Теплоперенос при течении газожидкостных углеводородных потоков в трубопроводных системах

УДК 621.6

Теплоперенос при течении газожидкостных углеводородных потоков в трубопроводных системах

Г.М. ПАНАХОВ, д.т.н., чл.-корр. НАН Азербайджана, действительный член РАЕН Э.М. АББАСОВ, к.т.н., чл.-корр. РАЕН

A.О. ЮЗБАШИЕВА, доктор философии по математике, доцент

B.Г. ГУСЕЙНОВ, диссертант

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

В работе представлены результаты исследования влияния процессов газовыделения в газожидкостном потоке на теплоперенос и на гидравлические характеристики течения в трубопроводах. Актуальность поставленной задачи определяется необходимостью учета коэффициента теплоемкости пограничного газового слоя при трубопроводном транспорте углеводородов, с учетом всего сложного процесса передачи тепла и определяется условиями теплообмена транспортируемой среды через поверхность трубы с окружающей средой. Исследован механизм газообразования в полости трубы и его влияние на пропускную способность трубопровода. В условиях натурного эксперимента на нефтепроводе Бузовны - Сабунчи (SOCAR) произведена оценка влияния изменения температуры на границе контакта жидкость-труба на пропускную способность трубопровода.

Проведенные исследования показали необходимость учета теплообменных процессов в условиях термической неустойчивости для регулирования потоков в трубопроводе при перекачке газожидкостных углеводородных систем.

Ключевые слова: трубопровод, теплопроводность, теплоизоляция, газ, колебания, теплоотдача, газовыделение, изоляция.

Поддержание эффективности транспортных характеристик трубопроводов на проектном уровне связано с исследованием и решением задачи регулирования технологических режимов транспорта углеводородов. Сложность явлений, имеющих место при совместном движении жидкости и газа, существенно отлична в сравнении с наблюдаемыми при однофазном потоке, что и является причиной недостаточной изученности проблемы.

Исследование закономерностей изменения основных гидродинамических параметров, характеризующих течение газожидкостных смесей в трубах, приобретает особое значение, так как без знания этих закономерностей весьма проблематично обоснованно проектировать трубопроводные системы и технологические процессы. Проведенные в последнее время исследования газожидкостных течений показали, что в ряде случаев имеется существенное отличие двухфазных потоков от однофазных даже при малых значениях расходного газосодержания. Тем не менее систематических исследований газожидкостных потоков не проводилось. К числу вопросов, представляющих значительный интерес, относятся исследование взаимодействия газовой фазы

с жидкостью и стенками канала, в том числе с учетом температурного фактора как предельного случая газожидкостного течения.

Изменение температуры в трубопроводах обусловлено теплообменом между потоком и окружающей средой. При известных условиях на значение температуры могут оказывать влияние различные внутренние процессы: испарение и конденсация перекачиваемого продукта, расширение газа, преодоление сил гидравлического трения, кристаллизация и плавление парафина и т.д. [1].

Исследования показывают, что в трубопроводах имеют место высокочастотные волновые процессы, которые в одном случае понижают эксплуатационную надежность трубопровода, а в других - повышают эффективность транспорта нефти [2].

Авторы [3, 4] наблюдали локальные флуктуации температуры на границе контакта между поверхностью трубы и транспортируемой жидкостью, которые совпадали с периодическим образованием газа вблизи активных центров. В горизонтальном потоке подробно изучены средние и пульсационные характеристики пузырькового течения. Исследователями получены существенно асимметричные профили скорости жидкости

и профили пульсаций скорости жидкости в горизонтальном канале. При этом при умеренных расходных скоростях фаз происходит концентрация пузырей газа с образованием крупномасштабных пузырьковых структур вдоль потока, что оказывает влияние на гидродинамические характеристики течения. В последние годы в литературе стали появляться работы, описывающие экспериментальное наблюдение крупномасштабных структур в пузырьковом течении. В работе [5] отмечаются небольшие флуктуации плотности распределения пузырей или образование перемежающихся пузырьковых облаков. Скорость таких облаков больше средней скорости течения. В работе [6] показано, что при малых газосодержаниях пузыри группируются в цепочку, образуя пузырьковую область, а далее они движутся вместе волнообразным способом. Области между стенками канала и пузырьковой лентой заняты вихревыми крупномасштабными структурами, в которых наблюдаются области возвратного течения [7].

Мур и Меслер выдвигают гипотезы, что вследствие флуктуации очень тонкие (около 10-5 м) жидкие микрослои между газовым пузырем и поверхностью создаются и быстро исчезают, что обусловливает возможность подсчета местных тепловых потоков в начальный период образования газового пузыря [4].

