СПОСОБ ПЕРЕКАЧКИ ВЯЗКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ПО ТРУБОПРОВОДУ
TRANSFER OF THICK HYDROCARBON FLUIDS VIA PIPELINE

Изобретение относится к транспортированию вязких углеводородных жидкостей по трубопроводам.
Известные способы перекачки вязких жидкостей по трубопроводам, основанные на снижении вязкости перекачиваемых жидкостей, можно разделить на три группы:
1. Снижение вязкости за счет предварительного нагрева жидкости. Известен способ транспортирования по трубопроводам предварительно нагретых неньютоновских парафинсодержащих углеводородных жидкостей ("горячая" перекачка). Начальную температуру потока выбирают таким образом, чтобы в конце трубопровода поддерживалась температура на 3-5°C выше температуры застывания неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости. Ее нагрев производится на специальных тепловых станциях (см. В.И. Черникин. Перекачка вязких и застывающих нефтей. М.: Гостоптехиздат, 1958 [1]). К недостаткам этого известного способа транспортирования неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости относятся: сжигание части перекачиваемой нефти в печах нагрева, загрязнение воздушного бассейна продуктами сгорания, невозможность использования "горячей" перекачки на подводных трубопроводах без специальной дорогостоящей теплоизоляции, при перекачке с остановками и т.д.
2. Снижение вязкости за счет обработки жидкости ультразвуком или электромагнитным излучением. Примером такого способа могут служить патенты РФ №2346206 «Способ перекачивания вязких жидкостей» [2], Патент РФ №2232124 «Способ плавления и снижения вязкости химических продуктов, преимущественно нефти и нефтепродуктов, и устройство для его осуществления» [3], Патент РФ №2103211 «Способ разогрева в емкости загустевших продуктов и устройство для его осуществления» [4]. Недостатком таких способов можно считать необходимость установки излучателей.
3. Снижение вязкости за счет введения в жидкость присадок. К присадкам можно отнести разжижители (Заявка на изобретение №92010884 «Способ добычи высоковязкой нефти» [5]), депрессорные присадки (патент РФ №2124160 «Способ транспортирования неньютоновской парафинсодержащей углеводородной жидкости по трубопроводу» [6]). К недостаткам этих способов можно отнести высокую стоимость процесса из-за необходимости добавления дополнительного продукта в вязкую жидкость и в большинстве случаев невозможность повторного использования разжижителя или присадки.
Целью изобретения является разработка нового способа перекачки вязких углеводородных жидкостей по трубопроводу при снижении их вязкости в результате нагревания, достигаемого соответствующей скоростью перекачки.
Технический результат изобретения - повышение эффективности процесса перекачки вязких углеводородных жидкостей по трубопроводам за счет снижения их вязкости в результате нагревания, достигаемого соответствующей скоростью перекачки.
Снижение вязкости транспортируемой жидкости достигается повышением температуры жидкости за счет выделения тепла внутреннего трения. Для достижения данного эффекта и компенсации потерь тепла при транспортировке жидкости необходимо обеспечение соответствующей скорости перекачки, благодаря чему выделение энергии от трения будет происходить более интенсивно. При этом необходимым условием для осуществления данного способа перекачки является условие:
1
где: W - тепло, выделившееся при трении жидкости;
2
W - потери тепла при перекачке.
1
2
Исходя из выполнения равенства W=W определяются параметры перекачки.
Методика расчета, в качестве примера, может быть следующей. Дифференциальное уравнение тепловой энергии, в котором влияние трения учитывается диссипативным членом, представляется в виде (см. Валеев А.Р. Тепловые режимы трубопроводов. Вопрос учета нагрева нефти и газа в трубопроводах // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2009. №2. С.URL: http://ogbus.ru/authors/Valeev/Valeev_1.pdf [7]; Краус Ю.А. Проектирование и эксплуатация магистральных нефтепроводов Часть 1: Основные факторы, влияющие на особенности эксплуатации и выбор проектных параметров магистральных нефтепроводов. - Омск. Издательство ОмГТУ, 2010 [8]):
где  - диссипативный член;
w - скорость движения нефти;
po
c - изобарная теплоемкость;
k - коэффициент теплопередачи от потока нефти в окружающую среду;
d - внутренний диаметр трубопровода;
Т - температура, в сечении х;
0
Т - температура окружающей среды;
- гидравлический уклон;
λ - коэффициент трения
Решив данное уравнение, считая движение жидкости стационарным, получают уравнение Шухова с поправкой Лейбензона, учитывающей тепло трения [7; 8]:
G - массовый секундный расход;
- коэффициент Шухова;
L - длина трубопровода
1
2
н
Далее расчет ведут исходя из равенства количеств теплоты, выделяемого за счет внутреннего трения и отдаваемого в окружающую среду (W=W), что означает достижение постоянной температуры на всем протяжении трубопровода. В таком случае температура жидкости в начале трубопровода (Т) будет равна температуре жидкости в любой его точке (Т):
Преобразовав (3) с использованием (4), получим следующее выражение:
Теперь задача сводится к подбору параметров, удовлетворяющих данному уравнению. Они и будут устанавливать требуемый режим работы трубопровода, при котором температура нефти на всем протяжении трубопровода будет не ниже начальной.
