Обоснование рациональных режимов перекачки высоковязкой нефти по трубопроводу с эффектом подогрева пристеночного слоя потока Вишняков, Иван Александрович

Введение к работе

Актуальность темы исследований

Особенность транспорта высоковязких и высопарафинистых нефтей обусловлена тем, что при температурах застывания они обладают высокими значениями вязкости, при которых не могут перекачиваться по трубопроводам. Поэтому перекачка таких жидкостей без принятия специальных мер, направленных на снижение вязкости, затруднена вследствие возникающего большого гидравлического сопротивления.

Существует ряд способов, позволяющих перекачивать высоковязкие нефти и нефтепродукты. Среди них наибольшее распространение получил метод транспортировки нефти с предварительным ее подогревом. Недостатком этого метода являются значительные энергетические затраты, т.к. приходится повышать температуру всего объема транспортируемой нефти. Поэтому существует необходимость:

совершенствования известных способов транспортировки высоковязких нефтей;

разработки новых способов расчета эксплуатационных режимов транспорта нефти по неизотермическим трубопроводам, учитывающих зависимости между реологическими свойствами, скоростью движения и температурой нефти, а также тепловые процессы, возникающие при подогреве пристеночного слоя трубы в случае попутного электроподогрева.

Цель диссертационной работы

Снижение энергетических потерь при транспортировке нефти на основе выбора рациональных режимов подогрева пристеночного слоя нефти в трубе, что позволит повысить эффективность эксплуатации систем транспорта высоковязкой и высокопарафини- стой нефти.

Основные задачи исследования

1. 1. Выявить зависимости, позволяющие определить значения требуемой мощности системы электроподогрева и соответствующей ей толщины тепловой изоляции для поддержания стационарного теплового режима работы неизотермического трубопровода.

   2. Выполнить анализ тепловых процессов при перекачке вязкой жидкости по трубопроводу, оснащенному системой электроподогрева стенки трубы.

   1. 3. Провести анализ работы компьютерной модели трубопровода, оснащенного системой электроподогрева пристеночного слоя нефти, в программном комплексе вычислительной гидродинамики ANSYS и обосновать возможность применения данной модели при инженерных расчетах.

      4. Получить зависимости, описывающие теплообмен при ламинарном и турбулентном режимах перекачки высоковязкой нефти по трубопроводу, оснащенному системой электроподогрева его стенки, и разработать методику теплового и гидравлического расчета трубопровода.

      5. Выполнить технико-экономический анализ применимости разработанной методики теплового и гидравлического расчета трубопровода, оснащенного системой электроподогрева.

      Идея работы

      Расчет тепловых и гидравлических режимов трубопроводов, оснащенных системой электроподогрева их стенок, следует осуществлять с учетом формирования теплового пристеночного слоя потока высоковязкой нефти.

      Научная новизна работы

      1. 5. 1. Обоснована возможность снижения энергетических затрат при транспортировке высоковязкой нефти по трубопроводу путем применения электроподогрева пристеночного слоя потока.

            2. Получены формулы подбора требуемой мощности системы электроподогрева и минимальной толщины теплоизоляции в зависимости от разности температур перекачиваемой жидкости и окружающей среды и диаметра трубопровода.

            3. Получены зависимости, описывающие тепловые процессы в трубопроводе, оснащенном системой электроподогрева и перекачивающем высоковязкую нефть при ламинарном и турбулентном режимах.

            Научные положения, выносимые на защиту

            1. 5. 3. 1. Равномерный электроподогрев стенки трубопровода способствует формированию теплового пристеночного слоя нефти с вязкостью, меньшей вязкости ядра потока, что приводит к снижению гидравлических потерь при перекачке нефти.

                     2. При установившемся тепловом режиме трубопровода в зависимости от средней температуры нефти мощность электроподогрева стенки трубы стандартного наружного диаметра определяется с помощью функций линейного или степенного вида со среднеквад-

                     ратичной погрешностью не более 5%.

                     3. Теплообменные процессы в трубопроводе, оснащенном системой электроподогрева, описываются критериальным уравнением, связывающим числа Нуссельта Nu_x, Рейнольдса Re_x и Прандтля Pr_x и уравнением, связывающим отношение температуры стенки трубопровода t_c к средней температуре потока t_H._cp с числом Рейнольдса Re_x, мощностью системы электроподогрева P_l, потраченной на нагрев нефти, и внутренним диаметром трубы d_eH.

                     Методика исследований

                     При проведении исследований применялся комплексный подход, объединяющий теоретические и экспериментальные методы исследований: планирование экспериментов, проведение испытаний на специализированных лабораторных установках, проведение численных экспериментов на компьютерной модели трубопровода, построенной с использованием современных компьютерных программ, статистическая обработка результатов экспериментов.