Степень изученности динамики постоянного газовыделения в газожидкостном потоке является ключевым фактором в проведении дальнейших исследований. Актуальными задачами, определяющими возможность регулирования процессами, являются выявление причин их зарождения, определение диапазонов возможных частот и амплитуд колебания температуры, выбор контрольно-измерительной аппаратуры для регистрации высокочастотных волн.

Необходимо отметить, что при учете влияния внутренних процессов на температуру в трубопроводе используются известные уравнения В.Г. Шухова [8]:

Ч = Ч + (га - Ч )е-КпВЬ

а = -

вс

Необходимо отметить, что уравнения (1) и (2) получены при условии постоянной величины коэффициента теплопередачи К и при отсутствии выделения и поглощения тепла по длине трубопровода. В другом случае В.И. Черникиным рекомендована формула для а:

КпВЬ

а = -

в

где С - количество тепла выделенного (+С) или поглощенного (-С) 1 кг перекачиваемого продукта при изменении температуры на 1 °С [9].

Приведенные уравнения (1) и (2), полученные для однофазного потока, применимы и для газожидкостной смеси. Разница может быть только в определении теплоемкости и коэффициента теплопередачи. Коэффициент теплопередачи учитывает весь сложный процесс передачи тепла и определяется условиями теплообмена продукта через стенку трубы с окружающей средой, описываемые уравнением В.И. Черникина [1]:

В1

Ьи-

ЬВ

ВН

а,1 В

ВН

-х-

В

2Х

'Н

ВН + _ 1

а2 В

Н

где и ^ - температура потока соответствен-

но на начальном и конечном участках трубопровода и окружающей среды; К - общий коэффициент теплопередачи от потока в окружающую среду; В и Ь - диаметр и длина трубопровода; в -масса смеси; С - массовая теплоемкость смеси.

где а1 - внутренний коэффициент теплоотдачи (от потока к стенке трубы); а2 - внешний коэффициент теплоотдачи (от стенки трубы к окружающей среде); ВВН и ВН - внутренний и наружный диаметр трубы и изоляции соответственно; X - коэффициент теплопроводности стенки трубы и изоляции. Как показано в [8], характеристика двухфазного потока влияет только на внутренний коэффициент теплоотдачи аг

Для условий перекачки газожидкостных систем большое влияние имеет термическое сопротивление, вызываемое газообразованием в полости трубы на границе контакта металл-жидкость. Число активных участков (центров), генерирующих газовые пузыри, зависит от материала трубы и быстро увеличивается с ростом перепада температуры [10]. Газовые пузыри часто сливаются вблизи поверхности трубы, если разность температуры превысит критическую величину 8о тах (обычно 10-50 °С). Тогда поверхность трубы покрывается более или менее равномерным слоем газа [11]. Это приводит к термической изоляции и снижению интенсивности температурного потока.

Толщина слоя термической изоляции микрослоя, примыкающего к газовому пузырю, определяется из уравнения [11]:

-C— = hAB, dt

где теплоемкость газового пузыря С = ^р^; с -удельная теплоемкость; V- объем пузыря; к - коэффициент стационарного температурного переноса; V = Ай = 4пЬЯ2й; Ь - параметр роста пузыря. При этих условиях уравнение (5) приводится к виду

- de dt

lnB = -

h

p1ed

р^сй

8 - температура; й - толщина газового микрослоя.

Некоторые преобразования для й получены в [12]:

d(t) = i^Ci (ti -1). pic

В связи e этим для оценки влияния изменения температуры на границе контакта жидкость-труба на пропускную способность трубопровода во времени в промысловых условиях на нефтепроводе Бузовны-Сабунчи

281

280

>= 279 1 278

° 277

S. 276

Рис. 1. Схема установки исследования пропускной способности нефтепровода Бузовны-Сабунчи

направлялась по трубопроводу (3) длиной 19,8 км и диаметром 0,2 м от насосной станции Бузовны (1) на Сабунчинскую насосную станцию. В ходе экспериментов производились двухчасовые замеры на начальном участке нефтепровода. На замерном узле 5 замерялись следующие параметры: расход, давление, плотность и температура нефти (6 - задвижки, 7 - манометр).

На рис. 2 и 3 представлены графики изменения температуры окружающей среды и пропускной способности (ф/ДР) трубопровода в процессе промыслового эксперимента.

Из приведенных на рис. 2 и 3 зависимостей видно, что температура и значения пропускной способности трубопровода носят колебательный

3

£ 275

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 Время, ч

Рис. 2. Динамика температуры окружающей среды

0

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 Время, ч

Рис. 3. Изменения пропускной способности трубопровода

Таблица 1

Физико-химические характеристики прокачиваемой нефти

Плотность, кг/м3 Вязкость, Пас Парафин, % Смола, % Асфаль-тены, % Вода, % Мех. примеси, °% Хлористые соли, г/л Газовый фактор, Г м3/м3

910 0,159 0,75 11 0,14 0,18 0,03 0,05 0,2

h

2

1

характер, поэтому усмотреть прямую связь между этими показателями не представляется возможным. Для оценки влияния изменения температуры во время проведения натурного эксперимента на пропускную способность трубопровода с помощью ЭВМ были рассчитаны значения взаимокорреляционной функции, представленные на рис. 4.

