Влияние газовыделения на гидравлические характеристики течения жидкости в трубопроводе

УДК 621.6

Влияние газовыделения на гидравлические

характеристики течения жидкости в трубопроводе

Г.М. ПАНАХОВ, д.т.н., чл.-корр. НАН Азербайджана, действительный член РАЕН Э.М. АББАСОВ, к.т.н., чл.-корр. РАЕН В.Г. ГУСЕЙНОВ, диссертант П.Т. МУСЕИБЛИ, магистр

Институт математики и механики НАН Азербайджана (Азербайджан, AZ1141, г. Баку, ул. Ф.Б. Вахабзаде, д. 9). E-mail: pan_vniineft@gmail.com

Представлены результаты экспериментального исследования течения газожидкостных сред в горизонтальном трубопроводе. Показана роль температурных изменений при газовыделении на стенках трубопровода и влияние их на структуру жидкости на внутренней поверхности трубы как фактора увеличения проскальзывания на стенках. Исследования показали, что в транспортирующем газожидкостном потоке в условиях перепада температур между нефтью с окружающей средой происходит непрерывное газовыделение на границе контакта сред. Возникающие процессы могут являться регулирующим фактором для восстановления пропускной способности трубопровода. В работе сделана попытка выявления причин газообразования, определения диапазонов возможных частот и амплитуд колебания температуры для эффективного регулирования гидравлических характеристик в трубопроводном транспорте углеводородов.

Ключевые слова: нефтегазопровод, газовыделение, температура, колебания, газосодержание, гидрофобная поверхность, изоляционное покрытие.

Разработка мероприятий поддержания режимных параметров трубопроводов на проектном уровне упирается в проблему исследования технологических осложнений при транспорте углеводородов, в частности процесс выделения и накопления газовой фазы.

Сложность явлений, происходящих при совместном движении жидкости и газа, которые отличны от наблюдаемых при однофазном потоке, является причиной недостаточной изученности данной проблемы. Наличие в трубе относительного движения фаз приводит к тому, что на поверхности их раздела возникают особые силовые, а при неизотермическом течении и тепловые взаимодействия, которые влияют на изменение полей скоростей течения, давлений и температур при переходе от одного сечения трубы к другому [1].

Этим же объясняется многообразие структурных форм двухфазного потока, пульсация давления в трубопроводе, частичная циркуляция фаз и ряд других явлений, осложняющих процесс движения газожидкостной смеси. Еще меньше изучены природа пульсаций давлений, причины скоплений жидкости в трубах, влияние шероховатости труб и местных сопротивлений на гидравлические характеристики потока, а также неустановившиеся процессы, возникающие при пуске, остановке и изменении режима работы трубопро-

вода, вопросы, связанные с повышением пропускной способности трубопровода и др. [2].

Газовыделение при перекачке нефти и нефтепродуктов влияет на пропускную способность трубопроводных систем, изменяя ее в среднем на 30...60%, а пульсация давления приводит к гидроудару.

При движении газожидкостной смеси в любом недогруженном участке трубопровода наблюдается миграция газовых пузырей, которые в повышенных участках трассы образуют устойчивые скопления, вытянутые межфазными силами трения вдоль нисходящих участков трубопровода [2].

Газовые выделения и скопления неоднозначно изменяют эксплуатационные характеристики участка трубопровода. В широком диапазоне заполнения трубы газовоздушные скопления препятствуют течению жидкости, создавая дополнительные гидравлические сопротивления. Однако в диапазоне ю/ю0 е [0,87...0,97] гидравлическое сопротивление самотечного участка меньше сопротивления аналогичного участка в напорном режиме [3]. Работа участка трубопровода при таких степенях заполнения возможна лишь при условиях, препятствующих свободному выносу скопления из трубопровода (например, увеличение уклона трассы по направлению движения жидкости). В противном случае любое возмуще-

ние приведет к выносу скопления и заполнению участка.

Авторами [1] показано, что минимальный уклон трассы, при котором газовоздушное скопление фиксируется в трубопроводе:

(

sinar

= 12

Q

D5

лЗ,57

Л. Л2,79

где V! - вязкость нефти; vg - вязкость газовоздушной смеси.

В отсутствие газа (¥г = 0) кривая, которая описывает характеристику трубопровода, исходит из начала координат. Влияние газового скопления на характеристику трубопровода авторы в работе [3] оценивают путем суммирования гидравлических потерь на восходящих (горизонтальных) участках, рассчитанных по формуле Дарси, и перепадов высотных отметок на нисходящих участках:

О

Эта и иные имеющиеся зависимости противоречивы не только в количественной, но и в качественной оценке характеристики трубопровода, из чего вытекает необходимость в проведении дополнительных исследований. Наряду с этим открытым остается вопрос влияния перепада температуры на образование пузырьков газа на поверхности контакта нефти с поверхностью трубы. Это будет способствовать развитию теоретических положений и позволит уточнить существующие рекомендации при проектировании нефтегазосборных систем и магистральных нефтегазопроводов.

