RU2559225C1 - Combined protection system of filling line against water hammer - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to the pipelines protection devices, mainly oil filling marine and rive terminals against high pressure waves (water hammers), generated during the pipeline operation in case of quick closing of gates in the pipeline of oil export terminals, and can be used during operation of the liquid systems, namely oil and oil product pipelines. The protection system of the oil export line against the water hammer contains jetty and onshore drain tanks, connected with export line, in its end cross-section a gate is installed, at that the jetty drain tank is made with capacity below the capacity of the onshore drain tank, at that each tank is made tight, has free connection with export line, and is partially filled with gas and transported liquid.

EFFECT: exclusion of the necessity in pumps use for back injection of the liquid from the drain tanks in the pipeline, exclusion of the drain tanks overfilling, elimination of time delay in the protection systems activation upon pressure rise in the pipeline.

4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для защиты трубопроводов, преимущественно нефтеналивных морских и речных терминалов от волн повышенного давления (гидравлических ударов), возникающих в процессе эксплуатации трубопровода при быстром закрытии задвижек на трубопроводах нефтеналивных терминалов, и может быть использовано при эксплуатации жидкостных систем, а именно нефтепроводов и нефтепродуктопроводов.The invention relates to a device for protecting pipelines, mainly oil and gas sea and river terminals from high pressure waves (hydraulic shocks) that occur during operation of the pipeline with the quick closing of valves on the pipelines of oil terminals, and can be used in the operation of liquid systems, namely oil pipelines and oil pipelines.

При закрытии секущей (судовой) задвижки происходит резкое торможение потока жидкости в трубе, неизбежно вызывающее столь же резкое увеличение давления. Скачок давления гасит инерцию, которой обладает движущаяся жидкость. Фронт торможения распространяется в виде волны повышенного давления вверх по течению, поэтому в том или ином сечении наливного трубопровода (нефтепровода) может произойти его разрыв, разгерметизация и выход транспортируемой жидкости наружу.When the secant (ship) valve is closed, there is a sharp braking of the fluid flow in the pipe, which inevitably causes an equally sharp increase in pressure. A pressure surge dampens the inertia possessed by a moving fluid. The braking front propagates in the form of a wave of increased pressure upstream, therefore, in one section or another of the bulk pipeline (oil pipeline), it may break, depressurize and the transported liquid exits outward.

Известно устройство для компенсации увеличения давления в волне гидравлического удара, представляющее собой закрытую емкость, в которую через подводящий патрубок подается инертный газ. Жидкость из защищаемого трубопровода попадает в устройство через клапан. Более того, устройство оснащено клапаном, обеспечивающим обратный переток жидкости из емкости в трубопровод (см. Патент US №5816291 (А), опубликован 06.10.1998). К недостаткам данного устройства относятся большие габариты закрытой емкости, что является критичным условием при защите трубопроводов нефтеналивных терминалов ввиду дефицита свободного пространства на причалах.A device is known for compensating for the increase in pressure in the wave of hydraulic shock, which is a closed container into which inert gas is supplied through the inlet pipe. Liquid from the protected pipeline enters the device through the valve. Moreover, the device is equipped with a valve that provides the return flow of fluid from the tank into the pipeline (see US Patent No. 5816291 (A), published on 10/06/1998). The disadvantages of this device include the large dimensions of the closed tank, which is a critical condition for the protection of oil terminal pipelines due to the lack of free space at the berths.

Известно устройство для защиты от гидравлического удара, основанное на применении хрупких шаров, разрушающихся при превышении давления выше допустимого, тем самым демпфирующих колебания давления при гидравлическом ударе (см. Патент RU №2134834, F16L 55/045, опубликован 20.08.1999). К недостаткам данного устройства относится необходимость периодической замены разрушенных шаров и относительная сложность изготовления и установки шаров, а также непрерывного функционирования данного устройства.A device for protection against water hammer, based on the use of brittle balls that collapse when the pressure is higher than the permissible, thereby damping pressure fluctuations during water hammer (see Patent RU No. 2134834, F16L 55/045, published on 08.20.1999). The disadvantages of this device include the need for periodic replacement of destroyed balls and the relative complexity of the manufacture and installation of balls, as well as the continuous operation of this device.