Из рис. 4 видно, что максимальное значение взаимокорреляционной функции не превышает 0,48, что указывает на отсутствие взаимосвязи между изменением температуры и пропускной способности трубопровода.

Далее в промысловых условиях оценена пропускная способность трубопровода во времени. На том же нефтепроводе проведен натурный эксперимент по перекачке нефти при близких значениях температуры перекачиваемой жидкости и окружающей среды (Т = 303 К) (рис. 5).

По результатам промысловых замеров, приведенным на рис. 5, видно, что пропускная способность трубопровода при перекачке газожидкостных систем при температуре, равной температуре окружающей среды, характеризуется слабыми колебаниями. При этом производительность его несколько меньше, чем в условиях температуры, отличающейся от окружающей среды. Наряду с этим существенным фактором, оказывающим влияние на пропускную способность трубопровода, может являться эффект проскальзывания, проявляющийся за счет образования слоя газовых пузырьков на поверхности стенки. Как показывают результаты ряда исследований, лиофобная поверхность стенок труб может способствовать генерации зародышей газа [10, 13, 14] и снижению гидравлических сопротивлений при течении транспортируемой жидкости.

Результаты проведенных исследований позволяют заключить также, что для регулирования пропускной способности трубопровода при перекачке газожидкостных систем необходим учет те-плообменных процессов в условиях термической неустойчивости. Одним из условий эффектив-

0,6

о:

04

и

> 0,2

СК

X X 0

S

ск <г -0 2

^ о -0 4

5

м со -0 6

4 ^^

2

0 2 2 4 3 1 0 1

4 >>

6 г '

Время, ч

Рис. 4. Корреляционные зависимости связи между пропускной способностью и температурой окружающей среды от времени

Q-

а

30 40 50 Время, ч

Рис. 5. График изменения пропускной способности трубопровода во времени

ного трубопроводного транспорта многофазных систем (нефть - природный газ) является учет теплофизических параметров «газового слоя», определяемых в том числе коэффициентом теплопроводности X и толщиной слоя й.

Знание закономерностей позволит обоснованно проектировать сборные трубопроводные системы, проводить анализ режимов течения многофазного потока при изменении термобарических условий и компонентного состава сред.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мастобаев Б.Н., Шаммазов А.М., Мовсумзаде Э.М. 4. Химические средства и технологии в трубопроводном транспорте нефти. - М.: Химия, 2002. 295 с.

2. Кутуков С.Е., Бахтизин Р.Н., Шаммазов А.М. Оцен- 5. ка влияния газового скопления на характеристику трубопровода // Нефтегазовое дело: Электрон. науч. журн. 2003. № 1. URL: http://ogbus.ru/authors/ 6. Kutukov/Kutukov_7.pdf

3. C. Bonnet, E. Macke u. R. Morin: Visualization of bubble formation at atmospherie pressure and related measurement of the wall temperature variations. 7. Euratom Rep. EUR 1622e. Ispra, 1965.

Moore F.D., Mesler R.B. The measurement of rapid surface temperature fluctuations during nucleate boiling of water, A.I.Ch.E.JI., 7, 1961. Pp. 620-624. Herringe R.A., Davis M.R. Structural development of gas-liquid mixture flows // J. Fluid Mechanics. 1976. Vol. 73. Pt. l. Pp. 97-123.

Mudde R.F., Lee D.J., Reese J., Fan L.S., Role of coherent structures on Reynolds stresses in a 2-D bubble column // AIChE Journal. Vol. 43. № 4. Pp. 913-926, 1997.

Cui Zhe, Fan L.S., Turbulence energy distributions in bubbling gas-liquid and gas-liquid-solid flow systems //

3

2

1

0

Chemical Engineering Science, № 59. P. 1755-1766, 2004.

8. Гужов А.И. Совместный сбор и транспорт нефти и газа. М.: Недра, 1973. 280 с.

9. Черникин В.И. Совместная перекачка нефтей и воды по трубопроводам // Вопросы транспорта, хранения нефти и машиностроения: Тр. МНИ. - М.: Гостоптех-издат, 1956. - Вып. 17. С. 101-110.

10. Ивашнев О.Е. Модель критического потока кипящей жидкости, учитывающая пристеночное вскипание // Изв. РАН. МЖГ. 2014. № 1. С. 75-89.