Пузырьковое выделение газа как явление релаксации связано с температурным перепадом на границе раздела фаз пограничного слоя транспортируемой жидкости и поверхности стенки трубы [4, 5]. Этим объясняется удивительное совпадение максимума замедления скорости роста пузыря и его размера при отрыве с появлением максимума пикового потока при тех же низких концентрациях компонента в бинарной системе. Данный эффект непосредственно связан как с экспериментальными, так и теоретическими исследованиями роста газовых пузырьков в смесях.

Авторы [6] наблюдали быстрые местные флуктуации температуры в месте контакта поверхности трубы и транспортируемой жидкости, совпадающие с периодическим образованием газа вблизи активного центра.

В работах А.В. Мамаева, Э.Г. Одишария показано, что с увеличением скорости течения смеси истинное газосодержание увеличивается, а приведенный коэффициент сопротивления у уменьшается. Однако в работах В.М. Афанасьева, Г.Г. Корнилова, В.И. Черникина, Н.И. Семенова, А.А. Точигина отмечается, что коэффициент сопротивления у с увеличением скорости возрастает.

В работе [7] представлены результаты моле-кулярно-динамического моделирования систем Леннард-Джонса с целью изучения эффектов растворенного газа на границе раздела фаз жидкость-стенка и жидкость-газ. Наблюдается газовыделение на стенках, величина которого для гидрофобных поверхностей может превышать более чем на два порядка по сравнению с плотностью газа в жидкости. Как следствие, структура жидкости у поверхности стенок значительно изменена, что способствует увеличению проскальзывания на стенках.

Переход от лиофильной поверхности к лио-фобной характеризуется изменением энергии связи между молекулами стенки и жидкости (чем слабее связь, тем лиофобнее поверхность). Численный эксперимент показал, что газ мигрирует к поверхности, причем в случае сильно лио-фобной поверхности жидкость не касается стен-

„5

У

1 1 п

„1

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

1 - газовый баллон; 2 - бомба РУТ; 3 - трубка; 4 - образцовые манометры; 5 - газовый редуктор; 6 - дифференциальный манометр; 7 - ультратермостат; 8 - вентиль; 9 - соединительные трубки

О

0

- Т = 293

Т = 283 - Т = 298 Т = 313 Т = 290

0

20

40

80

100

Рис

при

60 I/600, c

2. Динамика пропускной способности трубопровода различных значениях температуры окружающей среды

о

120

0

298

/290 5293 283 > 313

0

5

20

10 15

Перепад температуры, °С

Рис. 3. Зависимость пропускной способности от перепада температуры

25

ки: их разделяет моноатомный слой [7]. Уже при толщине адсорбционного слоя газа в 0,15 нм имеет место заметное проскальзывание жидкости. Здесь происходит изменение градиента давлений и скоростей газовой и жидкой фаз при течении на режиме проскальзывания, при котором скорость газовой фазы снижается, а скорость жидкой значительно возрастает.

Однако может иметь место и обратный эффект, когда вновь образовавшиеся пузырьки компенсируют влияние перепада температуры на образование новых зародышей газа. Важным фактором здесь является определение условия отрыва образующихся пузырьков от стенки трубы.

Как известно, радиус отрыва пузырей от поверхности стенки трубы находится по формуле [4]

д

е

где * - момент времени, когда прилипший пузырь отрывается от поверхности нагрева; Ь - параметр микрослоя; С - константа роста пузырей.

Число активных участков (центров), генерирующих газовые пузыри в районе выделения, зависит от материала трубы и быстро увеличивается с ростом перепада температуры.

С целью установления наличия пристенного влияния на нефть были проведены лабораторные эксперименты на капиллярном вискозиметре, схема которого приведена на рис. 1.

Эксперимент осуществлялся в следующей последовательности. Предварительно бомба 2 и трубка 3 заполняются нефтью месторождения Кюрсангя НГДУ «Ширваннефть» с плотностью 901 кг/м3, газовым фактором Г = 0,2 м3/м3, ки-

нематической вязкостью 0,285 104 м2/с и при помощи термостата регулируется температура. В первой серии эксперимента нефть в бомбе и трубке подвергается одинаковой температуре с окружающей средой (Т1 = 293 К).

Затем с помощью термостата изменялась температура прокачиваемой нефти, поддерживая условия температурного перепада между внутренней полостью трубки и окружающей средой. При этом температура нефти составляла Т = 283...313 К, а температура внешней поверхности трубки (окружающей среды) - Т2 = 293 К. Результаты экспериментов показаны на рис. 2 и 3.

Из представленных зависимостей видно, что пропускная способность для исследуемой нефти в условиях минимальной температурной разницы на границе контакта «нефть - поверхность трубки» максимальна. Экспериментальные исследования показывают, что в трубопроводах, транспортирующих газожидкостный поток в условиях перепада температур между нефтью с окружающей средой, происходит непрерывное газовыделение на границе контакта сред. Это является причиной высокочастотных волновых процессов, контроль и регулирование которых весьма затруднительны, и что, в свою очередь, снижает эксплуатационную надежность трубопровода. Возникающие высокочастотные колебания могут являться регулирующим фактором для восстановления пропускной способности трубопровода, поэтому актуальными задачами являются выявление причин их зарождения, определение диапазонов возможных частот и амплитуд колебания температуры и выбор изоляционных покрытий с минимизированной теплопроводностью.

