Акционерное общество "НИПИгазпереработка" (АО "НИПИГАЗ") Отчет по результатам тестирования программного обеспечения «Гидросистема» для моделирования и расчета гидравлического удара в системах транспорта СПГ (для внутреннего пользования УТП) Краснодар, 2019 г Содержание 1. Общие сведения ........................................................................................... 3 2. Исходные данные ........................................................................................ 3 3. Проблемы и ограничения при построении модели ............................ 5 4. Результаты моделирования ..................................................................... 7 5. Заключение ................................................................................................ 11 6. Приложение 1............................................................................................. 12 1. Общие сведения Основными задачами в рамках проводимого тестирования ПО “Гидросистема” является: - изучение возможностей и ограничений программы при детальном построении модели и последующем расчете гидравлического удара в трубопроводных системах транспорта СПГ и их отдельных участках; - сравнительный анализ полученных результатов с данными расчета нагрузок при гидроударе в отгрузочном терминале СПГ объекта «Ямал СПГ», выполненного ранее в программной среде “Flowmaster”. По результатам тестирования собрана предварительная информация, позволяющая в первом приближении оценить границы применимости ПО “Гидросистема” для решения подобных задач. Моделирование проводилось в ПО “Гидросистема”, версия 4.2 R1 разработки НТП “Трубопровод”, которое позволяет создавать теплогидродинамические1 модели для анализа механики текучих сред, потока в трубопроводе и давления при гидравлическом ударе. В качестве оптимального термодинамического пакета выбрана библиотека “GERG-2008”, непосредственно предназначенная для теплогидравлических расчетов систем транспорта СПГ и его компонентов. 2. Исходные данные Необходимые для построения модели входные данные по компоновке, конфигурации и диаметрам трубопровода отгрузки СПГ, а также по составу и свойствам перекачиваемого продукта взяты из описания работ по ранее произведенному расчету гидроудара в системе отгрузки СПГ объекта «Ямал СПГ» с помощью специализированного ПО “Flowmaster”. В частности, в качестве рабочей среды принят СПГ, состав которого приведен в табл. 1. Температура продукта задана равной минус 161,1°С, Гидродинамика раздел физики сплошных сред, изучающий движение идеальных и реальных жидкостей и газа и их силовое взаимодействие с твёрдыми телами. 1 состояние определено как “жидкость” c включенной опцией проверки агрегатного состояния. Табл. 1 Состав перекачиваемого СПГ Компонент % мол Азот 0,3948 Метан 94,8382 Этан 3,4784 Пропан 0,6980 Изобутан 0,3449 н-Бутан Изопентан 0,2138 0,0234 н-Пентан 0,0032 Кислород Углекислый газ 0,0053 Всего 100 Данные по диаметрам трубопроводов указаны в табл. 2. Материалом труб выбрана сталь аустенитная коррозионно-жаро-холодостойкая с заданным значением шероховатости 0,05 мм. Табл. 2 Диаметры трубопроводов Диаметр линии Ду Внутр. диаметр, мм Наруж. диаметр, мм Ду 400 390,6 406,4 Ду 600 584,2 609,6 Ду 900 876,3 914,4 Рассматриваемая линия отгрузки представляет собой систему трубопроводов от насосов резервуаров хранения товарного СПГ (по 4 насоса на каждый резервуар) к стендерам причальных сооружений (4 стендера на 2 причалах), соединяющихся с коллектором судна муфтами аварийного разъединения. В качестве моделируемого участка указанной линии выбран участок от штуцера нагнетания насоса отгрузки до отсечного клапана в головной части причала. Давление на выходе насосов принято равным 0,855 МПа (абс). Расход продукта в начальных точках каждой из четырех линий нагнетания задан 1925 м3/ч, и, как следствие, суммарный расход в конечной точке системы установлен 7700 м3/ч. Пропускная способность регулирующих клапанов в линиях нагнетания насосов рассчитана автоматически, исходя из давления в коллекторе за ними, равного 0,535 МПа (абс). 3. Проблемы и ограничения при построении модели В процессе моделирования интересующего участка трубопровода выявлен ряд ограничений, обусловленных особенностями работы ПО “Гидросистема”: 1) не удалось включить в модель отгрузочные насосы для расчета сценариев гидроудара с учетом их аварийного останова. Несмотря на то, что функционал программы это позволяет, в нашем случае добавление в моделируемую систему насосов по неустановленной причине приводило к сбою изотермического расчета установившегося течения с появлением сообщения о выявленном фазовом переходе и ошибке расчета ТФС. 2) после подбора исходных параметров системы, позволяющих выполнить изотермический расчет модели с добавленными насосами, при последующем запуске расчета гидравлического удара появлялась ошибка, указывающая, что насос не может быть первым или последним сопротивлением в ветви. Следовательно, необходимо включать приемную часть насоса, однако сделать это не удалось в связи с отсутствием исходных данных о давлении на приеме насосов. При попытках задать произвольное входное давление программа также сигнализировала об ошибке расчета ТФС. Таким образом, при последующем моделировании сценариев срабатывания системы аварийного останова для расчета гидроудара пришлось исключить из рассмотрения аварийный останов насосов. 3) задача дополнительно осложняется отсутствием возможности понятного ввода выходного давления в настройках параметров насоса. 