CC BY
65УДК 622.692+665.753.4
Д.А. Дроздов1, e-mail: drozdov_mail@mail.ru; В.В. Лунева1, e-mail: 2209193@mail.ru; Д.И. Мельников1, e-mail: nio21-25gosnii@yandex.ru
1 Федеральное автономное учреждение «25 Государственный научно-исследовательский институт химмотологии Министерства обороны Российской Федерации» (Москва, Россия).
Аналитическое представление вязкостно-температурных характеристик дизельных топлив ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 при проведении гидравлических расчетов трубопроводов
В статье рассмотрены вопросы аналитического представления вязкостно-температурных характеристик дизельных топлив ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 при проведении гидравлических расчетов трубопроводного транспорта нефтепродуктов.
В первой части статьи дан краткий обзор наиболее распространенных формул для определения коэффициента гидравлического сопротивления. Показано, что при расчете коэффициента гидравлического сопротивления в уравнении Дарси - Вейсбаха практически для всех режимов течения и областей гидравлического трения, за исключением области так называемого вполне шероховатого (квадратичного) трения, существенное значение имеет правильный выбор значений параметра кинематической вязкости, входящего в число Рейнольдса. Нахождение коэффициента гидравлического сопротивления необходимо для расчета потерь напора (давления) на трение и определения производительности перекачки. Проведен краткий анализ существующих формул для аналитического представления вязкостно-температурных характеристик нефтепродуктов.
Во второй части статьи представлены результаты исследования вязкостно-температурных характеристик дизельных топлив ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 вида III (содержание серы - не более 10 мг/кг), классов 4, 3, 2 и сорта C, выпускаемых в настоящее время различными заводами-изготовителями. Представлены значения основных физико-химических и эксплуатационных показателей исследуемых образцов дизельных топлив, а также результаты исследований по изменению значений кинематической вязкости в зависимости от температуры. В результате обработки экспериментальных данных исследуемых образцов получены аналитические зависимости, позволяющие определять значения кинематической вязкости дизельных топлив ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 при заданной температуре. Проведено сравнение результатов расчетов кинематической вязкости по предложенным зависимостям, а также по формулам Вальтера - ASTM и Рейнольдса - Филонова с экспериментальными данными. Предложенные зависимости хорошо согласуются с экспериментальными данными исследуемых образцов и могут быть рекомендованы для использования при проведении гидравлических расчетов трубопроводов.
Ключевые слова: дизельные топлива, кинематическая вязкость нефтепродуктов, гидравлический расчет, коэффициент гидравлического сопротивления, формула Вальтера - ASTM, формула Рейнольдса - Филонова.
D.A. Drozdov1, e-mail: drozdov_mail@mail.ru; V.V. Luneva1, e-mail: 2209193@mail.ru; D.I. Melnikov1, e-mail: nio21-25gosnii@yandex.ru
1 Federal Autonomous Enterprise «The 25th State Research Institute of Himmotology», Ministry of Defense of Russian Federation (Moscow, Russia).
Analytical Presentation Viscosity-Temperature Characteristics of Diesel Fuels Brands EURO According to GOST R 52368-2005 During Pipeline Hydraulic Calculations
In the article examined questions of the analytical presentation viscosity-temperature characteristics of diesel fuels brands EURO in accordance with GOST R 52368-2005 during hydraulic calculations of pipeline transport oil products. The first part of the article contains overview of the most common formulas for determining the Darcy friction factor. Was shown that when calculating the Darcy friction factor in Darcy-Weisbach equation, practically for all flow regimes and conduits of hydraulic friction, with the exception of the so-called Turbulent flow in Rough-pipe conduits the correctly
choice of the values of the kinematic viscosity parameter included in the Reynolds number is essential when Fluid flow through pipelines. Finding the Darcy friction factor is necessary for calculating the friction loss pressure, as well as determining the flow rate. Was also carried out analysis of common formulas for the analytical presentation of viscosity-temperature characteristics of oil products.
