Nghiên cứu tuyến ống vận chuyển khí hai pha từ Nam Côn Sơn đến Dinh Cố

LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, Dầu khí đã trở thành nguồn tài nguyên cung cấp năng lượng chủ yếu cho con người, cả trong lao động sản xuất lẫn trong cuộc sống hàng ngày. Chính vì vậy mà ngành công nghiệp Dầu khí ở các nước trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đã trở thành một ngành chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Tính cho đến nay, toàn ngành Dầu khí Việt Nam đã khai thác được 205 triệu tấn dầu thô và hơn 30 tỷ m3 khí, mang lại doanh thu trên 40 tỷ USD, nộp ngân sách nhà nước gần 25 tỷ USD, tạo dựng được nguồn vốn chủ sở hữu trên 80 nghìn tỷ đồng. Mục tiêu gia tăng trữ lượng dầu khí trong nhiều năm trở lại đây liên tục được hoàn thành với mức từ 30 - 35 triệu tấn dầu qui đổi/năm, nó có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với việc đảm bảo cân đối bền vững, duy trì ổn định sản lượng dầu khí khai thác phục vụ nền kinh tế, đảm bảo an ninh năng lượng của đất nước cho thời gian tới. Với những thành tích đáng ghi nhận như vậy, nền công nghiệp dầu khí hiện nay vẫn đang đẩy mạnh khai thác các mỏ hiện có; đồng thời tích cực hợp tác, tìm kiếm - thăm dò các mỏ có tiềm năng, trữ lượng cao trong và ngoài nước để có thể khai thác phục vụ nhu cầu sử dụng của con người trong tương lai. Một trong những lĩnh vực của nền công nghiệp dầu khí hiện đang rất được quan tâm đó là vận chuyển dầu khí. Nó là khâu quan trọng nối liền khai thác với chế biến và tiêu thụ, mà quá trình phát triển gắn liền với quá trình khai thác dầu khí. Đặc thù chung trong việc khai thác dầu khí ở nước ta là các giếng khai thác ở xa ngoài biển nên việc đưa dầu khí vào đất liền đòi hỏi một hệ thống đường ống dẫn lớn và yêu cầu làm việc hiệu quả, độ tin cậy cao. Với điều kiện khai thác như vậy thì việc thi công, lắp đặt các hệ thống đường ống dẫn dầu khí ngoài biển trở nên hết sức khó khăn, phức tạp. Việc tính toán thi công đường ống dẫn ngoài khơi trở nên cấp thiết hơn lúc nào hết. Xác định được tính cấp thiết và tầm quan trọng đó, em đã tiến hành xây dựng đồ án tốt nghiệp với nội dung là:“ Nghiên cứu tuyến ống vận chuyển khí hai pha từ Nam Côn Sơn đến Dinh Cố ”. Được sự gợi ý và hướng dẫn của ThS Đào Thị Uyên cùng các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị dầu khí và Công trình, chuyên đề của em là: “Tính toán công nghệ cho tuyến ống từ Nam Côn Sơn (NCSP) đến Dinh Cố”. Đồ Án chia làm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về công nghệ thu gom vận chuyển khí Chương 2: Các bước cơ bản xây dựng tuyến ống NCSP - Dinh Cố Chương 3: Tính toán công nghệ cho tuyến ống NCSP - Dinh Cố Chương 4: Công tác an toàn trong quá trình bảo dưỡng và sửa chữa. Để hoàn thành đồ án này em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn Thạc Sỹ Đào Thị Uyên cùng các thầy trong Bộ môn Thiết bị dầu khí đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án. Mặc dù em đã cố gắng tìm hiểu cũng như nghiên cứu các tài liệu có liên quan để xây dựng đồ án, nhưng do kinh nghiệm còn thiếu và trình độ còn hạn chế, nên đồ án này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự quan tâm góp ý của tất cả các thầy và các bạn để sau này khi tiếp xúc với môi trường công việc có thể giải quyết các vấn đề được tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 05 tháng 05 năm 2010 Sinh viên Trịnh Xuân Đoàn CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC THU GOM VẬN CHUYỂN KHÍ BẰNG ĐƯỜNG ỐNG 1.1. Mạng lưới đường ống dẫn khí Việt Nam Ở việt nam khí được sử dụng trên quy mô công nghiệp vào năm 1981 khi mỏ khí Tiền Hải C Thái Bình được đưa vào khai thác góp phần thúc đẩy phát triển công nghiệp địa phương. Tuy nhiên thời gian này lượng khí khai thác không nhiều vùa chưa hình thành ngành công nghiệp khí. Tháng 4 năm 1995 có thể coi là cột mốc đánh dấu sự hình thành ngành công nghiệp khí tại Việt Nam khi hệ thống đường ống dẫn khí đồng hành từ mỏ Bạch Hổ vào bờ được chính thức đưa vào hoạt động. Đến nay, đã trở thành một trong những ngành quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa đất nước và đóng góp ngày càng lớn cho ngành dầu khí nói riêng và cho đất nước nói chung.
Hinh 1.1: Mạng lưới hệ thống đường ống dẫn khí phía nam 1.1.1. Hệ thống Rạng Đông - Bạch Hổ - Phú Mỹ gồm: Đường ống ngoài khơi Rạng Đông - Bạch Hổ được nói từ mỏ Rạng Đông về mỏ Bạch Hổ, được đưa vào khai thác sử dụng vào cuối năm 2002. Đường ống vận chuyển khí hai pha, đường kính ống 16 inch với tổng chiều dài 46,5 km, áp suất làm việc 60 barg. Công suất thiết kế của đường ống là 1,5 tỷ m3 khí/năm có tính tới các nguồn khí từ các mỏ lân cận thuộc Bể Cửu Long như Emeral, Ruby, Phương Đông, Pearl… Trong giai đoạn đầu đường ống Rạng Đông - Bạch Hổ đã vận hành với lưu lượng khoảng 0,5 tỷ m3 khí/năm. Đường ống Bạch Hổ - Nhà máy chế biến Dinh Cố có đường kính 16 inch với tổng chiều dài 116 km (đường ống ngoài biển là 107 km, đường ống trên bờ là 9 km). Đường ống vận chuyển hai pha với áp suất làm việc 115 barg. Nhà máy chế biến Dinh Cố có công suất xử lý, chế biến 2 tỷ m3 khí/năm. Đường ống khí từ Dinh Cố đến Phú Mỹ có đường kính 16 inch (từ Dinh Cố đến Bà Rịa) và 17 inch (đoạn từ Bà Rịa đến Phú Mỹ) với tổng chiều dài là 35 km. Đường ống vận chuyển một pha với áp suất làm việc là 45 Barg. Hiện nay, hệ thống Rạng Đông - Bạch Hổ - Phú Mỹ hàng ngày vận chuyển vào bờ và xử lý khoảng 5,5 triệu m3 khí ẩm (tương đương khoảng 2 tỷ m3/năm), cung cấp trên 5 triệu m3 khí khô/ngày cho các nhà máy điện, đạm ở Bà Rịa - Phú Mỹ, hàng năm cung cấp khoảng 130.000 - 150.000 tấn condensate và khoảng 350.000 tấn khí hóa lỏng (LPG) cho nhu cầu trong nước. Tính đến hết năm 2006, hệ thống này đã cung cấp cho nền kinh tế quốc dân khoảng 18 tỷ m3 khí khô, 2,5 triệu tấn LPG và trên 1 triệu tấn condensate. 1.1.2. Hệ thống đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn
