На правах рукописи

КЛИМКО Василий Иванович

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО

РЕЖИМА ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА

ВЫСОКОВЯЗКОЙ И ВЫСОКОЗАСТЫВАЮЩЕЙ НЕФТИ

Специальность 25.00.19 – Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минеральносырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Николаев Александр Константинович

Официальные оппоненты:

Поляков Вадим Алексеевич – доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина», кафедра проектирования и эксплуатации газонефтепроводов, профессор Дзарданов Олег Игоревич –кандидат технических наук, ООО «Строительная компания ИМОНИКА», инженер производственно-технического отдела

Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится 17 июня 2014 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.10 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный»

по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 17 апреля 2014 г.

ПЕТУХОВ

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

Александр Витальевич диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований Основной особенностью высоковязкой и высокозастывающей нефти является резкое увеличение вязкости при температуре застывания, которая зачастую превышает температуру окружающего грунта при трубопроводном транспорте.

В настоящий момент существует ряд способов транспортировки высоковязкой и застывающей нефти и нефтепродуктов по трубопроводу. Наибольшее распространение получил метод перекачки с предварительным подогревом нефти по подземному трубопроводу – «горячему» нефтепроводу. В современных рыночных условиях данный метод характеризуется весомыми затратами энергии и природных ресурсов, связанными с необходимостью значительного увеличения температуры больших объемов перекачиваемой нефти. В связи с этим существует потребность в:

- совершенствовании методики расчета эксплуатационных режимов перекачки нефти по «горячим» нефтепроводам с учетом изменяющихся реологии, температуры и скорости движения нефти;

- разработке методики выбора рациональной температурой предварительного подогрева, влияющей на выбор режима транспортирования нефти.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации подземных нефтепроводов.

Идея работы.

Повышение эффективности эксплуатации подземных нефтепроводов достигается выбором рационального температурного режима перекачки высоковязкой и высокозастывающей нефти с учетом изменения ее реологических характеристик.

Основные задачи исследования 1. Исследовать реологические характеристики высоковязкой и высокозастывающей нефти, перекачиваемой по подземному нефтепроводу.

2. Разработать физико-математическую модель процесса теплообмена с учетом гидродинамики потока и реологической модели исследуемой нефти для стационарного режима работы нефтепровода.

3. Установить зависимость для расчета коэффициентов гидравлических сопротивлений при неизотермическом движении высоковязкой нефти в структурном и турбулентном режимах по нефтепроводу Узень-Атырау-Самара.

4. Разработать методики расчета температурных режимов работы «горячего» нефтепровода при неизотермическом движении высоковязкой и высокозастывающей нефти в структурном и турбулентном режимах.

Научная новизна работы 1. Разработана физическая и математическая модели теплообмена с учетом влияния изменения реологических свойств перекачиваемой нефти и смещения профиля скорости потока по поперечному сечению трубопровода.

2. Получено критериальное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи от перекачиваемой нефти к стенке трубопровода при структурном режиме движения.

3. Получена зависимость для расчета коэффициента гидравлического сопротивления при неизотермическом течении высоковязкой и высокозастывающей нефти для структурного и турбулентного режимов движения потока.

Научные положения, выносимые на защиту 1. Величина коэффициента гидравлического сопротивления при неизотермическом течении нефти по подземному нефтепроводу определяется произведением соответствующего коэффициента при изотермическом течении, показателя, определяемого как отношение критерия Прандтля при температуре потока к критерию Прандтля при средних значениях температуры стенки трубы на заданном участке и параметров, учитывающих неизотермичность перекачки по длине трубопровода, что позволяет повысить точность расчета режимов транспортирования высоковязкой и высокозастывающей нефти.

2. Рациональную температуру предварительного подогрева при неизотермическом течении высокозастывающей и высоковязкой нефти следует определять в зависимости от режима движения и совокупных эксплуатационных затрат в условиях сохранения планового объема перекачки.

