Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

IMPROVING THE EFFICIENCY OF OPERATION MODE NON-ISOTHERMAL PIPELINES

Vengerov A.A. 1 Gladenko A.A. 2 Zemenkova M.Yu. 1 Sokolov S.M. 1
1 FGBO of higher education "Tyumen State Oil and Gas University"
2 FGBO of higher education «Omsk state technical university»
Понимание процессов тепломассопереноса, происходящих в системе «трубопровод – окружающая среда», становится более актуальным с ростом спроса на нефти с аномальными реологическими свойствами, требующими особого подхода к организации их транспортировки. Одним из основных способов перекачки таких нефтей является транспортировка с путевым прогревом трубопровода. В ходе работы были разработаны математические модели процессов тепло-массопереноса в горячем трубопроводе с целью определения оптимальных параметров подогрева, обеспечивающих наименьшие энергозатраты на транспорт высоковязких нефтей. По результатам работы даны рекомендации по моделированию тепловых процессов, имеющих место при магистральном транспорте нефти и нефтепродуктов с подогревом.
Understanding the processes of heat and mass transfer occurring in the "pipeline - environment" is becoming increasingly important with the growth of demand for oil from the abnormal flow properties, requiring a special approach to the organization of their transportation. One of the main ways to transfer these oils is transported from the roadway by heating the pipeline. During the developed mathematical models of processes of heat and mass transfer in the hot pipe to determine the optimal parameters of heating, providing the lowest energy consumption for transport high-viscosity oil. The result of the recommendations on the modeling of thermal processes taking place in the main transport oil and petroleum products heated.
heavy oil
flow anomalies
Special methods of pipeline transport
heating oil
criteria equations
math modeling

Обеспечение надежной и безопасной транспортировки «аномальных» нефтей являет­ся сложной технической и технологической задачей. Все многообразие процессов, воз­никающих при транспортировке «аномальных» нефтей еще недостаточно изучено.

Точное определение реологических характеристик структурированных дисперсных систем, к которым относятся высоковязкие и высокопарафинистые нефти, необходимо для выявления общих закономерностей их образования, разрушения, устойчивости. Наи­более полную информацию о реологических свойствах подобных систем несет кривая течения, т.е. зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига при сдвиговой дефор­мации.

Как известно, все неньютоновские жидко­сти отличаются от классической ньютоновской жидкости видом зависимости скорости сдвига от величины касательного напряжения.

Иногда кривые течения жидкостей могут иметь более сложный нетрадиционный вид. Общую характеристику течения неньютоновских жидкостей составили Г.В. Виноградов и В.П. Павлов. Они же сформули­ровали понятие сверханомалии вязкости как явления снижения сопротивления сдвигу в условиях перехода между установившимися режимами деформирования – от течения дисперсной системы практически без разрушения коагулятивной структуры к другому режиму – с интенсивным необратимым разрушением структурного каркаса [1].

В данной работе проводились исследования смеси нефтей Усинского и Ярегского ме­сторождений в большом диапазоне температур и при различном их соотношении (от 5 до 30% ярегской нефти), а также высокопарафинистой нефти Харьягинского месторожде­ния.

В ходе экспериментов установлено, что данные нефти и смеси нефтей имеют тиксотропные свойства. Степень разрушения структурной решетки в аномальной нефти зависит от скорости сдвига (скорости перекачки) и от времени воздействия нагрузки. При остановке перекачки структура высокопарафинистой нефти начинает восстанавли­ваться. Способность вещества с течением времени восстанавливать разрушенную струк­туру называется тиксотропией. Восстановление структуры для каждой нефти происходит через разное время. Полное восстановление разрушенной структуры происходит через значительный промежуток времени [3].

При определенных температурах и определенных концентрациях нефтей выявлено явление сверханомалии вязкости.

Одним из методов подготовки таких нефтей к транспорту является путевой подогрев. Именно данный метод и будет рассматриваться далее, как наиболее просто реализуемый в рамках существующей трубопроводной системы обозначенных месторождений.

Анализ работы трубопровода, оснащенного системой электроподогрева, и вывод критериальных уравнений должны базироваться на мощной теоретической базе. Моделирование гидродинамических и тепловых процессов может помочь в установлении взаимодействия между теоретической базой и «полевым» экспериментом.

