Capitolul 6

TRANSPORTUL GAZELOR NATURALE PRIN CONDUCTE

6.1. Consideraţii generale:

Conform ordinului 101/08.12.1997 emis de cãtre Agenţia Naţionalã pentru resurse minerale (ANMR) se definesc urmãtoarele:

Petrolul reprezintã substanţele minerale combustibile, constituite din amestecuri de hidrocarburi naturale acumulate în scoarţa terestrã, care în codiţii de suprafaţã se prezintã în stare gazoasã sau lichidã;

Petrolul cuprinde urmãtoarele substanţe: Ţiţei, amestec de hidrocarburi, care în condiţii de zãcãmânt şi

standard se prezintã în stare lichidã; Gaze asociate cu ţiţeiul sunt gazele dizolvate în ţiţei în condiţii

iniţiale de zãcãmânt şi gazele din capul primar de gaze asociate acumulãrilor de ţiţei;

Gazele naturale libere acumulate în zãcãminte exclusiv sub formã de gaze; acestea pot fi gaze sãrace (fãrã condensat), gaze bogate (în amestec cu condensat în condiţii de zãcãmânt la care raţia gaz-condensat depãşeşte 27000 mS

3/m3), sau gaz condensat (gaze în amestec cu condensat (C) în condiţii de zãcãmânt la care raţia gaz-condensat este cuprinsã între 540-27000 mS

3/m3); Condensatul reprezintã o fracţie lichidã de hidrocarburi uşoare la

care componenta C7+ nu depãşeşte 12,5%, rezultat prin procese de separare a gazelor provenite din zãcãmintele de gaz condensat, din gaze bogate sau din capul de gaze al zãcãmântului de ţiţei;

Amestecuri de gaze combustibile naturale din zãcãmintele exclusiv de gaze, care pot, pe lângã componenţii din grupa hidrocarburilor sã conţinã şi alţi componenţi chimici (dioxid de carbon, azot, argon, hidrogen sulfurat etc.) în proporţii cumulate de peste 10% (volumetric) şi a cãror combustibilitate este doveditã prin teste de ardere.

Deci, gazele naturale sunt hidrocarburi parafinice (alcani) care, în condiţii standard de presiune si temperaturã (p0 = 1,01325.105 N/m2, T0 = 288,15 K) se gãsesc în stare gazoasã. In categoria gazelor naturale intrã hidrocarburile care au urmãtoarele proprietãţi (STAS 3317-67):

Densitate 0,710…0,905 kg/m3

Densitate relativã în raport cu aerul 0,550…0,700 Limite de explozivitate (metan) 5…15% din volum

88 Transportul şi depozitarea hidrocarburilor

Temperatura de autoaprindere 650…750 0C.Deoarece presiunea la cele douã capete ale conductei de gaze

rãmâne practic constantã pe perioade mari de timp, mişcarea gazelor prin conducte poate fi consideratã ca fiind staţionarã.

Cercetãrile experimentale au condus la concluzia cã variaţia temperaturii în lungul conductei magistrale de gaze nu este semnificativã. In general, aceastã variaţie este mai accentuatã într-o porţiune scurtã de la intrarea în conductã de-a lungul cãreia s-ar putea efectua un calcul termic. Ca atare se poate considera cã transportul gazelor prin conducte magistrale se desfãşoarã în regim izoterm.

6.2. Calculul hidraulic al conductelor de gaze

6.2.1. Ecuaţia presiunii

Ecuaţia fundamentalã a dinamicii fluidelor reale poate fi scrisã sub forma:

(6.1)

care, prin neglijarea energiei potenţiale (exprimatã în metrii coloanã de fluid transportat) pe motivul valorii mici a densitãţii gazelor, devine:

(6.2)

obţinutã prin înlocuirea în relaţia (6.1) a termenului corespunzãtor disipãrii energiei pentru un element de conductã de lungime dx, dar neglijând pierderile locale de energie.

Acum

(6.3)

Din ecuaţia generalã a gazelor ideale

(6.4)

rezultã cã pentru un proces izoterm

Din ecuaţia de continuitate reiese cã:

,

astfel încât

(6.5)

Deoarece

Transportul şi depozitarea hidrocarburilor 89

(6.6)

ecuaţia (6.3) capãtã forma

(6.7)

Integrarea acesteia între limitele

(6.8)

va rezulta cã

(6.9)

pe considerentul cã v 1v1, deci v1 v2, astfel încât 2ln(v1/v2) 0.Ecuaţia (6.9) este implicitã. Înlãturarea acestei dificultãţi se face prin

deducerea ecuaţiei debitului.