Методика исследований В основе проведенных исследований состоит системный подход к изучаемым объектам и явлениям. При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, содержащий: анализ и обобщение теоретических и экспериментальных трудов по эксплуатации трубопроводов, транспортирующих высоковязкую и высокозастывающую нефть;

теоретический анализ, методы математической статистики, математическое моделирование, статистические методы планирования и обработки экспериментальных данных, исследования в лабораторных и производственных условиях, Достоверность научных положений обоснована и подтверждается использованием современных методов при проведении исследований, а также достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных данных. Погрешность полученных зависимостей не превышает 5%.

Практическая ценность работы 1. Разработана методика расчета температурных режимов работы подземного нефтепровода для неизотермического движения высоковязкой и высокозастывающей нефти.

2. Разработан способ прокладки подземного трубопровода, снижающий влияние окружающей среды на температурный режим работы нефтепровода (решение о выдаче патента на изобретение от 11.03.2014 по заявке №2013121510/06(031632)).

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на:

VII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2011» (г. Уфа, 10VI Петербургском международном инновационномфоруме, «ПМИФ-2013» (г. Санкт-Петербург, 2-4.10.2013) III Научно-практической конференции молодых ученых РАН «Фундаментальная и прикладная наука глазами молодых ученых.

Успехи, перспективы, проблемы и пути их решения» (г. СанктПетербург, 3-5.06.2013) VII Санкт-Петербургском конгрессе "Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке" (г. Санкт-Петербург 27.11-28.11.2013) Разработки, полученные в ходе выполнения исследования, были представлены на:

Финале конкурса «Бизнес инновационных технологий (БИТ) Северо-Запад – 2013» (г. Санкт-Петербург, 19.06.2013) Конкурсе Лучших инновационных проектов в сфере науки и высшего профессионального образования Санкт-Петербурга в 2013г.

Конкурсе проектов Форума молодых специалистов в области инноваций (г. Санкт-Петербург, 10.11.2013) молодежного научно-инновационного конкурса» (УМНИК) (г. Санкт-Петербург, 06.12.2013) По теме диссертации опубликовано три научные работы в изданиях, входящих в перечень научных изданий ВАК Минобрнауки России; получено решение о выдаче патента.

Личный вклад соискателя Автором разработана математическая модель теплообмена потока нефти со стенками трубопровода; получено критериальное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи от потока высоковязкой и высокозастывающей нефти к стенке трубопровода;

разработана методика расчета теплового режима подземного нефтепровода, транспортирующего высоковязкую и высокозастывающую нефть; разработаны методики исследований реологических характеристик перекачиваемой нефти и температурного режима работы подземного нефтепровода.

Реализация результатов работы Разработанная методика расчета теплового режима может быть использована на предприятиях нефтегазовой отрасли, осуществляющих эксплуатацию нефтепроводов, транспортирующих высоковязкую и высокозастывающую нефть, при проектировании и сооружении аналогичных трубопроводов. Разработанный способ прокладки подземного трубопровода может быть применен при строительстве нефтепроводов в болотистой и обводненной местности для снижения тепловых потерь в окружающую среду и снижения дальнейших эксплуатационных затрат.

Научные и практические результаты исследования могут быть использованы при проведении учебных занятий Горного университета в дисциплине «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» студентам специальности 130501 и направления подготовки 131000.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, изложена на 146 страницах текста, содержит 40 рисунков, 23 таблицы, список использованных источников из 131 наименования, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, отражена необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований, выявлена научная новизна, определены объект и предмет исследования.

В первой главепроводится сравнительный анализ теоретических и практических исследований процесса транспортирования высоковязкой и высокозастывающей нефти по трубопроводу.

В настоящее время существует ряд методик для гидравлического и теплового расчета работающего в неизотермических условиях трубопровода. Большой вклад в развитии теоретической базы в данном направлении внесли следующие ученые и специалисты: В.Г. Шухов, Л.С. Абрамзон, В.И. Черникин, В.С. Яблонский, П.И. Тугунов, В.Л. Нельсон, В.Ф. Новоселов, Н.А. Гаррис, А.Х. Мирзаджанзаде, В.И. Марон, В.Е. Губин, А.К. Галлямов, В.А. Юфин, В.М. Агапкин, Р.А. Алиев, С.М. Коли, А.А Аронс, Ф. Джил, Ф. Карг и др.