Hình 1.2: Đường ống Nam Côn Sơn Đường ống với tổng chiều dài 398 km, được phân theo các giai đoạn sau: + Đường ống đẫn khí ngoài khơi có đường kính 26 inch với tổng chiều dài 361 km nối từ Mỏ Lan Tây thuộc lô 06.1 đến điểm tiếp bờ Long Hải; đường ống vận chuyển hai pha, áp suất thiết kế 160 barg. Để dự phòng đầu nối các mỏ khí khác thuộc Bể Nam Côn Sơn trong tương lai, dọc đường ống ngoài khơi Nam Côn Sơn bố trí các đầu chờ. + Đường ống dẫn khí trên bờ đoạn nối tiếp từ điểm tiếp bờ Long Hải đến trạm xử lý Dinh Cố có đường kinh 26 inch với chiều dài 9 km, đường ống vận chuyển hai pha, áp suất thiết kế 160 barg. + Đường ống trên bờ đoạn nối từ Trạm xử lý Dinh Cố đến trung tâm phân phối khí Phú Mỹ có đường kính 30 inch với chiều dài 28 km, đường ống vận chuyển một pha, áp suất thiết kế nhỏ nhất 70 barg. Trạm xử lý Dinh Cố: có công suất xử lý khí trong giai đoạn 1 là 10,048 triệu m3/ngày Công suất vận chuyển của hệ thống đường ống Nam Côn Sơn theo thiết kế khoảng 7 tỷ m3/năm 1.1.3. Hệ thống đường ống dẫn khí Phú Mỹ - Mỹ Xuân - Gò Dầu Hệ thống phân phối khí thấp áp Phú Mỹ - Mỹ Xuân - Gò Dầu nhận khí từ bể Cửu Long và Nam Côn Sơn sau trung tâm phân phối khí Phú Mỹ, cung cấp cho các hộ tiêu thụ thuộc các khu công nghiệp Phú Mỹ - Mỹ Xuân - Gò Dầu. Đường ống chính của hệ thống này có đường kính 12 inch, chiều dài 7 km, áp suất 10 barg, công suất thiết kế tối đa 1 tỷ m3/năm. Hệ thống đã đưa vào vận hành chính thức năm 2003 với lưu lượng vận chuyển hiện nay khoảng 0,3 tỷ m3/năm. Như vậy, hiện tại khu vực Đông Nam Bộ có hai hệ thống đường ống khí chính là hệ thong đường ống Bạch Hổ và Nam Côn Sơn, hai hệ thống đường ống này hiện tại cung cấp khoảng 5,5 tỷ m3 khí khai thác từ cá mỏ dầu khí thuộc bể Cưu Long và mỏ Nam Côn Sơn cho thị trường Đông Nam Bộ cũng như cốt lõi của toàn bộ ngành công nghiệp khí khu vực này. 1.1.4. Hệ thống đường ống dẫn khí PM3 - Cà Mau Đường ống dẫn khí Lô PM3 CAA - Cà Mau công suất 2 tỷ m3 khí/năm, đường kính 18 inch, chiều dài 325 km, áp suất vận hành 140 barg (ngoài khơi) và 60 barg (trên bờ). Hệ thống này được đưa vào vận hành và vận chuyển khí từ khu vực PM3 CAA giữa việt Nam và Malaysia về cung cấp cho các nhà máy điện Cà Mau. 1.1.5. Hệ thống đường ống Lô B - Ô Môn Hệ thống đường ống Lô B - Ô Môn Đang được triển khai để cung cấp khí cho trung tâm điện lực ô môn và các hộ tiêu thụ khác thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Đường ống dự kiến có chiều dài khoảng 400 km, đường kính 28 inch, công suất thiết kế 6 tỷ m3/năm. Dự kiến vận hành cuối 2011. 1.2. Điều kiện làm việc của hệ thống đường ống Theo lịch sử phát triển công nghiệp khí thiên nhiên, sự phát triển của nó đồng nghĩa với sự phát triển của hệ thống ống dẫn, đây là phương tiện vận chuyển rẻ tiền và an toàn nhất, so với khoản chi phí đầu tư nén ép hay hóa lỏng, nhưng nó cũng là một trong các yếu tố kìm hãm sự phát triển nền công nghiệp khí. Các đường ống vận chuyển có thể là ống dân dụng (phục vụ cho dân sinh) hay ống công nghệ (phục vụ cho sản xuất công nghiệp), chuyển tải các thể khí, lỏng, bọt… Các ống làm việc trong những điều kiện rất phức tạp. Ngoài điều kiện thiên nhiên tác động như: sóng, gió, áp lực nền đất… Ống chịu tác dụng của áp suất từ 0,01 ÷ 2500 (kG/cm2) hoặc cao hơn, nhiệt độ: - 150 + 7000C hoặc cao hơn, chịu tải trọng thường xuyên của trọng lượng bản thân ống, các thiết bị phụ trợ… Ngoài ra trong ống có thể sinh ra những tải trọng chu kì do bị đốt nóng không đều, sức níu của các ổ tựa… Vì vậy mọi tuyến ống đều phải thiết kế cận thận trên cơ sở tính toán thủy lực, nhiệt, bền đảm bảo những yêu cầu về an toàn, chất lượng: Hệ thống phải kín tuyệt đối Vận chuyển hỗn hợp các sản phẩm giếng ở khoảng cách nhất định Thu gom riêng biệt các sản phẩm ngậm nước và không ngậm nước Sử dụng và tận dụng tối đa khí hydrocacbon khi thác được Tách dầu từng bậc sao cho khí tách ra có thể vận chuyển mà không cần sử dụng máy nén Đo lượng chất lỏng (dầu, nước) và khí của từng giếng khai thác Vận chuyển khí tới nơi tiêu thụ Tập trung hóa tối đa các công trình giảm số lượng Để xây dựng phần ống dẫn của hệ thống ống dẫn khí người ta dùng các ống nguyên, ống hàn (ống thẳng và xoắn ốc) ở bảng 1.1 Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật đường ống dẫn khí Nơi chế tạo  Mã số  Đường kính ống (mm)  Bề dày thành ống (mm)  Giới hạn bền lực (MPa)  Giới hạn lưu động (MPa)   (1)  (2)  (3)  (4)  (5)  (6)   Nga  14-3-600-77 14-3-602-77 14-3-741-78 14-3-721-77 14-3-721-78 14-3-604-77 14-3-605-77 14-3-605-79  1420 1220 1020 1420 1220 1220 1220 1220 820 529 529 1020  16,5 11,5÷15,2 11÷12,5 17,5 14,5÷17,2 10,5÷12,5 10,5÷12,5 9÷12 8; 9; 10 7; 8; 9 7; 8; 9 9;5÷10  588 509,6 490 549,8 549,8 539 589 539 588 490 490 539  411 362,6 343 421,4 421,4 372,4 372,4 372,4 411,6 343 352,8 372,4   Nhật  56-76C; 56-7671C; 56-76HKK 56-76CK; 56-761C56-7771HKK;56-76KC 40/48/56; 28-78  1420 1220 1020 720; 529  7 – 19,5  529-588  392-460,6   Đức  20/8/40/48/56/79 40/48/56-78X 20/28/40/48/8071C  1420 1220 720; 529  7 – 21,5  529,2-588  392-460,6   Ý  20/28/75  702,59  84 – 11  509,6  372,4   Tiệp  132/78; 236/78  702,59  7 – 15  490  352,8   1.3. Phân loại khí Khí nhân tạo (khí thắp sáng): là loại khí nhận được bằng cách chưng cất than đá hay vật liệu butimen, thậm chí là dầu mỏ. Từ khi có sự xuất hiện các loại khí thiên nhiên như: khí đồng hành, và khí không đồng hành với nhiều công dụng khác nhau thì loại khí này ít được sử dụng. Khí thiên nhiên: là hỗn hợp bao gồm các hydrocacbon và một số chất vô cơ khác như: SO2, H2S, He… Nằm sâu dưới lòng đất, trong các vỉa khí, chúng chia làm hai loại: + Khí đồng hành (khí dầu): Là khí tự nhiên hòa tan trong dầu và được tách ra khỏi dầu trong quá trình khai thác. Đặc trưng, lượng dầu thu được nhiều hơn nhiều so với lượng khí. Khí đồng hành thực chất là các thành phần nhẹ của dầu mỏ và được hình thành cùng lúc với dầu. khí nằm trong vỉa ở điều kiện và áp suất cao (lớn hơn áp suất bão hòa) nên chúng hòa tan trong dầu, khi khai thác, áp suất giảm dần đạt đến giá trị nhỏ hơn áp suất bão hòa thì khí bắt đầu tách ra khỏi dầu và di chuyển tích tụ ở phần cao