6.2.2. Ecuaţia debitului

Din ecuaţia (6.9) rezultã imediat

(6.10)

ca şi ecuaţia debitului raportat la condiţiile de la intrarea în conductã (T1, p1),

(6.11)

Ecuaţia gazelor reale se poate exprima prin forma

, (6.12)

care, prin folosirea densitãţii relative a gazelor (), devine

(6.13)

Cu aceste considerente, ecuaţia (6.11) devine

(6.14)

In mod normal debitul de gaze se raporteazã la condiţiile standard.Deoarece

p0 Q0 = Z0RTo

şi

90 Transportul şi depozitarea hidrocarburilor

p1 Q1 = Z1RT1,

rezultã

(6.15)

astfel încât

(6.16)

Relaţia finalã a cãderilor de presiune poate fi scrisã sub forma

(6.17)

fiind o altã formã a ecuaţiei energiei, (Bernoulli).In expresia (6.17), modulul de debit K reprezintã

(6.18)

reieşind cã acesta nu este o constantã, aşa cum de obicei se considerã, ci o variabilã funcţie de compoziţia gazelor reprezentatã prin valoarea densitãţii relative a acestora în raport cu aerul, de valoarea temperaturii (T1) şi presiunii (p1) la intrarea în conductã ca şi de regimul de curgere.

În legãturã cu coeficientul de rezistenţã hidraulicã, în transportul gazelor prin conducte, se poate reaminti cã acesta este funcţie atât de regimul de curgere cât si de rugozitatea relativã, pentru:

Conducte mixte ;

Conducte rugoase .

Oricum numãrul Re are expresia:

(6.19)

Deoarece viteza masicã (v) este constantã, iar variaţia vâscozitãţii dinamice cu presiunea este neglijabilã (pentru gaz metan, la temperatura de 150C aceasta are valoarea de = 0,01 cP la o presiune de 1 bara şi de = 0,012 cP la 70 bara), rezistentele hidraulice pot fi deduse cu relaţia lui Colebrook şi White sau cu relaţia Weymonth,

(6.20)

în care diametrul se exprimã în metri.Deoarece, prin experimente, s-a dovedit cã relaţia Weymounth este

valabilă numai pentru gaze uscate, afirmaţie neconfirmatã prin mãsurãtorile de teren, catedra de Hidraulicã a UPG Ploieşti, prin prof.dr.ing. Alexandru SOARE şi şef lucr.dr.ing. Gheorghe IONESCU, în urma unor cercetãri cerute de Centrala Gazului Metan Mediaş, au stabilit o nouã relaţie de calcul a rezistentelor hidraulice pentru transportul gazelor umede prin

Transportul şi depozitarea hidrocarburilor 91

conducte:

(6.21)

unde u reprezintã rezistentele hidraulice pentru gaze umede iar datele reieşite din aplicarea formulei Weymounth.

În aceastã relaţie:a1 = 0,1500; a4 = -0,1570;a2 = -0,3250; a5 = 0,0317;a3 = 0,3310; a6 = -0,0014;

Un alt parametru care poate prezenta interes în proiectare este valoarea presiunii medii într-o conductã de gaze.

p1

pm

p2

0 x L

Fig. 6.1. Presiunea medie într-o conductă care transportă gaze sau lichide

Conform figurii 6.1.

(6.22)

ceea ce este echivalent cu

(6.23)

care dupã integrare are valoarea

(6.24)

demonstrând faptul cã presiunea medie într-o conductã de gaze, la distanta x, este mai mare decât cea existentã într-o conductã de transport lichide.

g

l

92 Transportul şi depozitarea hidrocarburilor

6.3. Calculul hidraulic al conductelor complexe

În aceastã categorie intrã conductele cu pantã hidraulicã variabilã, cu debite diferite sau cu variaţia ambilor parametrii.

6.3.1. Conducte montate în serie

Se considerã o conductã de transport gaze formatã din n tronsoane de lungimi li şi module de debit Ki care trebuie sã transporte un debit volumetric Q (figura 6.2).

Q l1,K1 l2,K2 ln,Kn

1 2 3 n n+1

Fig. 6.2. Conducte montate în serie

Se observã cã diferenţa de presiune între cele douã capete ale conductei este egalã cu suma cãderilor de presiune pe cele n conducte, astfel cã:

(6.25)

Acum

(6.26)

(6.27)

Deoarece se cunosc urmãtorii parametrii: debitul volumetric, lungimile tronsoanelor de conductã ca şi distribuţia de presiune, din ecuaţiile tip (6.26) se poate deduce modulul de debit Ki, şi deci diametrul tronsonului i, di, pe motivul proporţionalitãţii.

(6.28)

Transportul şi depozitarea hidrocarburilor 93

L fiind .

