Установка для оценки эффективности агентов снижения гидравлического сопротивления
UNIT FOR EFFICIENCY ESTIMATION OF HYDRAULIC RESISTANCE DECREASING AGENTS

Изобретение относится к области гидродинамики жидкостей, в частности к устройствам для изучения агентов снижения гидравлического сопротивления, например полимерных противотурбулентных присадок (ПТП) или поверхностно-активных веществ (ПАВ), и может быть использовано для создания гидродинамических стендов для изучения углеводородных жидкостей и испытания присадок к ним, снижающих гидродинамическое сопротивление.
Известен стенд для оценки эффективности физико-химического воздействия на поток воды, нефти, газа и газоконденсата [патент на полезную модель RU 131165 U1, опубл. 10.08.2013, МПК G01M 10/00], который включает в себя бак, сливной бак, ручные вентили, основной трубопровод, насос, нагревательный элемент, датчики температуры, расхода и давления, газовый баллон с компрессором, установленные параллельно баку с насосом, а также байпасные линии для установки сменных блоков. В качестве сменных блоков используются узел ввода химического реагента, магнитная установка, турбулизатор, диффузор, конфузор, нагревательный элемент, блок охлаждения. Также стенд дополнительно включает узлы контроля коррозии. Датчики температуры, давления и узлы контроля коррозии установлены после каждого съемного блока. Указанный стенд предназначен главным образом для изучения коррозии трубопроводов и действия антикоррозионных присадок.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является стенд для испытания ПТП для нефти и нефтепродуктов [патент на полезную модель RU 151950 U1, опубл. 20.04.2015, МПК G01N 11/08], который содержит расходную емкость для углеводородной жидкости, снабженную входным и выходным шаровыми кранами, термостат, соединенный с расходной емкостью, замкнутый контур движения углеводородной жидкости, узел ввода ПТП, винтовой насос, измерительный узел и расходомер. Измерительный узел включает в себя измерительный участок замкнутого контура движения углеводородной жидкости, снабженный по меньшей мере одним дифференциальным датчиком давления, датчиком температуры и таймером для измерения времени прохождения углеводородной жидкости по замкнутому контуру.
К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести следующее:
1. При определении величины снижения гидравлического сопротивления осуществляется движение исследуемого агента через насос, приводящее к разрушению полимера ПТП или ПАВ, что снижает точность определения эффективности агента.
2. При испытаниях происходят два противоположных процесса: растворение полимера ПТП, повышающего эффективность снижения гидравлического сопротивления, и его деградация, снижающая эффективность снижения гидравлического сопротивления, что не позволяет точно определить максимальную эффективность ПТП.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании установки, обеспечивающей возможность определения величины снижения гидродинамического сопротивления углеводородной жидкости с введенной в нее ПТП и оценки деградации ПТП при движении по участку трубопровода.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является повышение точности определения величины снижения гидродинамического сопротивления углеводородной жидкости с введенной в нее ПТП при ее движении по трубопроводу за счет снижения деградации ПТП при прохождении по измерительному участку и воссоздания при проведении измерений условий течения углеводородной жидкости, близких с условиями применения присадок на магистральных трубопроводах.
Технический результат достигается тем, что установка для оценки эффективности агентов снижения гидравлического сопротивления включает в себя две емкости для углеводородной жидкости, снабженные термостатами, трубопровод, на котором образован измерительный участок, соединяющий две емкости, датчик дифференциального давления, датчик температуры и расходомер, установленные на измерительном участке, при этом внутри емкостей установлен поршень, выполненный с возможностью вытеснения углеводородной жидкости с заданной скоростью, обеспечивающей турбулентный режим течения углеводородной жидкости по измерительному участку.
Применение поршней для вытеснения углеводородной жидкости позволяет избежать прохождения жидкости с агентом снижения гидравлического сопротивления через насосное оборудование, приводящего к разрушению агента.
Создание замкнутой измерительной системы, включающей две емкости с углеводородной жидкостью, соединенных трубопроводом с измерительным участком, обеспечивает возможность многократного последовательного вытеснения углеводородной жидкости из одной емкости в другую, что позволяет измерить скорость изменения эффективности снижения гидродинамического сопротивления присадки, аналогичную скорости изменения эффективности снижения гидродинамического сопротивления присадкой при ее движении по длинному трубопроводу, т.е. воссоздать при эксперименте условия, близкие с условиями применения присадки на магистральных трубопроводах.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, трубопровод, соединяющий емкости, представляет собой трубку диаметром 30-50 мм и длиной 15-20 м.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, длина измерительного участка составляет 10-15 м.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, емкости снабжены шаровыми кранами.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, установка дополнительно включает в себя термостат, установленный на измерительном участке.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена схема установки для оценки эффективности агентов снижения гидравлического сопротивления, на фиг. 2 представлены примеры кривых эффективности для двух образцов ПТП.