Известно устройство гасителя гидравлического удара, предназначенное для предотвращения или уменьшения воздействия гидравлического удара, представляющее собой упругий шланг с диаметром, меньшим, чем диаметр трубопровода, заполненный воздухом и закрепленный в нижней части внутренней полости трубопровода, при этом концы шланга закрыты пробками (см. Патент RU №2220359, F16L 55/045, опубликован 20.06.2003). Однако данное устройство создает дополнительное сопротивление течению жидкости и тем самым снижает пропускную способность трубопровода. Более того, в случае износа или механического повреждения упругой оболочки шланга устройство перестанет функционировать.A device for a water hammer absorber is designed to prevent or reduce the impact of water hammer, which is an elastic hose with a diameter smaller than the diameter of the pipe, filled with air and fixed in the lower part of the internal cavity of the pipe, while the ends of the hose are closed with plugs (see RU Patent No. 2220359, F16L 55/045, published 06/20/2003). However, this device creates additional resistance to fluid flow and thereby reduces the throughput of the pipeline. Moreover, in the event of wear or mechanical damage to the elastic shell of the hose, the device will cease to function.

Известно устройство для защиты от гидравлического удара, представляющее собой герметичную емкость, подключаемую к защищаемому трубопроводу. В этой емкости находится сжимаемая камера, заполненная газом. Жидкость может беспрепятственно перетекать во внутреннюю полость устройства, тем самым достигается снижение уровня давления в основном трубопроводе (см. Патент US №3420273 A, опубликован 07.01.1969). К недостаткам известного устройства относится относительно большой объем емкости, необходимой для обеспечения требуемого уровня защиты трубопровода.A device for protection against water hammer, which is a sealed container that is connected to the protected pipeline. In this tank is a compressible chamber filled with gas. The fluid can flow freely into the internal cavity of the device, thereby achieving a reduction in the pressure level in the main pipeline (see US Patent No. 3420273 A, published 01/07/1969). The disadvantages of the known device include the relatively large volume of capacity required to provide the required level of protection for the pipeline.

Известно также устройство, предназначенное для гашения волны гидравлического удара, представляющее собой воздушный колпак, подключенный к защищаемому трубопроводу вблизи источника гидравлического удара, способный прервать дальнейшее распространение волны гидравлического удара (см. монография «Гидравлика», Френкель Н.З. 1956 г., стр.315, фиг.19-1). Недостатком известного устройства является то, что для обеспечения требуемого уровня защиты необходима установка воздушного колпака весьма большой вместимости.There is also known a device designed to damp a water shock wave, which is an air cap connected to a protected pipeline near a water shock source, capable of interrupting the further propagation of a water shock wave (see the monograph Hydraulics, N. N. Frenkel, 1956, p. .315, Fig. 19-1). A disadvantage of the known device is that to ensure the required level of protection, it is necessary to install an air cap of a very large capacity.

Наиболее близким решением к заявляемому изобретению является устройство системы защиты морского нефтеналивного терминала от волн гидравлического удара, содержащее причальную и береговую сбросные открытые емкости, соединенные с нефтеналивным трубопроводом. В местах подключения емкостей к защищаемому трубопроводу устанавливаются предохранительные клапаны (см. статью «Комбинированная система защиты морских нефтеналивных терминалов от гидроударных явлений», Арбузов Н.С., «Трубопроводный транспорт: теория и практика» №4 (20), август 2010, с. 20-23). Недостатками известного устройства являются: необходимость установки дополнительного насосного оборудования для обратной закачки жидкости из сбросных емкостей в трубопровод; возможность переполнения предохранительных емкостей, для чего их объем должен быть весьма велик; задержка срабатывания системы защиты, вызываемая конструктивными особенностями предохранительных клапанов.The closest solution to the claimed invention is a device for protecting the offshore oil terminal from waves of hydraulic shock, containing a berth and shore discharge open tanks connected to the oil pipeline. Safety valves are installed in the places where the tanks are connected to the pipeline to be protected (see the article “Combined System for the Protection of Offshore Oil Terminals from Hydroshock Phenomena”, NS Arbuzov, “Pipeline Transport: Theory and Practice” No. 4 (20), August 2010, p. . 20-23). The disadvantages of the known device are: the need to install additional pumping equipment for re-injection of liquid from the waste tanks into the pipeline; the possibility of overfilling safety containers, for which their volume should be very large; delayed response of the protection system caused by the design features of the safety valves.

