Modelling pressure dynamics in a gas pipeline with an in-line sampling

Abstract

   Gas pipelines, whether main, field, or urban, often operate in non-stationary modes. Changes in the operating modes of pumping stations, equipment start-up and shutdown, an in-line sampling or pumping and various factors are causes of instability of pressure, velocity, gas flow rate. Main pipelines are complex engineering systems with the pipeline itself being the main element. Fail-safety is the major factor in the operation of this system. Ensuring operational safety requires studying the movement regimes of the transported medium, particularly study of the dynamics of pressure duringstart-up or shutdown and at specific extraction points.   This article aims to build a mathematical model and study the pressure dynamics in a gas pipeline with a sampling point.   The theory of non-stationary motion liquid in round pipes has been strongly developed in the works of I. A. Charnyj. These works consider a large complex of engineering tasks taking into account viscous properties of the transported medium and pipe resistance in the hydraulic approximation. In the article on the basis of I. A. Charnyj's researches on the motion of real liquid in circular pipes the equation in partial derivatives of hyperbolic type is compiled. The equation describes the unsteady pressure of a horizontal section of gas pipeline with an extraction point. Using the Dirac delta function allows the formulation of the problem in the form of a single equation. Pressures are set at the ends of a given section, and the initial velocity is related to the Dirac delta function. By applying the finite Fourier sine transform, the partial differential equation is transformed into an ordinary differential equation and solved. Solution of equation is vision of a solution to the initial task. Inverse transform formulas based on Fourier theory allowed us to proceed to the solution of this task. Explicit dependences for the dynamics of unsteady pressure are obtained. The qualitative analysis of the formulas indicates the wave motion of a medium during the initial phase of operation, transitioning into a stationary mode after a brief period. The duration of the transition period depends on factors such as the hydraulic resistance coefficient and the velocity of the transported medium. Coefficient of hydraulic resistance and the velocity of the transported medium are the main factors. An example is considered for a horizontal section under isothermal flow conditions. With assumed numerical parameters, the transition to a stationary state occurs approximately 17 minutes after the process begins, as illustrated in the graphs provided in the article. Engineers can use mathematical models of the liquid and gas motion through pipes in the design of pipelines, as well as in solving tasks that arise during their operation. These tasks include monitoring the condition of the pipeline system, optimizing the operation, accumulation capacity estimates and others.

About the authors

I. F. Chuprov

Ukhta State Technical University

M. S. Parmuzina

Ukhta State Technical University

Email: mparmuzina@ugtu.net
ORCID iD: 0000-0003-3790-4743

A. A. Lyutoev

Ukhta State Technical University

ORCID iD: 0009-0003-4781-2540

References

  1. Чарный, И. А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах / И. А. Чарный. – Москва : Недра, 1975. – 296 с. – Текст : непосредственный.
  2. Рабинович, Е. З. Гидравлика / Е. З. Рабинович. – Москва: Недра, 1980. – 278 с. – Текст : непосредственный.
  3. Зезин, В. Г. Гидравлический удар. Расчет гидравлических параметров : учебное пособие / В. Г. Зезин. – Челябинск : ЮУрГу, 2021. – 50 с. – Текст : непосредственный.
  4. Гельфанд, И. М. Обобщенные функции и действия над ними / И. М. Гельфанд, Г. Е. Шилов. – Москва : Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. – 472 с. – Текст : непосредственный.
  5. Сложные трубопроводные системы / В. В. Грачев, М. А. Гусейн-заде, Б. И. Ксенз, Е. И. Яковлев. – Москва : Недра, 1982. – 256 с. – Текст : непосредственный.
  6. Тихонов, А. Н. Уравнения математической физики / А. Н. Тихонов, А. А. Самарский. – Москва: Наука, 1972. – 735 с. – Текст : непосредственный.
  7. Бобровский, С. А. Движение газа в газопроводах с путевым отбором / С. А. Бобровский, С. Г. Щербаков, М. А. Гусейн-заде. – Москва : Наука, 1972. – 192 с. – Текст : непосредственный.
  8. Чупров, И. Ф. Реализация математической модели нестационарного движения газа в сложном трубопроводе при смешанных граничных условиях / И. Ф. Чупров, А. О. Кувакина, М. С. Пармузина. – doi: 10.17122/ntj-oil-2023-2-95-105. – Текст : непосредственный // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2023. – № 2 (142). – С. 95–105.
  9. Градштейн, И. С. Таблицы интегралов, рядов и произведений / И. С. Градштейн, И. М. Рыжик. – Под ред. А. Джеффри, Д. Цвиллингера. – 7-е изд.: Пер. с англ. Под ред. В. В. Максимова. – Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2011. – 1232 с. – Текст : непосредственный.
  10. ГСССД 160-93. Газ природный расчетный. Плотность, фактор сжимаемости, энтальпия, энтропия, изобарная теплоемкость, скорость звука, показатель адиабаты и коэффициент объемного расширения при температурах 250 ... 450 К и давлениях 0,1... 12 МПа: таблицы стандартных справочных данных. – Москва: Комитет Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации, 1993. – 20 с.
  11. Транспорт скважинной продукции : учебное пособие / Н. В. Чухарева, А. В. Рудаченко, А. Ф. Бархатов, Д. В. Федин. – Текст : непосредственный // Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 354 с. – Текст: непосредственный.
  12. Луценко, М. Е. Проектирование промысловых нефтепроводов, подверженных влиянию нестационарных процессов / М. Е. Луценко, Н. В. Чухарева. – Текст : непосредственный // Транспорт и хранение углеводородов, ТХУ-2022 : тезисы докладов III Международной научно-технической конференции молодых ученых, Омск, 21 апреля 2022, Омский государственный технический университет. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2022. – С. 71–73.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).