nhất của vỉa, hình thành vỉa khí. Vì vậy, khí đồng hành có thể hòa lẫn với dầu thô trong vỉa hay nằm trong mũi khí bên trên tầng dầu thô. Sản phẩm dầu và khí sau khi ra khỏi giếng, đưa qua thiết bị tách, tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ tách, yêu cầu đường ống vận chuyển… thành phần khí không ổn định, khác nhau. Nhìn chung, hàm lượng metan (C1) chiếm 70 – 80(%) thể tích khí, các hàm lượng hydrocacbon khác thể tích lớn hơn so với khí không đồng hành (bảng 1.1). Bảng 1.2: Hàm lượng hydrocacbon Mỏ Cấu Tử  Bạch Hổ  Rạng Đông  Rồng  Đại Hùng  PM3 – CAA   C1  70  72,5  77  75  77,91   C2  13  10,3  8  10  6,86   C3  8  7  5  6  4,09   C4  4  3,7  3  3,5  1,98   C5  2  1,5  1  1  0,42   C6+  4  3  1  2  0,1   N2  0,2  0,45  0,3  0,4  0,8   CO2  0,06  0,04  0,04  0,04  7,86   H2S  Rất nhỏ  Rất nhỏ  Rất nhỏ  Rất nhỏ    + Khí không đồng hành: Là khí tự nhiên nằm trong các hầm mỏ không chứa hoặc chứa một lượng không đáng kể về dầu thô. Loại khí này thường có thành phần chính metan và lượng rất nhỏ đồng đẳng C5 (hoặc cao hơn). Phụ thuộc vào điều kiện vỉa, khí không đồng hành chia làm 3 loại: * Khí khô: được tạo thành trong cái túi khí. Đặc trưng của vỉa là hàm lượng mêtan trong một số mỏ có thể đạt tới 95,3%. Trong suốt quá trình khai thác, lượng chất lỏng ngưng tụ thu được rất ít, thành phần khí trong vỉa không thay đổi và giống như thành phần của nó ở trạng thái ban đầu. * Khí ẩm được đặc trưng trong suốt quá trình khai thác ngoài sản phẩm khí chúng ta còn thu được lượng condensate đáng kể. Thành phần của khí khai thác được không giống với thành phần nguyên thủy của nó trong vỉa. Tiêu biểu là mỏ khí Thái Bình * Khí ngưng tụ hay vỉa condensate: được đặc trưng bởi áp suất lớn (> 3.1010Pa) và nhiệt độ cao từ 80 - 1000C. Do đó, chất lưu ban đầu trong vỉa tồn tại pha khí khi tác động vào vỉa, áp suất giảm xuống bằng áp suất điểm sương thì chất lỏng được ngưng tụ trong vỉa. Như vậy, tỷ số condensate/khí tùy thuộc vào nhiệt độ sâu của giếng khoan, áp suất ở đáy lỗ khoan. Tiêu biểu là mỏ khí Hải Trạch đang trong quá trình phát triển dự kiến sẽ cho dòng khí đầu tiên vào 2013. Sau khi tìm hiểu tính chất của khí tự nhiên, ta thấy: Ở các mỏ dầu chúng ta phải tìm đủ mọi cách để thu hồi sản phẩm dầu, khí đồng hành chỉ là thứ yếu. Tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất chênh lệch mà thu được nhiều hay ít khí đồng hành. Hàm lượng và thành phần khí, chất lỏng thu được trong các giếng dầu - khí khác nhau: bao giờ hàm lượng pha lỏng trong khí đồng hành cũng cao hơn khí không đồng hành, hàm lượng pha khí thì ngược lại. Thành phần khí khai thác tại các chiều sâu khác nhau trong cùng một mỏ cũng khác nhau. Nếu như điều kiện địa chất của một số mỏ khí - dầu giống nhau thì thành phần khí sẽ khác nhau. Sự khác biệt về địa tầng cũng dẫn tới sự thay đổi tính chất lý - hóa, thành phần, khối lượng… khí hình thành. Ngoài ra, chiều sâu giếng khí còn ảnh hưởng đến thành phần hyđrocacbon nặng thu được do sự sắp xếp các cấu tử, tầng trên là mentan (C1) tiếp theo là các cấu tử hyđrocacbon khác trong các giếng dầu và khí nói chung không thay đổi lộn xộn, mà tuân theo một quy luật nhất định. 1.4. Cơ sở lựa chọn hệ thống đường ống thu gom và phân phối khí thiên nhiên Việc lựa chọn hệ thống đường ống thu gom phân phối khí phụ thuộc vào tốc độ mở vỉa, ngoài cơ sở để lựa chọn đường kính ống, còn là một trong những điều kiện thiết kế hệ thống vận chuyển. Khi mở vỉa chậm, lưu lượng không lớn thường chọn sơ đồ hai tuyến, tiêu hao kim loại 12%. Song cho phép loại trừ mạch đập áp suất và có thể vận chuyển dầu không ngậm nước một cách riêng rẽ. Nếu tốc độ mở vỉa nhanh, ta có thể dùng một tuyến, đảm bảo năng suất vận chuyển ở giai đoạn phát triển cao nhất. Với các mạng lưới phức tạp, cần sắp xếp giếng theo lưu lượng, địa hình, tính chất lý hóa… Các đối tượng vận chuyển có hàm lượng H2S cao hơn 3% cần bố trí thu gom riêng để có biện pháp bảo vệ chống ăn mòn cho phù hợp. Ngoài ra, việc lựa chọn hệ thống thu gom khí phải phù hợp với điều kiện khí hậu, địa hình, diện tích mỏ, sự thuận tiện trong việc bảo hành… Nhưng phải đạt hiệu quả về an toàn, kinh tế cao. Đặc biệt, phải phù hợp với các tính chất của mỏ, tính chất lý hóa của sản phẩm. 1.5. Sơ đồ đường ống thu gom, vận chuyển khí thiên nhiên Thành phần của khí không đồng hành khác với khí đồng hành do chứa nhiều hidrocacbon nhẹ: CH4(89 ÷ 95%); C2H4(3 ÷ 4%); C3H8(2 ÷ 3%)… Tuy nhiên thành phần các mỏ khí ngưng tụ (hay condensate) có chứa các hydrocacbon nặng cao hơn mỏ khí khô và tương đương với hàm lượng khí đồng hành. Vì vậy, hệ thống ống dẫn khí thiên nhiên nói chung là như nhau, bao gồm 4 bộ phận cơ bản sau: Ống nạp khí thiên nhiên là các ống được dẫn từ đầu giếng khoan đến hệ thống thu gom Ống thu gom Ống chia có nhiệm vụ dẫn sản phẩm đến ống dẫn chính, đến nhà máy chế biến khí. Bộ phận xử lý khí có nhiệm vụ tách lọc khí Ngày nay, chúng ta đang sử dụng hệ thống thu gom dầu khí áp suất, kín, đầu ống là thiết bị làm lạnh hoặc trạm bơm nén… Tên của hệ thống thu gom phụ thuộc vào yếu tố hình dáng, thường được xác định bằng dạng của ống thu gom khí. Có hai hệ thống thu gom cơ bản: hệ thống thu gom dọc tuyến và hướng tâm. Trong hệ thống thu gom kiểu dọc tuyến một ống dẫn đi qua các đầu giếng để thu gom các sản phẩm, ống này phải chịu được áp suất của các đầu giếng và phải có kích thước đủ lớn để đưa khí về nơi xử lý.
 Hình 1.3: Hệ thống dọc tuyến Hệ thống thu gom hướng tâm, các ống bắt nguồn từ nhiều giếng khai thác cùng đưa về trung tâm, nơi đặt thiết bị xử lý. Hình 1.4: Hệ thống thu gom hướng tâm Còn nếu đường ống chính chạy trực tiếp qua mỏ bằng đường ống song song được bố trí chạy từ mỗi giếng thì ta được hệ thống thu gom song song Hình 1.5: Hệ thống thu gom song song Đối với các vùng mỏ có các giếng với áp suất miệng giếng khác nhau thì hai thệ thống này khó có thể áp dụng được. Do đó, người ta đã cải tiến, kết hợp hệ thống thu gom hướng tâm và hệ thống thu gom dọc tuyến thành hệ thống thu gom ống chính.