In the second part of the paper, part of the article contains the results of a Research viscosity-temperature characteristics of diesel fuels in accordance with GOST R 52368-2005 type III (with total sulfur content not more than 10 mg/kg), EURO grades Class 4, Class 3, Class 2 and Sort C, produced currently time by different oil Refineries. The values of the main physico-chemical and operational parameters of the diesel fuel samples studied are presented, as well as the results of studies on the change in the kinematic viscosity values as a function of temperature.
As a result of the processing of the experimental data of the of the test samples, analytical dependencies are obtained that allow to determine the kinematic viscosity values of diesel fuels EURO according to GOST R 52368-2005 at a fixed temperature. The results of calculations of the kinematic viscosity based on the proposed dependences are compared, as well as using the Valter-ASTM and Reynolds-Filonov formulas with experimental data. The proposed dependences are in good agreement with the experimental data of the investigated samples and can be recommended for use in conducting hydraulic calculations of pipelines.
Keywords: diesel fuels, kinematic viscosity of oil products, hydraulic calculation, Darcy friction factor, Walter-ASTM formula, Reynolds-Filonov formula.
Одной из основных задач при выполнении гидравлических расчетов трубопроводов является определение величины потерь напора на трение Лт. Обычно их выражают в зависимости от квадрата средней скорости движения жидкости м формулой Дарси - Вейсбаха [1, 2]:
I IV2
^ГТд, «
где X - коэффициент гидравлического сопротивления; I - расчетная длина
трубопровода; (( - внутренний диаметр трубопровода; д - ускорение свободного падения.
Коэффициент гидравлического сопротивления определяется в зависимости от режима течения. Границы режимов течения и областей гидравлического трения устанавливают в зависимости от числа Рейнольдса Re и коэффициента относительной шероховатости внутренней поверхности трубы е [1-3].
Число Рейнольдса определяется из соотношения
(2)
V ' к '
где V - коэффициент кинематической вязкости перекачиваемой жидкости. Коэффициент относительной шероховатости труб равен
Таблица 1. Формулы для определения коэффициента гидравлического сопротивления Table 1. Formulas for determination of the Darcy friction factor
Режим течения Flow mode Формула для определения коэффициента гидравлического сопротивления The formula for determination of the Darcy friction factor
Ламинарный (формула Стокса) Laminar (the Stokes formula) X = 64/Re
Переходная зона (формула Вуллиса - Гинзбурга) Transition area (the Vullis - Ginzburg Formula) ™ 64 . . 0,3164 X =--(l-y,)+-•у. Re Re0-25 Y. = 1 - exp[-0,002.(Re - 2320)]
Область гладкого трения (формула Блазиуса) Smooth friction area (the Blauzius formula) X = 0,3164/Re025
Турбулентный Turbulent Область смешанного трения (формула Альтшуля) Mixed Friction area (the Altshul formula) —(I^r
Область вполне шероховатого(квадратичного) трения (формула Шифринсона) Sufficiently rough (square law) friction area (the Shifrinson formula) '-«•■IS'Г
Ссылка для цитирования (for citation):
Дроздов Д.А., Лунева В.В., Мельников Д.И. Аналитическое представление вязкостно-температурных характеристик дизельных топлив ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 при проведении гидравлических расчетов трубопроводов // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 6. С. 92-100.