Техническим результатом изобретения является исключение необходимости применения насосов для обратной закачки жидкости из сбросных емкостей в трубопровод, исключение возможности переполнения сбросных емкостей, устранение задержки (запаздывания) в срабатывании систем защиты при повышении давления в трубопроводе.The technical result of the invention is to eliminate the need for pumps to re-inject liquid from the waste tanks into the pipeline, to eliminate the possibility of overflow of the waste tanks, to eliminate the delay (delay) in the operation of protection systems with increasing pressure in the pipeline.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что система защиты наливного трубопровода от гидравлического удара содержит причальную и береговую сбросные емкости, соединенные с наливным трубопроводом, в конечном сечении которого установлена задвижка, причем причальная сбросная емкость выполнена меньшего объема, чем береговая сбросная емкость, при этом каждая емкость выполнена герметичной, свободно сообщена с наливным трубопроводом и частично заполнена газом и транспортируемой жидкостью.The technical result of the invention is achieved due to the fact that the system for protecting the bulk pipeline from water hammer contains a berthing and shore discharge tanks connected to a bulk pipe, in the final section of which a valve is installed, and the berthing discharge tank is made smaller than the shore discharge tank, each container is sealed, freely connected to the bulk pipeline and partially filled with gas and transported liquid.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема комбинированной системы защиты; на фиг. 2 показана сбросная емкость (газовый колпак); на фиг. 3 показано изменение давления в трубопроводе в случае системы защиты с одной сбросной емкостью (причальной); на фиг. 4 показано изменение давления в трубопроводе в случае комбинированной системы защиты с двумя сбросными емкостями (газовыми колпаками малого объема на причале и большего объема на берегу).The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of a combined protection system; in FIG. 2 shows a discharge tank (gas cap); in FIG. 3 shows the change in pressure in the pipeline in the case of a protection system with one discharge tank (berth); in FIG. 4 shows the change in pressure in the pipeline in the case of a combined protection system with two discharge tanks (gas caps of small volume on the berth and larger volume on the shore).

Комбинированная система защиты наливного (нефтеналивного) трубопровода от гидравлического удара содержит причальную и береговую герметичные сбросные емкости 1 и 2 (газовые (воздушные) колпаки), свободно сообщенные с наливным трубопроводом 3. Причальная сбросная емкость 1 выполнена меньшего объема, чем береговая сбросная емкость 2, при этом для обеспечения демпфирующих свойств каждая емкость 1, 2 частично заполняется газом и частично - транспортируемой жидкостью (например, нефтью или другими нефтепродуктами: дизельное топливо, бензин, сжиженные углеводородные газы и т.п.).The combined system of protection of the bulk (oil) pipeline from water hammer contains a berth and coastal sealed discharge tanks 1 and 2 (gas (air) caps) freely connected with the bulk pipeline 3. The berthing discharge tank 1 is made smaller than the coastal discharge tank 2, in order to ensure damping properties, each tank 1, 2 is partially filled with gas and partially with transported liquid (for example, oil or other petroleum products: diesel fuel, gasoline, hydrocarbon gases, etc.).