Наиболее распространенным в настоящее время является способ перекачки высоковязкой и высокозастывающей нефти с предварительным подогревом, называемый перекачкой по «горячему» нефтепроводу. Среди научных трудов, посвященных анализу «горячей» перекачки, следует отметить работы А.Ф. Юкина, С.Ю. Трапезникова, П.В. Федорова, К.Ю. Штукатурова, В.В.

Новоселова и др.

Проведен анализ существующих в отечественной и зарубежной литературе методов гидравлического и теплового расчетов процесса перекачки высоковязких жидкостей.

Рассмотрены методы теплового расчета нефтепроводов, работающих в неизотермическом режиме.

Существующие методики оставляют место для творческого поиска и научных исследований ввиду значительного числа допущений и вносимых погрешностей.

Выполненный анализ показал необходимость проведения исследования реологических свойств перекачиваемой нефти, теплового взаимодействия трубопровода, работающего в неизотермических условиях, с окружающей средой. Это обусловлено необходимостью вывода критериальных уравнений для движения нефти в структурном режиме, создания методики расчета теплового режима работы нефтепровода и обоснования выбора рациональной температуры предварительного подогрева.

Во второй главе приводятся теоретические исследования реологических особенностей высоковязкой и высокозастывающей нефти, выполнен анализ влияния изменения реологических характеристик и температурного режима на гидравлическое сопротивление трубопровода. Разработана математическая модель процесса теплообмена при перекачке высоковязкой и высокозастывающей нефти по трубопроводу.

Перенос вещества и энергии в потоке жидкости неразрывно связан с его структурой и кинематическими особенностями.

Осуществление качественной и количественной оценки тепломассопереноса требует анализа теоретических и экспериментальных данных по теплоотдаче и изменению кинематики потока высоковязкой и высокозастывающей нефти.

Аналитическое решение уравнения теплопереноса следует рассматривать в сечении трубопровода, состоящем из участков с квазиизотропными реологическими характеристиками нефти. Для подобного сечения при установившемся течении будет справедливо уравнение Фурье-Кирхгофа, имеющее вид где С р - объемная теплоемкость нефти; Wх-осевая скорость движения нефти; -коэффициент теплопроводности.

Уравнение (1) используется для развитого потока, что позволяет нам предложить реологическую модель нефти как жидкость, в которой распределение тепла теплопроводностью по оси сравнительно мало по сравнению с теплом, переносимым в результате конвекции.

Анализ экспериментальных исследований позволяет принять зависимость профиля скорости Wх от величины безразмерного радиуса в цилиндрический координатах в следующем виде где R ; Wср– средняя по сечению скорость; rо – радиус трубы;

r – текущий радиус.

Обработка экспериментальных данных, основанных на изучении движения глинистых суспензий и цементных растворов, являющихся вязкопластичными жидкостями и близких по реологическим характеристикам к высоковязкой и высокозастывающей нефти, позволило выявить зависимость скорости от угла (рисунок 1) в виде Рисунок 1 Модель потока в цилиндрических координатах Поскольку процесс движения нефти и теплообмена происходит по протяженному трубопроводу, уравнение (3) необходимо представить в цилиндрической системе координат где a = c; r-текущий радиус; -угол, отсчитываемый от вертикали ; Wср - средняя скорость перекачки нефти; x - координата, Уравнение (4) может быть записано для некоторой разности температур (Т – Тс), где в качестве постоянной температуры Тс выбираем температуру стенки трубопровода, считая ее постоянной и заданной Приводя уравнение (5) к безразмерному виду введем новые безразмерные переменные где Т0 - значение температуры нефти на входе в трубопровод.

Используя величины, R, X в качестве новых переменных, приведем уравнение (4) к безразмерной форме Уравнение в частных производных имеет единственное решение в случае верно заданных граничных условиях. Примем граничные условия, соответствующие характерным особенностям эксплуатации «горячих» нефтепроводов.

