На правах рукописи

ПШЕНИН Владимир Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПЕРЕКАЧКИ

ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕЙ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ

ПОДОГРЕВОМ С УЧЕТОМ ХАРАКТЕРИСТИК

ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

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:

кандидат технических наук, доцент Кабанов Олег Васильевич

Официальные оппоненты:

Торопов Сергей Юрьевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», кафедра транспорта углеводородных ресурсов, профессор Каримов Зуфар Фазылович доктор технических наук, профессор

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет»

Защита состоится 17 июня 2014 г. в 17 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.

Николаев Александр

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

Константинович диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований В соответствии с "Энергетической стратегией России на период до 2030 года" и распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р одной из важнейших задач нефтяного комплекса в области трубопроводного транспорта является системная организация технологических режимов работы нефтепровода с целью обеспечения их энергоэффективности.

Системы транспорта нефти представляют сложный энергетический комплекс, включающий магистральные и вспомогательные трубопроводы, нефтеперекачивающие станции, резервуарные парки, запорно-регулирующую арматуру и другое технологическое оборудование. Поскольку значительная доля нефтей обладает повышенной вязкостью, для их транспортировки применяют специальные методы. Наиболее распространенным методом является предварительный подогрев. Трубопроводный транспорт нефти с предварительным подогревом характеризуется сложным взаимодействием системы "трубопровод – насосная станция". Исследование таких систем с целью увеличения их энергоэффективности представляет актуальную научно-техническую задачу.

Цель диссертационной работы Цель диссертационной работы: оптимизировать режимы перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом характеристик центробежных насосов.

Основные задачи исследования 1. Выполнить анализ современной теории и практики транспорта высоковязких нефтей с использованием предварительного подогрева.

2. Разработать математическую модель процесса транспортирования нефти по «горячим» трубопроводам с учетом характеристик центробежных насосов.

3. Получить критериальные уравнения для числа Нуссельта при вынужденной конвекции в трубах в случае «горячей» перекачки в форме, удовлетворяющей разработанной модели.

4. Теоретически обосновать метод гидравлического расчета «горячего» трубопровода.

5. Выбрать критерии оптимизации режимов работы системы «горячий» нефтепровод – насосная станция и определить параметры перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом характеристик центробежных насосов и термодинамических свойств системы.

6. Получить экспериментальное подтверждение результатов теоретических исследований.

7. Разработать инженерную методику определения параметров оптимальных режимов транспортирования нефти по «горячим»

трубопроводам.

Представить процесс перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом в виде замкнутой системы. В пространстве «расход перекачки – начальная температура подогрева – полные потери напора» (Q, Tн, H) определить линию рабочих режимов. На этой линии найти точку, удовлетворяющую выбранным критериям оптимальности.

Научная новизна работы 1. Разработаны математическая модель и обобщенный алгоритм выбора оптимальной температуры начального подогрева нефти, где трубопровод и насосная станция рассматриваются как замкнутая система с учетом взаимного влияния параметров движения нефти в трубопроводе и характеристик центробежных насосов, а также зависимости определяющих параметров от термодинамических режимов транспортирования.

2. Получены критериальные уравнения теплоотдачи для числа Нуссельта при тепловом расчете «горячих» трубопроводов, которые позволяют сделать методику теплового расчета безыттерационной.

3. Предложены новые режимные параметры и построены области расчета "горячего" трубопровода в изотермическом приближении и области применимости модифицированной формулы определения потерь напора с заданной точностью.

Научные положения, выносимые на защиту 1. Параметры оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом определяются получением и минимизацией по разработанному алгоритму векторного уравнения линии рабочих режимов построенной в пространстве «расход перекачки – начальная температура подогрева – полные потери напора» (Q, Tн, H).

2. Разработанный метод определения оптимальной температуры начального подогрева нефти с учетом характеристик центробежных насосов в системе «трубопровод - насосная станция» обеспечивает повышение энергоэффективности процесса перекачки высоковязкой нефти.

