Стенд для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами

Полезная модель относится к области исследований гидравлики трубопроводного транспорта, а именно к стендам для исследования процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами.
Приближенная теория смесеобразования при последовательном движении жидкостей как при ламинарном, так и при турбулентном режимах течения, впервые была создана В.С. Яблонским.
Проводимые исследования по последовательной перекачке как у нас в стране, так и за рубежом способствовали широкому внедрению этого метода в практику эксплуатации магистральных трубопроводов.
В настоящее время оценка смесеобразования при последовательной перекачке различных нефтепродуктов осуществляется посредством исследования отобранных проб с партий с возможной «зоны смешения» нефтепродуктов. Так как установленные по трассе трубопровода манометры определяют лишь давление, следовательно, граница раздела двух партий и ее движение по трубопроводу не покажет изменение давления. При перекачке партий нефтепродуктов изменение режима перекачки будет замечено только при прохождении через промежуточную НПС, в связи с тем, что центробежный насос имеет постоянную напорную характеристику, разность давлений на входе и выходе насосного агрегата будет изменяться пропорционально плотности перекачиваемого продукта (при постоянном напоре насосного агрегата). При отсутствии промежуточных НПС (работе по схеме «минуя НПС») определить границу раздела партий, а тем более зону смешения без наличия по трассе поточных плотномеров не представляется возможным, при этом установка поточных плотномеров ведет к увеличению стоимости затрат на транспортировку нефти.
Наличие тупиковых отводов в технологической схеме насосной станции и на линейной части нефтепродуктопровода приводит к дополнительному смесеобразованию и пересортице нефтепродуктов (Лурье М.В., Марон В.И., Мацкин Л.А., Шварц М.Э, Юфин В.А. Оптимизация последовательной перекачки нефтепродуктов. - М.: Недра, 1979, 256 с.) (Лурье М.В. и др. Особенности последовательной перекачки разносортных нефтепродуктов в трубопроводах, имеющих ответвления и тупиковые отводы. // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. - М.: ВНИИОЭНГ, 1971, №1 с. 8-12).
Наиболее рациональным способом исследования процессов смесеобразования при последовательной перекачке различных жидкостей является исследование влияния на данный процесс параметров режима работы трубопровода, физико-химических свойств перекачиваемых жидкостей.
Техническая проблема, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в создании стенда для проведения исследований движения углеводородных жидкостей с различными физико-химическими свойствами и проведении исследований процесса смесеобразования для определения границ смешения жидкостей с различными физико-химическими свойствами.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в расширении арсенала технических средств для исследования гидравлики трубопроводного транспорта за счет создания стенда для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами, обеспечивающего возможности исследования процессов смесеобразования углеводородных жидкостей с различными физико-химическими свойствами.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что стенд для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами включает в себя трубную обвязку, содержащую измерительный участок, две расходные емкости для модельных жидкостей с разными физико-химическими свойствами и приемную емкость, насос для закачки модельных жидкостей, выполненный с возможностью регулирования производительности, запорную и регулирующую арматуры, установленную в трубной обвязке с возможностью регулирования подачи модельных жидкостей с разными физико-химическими свойствами в измерительный участок, по меньшей мере три плотномера, установленные на измерительном участке на заданном расстоянии друг от друга, по меньшей мере один расходомер, расположенный на выходе измерительного участка, по меньшей мере один участок моделирования утечки, с установленными на нем расходомером, электромагнитным клапаном, регулятором расхода, датчиками давления и температуры.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели датчики давления выполнены с функцией индикации и имеют диапазон измерений от 0 до 4,0 МПа.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели датчики температуры выполнены с функцией индикации и имеют диапазон измерений от минус 10°С до 60°С.
3
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели расходомер, расположенный на выходе измерительного участка, выполнен с возможностью измерения в диапазоне от 2 до 64 м/ч.
3
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели расходомер на участке моделирования утечки выполнен с возможностью измерения в диапазоне от 0,5 до 5 м/ч.
3
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели плотномеры выполнены с возможностью измерения в диапазоне от 600 до 1250 кг/м.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели расходные и приемная емкости выполнены из коррозионностойкой стали.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели расходные и приемные емкости снабжены датчиками и сигнализацией аварийных уровней модельных жидкостей.
3
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели насос выполнен с возможностью обеспечения производительности в диапазоне от 20 до 40 м/ч.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели в качестве запорной арматуры используют электромагнитный клапан.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели стенд дополнительно содержит датчики давления, размещенные на входе и выходе насоса, в конце измерительного участка, и датчики температуры, размещенные в начале измерительного участка.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели стенд дополнительно содержит регулятор расхода.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели измерительный участок представляет собой трубопровод из нержавеющей стали диаметром 50 мм и длиной 150 м.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели стенд имеет участок моделирования утечки из нержавеющей стали диаметром 25 мм.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1), на котором представлена принципиальная схема заявляемого стенда.
На чертеже элементы имеют следующие обозначения:
1 - насос, 2, 3 - расходомеры, 4.1, 4.2 - расходные емкости для модельных жидкостей, 4.3 - приемная емкость, 5, 6.1, 6.2, 11 - электромагнитные клапаны, 7 - регулятор расхода, 8 - датчики давления, 9 - плотномеры, 10 - датчики температуры, 12 - трубная обвязка с измерительным участком, 13 - участок моделирования утечки.