 Hình 1.6: Hệ thống thu gom trục chính Từ hệ thống thu gom trục chính ta có thể bố trí và sắp xếp quy trình các hệ thống thu gom khí theo sơ đồ mạch vòng. Tại đây, các đường thu gom sản phẩm từ mỗi giếng sẽ chạy đến các đường ống chính này. Trạm nén được bố trí hợp lý trong sơ đồ thu gom mạch kín. Nếu hệ thống thu gom chính được bố trí nằm xung quanh trạm máy nén gần tâm của nó thì hệ thống thu gom này gọi là hệ thống thu gom trung tâm. Hình 1.7: Hệ thống thu gom trung tâm Từ các hệ thống thu gom trên, hệ thống thu gom kết hợp ra đời hoàn thiện hơn, sản phẩm các giếng được thu gom tập trung tại các trung tâm xử lý sơ bộ rồi mới đến xử lý trung tâm. Hệ thống này có thể áp dụng thu gom các loại khí thiên nhiên nhưng đặc biệt phát huy khi sử dụng trong thu gom xử lý riêng cho các loại khí đồng hành hoặc khí không đồng hành nhiều C02. Hình 1.8: Hệ thống thu gom kết hợp Ghi chú: : Ống nạp; : : Trạm nén khí; : Van; : Ống thu gom; : Đầu giếng; :Ống tăng áp,dẫn khí đến đường ống dẫn chính hoặc đến nhà máy chế biến khí. 1. 6. Hệ thống đường ống phân phối khí cơ bản Phụ thuộc vào tính chất và hệ thống thu gom trên mỏ khai thác, quyết định tuyến ống vận chuyển cùng với các trang thiết bị hợp lý. Thông thường, hệ thống đường ống dẫn khí bao gồm ống dẫn chính và ống nhánh, dùng để vận tải loại khí thiên nhiên từ nơi khai thác đến nơi tiêu thụ, bao gồm các bộ phận (hình 1.10):
HìHInh 1.9: Sơ đồ đường ống dẫn khí Ghi chú: 1 - Trạm thu gom 9,14,22 - Đường ống dài 2 - Đường ống thu gom khí khai thác 10 - Trạm nén trung gian 3 - Thiết bị đầu nguồn 12 - Thiết bị bảo vệ 4 - Máy bơm 15 - Trạm phân phối khí 5, 13, 18, 24 - Ống nhánh 16 - Hệ thống bảo vệ điện hóa 6 - Đường ống dẫn chính 19 - Trạm tích trữ khí 7 - Trạm nén khí 23 - Trạm phân phối khí 8, 11 - Đường ống dài 20 - Hệ thống máy bơm của trạm tích trữ khí 21 - Thu hồi nước và condensate Khí từ hệ thống thu gom (1) qua hệ thống đường ống (2) đưa qua các thiết bị đầu nguồn (3) như: Tách condensate và nước, tiến hành đo rồi dẫn vào bộ phận điều hòa sản phẩm. Condensate sẽ theo hệ thống ống nhánh (4) đi ra bồn chứa, còn nước sẽ đến bộ phận xử lý nước. Khí tiếp tục theo đường ống dẫn chính (6) đến trạm nén khí đầu tiến (7) để đi vào đường ống dẫn dài (8) đoạn đường ống này có thể được lắp trên địa hình phức tạp như: sông, ao, hồ, biển, đường giao thông… nên chúng có đường kính thay đổi theo mức độ an toàn quy định, đặc biệt cuối đường ống phải có van chặn (9) tiếp tục khí được nén lần thứ hai (10) nếu đi qua chặng đường dài khác để đến đoạn ống nhánh (13 ,18) để đến trạm phân phối, tích trữ khí (15, 19). Trước các ống nhánh, ống dài thường được lắp các thiết bị bảo vệ đường ống (12), đảm bảo cho dòng khí chảy ổn định, liên tục vượt qua các chướng ngại vật như: trạm tích trữ khí, trạm thu hồi nước và condensate (21),… để đến trạm phân phối khí (23) đưa khí đến các đường ống nhánh (24) đến các hộ tiêu thụ. CHƯƠNG 2 CÁC BƯỚC CƠ BẢN XÂY DỰNG TUYẾN ỐNG NCSP - DINH CỐ 2.1. Giới thiệu về đường ống Nam Côn Sơn - Dinh Cố Đường ống Nam Côn Sơn - Dinh Cố có chiều dài là: 370 km bao gồm 361 km đường ống trên biển và 9 km đường ống trên bờ, điểm bắt đầu là từ Lan Tây và kêt thúc tại nhà máy Dinh Cố Terminal. Đường ống NCSP là đường ống dài nhất trong khu vực Đông Nam Á, Nằm thuộc phía đông nam của Thành Phố Vũng Tàu, có đường kính 26 inch = 660,4 mm, vật liệu chế tạo là thép API 5L X64. Nhà máy xử lý khí NCS Terminal vận hành vào năm 2002 được thiết kế với công suất 20 triệu m3 khí/ngày, thu hồi và xử lý 1200 m3 Condensate/ngày (Khi lắp đặt bổ sung thêm Slug catcher có thể xử lý khoảng 2400 m3 Condensate/ngày Nhà máy xử lý khí NCS Terminal hiện đang vận hành 19,2 triệu m3 khí/ngày, tách và xử lý khoảng 1100 m3 Condensate/ngày khả năng tiếp nhận bỏ sung 0,8 triệu m3 khí/ngày.
Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ nhà máy xử lý khí Dinh Cố Bảng 2.1: Công suất các thiết bị của nhà máy xử lý khí Dinh Cố Áp suất tại Trạm tiếp bờ,  70( 120 Barg   NCS DINH CO TERMINAL   THIẾT BỊ  TÊN  CỐNG SUẤT THIẾT KẾ  ĐƠN VỊ  CÔNG SUẤT VẬN HÀNH   Slug Catcher  V-2103  20  Triệu m3 khí/ngày  19.2 triệu m3 khí/ngày     5100  m3 lỏng/ngày  1100 m3 lỏng/ngày   Thiết bị tách lọc  F2808A/B  350410  Kg/h (khí)      428  Kg/h (lỏng)    Thiết bị trao đổi nhiệt  X2802A/B  345000  Kg/h(khí)    Thiết bị Lọc Cond.  F3103A/B  29225  Kg/h    Bơm xuất Cond.  P3004A/B  89  m3/h    Hiện tại, NCS DT đang tiếp nhận, xử lý 19,2 triệu m3 khí/ngày, gần với khả năng tối đa là 20,0 triệu m3 khí/ngày   Nhà máy xử lý khí NCS terminal thiết kế tách và ổn định condensate theo công nghệ chưng cất nhiệt độ thấp và kiểm soát hệ thống dew point (dewpoint control). Nhà máy xử lý khí NCS terminal hiện đang vận hành với công suất 19,2 triệu m3 khí/ngày, tách và xử lý khoảng 1100 m3 Condensate/ngày. Khả năng tiếp nhận bổ sung chỉ là 0,8 triệu m3khí/ngày. Công suất vận hành của Nam Côn Sơn Terminal theo các năm từ 2003 đến 2009 được thể hiện ở bảng dưới đây: Nhận xét: Công suất vận chuyển của đường ống NCS 1 là 7,0 tỷ m3 khí/năm. Hiện tại do các điều kiện nhận khí của các hộ tiêu thụ trên bờ, công suất khả dụng của đường ống là khoảng 5,24 – 5,6 tỷ m3 khí/năm. Nhà máy NCS Dinh Cố Terminal có công suất xử lý 7,0 tỷ m3 khí/năm được chia làm 2 dây chuyền có công suất 2 x 3,5 tỷ m3 khí/năm với chức năng tách và ổn định condensate của khí Lô 06-1, xử lý nhiệt độ điểm sương của khí khô cung cấp cho các hộ tiêu thụ tại Phú Mỹ. Theo thiết kế ban đầu, giai đoạn 2 sẽ có bổ sung các thiết bị tách LPG. Tuy nhiên cho đến nay các thiết bị trên vì các lý do kinh tế đã không được lắp đặt. Khả năng thu hồi LPG từ đường ống NCS 1 dự kiến 122500 tấn /năm, do vậy có thể bổ sung thiết bị cho NCS Dinh Cố Terminal hoặc đưa khí qua GPP 2 để thu hồi LPG. 2.2. Các bước cơ bản xây dựng tuyến ống NCSP - Dinh Cố Ngày nay trong các ngành sản xuất công nghiệp, đường ống và bể chứa nói chung được sử dụng rộng rãi ở nhiều phạm vi khác nhau. Nó có tác dụng quan trọng trong việc vận chuyển và cất giữ các sản phẩm công nghiệp mà thiếu nó thì quá trình tự động hoá của một số ngành công nghiệp sẽ gặp nhiều khó khăn, thậm chí không thực hiện được. Vì vậy, việc xây dựng một tuyến ống phải được tuân thủ nghiêm