Drozdov D.A., Luneva V.V., Melnikov D.I. Analytical Presentation Viscosity-Temperature Characteristics of Diesel Fuels Brands EURO According to GOST R 52368-2005 During Pipeline Hydraulic Calculations. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 6, P. 92-100. (In Russian)
Таблица 2. Значения основных физико-химических и эксплуатационных показателей дизельных топлив ЕВРО классов 4, 3, 2 и сорта C в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52368-2005
Table 2. The standard values of main physicochemical and service parameters of diesel fuel (Euro 4, 3, 2 and the Type C in accordance with GOST R 52368-2005
Наименование показателя Марка дизельного топлива Diesel fuel
Parameter ЕВРО класс 4 EURO Class 4 ЕВРО класс 3 EURO Class 3 ЕВРО класс 2 EURO Class 2 ЕВРО сортC EURO Type C
Плотность при 15 °C, кг/м3 Density at 15 °C, kg/m3 800-840 820-845
Кинематическая вязкость при 40 °C, мм2/с (сСт) Kinematic viscosity at 40 °C, mm2/s (cSt) 1,2-4,0 1,4-4,0 1,5-4,0 2,0-4,5
Фракционный состав: Fractional Content: • до температуры 180 °C, % (по объему) up to 180 °C, % (volume) • до температуры 340 °C, % (по объему) up to 340 °C, % (volume) • при температуре 250 °C, % (по объему) at 250 °C, % (volume) • при температуре 350 °C, % (по объему) at 350 °C, % (volume) • 95 % (по объему) перегоняется при температуре °C, % 95 % (volume) distilled at the temperature °C, % Не более 10 Not exceeding 10 Не менее 95 Not exceeding 95 Менее 65 Below 65 Не менее 85 At least 85 Не выше 360 Not exceeding 360
Температура помутнения,°C Turbidity temperature, °C Не выше -34 Not exceeding -34 Не выше -28 Not exceeding -28 Не выше -22 Not exceeding -22 -
Предельная температура фильтруемости, °C Maximum filtering temperature, °C Не выше -44 Not exceeding -44 Не выше -38 Not exceeding -38 Не выше -32 Not exceeding -32 Не выше -5 Not exceeding -5
Температура застывания, °C Setting temperature, °C
где кЭ - коэффициент эквивалентной шероховатости внутренней поверхности труб.
Выделяют три режима течении жидкости: ламинарный Re < 2320, переходную зону 10 000 < 1*е < 2320 и турбулентный 1}е > 10 000. Турбулентный режим условно разделяют на три области гидравлического трения: гладкого 10 000 < Re < 10/е, смешанного 10/е < 1}е < 500/е, вполне шероховатого (квадратичного) 1}е > 500/е. Применительно к гидравлическим расчетам трубопроводного транспорта нефтепродуктов для определения коэффициента гидравлического сопротивления рекомендуют использовать формулы, представленные в табл. 1 [1-3]. Число Рейнольдса, учитывающее влияние работы сил вязкого трения, входит практически во все зависимости для определения коэффициента гидравлического сопротивления. Только при турбулентном режиме течения в области вполне шероховатого (квадратичного) трения влияние вязкости можно не учитывать.
При проведении перекачки дизельных топлив по трубопроводам на величину гидравлических сопротивлений достаточно существенно влияет значение параметра вязкости. Поэтому требуется определять значения вязкости с возможно большей точностью. Кинематическая вязкость дизельных топлив ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 определяется методом испытания, регламентированным ГОСТ 33, а также идентичными методами по ISO 3104, ASTM D 445 [4]. Определение кинематической вязкости нефтепродуктов при заданном диапазоне температур проводят с использованием калиброванных стеклянных вискозиметров различных типов (Оствальда, Убеллоде и др.) [5]. Шаг измерений температуры составляет обычно 5-10 °С. При этом строят вязкостно-температурные кривые. Для выражения вязкостно-температурных характеристик нефтепродуктов в аналитическом виде предложено множество различных формул [6]. Наиболее точной считается формула Вальтера - ASTM:
1д1д(у406 + 0,8) = а + ЫдТ, (4)
где Т - абсолютная температура, в градусах К; а и Ь - коэффициенты, определяемые на основании экспериментально полученных значений кинематической вязкости и у2 для двух температур
Т1 и Т2.
