Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Теория и практика трубопроводного транспорта высоковязких нефтей с предварительным подогревом 15
1.1 Современная технология трубопроводного транспорта высоковязких нефтей с предвар ительным подогревом 15
1.2 Анализ современных методов теплового расчета нефтепроводов 28
1.3 Анализ методов гидравлического расчета «горячих» трубопроводов 37
1.4 Теплогидравлический расчет неизотермических трубопроводов в нормативной документации 41
1.5 Моделирование режимов работы «горячих» нефтепроводов 46
1.6 Анализ существующих решений по оптимизации режимов «горячего» нефтепровода 50
1.7 Постановка задач исследований 56
Глава 2 Обоснование выбора параметров оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом изменения характеристик центробежных насосов 57
2.1 Математическая модель процесса транспортирования нефти по «горячим» нефтепроводам 57
2.2 Новые критериальные уравнения для числа Нуссельта при вынужденной конвекции в трубах 65
2.3 Упрощенный гидравлический расчет «горячих» нефтепроводов 71
2.4 Выводы по главе 2 79
Глава 3 Экспериментальные исследования в области повышения эффективности трубопроводного транспорта нефти с использованием технологии предварительного подогрева 80
3.1 Решение задачи о выборе модельной жидкости 80
3.2 Моделирование работы системы «трубопровод – насосная станция» в случае «горячей» перекачки 93
3.3 Выводы по главе 3 105
Глава 4 Разработка инженерной методики определения оптимальной температуры начального подогрева при неизотермическом транспорте нефти и нефтепродуктов 106
4.1 Инженерная методика определения оптимальной температуры начального подогрева при неизотермическом транспорте нефти и нефтепродуктов 106
4.2 Выводы по главе 4 117
Заключение 118
Список литературы 119
- Теплогидравлический расчет неизотермических трубопроводов в нормативной документации
- Математическая модель процесса транспортирования нефти по «горячим» нефтепроводам
- Моделирование работы системы «трубопровод – насосная станция» в случае «горячей» перекачки
- Инженерная методика определения оптимальной температуры начального подогрева при неизотермическом транспорте нефти и нефтепродуктов
Введение к работе
Актуальность темы исследований
В соответствии с "Энергетической стратегией России на период до 2030 года" и распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р одной из важнейших задач нефтяного комплекса в области трубопроводного транспорта является системная организация технологических режимов работы нефтепровода с целью обеспечения их энергоэффективности.
Системы транспорта нефти представляют сложный энергетический комплекс, включающий магистральные и вспомогательные трубопроводы, нефтеперекачивающие станции, резервуарные парки, запорно-регулирующую арматуру и другое технологическое оборудование. Поскольку значительная доля нефтей обладает повышенной вязкостью, для их транспортировки применяют специальные методы. Наиболее распространенным методом является предварительный подогрев. Трубопроводный транспорт нефти с предварительным подогревом характеризуется сложным взаимодействием системы "трубопровод – насосная станция". Исследование таких систем с целью увеличения их энергоэффективности представляет актуальную научно-техническую задачу.
Цель диссертационной работы
Цель диссертационной работы: оптимизировать режимы перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом характеристик центробежных насосов.
Основные задачи исследования
-
Выполнить анализ современной теории и практики транспорта высоковязких нефтей с использованием предварительного подогрева.
-
Разработать математическую модель процесса транспортирования нефти по «горячим» трубопроводам с учетом характеристик центробежных насосов.
-
Получить критериальные уравнения для числа Нуссельта при вынужденной конвекции в трубах в случае «горячей» перекачки в форме, удовлетворяющей разработанной модели.
-
Теоретически обосновать метод гидравлического расчета «горячего» трубопровода.
-
Выбрать критерии оптимизации режимов работы системы «горячий» нефтепровод – насосная станция и определить параметры перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с
учетом характеристик центробежных насосов и термодинамических свойств системы.
-
Получить экспериментальное подтверждение результатов теоретических исследований.
-
Разработать инженерную методику определения параметров оптимальных режимов транспортирования нефти по «горячим» трубопроводам.
