книги / Транспортировка нефти, нефтепродуктов и газа

Влияние плотности на объем смеси

Разница плотностей нефтепродуктов последовательно, перекачиваемых по трубопроводу, оказывает влияние на объем образования смеси при ламинарном режиме движения потока. При турбулентном режиме перекачки разница в объемах в смеси небольшая и в расчетах ею пренебрегают. Однако при остановке перекачки под действием гравитационных сил происходит рас­ слоение нефтепродуктов и объем смеси значительно увеличива­ ется. Объем смеси при остановках продуктопровода может пре­ высить в 2—3 раза ее номинальное количество.

Увеличение смеси происходит в тупиковых ответвлениях продуктопровода, поскольку процесс перекачки на этих участках временно останавливается и, соответственно, происходит рас­ слоение нефтепродуктов.

Разность плотностей нефтепродуктов влияет на образова­ ние объема смеси на участках продуктопровода в пересеченной местности. Так, если при аварийной остановке продуктопровода более плотный нефтепродукт находится в нижней части склона, а менее плотный в верхней, то заметного увеличения смеси не происходит. Если наоборот, то объем смеси несколько увеличи­ вается. На горизонтальных участках трубопровода происходит расслоение нефтепродуктов.

Научасткахслупингами поток раздваивается, и объем смеси изменяется и, как правило, увеличивается. При одинаковых диа­ метрахтрубопровода илупинга зависимость образован ия объемов смеси определяется по формуле

где VCMJI — объем смеси при наличии лупинга; Ки —объем смеси без лупинга; 1Л— длина лупинга;

L — длина продуктопровода.

8.3. Мероприятия по уменьшению объема смеси

Объем образования смеси нефтепродуктов при последова­ тельной перекачке по трубопроводу можно сократить при вы­ полнении следующих организационно-технических мероприя­ тий:

• устанавливать на резервуарах быстродействующие корен­ ные задвижки с электроприводом идистанционным управлением

352

с диспетчерского пульта, что позволит уменьшить объем перво­ начальной смеси;

•перекачку проводить при нормальных и повышенных ско­ ростях потока с числом Рейнольдса Re> 10000, чтобы уменьшить коэффициент диффузии;

•проводить перекачку нефтепродуктов без остановок и снижения скоростей потока, чтобы не допускать расслоения не­ фтепродуктов под действием гравитационных сил и предупре­ ждения процесса «вымывания» одного продукта другим при возобновлении перекачки;

•проводить последовательную перекачку нефтепродуктов большими партиями;

•не прекращать процесс приема нефтепродуктов в резер­ вуары нефтебаз и предприятий-потребителей, расположенных на тупиковых участках трубопровода;

•планировать следование партий нефтепродуктов с учетом их плотности и вязкости;

•применять рациональную технологию приема смеси в ре­ зервуары НПС или нефтебаз;

•применять разделители — специальные жидкости и ме­ ханические устройства для отделения партий перекачиваемых нефтепродуктов.

Выше было сказано о неравномерном распределении концен­ трации нефтепродуктов подлине смеси при турбулентном режиме перекачки. В качестве рационального приема такой смеси в ре­ зервуары рекомендуется длину смеси делить на несколько частей (головную, среднюю и хвостовую) и принимать каждую часть в раздельные резервуары

Если принимать каждую часть смеси в разные резервуары, то можно исправить качество головной и хвостовой части в условиях НПС или нефтебазы за счет запаса качества замещающего и за­ мещаемого продуктов, который обычно закладывается НПЗ при выпуске нефтепродукта. То есть головную и хвостовую часть смеси небольшими партиями (по расчету) добавить в резервуары со стан­ дартным продуктом. Тогда можно получить продукт с несколько заниженными качественными характеристиками, но в пределах требований ГОСТ. Среднюю часть смеси в условиях нефтебаз и НПС «исправить» невозможно и ее необходимо направлять на НПЗ на повторную переработку. Метод раздельного приема смеси позволяет сократить потери от смешения нефтепродуктов.

Дальнейшее уменьшение смеси ниже минимума, который можно получить при выполнении организационно-технических

мероприятий, достигается путем применения специальных раз­ делителей, помещаемых в зону контакта перекачиваемых нефте-

353

продуктов. На практике применяются разделители различных видов — жидкие, полужидкие и твердые.

