Зависимость взаимодействия элементов изучаемой системы. Этап 2. Температура окружающего воздуха

 

Температура газа является, можно сказать, основным фактором, характеризующим равновесные условия гидратообразования. При эксплуатации промысловых газопроводов могут создаваться условия гидратообразования при снижении температуры газа ниже равновесной температуры гидратообразования. Температура газа при транспортировке по промысловой газосборной системе постоянно изменяется и может быть описана кривой, представленной на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6. Распределение температуры по длине газопровода

 

Таким образом, изменение температуры по длине промыслового газопровода нелинейно, что может быть обусловлено влиянием температуры окружающей среды.

Система обустройства газового промысла может быть различна, поэтому стоит допускать различные способы прокладки газосборных сетей, в частности применимы подземные и надземные способы. При надземном способе прокладки, очевидно, то, что влияние на температуру транспортируемого газа оказывает температура окружающего воздуха. Когда при подземной прокладке газосборных сетей основное влияние на температуру газа оказывает температура грунта.

В книгах Ю.П. Коротаева [20,25] приведены основные, по его мнению, факторы, влияющие на температуру газа в газопроводе, такими являются условия эксплуатации, в первую очередь это параметры скважины, её диаметр, конструкция, наличие штуцирования и дебит газа. Помимо условий эксплуатации влияние на температуру газа определяют температуру окружающего воздуха, которая, как описывает автор, склонна к большим перепадам.

Общее влияние температуры окружающего воздуха может быть описано влиянием на температуру верхних (поверхностных) слоёв почвы до определенного слоя l_c с постоянной суточной температурой. Определенный слой может быть определен в пределах глубины, не превышающей 1-2 м. После поверхностного слоя расположен слой с постоянной годовой температурой l_н, который может быть обозначен, как нейтральный слой. Ю.П. Коротаевым предлагается при помощи эмпирической формулы приближенно определить глубину нейтрального слоя. [20]

l_н = 19,1·l_c

Также температура нейтрального слоя может быть принята среднегодовой температуре земной поверхности в соответствующем районе.

Как показывает практика, большинство разрабатываемых газовых месторождений в России за последние годы (Харбейское, Русское, Новопортовское, Дороговское, Уренгойское и другие) расположены в районах Крайнего Севера, поэтому целесообразно рассмотреть условия характеристики возможного влияния вечной мерзлоты на температуру газа.

Структура мерзлоты в районах Крайнего Севера может быть разделена на несколько основных слоёв:

1. Первым слоем является поверхностный слой мерзлоты, который имеет свойство сезонности и чаще всего называется слой сезонного промерзания/оттаивания. Сезонность данного слоя зависит от наступления плюсовых температур летом, когда происходит оттаивание и от наступления низких температур, когда происходит промерзание грунта. За счёт промерзания и оттаивания грунта происходят сезонные пучения и осадки грунта, что говорит о его нестабильности. Мощность данного слоя может достигать пяти метров.

Стоит отметить то, что заложение подземных газопроводов на таких грунтах производят на глубину превышающую мощность слоев сезонного оттаивания.

2. Данный слой можно назвать переходным от слоя сезонного оттаивания и промерзания до толщи вечной мерзлоты. Мощность данного слоя может достигать до 30 метров. Основным отличием от слоя сезонного оттаивания и промерзания является его стабильное состояние в замороженном состоянии. Температура данного слоя может быть охарактеризована как сезонно изменчивая температура в верхних границах слоя от минусовых температур до 0 ^оС, когда нижняя граница слоя колеблется в диапазоне температур минимум минус 4-5 ^оС.

Характерной особенностью данного слоя является наибольшая льдистость.

3. Третий слой называется многолетнемерзлым или вечной мерзлотой. Данный слой наиболее устойчив и не имеет влияния от сезонных колебаний температур окружающего воздуха. Верхние слои имеют в среднем температуры в диапазоне минус 4-5 ^оС.

Также существуют другие разновидности многолетнемерзлых пород, расположенных в более южных районах.

Главным критерием в анализе влияния температуры окружающего воздуха на температуру газа является то, что температурный режим Крайнего Севера складывается таким образом, что промысловые газопроводы прокладываются в вечномерзлых грунтах, где средняя температура грунта находится в диапазоне температур от минус 2 ^оС до минус 5 ^оС.

Рассмотрим формулу, по которой возможно определение приблизительной температуры газа на заданном участке газопровода.

t = t₀ + (t_н + t₀)·e^-ax – (I · (1 – e^-ax))/a,

где t – искомая температура газа на расстоянии X от точки замера начальной температуры газа t_н, ^оС;

t₀ – температура грунта на уровне газопровода (определяется экспериментальным методом, либо принимается на основании руководства климатологическими справочниками), ^оС;

I – средний коэффициентДжоуля-Томсона, отнесенный к единице длины.

При определении температуры газа, очевидно, может быть выделена зависимость между температурой газа и температурой грунта, когда как эта зависимость может быть скорректирована наличием теплоизоляционного слоя на промысловом газопроводе.

Не учитывая возможный теплоизоляционный слой на промысловом газопроводе, может быть описана зависимость «температура окружающего воздуха – температура грунта – температура газа в газопроводе». Данная зависимость может быть описана по формуле описанной выше.

Где зависимость может быть отражена через коэффициент a, который определяется по следующей формуле.

a = K·π·D/G·C_p,

где K – коэффициент теплопередачи от потока газа к грунту, ккал/ч·м²·град;

D – внешний диаметр газопровода, м;

G – весовой расход газа, кг/ч;

C_p – теплоемкость газа, ккал/кг·град.

Где коэффициент теплопередачи от потока газа к грунту определяется по основам теплопередачи, где основополагающей в данном случае служит следующая формула.

Где d₁ – внутренний диаметр трубопровода, м;

d₂ – наружный диаметр трубопровода с учетом теплоизоляции, м;

a₁ – коэффициент теплоотдачи от газа к стенке, ккал/ч·м²·град;

a₂ – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки газопровода к грунту, ккал/ч·м²·град;

d_ср – средний диаметр стальной стенки газопровода, м;

δ – толщина стенки газопровода, толщина теплоизоляции, м;

λ – теплопроводность, ккал/ч·м·град.

Таким образом, влияние температуры окружающего воздуха отражается на температуре грунта, в котором находится промысловый газопровод. Влияние температуры грунта напрямую влияет на температуру стенки газопровода. В случае наличия теплоизоляционного покрытия у промыслового газопровода влияние температуры грунта ухудшается на коэффициент теплопроводности теплоизоляционного покрытия, но, не смотря на это, влияние в любом случае присутствует, так как теплоизоляционное покрытие не способно полностью изолировать влияние температуры грунта на температуру стенки газопровода, другими словами на температуру газа.

Влияние температуры окружающего воздуха отражается на изменении температуры газа по экспоненте.