Коэффициенты а и Ь в формуле Вальтера - ASTM рассчитываются по формулам:
*--щтд-, (5)
а = 1д1д(^ + 0,8) - ЫдТ1. (6)
Для определения кинематической вязкости при заданной температуре Т формула Вальтера - ASTM может быть представлена в следующем виде:
V = ехр[2,3026.ехр[2,306.
.(а + ЫдТ ]]-0,8. (7)
Также весьма широкое распространение получила формула Рейнольдса - Филонова:
Таблица 3. Фактические значения основных физико-химических и эксплуатационных показателей исследуемых дизельных топлив ЕВРО классов 4, 3, 2 и сорта C по ГОСТ Р 52368-2005
Table 3. The actual values of main physicochemical and service parameters of the studied samples of diesel fuels (Euro 4, 3, 2 and the Type C in accordance with GOST R 52368-2005
Наименование показателя Марка дизельного топлива Diesel fuel
Parameter ЕВРО класс 4 EURO Class 4 ЕВРО класс 3 EURO Class 3 ЕВРО класс 2 EURO Class 2 ЕВРО сортC EURO Type C
Плотность при 15 °C, кг/м3 Density at 15 °C, kg/m3 802,0 805,8 817,5 832,0
Кинематическая вязкость при 40 °C, мм2/с (сСт) Kinematic viscosity at 40 °C, mm2/s (cSt) 1,44 1,66 1,726 2,57
Фракционный состав: Fractional content: • до температуры 180 °C, % (по объему) up to 180 °C, % (volume) • до температуры 340 °C, % (по объему) up to 340 °C, % (volume) • при температуре 250 °C, % (по объему) at 250 °C, % (volume) • при температуре 350 °C, % (по объему) at 350 °C, % (volume) • 95 % (по объему) перегоняется при температуре °C, % 95 % (volume) distilled at the temperature °C, % 4 Более 95 Over 95 7 96 5 97 39 98 337
Температура помутнения, °C Turbidity temperature, °C -43 -36 -30 -9
Предельная температура фильтруемости, °C Maximum filtering temperature, °C -46 -40 -32 -12
Температура застывания, °C Setting temperature, °C -55 -43 -46 -22
V = ^ехр[- ю(Т - ТД (8)
где к - коэффициент крутизны термо-вязкограммы, равный
(9)
2 1
Достаточно часто нет возможности получить из специализированной ла-
боратории данные испытаний по определению кинематической вязкости на всем диапазоне температурных значений эксплуатации трубопроводов. Более того, в паспортах качества дизельных топлив по ГОСТ Р 52368-2005 кинематическая вязкость указывается только при температуре 40 °С. При этом в рассмотренных формулах Вальтера -ASTM и Рейнольдса - Филонова должны
быть известны значения кинематической вязкости как минимум при двух температурах.
Это ставит задачу поиска альтернативных подходов к аналитическому представлению вязкостно-температурных характеристик дизельных топлив. Так, в работе [7] для топлив марок З и Л по ГОСТ 305-82 было предложено определять кинематическую вязкость как