6.3.2. Conducte montate în paralel

Este posibil ca de-a lungul unei conducte magistrale de transportat gaze sã fie necesarã montarea, între douã noduri, 1 si 2, a n conducte de lungimi (trasee) diferite (module de debite diferite) si deci, debite parţiale diferite (figura 7.3).

l1, K1, q1

l1, k1, q1

1 2

Q ln, Kn, qn

Fig. 6.3. Conducte montate în paralel

Cãderile de presiune între punctele 1 si 2, scrise pentru fiecare ramurã în parte, vor avea formele redate mai jos; din acestea se pot deduce debitele pe fiecare ramurã (noi necunoscute în ecuaţia generalã de curgere):

Conform ecuaţiei de continuitate

(6.29)

rezultând expresia

(6.30)

din care se poate deduce modulul de debit KI şi deci diametrul tronsonului i.

6.3.3. Conducte colectoare de gaze

l2, K2, q2

94 Transportul şi depozitarea hidrocarburilor

Calculul hidraulic al conductelor colectoare de gaze (figura 6.4) se deosebeşte de calculul hidraulic al conductelor montate în serie prin faptul cã la colectare debitul pe fiecare tronson are altã valoare, şi anume, una mai mare

q1 q2 q3 qn

l1, K1 l2, K2 ln, Kn

1 Q1 2 Q2 3 n Q n

n+1

Fig. 6.4. Schema unui colector

Cãderea de presiune de-a lungul colectorului va fi egalã cu suma cãderilor de presiune de pe fiecare tronson, adicã

(6.31)

Convenţional se pot distinge douã situaţii: Colector cu diametru constant (debite sau lungimi mici)

(6.32)

Colector cu diametru variabil (6.31)Pentru determinarea modulului de debit pe tronsonul “i” se poate

folosi proporţionalitatea

(6.33)

Deoarece valoarea (p12 – pn+1

2) este cunoscutã, din relaţiile (6.32), respectiv (6.33) se deduc K şi deci Ki, şi ca atare, diametrul d sau di.

6.4. Metode folosite pentru mărirea capacităţii de transport

Transportul şi depozitarea hidrocarburilor 95

Spre deosebire de transportul lichidelor prin conducte mãrirea capacităţii de transport printr-o conductã de gaze deja aflatã în exploatare dispune de posibilitãţi limitate datoritã restricţiilor prezentate la (7.1). Astfel, singura metodã, la îndemânã, este schimbarea pantei hidraulice prin cele douã variante posibile.

6.4.1. Montarea unei intercalaţii

În cazul în care o conductã de gaze de lungime L si modul de debit K transportã un debit volumic Q, ecuaţia care descrie aceastã curgere este redatã în relaţia (6.17). Pentru mãrirea debitului de la valoarea Q la valoarea Q1, undeva pe traseu, la o distantã “l” nedeterminatã se monteazã o intercalaţie de lungime “x” care urmeazã a fi estimatã, de modul K1

(diametru interior d1>d) - figura 7.6.

Q L, K 1 2 Q1 l, K x, K1 (L-l-x), K

1 M N 2

Fig. 6.6. Mărirea debitului de transport prin montarea unei intercalaţii

Cãderea de presiune de-a lungul conductei poate fi scrisã, în noua situaţie sub forma:

(6.34)

sau,

, (6.35)

din care se deduce imediat lungimea intercalaţiei de diametru d1 (modul K1)

(6.36)

Din aceastã ecuaţie rezultã cã putem monta aceastã intercalaţie oriunde pe traseu; desigur cã se recomandã ca aceasta sã se monteze la capul 2 (beneficiar) deoarece valoarea mai redusã a presiunii va conduce la o grosime de perete mai micã.

6.4.2. Montarea unei derivaţii

Pentru creşterea debitului volumic de gaze se poate monta o derivaţie pe o lungime “x” care urmeazã a fi determinatã, aceasta având acelaşi

96 Transportul şi depozitarea hidrocarburilor

modul de debit, k, sau unul mãrit k1(d1>d) - figura 6.7.

Q L, K 1 2 Q1 (L – x), K M x, q, K 1 2

Fig. 6.7. Mărirea debitului de transport prin montarea unei derivaţii

Cãderea totalã de presiune de-a lungul întregului sistem de transport va fi egalã cu suma acestora pe fiecare tronson în parte

(6.37)

Pentru ramura superioarã (M – 2), cãderea de presiune va avea expresia

,

din care se poate deduce necunoscuta q (debit)

(6.38)

La fel se deduce si debitul q1 din ramura inferioarã (M – 2)

(6.39)

Deoarece

(6.40)

se poate deduce cãderea de presiune pe tronsonul (M - 2)

(6.41)

Revenind la relaţia (6.37) se poate scrie

din care se deduce lungimea derivaţiei

x, q1, K1

Transportul şi depozitarea hidrocarburilor 97

(6.42)

Aceastã ecuaţie, pentru K = K1, adicã d = d1, se reduce la expresia simplã

(6.43)