                     Достоверность научных положений подтверждена теоретическими исследованиями, результатами лабораторных экспериментов, достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, доказанной с помощью методов математической статистики и регрессионного анализа.

                     Практическая ценность работы

                     1. 5. 3. 2. 1. Разработаны номограммы и получены формулы, позволяющие осуществить оценку требуемой мощности системы электроподогрева.

                                 2. Разработана компьютерная программа, позволяющая рассчитать мощность электроподогрева и соответствующую ей толщину тепловой изоляции при стационарном тепловом режиме работы трубопровода.

                                 3. На основе новых уравнений теплообмена разработана методика, позволяющая осуществлять тепловой расчет трубопровода, оснащенного системой электроподогрева стенки трубы.

                                 4. Предложена установка для индукционного нагрева нефтепродуктов в трубе (заявка на изобретение №2012125704).

                                 Апробация работы

                                 Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» (г. Ухта, 2010 г.), межрегиональ-

                                 ном семинаре «Рассохинские чтения» (г. Ухта, 2011 г.).

                                 Публикации

                                 По теме диссертации опубликовано десять научных работ, две из которых в издании, входящем в перечень научных изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

                                 Личный вклад соискателя

                                 Автором разработана и обоснована методика создания компьютерной модели трубопровода, оснащенного системой электроподогрева пристеночного слоя потока жидкости, в программном комплексе ANSYS/FLUENT; разработана схема экспериментальной установки и проведены лабораторные испытания; получены уравнения теплообмена для ламинарного и турбулентного режимов течения нефти в трубопроводе, оснащенном системой электроподогрева; на основе новых уравнений разработана методика теплового расчета трубопровода, оснащенного системой электроподогрева; получены номограммы и формулы для определения мощности системы электроподогрева и толщины тепловой изоляции трубопровода; написана компьютерная программа, позволяющая рассчитать мощность электроподогрева и соответствующую ей толщину тепловой изоляции при стационарном тепловом режиме работы трубопровода.

                                 Реализация результатов работы

                                 Разработанная методика теплового расчета трубопровода, оснащенного системой электроподогрева пристеночного слоя, а также номограммы и формулы для определения мощности электроподогрева могут быть использованы на предприятиях нефтегазовой отрасли, осуществляющих транспорт высоковязких нефтей по магистральным, меж- и внутрипромысловым трубопроводам. Научные и практические результаты исследований могут быть внедрены в учебный процесс подготовки студентов, обучающихся по программам бакалаврской и магистерской подготовки, а также могут быть использованы аспирантами при исследовании физических процессов трубопроводного транспорта нефти и инженерно-техническими работниками при проектировании и эксплуатации трубопроводного транспорта нефти.

                                 Структура и объем работы

                                 Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 150 страницах текста, содержит 39 рисунков, 14 таблиц, список использованных источников из 112 наименований, 3 приложения.

                                 Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Крапивскому Е.И., сотрудникам кафедры ПЭМГ Ухтинского государственного технического университета (г. Ухта), а также сотрудникам кафедры ТХНГ Национального минерально- сырьевого университета «Горный» за обсуждение и помощь в подготовке диссертационной работы.

                                 Похожие диссертации на Обоснование рациональных режимов перекачки высоковязкой нефти по трубопроводу с эффектом подогрева пристеночного слоя потока

                                 

                                 Обоснование оптимальных режимов перекачки высоковязких нефтей с предварительным подогревом с учетом характеристик центробежных насосовПшенин Владимир Викторович

                                 

                                 Обоснование температурных режимов работы надземных "горячих" нефтепроводов : на примере трубопровода ЦПС "Южно-Шапкинское" - ХарьягаТрапезников, Сергей Юрьевич

                                 

                                 Обоснование выбора режимов работы газотурбинных газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводовКозлова, Татьяна Владимировна

                                 

                                 Обоснование энергосберегающих режимов работы нефтеперекачивающих центробежных насосов с регулируемым приводомСамоленков Сергей Викторович

                                 

                                 Обоснование рационального температурного режима трубопроводного транспорта высоковязкой и высокозастывающей нефтиКлимко Василий Иванович

                                 

                                 Разработка метода выборочного капитального ремонта с помощью конверсионных технологий без прекращения перекачки нефти и нефтепродуктовЛаптев Владимир Викторович

                                 Обоснование технологии перекачки высокопарафинистой нефти Харьягинского месторождения с использованием комплексного воздействия магнитного поля и ультразвуковых колебанийКозачок, Максим Васильевич

                                 

                                 Совершенствование технологий обнаружения утечек нефти из трубопроводовЗверев Федор Сергеевич

                                 

                                 Влияние системы менеджмента качества строительства на безотказность работы магистральных трубопроводовСенцов Сергей Иванович

                                 

                                 Разработка технологии изготовления трубных конструкций высокой надежности для подводных трубопроводовСвечкопалов, Анатолий Петрович