Внутритрубное неизотермическое течении нефти представляет собой сложную систему, коэффициент теплоотдачи которой зависит от множества параметров:

α = ƒ( tн.ср, tc, cp,dн,dвн, λн, υн, ρн), (1)

гдеtн.ср– начальная средняя температура,С

λн - коэффициент теплопроводности нефти, Вт/(м·К);

dн– средняя вязкость нефтепродукта, сСт

υн- средняя скорость потока нефти, м/с;

ρн - средняя плотность нефти, кг/м3 .

При проведении экспериментов, полученные данные зависимостей зачастую носят частный характер, их справедливость может быть обусловлена только в тех условиях, при которых проводился данный опыт. Чтобы выйти из сложившейся ситуации, применяется теория подобия, которая позволяет эти частные результаты обобщить с целью расчета коэффициента теплообмена[1].

Критериальное уравнение, характеризующее теплообмен при внутритрубном течении нефти с учетом эффекта подогрева пристеночного слоя потока могут быть записаны следующим образом:

(2)

где A,B,C1- коэффициенты

Также, при использовании анализа размерностей и теорию подобия, было получено уравнение, с помощью которого можно найти значение температуры стенки в зависимости от мощности системы электроподогрева, используемой при нагреве нефти, и средней температуры стенки трубы по поперечному сечению:

(3)

где С2, D - коэффициенты,

Используемый параметр РK - безразмерный параметр, определяемый как:

, (4)

где Сз–коэффициент,

PL - линейная мощность системы электроподогрева, идущая на нагрев нефти, Вт/м.

Для получения функциональной зависимости Nuж и tc/tн.ср было решено использовать комбинационные квадраты для ламинарного и турбулентного режимов течения нефти во время эксперимента [5].

Поставленный эксперимент был выполнен в программном комплексе ANSYS 14.0, в котором была создана компьютерная математическая модель трубопровода. Рассматриваемые варьируемые величины находились в следующих пределах:

- для ламинарного режима течения: 400 <Reж< 2000; 882 <Ргж< 20588 и 20 < РL< 350;

- для турбулентного режима течения: 2850 <Reж< 10000; 588 <Ргж< 5588; 20 <РL< 350

Критерий Нуссельта Nuж при средней температуре нефти определялся по формуле:

(5)

где Q — тепловая мощность, переданная жидкости, Вт.

– внутренний диаметр трубопровода, м.

F – площадь внутренней поверхности стенки трубы, м2.

Во время проведения моделированного процесса значения tc и tн ср регистрировались для ламинарного и турбулентного режимов течения, после чего устанавливались значения Nuжи заносились в таблицу. В Табл. 3 представлены результаты.

Значения коэффициентов А, В и С1были определены следующим образом.

Приведем уравнение (2) к виду:

lgNuж = lgC1 + AlgReж + BlgPrж (6)

Таблица 1

Комбинационный квадрат проведения экспериментов при ламинарном режиме течения нефти

 

20

50

100

200

350

828.4

2000

1

 

 

 

 

1600

 

 

 

 

5

1200

 

 

 

4

 

800

 

2

 

 

 

400

 

 

3

 

 

2647.1

2000

 

 

8

 

 

1600

6

 

 

 

 

1200

 

 

 

 

10

800

 

 

 

9

 

400

 

7

 

 

 

5588.2

2000

 

12

 

 

 

1600

 

 

13

 

 

1200

11

 

 

 

 

800

 

 

 

 

15

400

 

 

 

14

 

11029.4

2000

 

 

 

 

20

1600

 

 

18

19

 

1200

 

17

 

 

 

800

 

 

 

 

 

400

16

 

 

 

 

20588.2

2000

 

 

 

24

 

1600

 

22

 

 

 

1200

 

 

23

 

 

800

21

 

 

 

 

400

 

 

 

 

25

Таблица 2

Комбинационный квадрат проведения экспериментов при турбулентном режиме течения нефти

 

20

50

100

200

350

5588,2

10000

 

 

 

 

 

7000

 

 

3

 

 

5000

 

2

 

 

 

3500

1

 

 

 

 

2850

 

 

 

4

 

2647,1

10000

 

 

8

 

 

7000

 

7

 

 

 

5000

6

 

 

 

 

3500

 

 

 

9

 

2850

 

 

 

 

10

882,4

10000

 

 

 

14

 

7000

 

 

 

 

15

5000

 

 

13

 

 

3500

 

12

 

 

 

2850

11

 

 

 

 

735,3

10000

16

 

 

 

 

7000

 

 

 

19

 

5000

 

 

 

 

20

3500

 

 

18

 

 

2850

 

