Обоснование оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом характеристик центробежных насосов

Пшенин, Владимир Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом характеристик центробежных насосов
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Обоснование оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом характеристик центробежных насосов"

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

005554468

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальный минерально-сырьевой 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.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

Николаев Александр /' Константинович

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.

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.

Идея работы

Представить процесс перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом в виде замкнутой системы. В пространстве «расход перекачки - начальная температура подогрева -полные потери напора» (<2, Тн, Н) 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 безыттерацион-ной.

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» (б, Тн, Н).

2. Разработанный метод определения оптимальной температуры начального подогрева нефти с учетом характеристик центро-

бежных 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 1114.04.2010 г., 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 11-

14.04.2011 г., диплом 2-ой степени.

5. 8-ом международном молодежном нефтегазовом форуме БРЕ 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.

Публикации

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 минерально-сырьевого 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, B.C. Яблонского, П.И. Тугунова, JT.C. Абрамзона, В.М. Агапкина, А.К. Галлямова, A.A. Коршака, H.A. Гаррис, В.Е.Губина, Б.Л. Кривошеина, А.Х. Мирзад-жанзаде, В.Ф. Новоселова, Ю.А. Сковородникова, Б.А. Тонкошку-рова, 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.

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).

Свпаст» Обметь

1и»гй ^Лбстх ус?амц»1»ой работы

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 резуль-

таты 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):

л/т« 15Г 8Т 5Т дТ ап\Л ■ §гаа(Т)) = С • р • — + кх--+ »'г--+ и>.--

дх су ' 8г

Ол\ ёр „ 8 ( 8п' | д р—- =——+ 2— ¡л—- + — Л й* йс^ (лх ^ ду

8НГ;

3 слг

Он1,. <ъ 5 р—^ = —- + —

Л 8у 8х

Зу)) гу; аг^Я & ду))здуГ 'I

Ои>.

(11

др 8 ( (дм. <3и>, -—+ — —^ + —-

дг йдс V V 8х дг

д [ Г 8к: 8кг

ЗгГ 81) Ъдг 1

Я = А(Т) р = р(Т) Ср=Ср(Т) М = М(Т)

где X - коэффициент теплопроводности нефти, Ср - коэффициент изобарной теплоемкости, ц - коэффициент динамической вязкости нефти, р - плотность нефти, Т - температура нефти, \ух, \уу, wz - проекции вектора скорости на декартовы оси координат, р - давление, I - время, «Б» - 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: [ р

{a0,ai,a2...an=f(T) где ао ... ап - коэффициенты аппроксимации характеристики насоса, <2 - 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.

- = а0 +а, -(2 + а2 О.2 +... + а„ •£?"

(2)

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 подогрева нефти при «горячей» перекачке 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 ВНИИСПТ-нефти, 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:

Re = — , (3)

V vPCp

Pr=-=-Е-, (4)

а Л

D3-g-PATf-TQ)

cr =-hr-2-' (5)

окр 2

v ■ р С

Ргср=- = —^, (6)

а Лн

внеш г \

Ins +-

пси \

Л.

п__вне ш__(п\

теш - г \ ' V''

н(окр)

«2

где Re - критерий Рейнольдса, v - коэффициент кинематической вязкости нефти, а - коэффициент температуропроводности нефти, D - внутренний диаметр нефтепровода, DBHem - внешний диаметр нефтепровода, Ргср - число Прандтля, подсчитанное при температуре Тср = (7} + Т0)/2, ввнеш - безразмерный параметр, харак-

теризующий внешнюю теплоотдачу от трубопровода, Л11(окр) - коэффициент теплопроводности нефти при температуре окружающей среды Т0, а2 - коэффициент внешней теплоотдачи, Gr0Kp - число Грасгофа, с тем только отличием, что температура стенки в нем заменена на температуру окружающей среды, pt - 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 Re > 10000, 0,5 < а2 <10:

0,816 0,449 Л VO.01 ч-0,0178 /0ч

Nuf =0,0176■(Re/) -(Ру) ' (Prc/,) -(0те1и) , (8)

