе и разветвлениях;
^2 - коэффициенты трения в подводящей трубе и разветвлениях;
Д, Д - диаметры подводящей трубы и разветвлений.
С учетом формул (1) для отношения градиентов имеем:
k={fpdz\ =vn, о)
’ ч
где к - коэффициент увеличения градиента давления в разветвлениях.
Таким образом, при равенстве суммарной площади сечения разветвлений и площади сечения подводящей трубы градиент давления в разветвлениях будет возрастать пропорционально квадратному корню от их числа, т. е. разветвления будут создавать дополнительные гидравлические сопротивления.
Теперь рассмотрим случай разбиения трубопровода на п равных разветвлений, суммарная площадь сечения которых не равна площади сечения подводящего трубопровода:
Ох = пО^; £ * 82Сум; £2сум = п£2, (4)
где £2сум - суммарная площадь сечения разветвлений.
Если с целью снижения перепада давления задать условие непревышения градиента давления в разветвлениях над градиентом в подводящей трубе, то из формул (4) и (2) нетрудно получить неравенства
Д > Д/п0,4, (5)
£2сум > £:п0’2. (6)
Выводы
При транспортировке геотермального теплоносителя в виде пароводяной смеси необходимо стремиться к минимизации гидравлических сопротивлений. В частности, при проектировании концевых участков трубопроводов необходимо иметь в виду следующее:
1. Плавный отвод смеси из скважины в трубопровод способен заметно снизить устьевое давление и, следовательно, увеличить расход скважины.
2. В случае разветвления трубопровода на п равных частей, характерного для выходных участков, диаметры подводящего трубопровода и разветвлений, а также площади сечения подводящего трубопровода и суммарной площади сечения трубопроводов разветвлений должны удовлетворять условиям формул (5) и (6).
Литература
1. Шулюпин А.Н. Пароводяные течения на геотермальных промыслах. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2004. - 149 с.
2. Zhao H.D., Lee K.C., Freeston D.H. Geothermal two-phase flow in horizontal pipes // Proceedings, World Geothermal Congress, 2000. - Kyushu-Tohoku, 2000. - P. 3349-3353.
3. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560 с.