11. Ван-Штрален Дж.С. О механизме пузырькового кипения в бинарных смесях. Тепло- и массоперенос. -Минск: Наука и техника. Т. 2, 1968. С. 219-242.

12. Scriven, L.E., On the Dynamics of Phase Growth // Chemical Engineering Science. Vol. 10, 1959. Pp.1-13.

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

14. Tretheway D., Stone S., Meinhart C. Effects of absolute pressure and dissolved gases on apparent fluid slip in hydrophobic microchannels // Bulletin of American Physical Society. 2004. V. 49. P. 215.

HEAT TRANSFER UNDER THE FLOWS OF GAS-LIQUID HYDROCARBONS IN THE PIPELINES

Panahov G.M., Dr. Sci. (Tech.), Corresponding Member of Azerbaijan NAS Abbasov E.M., Cand. Sci. (Tech.), Corresponding Member of RANS Uzbashieva A.O., PhD (Math), docent Guseynov V.G., Candidate for a degree

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

ABSTRACT

The effect of gas generationunder the gas-liquid flow on the heat transfer and hydraulic characteristics of pipelines presented in this work.The urgency of the task is determined by the importance of the specific heat ratio of the boundary gas layer under the pipeline transportation of the hydrocarbons.The terms of the heat transfer of the transported fluid through the pipe to the environment was determined taking into account the complexity of the process of heat transfer. The influence of the gas formation in the pipeline capacity was investigated. Effect of temperature changes at the interface of liquid - pipe on the «Buzovna -Sabunchi» pipeline (SOCAR) was experimentally evaluated. The necessity to consider heat transfer processes in a thermal instability for flows regulating under the pipeline pumping of gas-liquid systems have been shown. Keywords: pipeline, thermal conductivity, thermal insulation, gas, vibrations, heat emission, gas release, insulation.

REFERENCES

1. Mastobaev B.N., Shammazov A.M., MovsumzadeJe.M. Himicheskie sredstva i tehnologii v truboprovodnom transporte nefti [Chemical products and technologies in the oil transportation]. Moscow, Chimiya Publ., 2002, 295 p. (in Russian).

2. Kutukov S.E., Bakhtizin R.N., Shammazov A.M. Ocenka vlijanija gazovogo skoplenija na harakteristiku truboprovoda [Charcterization of the gas accumulations impact on the pipeline characteristics]. Jelektronnyj nauchnyj zhurnal «Neftegazovoe delo» [Electronic scientific journal «Oil and Gas Business»], 2003, no. 1. Available at: http://ogbus.ru/authors/Kutukov/ Kutukov_7.pdf. (in Russian).

3. 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 1622 e. Ispra 1965.

4. Moore F.D., MeslerR.B.The measurement of rapid surface temperature fluctuations during nucleate boiling of water, A.I.Ch.E.JI., 1961, no. 7. P. 620-624.

5. Herringe R.A., Davis M.R. Structural development of gas-liquid mixture flows. J. Fluid Mechanics, 1976, vol. 73, Pt. l. P. 97-123.

6. Mudde R.F., Lee D.J., Reese J., Fan L.S., Role of coherent structures on Reynolds stresses in a 2-D bubble column, AIChE Journal, 1997, vol. 43, no. 4. P 913-926.

7. Cui Zhe, Fan L.S., Turbulence energy distributions in bubbling gas-liquid and gas-liquid-solid flow systems. Chemical Engineering Science, 2004, no. 59. P. 1755-1766.

8. GuzhovA.I. Sovmestnyj sbor i transport nefti i gaza. [The joint collection and transport of oil and gas] Moscow, Nedra Publ., 1973, 280 p. (in Russian).

9. Chernikin V.I. Sovmestnaja perekachka neftej i vody po truboprovodam Voprosy transporta, hranenija nefti i mashinostroenija [Joint oil and water pumping] Trudy MNI «Voprosytransporta, hranenijaneftiimashi nostroenija» [Proceedings of MNI «Oiltransportation, storage and mechanical engineering»], Moscow, Gostoptechizdat Publ., 1956, vol. 17. P. 101-110. (in Russian).

10. Ivashnev O.Ye. Model' kriticheskogo potoka kipjashhe jzhidkosti, uchityvajushhaja pristenochnoe vskipanie [Model critical flow boiling liquid, taking into account the parietal boiling]. Izvestija RAN, Mehanika Zhidkosti i Gaza [Transactions of RAS, Fluid and Gas Mechanics], 2014, no 1. P. 75-89. (in Russian).

11. 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. P. 219-243. (in Russian).

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

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

14. Tretheway D., Stone S., Meinhart C. Effects of absolute pressure and dissolved gases on apparent fluid slip in hydrophobic microchannels. Bulletin of American Physical Society, 2004, vol. 49. 215 p.