Результат интеллектуальной деятельности: Способ транспортирования высокопарафинистой нефти и/или нефтепродуктов по трубопроводам

Изобретение относится к области транспортировки нефти по трубопроводам и может быть использовано в работе горячих нефтепроводов, использующих насосные станции для перекачки и станции подогрева для нагрева высоковязких и высокозастывающих нефтей, при этом, как правило, насосные станции и станции подогрева технологически совмещены.

Существуют технические проблемы, возникающие при транспортировке высоковязких и высокозастывающих нефтей, связанные как со структурой и свойствами самих нефтей, так и с условиями их транспортирования.

Известны технические разработки, направленные на решение этих проблем.

Известен способ воздействия физических полей на поток высоковязких и высокозастывающих нефтей, позволяющий уменьшить гидравлическое сопротивление за счет использования многочастотного акустического сигнала (патент на изобретение RU 2350830 С1, опубл. 27.03.2009 г.).

Известна система, генерирующая по длине трубопровода акустические колебания с частотой, соответствующей резонансной частоте трубопровода (патент на изобретение RU 2570602 С1, опубл. 10.12.2015 г.).

Известно комбинированное воздействие механического и электромагнитного полей (патент на изобретение RU 2584840, опубл. 20.05.2016 г.). Использование физических полей привлекательно с экологической точки зрения, однако их невысокая производительность и невысокий квантовый выход пока сдерживают их распространение

Известен способ подготовки высоковязкой и парафинистой нефти к транспортировке по трубопроводу, при котором высоковязкую нефть перед транспортировкой смешивают (компаундируют) с маловязкой нефтью или газоконденсатом, а если нет такой возможности, то используют специальный разбавитель, который в дальнейшем регенерируют на нефтеперерабатывающем заводе и возвращают по параллельному трубопроводу на место добычи. В качестве разбавителя предлагается использовать продукт термолиза фракций тяжелой нефти, выкипающий при температуре 340-540°С. Предполагается, что такая переработка нефти будет производиться на месте ее добычи (патент на изобретение RU 2470213, опубл. 20.12.2012 г.).

Наиболее распространенным способом уменьшения вязкости тяжелой нефти является ее нагревание, что, с одной стороны обусловлено сильной зависимостью вязкости нефти от температуры, с другой - тем, что сооружение узла подогрева нефти не является технически сложным и не требует больших капиталовложений. Одной из модификаций горячего трубопровода является трубопровод с реверсивной перекачкой. Данный способ предназначен для транспортировки высокозастывающей нефти с малым расходом, в нем используется компромисс между потерями тепла в грунт и использованием грунта в качестве теплоизолятора (патент на изобретение RU 2 523923, опубл. 27.07.2014 г.).

Технической проблемой, присущей «горячим» нефтепроводам, является обеспечение оперативного управления тепловым потоком по сечению трубопровода во избежание излишних энергетических затрат на подогрев нефти с учетом того, что теплоизоляция трубопроводов не способна полностью предотвратить тепловые потери. С целью компенсации неизбежных потерь тепла используют путевой подогрев нефти различного типа. Однако, эксплуатационное оборудование горячего нефтепровода, как правило, не может обеспечить плавное регулирование тепловым потоком для реализации расчетных оптимальных стационарных режимов. С учетом того, что система нефтепровод - грунт постоянно находится в нестационарном состоянии из-за колебаний температуры и реологических свойств перекачиваемой нефти, вопрос регулирования теплопереноса становится еще более острым.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ транспортирования высокопарафинистой нефти нефти и/или нефтепродуктов по трубопроводам, включающий нагрев жидкости по пути транспортирования на пунктах подогрева (Черникин, В.И. Перекачка вязких и застывающих нефтей / В.И. Черникин - М.: Гостоптехиздат, 1958. - 164 с). Существенным недостатком данного способа является то, что наибольшую неопределенность в методику расчета стационарного теплового режима «горячих» нефтепроводов вносит коэффициент теплопередачи, который зависит от множества факторов и носит сезонный характер.

Целью изобретения является разработка нового способа перекачки углеводородных жидкостей по «горячему» трубопроводу при снижении их теплоотдачи, достигаемого вводом полимерной присадки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности процесса «горячей перекачки» вязких углеводородных жидкостей по трубопроводам за счет снижения путевых тепловых потерь, достигаемого вводом противотурбелентной присадки.