Методика исследований При решении поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования включали в себя математическое описания режимов работы "горячих" трубопроводов, компьютерное моделирование, системы «трубопровод - насосная станция» с учетом изменения параметров работы центробежных насосов.

Экспериментальные исследования включали проведение натурных опытов при изменении определяющих факторов в соответствии с разработанным планом экспериментальных исследований, обработку полученных результатов методами математической статистики.

Достоверность научных положений Достоверность научных положений подтверждена теоретическими исследованиями, результатами лабораторных экспериментов, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с доверительной вероятностью не менее 0,95.

Практическая ценность работы 1. Разработана инженерная методика определения параметров оптимальных режимов транспортирования нефти по «горячим»

трубопроводам.

2. Создана компьютерная программа по теплогидравлическому расчету «горячих» трубопроводов и выбору оптимальных режимов их эксплуатации.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на:

1. 64-ой международной научной студенческой конференции «Нефть и газ – 2010» на базе РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина 11г., диплом 2-ой степени.

2. Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» на базе ПГТУ 9-12.11.2010 г., диплом 2-ой степени.

3. Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса на базе СПГГУ 30.03 – 1.04.2011 г., диплом 1-ой степени.

4. 65-ой международной научной студенческой конференции «Нефть и газ – 2011» на базе РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина 11г., диплом 2-ой степени.

5. 8-ом международном молодежном нефтегазовом форуме SPE на базе КазНТУ 16-17.04.2011 г., диплом 1-ой степени.

6. Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» на базе СПГГУ 20-22.04.2011, диплом за 2 место.

7. XIII Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех - 2011» и «Севергеоэкотех – 2012» (21-23 марта 2012 г.), на базе УГТУ, диплом I степени.

8. Международном семинаре «Рассохинские чтения» на базе УГТУ, 2014 г.

По теме диссертации опубликовано десять научных работ, пять из которых в изданиях, входящих в перечень научных изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Личный вклад соискателя Разработана математическая модель процесса транспортирования нефти по «горячим» трубопроводам с учетом характеристик центробежных насосов. Составлена и обоснована инженерная методика определения параметров оптимальных режимов транспортирования нефти по «горячим» трубопроводам. Получены новые критериальные уравнения для числа Нуссельта при вынужденной конвекции в трубах для всех режимов течения. Найдены и обоснованы условия, при которых расчеты "горячих" трубопроводов можно вести в изотермическом приближении. Предложены новые режимные параметры и построены области расчета "горячего" трубопровода в изотермическом приближении и области применимости модифицированной формулы определения потерь напора с заданной точностью.

Реализация результатов работы Результаты исследований, представленные в настоящей работе, могут быть применены при расчетах и оптимизации трубопроводного транспорта высоковязких нефтей и нефтепродуктов с использованием технологии предварительного подогрева.

Научные и практические результаты работы могут быть использованы в учебном процессе «Национального минеральносырьевого университета «Горный» при изучении дисциплины «Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов» студентами специальности 130501.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 138 страницах текста, содержит 30 рисунков, 18 таблиц, список использованных источников из 121 наименования, 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, определены цель, идея, задачи работы, изложены защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.

В главе 1 проводится научный анализ особенностей теории и практики перекачки высоковязкой нефти по трубопроводу с использованием технологии предварительного подогрева.

Основы теории и практики проектирования и сооружения неизотермических нефтепроводов были заложены В.Г. Шуховым.

Дальнейшее развитие теоретических основ технологии транспорта высоковязких нефтей с предварительным подогревом по трубопроводу было сделано в работах В.И. Черникина, В.С. Яблонского, П.И.

Тугунова, Л.С. Абрамзона, В.М. Агапкина, А.К. Галлямова, А.А.