Стенд для исследований процессов смесеобразования при последовательной перекачке жидкостей с различными физико-химическими свойствами включает в себя насос 1, обеспечивающий циркуляцию модельных жидкостей по измерительному участку, расходомер 2, установленный в конце измерительного участка, расходомер 3, установленный на участке моделирования утечки 13, расходные емкости 4.1 и 4.2 для модельных жидкостей и приемную емкость 4.3 для смеси, электромагнитные клапаны 6.1, 6.2, расположенные на выходе расходных емкостей 4.1, 4.2, электромагнитные клапаны 5, 11, установленные на участке моделирования утечки 13, регулятор расхода 7, установленный на участке моделирования утечки 13, датчики давления 8, плотномеры 9, размещенные на измерительном участке трубной обвязки 12, датчики температуры 10, трубную обвязку 12 с измерительным участком и участком моделирования утечки 13, на котором последовательно установлены электромагнитный клапан 5, расходомер 3, датчик давления 8, датчик температуры 10, регулятор расхода 7 и электромагнитный клапан 11.
В качестве модельной жидкости используется вода, водные растворы глицерина или пропиленгликоля.
Трубная обвязка 12 состоит из всасывающей линии (участок трубопровода от расходных емкостей 4.1, 4.2 до всасывающего патрубка (на чертеже не показан) насоса 1), напорной линии (участок трубопровода от нагнетательного патрубка (на чертеже не показан) насоса 1 до приемной емкости 4.3) и измерительным участком. Измерительный участок выполнен из нержавеющих труб диаметром 50 мм и длиной 150 м. Трубная обвязка 12 содержит также сливные патрубки (на чертеже не показаны), предназначенные для полного освобождения трубной обвязки 12 от модельной жидкости после проведения испытаний.
Датчики давления 8 выполнены с функцией индикации и имеют диапазон измерений от 0 до 4,0 МПа. Датчики температуры 10 выполнены с функцией индикации и имеют диапазон измерений от минус 10°С до 60°С.
3
Расходомер 2 имеет диапазон измерений от 2 до 64 м/ч.
3
Расходомер 3 имеет диапазон измерений от 0,5 до 5 м/ч.
3
3
Плотномеры 10 для измерения плотности модельных жидкостей имеет диапазон измерений от 600 до 1250 кг/м и пределами допустимой абсолютной погрешности ±1 кг/м.
Расходные емкости 4.1, 4.2 и приемная емкость 4.3 выполнены в виде бака из коррозионностойкой стали с конусообразным дном, снабженным патрубком с шаровым краном (на чертеже не показаны), предназначенным для полного опорожнения емкости от модельной жидкости. Емкости снабжены съемной крышкой (на чертеже не показаны), исключающей искрообразование. Также расходные емкости 4.1, 4.2 и приемная емкость 4.3 снабжены датчиками и сигнализацией аварийных уровней модельных жидкостей (на чертеже не показано).
3
В качестве насоса 1 используется центробежный насос, снабженный частотно-регулируемым приводом (на чертеже не показано), что обеспечивает плавное изменение производительности от 20 до 40 м/ч.
3
Исследование процесса смесеобразования при последовательной перекачке осуществляется с использованием модельных жидкостей с различными физико-химическими свойствами. Например, жидкость А - вода с плотностью около 1000 кг/м и вязкостью около 1 мм/с и жидкость Б - водный раствор технического глицерина вязкостью не более 5 мм/с, при этом плотность раствора можно менять путем изменения концентрации глицерина в воде.
Работа стенда осуществляется следующим образом
Для проведения исследования открывают электромагнитный клапан 6 и заполняют измерительный участок трубной обвязки 12 партией модельной жидкости А из емкости 4.1 при помощи насоса 1, при этом расход модельной жидкости регулируется частотой вращения привода насоса 1. Далее закрывают электромагнитный клапан 6.1 и открывают электромагнитный клапан 6.2 для подачи в трубную обвязку 12 партии модельной жидкости Б.
Контроль концентрации смеси в потоке определяется поточными плотномерами 9, установленными на измерительном участке, при этом расход смеси контролируется расходомером 2. После прохождения измерительного участка модельная жидкость поступает в приемную емкость 4.3.
По результатам проведенных исследований на стенде строятся зависимости длины области смеси от режима перекачки (скорости потока), физико-химических свойств жидкостей, влияния тупиковых отводов и т.д.
Основным параметром, определяющим процесс перемешивания нефтепродуктов в области их контакта, является коэффициент продольного перемешивания. Формула определения коэффициента продольного перемешивания включает эмпирический коэффициент. Данный коэффициент у многих авторов различен и получен в результате обработки лабораторных и промышленных экспериментов (Лурье М.В. Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. - 335 с.) (Нечваль М.В., Новоселов В.Ф., Тугунов П.И. Последовательная перекачка нефтей и нефтепродуктов по магистральным продуктопроводам. М.: Недра. - 1976. - 302 с.).
Полученные результаты исследований позволят определить наиболее обоснованное значение эмпирического коэффициента для расчета коэффициента продольного перемешивания.
Также заявляемый стенд позволяет проводить исследования утечек из трубопровода и методов их обнаружения.
Для моделирования процессов утечек с помощью насоса 1 модельная жидкость циркулирует по замкнутому контуру трубной обвязки 12 из емкости в емкость. Утечка моделируется путем открытия электромагнитного клапана 5, размещенного на участке моделирования утечки 13. Расход утечки регулируется с помощью регулятора расхода 7 и контролируется с помощью расходомера 3.
Для контроля параметров течения жидкости предусмотрены датчики давления 8, температуры 10, расходомеры 2, 3 с выводом значений на автоматизированное рабочее место оператора (на чертеже не показано).