Технический результат достигается за счет способа транспортирования высокопарафинистой нефти и/или нефтепродукта по трубопроводам, включающего перекачку нефти и/или нефтепродукта с помощью насосных станций и нагрев нефти и/или нефтепродукта на станциях подогрева по пути транспортирования, при этом на каждой станции подогрева и насосной станции вводят в нефть и/или нефтепродукт противотурбулентную присадку, причем активным компонентом противотурбулентной присадки является растворимый в высокопарафинистой нефти/нефтепродукте высокомолекулярный полимер.

Следует отметить, что противотурбулентные присадки (ПТП) снижают гидродинамическое сопротивление (DR), подавляют пульсации скорости в радиальном направлении, снижают частоту турбулентных выбросов и радиальную турбулентность, при этом уменьшается и перенос тепла в радиальном направлении. Особенно это проявляется в пристенной области трубопровода, где длинные молекулы полимера, ориентируясь по направлению потока, образуют своего рода «подвижный чулок», препятствующий отводу тепла в грунт.

Главное условие активности ПТП - турбулентный режим течения. При введении ПТП, например, после первой станции подогрева (при фиксированной температуре на выходе) температурный профиль вдоль трубопровода изменяется в сторону повышения температуры, и на следующую станцию подогрева нефть приходит менее охлажденной, чем в отсутствие ПТП. Соответственно, на второй станции подогрева потребуется меньше тепла для доведения нефти до необходимой температуры. Если фиксировать температуру на входе следующей по ходу нефти станции подогрева, то на первой станции подогрева можно несколько снизить рабочую температуру. В обоих случаях имеем выигрыш энергии: в первом случае - на второй станции подогрева, во втором случае - на первой.

Способ транспортирования высокопарафинистой нефти и/или нефтепродуктов по трубопроводам осуществляют следующим образом.

Нефть с высоким содержанием парафина на головной насосной стадии подогревают до температуры около 55°С, чтобы парафиновая фракция нефти полностью растворилась. В большинстве случаев одновременно после нагрева вводят депрессорную присадку, которая призвана снижать температуру застывания нефти в случае аварийной остановки нефтепровода. Здесь же вводят ПТП на основе полимеров высших альфа-олефинов высокой молекулярной массы, которая одновременно оказывает влияние на снижение гидродинамического сопротивления (DR) и теплопереноса (HTR).

На следующую станцию подогрева за счет тепла, сохраненного по пути следования с помощью ПТП, нефть приходит менее остывшей, и потребуется уже меньше тепла для ее доведения до необходимой температуры. В связи с тем, что после прохождения ПТП через технологическое оборудование следующей станции подогрева структура присадки разрушается, здесь также вводят ПТП и повторяют эту процедуру на каждой станции подогрева. Единственным ограничением для ввода ПТП служит переход турбулентного режима потока в ламинарный с превалированием последнего, так как в ламинарном потоке ПТП не активна.

Начало зоны перехода от турбулентного к ламинарному режиму течения углеводородной жидкости и полный коэффициент теплоотдачи определяют по рассчитанному с помощью одной из модификаций формулы Шухова или эмпирически определенному распределению температуры при перекачке жидкости, в частности, высокопарафинистой нефти и/или нефтепродуктов. Исходя из цели применения присадки, путем гидравлического расчета устанавливают необходимую концентрацию полимера в жидкости и полный коэффициент теплоотдачи от жидкости в окружающую среду, соответствующий этой концентрации. Рассчитывают распределение температуры при перекачке жидкости с присадкой в условиях идентичных перекачке жидкости без присадки. Величина отклонения вычисленной и исходной температуры в зоне смены режимов, умноженная на коэффициент пересчета дает оценку величины возможного снижения выходной температуры станции подогрева. Производят проверочный расчет распределения температуры по трассе при сниженной выходной температуре. Пересечение кривых исходного и вычисленного распределений температур в зоне перехода от турбулентного к ламинарному режиму течения подтверждает допустимость выбранной величины снижения выходной температуры.

Дополнительно проводят расчет распределения температуры углеводородной жидкости, обработанной ПТП (раствора) при условии идентичности температур углеводородной жидкости, не обработанной ПТП (растворителя) и раствора в начале зоны перехода. Предельную величину потенциального энергосбережения только за счет снижения внутреннего теплопереноса из-за применения присадки с заданной характеристикой HTR от массовой концентрации присадки 9 получают на основе изменения продольного профиля температуры при условии сохранения расходных и напорных характеристик перекачки. Оценочный характер расчетов предполагает последующую эмпирическую проверку.

Определение гидравлических и тепловых характеристик раствора ПТП в высокопарафинистой нефти осуществлен на стенде для определения гидравлических и тепловых характеристик раствора противотурбулентной присадки в высокопарафинистой нефти.

На стенде определяли гидравлическую эффективность присадки, которую затем пересчитывали на гидравлическую эффективность присадки при постоянном расходе ψ_Q [Особенности работы магистрального нефтепровода с применением противотурбулентной присадки. Гольянов А.И., Гольянов А.А., Михайлов Д.А., Ширяев A.M. Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. - М., 2013. №2(10). - С. 36-47], используя следующие зависимости:

где ΔР - перепад давления, Q - расход жидкости, ψ_р - эффективность присадки при постоянном давлении; λ - коэффициент гидравлического сопротивления, m - константа, входящая в соотношение для коэффициента λ, записанного в форме Лейбензона, нижние индексы р и s здесь и далее относятся соответственно к раствору и растворителю.

Была приведена сравнительная оценка теплоотдачи в парафинистой нефти (растворитель) и нефти с ПТП (раствор).

Оценка основана на аналогии между процессами переноса тепла и количества движения (импульса) в направлении уменьшения соответственно температуры или величины импульса, которая сохраняется вне зависимости от наличия или отсутствия присадки

Здесь Рr - число Прандтля; ν=μ/ρ - кинематическая вязкость жидкости; α=λ_T/ρс - коэффициент температуропроводности; Г - "настроечный" параметр расчетной модели; μ - динамическая вязкость; ρ - плотность; λ_T - коэффициент теплопроводности; с - удельная теплоемкость жидкости.

"Эффективную" величину ν_p определим с помощью уравнения Дарси - Вейсбаха в форме Лейбензона следующим образом:

Соотношение для величины α_р принимает вид:

Полагая, что плотность и теплоемкость жидкости не меняются в результате ввода ПТП, приходим к выражению для коэффициента теплопроводности λ_Тр:

Было проведено вычисление температуры и полного коэффициента теплопередачи. Для вычисления температуры в начале контролируемого участка Т_n применим классическую формулу Шухова. Предполагая, что конечная температура раствора и растворителя совпадают, формулу Шухова можно записать в виде

где Т₀ - температура окружающей среды; Шу - число Шухова; d - диаметр трубопровода; K - полный коэффициент теплопередачи в системе «трубопровод - окружающая среда» (зависит от способа прокладки трубопровода, наличия изоляции, свойств окружающей среды и т.д.); L - длина трубопровода; с - теплоемкость жидкости (может быть принята одинаковой для раствора и растворителя); G - массовый расход жидкости.

Полный коэффициент теплопередачи, в общем случае, имеет вид:

здесь α₁ - внутренний коэффициент теплоотдачи жидкости; α₂ - внешний коэффициент теплоотдачи; D_iz - внешний диаметр изоляции; λ_Ti - коэффициент теплопроводности слоя; D_i, D_i+1 - внутренний и наружный диаметр i-го слоя.

Внутренний коэффициент теплоотдачи для турбулентного течения описывают следующей зависимостью:

где Nu, Re - критерии Нуссельта и Рейнольдса соответственно.

Кроме того, было проведено определение расчетной величины снижения температуры на выходе станции подогрева и энергетического выигрыша за счет применения ПТП.

Из соотношений (4, 6, 8, 9) следуют равенства:

Если известны два из трех параметров (ψ_Q, Г, HTR), то с помощью (7, 10) можно определить расчетную величину снижения температуры на выходе станции подогрева за счет применения ПТП.

Величину T_ns определяем расчетным путем: по формуле Шухова или ее модификациям.

Параметр Г определяем путем идентификации по экспериментальным данным, полученным на установке, описанной в примере 1, если время проведения эксперимента будет сравнимо со временем установления стационарного температурного градиента. Полный коэффициент теплоотдачи (8) для растворителя в этом случае (надземная прокладка, отсутствие изоляции и отсутствие обдува воздухом) принимает вид:

здесь α_2В - коэффициент теплоотдачи от внешней стенки трубы в окружающий воздух за счет естественной конвекции; δ - толщина стенки трубы; λ_M - коэффициент теплопроводности металла стенки трубы.

Расчетная имитационная модель показывает принципиальную возможность асимптотической сходимости к стационарному значению температуры раствора в конце контролируемого участка установки для испытания присадок.