ламинарный режим: Re < 2000, 0,5 <а2<5

0,305 0,42 0,0916 / V0.024 -0,076 /Пч

Nuf = 0,1876- (Re/) • (РГ/) • (GrOKp) - (Ргф) ■ (втеш) , (У)

Re < 2000, 5<а2<10

0,316 0,476 0,0949 ( У0,067 -0,044

Nuf = 0,1657- (Re,) • (Pr;) ■ <fir0Kp) ■ \Pt/J ■ (ввнеш) , (10)

смешанный режим:

5000 <Re< 10000, 0,5 <а2<5

-5 1,407 0,438 0,018 (п У0,0123 0,047

Nuf =5,89-10 -(Re/) • (Py) ■(Gr0Kp) - ^J ■ (ввН£Ш) ,(11)

5000 <Re< 10000, 0, 5 <a2< 5

-5 1,367 0,485 0,02 / \-0,0403 0,033

=8,2-10 -(Re/) .(РГ/) -(GrOKp) -{ввнеш) ,(12)

2000 <Re< 5000, 0,5 <a2<5

0,766 0,428 ,„ 0,0695 L V0.021 0,05

Nuf =0,00685 -(Rey) -(Pry)' -{Gr0Kp) >ф) -{венеи1) , (13)

2000 <Re< 5000, 5 <a2< 10

№^ - - №^ - cr^- C«^ - C«^ - c^_jOLOO« _ (14)

Для теплоизолированных нефтепроводов (Ins < 1) ниже приведены критериальные уравнения для турбулентного, смешанного и ламинарного режимов:

турбулентный режим Re > 10000, 0,5 < а2 <10:

Nu f = 0,021 • (Reу )°'8 • (Ру )°'43. (15)

Важно также отметить тот факт, что при турбулентном режиме для теплоизолированных трубопроводов комплекс

V Рги> У

присутствовавший в формуле Михеева, не играет существенной роли при определении внутреннего коэффициента теплоотдачи. Это объясняется тем, что температура стенки практически совпадает со средней по сечению температурой потока. ламинарный режим Яе < 2000

п.О 0,305 0,42 0,0931 ( \-0,0218 -0 071

смешанный режим 5000 <Ие< 10000

С,с .,Г5 Л418 0,438 0,018 ( V0-01 000343

/ = •<Ке/) '(Рг/> ■&0КР) Ы -^виеш) ,(17)

2000 <Яе< 5000

со; 0,784 0,422 0,07 ( \-0,0153 0 05

М(/ =5,86-10 .(Ке/) .(РГ/) -(Сгокр)- • • ' °5. (18)

Полученные критериальные уравнения для расчета внутреннего коэффициента теплоотдачи, в отличие от своих аналогов, приведенных в научной литературе, не требуют многократных итераций, поскольку из них исключена температура стенки. Предложен новый подход к задачам теплообмена при естественном охлаждении тел с ограничивающей поверхностью. В результате разбиения области изменения параметров на отдельные части достигнута высокая точность полученных решений. Кроме того, получены критериальные уравнения для области смешанного режима, расчет которого до этого момента представлял известную сложность.

Для обеспечения функционирования алгоритма выбора оптимальной температуры начального подогрева нефти при «горячей»

перекачке, обоснован метод гидравлического расчета с разбиением на участки, в пределах которых течение нефти можно принять изотермическим.

Для решения поставленной задачи в работе был введен новый параметр £ = т ■ и ■ (Тн - Зд) > гДе Тн - начальная температура

подогрева, Т0 - температура окружающей среды, и - показатель крутизны вискограммы, т - параметр течения по Лейбензону. Сравнивая величину полных потерь напора для "горячей" перекачки с изотермической перекачкой, а также заменив соответствующие выражения на параметры и Шу, получено соотношение:

Шу

-Шу

■ ■ (£<•(-<?) - ЕЦ-4 ■ е ' ))-1

< а

доп

(19)

Шу

■ (£<(-£) - Щ-<? • е

-Шу

))

В левой части имеем неявную функцию двух переменных и Шу. В правой части стоит допустимая относительная погрешность расчета потери напора на трение адоп. Построив серию графиков для различных значений оД0П (рисунок 3), получим искомые области значений, в которых расчет «горячих» трубопроводов можно вести по формулам классической гидравлики при изотермических условиях с погрешностями, не превышающими заданные.