Идея работы
Представить процесс перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом в виде замкнутой системы. В пространстве «расход перекачки – начальная температура подогрева – полные потери напора» (Q, Tн, H) определить линию рабочих режимов. На этой линии найти точку, удовлетворяющую выбранным критериям оптимальности.
Научная новизна работы
-
Разработаны математическая модель и обобщенный алгоритм выбора оптимальной температуры начального подогрева нефти, где трубопровод и насосная станция рассматриваются как замкнутая система с учетом взаимного влияния параметров движения нефти в трубопроводе и характеристик центробежных насосов, а также зависимости определяющих параметров от термодинамических режимов транспортирования.
-
Получены критериальные уравнения теплоотдачи для числа Нуссельта при тепловом расчете «горячих» трубопроводов, которые позволяют сделать методику теплового расчета безыттерацион-ной.
3. Предложены новые режимные параметры и построены
области расчета "горячего" трубопровода в изотермическом при
ближении и области применимости модифицированной формулы
определения потерь напора с заданной точностью.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Параметры оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом определяются получением и минимизацией по разработанному алгоритму векторного уравнения линии рабочих режимов построенной в пространстве «расход перекачки – начальная температура подогрева – полные потери напора» (Q, Tн, H).
-
Разработанный метод определения оптимальной температуры начального подогрева нефти с учетом характеристик центро-
бежных насосов в системе «трубопровод - насосная станция» обеспечивает повышение энергоэффективности процесса перекачки высоковязкой нефти.
Методика исследований
При решении поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования включали в себя математическое описания режимов работы "горячих" трубопроводов, компьютерное моделирование, системы «трубопровод - насосная станция» с учетом изменения параметров работы центробежных насосов.
Экспериментальные исследования включали проведение натурных опытов при изменении определяющих факторов в соответствии с разработанным планом экспериментальных исследований, обработку полученных результатов методами математической статистики.
Достоверность научных положений
Достоверность научных положений подтверждена теоретическими исследованиями, результатами лабораторных экспериментов, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с доверительной вероятностью не менее 0,95.
Практическая ценность работы
-
Разработана инженерная методика определения параметров оптимальных режимов транспортирования нефти по «горячим» трубопроводам.
-
Создана компьютерная программа по теплогидравлическому расчету «горячих» трубопроводов и выбору оптимальных режимов их эксплуатации.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на:
-
64-ой международной научной студенческой конференции «Нефть и газ – 2010» на базе РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина 11-14.04.2010 г., диплом 2-ой степени.
-
Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» на базе ПГТУ 9-12.11.2010 г., диплом 2-ой степени.
-
Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса на базе СПГГУ 30.03 – 1.04.2011 г., диплом 1-ой степени.
-
65-ой международной научной студенческой конференции «Нефть и газ – 2011» на базе РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина 11-
14.04.2011 г., диплом 2-ой степени.
5. 8-ом международном молодежном нефтегазовом форуме
SPE на базе КазНТУ 16-17.04.2011 г., диплом 1-ой степени.
6. Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Про
блемы недропользования» на базе СПГГУ 20-22.04.2011, диплом за
2 место.
-
XIII Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех - 2011» и «Севергеоэкотех – 2012» (21-23 марта 2012 г.), на базе УГТУ, диплом I степени.
-
Международном семинаре «Рассохинские чтения» на базе УГТУ, 2014 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано десять научных работ, пять из которых в изданиях, входящих в перечень научных изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад соискателя
Разработана математическая модель процесса транспортирования нефти по «горячим» трубопроводам с учетом характеристик центробежных насосов. Составлена и обоснована инженерная методика определения параметров оптимальных режимов транспортирования нефти по «горячим» трубопроводам. Получены новые критериальные уравнения для числа Нуссельта при вынужденной конвекции в трубах для всех режимов течения. Найдены и обоснованы условия, при которых расчеты "горячих" трубопроводов можно вести в изотермическом приближении. Предложены новые режимные параметры и построены области расчета "горячего" трубопровода в изотермическом приближении и области применимости модифицированной формулы определения потерь напора с заданной точностью.