3

2

2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Hsieh S.S., Tsai H.H., Lin C.Y., Huang C.F., Chien C.M. Gas flow and in a long microchannel // Int. J. Heat Mass Tran. 2004. 47. p. 3877-3887.

2. Шаммазов А.М., Байков В.А., Субаев И.У. Нелинейные эффекты при транспорте газонефтяных систем по трубам. - Изв. вузов. Сер. Нефть и газ. АзИНЕ-ФТЕХИМ, 1985. С. 70-74.

3. Кутуков С.Е., Бахтизин Р.Н., Шаммазов А.М. Оценка влияния газового скопления на характеристику трубопровода // Нефтегазовое дело. 2003. № 1. URL: http://ogbus.ru/authors/Kutukov/Kutukov_7.pdf

4. Ванн Штрален С. Дж. О механизме пузырькового кипения в бинарных смесях. Тепло- и массоперенос.

Т. 2. - Минск: Наука и техника, 1968. C. 219-243.

5. Scriven L.E. On the dynamics of phase growth. Chem. Engng. Sci., 10, 1959. pp. 1-13.

6. Bonnet, C., E. Macke u. R. Morin: Visualization of bubble formation at atmospherie pressure and related measurement of the wall temperature variations. Euratom Rep. EUR 1622e. Ispra, 1965.

7. Dammer S. M., Lohse D. Gas enrichment at liquid-wall interfaces // Physical Review Letters. 2006. V. 96. Article 206101.

8. Forster H.K., Zuber N. Growth of a vapour bubble in superheated liquid, J. Appl. Phys., 25, 1954. pp. 474478.

GAS RELEASE EFFECT ON THE HYDRAULIC CHARACTERISTICS OF THE LIQUID FLOW IN THE PIPELINE

Panahov G.M., Dr. Sci. (Tech.), Corresponding Member of Azerbaijan NAS Abbasov E.M., Cand. Sci. (Tech.), Corresponding Member of RANS Guseynov V.G., Candidate for a degree Mouseable P.T., Master's degree

Institute of Mathematics and Mechanics of NAS of Azerbaijan (9, B.Vahabzade, Baku, Azerbaijan Republic, AZ1141). E-mail: pan_vniineft@gmail.com

ABSTRACT

Research results of gas-liquid flows in the horizontal pipeline are presented. The role of temperature fluctuations under the gas emission on walls of the pipeline and their influence on liquid structure at an internal surface of a pipe as factor of increase of slippage effect is shown.

Studies showed that in the transporting gas-liquid stream in the conditions of temperature fluctuations between oil and outside environment there is a continuous gas emission on the interface. The arising processes could be used as regulating factor for restoration of capacity of the pipeline.

In the work an attempt is made to identify the causes of gas formation, identification of possible ranges of frequencies and amplitudes of the temperature fluctuations for the effective regulation of hydraulic characteristics in the pipeline transport of hydrocarbons.

Keywords: oil and gas pipelines, gas release, temperature fluctuations, gas content, hydrophobic surface, insulating cover.

REFERENCES

1. Hsieh, S.S., Tsai, H.H., Lin, C. Y., Huang, C. F., and Chien, C. M., (2004) Gas flow in a long microchannel, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 47, pp. 3877-3887.

2. Shammazov A.M., Baykov V.A., Subayev I.U. Nelinejnie jeffekty pri transporte gazoneftjanyh sistem pot rubam [Nonlinear effects undermidstream operations]. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij SSSR [News of the highest educational institutions of USSR], seriya «Neft i gaz», AzINEFTEKHIM Publ, 1985. pp. 70-74

3. Kutukov S.E., Bakhtizin R.N., Shammazov A.M. Ocenka vlijanija gazovogo skoplenija na harakteristiku truboprovoda [Charcterizationof the gas accumulations impact on the pipeline characteristics]. Neftegazovoe delo [Oil and Gas Business], 2003, no. l.Available at: http://ogbus.ru/authors/Kutukov/Kutukov_7.pdf.

4. Van Stralen S.J.D. O mehanizme puzyr'kovogo kipenija v binarnyh smesjah [On the mechanism of nucleate boiling in binary mixtures]. Teplo- i Massoperenos [Heat and Mass Transfer], vol. 2, Minsk, Nauka i Tekhnika Publ., 1968. pp. 219-243 (in Russian).

5. Scriven L.E. On the dynamics of phase growth, Chem. Engng. Sci. 10: 1-13, 1959.

6. Bonnet, C., Macke, E., and Morin, R., Visualization of Bubble Formation at Atmospheric Pressure and Related Measurement of the Wall Temperature Variations, EUR 1622. e. (1965).

7. Dammer S. M., Lohse D. Gas enrichment at liquidwall interfaces, Physical Review Letters, 2006, V. 96. Article 206101.

8. Forster H.K., Zuber N. Growth of a vapour bubble in superheated liquid, J. Appl. Phys, 25, 1954. pp. 474478.