Рис. 5.28. Характер изменения давления по длине трубопровода при вытеснении менее вязкого нефтепродукта более вязким
Вмомент времени, когда рабочей является точка Р"Б, расход
втрубопроводе такой же, как при перекачке одной только жид кости Б. Так как <2д<QA , то на участке, занятом жидкостью А, линия изменения давления P"BBR" проходит более полого, чем линия P f r а линия R "Рксовпадает с линией PJPr При дальней шем замещении жидкости Б жидкостью А устанавливаются соот ношения РА< Р < Р"Б, a QB<Q^Q a- При этих условиях измене ние давления происходит сначала по линии PR (происходящей более полого, чем линия PJ*K), а затем по линии RPK(проходя-
щей круче, чем линия P^PX). Нетрудно видеть, что на расстоянии х от перекачивающей станции давление может быть больше, чем при перекачке одной только более вязкой жидкости Б.
Чем это грозит? Тем, что на ответственных участках трубо провода (с малой величиной коэффициента условий работы) давление может оказаться выше допустимого.
Теперь рассмотрим случай, когда, наоборот, в начальный
момент в трубопроводе находилась менее вязкая жидкость А (рис. 5.28). Как только насосы перекачивающей станции за полнятся более вязкой (и более тяжелой) жидкостью Б, давление на выходе станции скачком увеличится до Р'Л, а расход в трубо проводе до Q \. Так как Q'À> QÀ, а весь трубопровод еще заполнен жидкостью А, то в этот момент изменение давления в нем про исходит по прямой
Вмомент времени, когда рабочей станет точка Р"л, расход
втрубопроводе устанавливается таким же, как при перекачке
одной жидкости А. Так как QÀ> QB, то на участке длиной х ”, за нятом жидкостью Б, линия изменения давления P ”JF” пройдет круче, чем линия PfPK- А линия F'PKсовпадет с линией
При дальнейшем замещении жидкости А жидкостью £ давление на выходе станции и расход в трубопроводе удовлетворяют не равенствам РА< Р < Р "Б, a QB<Q^Q a. При этих условиях изме нение давления происходит сначала по линии PF (проходящей круче, чем линия PgPK), а затем по линии FPK(проходящей бо лее полого, чем линия PJ*K)- При этом, как видно из рис. 5.28, давление в трубопроводе может оказаться ниже, чем при пере качке одной только менее вязкой жидкости А.
Если этой закономерности не учитывать при проектирова нии, то молено столкнуться со следующими осложнениями:
образование временных перевальных точек; перекачивающая станция не может докачать жидкость до ко нечного пункта с заданной производительностью.
Сделанные выводы касаются короткого трубопровода с одной перекачивающей станцией. Теперь рассмотрим, как будет изме няться давление по длине трубопровода с двумя перекачиваю щими станциями.
292
Сначала произведем их расстановку (рис. 5.29) при перекач ке более вязкого нефтепродукта (например, дизтоплива) Так как нас интересует изменение давления, то и профиль трассы также должен быть построен в единицах давления.
1
2
КП
Рис. 5.29. Изменение давления по длине трубопровода с двумя перекачивающими станциями при замещении
менее вязкой жидкости (бензин) более вязкой (дизтопливо)
В начальной точке At откладываем в масштабе давление Рпдт, создаваемое подпорными насосами, а также давление, развивае мое основными насосами двух станций (по Рстдт на каждой). В конечной точке Bt откладываем Величину конечного давле ния Рк Соединив полученные точки РБи В, получаем линию из менения давления по длине трубопровода при перекачке одно го только дизтоплива. Проведя из точки А линию, параллельную Р А находим местоположение НПС-2 (точка М). Линию изме нения давления в случае перекачки одного менее вязкого нефте продукта, получаем, соединив точку Рлс точкой В.
По причинам, уже рассмотренным применительно к рис. 5.28, при замещении бензина дизтопливом линия изменения давле ния PB имеет излом, в месте которого величина давления мень ше, чем при перекачке одного только бензина.
Поскольку линия PB изображает Изменение суммарного дав ления, то его поведение после головной перекачивающей стан ции (ГНПС) получим, осуществив параллельный перенос дан ной линии через точку где Рх — давление на выходе
ГНПС, равное Pl = p E-g-(hn + Нсп). Нетрудно видеть, что подпор промежуточной станции оказался отрицательным.
Таким образом, при вытеснении менее вязкого нефтепродукта более вязким возможно существенное снижение подпоров про межуточных перекачивающих станций и развитие кавитации.