4) реализованная на данный момент в ПО “Гидросистема” модель насоса при расчете гидроудара использует принудительное задание изменения величины расхода через аппарат во времени по аналогии с запорной арматурой, что является упрощением и применимо преимущественно для моделирования динамики насосов объемного типа. 5) тестовый запуск теплового расчета построенной модели с произвольно заданными параметрами окружающей среды и местом пролегания трубопровода без учета теплоизоляции прерывался сообщением о появлении фазового перехода и невозможности дальнейшего расчета, что, вероятно, связано с вводом некорректных по отношению к СПГ условий теплообмена. Для более точного выяснения причин данной проблемы необходимы дальнейшие исследования. 6) расчет гидроудара в ПО “Гидросистема” выполняется по уравнениям изотермического течения, т.к. принимается допущение, что характерное время для процессов теплообмена, как правило, существенно превышает время прохождения волны гидроудара. Первоначальное изменение температуры продукта вдоль трубопровода и соответствующее изменение ТФС продукта по результатам поверочного теплового расчета могут быть учтены, однако перераспределение температуры при длительных переходных процессах не учитывается. 7) при расчете регулирующих клапанов (регуляторов расхода) считается, что клапан продолжает регулировать расход и в условиях переходного процесса (гидроудара), что, безусловно, является идеализацией, так как клапан может просто "не успевать" за изменениями параметров. Для моделирования ситуации, когда регулирующий клапан не успевает за процессом, можно провести расчет, заменив его арматурой с заданным значением Kv, в качестве которого задать величину, рассчитанную в результате расчета установившегося течения. 4. Результаты моделирования Схематическое графическое изображение смоделированного участка отгрузочного терминала СПГ в изометрии представлено на рис. 1. Для расчета установившегося течения жидкости в построенной системе был выбран изотермический вариант поверочного расчета. Цифрами 1, 2 обозначены запорные клапаны, входящие в состав системы аварийного останова, которые использовались как управляющие элементы при моделировании сценариев появления гидроудара. Были рассмотрены и проанализированы следующие варианты сценариев: 1) одновременное срабатывание клапанов 1, 2 системы аварийного останова 1-й ступени (ESD-1). При этом для отсечного клапана на береговой линии 1 заданы время закрытия 15 с и закон изменения состояния “гладкий – сплайн”, для клапана в головной части причала 2 закон изменения состояния “гладкий – сплайн” и время закрытия 36 с; 2) аварийное закрытие клапана на береговой линии 1 ( = 15 с) при открытом состоянии клапана 2; 3) аварийное срабатывание отсечного клапана 2 ( = 36 с) при открытом клапане 1. Графики изменения давления, расхода, скорости потока и усилий в выбранных точках наблюдения 1’, 2’, 3’, 4’, сформированные по результатам моделирования переходных процессов согласно перечисленным сценариям, приведены в приложении 1 к отчету. Качественная оценка данной информации, а также ее сравнительный анализ с результатами расчетов в ПО “Flowmaster” позволяют сделать вывод об общей корректности расчетов гидроудара в системах транспорта СПГ, выполненных с использованием программы “Гидросистема” и об их сопоставимости с расчетными данными среды “Flowmaster”. Рис.1 Графическая схема участка отгрузочного терминала СПГ, смоделированного в ПО “Гидросистема” (изометрия) 1 отсечной клапан 1-й ступени (ESD-1) на береговой линии, 2 отсечной клапан 1-й ступени (ESD-1) в головной части причала В частности, при анализе информации, представленной на рис. 2 приложения 1, видно, что пиковые давления гидроудара, возникающие на протяженном участке трубопровода от берегового клапана 1 до клапана эстакады причала 2 при реализации сценария 1, в принятой нами конфигурации варьируются в пределах от 1,96 МПа до 1,04 МПа для точек наблюдения 3’ и 4’, соответственно, что не превышает расчетное давление трубопровода, равное 3,9 МПа. Необходимо отметить, что отрицательные давления, расходы, скорости и усилия на указанных графиках следует интерпретировать не как непосредственно отрицательные значения физических величин, а как изменение их направления относительно рассматриваемой точки наблюдения. Основные расхождения в результатах связаны с тем, что в отличие от “Flowmaster” система, созданная нами в “Гидросистеме”, не моделирует аварийный останов отгрузочных насосов (т.е. по сути моделируется отличный от исходного сценарий останова, при котором происходит закрытие отсечных клапанов 1 и 2 при работающих насосах отгрузки), и, как следствие, пиковые значения давлений гидроудара во всей системе наблюдаются на участке от штуцеров насосов до обратных клапанов, что в данном случае вполне закономерно. Кроме того, для строго корректного сравнения результатов необходимо воссоздать полную модель терминала от насосов нагнетания до коллектора на судне, что планируется реализовать на следующем этапе исследований. Тем не менее, на наиболее протяженном участке от берегового клапана 1 до клапана на причале 2 (2985 м) получена хорошая сходимость давлений и усилий гидроудара со значениями из расчета “Flowmaster” (порядка 1740 кПа в середине участка против 15101530 кПа во “Flowmaster”). Также в ходе тестирования “Гидросистемы” были предварительно исследованы дополнительные возможности программы, в частности, имеющийся функционал по учету влияния кавитации при моделировании