Жидкиеразделители, В качестве жидких разделителей обычно применяется буферная жидкость или имеющаяся на НПС смесь нефтепродуктов, которая закачивается в зону контакта двух партий перекачиваемых нефтепродуктов. При использовании имеющейся смеси необходимо учитывать ее состав и помещать в зону близких по качественным константам перекачиваемых не­ фтепродуктов. Например, между бензином и дизельным топливом можно закачать буферную жидкость из керосина. В этом случае бензин и дизельное топливо будут смешиваться с керосином, в дальнейшем эту смесь легче будет реализовать.

Полужидкие разделители. В качестве таких разделителей применяются различные загущенные нефтепродукты (из числа перекачиваемых) и гелеобразные полимерные вещества. Эф­ фективность применяемого метода зависит от диффузионной способности разделителя. Так, при проведении исследований при перекачке автомобильного бензина и дизельного топлива по трубопроводу Dy= 350 мм и длиной 200 км для надежного их раз­ деления требуется жидкой пробки из реактивного топлива около 20 м3, а полужидкой около 3,5 м3.

Твердые разделители представляют собой механическое устройство, которое помещается в трубопровод в контактную зо­ ну перекачиваемых нефтепродуктов и которое движется в их по­ токе. Необходимое условие конструкции — надежное разделение (без пропусков) жидкостей в трубопроводе. Естественно, такие разделители должны выполняться из эластичных материалов, устойчивых к истиранию и действию нефти и нефтепродуктов. На практике широкое применение нашли при последовательной перекачке нефти разделители манжетного типа, а при перекачке нефтепродуктов — сферические, шарообразные.

Шарообразные твердые разделители (рис. 8.5) представляют собой резиновую оболочку, заполняемую в летнее время водой, а в зимнее — антифризом. Давление внутри полости шара должно обеспечивать плотность его прилегания к стенке трубопровода и в то же время проходимость в полости трубы.

Разделители манжетного типа, напоминают конструкцию скребкового устройства, применяемого для очистки внутренней поверхности трубопровода. Разница в том, что вместо щеток на ось-корпус разделителя насаживаются эластичные манжеты из бензостойкой резины или полимерных материалов. Длина разде­ лителя должна быть больше диаметра трубопровода и ограничи­ вается радиусом кривизны поворотных участков трубопровода.

354

.1 .2 .3

Рис. 8.5. Схема шаровогоразделителя:

I — труба; 2 —резиновая оболочка шара; 3 —жидкость

Для надежного разделения нефтепродуктов при последова­ тельной перекачке одновременно запускаются три-четыре шара. Применение шаровых разделителей позволяет уменьшить объ­ ем смеси на 20—40 %. Объем смеси нефтепродуктов зависит от плотности контакта шаров с внутренней поверхностью трубопро­ вода. Степень просачивания нефтепродукта зависит от многих причин: недостаточного контакта поверхности трубы с шарами, износа шаров, наличия на стенках труб выступающих корней сварных швов и т. д.

Для запуска разделителей в трубопровод и их приема из тру­ бопровода строятся специальные пусковые и приемные камеры. Схема таких камер представлена на рис. 8.6.

Рис. 8.6Схема обвязки трубопровода с камерами пуска и приема твердыхразделителей:

1— трубопровод; 2 — задвижки с сигнальными устройствами прохождения шаров; 3 —затвор пусковой камеры; 4—труба пусковой камеры; 5—устрой­ стводля направления шаровизпусковой камеры втрубопровод; 6—концевой затвор камеры; 7 — труба приемной камеры; 8 — насос для освобождения приемной камеры от нефтепродукта

355

Р аздел 9. ПЕРЕКАЧКА ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ ПО МАГИСТРАЛЬНОМУ ТРУБОПРОВОДУ

9.1.Реологические свойства нефти

инефтепродуктов

Основные понятия

Перекачка нефти с высоким содержанием парафина по маги­ стральным и технологическим трубопроводам промыслов, НПЗ и нефтебаз сопряжена с большими затруднениями, поскольку эти сорта нефти обладают высокой вязкостью и имеют высокую температуру застывания. Это основные параметры, характери­ зующие важнейшее эксплуатационное свойство высоковязких жидкостей — текучесть, то есть способность фильтроваться и прокачиваться по трубопроводам. При снижении текучести нефти увеличивается гидравлическое сопротивление трубопровода, что влечет снижение производительности, увеличение потребного напора и мощности насосов. То есть перекачка становится эконо­ мически невыгодной или технически невозможной.