Коршака, Н.А. Гаррис, В.Е.Губина, Б.Л. Кривошеина, А.Х. Мирзаджанзаде, В.Ф. Новоселова, Ю.А. Сковородникова, Б.А. Тонкошкурова, В.И. Харламенко, В.А Юфина, В.Т. Федорова, П.В. Федорова, С.Н. Челинцева, К.Ю. Штукатурова, А.Ф. Юкина и др. В этих работах затронуты различные вопросы организации транспорта высоковязких нефтей и нефтепродуктов с предварительным подогревом.

В результате анализа теоретических исследований и практики перекачки высоковязкой нефти по трубопроводу с использованием технологии предварительного подогрева можно заключить следующее: систему «трубопровод – насосная станция» для случая «горячего» нефтепровода следует рассматривать как единое целое. Таким образом, изменение термодинамических параметров одной из частей данной системы влечет за собой неизбежное изменение параметров другой ее части.

Несмотря на общепризнанность данного утверждения, оптимизационные расчеты «горячей» перекачки на сегодняшний день ведутся при фиксированном расходе (обобщенный принцип Яблонского), что невозможно на практике при использовании центробежных насосов и регулировании температуры перекачиваемой нефти. Рабочая точка системы «трубопровод – насосная станция» определяется исходя из уравнения баланса напоров. Поскольку гидравлические характеристики нефтепровода и нефтеперекачивающей станции зависят от начальной температуры подогрева нефти, рабочая точка не является зафиксированной, и будет смещаться в ту или иную сторону при изменении начальной температуры подогрева (рисунок 1).

Рисунок 1 – Совмещенная гидравлическая характеристика системы «трубопровод – насосная станция» с учетом изменения начальной температуры подогрева нефти Таким образом, в ходе анализа было установлено, что существующие на сегодняшний день методики оптимизационных расчетов не учитывают изменения характеристик центробежных насосов.

Следовательно, для решения задачи о повышении энергоэффективности системы «трубопровод – насосная станция» в случае горячей перекачки необходимо составить математическую модель учитывающую изменение характеристик центробежных насосов, а затем провести поиск совокупности параметров, обеспечивающих энергоэффективный режим транспорта высоковязкой нефти по «горячему»

трубопроводу.

Проанализированы основные факторы, влияющие на результаты теплогидравлического расчета нефтепровода, отмечены достоинства и недостатки современных методов теплогидравлического расчета, приведенных в научной литературе. Подробно рассмотрена существующая на сегодняшний день нормативная документация в области теплового и гидравлического расчета "горячих" трубопроводов.

Проведенный научный анализ позволил сформулировать следующие основные задачи исследований:

1. Разработать математическую модель процесса транспортирования нефти по «горячим» трубопроводам с учетом характеристик центробежных насосов.

2. Получить критериальные уравнения для числа Нуссельта при вынужденной конвекции в трубах в случае «горячей» перекачки в форме, удовлетворяющей разработанной модели.

3. Теоретически обосновать метод гидравлического расчета «горячего» трубопровода.

4. Выбрать критерии оптимизации режимов работы системы «горячий» нефтепровод – насосная станция и определить параметры перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом и учетом характеристик центробежных насосов и термодинамических свойств системы.

5. Получить экспериментальное подтверждение результатов теоретических исследований.

6. Разработать инженерную методику определения параметров оптимальных режимов транспортирования нефти по «горячим»

трубопроводам.

Во второй главе представлены теоретические исследования, направленные на обоснование выбора параметров оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом характеристик центробежных насосов.

Математическая модель «трубопровод – насосная станция»

является основой для оптимизационного исследования системы трубопроводного транспорта нефти с использованием технологии предварительного подогрева. Данная математическая модель включает в себя две взаимозависимые части: моделирование движения высоковязкой нефти в трубопроводе и моделирование работы насосной станции.

Для описания неизотермического движения высоковязкой нефти в трубопроводе система уравнений была записана в виде (декартова система координат):

где – коэффициент теплопроводности нефти, Сp – коэффициент изобарной теплоемкости, – коэффициент динамической вязкости нефти, – плотность нефти, T – температура нефти, wx, wy, wz – проекции вектора скорости на декартовы оси координат, p – давление, t – время, «D» – обозначение субстанциальной производной.