17

 

 

 

588,2

10000

 

22

 

 

 

7000

21

 

 

 

 

5000

 

 

 

24

 

3500

 

 

 

 

25

2850

 

 

23

 

 

Таблица 3

Результаты экспериментов

№ опыта

1

2

3

4

5

6

7

8

9

при ламинарном режиме

93,6

55,8

37,4

69,0

71,6

112,3

57,1

113,1

71,4

при турбулентном режиме

248,7

333,1

397,7

201,9

564,5

286,6

338,2

472,4

189,6

№ опыта

10

11

12

13

14

15

16

17

18

при ламинарном режиме

96,9

101,9

143,4

118,7

69,7

85,3

77,0

142,4

111,8

при турбулентном режиме

169,5

114,3

129,4

189,8

329,1

274,3

363,3

123,0

142,3

№ опыта

19

20

21

22

23

24

25

 

при ламинарном режиме

155,0

166,2

115,0

143,6

169,0

243,3

89,3

при турбулентном режиме

237,4

173,0

233,2

330,9

173,8

162,1

127,8

Была построена зависимость числа Нуссельта Nuж от числа Рейнольдса Reж в логарифмических координатах. При графическом отображении критериальной зависимости на графике отображается семейство линейных зависимостей.

При критерии Rеж коэффициент А определяется по анализу графика зависимостей (прямых линий) и является тангенсом угла наклона прямой линии к оси абсцисс [2].

Для ламинарного потока A = 0,521; для турбулентного потока A = 0,863. Дальнейший расчет (6) сводиться к виду:

(7)

При критерии Ргж коэффициент В определяется по анализу графика зависимостей (прямых линий) и является тангенсом угла наклона прямой линии к оси абсцисс. Для ламинарного потока В = 0,252; для турбулентного потока В = 0,258.

Постоянную С1 найдем из уравнения (2), приведя его к виду

(8)

Тогда для ламинарного потока С1 = 0,283; для турбулентного потока С1 = 0,026.

В конечном итоге, были найдены неизвестные коэффициенты, что позволило получить критериальные уравнения следующего вида:

- для ламинарного потока

(9)

- для турбулентного потока

(10)

Среднеквадратичная погрешность расчета составила 1,9% по формуле (9) и 0,9% по формуле (10)

Приведенный метод не подходит для определения функциональной зависимости tc/tH,cp, так как tc/tH,cp,=ƒ(РK) описывается уравнением не степенного вида. Для получения зависимости tc/tH,cp = ƒ(Rеж, Рк) использовался метод получения эмпирических формул, предложенный В.М. Мордашевым [6].

Для нахождения средних геометрических значений tc/tн,cp значения tc/tн,cp сначала были прологарифмированы, а далее найдены средние значения логарифмов при одинаковых значениях Rеж и Рк, Полученные данные представлены на (Рис. 1, 2).

Рис. 1. Зависимость средних геометрических значений tc/tH,cpот Rеж для: ламинарного режима(А), турбулентного режима (Б)

Рис. 2 Зависимости средних геометрических значений tc/tн,cpот Ркдля: ламинарного режима (А), турбулентного режима (Б)

Полученные зависимости были аппроксимированы степенными и линейными уравнениями:

- для ламинарного потока

(11)

(12)

- для турбулентного потока

(13)

(14)

После преобразований выявлены следующие зависимости для ламинарного и турбулентного потока:

- для ламинарного потока

(15)

- для турбулентного потока

(16)

Среднеквадратичная погрешность расчета, произведенная по формуле (15), составляет 2,5 % и по формуле (16) – составляет 0,9%. Исходя их перечисленного можно подвести, что были найдены все неизвестные коэффициенты в искомых уравнениях (2) и (3).

Необходимо уточнить, что в уравнениях (9) и (10) числа Прандтляи Рейнольдса ( расчет производится при средних температурах нефти, которые вычисляются по длине участка трубопровода. А уравнения (15) и (16) справедливы при средних температурах стенки трубы и потока нефти в поперечном сечении определенной точки трубопровода [4].

Построенная модель трубопровода, оснащенная системой электроподогрева в программном комплексе ANSYS 14.0, может быть использована при дальнейших расчетах на предприятиях для установления зависимостей теплообмена потока жидкости с окружающей средой и стенкой.

Рецензенты:

Земенков Ю.Д., д.т.н., заведующий кафедрой «Транспорт углеводородных ресурсов» ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;

Торопов С.Ю., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.