Таблица 4. Коэффициенты аппроксимации в формуле (12) для исследуемых образцов дизельных топлив по ГОСТ Р 52368-2005 Table 4. Approximation coefficients by the formula (12) for the studied samples of diesel fuels by GOST R 52368-2005
Марка дизельного топлива Diesel fuel Коэффициенты аппроксимации в формуле (12) Approximation coefficients in the formula (12)
av c dv ev
ЕВРО класс 4 EURO Class 4 -2,M0-9 7,84.10-8 2,98.10-6 -2,725.10-5 -1Д55.10-2 -5,496
ЕВРО класс 3 EURO Class 3 -1,8.10-9 9,33.10-8 8/78M0-7 -2,693.10-5 -1,09Д0-2 -5,412
ЕВРО класс 2 EURO Class 2 -1,5Д0-9 12,85.10-8 -2,548.10-6 4,304.10-7 -1,04M0-2 -5,36
ЕВРО сортC EURO Type C 0 0 -2,25740-' 2,453.10-4 -1,773.10-2 -5,127
Таблица 5. Сравнение экспериментальных и расчетных значений кинематической вязкости дизельного топлива ЕВРО класс 4 Table 5. Comparison of experimental and calculated values of a EURO Class 4 diesel fluid's kinematic viscosity
Температура t, °C Temperature t, °C Кинематическая вязкость v, 10-6 м2/с (сСт) Kinematic viscosity v, 10-6 m2/s (cSt) Относительное отклонение Л, % Relative deviation Л, %
Фактическая Measured Расчетная по формуле Calculated by the formula
Рейнольдса -Филонова (7) Reynolds -Filonov (7) Вальтера -ASTM (8) Walter - ASTM (8) Предложенная (12) Proposed (12) Рейнольдса -Филонова (7) Reynolds -Filonov (7) Вальтера -ASTM (8) Walter - ASTM (8) Предложенная (12) Proposed (12)
-45 27,14 27,14 27,141 25,469 0 0 6,16
-40 11,851 23,041 19,716 14,042 -94,42 -66,37 -18,49
-35 9,46 19,561 14,79 9,442 -106,77 -56,35 0,19
-30 7,673 16,606 11,407 7,245 -116,42 -48,66 5,58
-25 6,324 14,098 9,011 6,03 -122,92 -42,48 4,66
-20 5,364 11,968 7,267 5,242 -123,12 -35,48 2,27
-15 4,55 10,161 5,969 4,641 -123,31 -31,18 -2,0
-10 3,998 8,626 4,98 4,119 -115,76 -24,57 -3,03
0 3,049 6,217 3,61 3,192 -103,9 -18,41 -4,67
10 2,462 4,481 2,735 2,451 -81,99 -11,09 0,45
20 2,042 3,229 2,146 1,958 -58,15 -5,1 4,12
30 1,715 2,327 1,733 1,682 -35,71 -1,05 1,91
40 1,44 1,677 1,433 1,495 -16,49 0,48 -3,85
50 1,209 1,209 1,209 1,16 0 0 4,02
Таблица 6. Сравнение экспериментальных и расчетных значений кинематической вязкости дизельного топлива ЕВРО класс 3 Table 6. Comparison of experimental and calculated values of a EURO Class 3 diesel fluid's kinematic viscosity
Температура t, °C Temperature t, °C Кинематическая вязкость v, 10-6 м2/с (сСт) Kinematic viscosity v, 10-6 m2/s (cSt) Относительное отклонение Л, % Relative deviation Л, %
Фактическая Measured Расчетная по формуле Calculated by the formula
Рейнольдса -Филонова (7) Reynolds -Filonov (7) Вальтера -ASTM (8) Walter - ASTM (8) Предложенная (12) Proposed (12) Рейнольдса-Филонова (7) Reynolds -Filonov (7) Вальтера -ASTM (8) Walter - ASTM (8) Предложенная (12) Proposed (12)
-40 22,679 22,679 22,679 22,278 0 0 1,77
