Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время доля высоковязких и высокозастывающих нефтей в общем объеме ее добычи возрастает. Большая их часть транспортируется в районах, которые характеризуются не только суровыми климатическими условиями, но и наличием вечномерзлых грунтов, что обуславливает прокладку трубопроводов надземным способом.
Однако, вопросы движения высоковязкой нефти по надземным трубопроводам изучены недостаточно широко. В таких трубопроводах особенно актуальным является учет изменения вязкости нефти по поперечному сечению, что влечет за собой искажение профиля скоростей и, как следствие, смещение теплового потока в трубе. Пренебрежение изменением температуры высоковязкой нефти по поперечному сечению приводит к ошибкам при расчете температурных режимов работы «горячих» нефтепроводов, а также к увеличению затрат на тепловую изоляцию.
Большой вклад в исследование вопросов, связанных с трубопроводным транспортом высоковязких и высокозастывающих нефтей, внесли Л.С. Абрамзон, В.М. Агапкин, Р.А. Алиев, В.Е. Губин, В.Ф. Новоселов, П.И. Тугунов, В.И. Черникин, В.А. Юфин, B.C. Яблонский, В.А. Поляков, В.Л. Нельсон, СМ. Коли, А.А. Ароне, Ф. Карг, Ф. Джил, Р. Рассел и другие ученые.
Анализ материалов этих исследований показывает, что на эффективность транспорта большее влияние оказывает температурный режим транспортируемой нефти. Поэтому, расчету температурных режимов работы трубопроводов, перекачивающих высоковязкую нефть в настоящее время уделяется большое внимание.
Существующие методы расчета нефтепроводов, основанные на использовании опытных данных в виде таблиц, номограмм и эмпирических формул, достоверны в определенном диапазоне конкретных измерений и не могут быть распространены для расчета транспортирования различных по своим свойствам нефтей, что вызывает необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований температурных режимов их
транспортирования с целью повышения эффективности трубопроводного транспорта.
Цель работы. Повышение эффективности эксплуатации надземных «горячих» нефтепроводов на основе оптимизации температурных режимов их работы с учетом неравномерности распределения теплового потока по периметру трубопровода.
Основные задачи исследований:
- исследовать реологические свойства нефти, обработать
результаты исследований и получить зависимость для определения
динамической вязкости;
-разработать физико-математическую модель процесса тепломассообмена с учетом гидродинамики потока и реологической модели исследуемой высоковязкой нефти для стационарного процесса в трубопроводе;
-установить зависимость для расчета коэффициента гидравлического сопротивления при движении высоковязкой нефти в условиях неизотермического режима течения;
- разработать методику расчета температурных режимов работы
трубопровода при неизотермическом движении высоковязкой нефти.
Идея работы. Температурный режим работы надземных трубопроводов следует определять в зависимости от неравномерности распределения температуры нефти по сечению трубы. Эта неравномерность может быть учтена введением в математическую модель процесса теплообмена между потоком нефти и окружающей средой коэффициента, зависящего от радиуса трубопровода, смещения теплового потока нефти и ее скорости.
Научная новизна диссертационной работы:
-разработана физико-математическая модель процесса теплообмена высоковязкой нефти с учетом смещения динамической оси потока относительно геометрической оси трубы, позволяющая дать рекомендации по утеплению нефтепровода;
-установлены зависимости по определению коэффициента гидравлического сопротивления высоковязкой нефти для ламинарного режима течения и зоны гидравлически гладких труб турбулентного режима течения при неизотермическом движении.
Основные защищаемые положения:
Толщину тепловой изоляции нефтепровода следует определять в зависимости от неравномерности распределения температуры нефти по сечению трубы с учетом ее эффективной вязкости, плотности и скорости потока;
Величину коэффициента гидравлического сопротивления при неизотермическом течении высоковязкой нефти следует определять как произведение соответствующего коэффициента при изотермическом течении и показателя, определяемого как отношение критерия Прандтля при средней температуре перекачиваемой нефти к критерию Прандтля при средних значениях температуры стенки трубы на заданном участке нефтепровода, и параметра, учитывающего неизотермичность движения нефти по длине трубопровода, что позволяет повысить точность расчета режимов транспортирования потока нефти.
Методика исследований. Для решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение данных по эксплуатации нефтепроводов в сложных природно-климатических условиях; теоретический анализ с использованием фундаментальных уравнений гидромеханики и тепломассообмена; математическое моделирование с использованием ПК; экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях.
Достоверность научных положений обоснована и подтверждена использованием современных методов проведения теоретических исследований, сходимостью расчетных и экспериментальных данных с применением регрессионного анализа.
Научные результаты выполненной работы заключаются в следующем:
-установлена аналитическая зависимость для определения скорости потока нефти в любой точке поперечного сечения с учетом смещенной динамической оси потока;
-установлена графическая зависимость для определения безразмерной температуры в любой точке поперечного сечения потока нефти с учетом распределения скорости;
-экспериментально установлена обобщенная реологическая кривая течения высоковязкой нефти;
-установлено критериальное уравнение для определения безразмерного коэффициента теплоотдачи Нуссельта в зоне гидравлически гладких труб;
-установлена зависимость для определения коэффициента гидравлического сопротивления при неизотермическом течении нефти по горизонтальному трубопроводу в зоне гидравлически гладких труб.
Практическая значимость работы:
- разработана методика расчета температурных режимов работы надземных нефтепроводов, работающих в условиях Севера;
-разработаны рекомендации по обеспечению температурных режимов работы надземных нефтепроводов.
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на: 7-ой межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2009); Х-ой международной молодежной научной технической конференции «Севергеоэкотех - 2009» (г. Ухта); региональной научно-технической конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоко вязких нефтей и битумов» (г. Ухта, 2009); международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2009» (г. Уфа); научном симпозиуме «Неделя горняка -2010» (г. Москва).
Личный вклад соискателя работы состоит в разработке физико-математической модели теплообмена между потоком высоковязкой нефти и стенками трубы; в установлении зависимостей для расчета коэффициента гидравлического сопротивления в зависимости от приведенного числа Рейнольдса для ламинарного режима течения и для зоны гидравлически гладких труб в условиях неизотермического движения нефти; в установлении критериального уравнения для определения безразмерного коэффициента теплоотдачи в зоне гидравлически гладких труб.
Реализация результатов работы. Результаты работы могут быть использованы при проектировании трубопроводов, перекачивающих высоковязкую нефть в неизотермическом режиме, а также при изучении дисциплины «Сооружение и эксплуатация
газонефтепроводов и газонефтехранилищ» студентами специальности 130501.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 8 статьях, в том числе 3 статьи, изданные в журналах, рекомендованных ВАК, получен 1 патент РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 133 наименований. Содержание диссертации изложено на 124 страницах печатного текста, сопровождается 29 рисунками и 13 таблицами.