Позициями на фиг. 1 обозначены:
1, 2- емкости с системой вытеснения испытуемой жидкости;
3 - измерительный участок трубы;
4.1-4.3 - термостаты;
5 - датчик температуры;
6 - датчик давления;
7 - расходомер;
8.1-8.4 - шаровые краны;
9.1-9.2 - поршень с регулируемым приводом.
Установка для оценки эффективности агентов снижения гидравлического сопротивления, схема которой показана на фиг. 1, включает в себя емкости 1 и 2, с размещенными внутри поршнями 9.1, 9.2 соответственно с регулируемым приводом, с помощью которого осуществляется вытеснение жидкости из емкостей. Емкости 1 и 2 соединены между собой трубопроводом, представляющим собой трубку предпочтительно диаметром 30-50 мм и длиной 15-20 м, на котором образован измерительный участок 3, предпочтительно длиной 10-15 м. Выбор диаметра и длины измерительного участка 3 обусловлен обеспечением требуемого режима течения жидкости при проведении испытаний, ограничением объема жидкости, требуемого для проведения испытаний, ограничением давления при проведении испытаний, обеспечением стабилизации параметров течения при проведении испытаний. Термостаты 4.1 и 4.3 соединены соответственно с емкостями 1 и 2, термостат 4.2 соединен с измерительным участком 3, и они служат для поддержания заданной температуры углеводородной жидкости. На измерительном участке 3 размещены расходомер 7, датчик температуры 5 и дифференциальный датчик давления 6 для измерения перепада давления на измерительном участке. Емкости 1 и 2 снабжены шаровыми кранами 8.1, 8.2 и 8.3, 8.4 соответственно. Шаровые краны 8.1 и 8.3 обеспечивают подачу вытесняемой поршнем углеводородной жидкости из емкостей 1 и 2 в трубопровод с измерительным участком 3. Шаровые краны 8.2 и 8.4 обеспечивают слив углеводородной жидкости из емкостей 1 и 2. В качестве расходомера 7 целесообразно использовать ультразвуковой расходомер.
Заявляемая установка для оценки эффективности агентов снижения гидравлического сопротивления работает следующим образом.
В емкость 1 заливают углеводородную жидкость, например дизельное топливо, нефть. Углеводородная жидкость в емкости 1 подогревается или охлаждается до заданной температуры посредством термостата 4.1 в зависимости от целей эксперимента. Термостаты 4.1, 4.2, 4.3 выполнены с возможностью задания температур в диапазоне от -5°C до +60°C.
Затем открывают шаровый кран 8.1 и заполняют измерительный участок 3, затем открывают шаровый кран 8.3 и с помощью поршня 9.1 вытесняют углеводородную жидкость из емкости 1 в емкость 2 по измерительному участку трубы 3. Вытеснение углеводородной жидкости происходит при равномерной заданной скорости поршня, обеспечивающей турбулентный режим течения углеводородной жидкости на измерительном участке 3. Скорость поршня регулируется приводом и предварительно рассчитывается исходя из параметров углеводородной жидкости. Создание турбулентного режима течения углеводородной жидкости необходимо для проявления эффекта Томса и проверки эффективности снижения гидравлического сопротивления.
С помощью расходомера 7 измеряют расход жидкости, с помощью дифференциального датчика давления 6 измеряют перепад давления при движении жидкости по измерительному участку 3. После проведения измерений углеводородную жидкость сливают из емкости 2 и трубной обвязки посредством шарового крана 8.4 и 8.2.
Затем в емкость 1 заливают ту же углеводородную жидкость, но с растворенным в ней агентом для снижения гидравлического сопротивления, например ПТП. Углеводородная жидкость с агентом в емкости 1 подогревается или охлаждается до заданной температуры, аналогичной температуре испытаний жидкости без агента, посредством термостата 4.1.
Затем открывают кран 8.1 и заполняют измерительный участок 3, после чего открывают кран 8.3 и с помощью поршня 9.1 вытесняют углеводородную жидкость с агентом из емкости 1 в емкость 2 по измерительному участку 3. Вытеснение углеводородной жидкости происходит при равномерной заданной скорости поршня, аналогичной скорости поршня при испытании жидкости без агента.