Реализация результатов работы
Результаты исследований, представленные в настоящей работе, могут быть применены при расчетах и оптимизации трубопроводного транспорта высоковязких нефтей и нефтепродуктов с использованием технологии предварительного подогрева.
Научные и практические результаты работы могут быть использованы в учебном процессе «Национального минерально-сырьевого университета «Горный» при изучении дисциплины «Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов» студентами специальности 130501.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 138 страницах текста, содержит 30 рисунков, 18 таблиц, список использованных источников из 121 наименования, 3 приложения.
Теплогидравлический расчет неизотермических трубопроводов в нормативной документации
VАнализ РД-75.180.00-КТН-198-09 "Унифицированные технологические расчеты объектов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов"
Среди нормативной документации, посвященной теплогидравлическому расчету неизотермических трубопроводов, особо следует выделить руководящий документ ОАО «АК «ТРАНСНЕФТЬ»: РД-75.180.00-КТН-198-09 "Унифицированные технологические расчеты объектов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов" [81].
Документ разработан открытым акционерным обществом «Институт по проектированию магистральных трубопроводов» (ОАО «Гипротрубопровод»). Утвержден и введен в действие 10.09.2009 г.
Настоящий документ является нормативным документом системы технического регулирования ОАО «АК «Транснефть». В документе определены методы основных технологических расчетов объектов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Настоящий руководящий документ «Унифицированные технологические расчеты объектов магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов» разработан на основе доработки и актуализации расчетов приведенных в справочно-методологическом документе ОАО «Гипротрубопровод» 1205-ОК «Унификация технологических расчетов по магистральным трубопроводам для нефти и нефтепродуктов» (г. Москва, 1979 г.).
В п. 3.7 приводится определение понятия "горячий" нефтепровод: нефтепровод, оборудованный пунктом подогрева нефти. Трубопровод, перекачивающий нефть с температурой застывания выше температуры окружающего грунта на оси трубопровода.
Несмотря на то обстоятельство, что методика теплогидравлического расчета МН изложенная в РД-75.180.00-КТН-198-09 является общепризнанной, она не лишена некоторых допущений. Часть из этих допущений упоминаются в тексте методики. В частности, для стационарного теплового режима: плотность транспортируемой нефти вдоль трубопровода считается зависящей только от температуры, параметры модели течения 0 , K и n зависят только от температуры, температура окружающей среды (грунта) для подземного трубопровода принимается равной температуре грунта в ненарушенном тепловом состоянии на глубине оси нефтепровода в соответствующий сезон, теплопередача через стенку трубопровода в продольном направлении не учитывается, гидравлический расчет стационарного режима перекачки выполняется по обычным формулам гидравлики (при этом в расчетах используется эффективная динамическая вязкость).
Необходимо отметить, что кроме упомянутых в самой методике допущений, она содержит некоторые положения, которые можно было бы уточнить. Среди них можно особо выделить следующие:
1. В расчетах используются формулы для числа Нуссельта, которые взяты из источника "Яблонский В.С., Новоселов В.Ф., Галеев В.Б., Закиров Г.З. Проектирование, эксплуатация и ремонт нефтепродуктопроводов. - М.: Недра, 1965". Исследования по экспериментальному определению коэффициента внутренней теплоотдачи нефтей, выполненные во ВНИИСПТ-нефти, показали, что формулы Михеева достаточно хорошо согласутся с опытными данными и предпочтительно использовать их. Кроме того, ряд зарубежных источников предлагает свои формулы для расчета числа Нуссельта. Здесь также необходимо отметить, что поскольку температура стенки не является изначально заданной величиной, ее приходится определять в результате многократных итераций. Следовательно, расчеты по формулам для числа Нуссельта приведенным в РД-75.180.00-КТН-198-09 являются не вполне обоснованными и сложными с точки зрения удобства использования.
2. Гидравлический расчет стационарного режима перекачки выполняется по обычным формулам гидравлики (при этом в расчетах используется эффективная динамическая вязкость), однако полное обоснование подобного подхода не приводится. Существуют области параметров, в которых такой подход возможен, однако существуют и такие, в которых такой подход может привести к значительным ошибкам [40]. Следовательно, данные области параметров следует уточнить и обосновать соответствующий подход к гидравлическому расчету.