1. Температуру внешней поверхности трубопровода считаем заданной и равной Тc. В безразмерных координатах граничное условие (5) имеет вид 2. В начальном сечении трубопровода (x=0) нефть поступает, имея начальную температуру Т0, равномерно распределенную по всему сечению 3. Температура на оси трубопровода ограничена, поскольку Т0 – Тc является максимальным значением разности температур, поэтому Проводя интегрирование уравнения (7) воспользуемся сверткой функции по координате х уравнение баланса энергии (7) и указанные граничные условия (8)Интегральная форма для любого поперечного сечения (S) будет иметь вид температуры в следующем виде Окончательно первое приближение имеет вид применении указанной формулы расчета по первому приближению, вычислим среднюю температуру потока нефти Оценка погрешности получится, если положить X = 0. Для погрешности в 0% должна равняться единице Из указанного видно, что приближенное решение в данном виде дает ошибку порядка 5.

Определим коэффициент Нуссельта, используя значение средней температуры Из (16) следует, что параметр Нуссельта в зависимости от угла может изменяться в пределах от 6.68 до 3.34. При этом среднее значение в указанных пределах равно Nu=5.

цилиндрической системе координат симметрично относительно плоскости =0, при этом уравнение тепломассопереноса выглядит следующим образом Начальные и граничные условия:

В среде MatLab было проведено моделирование, результаты которого представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Результаты расчета безразмерной температуры по поперечному сечению нефтепровода Определение коэффициента гидравлического сопротивления при перекачке высоковязкой и высокозастывающей нефти производилось с учетом предварительного исследования реологических свойств нефти, перекачиваемой по «горячему»

нефтепроводу Узень-Атырау-Самара.

Предварительные результаты экспериментов показали, что законы движения для подобной нефти описываются уравнением Балкли-Гершеля. В таком случае для всей зоны структурного режима течения коэффициент гидравлического сопротивления может быть представлен в виде Выражение (22) принято представлять через обобщенное число Рейнольдса таким образом, что коэффициент гидравлического сопротивления будет рассчитываться по формуле где Re - обобщенный критерий Рейнольдса; N – число, определяемое экспериментально.

Для турбулентного режима коэффициент гидравлического сопротивления при неизотермическом течении будет определяться с учетом изменения температуры и реологических свойств нефти по длине трубопровода.

В конечном итоге формула определения коэффициента гидравлического сопротивления при неизотермическом режиме движения будет иметь вид где и f – соответственно вязкости при средней величине температуры стенки трубопровода и средней температуре в потоке нефти; T - поправка на разницу температуры окружающей среды в сечении 1 и сечении 2; А – число, определяемое в ходе реологических исследований нефти; Т1, Т2 – соответственно температура в 1 и 2 сечении.

Коэффициент гидравлического сопротивления при изотермическом течении нефти принято определять по формуле В третьей главе разработана и приведена методика экспериментальных исследований температурных режимов работы подземного нефтепровода и результаты проведенных исследований.

Для решения поставленной задачи был проведен ряд экспериментов на российском участке нефтепровода АтырауСамара. Установленные на трубопровод термопары замеряли температуру стенки трубопровода в 4х точках (рисунок 3).

Рисунок 3 – Распределение температур по сечению трубопровода Также проводились измерения температуры окружающего грунта непосредственно у НПС Большая Черниговка и ЛПДС Самара, исследования температуры застывания перекачиваемой нефти и фиксация температуры ухода нефти со станции Б. Черниговка и прихода на ЛПДС Самара. Данные собирались ежесуточно и приведены на рисунке 4.

Исследования реологических свойств перекачиваемой высоковязкой и высокозастывающей нефти проводились на вискозиметре Rheotest 4.1 и позволили подтвердить гипотезу о наличии начального напряжения сдвига в данной нефти (рисунок 5).

Рисунок 5 – Реологические кривые для нефти при различных Проведенные реологические исследования позволили получить зависимости для определения коэффициента динамической вязкости и начального напряжения сдвига с погрешностью порядка 1% в следующем виде В ходе эксперимента по определению коэффициента гидравлических сопротивлений снимались такие характеристики, как производительность за 2 часа работы, ежечасный расход, потребляемая мощность, суточный расход, давление на входе и выходе с насосной станции, КПД и т.д.

Планирование эксперимента проводилось по методике Протодьяконова и Тедера, что позволило сократить число опытов. В ходе проведенных исследований была установлена величина коэффициента N, используемого в формуле расчета числа Ильюшина. Величина среднеквадратического отклонения составила 3,7%, следовательно, полученное число N=6,34 можно принимать для проведения инженерных расчетов.