ngặt theo các bước cơ bản sau: - Công tác khảo sát: khảo sát chiều dài, vật liệu..; khảo sát địa hình, địa mạo; khảo sát nền móng (ổn định đường ống)... - Tính toán công nghệ: tính toán bền, nhiệt, thủy lực - Xây lắp, thi công tuyến ống: ở đất liền, trên biển. 2.2.1. Công tác khảo sát tuyến ống Công việc đầu tiên để tiến hành lắp đặt hệ thống đường ống là khảo sát địa hình thực tế khu vực tuyến ống sẽ đi qua, làm cơ sở cho việc thiết kế tuyến ống và lắp đặt. Đường ống NCSP - Dinh Cố điểm bắt đầu là từ mỏ Lan Tây điểm cuối là Dinh Cố, với 361 km đường biển và 9 km trên bờ nên công việc thi công thiết kế rất phức tạp. Những vấn đề quan trọng công việc khảo sát cần phải quan tâm là: - Việc lựa chọn tuyến ống là công việc then chốt trong quá trình xây lắp đường ống trên đất liền và cần xem xét toàn diện các vấn đề liên quan đến xây lắp trước khi hoàn thành tuyến ống. Thông thường sau khi đã xác định tuyến ống sơ bộ bằng các bản đồ có sẵn, các kỹ sư phải khảo sát dọc tuyến ống để thay đổi tuyến ống sơ bộ bằng các bản đồ có sẵn, để thay đổi tuyến ống cho phù hợp với các vị trí gây khó khăn cho quá trình lắp ống. Trong giai đoạn này người kỹ sư có thể lựa chọn các tuyến ống thay thế tại các đoạn trong tuyến ống đã được xác định trước đó. Trong điều kiện hệ thống giao thông tốt, việc vận chuyển thiết bị ra vào để lắp đặt tuyến ống trở nên dễ dàng. Tuy nhiên, nếu điều kiện giao thông đường bộ và đường sắt yếu kém, các kỹ sư cần phải giải quyết vấn đề vận chuyển một số lượng lớn ống đến các vị trí dọc theo tuyến ống. Nếu các đường để vận chuyển không có sẵn thì phải xem xét khả năng xây dựng các đường mới. Do vậy thường tuyến ống được chọn sao cho nằm dọc theo hệ thống đường bộ và đường sắt có sẵn. Quá trình khảo sát để lựa chọn tuyến ống chính xác đi kèm với quá trình đóng các trụ bê tông đánh dấu các điểm giao nhau của tuyến ống. Thường thì cứ khoảng 250 m sẽ được đóng một cọc bê tông để đánh dấu tuyến ống. - Vật liệu chế tạo ống: chúng ta phải xác định được ngoại lực tác động lên đường ống khi làm việc rồi chọn vật liệu và bề dày thích hợp để ống làm việc an toàn. - Tổn thất áp suất trên tuyến: đây là vấn đề quan trọng nhất, để đảm bảo các thông số vận hành. Vấn đề này liên quan đến việc lựa chọn đường kính ống, lựa chọn những góc ngoặt thay đổi hướng của tuyến ống, lựa chọn các thiết bị và phụ kiện của đường ống phải thích hợp. - Công việc lắp đặt phải thuận tiện: nơi tuyến ống lắp đặt thuận tiện khi vận chuyển tập kết vật tư ống cùng các phụ kiện cũng như phương tiện cơ giới, sử dụng máy móc phục vụ công tác lắp đặt. - Tuổi thọ lâu dài của đường ống thể hiện ở chất lượng thép vật liệu làm ống, độ bền vững của các mối hàn ống, phương pháp bảo vệ ăn mòn đường ống, thiết bị cũng như việc bảo vệ và bảo dưỡng sau này. - Đảm bảo tính ổn định của đường ống, thể hiện ở việc tính toán khối lượng, số lượng các gối đỡ, khối bê tông gia tải (đối với đường ống trên bờ trong các trạm phân phối khí). Để tránh hiện tượng giãn nở vi nhiệt. - Yêu cầu về môi trường: nhằm mục đích đảm bảo sức khoẻ cho con người, tuổi thọ của thiết bị và bảo vệ môi trường trong suốt quá trình xây dựng và vận hành tuyến ống. Luật môi trường Việt Nam được áp dụng trong phần lớn các trường hợp. Luật môi trường Quốc tế sẽ được sử dụng chỉ khi luật môi trường Việt Nam chưa đầy đủ hoặc không thích hợp. 2.2.2. Tính toán công nghệ cho tuyến ống Khi làm việc, ống sẽ chịu kéo, nén của ngoại lực như: trọng lượng bản thân, nước biển, đất đá, cấu trúc ống khi chế tạo (uốn, tiện, rèn, hàn nối,…)… đây là cơ sở để chọn vật liệu và bề dày thích hợp cho ống làm việc an toàn. Ngoài ra, ống còn chịu áp suất bên trong ống như: áp suất bơm, áp suất chất lưu, ứng suất biến dạng, nhiệt độ thay đổi, những động tác ngẫu nhiên khác,… ống đẫn được xem như ống nằm ngang nên tải trọng kéo nén do trọng lượng bản thân có thể bỏ qua, chỉ chú ý đến áp suất trong ống. Trong tính toán công nghệ bao gồm: Tính toán bền Tính toán nhiệt Tính toán thủy lực 2.2.2.1. Tính toán bền Chúng ta phải xác định được ngoại lực tác động lên đường ống khi làm việc rồi chọn vật liệu và bề dày thích hợp để ống làm việc an toàn. Khi làm việc, ống sẽ chịu kéo nén do trọng lượng bản thân, do áp suất bơm, chịu áp suất của chất lưu và các ống ngầm còn chịu áp suất ngoài do nước biển, đất đá, các ngoại lực do biến đổi nhiệt độ, các mạch đập áp suất. Tuy nhiên, ống dẫn được xem như là ống nằm ngang nên tải trọng kéo nén do trọng lượng bản thân có thể bỏ qua. a. Tải trọng do áp suất trong ống Là tải trọng quan trọng nhất đối với ống vận chuyển. Để tính công suất do áp suất trong gây ra, thường dùng công thức Barlow cho tất cả các loại vật liệu và các quy chuẩn khác nhau.
(2.1) Trong đó:
- Ứng suất theo chu vi ống, kG/cm2
- Áp suất trong, kG/cm2
- Đường kính ngoài của ống, cm δ - Bề dầy định mức của thành ống, cm Nếu xem
là giới hạn chảy đối với vỡ ống, thì áp suất gây ra vỡ sẽ là:
(2.2) Khi tính toán phải kể đến hệ số an toàn mà trước hết là an toàn do chế tạo, thường chấp nhận 0,875 và ngoài ra phải tính đến sai số khi thiết kế với hệ số 0,72 do đó:
(2.3) Hoặc bề dày an toàn của ống phải là:
(2.4) Trường hợp ống chịu cả hai áp suất trong Pi và Pe và thuộc vùng đàn hồi (De/δ>18), ta xem thành ống như một xi lanh mỏng dàn hồi thì giá trị ứng suất có thể tính theo công thức Lamé:
(2.5) Áp suất cho phép trong ống thường có 3 giá trị (theo TCVN 1287 – 72): Áp suất quy ước: là giá trị lớn nhất ở nhiệt độ môi trường 200C, cho phép ống và các phụ kiện làm việc lâu dài, xác định trên cơ sở lựa chọn vật liệu và đặc tính bền của chúng ở nhiệt độ 200C. Áp suất làm việc: giá trị lớn nhất để làm việc lâu dài ở nhiệt độ thực tế của môi trường được vận chuyển. Với các ống thép, phạm vi trong khoảng 0 - 1200C. Áp suất thử: áp suất thử nghiệm thủy lực bằng nước về độ bền, độ kín khi nhiệt độ không vượt quá 1000C. b. Tải trọng do áp suất bên ngoài: Có tác dụng làm méo ống, áp suất này ít gây nguy hiểm cho ống dẫn trừ trường hợp lắp ngầm sâu và trong ống rỗng (không có áp suất trong). Giá trị áp suất bóp méo được tính bằng lý thuyết và thực ngiệm các đường ống có độ oval nhất định, bề dày không đều, công thức lý thuyết do Sarkixôp đề ra đã lưu ý đến hai đặc điểm trên.