Эблас зотер с зад: ти,соответ мическому анной погм ствую приб) шнос щие пижен тью ию,

\ V4

0,2 О,Л 0,6 0.8 1,0 1.2 1.4 1.« Щ>

Рисунок 3 - Области, соответствующие стдоп равному 1%, 5% и 10% соответственно

Таким образом, было показан, что если точка с координатами (Шу£) окажется ниже ограничивающей кривой, то расчет можно вести в изотермическом приближении, причем погрешность не превысит заданную. Чем ближе величины | и Шу приближаются к О, тем более трубопровод приближается к изотермическим условиям.

В работе предложено использовать линейную зависимость коэффициента гидравлического сопротивления в горячем трубопроводе от его длины для участков малой протяженности. Была получена модифицированная формула Дарси-Вейсбаха:

Л + Л Ь

Я = —-- • - •-, (20)

2 £> 2 • $

где Н - потери напора, Ь - длина нефтепровода, V - средняя линейная скорость течения нефти, А.н и - коэффициенты гидравлического сопротивления, посчитанные для начальной Т„ и конечной Тк температур, общий коэффициент гидравлического сопротивления в этом случае есть их среднее арифметическое.

Найдены области значений параметров, при которых можно пользоваться модифицированной формулой Дарси-Вейсбаха, не выходя при этом за рамки допустимой погрешности. Условие возможности расчета по модифицированной формуле Дарси-Вейсбаха запишется в виде:

е _щу 1 + е^

Шу 2

е4

(21)

Шу

Левая часть данного выражения, как и в предыдущем случае, представляет собой неявную функцию двух переменных £ и Шу. Для того чтобы получить искомые области допустимых значений, построим графики для различных едоп.

Таким образом, установлены условия, при выполнении которых расчет "горячих" трубопроводов можно вести в изотермическом приближении или с использованием модифицированной формулы Дарси-Вейсбаха. На рисунке 4 приведена область параметров, в которой расчет "горячих" трубопроводов можно вести в изотермическом приближении или с использованием модифицированной формулы Дарси-Вейсбаха, для 8Д0П=5%.

Обла nviHev с зад :ть, соотв ному при энной пог етствующ ближеник эешность^ ая -) f

0.5 1 tj 2 2J 3

Mir

Рисунок 4 - Область, соответствующая 8Д0П равному 5 %

Особенность полученного графика состоит в наличии особого «коридора» значений, когда даже при больших значениях £ и Шу возможен расчет с использованием модифицированной формулы Дарси-Вейсбаха. При увеличении едоп «коридор» допустимых значений расширяется, а при уменьшении снижается. Таким образом, если точка с координатами {Шу, с) попадает внутрь области, то потери напора для «горячего» трубопровода можно определить по модифицированной формуле Дарси-Вейсбаха, при этом погрешность не превысит допустимую.

В третьей главе описаны экспериментальные исследования тепловых и гидравлических режимов неизотермического трубопровода в системе «трубопровод - насосная станция». Цель экспериментальных исследований заключалась в практическом подтверждении теоретических результатов полученных во второй главе.

Экспериментальные исследования проводились с использованием лабораторной базы Национального минерально-сырьевого университета «Горный», и делились на два этапа:

1) Выбор модельной жидкости;

2) Моделирование работы системы «трубопровод - НПС» на лабораторном стенде.

Полученные результаты с доверительной вероятностью 0,95 подтверждают данные математической модели перекачки нефти по "горячему" трубопроводу. При использовании указанных результатов показана возможность достичь экстремума (минимума) функции эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев на магистральном "горячем" трубопроводе, что позволяет существенно повысить эф-

фективность трубопроводного транспорта высоковязкой нефти с предварительным подогревом.

В четвертой главе на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований автором была разработана инженерная методика определения оптимальных теплогидравличе-ских режимов «горячего» нефтепровода.