Аналогичными построениями можно показать, что при вы теснении более вязкого нефтепродукта менее вязким возможно повышение подпоров промежуточных перекачивающих стан ций, а их сумма с собственными (дифференциальными) напо рами станций может превысить максимально допустимую ве личину.
5.16. Согласование работы станций при последовательной перекачке
В связи с тем что при последовательной перекачке нефтепро дуктов возможно нарушение ограничений (3.69), (3.70) по напо рам и подпорам станций, возникает необходимость в согласова нии их режимов.
294
На первый взгляд, самое простое решение —это разорвать гидравлическую цепочку, т. е. перейти на систему перекач ки «с подключенными резервуарами». В этом случае на каж дом перегоне между станциями остаточный напор изначаль но удовлетворяет неравенству (3.69), а расход устанавливается автоматически в соответствии с уравнением баланса напоров. Подключенные же резервуары служат буфером, компенсирую щим разницу расходов на отдельных перегонах.
Достоинством перекачки по системе «с подключенными ре зервуарами» является то, что пропускная способность участков нефтепродуктопровода используется максимально. Однако тре буются значительные капиталовложения на сооружение резер вуаров и установку подпорных насосов на каждой промежуточ ной перекачивающей станции. Кроме того, кратно количеству резервуаров возрастают потери нефтепродуктов (бензинов) от испарения.
Другой путь —оставаясь в рамках перекачки по системе «из насоса в насос», прибегнуть к регулированию работы насосных станций. Именно поэтому на практике нефтепродуктопроводы практически все время работают при пропускной способности, соответствующей расходу на участке между перекачивающи ми станциями, заполненном более вязким дизельным топли вом. При этом неиспользуемый напор на участках, занятых ме нее вязким бензином, приходится дросселировать. Возможны и другие варианты регулирования —отключение части насосов или изменение числа оборотов их роторов на некоторых перека чивающих станциях.
Рекомендуемая литература
1.Нечваль М. В., Новоселов В. Ф., Тугунов П. И. Последова тельная перекачка нефтей и нефтепродуктов по магистраль ным трубопроводам. —М: Недра, 1976. —221 с.
2.Оптимизация последовательной перекачки нефтепродук тов / М. В. Лурье, В. И. Марон, Л. А. Мацкин и др. —М: Нед ра, 1979.-256 с.
3.Основы трубопроводного транспорта нефтепродуктов /
А. М. Шаммазов, А. А. Коршак, Г. Е. Коробков и др. - Уфа: Реактив, 1996. —158 с.
4.Последовательная перекачка нефтепродуктов по разветвлен ным трубопроводам / В. Ф. Новоселов, Е. Н. Ярыгин, Б. А. Козачук и др. —М: Недра, 1994. —112 с.
5.Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов / П. И. Тугунов, В. Ф. Новосе лов, А. А. Коршак и др. — Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2002. —658 с.
6.Трубопроводный транспорт нефтепродуктов / И. Т. Ишмухаметов, С. Л. Исаев, М. В. Лурье и др. —М.: Нефть и газ, 1999. — 300 с.
7.Трубопроводный транспорт нефти и газа / Р. А. Алиев, В. Д. Бе лоусов, А. Г. Немудрое и др. —М: Недра, 1988. —368 с.
6.ПЕРЕКАЧКА ВЫСОКОВЯЗКИХ
ИВЫСОКОЗАСТЫВАЮЩИХ НЕФТЕЙ
Скаждым годом в нашей стране и за рубежом увеличивает ся добыча нефтей, имеющих высокие вязкость и температуру застывания. Кроме того, вследствие углубления отбора легких фракций при переработке нефти повышается вязкость нефтя ных остатков. Как и другие массовые грузы, их наиболее эконо мично транспортировать по трубопроводам.
Большой вклад в исследование вопросов, связанных с трубо проводным транспортом высоковязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов, внесли Л. С. Абрамзон, Р. А. Алиев,
В.Е. Губин, В. Ф. Новоселов, П. И. Тугунов, В. И. Черникин,
В.А. Юфин, В. С. Яблонский и другие ученые.
6.1. Реологические свойства высоковязких и высокозастывающих нефтей
Реологическими называются свойства жидкостей, от которых зависит характер их течения.
До сих пор мы рассматривали только ньютоновские жидкос ти. К ним относятся вода, светлые нефтепродукты, нефти с низ ким содержанием парафина и смол, парафинистые нефти при высокой температуре. Объединяет их в один класс ньютонов ских жидкостей одинаковый вид зависимости напряжения сдви га т (напряжение сил трения на поверхности соприкосновения слоев жидкости) от градиента скорости по радиусу dw/dr (скорос ти сдвига). Графическое изображение этой зависимости называ ется кривой течения жидкости (рис. 6.1).