В настоящее время разработано много технологических ре­ жимов перекачки высоковязких сортов нефти и нефтепродуктов. Этому предшествовала длительная научно-исследовательская работа по изучению реологических свойств нефти и нефтепро­ дуктов, проведенная научно-исследовательскими институтами страны и кафедрами «Транспорта и хранения нефти и газа» Мо­ сковского и Уфимского нефтяных институтов.

Наука, занимающаяся изучением текучести жидких, газо­ образных и пластических веществ и с остаточными деформация­ ми твердых тел, называется — реологией, а свойства жидкости, от которых зависит характер их течения, называются реологическими.

При транспортировке нефти и нефтепродуктов по трубо­ проводам их реологические характеристики оцениваются пара­ метрами: вязкостью (ньютоновской), пластической вязкостью, эффективной вязкостью, начальным (статическим) напряжением

357

сдвига, предельным динамическим напряжением сдвига и темпе­ ратурой застывания.

Характер течения жидкости определяется следующими ви­ дами зависимостей:

—напряжением сил трения на поверхности соприкоснове­ ния слоев жидкости;

—напряжением сдвига т от градиента скорости по радиусу или скорости сдвига dw/dr.

Эта зависимость может быть изображена графически. Гра­ фическое изображение напряжений этой зависимости называется кривой течения жидкости.

Впервые зависимость градиента скорости к величине сдвига для маловязких жидкостей была выведена Ньютоном:

где р — коэффициент динамической вязкости.

Эту зависимость Ньютон сформулировал выражением: «Со­ противление, которое возникает из-за недостаточного проскаль­ зывания частиц жидкости, при прочих равных условиях, пропор­ ционально скорости, с которой частицы жидкости перемещаются относительно друг друга».

Все жидкости, подчиняющиеся этой зависимости, получили название ньютоновских и вязкость, соответственно, ньютоновской. Однако многие жидкости, в том числе нефть и высоковязкие нефтепродукты при температурах близких к температуре засты­ вания не подчиняются этому закону. Такие жидкости получили название — неньютоновских жидкостей.

Условно неньютоновские жидкости разделены на классы, различающиеся по виду кривой течения. На рис. 9.1 представлены классы таких жидкостей в виде кривых линий: кривая линия / ха­ рактеризует поведение пластичных или бингамовских жидкостей (называется по имени ученого Бингама); кривая 2 — псевдопластичных; кривая 3 — ньютоновских; кривая 4 — дилатантных.

Из рис. 9.1 видно, что кривые течения псевдопластичных, ньютоновских и дилатантных жидкостей проходят через начало координат и поэтому их течение начинается при малейших пере­ падах давлений. Течение бингамовских жидкостей начинается только после создания определенного напряжения т0. При мень­ ших, чем т0, напряжениях такие жидкости ведут себя как твердые тела, а при их превышении — как жидкости.

Реологическое уравнение бингамовской жидкости было получено из сочетания двух уравнений — уравнения Ньютона

358

Рис. 9.1. Зависимость напряжения сдвига т от скорости сдвига dw/dr дляразличных жидкостей

1— кривая течения бингамовскихжидкостей; 2—кривая течения псевдопла- стичныхжидкостей;3—криваятечения ньютоновскихжидкостей; 4—кривая течения дилатантных жидкостей

и реологического уравнения пластического тела, и выражается зависимостью:

где т0 — предел текучести жидкости; г|пл — пластическая вязкость.

Для псевдопластичных и дилатантных жидкостей в техниче­ ских расчетах принимается уравнение со степенной зависимостью напряжения от скорости сдвига:

где п — коэффициент индексатеченияданной жидкости (принима­ ется для ньютоновской житдкости п = 1;для псевдопластичных n < 1; для дилатантных п > 1);

к — коэффициент, характеризующий консистентность данной жидкости, (принимается для ньютоновской жидкости к = р).