неустановившегося течения жидкости. Так, был проведен расчет гидроудара с учетом кавитации для сценария 1 аварийного останова, и сравнительная оценка полученных графиков изменения давления с аналогичным расчетом без учета кавитации (рис. 2 и 6 в приложении 1) свидетельствует о значительных изменениях, вносимых ей в характер протекания СПГ по трубопроводу, и увеличении пиковых давлений гидроудара. При этом в связи с общим удлинением цикла изменения состояния для информативности рекомендуется при расчетах гидроудара с учетом кавитации увеличивать общее время счета до 5001000 с и шаг вывода данных до 25 с. В справочной информации и в инструментарии ПО “Гидросистема” также указана возможность экспорта рассчитанных усилий в программные продукты “СТАРТ” и “Цезарь”, экспорта самой модели трубопровода в “СТАРТ” (через файлы открытого формата), а также импорта информации о трубопроводе из файлов программы “СТАРТ”, однако работоспособность данного функционала в рамках проведенного тестирования не проверялась. 5. Заключение В ходе проведенного предварительного тестирования ПО “Гидросистема” была подтверждена возможность его применения для проведения гидродинамических расчетов неустановившегося течения жидкости при гидроударе в системах транспорта СПГ и его компонентов с учетом ограничений, отраженных в разделе 3. Программа в целом обладает широким функционалом и позволяет учитывать в расчетах большое количество факторов, влияние которых интерпретируется программой довольно точно (по субъективной оценке специалистов, проводящих тестирование). Тем не менее, выявлен ряд проблем, в частности, при включении в систему моделей насосов, не позволивших полноценно воссоздать интересующую модель отгрузочного терминала СПГ объекта «Ямал СПГ» для детального сравнительного анализа с расчетами в среде “Flowmaster”. Для поиска оптимальных вариантов их решения, а также более точной оценки применимости «Гидросистемы» и корректности генерируемых результатов при решении практических задач по расчету переходных процессов в СПГ необходимы дальнейшие исследования. Приложение 1 3 2,5 2 Давление, МПа 1,5 1 0,5 0 0 20 40 60 80 100 -0,5 -1 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 2 График изменения давления во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 1) 120 10000 8000 6000 Расход, м3/час 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 -2000 -4000 -6000 -8000 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 3 График изменения расхода во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 1) 120 6 4 Скорость, м/c 2 0 0 20 40 60 80 100 120 -2 -4 -6 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 4 График изменения скорости потока во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 1) 800000 600000 400000 Усилия, Н 200000 0 0 20 40 60 80 100 -200000 -400000 -600000 -800000 Время, с Между точками наблюдения 3' и 4' Рис. 5 График изменения усилий во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 1) 120 1,8 1,6 1,4 Давление, МПа 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 100 200 300 400 500 600 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 6 График изменения давления во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 1 с включенным учетом кавитации) 700 3 2,5 2 Давление, МПа 1,5 1 0,5 0 0 20 40 60 80 100 -0,5 -1 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 7 График изменения давления во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 2) 120 10000 8000 6000 Расход, м3/час 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 -2000 -4000 -6000 -8000 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 8 График изменения расхода во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 2) 120 6 4 Скорость, м/c 2 0 0 20 40 60 80 100 120 -2 -4 -6 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 9 График изменения скорости потока во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 2) 800000 600000 400000 Усилия, Н 200000 0 0 20 40 60 80 100 -200000 -400000 -600000 -800000 Время, с Между точками наблюдения 3' и 4' Рис. 10 График изменения усилий во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 2) 120 3 2,5 2 Давление, МПа 1,5 1 0,5 0 0 20 40 60 80 100 120 -0,5 -1 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 11 График изменения давления во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 3) 10000 8000 Расход, м3/час 6000 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 -2000 -4000 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 12 График изменения расхода во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 3) 120 6 4 Скорость, м/c 2 0 0 20 40 60 80 100 120 -2 -4 -6 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 13 График изменения скорости потока во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 3) 400000 300000 200000 Усилия, Н 100000 0 0 20 40 60 80 100 -100000 -200000 -300000 -400000 Время, с Между точками наблюдения 3' и 4' Рис. 14 График изменения усилий во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 3) 120 5 4 Объем пузырьков, % 3 2 1 0 0 100 200 300 -1 400 500 600 700 800 900 1000 Время, с 1' на участке от штуцера нагнетания насоса до обратного клапана 2' на участке от обратного клапана до запорного клапана 1 3' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 1) 4' на участке от клапана 1 до клапана 2 (ближе к 2) Рис. 15 График изменения объема кавитационных пузырьков во времени в выбранных точках наблюдения при гидроударе (сценарий 2 с включенным учетом кавитации)