(2.6)
;
Trong đó: E - Mô dun Young, 2,1.106 kG/cm2
- giới hạn chảy của thép kG/cm2 e - độ oval của ống, có thể xem e = 0.01
;
;
δe, δmin, δ0 – bề dày trung bình, tối thiểu và định mức của thành ống, thông thường với các ống thép cán thì δe=0,9δ và δmin=0,875δ Công thức (2.6) thuần túy lý thuyết, kết quả thấp hơn số liệu thí nghiệm có lưu ý đến độ oval của ống trong giới hạn các sai số. Khi xác định áp dụng ngoài giới hạn (áp suất bóp méo), người ta phân biệt hai trường hợp ống thành dày và thành mỏng căn cứ vào tỷ số
(nếu
bé thì thuộc vùng dẻo và giới hạn chảy của thép chiếm vai trò quan trọng, còn nếu
lớn sẽ thuộc vùng đàn hồi và lúc đó kích thước hình học giữ vai trò chính). Thực ra, không tồn tại một quan điểm chính xác về sự thay đổi giữa hai vùng mà sự chuyển tiếp xảy ra từng bước, nghĩa là có sự chuyển tiếp giữa hai vùng, công thức phổ biến API như sau: Trong vùng dẻo
:
(2.7) Trong vùng đàn hồi
:
(2.8) Trong vùng chuyển tiếp:
(2.9) Trong các công thức từ (2.7) đến (2.9),
là giới hạn chảy của vật liệu, các giá trị Pd tính ra kG/cm2. Các giá trị tính toán lớn hơn 25-30% so với công thức Sarkixop. 2.2.2.2. Tính toán nhiệt. Khi vận chuyển trong đường ống, nhiệt độ của chất truyền tải được truyền từ ống ra môi trường khí quyển nên nhiệt độ chất tải sẽ giảm dần theo khoảng cách. Với khí, nhiệt độ giảm sẽ dẫn tới sự ngưng tụ các thành phần lỏng hoặc hình thành các chất ở thể rắn.Việc tính toán nhiệt là xác định sự thay đổi nhiệt độ dọc theo tuyến ống để xác định vị trí có thể xảy ra hiện tượng độ nhớt chất lỏng vượt quá giới hạn thiết kế hoặc chất khí bắt đầu ngưng tụ. Từ đó, chúng ta có các giải pháp phù hợp, chủ yếu là: - Ngăn cản hoặc giảm thiểu sự truyền nhiệt ra môi trường xung quanh,tức là giải quyết bài toán về bảo ôn tuyến ống. - Dùng các giải pháp vật lý và hóa học để hạ thấp hoặc ngăn chặn sự ngưng tụ chất khí. Sự hiểu biết về quy luật thay đổi nhiệt độ theo đường ống là cần thiết cho các nhà thiết kế cũng như vận hành. Viện sỹ Sukhôp là một trong những người đầu tiên nghiên cứu về quy luật này. Ông đã tiến hành tính toán tổn thất nhiệt cho đường ống dẫn một pha ở chế độ ổn định cho trường hợp chung nhất. Trên tuyến ống tại khoảng x, ta khảo sát một phân tó dx (hình 2.2) và xác định sự cân bằng nhiệt trong phân tố. Tổn hao nhiệt của phân tố trong một đơn vị thời gian ra môi trường là: dq = K(t - t0)(Dedx (2.10) Trong đó: t - Nhiệt độ chất lưu trong phân tố, 0C t0 - Nhiệt độ môi trường, 0C (De.dx - bề mặt của phân tố K - Hệ số truyền nhiệt từ của chất lưu ra môi trường, wat/m2.0C Hệ số truyền nhiệt K, thực tế khi chế độ chảy ổn định vẫn thay đổi theo chiều dài nhưng không đáng kể (< 3%) nên có thể xem là hằng số. Mặt khác, khi chảy qua phân tố dx, nhiệt độ sẽ giảm đi dt0C do vậy tổn hao nhiệt sẽ là: dq = -G.Cp.dx (2.11) Trong đó: G - Tốc độ khối, KG/sec Cp - Tỷ lệ dung, Joul/KG.0C Ở chế độ chảy ổn định, lượng nhiệt mất đi chính là được truyền vào môi trường nên: K(t - t0)(.De.dx = -G.Cp.dt (2.12) Gộp các giá trị không đổi thành một hằng số chung là: ( =
- dt = a(t - t0)dx (2.13) Giả sử chiều dài tuyến ống là L, nhiệt độ đầu tuyến là t1 và cuối tuyến là t2 -
( -
(
Thay t2 = t
t = t0 + (t1 - t0)e-ax; (2.14) Công thức (2.15) được gọi là công thức Sukhop
Hình 2.2: Sự thay đổi nhiệt độ, độ nhớt theo chiều dài Khi xét đoán một cách chi li, ta lưu ý đến tổn hao masat dọc theo tuyến ống sẽ biến thành nhiệt và nhiệt này bổ sung cho chất lưu. Do đó viện sỹ Laybenzon về sau đã bổ sung thêm vào công thức Sukhop bằng một hệ số b: t = t0 + b + (t1 - t0 - b)c-al (2.14a) b =
Trong đó: i - Độ dốc thủy lực trung bình, tổn hao thủy lực trên một đơn vị chiều dài E - Đương lượng cơ học của nhiệt (t = b(1 - eaL) Ở đầu tuyến ống L = 0, (t = 0 Do dòng khí chứa các thành phần nặng, quá trình làm lạnh sẽ có một số khác biệt từ nhiệt độ đầu ống t1 đến với vị trí có nhiệt độ kết tinh của các thành phần nặng vẫn tuân theo quy luật (2.14a). Trong phần đường ống xảy ra kết tinh, tốc độ làm lạnh chậm lại do được bổ sung nhiệt tách ra từ quá trình kết tinh, do đó ở phần này sự biến thiên nhiệt độ theo khoảng cách sẽ tuân theo công thức Tremrhink. t = t0 +
(2.14b) C =
Một số tác giả đề nghị bổ sung vào (2.14) hiệu ứng Joul/Tomsons và chênh lệch cao trình đường ống. t = t0 + (t1 - t0)e-ax - Di
(2.15) Trong đó: Di - Hệ số Joul/Tomson, kể đến sự giảm nhiệt của khí khi giảm 1 (at) áp suất. Di = 0,30C A - Đương lượng nhiệt của công, A = 1/427 KKal Joul (% - Chênh lệch cao trình, m tk - Nhiệt độ kết tinh của các thành phần nặng l - Khoảng cách từ đầu tuyến (t1) đến vị trí kết tinh (tk), xác định theo công thức (2.14). ( - Số lượng các thành phần nặng tách ra khi tăng nhiệt độ từ tk đến tx. x - Khoảng cách tính từ đầu tuyến, x > 1 X - Nhiệt ẩn của quá trình kết tinh Để tính nhiệt độ dòng chảy tại điểm bất kỳ trong đường ống vận chuyển.