Пример конкретного выполнения 1
3
3
40
Пусть требуется выполнение перекачки высоковязкой нефти (ρ=800 кг/м, ν=20 сСт) с расходом Q=9500 м/ч с обеспечением температуры не ниже 40°C на протяжении всей длины трубопровода. Трубопровод проложен подземно без тепловой изоляции. Средняя температура грунта на глубине прокладки 2°C. Требуется определить диаметр трубопровода, при котором будет обеспечиваться указанная температура перекачки.
1
2
Решать задачу следует методом последовательных приближений. То есть, задавшись диаметром трубопровода d, следует определить параметры, необходимые для определения минимального массового расхода, чтобы выполнялось условие W=W, по формуле (5):
3
3
Для первого приближения диаметра трубопровода можно использовать техническую или нормативную документацию, например РД 153-39.4-113-01 «Нормы технологического проектирования магистральных нефтепроводов». Заданный расход перекачки (Q=9500 м/час) соответствует производительности нефтепровода 63,9 млн т/год (при заданной плотности ρ=800 кг/м и условии работы трубопровода 350 дней в году). Исходя из таблицы 5.1 РД 153-39.4-113-01 такой производительности нефтепровода соответствует диаметр (наружный) 1220 мм. Учитывая, что предлагаемый метод перекачки основан на выделении тепла за счет увеличенной скорости перекачки, для расчетов следует принять меньший диаметр, то есть 1020 мм. Примем для расчетов толщину стенки трубы 15 мм, таким образом, внутренний диаметр трубопровода равен d=990 мм. Примем абсолютную шероховатость, равную Δ=0,0002 м.
Вычисляем скорость потока нефти в трубопроводе:
Вычисляем число Рейнольдса по формуле:
Вычисляем коэффициент гидравлического сопротивления по формуле Альтшуля
1
2
2
Вычисляем минимальный массовый расход, который требуется для обеспечения условия W=W, предварительно приняв k=1,9 Вт/м°C (принимается по справочной литературе или вычисляется известными методами):
Минимальный объемный расход будет равен
3
3
min
Поскольку заданная производительность перекачки Q=9500 м/час больше рассчитанной минимальной производительности Q=9065,7 м/час, то принятый диаметр трубопровода d=990 мм обеспечит перекачку нефти с поддержанием температуры нефти не ниже заданной (40°C) по всей длине трубопровода.
min
В случае если расчетная минимальная производительность Q превышает заданную Q, то следует уменьшить диаметр и провести расчеты заново.
Таким образом, предлагаемый способ перекачки обеспечивает транспортировку нефти по трубопроводу с поддержанием температуры не ниже заданной за счет тепла, выделяемого в результате внутреннего трения слоев нефти, тем самым не допуская увеличения вязкости нефти, таким образом, нагрев перекачиваемых жидкостей производят без использования печей подогрева или иных устройств, за счет скорости перекачки, при которой выполняется условие (1):
1
где: W - тепло, выделившееся при трении жидкости;
2
W - потери тепла при перекачке.
Пример конкретного выполнения 2
3
3
На существующем месторождении реализован внешний транспорт нефти в объеме 250 м/час по трубопроводу 325×7 мм протяженностью 95000 м. Прокладка трубопровода подземная (температура грунта -3°C) в теплоизоляции толщиной 100 мм. Плотность нефти 900 кг/м. Начальная температура нефти 34°C (кинематическая вязкость при 34°C 150 сСт). Требуемая температура нефти в пункте приема не ниже 30°C. Остывание нефти ниже 20°C недопустимо, поскольку это приводит к резкому увеличению вязкости и выпадению парафинов в трубе (кинематическая вязкость при 20°C 230 сСт). С этой целью на 57 километре трассы установлен подогреватель нефти. Параметры существующего режима перекачки приведены в таблице 1.
Рассмотрим применения предлагаемого способа перекачки для этого случая. Расчеты, проведенные по методике, аналогичной принятой в примере 1, дают результаты, приведенные в таблице 2.
Результаты расчета позволяют сделать заключение об экономической эффективности предлагаемого способа перекачки в сравнении с реализованным способом за счет:
1. Снижения капитальных и эксплуатационных затрат на строительство за счет уменьшения диаметра нефтепровода и исключения пункта подогрева.
2. Снижения эксплуатационных затрат за счет уменьшения суммарной потребляемой мощности на 46%.