ГАЗОПРОВОДЫДЛЯ СБОРА НЕФТЯНОГО ГАЗА
Для сбора нефтяного газа и передачи его потребителям на площадях нефтяных месторождений сооружают систему газопроводов и компрессорные станции.
При самотечной системе сбора с индивидуальным замерно-сепарационным оборудованием газовые линии берут свое начало у сепараторов, т.е. у устьев скважин. При герметизированной напорной системе нефтегазосбора начало газовых линий перемещается к групповым замерным установкам, или к ДНС, или к установкам подготовки нефти и протяженность газовых линий на месторождениях резко сокращается.
По назначению газопроводы (рис.1) подразделяются на: подводящие газопроводы 1, сборные коллекторы 2 и нагнетательные газопроводы 3.
Нагнетательные газопроводы берут свое начало у компрессорных станций и служат для: 1)подачи газа в газовую шапку продуктивных пластов с целью поддержания давления и продления фонтанирования скважин; 2) подачи газа через газораспределительные будки к устьям компрессорных скважин; 3)подачи газа дальним потребителям; 4) подачи газа на ГПЗ или газофракционирующую установку (ГФУ).
Форма газосборного коллектора зависит от конфигурации площади месторождения, его размера и размещения групповых замерных установок или ДНС. Название газосборной системы обычно определяется формой газосборного коллектора: если газосборный коллектор представляет собой одну линию от куста скважин до КС, газосборная система называется линейной (рис.1,а); если газосборные коллекторы сходятся в виде лучей к одному пункту, газосборная система называется лучевой (рис.1,б). При кольцевой системе газосборный коллектор огибает площадь нефтяной структуры и для большей его маневренности в работе на нем делают одну или две перемычки (рис.1,в).
При выборе системы сбора нефтяного газа руководствуются следующими соображениями:
- обеспечение бесперебойности подачи газа;
- маневренности системы, удобства обслуживания газосборных сетей при минимизации расходов на их сооружение и эксплуатацию.
Кольцевая система сбора газа имеет существенное преимущество в том, что, в случае аварии на каком-либо ее участке, можно перекрытием отключающих задвижек обеспечить бесперебойную подачу газа с остальных участков.
РАСЧЕТ ПРОСТОГО ГАЗОПРОВОДА
При движении реального газа по трубопроводу происходит значительное падение давления по длине в результате преодоления гидравлических сопротивлений. В этих условиях плотность газа уменьшается, а линейная скорость – увеличивается.
Установившееся изотермическое (Т=const) движение газа в газопроводе описывается системой трех уравнений:
1. Уравнение Бернулли, закон сохранения энергии:
dP/grг + u*du/2g + dz + l*dx/d * u2/2g = 0 (1)
2. Уравнение состояния:
P =rг*Rг*T*z, (2)
где Rг = R/M (3)
Закон сохранения массы, выражающийся в постоянстве массового расхода:
G = rг*u*s = const (4)
При этом следует помнить, что изотермический процесс описывается уравнением Бойля-Мариотта:
Р/r = const (5)
При выводе расчетной формулы вторым и третьим слагаемыми в уравнении (1) пренебрегают, т.к. считают, что увеличения линейных скоростей в газопроводе не происходит и газопровод проложен горизонтально. При этих допущениях уравнение (1) запишется в виде:
-dP/grг = l*dx/d * u2/2g = 0 (6)
Определим из (4) линейную скорость и подставим в (6), получаем:
-dP/grг = l*dx/d *G2/2gS2rг2 (7)
Умножив левую и правую части на rг2 и сократив g, получим:
-rг*dP = l*dx/d *G2/2S2 (8)
Из (3) выразим rг и подставим в последнее выражение, получим:
-PdP/z RгT = l*dx/d * G2/2S2 = 0 (9)
Возьмем интеграл от данного уравнения в пределах от начального давления Р1 до конечного Р2 в газопроводе длиной от 0 до L:
-1/zRгTòР2Р1PdP = l* G2/2dS2òL0dx (10)
Подставив вместо площади величину S = pd2/4, получим окончательно:
P12 – P22/2 z RгT = l* 16 G2 L / 2 p2d5 (11)
Или _________________
G = pd2/4Ö(P12 – P22)d/lzRгTL, кг/с (12)
Формула (12) является основной для расчета массового расхода газа по трубопроводу. В системе СИ размерности величин следующие:
G – массовый расход газа, кг/с;
d - внутренний диаметр газопровода, м;
P12,P22 – давление в начале и конце газопровода, соответственно, Па;
l - коэффициент гидравлического сопротивления;
Rг - газовая постоянная, Дж/(кг*К);
R – универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж/(кмоль*К);
T – абсолютная температура газа, К;
L – длина газопровода, м;
u - линейная скорость газа, м/с;
rг – плотность газа, кг/м3.