Hình 2.3: Đoạn ống tính toán nhiệt dòng chảy. TL = TS + (T1 - TS)exp(-L/A (3.16) Trong đó: TS - Nhiệt độ môi trường xung quanh T1 - Nhiệt độ tại điểm vào (L = 0) TL - Nhiệt độ tại vị trí L L - Khoảng cách nơi tính so với điểm đầu chất khí vào A - Khoảng cách hồi phục nhiệt A =
(2.17a) Hoặc một phương trình thực nghiệm khác của Shiu và Bégg; A = C1
(2.17b) Trong đó: Cp - hệ số áp nén đẳng áp C1 = 0.0149 C2 = 0.5253 C3 = 22.9303 C4 = 0.2904 C5 = 0.2608 C6 = 4.4146 W - Tổng lưu lượng khối lượng (L - Khối lượng riêng pha lỏng tại điều kiện tiêu chuẩn, 1bm/ft3 (g - Tỷ trọng khi ((air = 1) D - Đường kính trong của ống U - Hệ số truyền nhiệt Phương trình sai số khoảng 5% Thực tế, một đường ống có bảo ôn thường bao gồm các lớp: ống thép, lớp chống ăn mòn, lớp cách nhiệt và lớp bảo vệ. Bài toán nhiệt phải tính toán chi tiết: Truyền từ đầu ống và từ ống lần lượt qua các lớp được đặc trưng bởi hệ số truyền nhiệt Ki và bề dày khác nhau. 2.2.2.3. Tính toán thủy lực Chiếm khối lượng lớn khi thết kế các tuyến ống mới cũng như khi kểm tra, sửa chữa các tuyến ống sẵn có cho phù hợp với yêu cầu cụ thể. Khả năng vận chuyển Q, áp suất đuầu hoặc cuối tuyến, đường kính ống D, hoặc cả hai thông số P và D. Quan hệ giữa P và D, P = f(Q) được gọi là đặc tính tuyến ống. Các kết quả tính toán phụ thuộc vào sơ đồ thủy lực, tính chất vật lý của chất truyền tải. Căn cứ vào sơ đồ thủy lực, người ta phân chia ra ống đơn giản chỉ bao gồm một cấp đường kính và không phân nhánh, còn ống phức tạp là tuyến ống có đường kính thay đổi hoặc phân nhánh. Loại ống đơn giản được phân chia ra ống dài và ống ngăn. Nguyên tắc phân chia căn cứ vào tỷ lệ giữa tổn hao cục bộ và tổn hao theo chiều dài. Thông thường khi tổn hao cục bộ bé hơn 10% tổn hao dọc đường thì được xem là ống dài và ngược lại. Một tuyến ống phức tạp có thể được phân chia ra nhiều đoạn đơn giản cho nên việc tính toán cho ống đơn giản là cơ bản. Căn cứ vào tính chat của chất lưu người ta phân chia ra: khí khô (1 pha khí), khí ẩm (2 pha lỏng và khí). Mỗi một mô hình sẽ được lựa chọn cho phù hợp với điều kiện cụ thể. a. Tính toán đường ống dẫn 1 pha khí * Lưu lượng khí trong ống Với điều kiện đẳng nhiệt, phương trình chuyển động Bernouli viết cho cột áp:
(2.18) Trong đó: dP/ρg - Thế năng của áp suất khí vdv/2g – Tỷ động năng của khí chuyển động do giá trị bé nên bỏ qua dz - Năng lượng vị trí, thường xem ống nằm ngang nên dz = 0
- Cột áp tổn hao Như vậy, phương trình có thể viết lại là:
(2.19) Với
(2.20) Thay phương trình (2.12) và (2.11) ta có:
(2.21) L - chiều dài tuyến ống tính tại điểm xét, m D - đường kính ống, m g - Gia tốc trọng trường, m/s2 Biến đổi (2.13) nhân hai vế với P2, ta được:
(2.22) Lấy tích phân cho đoạn ống dài L, áp suất đầu vào P1 và đầu ra P2 tiếp đến thay S = πD2/4 ta được:

(2.23) Tốc độ khối
(2.24) Từ phương trình trạng thái khí và không khí với hằng số Ra
hoặc
Vậy:
(2.25) Tính lưu lượng khi ở điều kiện ống q và điều kiện tiêu chuẩn với P0, T0:
với
=>
(2.26) Thay (2.25) vào (2.26) ta có:
(2.27) Ở điều kiện tiêu chuẩn với T0 = 200C, P = 760 mmHg, ρa = 1,205 kg/m3 và Ra = 287,1 Joul/kg.0K
(2.28) Trong sách báo chuyên môn, ta có thể gặp các công thức khác song việc xác định chúng đều được tiến hành tương tự, chẳng hạn:
(2.29) Công thức phổ biến nhất để tính λ là công thức Weymouth, dùng cho chế độ chảy trong ống nhám:
(2.30) Một số công thức tương đối tổng hợp để tính toán là:
(2.31) K3 độ nhám tương đương Ở chế độ thủy lực phẳng, λ không phụ thuộc độ nhám ta cho K3 = 0. Và ở chế độ ma sát bình thường, λ không phụ thuộc vào Re nên xem Re = 0 để có các công thức đơn giản hơn. Với một hỗn hợp khí nhiều cấu tử, thì ta tính giá trị hệ số Raynold trung bình:
(2.32) Giá trị độ nhớt trung bình
, kG/ms
(2.33)
- Độ nhớt của mỗi cấu tử có hàm lượng yi tính theo phần đơn vị
- Mật độ trung bình của hỗn hợp:
(2.34) ρ0 - mật độ khí ở điều kiện bình thường
- Áp suất ở điều kiên bình thường và trung bình trong ống Pa
- Nhiệt độ ở điều kiện bình thường 2370K và nhiệt độ trung bình trên đường ống. * Sự thay đổi áp suất trên đường ống Do tiêu hao năng lượng để duy trì chuyển động nên áp suất sẽ giảm liên tục. Để xác định giá trị tại một điểm bất kì có tọa x trên đường ống đơn A - C có đường kính D áp dụng công thức (3.20) để tính giá trị Q tại thời điểm x.