Для ньютоновских жидкостей кривая течения имеет вид пря мой, выходящей под углом из начала координат, и описывается
уравнением Ньютона
т= м- dw
(6.1)
где
коэффициент пропорциональности //,
характеризую
щий угол наклона кривой течения, есть не что иное, как
динамическая вязкость жидкости.
Рис. 6.1. Зависимость напряжения сдвига от скорости для различных жидкостей:
Модуль скорости сдвига в данном уравнении появляется изза того, что отсчет текущего радиуса г ведется от оси трубы и по этому величина (dw/dr) < 0, тогда как т —величина только поло жительная.
Пользуясь этими зависимостями, легко получить характер рас пределения касательных напряжений по сечению трубопровода: т = 0 на оси и т = на стенке трубы. Для характеристики реоло гических свойств ньютоновских жидкостей достаточно знать их вязкость, плотность и температуру застывания (замерзания).
Значительно большее количество жидкостей отнесено к клас су неньютоновских. В него объединены все те жидкости, кривая течения которых отличается от кривой /.
298
Неньютоновские жидкости, в свою очередь, делятся на плас тичные (или бингамовские), псевдопластичные, дилатантные. Кривые их течения обозначены индексами соответственно 2,3,4.
Как видно из рисунка, течение бингамовских жидкостей на чинается только после создания определенного напряжения то, называемого начальным напряжением сдвига. При меньших, чем то, напряжениях такие жидкости ведут себя, как твердые тела, а при больших —как ньютоновская жидкость, для которой напряжение сдвига равно (т—тд).Из характера кривой течения нетрудно видеть, что для бингамовского пластика зависимость напряжения от скорости сдвига, описывается уравнением
dw
(6.2)
Г = Г. + П„ • dr
Зависимость (6.2) называется уравнением Шведова—Бинга ма. Здесь r\m —так называемая пластическая вязкость (аналог динамической вязкости при та * 0 ).
К бингамовским жидкостям относятся парафинистые нефти. Поскольку прочность парафиновой структуры с течением вре мени возрастает, то и величина начального напряжения сдвига также увеличивается. Это необходимо учитывать при эксплуата ции трубопроводов, транспортирующих парафинистые нефти, так как их работа без остановок невозможна.
Для псевдопластичных и дилатантных жидкостей в широком диапазоне изменения скорости сдвига можно применять сте пенную зависимость напряжения от скорости сдвига
dw " 1 dw
X -
dw
dr
-----или
К-
dr
dr
где Кип —постоянные для данной жидкости коэффициенты. Коэффициент К называется характеристикой консистен-
тности, ап —индексом течения.
Из характера кривых течения нетрудно видеть, что для псев допластиков п < 1, а для дилатантных жидкостей п > 1. Кроме того, видно, что уравнение кривой течения ньютоновских жид костей представляет собой частный случай уравнения (6.3), когда К = //, а п = 1. Отсюда становится ясным физический смысл коэффициентов: К —коэффициент, характеризующий вязкость
299
жидкости; п —показатель степени, характеризующий меру от клонения поведения жидкости от ньютоновского.
Обобщает все вышеназванные зависимости реологическая модель Бакли—Гершеля
т= т0 + К dw
(6.4)
dr
Кривые течения 2 и 3 характерны для парафинистых нефтей и нефтепродуктов при температурах, близких к температуре их застывания. При высоких температурах они ведут себя как нью тоновские жидкости. Так, исследования реологического поведе ния топочного мазута М-100 и ряда вязких масел показало, что они сохраняют ньютоновское поведение при следующих темпе ратурах: мазут —выше +35 °С, трансмиссионные масла летнее и зимнее, авиационное масло МС-20 —выше +10 °С, цилиндро вое 52, компрессорное масло КС -19 и автомобильное АС-10 — выше 0 °С.
Изменение характера кривых течения при изменении тем пературы связано с происходящими в жидкостях внутренними преобразованиями. При высоких температурах парафин пол ностью растворен в жидкости и не оказывает влияния на ее рео логическое поведение. При снижении температуры он начинает выкристаллизовываться из жидкости. Этот процесс идет снача ла на молекулярном уровне и заключается в упорядочении рас положения молекул растворенного вещества. Затем появляются очень мелкие кристаллики парафина. При приближении темпе ратуры к температуре застывания Г число и размеры кристалли ков настолько увеличиваются, что они образуют пространствен ную решетку по всему объему жидкости.
Итак, для характеристики реологических параметров ненью тоновских нефтей надо дополнительно знать величины началь ного напряжения сдвига, пластическую вязкость, характеристи ку консистентности и индекс течения.