-35 12,66 19,365 16,926 13,596 -52,96 -33,7 -7,39
-30 9,829 16,535 12,991 9,691 -68,22 -32,17 1,4
-25 7,849 14,118 10,217 7,655 -79,87 -30,17 2,47
-20 6,619 12,055 8,206 6,44 -82,13 -23,98 2,7
-15 5,499 10,293 6,715 5,605 -87,18 -22,11 -1,93
-10 4,871 8,789 5,584 4,949 -80,44 -14,63 -1,61
0 3,85 6,408 4,023 3,873 -66,44 -4,49 -0,59
10 3,039 4,672 3,032 3,006 -53,73 0,24 1,1
20 2,374 3,406 2,368 2,374 -43,48 0,24 0,01
30 1,985 2,483 1,905 1,96 -25,1 4,03 1,25
40 1,66 1,811 1,57 1,658 -9,07 5,44 0,11
50 1,32 1,32 1,32 1,277 0 0 3,29
OIL PRODUCTS TRANSPORTATION AND STORAGE
Таблица 7. Сравнение экспериментальных и расчетных значений кинематической вязкости дизельного топлива ЕВРО класс 2 Table 7. Comparison of experimental and calculated values of a EURO Class 2 diesel fluid's kinematic viscosity
Температура t, °C Temperature t, °C Кинематическая вязкость v, 10-6 м2/с (сСт) Kinematic viscosity v, 10-6 m2/s (cSt) Относительное отклонение Л, % Relative deviation Л, %
Фактическая Measured Расчетная по формуле Calculated by the formula
Рейнольдса -Филонова (7) Reynolds -Filonov (7) Вальтера -ASTM (8) Walter - ASTM (8) Предложенная (12) Proposed (12) Рейнольдса -Филонова (7) Reynolds -Filonov (7) Вальтера -ASTM (8) Walter - ASTM (8) Предложенная (12) Proposed (12)
-30 14,46 14,46 14,46 14,582 0 0 -0,84
-25 10,3 12,497 11,307 10,155 -21,33 -9,78 1,41
-20 7,768 10,8 9,036 7,858 -39,03 -16,32 -1,16
-15 6,515 9,333 7,359 6,507 -43,26 -12,96 0,12
-10 5,554 8,066 6,095 5,607 -45,23 -9,73 -0,95
0 4,415 6,024 4,36 4,365 -36,45 1,24 1,13
10 3,415 4,499 3,267 3,419 -31,75 4,34 -0,12
20 2,642 3,36 2,539 2,668 -27,19 3,88 -0,98
30 2,135 2,51 2,034 2,114 -17,55 4,72 0,98
40 1,726 1,874 1,67 1,715 -8,6 3,24 0,66
50 1,4 1,4 1,4 1,36 0 0 2,88
функцию температуры следующими выражениями:
1оду = Ю-9^ -10-7.8,85.Ь3 + + 10-Ч,1247.£2 -10-24,56.£ - 5,109, (10)
V = -10-11.3Д6.£3 + + 10-9.4,67Ь -10-7.2,77.£ + + 10-6.8,43. (11)
При использовании формул (10) и (11) температуру Ь надо подставлять в градусах °С, значение кинематической вязкости получается в м2/с. В работе [7] рассматривались экспериментальные данные по дизельным то-пливам, выпускаемым по ГОСТ 305-73 и ГОСТ 4749-73. Данные имеют определенную давность и в настоящее время уже устарели. Изменились география добычи нефти,технологии ее переработки и, следовательно, физико-химические свойства товарных нефтепродуктов. Дизельное топливо по ГОСТ 4749-73 не производится с 1983 г. по причине отмены действия документа и перехода на ГОСТ 305-82. Менялись и требования ГОСТ 305. Поэтому нецелесообразно рекомендовать применение полученных зависимостей (10) и (11) для определения значений кинематической вязкости дизельных топлив по ГОСТ Р 52368-2005.