(2.35) A, P1 B, Px C, P2 x L Hình 2.4: Sơ đồ tính toán áp suất ống khí Và giá trị Qra từ điểm x:
Trong đó:
Từ điều kiện Qra cân bằng Qvào ta có
Hoặc
(2.36) Giá trị áp suất trung bình trên đường ống trong công thức (2.25b)
sẽ được xác định:
(2.37)
* Tính toán đường ống áp suất cao Với ống thu gom hoặc phân phối thì đường kính ống có thể thay đổi hoặc không. Tuyến ống có đường kính không thay đổi. Trên đó có các nhánh gom (nạp) phân phối (chia). Đặt:

Áp dụng cho từng đoạn:
Tổng tất cả các đoạn có phân nhánh:
(2.38)
Các giá trị Qi, li, P1, Pn+1 ta đã biết, ta tính hệ số K từ đó tính được đường kính trong của ống D:
(2.39) Tuyến ống có đường kính thay đổi. Khi tuyến ống dài, số nhánh thu (nạp) hoặc cấp (chia) không nhiều thì việc vận dụng một cấp đường kính là không kinh tế, mỗi đoạn ống giữa hai trạc ba (vào hoặc ra) sẽ được tính toán như một ống riêng biệt theo gradient áp suất (giảm áp trên một đơn vị chiều dài) là một hằng số. Trên toàn tuyến:
Trên chiều dài l1, tổng giảm áp sẽ là:
Áp suất đoạn cuối thứ nhất:
Tương tự áp suất cuối đoạn l2 sẽ là:
Trên mỗi đoạn, ta biết Qi, li, Pi, (đầu vào) và tính Pn+1 (đầu ra) để tính toán đường kính, ta sử dụng công thức lưu lượng:
(2.40) * Tính toán đường kính áp suất thấp Với ống áp suất thấp và ngắn (bé hơn 10 km) có thể dùng công thức được đơn giản hóa, coi áp suất trong tuyến là giá trị trung bình số học

(2.41) Do giá trị áp suất thấp ta cũng có thể xem
Với các ống thu gom bằng hút chân không, ta xem
at, công thức (2.32) trở thành:
(2.42) Nếu giữa P1 + P2 và
có sự sai thác lớn hơn do chân không thì cần có thêm sự hiệu chỉnh

(3.43) Đường ống thu gom ở mỗi đoạn, đường kính có thể thay đổi hoặc không thay đổi để áp suất thấp hoặc hút chân không, trên mỗi đoạn có lưu lượng Qi và chiều dài l, việc tính toán tương tự áp suất cao, sử dụng các giá trị lưu lượng phù hợp theo công thức từ (2.41) đến (2.43). Ống nối tiếp: trong một số trường hợp, để thu gom hoặc cung cấp khí nén, người ta dùng ống nhiều đoạn có đường kính khác nhau để vận chuyển lưu lượng. Với đoạn thứ i, chiều dài li, đường kính Di, áp suất đầu vào Pi và đầu ra Pi+1 . D1 D2 Di Q,P1 Q,Pi Hình 2.5: Sơ đồ ống nối tiếp Từ công thức (2.21), ta đặt:
(2.44)
hoặc
Lấy tổng cho n đoạn:
Thay
, xem Pn+1 là P2, áp suất đầu ra cuối tuyến, ta có:
(2.45) Giả sử đã biết Di, li, λ, Δ, Z, và T ta tính được các giá trị Ci và đo đó tìm ra C, từ (2.42) sẽ xác định được khả năng vận chuyển của ống mắc nối tiếp. Ống mắc song song (hình 2.6) Q1 P1 P2 Qi Hình 2.6: Hệ thống song song Toàn bộ lưu lượng Q được vận chuyển trên các đoạn có đường kính khác nhau, lắp song song, các nhánh đều có áp suất đầu vào la P1 và đầu ra là P2. Lưu lượng khí vận chuyển trên mỗi nhánh:
Tổng lưu lượng:
(2.46) Trường hợp đặc biệt của tuyến ống song song là tuyến phân dòng
Hình 2.7: Tuyến ống phân dòng Với đường ống dài, để tăng khả năng vận chuyển, ta lắp them một nhánh chiều dài l, đường kính D2, lưu lượng tổng Q:
(2.47) Sau khi lắp ống nhánh, lưu lượng trên đoạn AB ở ống chính là Q1
(2.47) Từ đó:
(2.49) Giá trị Q được vận chuyển tiếp tục trên đoạn BC, cho nên có thể viết:
(2.50)
(2.43) Cộng (2.41) với (2.43) ta có
thay vào (2.37) và đặt x=l/L ta có:
(2.51) Trong đó: Q0 - Lưu lượng tổng (trước khi phân nhánh), Nm3/s Q1 - Lưu lượng ống chính sau khi phân nhánh l,L - Chiều dài nhánh và chiều dài tổng, m D1, D2 - Đường kính ống chính và ống phụ, m λ1, λ2 – Hệ số ma sát ở ống chính và ống nhánh. Khi biết các giá trị λ, D1, Q0, L ta cần phải xác định một trong ba giá trị Q1, D2 hoặc x (tương ứng chiều dài l) khi biết hai giá trị kia. b. Tính toán ống dẫn hai pha (hỗn hợp lỏng - khí) Để tìm hiểu về dòng hai pha, ta cần tìm hiểu về tính chất dòng của nó. Do sự sắp xếp tương quan giữa pha lỏng và pha khí khi chuyển động tạo ra hình dáng cấu trúc khác nhau gữa chất lỏng hai pha. Việc tính toán trở nên phức tạp hơn nhiều. Ảnh hưởng quyết định đến cấu trúc chuyển động của hệ thống là tương tác giữa các pha. Trong chất lỏng do sự xuất hiện các lực căng bề mặt giữa các pha cho nên ta không thể mô tả chế độ chảy bằng các khái niệm thông thường dòng và rối như dòng một pha. Mặt khác sự khó khăn trong việc tính toán thủy lực của dòng khí lỏng còn do sự chuyển động tương đối của pha tạo ra tốc độ tương đối. Tốc độ này phụ thuộc trước hết do sự cá biệt về tính chất vật lý như độ nhớt, mật độ, sức căng bề mặt của các pha. Ngoài ra tương quan hàm lượng khí/lỏng, đường kính ống và độ nghiêng ống so với phương nằm ngang. Sự thay đổi của tốc độ tương đối của mật độ, độ nhớt, sức căng bề mặt, hàm lượng chất lưu trong tiết diện ngang theo chiều dài tuyến ống làm cho chuyển động của hỗn hợp khí - lỏng có đặc tính rất phức tạp, khác với chất lỏng một pha. Khi tốc độ của hỗn hợp tháp, trọng lực chi phối nhiều đến cấu trúc, giá trị tốc độ và mạch đập áp suất. Tốc độ tương đối ảnh hưởng đến cấu trúc của dòng chảy, còn cấu trúc lại chi phối tổn thất áp lực. Các cấu trúc của dòng hỗn hợp lỏng - khí Việc nghiên cứu dòng chảy không khí - nước hoặc hơi nước trong ống thủy tinh nằm ngang, nghiêng hoặc lên xuống cho phép phân chia các kiểu cấu trúc đa dạng tùy theo tính chất vật lý của chất lưu, theo đường kính góc nghiêng của ống. Tùy theo, các dạng cấu trúc được xác định bởi hai thông số cơ bản được gọi là các chỉ tiêu không thứ nguyên đó là hệ số Froude và hàm lượng thể tích khí β. Chỉ số Froude:
(2.52) Hàm lượng khí:
(2.53)
vh - Tốc độ trung bình của hỗn hợp S - Tiết diện ống Q0, Q1 - Lưu lượng không khí và chất lỏng Khi vận chuyển hỗn hợp dầu khí theo đường ống, giá trị β được tính theo công thức:
(2.54) E0 - Hệ số giãn nở thể tích của dầu khi giảm áp suất R1, R2 - Tương ứng yếu tố khí thực tế và hòa tan W - Hàm lượng nước, phần đơn vị
- Áp suất trung bình trong ống và áp suất khí quyển
- Nhiệt độ trung bình và nhiệt độ ở điều kiện thường 0K Z - Hệ số nén của khí. . * Cấu trúc bọt Khi hàm lượng khí thấp, các bọt khí riêng biệt phân tán ở phần trên của tiết diện ống ngang, kích thước các bọt đều nhau, chuyển động với tốc độ của chất lỏng hoặc bé hơn, chế độ chảy không có va đập áp suất. Khi tăng tốc độ hỗn hợp cấu trúc dòng vẫn được bảo toàn. Khi tính toán người ta chia các cấu trúc ra ba cấp: nút, phân lớp và màng phân tán. Do chế độ phân lớp chỉ có trong ống ngang và ống xuống có độ nghiêng bé nên thường phải phân biệt ranh giới chuyển tiếp từ phân lớp qua nút. Ta có thể quan sát trực tiếp từ ống thủy tinh và xử lý các số liệu thực nghiệm xây dựng các đường cong theo hệ tọa độ
và đặc trưng cho sự tương quan giữa các số Froude.
(2.55) Từ đó, ta có đường cong phân chia hai vùng cấu trúc phân lớp và nút của dòng chảy, đường cong này được biểu thị bằng một phương trình thực nghiệm như sau:
(2.56) Các số liệu thực nghiệm với hỗn hợp không khí – nước cho thấy khi
dòng cấu trúc nút, khi
sẽ có cấu trúc phân lớp và sóng.
: Góc nghiêng của ống với phương ngang;
: Hệ số sức kháng thủy lực, xác định theo các công thức:

(2.57) Vr: Tốc độ chảy không áp của chất lỏng trong ống dốc xuôi (do trọng lực)


: Cũng có thể tính theo Re=vr.D/vr theo phương pháp tính lặp gần đúng. Với ống dốc ngược và thẳng đứng sẽ tồn tại ranh giới giữa chảy nút và màng phân tán. Ranh giới thu được bằng kết quả thực nghiệm cho hỗn hợp nước – không khí và dầu – không khí rồi xây dựng đường cong theo hệ tọa độ:
và
We: là tiêu chuẩn Weber;
: Mật độ lỏng, khí;
(2.58)
: Sức căng bề mặt của hệ thống lỏng - khí. N/m Từ các chất lỏng có độ nhớt khác nhau, ta thu được các đường cong ranh giới khác nhau.