Анализ РД 39-30-139-79 «Методика теплового и гидравлического расчета магистральных трубопроводов при стационарных и нестационарных режимах перекачки ньютоновских и неньютоновских нефтей в различных климатических условиях»
В отечественной практике известно также РД 39-30-139-79 «Методика теплового и гидравлического расчета магистральных трубопроводов при стационарных и нестационарных режимах перекачки ньютоновских и неньютоновских нефтей в различных климатических условиях» [80]. Данная методика является универсальной для расчета трубопроводов, перекачивавших как нелинейно-вязкопластичные, так и псевдопластичные, бингамовские и ньютоновские жидкости, а также дегазированные нефти. Методика предназначена для теплогидравлических расчетов действующих и проектируемых трубопроводов. Методика охватывает области ламинарного и турбулентного режимов движения жидкостей в трубопроводе. Базой для составления методики явились теоретические и экспериментальные исследования отдела трубопроводного транспорта ВНИИСПТнефть и литературные рекомендации. Однако РД 39-30-139-79 в настоящий момент является устаревшим и расчеты по нему не ведутся, причин этому несколько:
- сложность расчетного алгоритма; принятая в РД методика не является общепризнанной в научной среде;
- методика в основном направлена на решение задач перекачки нефтей, проявляющих сложные реологические свойства, методика для расчета перекачки ньютоновских нефтей изложена в недостаточном объеме.
Анализ нормативных документов ОАО «СМН»:
Для решения задач трубопроводного транспорта реологически сложной нефти по неизотермическому магистральному нефтепроводу ОАО «СМН» совместно с ГУП «ИПТЭР» и Ухтинским Государственным Техническим Университетом разработало комплекс нормативных документов, среди которых можно выделить следующие:
- "Методика теплогидравлических расчетов неизотермического магистрального нефтепровода, перекачивающего реологически сложные нефти (идентификация характеристик линейных участков)";
"Методика формирования математической модели неизотермического магистрального нефтепровода";
"Методика формирования оптимальных плановых режимов нефтепроводов на плановый период (месяц, год)".
Методики предназначены для тепловых и гидравлических расчетов режимов работы нефтепроводов, перекачивающих нефти с различными реологическими свойствами, для любых способов прокладки и при различных климатических условиях окружающей среды.
Методика численного моделирования стационарных и нестационарных процессов работы неизотермического трубопровода, перекачивающего реологически сложные нефти, позволяет путем предварительного прогноза надежно и безопасно эксплуатировать нефтепровод, избегая нежелательных режимов, приводящих к аварийной ситуации («замораживание» участка нефтепровода, превышение допустимого давления в трубе и т.п.).
Математическая модель процесса транспортирования нефти по «горячим» нефтепроводам
Критический анализ современной теории и практики трубопроводного транспорта нефти, с использованием технологии предварительного подогрева показал необходимость разработки математической модели «трубопровод -насосная станция», которая была бы лишена приведенных в первой главе недостатков. Данная математическая модель является основой для оптимизационного исследования системы «трубопровод - насосная станция».
Общая математическая модель неизотермического движения вязкой жидкости описывается системой дифференциальных дополненной уравнениями зависимости теплофизических свойств жидкости от температуры[52,84].
В векторной форме данную систему дифференциальных уравнений можно записать следующим образом [47,48,50,52]:
Приведенная выше система уравнений используется для описания неизотермического движения высоковязкой нефти в трубопроводе. Для того чтобы получить общую математическую модель «трубопровод – насосная станция» для случая «горячей» перекачки, ее необходимо дополнить уравнением моделирующим НПС. Уравнение характеристики НПС в общей форме можно записать в следующем виде:
Полученная система дифференциальных уравнений является основой математической модели «трубопровод – насосная станция». Данная система дифференциальных уравнений может быть разрешена в аналитическом виде только в небольшом количестве частных случаев. Подавляющее количество случаев может быть решено только с использованием численных методов [16]. Систему дифференциальных уравнений можно значительно упростить, если использовать некоторые допущения о режимах течения нефти в «горячем» трубопроводе:
– квазистационарность процесса;
– относительно небольшие скорости течения нефти;
– постоянство поперечного сечения трубопровода.