Методика выбора оптимальной температуры подогрева при неизотермическом транспорте нефти и нефтепродуктов разработана с целью повышения эффективности трубопроводного транспорта в случае использования технологии "горячей" перекачки. В методике исключены недостатки выбора оптимальной температуры по классическому методу (по обобщенному принципу Яблонского). Поскольку в разработанной методике используются численные методы, то она реализована в виде программы на встроенным языке математического процессора Maple (рисунок 8).

»20» 02

Рисунок 8 - Пересечение поверхностей характеристики «горячего» трубопровода с характеристикой НПС по линии рабочих режимов, на которой отмечены экстремумы по выбранным критериям Сравнительные расчеты (по классической методике и по методике, предлагаемой автором) были выполнены применительно к участку нефтепровода «Уса-Ухта» между нефтеперекачивающими станциями "Чикшино" и "Зеленоборск". Было показано, что выгода от повышения температуры до оптимального значения составит приблизительно 20,32 млн. руб. в год.

В заключении приводятся основные выводы и рекомендации.

Основные выводы и рекомендации:

1. Выполнен анализ современной теории и практики транспорта высоковязких нефтей с использованием предварительного подогрева.

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

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

4. Теоретически обоснованы области параметров, в которых гидравлический расчет "горячих" трубопроводов допустимо вести в изотермическом приближении.

5. Разработан алгоритм определения оптимальных режимов работы «горячего» нефтепровода по критерию максимальной выгоды.

6. Выполнено технико-экономическое сравнение оптимизационных расчетов по классической и предлагаемой автором методике, которое показывает возможность увеличения энергоэффективности транспорта нефти при использовании полученных рекомендаций.

Основные положения диссертации опубликованы работах:

В изданиях из перечня, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Пшенин, В.В. Выбор оптимальной температуры подогрева при «горячей» перекачке нефти и нефтепродуктов. / В.И. Климко, В.В. Пшенин // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2013,-№8.-с. 338-342.

2. Пшенин, В.В. Критериальные уравнения для числа Нуссельта при трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов с использованием подогрева. / В.И. Климко, В.В. Пшенин // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2013. - №3. - с. 36-37.

3. Пшенин, В.В. Критериальные уравнения теплообмена при перекачке с подогревом нефти и нефтепродуктов / В.И. Климко, В.В. Пшенин // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2013,-№8.-с. 342-345.

4. Пшенин, В.В. Новые критериальные уравнения для числа Нуссельта при вынужденной конвекции в трубах / В.В. Пшенин // Записки Горного института. - 2011. - т. 195.-е. 78-81.

5. Пшенин, В.В. Новые критериальные уравнения для безытерационного расчета теплообмена в «горячих» нефтепроводах / A.A. Коршак, В.В. Пшенин // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2012. -№2. - с. 23-24.

В прочих изданиях

6. Пшенин, В.В. Методы расчета транспорта тяжелой высоковязкой нефти по «горячему» трубопроводу / В.В. Пшенин // Тезисы докладов 64-й Международной научной конференции «Нефть и газ-2010».-2010.-30 с.

7. Пшенин, В.В. Совершенствование теплогидравлического расчета «горячих» нефтепроводов / В.В. Пшенин // Сборник тезисов 8-ого международного молодежного нефтегазового форума, Алма-ты: КазНТУ. - 2011. - с. 128 - 129.

8. Пшенин, В.В. Совершенствование теплогидравлического расчета «горячих» нефтепроводов /В.В. Пшенин // Тезисы 65-ой международной научной студенческой конференции «Нефть и газ -2011» на базе РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. - 2011. - 30 с.

9. Пшенин, В.В. Уточненный подход к моделированию СВЧ-нагрева парафиновой пробки в скважине / В.В. Пшенин // Научные исследования и инновации. - 2011. - т.5. - № 2. - с. 103-106.

10. Пшенин, В.В. Уточненный подход к моделированию СВЧ-нагрева парафиновой пробки в скважине / В.В. Пшенин // Нефтегазовое и горное дело (тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции). - 2010. - с. 115-116.