Для того чтобы получить общую математическую модель «трубопровод – насосная станция» для случая «горячей» перекачки, система уравнений для трубопровода дополнена уравнением моделирующим НПС. Уравнение характеристики НПС в общей форме было сформулировано в следующем виде:

где a0 … an – коэффициенты аппроксимации характеристики насоса, Q – расход перекачки.

Полученная система дифференциальных уравнений является основой математической модели «трубопровод – насосная станция».

При решении общей системы дифференциальных уравнений приняты следующие допущения:

1. Квазистационарность процесса (оптимизационные исследования проводятся для стационарных режимов);

2. Осесимметричность задачи;

3. Относительно небольшие скорости течения нефти.

На основе полученной математической модели «трубопровод – насосная станция» автором предлагается обобщенный алгоритм выбора оптимальной температуры начального подогрева нефти при «горячей» перекачке, который работает для любого заранее выбранного критерия оптимальности (рисунок 2).

Рисунок 2 – Обобщенный алгоритм выбора оптимальной температуры начального Трубопровод и насосная станция в предложенном алгоритме рассматриваются как замкнутая система с учетом взаимного влияния параметров движения нефти в трубопроводе и характеристик центробежных насосов, а также зависимости определяющих параметров от термодинамических режимов транспортирования.

Для обеспечения функционирования данного алгоритма необходимо: получить новые критериальные уравнения для числа Нуссельта при вынужденной конвекции в трубах в случае «горячей»

перекачки; обосновать метод гидравлического расчета «горячего»

трубопровода (в т.ч. обосновать разбиение на участки, в пределах которых течение нефти можно принять изотермическим, что послужит основой для реализации численных методов).

Для получения новых критериальных уравнений для числа Нуссельта при вынужденной конвекции в трубах в случае «горячей»

перекачки на основе уравнений М.А. Михеева с использованием программного комплекса Maple 14 был сформирован массив данных. Экспериментальные исследования по теплоотдаче при течении в трубопроводе высоковязких нефтей, выполненные во ВНИИСПТнефти, показали, что формулы М.А. Михеева дают удовлетворительное совпадение с опытными данными. Полученный массив данных был обработан при помощи современных статистических методов в программном продукте Statistica 10.0. Результаты были обработаны относительно выбранных автором чисел подобия, которые при проведении регрессионного анализа выступают в качестве предикторов (безразмерных параметров). Для получения новых критериальных уравнений для числа Нуссельта было предложено использовать следующие предикторы:

где Re – критерий Рейнольдса, – коэффициент кинематической вязкости нефти, a – коэффициент температуропроводности нефти, D – внутренний диаметр нефтепровода, Dвнеш – внешний диаметр нефтепровода, Prср – число Прандтля, подсчитанное при температуре Tср = (Tf + T0)/2, внеш – безразмерный параметр, характеризующий внешнюю теплоотдачу от трубопровода, н (окр) - коэффициент теплопроводности нефти при температуре окружающей среды Т0, 2 – коэффициент внешней теплоотдачи, Grокр – число Грасгофа, с тем только отличием, что температура стенки в нем заменена на температуру окружающей среды, t – коэффициент объемного расширения нефти, Ins (insulation) – сумма термических сопротивлений металла трубы, тепловой изоляции, отложений, здесь и далее индекс «f» (fluid) – критерий взят при температуре жидкости, «w» (wall) – критерий взят при температуре стенки трубопровода.

В результате статистической обработки массива данных были получены новые критериальные уравнения для числа Нуссельта при перекачке с подогревом для случая вынужденной конвекции в трубопроводе для всех режимов течения, а также для случая теплоизолированного трубопровода. Ниже приведены новые критериальные уравнения для определения числа Нуссельта в случае трубопроводов без специальной тепловой изоляции (Ins 0) для различных режимов движения жидкости, с указанием границ применимости:

турбулентный режим