Решением полученной системы дифференциальных уравнений является совокупность полей скорости, давления, температуры в любой точке рассматриваемого участка нефтепровода, иначе говоря, режим работы участка «горячего» нефтепровода.
На основе полученной математической модели «трубопровод – насосная станция» с учетом характеристик центробежных насосов автором была составлена программа (код программы см. Приложение А).
В результате решения указанной системы дифференциальных уравнений получаем поверхность потерь напора в нефтепроводе H(Q, Тн) в координатах расход перекачки/начальная температура подогрева (рисунок 2.1). Поверхность потерь напора в нефтепроводе H(Q,Тн) в координатах расход перекачки/начальная температура подогрева пересекается с поверхностью НПС (уравнение 2) по линии. Данная линия является линией рабочих режимов рассматриваемого участка нефтепровода. Рисунок 2.1 – Поверхность потерь напора в нефтепроводе H(Q, Тн) в координатах расход перекачки/начальная температура подогрева
Для наглядности, можно спроецировать поверхность потерь напора в нефтепроводе H(Q, Тн) в координатах расход перекачки/начальная температура подогрева на плоскость Q – Тн и получить «карту» характеристики «горячего трубопровода» (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Контурный график проекции поверхности потерь напора в нефтепроводе H(Q, Тн) на плоскость Q – Тн На основе полученной математической модели «трубопровод – насосная станция» был составлен алгоритм поиска оптимальной температуры начального подогрева нефти в «горячем» трубопроводе.
В качестве примера на рисунках 2.3 – 2.5 приведены поверхности: эксплуатационных затрат на подогрев, эксплуатационных затрат на механическую работу насосов, общих затрат на перекачку и подогрев в координатах расход перекачки/начальная температура подогрева. Сопоставив указанные данные с линией рабочих режимов можно получить данные о эксплуатационных затратах участка «горячего» нефтепровода. Данное исследование можно выполнить для различных критериев оптимальности, на указанных поверхностях оно выполнено для критерия минимума эксплуатационных затрат.
Моделирование работы системы «трубопровод – насосная станция» в случае «горячей» перекачки
Научный эксперимент по тематике: «Исследование режимных параметров транспорта нефти по неизотермическому трубопроводу, обеспечивающих минимум эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев», проводился при поддержке кафедры транспорта и хранения нефти и газа «Национального минерально-сырьевого университета «Горный» с использованием оборудования имеющейся лабораторной базы.
Эксперимент проводился на специально разработанном стенде, который позволяет моделировать и исследовать различные режимы неизотермической перекачки высоковязкой нефти по трубопроводу. Эксперимент проводился согласно разработанному "Плану экспериментального исследования", основанного на методах статистической обработки данных, а также на принципах физического моделирования и исследования процессов гидродинамики и теплообмена реологически сложных жидкостей.
Полученные результаты:
В результате моделирования различных режимов течения в магистральном неизотермическом нефтепроводе были получены фактические данные по режимным параметрам перекачки отвечающим области минимума эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев.
Полученные результаты с доверительной вероятностью 0,95 подтверждают данные математической модели перекачки нефти по "горячему" трубопроводу. При использовании указанных результатов показана возможность достичь экстремума (минимума) функции эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев на магистральном "горячем" трубопроводе, что позволяет повысить эффективность трубопроводного транспорта высоковязкой нефти с предварительным подогревом. Для измерения режимных параметров в составе стенда были предусмотрены следующие элементы: расходомер, мановакууметр на входе в насос, манометр на выходе из насоса, датчик частоты вращения рабочего колеса, ваттметр на входе электродвигателя, термометр, нагревательный элемент. На рисунке 3.6 приведена схема экспериментальной установки по испытанию центробежного насоса с частотно-регулируемым электроприводом. Установка состоит из резервуара 6, из которого перекачиваемая жидкость поступает в центробежный насос 10, приводом которого служит асинхронный двигатель 11, управляемый преобразователем частоты 12 с контролем входной мощности комплектом измерительным 13. Центробежный насос нагнетает перекачиваемую жидкость в напорный трубопровод 4, которая через вентиль 5 поступает обратно в резервуар. Контроль давления на входе в центробежный насос осуществляется мановакуумметром 8, на выходе манометром 7, установленном на высоте 0,4 м от выхода из насоса, расход контролируется мерной диафрагмой 3, разницу давлений на которой фиксирует преобразователь давления 2, отправляя сигнал на миллиамперметр 1. Общий вид экспериментального стенда представлен на рисунке 3.7.