Нефть с высоким содержанием парафина при температуре застывания относится к жидкости пластичной или псевдопластичной и соответственно описывается кривыми 1 или 2, а при высоких температурах — к ньютоновской жидкости и описыва­ ется кривой 3.

Физический смысл процессов перехода нефти из одного со­ стояния к другому можно выразить следующим образом

При снижении температуры в нефти наступает момент, когда начинают появляться единичные мелкие кристаллы парафина.

359

Это влечет за собой изменение структуры жидкой фазы нефти. Выражается это изменение в упорядоченности расположения мо­ лекул парафина за счет снижения их теплового движения. То есть по мере охлаждения нефти ее способность к удержанию молекул парафина в рассеянном состоянии снижается. При дальнейшем снижении температуры концентрация парафина в углеводород­ ной среде достигает такого уровня, при котором раствор, в на­ шем случае нефть, становится насыщенным. Однако массовая кристаллизация парафина при этом еще не начинается, требуется перенасыщение раствора, которое создает возможность появления крупных кристаллов парафина.

При приближении температуры охлаждения к температуре застывания парафина Тзаст число и размеры кристаллов настолько увеличиваются, что они образуют пространственную структур­ ную решетку по всему объему нефти, которая резко сокращает подвижность нефти, то есть иммобилизуют жидкую фазу нефти. Нефть приобретает свойства псевдопластичных жидкостей, а за­ тем и пластичных.

Некоторые высокопарафинистые нефти обладают еще и свойствами стечением времени восстанавливать прежнюю струк­ туру.

Вязкость (ньютоновская). При перекачке нефти влияние вязко­ сти на гидравлические потери является определяющим фактором, поэтому необходимо в каждом конкретном случае определять вяз­ кость с наиболее возможной точностью. Обычно вязкость нефти определяется лабораторным путем, а при отсутствии такой воз­ можности — по эмпирическим формулам с учетом паспортных данных нефти:

— по формуле Американского общества испытания мате­ риалов (ASTM):

— по формуле Фогеля—Фульчера—Таммана:

— по формуле Рейнольдса—Филонова:

где V —коэффициент кинематической вязкости при температуре Г; v0 —коэффициент кинематической вязкости при температуре 7J; я, b, bh vx, 0, и — определяются из приведенных формул, если

известны вязкости при трех или двух температурах.

360

Пластическая (бингамовская) вязкость характеризует пла­ стические свойства жидкости. Обычно пластическая вязкость определяется по кривой течения жидкости с помощью уравнения Бингама:

Эффективная вязкость — это отношение напряжения сдвига к скорости сдвига

Начальное напряжение сдвига. Характеризуется величиной начального давления, давление, которое необходимо создать в трубопроводе, чтобы «сдвинуть с места» нефть для дальнейшего создания скорости потока. Этому давлению соответствует на­ чальное напряжение сдвига Тп, которое зависит от прочности парафиновой структуры, образовавшейся при данных условиях за время нахождения нефти в покое. Работа магистрального тру­ бопровода связана с неизбежными остановками, поэтому необ­ ходимо учитывать способность Тнвозрастать во времени, так как за время простоя значение Тпможет достигнуть такой величины, при которой давления, развиваемого насосной станцией, может оказаться недостаточно для сдвига нефти на перегон, и тогда не­ фтепровод окажется «замороженным». По причине множества различных факторов, влияющих на начальное напряжение сдви­ га парафинистых видов нефти, практически не существует фор­ мул для расчета Тп. Поэтому в каждом конкретном случае на­ чальное напряжение сдвига Тпопределяется экспериментальным путем.

Предельное динамическое напряжение сдвига (т0) — это один из реологических параметров парафинистой нефти, характеризую­ щих ее пластические свойства.

Для определения величины т0необходимо снять реологиче­ скую кривую нефти. Делается это продлением прямолинейного участка реологической кривой до оси т, в результате точка пересе­ чения с осью характеризует предельноединамическое напряжение сдвига данной нефти (см. рис. 9.1).

Необходимо учитывать, что на реологические параметры как ньютоновских, так и неныотоновских видов нефти большое влияние оказывает режим температурного воздействия, при котором находилась нефть перед определением того или иного реологического параметра.

361