С помощью расходомера 7 измеряют расход жидкости, с помощью дифференциального датчика давления 6 измеряют перепад давления при движении жидкости по измерительному участку трубы 3.
После вытеснения углеводородной жидкости из емкости 1 в емкость 2 осуществляют обратное вытеснение жидкости в емкость 1 из емкости 2 с помощью установленного в емкости 2 поршня 9.2. Вытеснение углеводородной жидкости происходит при равномерной заданной скорости поршня 9.2, аналогичной скорости поршня 9.1 при вытеснении жидкости из емкости 1.
С помощью расходомера 7 измеряют расход углеводородной жидкости, с помощью дифференциального датчика давления 6 измеряют перепад давления при движении жидкости по измерительному участку трубы 3. Температура углеводородной жидкости поддерживается постоянной с помощью термостатов 4.1-4.3.
Последовательное вытеснение углеводородной жидкости из емкости 1 в емкость 2 и обратно производят до момента выравнивания значений перепада давления на измерительном участке 3 при вытеснении жидкости из емкости 1 в емкость 2 и перепада давления на измерительном участке 3 при вытеснении жидкости из емкости 2 в емкость 1. После проведения измерений углеводородную жидкость сливают посредством шаровых кранов 8.2 и 8.4.
По результатам измеренных данных определяют величину снижения гидродинамического сопротивления (DR) для каждого цикла вытеснения жидкости с агентом по формуле (1):
0
0
i
i
3
3
где ΔP - перепад давления на измерительном участке трубы при вытеснении жидкости без агента, Па; Q - расход на измерительном участке трубы при вытеснении жидкости без агента, м/с; ΔP - перепад давления на измерительном участке трубы при вытеснении жидкости с агентом на i цикле вытеснения, Па; Q - расход на измерительном участке трубы при вытеснении жидкости при вытеснении жидкости с агентом на i цикле вытеснения, м/с.
По результатам расчета строят кривую зависимости снижения гидродинамического сопротивления от количества проведенных циклов вытеснения. Заявленное устройство позволяет оценить эффективность ПТП и ее падение при различных температурных режимах.
Таким образом, применение поршней для вытеснения жидкости позволяет избежать прохождение жидкости с химреагентом насосного оборудования, приводящего к разрушению присадки, а многократное последовательное вытеснение жидкости из одной емкости в другую позволяет измерить скорость изменения эффективности снижения гидродинамического сопротивления присадки, аналогичную скорости изменения эффективности снижения гидродинамического сопротивления присадкой при ее движении по длинному трубопроводу.
Возможность реализации полезной модели подтверждается приведенным ниже примером.
3
Нефть вязкостью 20 сСт из емкости объемом 100 л с помощью поршня вытеснялась с расходом 20 м/ч по трубе диаметром 30 мм и длиной 18 м в аналогичную емкость с поршнем. Производительность вытеснения - 15 с, число Рейнольдса составляло 11800. Температура жидкости в емкостях 1 и 2 и на измерительном участке поддерживалась на уровне 20°C с помощью термостатов 4.1, 4.3 и 4.2 соответственно. Длина измерительного участка 3 составляла 15 м. Перепад давления на измерительном участке при прокачке нефти без присадки был равен 500 кПа.
При первом цикле вытеснения той же нефти с растворенной в ней ПТП с концентрацией 30 ppm, с тем же расходом и температурой перепад давления на измерительном участке 3 составил 304 кПа. При обратном вытеснении жидкости с ПТП перепад давления составил 308 кПа. При последующих циклах вытеснения фиксировался рост перепада давления на измерительном участке 3 при движении жидкости. Для каждого цикла вытеснения определялась величина снижения гидравлического сопротивления (DR) по формуле (1). Кривая изменения DR от времени представлена на фиг. 2 (образец ПТП 1). Она носит убывающий характер, обусловленный деградацией полимера ПТП. Величина DR на первом цикле вытеснения максимальная и характеризует эффективность самого полимера, которая связана с его молекулярной массой, его содержанием в присадке, а также концентрацией присадки в потоке. Скорость убывания кривой эффективности характеризует устойчивость ПТП к деградации.
При нанесении на один график данных для двух образцов ПТП (фиг. 2) одинаковой концентрации по форме кривых можно делать относительную оценку молекулярной массы и устойчивости к деградации полимеров. По данным, приведенным на фиг. 2, можно сказать, что молекулярная масса образов примерно одинакова (близкие значения DR на первом цикле вытеснения), второй образец ПТП более устойчив к деградации и его применение предпочтительно на длинных участках трубопровода.