Планирование эксперимента
Термины и определения, использованные при написании данной главы, приняты согласно нормативному документу Р 50.1.040-2002 «Статистические методы. Планирование экспериментов. Термины и определения», утвержденным постановлением № 362-ст от 02.10.2002 Госстандартом России.
Планирование эксперимента – комплекс мероприятий, направленных на эффективную постановку опытов [6,22,66,84]. Основная цель планирования эксперимента – достижение максимальной точности измерений при минимальном количестве проведенных опытов и сохранении статистической достоверности результатов. Согласно Р 50.1.040-2002, план эксперимента – назначение обработок каждой экспериментальной единице и порядка их выполнения.
Существует большое количество различных вариантов плана эксперимента: дробные 2(k-p) факторные планы, максимально несмешанные 2(k-p) планы, планы 3(k-p), планы Бокса-Бенкена и смешанные 2-х и 3-х уровневые планы, центральные композиционные планы и нефакторные планы для поверхности отклика, планы Тагучи, планы на латинских квадратах и т.п. Выбор того или иного плана определяется той задачей, которую перед собой ставит экспериментатор, от характеристик проводимого эксперимента, а также от технических возможностей, экономических соображений и т.д.
При классическом подходе эксперименты ставятся в определенной последовательности: все факторы фиксируются на некотором уровне, а один фактор переводят на другой уровень. Затем это повторяют для другого фактора. В оценке каждого из коэффициентов уравнения участвует только какая-то часть опытов. Основное преимущество полнофакторного эксперимента (ПФЭ) заключается в том, что в эксперименте варьируются одновременно все факторы. В работе выбран план эксперимента на основе планов 3(k-p), с использованием матрицы планирования эксперимента.
В некоторых случаях приходиться анализировать факторы, имеющие более 2-х уровней. Поскольку в случае эксперимента по исследованию «горячей» перекачки предполагается, что влияние факторов на зависимую переменную не линейное, то необходимо, по меньшей мере, 3 уровня для проверки линейных и квадратичных эффектов.
В качестве факторов в эксперименте были приняты начальная температура подогрева модельной жидкости и частота вращения рабочего колеса насоса. Изменение частоты вращения рабочего колеса насоса необходимо было для того, чтобы снять характеристику сети. Матрица планирования двухфакторного эксперимента на трех уровнях для 9 опытов представлена в таблице 3.6, где "-1", "0", "+1" – соответствующие уровни факторов: "низкий", "средний", "высокий". Для начальной температуры подогрева модельной жидкости соответствующие уровни были приняты: +20 0С, +30 0С, +40 0С. Для частоты вращения рабочего колеса насоса: 2400 об/мин, 2700 об/мин, 3000 об/мин. Матрица планирования двухфакторного эксперимента на трех уровнях для 9 опытов приведена в таблице 3.6. Таблица 3.6 – Матрица планирования двухфакторного эксперимента на трех уровнях для 9 опытов
Инженерная методика определения оптимальной температуры начального подогрева при неизотермическом транспорте нефти и нефтепродуктов
Методика выбора оптимальной температуры подогрева при неизотермическом транспорте нефти и нефтепродуктов разработана с целью повышения эффективности трубопроводного транспорта в случае использования технологии "горячей" перекачки. В методике исключены недостатки выбора оптимальной температуры по классическому методу (по обобщенному принципу Яблонского). Поскольку в разработанной методике используются численные методы, то она реализована в виде программы на языке программирования R 3.1.0. Порядок работы обобщенного алгоритма по расчету оптимальной температуры подогрева нефти [67]:
1.Выбирается критерий оптимальности при перекачке с предварительным подогревом, при этом учитываются технологические ограничения по расходу перекачки, начальной температуре подогрева, допустимому давлению:
I. Критерий минимума общих эксплуатационных затрат на перекачку и подогрев:
П. Критерий максимальной выгоды от транспорта нефти:
III. Критерий максимального КПД насосного оборудования:
IV. Критерий максимального КПД теплового оборудования:
V. Критерий минимума затрат на работу насосного оборудования:
2. Присваиваются значения параметрам (исходным данным), необходимым для теплогидравлического расчета нефтепровода. Задается диапазон начальных температур подогрева, и диапазон расходов, при которых функционирует нефтепровод (в данной области будет произведен поиск оптимальной температуры). Исходные данные, необходимые для расчета выбираются по таблице 4.1.