РИЦ Горного университета. 16.04.2014. 3.287. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Пшенин, Владимир Викторович, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

04201460971

На правах рукописи

Пшенин Владимир Викторович

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент О.В. Кабанов

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1 Теория и практика трубопроводного транспорта высоковязких нефтей с предварительным подогревом.................................................................................15

1.1 Современная технология трубопроводного транспорта высоковязких нефтей с предварительным подогревом...............................................................................15

1.2 Анализ современных методов теплового расчета нефтепроводов................28

1.3 Анализ методов гидравлического расчета «горячих» трубопроводов..........37

1.4 Теплогидравлический расчет неизотермических трубопроводов в нормативной документации.....................................................................................41

1.5 Моделирование режимов работы «горячих» нефтепроводов........................46

1.6 Анализ существующих решений по оптимизации режимов «горячего» нефтепровода.............................................................................................................50

1.7 Постановка задач исследований........................................................................56

Глава 2 Обоснование выбора параметров оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом изменения характеристик центробежных насосов...................................................................57

2.1 Математическая модель процесса транспортирования нефти по «горячим» нефтепроводам...........................................................................................................57

2.2 Новые критериальные уравнения для числа Нуссельта при вынужденной конвекции в трубах...................................................................................................65

2.3 Упрощенный гидравлический расчет «горячих» нефтепроводов.................71

2.4 Выводы по главе 2...............................................................................................79

Глава 3 Экспериментальные исследования в области повышения эффективности трубопроводного транспорта нефти с использованием технологии предварительного подогрева...............................................................80

3.1 Решение задачи о выборе модельной жидкости..............................................80

3.2 Моделирование работы системы «трубопровод - насосная станция» в

случае «горячей» перекачки.....................................................................................93

3.3 Выводы по главе 3.............................................................................................105

Глава 4 Разработка инженерной методики определения оптимальной температуры начального подогрева при неизотермическом транспорте нефти и нефтепродуктов.......................................................................................................106

4.1 Инженерная методика определения оптимальной температуры начального подогрева при неизотермическом транспорте нефти и нефтепродуктов..........106

4.2 Выводы по главе 4.............................................................................................117

Заключение..............................................................................................................118

Список литературы.................................................................................................119

Приложение А........................................................................................................131

Приложение Б..........................................................................................................137

Приложение В..........................................................................................................138

Введение

Актуальность темы исследований

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

Основные задачи исследования:

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.

Идея работы

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

Научная новизна работы:

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Параметры оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом определяются получением и минимизацией по разработанному алгоритму уравнения линии рабочих режимов построенной в пространстве «расход перекачки - начальная температура подогрева - полные потери напора» (£2, Т„, Н).

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.

Практическая ценность работы:

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 11-14.04.2010 г., диплом 2-ой степени.

4. 65-ой международной научной студенческой конференции «Нефть и газ - 2011» на базе РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина 11-14.04.2011 г., диплом 2-ой степени.

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

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.

Публикации

Личный вклад соискателя

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

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, изложена на 138 страницах текста, содержит 30 рисунков, 18 таблиц, список использованных источников из 121 наименования, 3 приложения.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры транспорта и хранения нефти и газа «Национального минерально-сырьевого университета «Горный» за руководство, обсуждение, ценные замечания и помощь в подготовке диссертационной работы.

Автор выражает благодарность д.т.н., проф. Коршаку A.A. за консультации по отдельным частям работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении изложена суть исследования, обоснована актуальность диссертационной работы, определена цель, отражена идея, сформулированы основные задачи работы и защищаемые положения, выявлена научная новизна

и практическая значимость.

В первой главе 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, B.C. Яблонского, П.И. Тугунова, JI.C. Абрамзона, В.М. Агапкина, А.К. Галлямова, A.A. Коршака, H.A. Гаррис, В.И. Марона, 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.

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 фиксированной, и будет смещаться в ту или иную сторону при изменении начальной температуры подогрева.

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:

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

центробежных насосов и термодинамических свойств системы.

5. Получить экспериментальное подтверждение результатов теоретических исследований.

Математическая модель «трубопровод - насосная станция» является осн

Информация о работе

Пшенин, Владимир Викторович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2014
ВАК 25.00.19

Диссертация

Обоснование оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом характеристик центробежных насосов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы