CC BY
8УДК 62
В.К. Вежновец, Д.Э. Курлович
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕФТЕПРОВОДА ВО ВРЕМЯ ОСТАНОВКИ ПЕРЕКАЧКИ И ДО ЕЁ ПОВТОРНОГО ЗАПУСКА
Цель данной статьи состоит в том, чтобы исследовать тепловые характеристики нефтепровода во время процесса остановки и до повторного запуска. Большое внимание уделяется тепловой связи между остановкой и повторным запуском, что важно для обширного анализа теплового процесса. Таким образом это исследование полезно для управления нефтепроводом во время его ненормальной работы и дает значимое представление о переходных тепловых характеристиках нефтепровода. Предложена правильная ортогональная декомпозиция модели Га-леркина для уменьшенного порядка для нестационарных задач теплопроводности на основе координат тела.
Ключевые слова: трубопроводный транспорт, нефть, тепловая система, температурный профиль, транспортировка нефти.
В настоящее время нефть по-прежнему является одним из наиболее важных и стабильных источников энергии, способствующих экономическому развитию во всем мире. Чтобы обеспечить стабильные и безопасные поставки нефти, трубопровод играет жизненно важную роль исходя из всех видов транспортировки. Во время транспортировки нефти, наблюдение за тепловыми характеристиками становится первоочередной задачей. Именно для этого многие ученые проводят множество исследований по тепловым характеристикам нефти при ее транспортировке по трубопроводу. В данной статье представлены некоторые эффективные методы численного моделирования для нефтепровода, а также исследованы тепловые характеристики при нормальной прокладке трубопровода, а также взаимосвязь между различными параметрами и тепловыми характеристиками трубопровода.
Чтобы улучшить текучесть нефти до ее поступления в трубопровод, нефть всегда подогревают до определенной температуры, которая намного выше, чем температура окружающей почвы и атмосферы. Для подземного трубопровода, транспортирующего нефть, тепловая система состоит из нефти, трубопровода, изоляционного слоя и почвы. Поскольку температура нефти намного выше, чем температура почвы и атмосферы, процесс теплопередачи между нефтью, почвой и атмосферой является непрерывным. Для более эффективного исследования теплового процесса тепловая система изолирована от окружающей среды путем введения предположения об области теплового воздействия, а также о существовании постоянной поверхности почвы с постоянной температурой. Воздействия из атмосферы выражаются в виде температуры окружающей среды и коэффициента теплопередачи, включая конвекцию и излучение. В то время как граница ниже трубопровода в направлении у является границей постоянной температуры, основанной на существовании поверхности почвы с постоянной температурой.
Когда нефть транспортируется в трубопроводе в нормальном рабочем состоянии, тепловая система работает в устойчивом состоянии. Однако из-за некоторых сбоев, таких как прекращение подачи электроэнергии, нефть перестает течь и остается в трубопроводе. Во время остановки из-за разницы температур между нефтью и окружающей средой температура нефти вдоль трубопровода продолжает снижаться. Поэтому этот процесс можно рассматривать как статический процесс охлаждения, вызванный теплопередачей от нефти к окружающей среде. Связанное температурное поле, образованное нефтью, трубопроводом, изолирующий слой и почва продолжают развиваться, что представляет собой переходный тепловой процесс. С увеличением времени отключения теплая нефть в трубопроводе постепенно охлаждается.
При приближении к запланированному времени простоя или восстановлению электроснабжения трубопровод будет перезапущен. Нефть, не поступившую еще в трубопровод, нагревают в начальной точке трассы трубопровода, а затем закачивают в трубопровод. В то же время, нефть, которая осталась в трубопроводе после остановки, также перекачивается вместе с подогретой нефтью. Поэтому после перезапуска образуются две слоя внутри трубы, которые соответственно заняты подогретой нефтью и остывшей нефтью. Со временем остывшая нефть постепенно перемешивается с подогретой и трубопровод
© Вежновец В.К., Курлович Д.Э., 2019.
Научный руководитель: Куличков Сергей Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела и нефтехимии, Дальневосточный федеральный университет, Россия.
нагревается по средствам подогретой нефти. Под влиянием непрерывного теплового взаимодействия, связанное температурное поле постепенно трансформируется в новое устойчивое состояние, а температурный профиль нефти претерпевает ряд переходных процессов, вплоть до постоянного. При приближении к устойчивому состоянию устанавливается новое стабильное состояние трубопровода. Подводя итог, можно сказать, что исследуемый тепловой процесс можно разделить на четыре этапа: начальный устойчивый тепловой процесс перед отключением, переходный тепловой процесс во время отключения, переходный тепловой процесс после перезапуска, новый устойчивый тепловой процесс.
Необходимым условием является подтверждение того, что численная модель точно предсказывает физические явления. Чтобы выполнить эту процедуру, операционные данные из практического трубопровода нефти на нефтяном месторождении собираются для сравнения с численным решением. Длина трубопровода составляет 43,0 км, внутренний диаметр - 515 мм, толщина стенки трубопровода - 7 мм, глубина заглубления - 1,5 м, а трубопровод установлен с изоляционным слоем 40 мм, в то время как материал из Изоляционный слой - пенополиуретан. Из-за внезапного прекращения подачи электроэнергии этот трубопровод отключился. Через 16 ч трубопровод начинает перезапускаться. Перед остановкой температура на выходе из трубопровода составляет 52,2 ° С, расход - 972 м 3/ ч и средняя температура окружающей среды составляет -6 ° С. На основе этих базовых данных процесс выключения и повторного запуска моделируется математическими моделями и численными подходами, установленными в данной статье. Для сравнения с расчетными данными температура на выходе и на входе измеряется прибором, установленным на трубопроводе. На рисунке 1 - показано сравнение расчетных и измеренных данных температуры на выходе и на входе.
Рис. 1. Расчетные и измеренные данные температуры на выходе и входе, отклонение между расчетными и измеренными данными
Чтобы исследовать характеристики теплопередачи нефтепровода в процессе останова и повторного запуска, были выполнены три случая моделирования при различных диаметрах трубопровода и температуре окружающей среды на основе установленных математических моделей и численных расчетов. Подробная информация о случаях моделирования приведена в таблице 1.
Таблица 1
Подробная информация о случаях моделирования_
№ п/п Внутренний диаметр (мм) Температура окружающей среды (° С) Глубина залегания (м) Толщина изоляционного слоя (мм) Температура на выходе после перезапуска (° С) Расход после перезапуска (м 3 / ч)
1 704 -20 1,5 40 60 600
2 363 -20 1,5 40 60 600
3 704 15 1,5 40 60 600
Чтобы исследовать тепловые характеристики нефти во время остановки, температура нефти вдоль трубопровода в зависимости от времени остановки показана на рисунке 2.
10 20 » 40 90 Ю
hpchat Indult
Рис. 2. Температура нефти вдоль трубопровода для разного времени остановки (случай 1,2,3)
Профиль температуры вдоль трубопровода через 0 ч после отключения такой же, как и при нормальной работе трубопровода. Как видно на рисунке 2, с уменьшением диаметра трубопровода изменение температуры вдоль трубопровода становится более плавным через 0 ч после отключения. Разница температур между начальной и конечной точкой составляет 25 ° С для диаметра 704 мм. 14 ° С для диаметра 363 мм. Кроме того, с повышением температуры окружающей среды снижается теплопередача между нефтью и почвой, что способствует плавному изменению температуры вдоль трубопровода. В частности, разность температур между начальной и конечной точкой составляет
25 ° С при температуре окружающей среды -20 ° С, в то время как она составляет 15 ° С при температуре окружающей среды 15 ° С.
С увеличением времени отключения температура нефти вдоль трубопровода уменьшается. Когда положение ближе к начальной точке трубопровода, изменение температуры в этом положении становится более резким из-за увеличивающейся разницы температур между нефтью и окружающей почвой. Для случая 1 падение температуры во время отключения в течение 20 часов составляет 13,3 ° С в начальной точке и 9,2 ° С в конечной точке. Тем не менее, различные особенности изменения температуры представлены вдоль трубопровода при различных условиях. После остановки трубопровода температура нефти вдоль трубопровода снижается медленнее, поскольку он проходит через охлаждение, вызванное более высокой температурой окружающей среды. Изменение температуры конечной точки трубопровода взято в качестве примера, чтобы показать эту характеристику. Чтобы исследовать тепловые характеристики нефти после перезапуска трубопровода, изменение температуры нефти вдоль трубопровода в зависимости от времени показано на рисунке 3.
О I* 20 Ю 40 50 М
Рис. 3. Температура нефти вдоль трубопровода в зависимости от времени после перезапуска (случай 1,2,3)
После перезапуска подогретая нефть нагревается на станции, расположенной в начальной точке трубопровода, и начинает закачиваться в трубопровод. Поскольку внутреннее пространство трубопровода уже занято нефтью с момента отключения, подогретая нефть должна вытолкнуть охлаждённую нефть из трубопровода, поэтому процесс перезапуска также можно рассматривать как замену. процесс, осуществляемый подогретой нефти к охлажденной нефти. Между тем, температурное поле, создаваемое соединением нефти, трубопровода и окружающего грунта, постепенно обновляется в процессе непрерывной замены. Сосредоточенный на тепловом поведении, процесс теплопередачи во время остановки может рассматриваться как процесс потери тепла. Хотя это непрерывный процесс предварительного нагрева после перезапуска, пока полностью не установится новое постоянное температурное поле. С помощью приведенного выше анализа, как видно рисунка 3 трубопровод можно разделить на три области на основе характеристики профиля температуры и тепловых характеристик. Тепловые характеристики через 20 ч после перезапуска в случае 1 приняты в качестве репрезентативных для иллюстрации метода деления. Рядом с начальной точкой трубопровода находится область, температурное поле которой уже установлено. Эта область занята подогретой нефтью, и диапазон этого региона увеличивается с течением времени. Эту область можно назвать областью I. Рядом с областью I находится область II, которая также занята подогретой нефтью. Температурное поле этой области только находится в процессе установления. Таким образом, считается, что это большое падение температуры вызвано потерей тепла от нефти к окружающей почве. Поскольку большое количество тепла теряется от нефти к почве, постепенно создается новое температурное поле. Третий регион (также может быть назван как регион III) занят остывшей нефтью, которая осталась в трубопроводе с момента остановки. Температура в этой области значительно ниже, чем в области I и области II. А с выгрузкой остывшей нефти диапазон региона III уменьшается.
Исследования показали, что во время остановки более плавный температурный профиль представлен вдоль трубопровода при более высокой температуре окружающей среды. Общая текучесть нефти хуже, чем при намного более низкой температуре окружающей среды, когда температура нефти в конечной точке трубопровода приближается к тому же значению. Так как для обеспечения безопасного отключения и повторного запуска недостаточно контролировать только самую низкую температуру трубопровода, но и очень важно контролировать характеристики температурного профиля вдоль трубы. Сосредоточив внимание на влиянии диаметра трубопровода, с увеличением диаметра трубопровода падение температуры вдоль трубопровода увеличивается из-за увеличения площади потери тепла перед остановкой. После перезапуска трубопровод можно разделить на три области в зависимости от характеристики профиля температуры и тепловых характеристик.
Библиографический список
1. А.А. Коршак. А.М. Шаммазов Основы нефтегазового дела. Учебник для ВУЗов. Уфа. ООО "ДизайнПоли-графСервис", 2002.
2. Николаев А.С. Единая транспортная система / А.С. Николаев. - М.: Лицей, 2001 - 346 с.
3. Лившиц В.Н. Транспорт за 100 лет // Россия в окружающем мире / В.Н. Лившиц. - М.: 2002 г. - 435 с.
4. Трубопроводный транспорт нефти и газа. Под ред. Юфина В.А.М.: Недра, 2000 г. - 407 с.
ВЕЖНОВЕЦ ВСЕВОЛОД КОНСТАНТИНОВИЧ - магистрант, Дальневосточный федеральный университет, Россия.
КУРЛОВИЧ ДАНИЛ ЭДУАРДОВИЧ - магистрант, Дальневосточный федеральный университет, Россия.