Для применения имитационной модели с параметром Г, идентифицированным по результатам, полученным на установке для испытания ПТП, к трубопроводам другой геометрии необходимо задать правило вычисления величины DR. Для этой цели можно, например, использовать способ, рассмотренный в работе [Лурье М.В., Голунов Н.Н. Использование результатов стендовых испытаний малых противотурбулентных добавок для гидравлических расчетов промышленных трубопроводов. Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. - М., 2016. №4(24). С. 32-37.]. Для вычисления коэффициента гидравлического сопротивления в этой работе предложена следующая зависимость:

где θ - массовая концентрация присадки, ε - относительная шероховатость внутренней поверхности трубы, K₁, K₂ - функции, зависящие только от аргумента θ, подлежащие идентификации по результатам стендовых экспериментов.

Предполагая, что функции K₁(θ), K₂(θ) идентифицированы одним из способов работы [Лурье М.В., Голунов Н.Н. Использование результатов стендовых испытаний малых противотурбулентных добавок для гидравлических расчетов промышленных трубопроводов. Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. - М., 2016. №4(24). С. 32-37.], применим (12) для прогнозирования величины ψ_Q в промышленных условиях. Отметим, что в целях идентификации могут быть использованы результаты экспериментов на стенде для испытания присадок. Записывая формулу (12) соответственно для раствора и растворителя в условиях перекачки с фиксированным расходом, приходим к расчетным соотношениям величины ψ_Q:

Соотношения (13), (14) являются неявными формулами пересчета эффективности присадки ψ_Q в условиях идентификации функций K₁; K₂ к другим условиям применения. После определения величины ψ_Q становится возможным прогнозный расчет влияния присадки на распределение температуры неизотермического трубопровода (путем применения зависимостей (1)-(11)). Приближенная оценка предельной величины изменения полного коэффициента теплоотдачи проведена на основе зависимости, вытекающей из формулы (10), зависимости Вирка и экспериментальной зависимости HTR (DR, Re):

Таким образом, оценка экономии тепловой мощности Е источника подогрева от применения ПТП, в том числе и предельная, возможна с учетом (11)-(15) с помощью следующей расчетной зависимости:

При отсутствии ламинарного режима течения эта экономия может быть реализована на головной и/или путевых станциях подогрева нефти, транспортируемой по горячим нефтепроводам. При наличии ламинарного режима реализация экономии вследствие эффекта снижения внутренней теплоотдачи целесообразна на головной станции подогрева, причем расчетные зависимости должны быть скорректированы в части длины участка, в качестве которой нужно брать длину участка трубопровода с турбулентным режимом течения жидкости.

Пример. На реальном трубопроводе диаметром 720×12 мм протяженностью 2,52×10⁵ м реализован «горячий транспорт нефти» в объеме 831,3 т/час. Прокладка трубопровода подземная (температура грунта 7°С) без тепловой изоляции, гидроизоляция толщиной 2,5 мм. Плотность нефти 900 кг/м³. Начальная температура нефти 47°С (кинематическая вязкость при 50°С 150 сСт, Re=3,1×10³). Требуемая температура нефти в пункте приема не ниже 32°С. С этой целью на трассе установлен подогреватель нефти. Параметры существующего режима перекачки приведены в таблице.

Ввод присадки с гидравлической эффективностью 38% при концентрации 200 ррm для рассматриваемого варианта позволяет снизить суммарную необходимую мощность печей на 10,2%. Данный вариант характерен наличием ламинарного режима течения на участке, примыкающем к станции подогрева и плюсовой температурой грунта на глубине заложения трубопровода.

При полностью турбулентном режиме и минусовой температуре грунта тепловой эффект от ввода присадки проявляется более существенным образом. Так, если в условиях идентичных вышеприведенному примеру гипотетически принять температуру грунта конечного участка равной -3°С, то выходная температура 48,5°С станции подогрева за счет применения присадки могла быть снижена на 2°С. Это соответствует снижению потребляемой мощности печей на 7,3%. Величина снижения мощности в исходном варианте составляла 6,2% от потребления мощности при перекачке растворителя. При этом также необходимо иметь в виду, что потребляемая мощность печей, увеличилась по сравнению с исходным вариантом и составила 14 704 кВт.

Предлагаемый способ транспортирования высокопарафинистой нефти и/или нефтепродукта по трубопроводам является универсальным и может применяться безотносительно к скорости потока в горячих нефтепроводах, при обеспечении турбулентного режима течения.

В случае осенне-весенних паводков и аномального снижения температуры в зимний период, когда теплопередача от трубы в окружающую среду существенно возрастает, использование ПТП может быть эффективной альтернативой подключению резервных станций подогрева, причем величину HTR можно плавно регулировать, меняя концентрацию ПТП в потоке.