коэффициента теплоотдачи позволили выявить критериальное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи от нефти к стенкам трубопровода при движении в структурном режиме в следующем виде Погрешность полученной зависимости не превышает 5%.

В четвертой главе приводится описание методики расчета рациональной температуры предварительного подогрева высоковязкой и высокозастывающей нефти, описание способа прокладки подземного нефтепровода и расчет экономической эффективности проведенных исследований.

На основе полученных экспериментальным путем уравнений теплообмена и реологических характеристик перекачиваемой высоковязкой и высокозастывающей нефти разработана методика расчета температуры предварительного подогрева нефти исходя из условия обеспечения планового объема перекачки нефти и критической длины участка, на котором нефть движется в структурном режиме с образованием ядра потока.

Методика позволяет определить требуемую величину начальной температуры нефти на выходе из пункта подогрева, гидравлические потери по длине трубопровода, а также оценить общие тепловые потери при осуществлении перекачки.

В главе представлено описание способа прокладки подземного нефтепровода, обеспечивающего относительное постоянство свойств окружающего грунта путем укладки трубопровода в заранее подготовленный грунт и защиты уложенного трубопровода и грунта гибкими коврами из синтетических материалов, что позволяет значительно сократить тепловые потери на границе грунт-воздух (грунт-снежный покров).

Проведенный технико-экономический анализ позволил оценить величину экономии от снижения объема тепловых потерь при транспортировки нефти с предварительным подогревом.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлено, что реологическая характеристика высокозастывающей и высоковязкой нефти, перекачиваемой по подземным нефтепроводам соответствует модели Балкли-Гершеля.

Неньютоновские свойства проявляются при температуре жидкости ниже 15 оС. Получены формулы для определения динамической вязкости и напряжения сдвига в зависимости от температуры.

2. Разработана физико-математическая модель процесса теплообмена высокозастывающей и высоковязкой нефти с учетом гидродинамики потока и реологической модели на основе уравнения теплового баланса Фурье-Кирхгофа.

3. Уставлены зависимости, необходимые для расчета коэффициента гидравлического сопротивления при неизотермическом движении высокозастывающей и высоковязкой нефти в структурном и турбулентном режимах течения. Для структурного режима величина коэффициента гидравлического сопротивления представлена в виде функции числа Ильюшина и параметра N, определяемого экспериментальным путем. Для турбулентного режима коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывается с учетом изменения температуры перекачиваемой нефти как по длине, так и по сечению трубопровода с учетом погрешности на различия в температуре грунта между начальным и конечным пунктом. Установлена зависимость определения безразмерного параметра Нуссельта, погрешность которой значительно ниже расчетной величины, полученной по формуле М.А. Михеева.

4. Оценку температурных режимов работы подземного нефтепровода при неизотермическом режиме перекачки следует проводить исходя из условия снижения температуры предварительного подогрева до такой величины, при которой расчетная конечная температура нефти не менее чем на 26% выше температуры застывания. Технико-экономический расчет подтвердил наличие экономической выгоды при проведении данных мероприятий.

Наиболее значимые работы по теме диссертации:

В изданиях из перечня, рекомендованных ВАК Минобрнауки России 1. Климко, В.И. Выбор оптимальной температуры подогрева при "горячей" перекачке нефти и нефтепродуктов / В.В. Пшенин, В.И. Климко // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2013. - № 8. - С. 43-47.

2. Климко, В.И. Критериальные уравнения теплообмена при перекачке с подогревом нефти и нефтепродуктов / В.В. Пшенин, В.И. Климко // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2013. - № 8. - С. 33-36.

3. Климко, В.И. Критериальные уравнения для числа Нуссельта при трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов с использованием подогрева / В.В. Пшенин, В.И. Климко // Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2013. - № 3. – С. 24-25.

Получено решение о выдаче патента на изобретение от 11.03.2014 г. по заявке 2013121510 Российская Федерация, Способ прокладки подземного трубопровода [Текст] / Климко В.И., Николаев А.К., Тарасов Ю.Д. (Россия) ; заявитель ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»;

пат. повер. Яковлев А.П. – № 2013121510; заявл. 07.05.2013 – 5 с.