Схема работы заявленного устройства изображена на фиг.1 и заключается в следующем. При штатном режиме перекачки транспортируемая жидкость подается из резервуарного парка 4 по наливному трубопроводу 3 на принимающий танкер (не показан). В этом случае давление в полости емкостей 1 и 2 (газовых (воздушных) колпаков) устанавливается равным давлению в сечении подключения емкостей 1, 2 к трубопроводу 3. При экстренном закрытии секущей (судовой) задвижки 5 формируется волна давления, которая распространяется в направлении резервуарного парка 4. При этом жидкость сразу же начинает частично сбрасываться в установленную на причале причальную емкость 1 (причальная система защиты), постепенно повышая в ней давление. Та часть волны гидравлического удара, которую не способна остановить емкость 1 меньшего объема будет перенаправлена в емкость 2 большего объема (береговая система защиты), установленную на берегу. Приходящая от нее к емкости 1 волна разрежения прекращает сброс в нее транспортируемой жидкости.The operation scheme of the claimed device is shown in figure 1 and is as follows. In the normal mode of pumping, the transported liquid is supplied from the tank farm 4 through the bulk pipeline 3 to the receiving tanker (not shown). In this case, the pressure in the cavity of the tanks 1 and 2 (gas (air) caps) is set equal to the pressure in the section for connecting the tanks 1, 2 to the pipeline 3. When the secant (ship) valve 5 is closed emergencyly, a pressure wave forms, which propagates in the direction of the tank farm 4. In this case, the liquid immediately begins to partially discharge into the berth tank 1 installed on the berth (berth protection system), gradually increasing the pressure in it. That part of the water hammer wave, which is not able to stop the tank 1 of a smaller volume will be redirected to the tank 2 of a larger volume (coastal protection system) installed on the shore. The rarefaction wave coming from it to the tank 1 stops the discharge of the transported liquid into it.

Эффективность заявляемого устройства подтверждается расчетами параметров переходного процесса, возникающего в наливном трубопроводе 3, оборудованным заявляемым устройством, при закрытии секущей задвижки 5. Рассмотрим результаты расчета двух способов защиты 5-км участка наливного трубопровода с внутренним диаметром d=500 мм, по которому транспортируют нефть с плотностью ρ=870 кг/м³ и кинематической вязкостью ν=10 сСт. Абсолютное давление в начальном сечении трубопровода Р_нач=0,6 МПа, давление в конечном сечении Р_кон=0,1 МПа. В конечном сечении рассматриваемого трубопровода 3 установлена задвижка 5, которая закрывается за время τ=5 с. Первый способ реализуется установкой в сечении, близком к конечному воздушного колпака, при этом подключение осуществляется напрямую, т.е. без предохранительного клапана. Вторым способом является применение комбинированной системы защиты. Газовый колпак 1 меньшего объема (5 м³) устанавливается в непосредственной близости от задвижки 5, в то время как газовый колпак 2 большего объема (30 м³) устанавливается на расстоянии 500 м от конечного сечения трубопровода 3. В качестве метода расчета нестационарных процессов используется известный «метод характеристик» (Лурье М.В. Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа, М.: Изд. центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. - 2012. - 456 с.).The effectiveness of the inventive device is confirmed by the calculation of the parameters of the transient process that occurs in the bulk pipeline 3, equipped with the inventive device, when closing the secant valve 5. Consider the results of two methods of protecting a 5-km section of the bulk pipeline with an inner diameter of d = 500 mm, which transport oil with density ρ = 870 kg / m ³ and kinematic viscosity ν = 10 cSt. The absolute pressure in the initial section of the pipeline R _beg = 0.6 MPa, the pressure in the final section P _con = 0.1 MPa. In the final section of the considered pipeline 3, a valve 5 is installed, which closes in a time τ = 5 s. The first method is implemented by installing in a section close to the final air cap, and the connection is made directly, i.e. without safety valve. The second way is to use a combined protection system. A gas cap 1 of a smaller volume (5 m ³ ) is installed in the immediate vicinity of the valve 5, while a gas cap 2 of a larger volume (30 m ³ ) is installed at a distance of 500 m from the final section of the pipeline 3. As a method for calculating non-stationary processes, the well-known "method of characteristics" (Lurie MV Mathematical modeling of the processes of pipeline transport of oil, oil products and gas, M .: Publishing center of the Gubkin Russian State University of Oil and Gas. - 2012. - 456 p.).