По уравнению состояния для газа и воздуха имеем:
Rгrг = Rвrв или Rг = Rвrв/rг = Rв/r, (13)
где r = rг/rв – относительная плотность газа по воздуху.
Объемный расход газа, приведенный к стандартным условиям:
Vг = G/rсу = G/r*rв, (14)
где rсу – плотность газа при С.У.
Подстав ив в (12) значения Rг и G, получим:
Vг = k0Ö(P12 – P22)d5 /l rzTL, (15)
где k0 = p/4 * 1/rвÖRВ.
При стандартных условиях (t=20°С, Р=760 мм рт. ст.) плотность воздуха rВ=1.205 кг/м3 и , k0=3.87×10-2.
Тогда (16)
При нормальных условиях (t =20°С, Р=760 мм рт. ст.) плотность воздуха rВ=1.293 кг/м3 и RB=287 Дж/кг×К, k0=3.59×10-2.
Гидравлический расчет
Значение коэффициента гидравлического сопротивления l рассчитывается в зависимости от режима движения газа и шероховатости труб по тем же формулам, что и для нефтепровода.
Для гидравлических гладких труб l не зависит от шероховатости внутренней поверхности трубы и рассчитывается по формуле:
l=0.067×(158/Re)0.2=0.1844/ Re0.2 (17)
При квадратичном режиме течения l не зависит от Re, и является функцией относительной шероховатости:
l=0.067×(2D/d)0.2 (18)
По универсальной формуле ВНИИ газа:
l=0.067×(158/Re+2D/d)0.2 (19)
Значение числа Re для смеси газов:
, (20)
где mС =у1×m1+ у2×m2+…+ уn×mn – вязкость смеси газов;
mi – вязкость отдельных компонентов газа, кг/м×с;
уi – объемная доля компонента в составе газа;
rС – плотность смеси газов в условиях трубопровода, кг/м3.
, (21)
где r0 – плотность смеси газов при Н.У., кг/м3;
Рср и Р0 – соответственно среднее давление в трубопроводе и барометрическое, Па;
ТСР и Т0 – соответственно средняя температура перекачки и температура абсолютного нуля (273.15).
. (22)
Упрощение: по данным ВНИИ газа для новых труб D=0.03мм. Тогда из (18):
l=0.03817/d0.2. (23)
При технических расчетах l (с учетом местных сопротивлений) можно принимать l=(1.03-1.05)×lТР. (24)
Обычно течение газа происходит при высоких скоростях, когда сопротивление определяется только шероховатостью труб (квадратичная зона). Т.к. шероховатость не зависит от диаметра трубопровода, можно считать, что l зависит только от диаметра газопровода.
Одной из формул типа l = ¦(d), получившей широкое распространение, является формула Веймаута:
l=0.009407/ (25)
Формула Веймаута (25) может использоваться при ориентировочных расчетах диаметра и пропускной способности простого газопровода. В этом случае расчетные формулы имеют вид:
, (26)
. (27)
Из формулы (16) можно получить выражение для определения длины L, диаметра d и конечного давления Р2 при известном начальном Р1:
. (28)