2.Присваивается значение начальной температурой подогрева на данном шаге цикла: Т:=Тн[1].
3.Проводится итеративная процедура поиска установившегося в нефтепроводе расхода:
1)Задается расход перекачки Q.
2)Проводится теплогидравлический расчет нефтепровода. Расчет нефтепровода производится в соответствии с моделью, разработанной в главе 2. Расчетный алгоритм представлен в приложении А.
3)Решается уравнение баланса напоров:
Нстанции =Hl+Hместн+(zк-zн). (4.7)
4)В случае если расход, полученный из уравнения баланса напоров, отличается от расхода заданного на предыдущем шаге более чем на заданную величину, расчет повторяется для нового значения расхода до тех пор, пока желаемая сходимость не будет достигнута.
5)После того, как установившийся расход в нефтепроводе найден, итеративная процедура поиска прерывается. Полученные при расчете значения переходят к дальнейшей обработке.
Схема алгоритма выбора оптимальной температуры начального подогрева нефти при «горячей» перекачке представлена на рисунке 4.1.
4.При найденном установившемся расходе в нефтепроводе, и заданной начальной температуре вновь проводится теплогидравлический расчет нефтепровода.
5.Вычисляются потери напора на трение по длине нефтепровода, распределение температуры на участке нефтепровода. Определяются затраты на перекачку, на подогрев, и общие затраты на перекачку и подогрев. Определяется выгода от транспорта нефти при установившемся расходе.
Затраты на работу насосного оборудования:
Общие эксплуатационные затраты на работу насосного оборудования и на подогрев:
Выгода от транспорта нефти при установившемся расходе:
6.Задается новое значение начальной температуры подогрева T:=Tн[n+1], расчет повторяется с пункта 2.
7.После вычисления всех искомых параметров в заданном диапазоне температур и расходов, формируется массив данных (таблица 4.2), состоящий из начальных температур подогрева нефти и соответствующих им значений параметров.
Массив данных, состоящий из начальных температур подогрева нефти и соответствующих им значений параметров
Из полученного массива выбирается искомое значение оптимальной температуры подогрева нефти исходя из выбранного критерия оптимальности:
Топт = Тн[1...п]выбранный критерий оптимальности . (4.12)
При теплогидравлическом расчете нефтепровода использованы зависимости, полученные в главе 2. Расчет ведется с делением нефтепровода на малые сравнительно с общей длиной нефтепровода участки, для которых проводится весь комплекс теплогидравлических расчетов. Коэффициенты полезного действия насосного оборудования и теплового оборудования приняты функциями расхода и температуры.
Сравнительный анализ выбора оптимальной температуры подогрева на этапе эксплуатации произведен на примере участка нефтепровода «Уса-Ухта» между НПС "Чикшино" и НПС "Зеленоборск".
Краткое описание участка НПС "Чикшино" НПС "Зеленоборск" После ввода в эксплуатацию НПС «Чикшино» к МН был обеспечен постоянный подвод тепла мощностью до 32,5 Гкал/час. График изменения температуры перекачиваемой по МН "Уса - Ухта - Ярославль" нефти по данным работы [97] представлен на рисунке 4.2.
Как видно из графика на НПС "Чикшино", где расположен пункт подогрева нефти, происходит скачок температуры.