На фиг.3 представлены зависимости распределения давления в сечении подключения газового колпака. Очевидно, что с увеличением объема емкости удается снизить уровень максимального давления в трубопроводе 3.Figure 3 presents the dependence of the pressure distribution in the connection section of the gas cap. Obviously, with an increase in the volume of the tank, it is possible to reduce the maximum pressure level in the pipeline 3.

На фиг.4 показаны зависимости изменения уровней давления в трубопроводе 3 при установке комбинированной системы защиты. Из приведенных графиков видно, что применение комбинированной системы защиты позволяет не только эффективно защитить трубопровод 3 от гидравлического удара, но и освободить дополнительное пространство на причале.Figure 4 shows the dependence of changes in pressure levels in the pipeline 3 when installing a combined protection system. From the above graphs it is seen that the use of a combined protection system allows not only to effectively protect the pipeline 3 from water hammer, but also to free up additional space on the pier.

Устройство предназначено для защиты от гидравлических ударов, возникающих при быстром закрытии задвижки 5 в результате экстренных ситуаций - подвижке заполняемого танкера, переполнении танков, ложном срабатывании системы безопасности и т.п.Устройство предназначено для предотвращения или уменьшения воздействия гидравлического удара.The device is designed to protect against hydraulic shocks that occur when the valve 5 is quickly closed as a result of emergency situations - moving the tanker to be filled, overfilling of tanks, false triggering of the safety system, etc. The device is designed to prevent or reduce the impact of water hammer.

Предлагается использовать устройство, включающее две герметичные емкости 1, 2 различного объема, частично заполненные инертным газом (например, азотом), частично - транспортируемой жидкостью. На причале устанавливается герметичная емкость 1 меньшего объема (например, 5-10 м³), на берегу - герметичная емкость 2 большего объема (например, 25-50 м³). Обе емкости 1, 2 свободно сообщаются с наливным трубопроводом 3 и за счет сжимаемости находящегося в них газа позволяют обезопасить наливной трубопровод 3 от разгерметизации при гидравлическом ударе. Рабочим элементом предлагаемого устройства является газовый колпак, устройство которого изображено на фиг.2. Здесь жидкость из наливного трубопровода 3 поступает в полость газового колпака, сжимая при этом инертный газ и, как следствие, уменьшая давление в наливном трубопроводе 3. Волна разрежения, возникающая при начале отбора жидкости в береговую емкость 2, возвращаясь обратно к причальной емкости 1, прекращает поступление в нее транспортируемой жидкости.It is proposed to use a device that includes two sealed containers 1, 2 of different volumes, partially filled with an inert gas (for example, nitrogen), partially - with the transported liquid. A sealed container 1 of a smaller volume (for example, 5-10 m ³ ) is installed on the berth, and a sealed container 2 of a larger volume (for example, 25-50 m ³ ) is installed on the shore. Both tanks 1, 2 freely communicate with the bulk pipe 3 and, due to the compressibility of the gas contained in them, make it possible to protect the bulk pipe 3 from depressurization during water hammer. The working element of the proposed device is a gas cap, the device of which is shown in figure 2. Here, the liquid from the bulk pipeline 3 enters the cavity of the gas cap, compressing the inert gas and, as a result, reducing the pressure in the bulk pipeline 3. The rarefaction wave that occurs when the liquid is taken into shore tank 2, returning back to the berth tank 1, stops the entry of transported liquid into it.

Claims (1)

Система защиты наливного трубопровода от гидравлического удара, содержащая причальную и береговую сбросные емкости, соединенные с наливным трубопроводом, в конечном сечении которого установлена задвижка, отличающаяся тем, что причальная сбросная емкость выполнена меньшего объема, чем береговая сбросная емкость, при этом каждая емкость выполнена герметичной, свободно сообщена с наливным трубопроводом и частично заполнена газом и транспортируемой жидкостью. A system for protecting a bulk pipeline from water hammer, comprising a berth and shore discharge tanks connected to a bulk pipe, at the end of which a valve is installed, characterized in that the berth discharge tank is made smaller than the shore discharge tank, and each tank is sealed, freely connected to the bulk pipeline and partially filled with gas and transported liquid.

Images