о Е
Î Е
m <и
Температура, °С Temperature t, °C
Рис. 1. Зависимость кинематической вязкости от температуры дизельных топлив ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005
Fig. 1. Kinematic viscosity temperature dependences of euro diesel fluids by GOST R 52368-2005
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 6 june 2017
97
Таблица 8. Сравнение экспериментальных и расчетных значений кинематической вязкости дизельного топлива ЕВРО сорт C Table 8. Comparison of experimental and calculated values of a EURO Type C diesel fluid's kinematic viscosity
Температура t, °C Temperature t, °C Кинематическая вязкость v, 10-6 м2/с (сСт) Kinematic viscosity v, 10-6 m2/s (cSt) Относительное отклонение Л, % Relative deviation Л, %
Фактическая Measured Расчетная по формуле Calculated by the formula
Рейнольдса -Филонова (7) Reynolds -Filonov (7) Вальтера -ASTM (8) Walter - ASTM (8) Предложенная (12) Proposed (12) Рейнольдса -Филонова (7) Reynolds -Filonov (7) Вальтера -ASTM (8) Walter - ASTM (8) Предложенная (12) Proposed (12)
-10 12,075 12,075 12,075 11,942 0 0 1,1
-5 9,1 10,429 9,758 9,291 -14,6 -7,23 -2,1
0 7,467 9,007 8,021 7,464 -20,62 -7,42 0,03
10 5,3 6,719 5,66 5,224 -26,77 -6,8 1,44
20 3,929 5,012 4,189 3,967 -27,55 -6,63 -0,97
30 3,178 3,738 3,222 3,169 -17,63 -1,38 0,28
40 2,57 2,788 2,556 2,581 -8,5 0,56 -0,44
50 2,08 2,08 2,08 2,078 0 0 0,1
Были проведены исследования и анализ вязкостно-температурных характеристик следующих образцов топлив дизельных ЕВРО, вид III (содержание серы - не более 10 мг/кг) по ГОСТ Р 52368-2005 (ЕН 590:2009) с изм. 1:
1) класс 4: производитель -ОАО «Газпром нефтехим Салават»; компонентный состав: дизельная гидроочищенная фракция 164-275 °С - 99,96 % масс., противоизносная присадка «Адди ТОП» СМ/AddiTOP L - 0,04 % масс.;
2) класс 3: производитель - АО «ННК-Хабаровский НПЗ»; компонентный состав: дизельная гидроочищенная фракция 164-275 °С - 99,96 % масс., противоизносная присадка «КОЛТЕК ДС 7739» - 0,03 % масс., промотор воспламенения «КОЛТЕК ДС 1406» - 0,01 % масс.;
3) класс 2: производитель - ОАО «Ангарская нефтехимическая компания»; компонентный состав: топливо дизельное гидроочищенное с установки «Парекс» 164-275 °С - 99,97 % масс., противоизносная присадка «Байкат» - 0,04 % масс., антиокислительная присадка «Агидол-1» - 0,01 % масс., промотор воспламенения «Pro-цетан плюс 51» -0,15 % масс.;
4) сорт C: производитель - ООО «ЛУ-КОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез»; компонентный состав: топливо дизельное гидроочищенное - 71,7 % масс., топливо дизельное гидродеароматизированное -21,1 % масс., фракция гидроочищенная для производства реактивных топлив -
7,2 % масс., противоизносная присадка NALCO 5719А - 0,035% масс., промотор воспламенения КегоЬто1 EHN - 0,1 % масс.
В результате были получены данные о кинематической вязкости в зависимости от температуры топлив дизельных ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 для классов 4, 3, и 2, а также сорта С. Общий вид полученных вязкостно-температурных кривых представлен на рис. 1.
Значения основных физико-химических и эксплуатационных показателей исследуемых образцов дизельныхтоплив в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52368-2005 и фактических представлены в табл. 2-3.
Для аналитического представления кинематическую вязкость V дизельных топлив, м2/с, в зависимости от расчетной температуры t, °С, предлагается выражать следующей функцией:
30 F 25 I 20 Е
о Е
е Е
m <u
О Фактические значения класс 4 Actual values of Class 4 Расчет по формуле Рейнольдса - Филонова Calculation by the Reynolds - Filonov formula ' • Расчет по формуле Вальтера - ASTM
Calculation by the Walther - ASTM formula ■ — Расчет по предложенной формуле Calculation by the proposed formula
-50 -40 -30 -20 -10
10 20 30 40
Температура, °С Temperature t, °C
Рис. 2. Сравнение экспериментальных и расчетных данных вязкостно-температурных характеристик дизельного топлива ЕВРО класс 4
Fig. 2. Comparison of experimental and calculated values of a EURO Class 4 diesel fluid's viscosity-temperature characteristics
OIL PRODUCTS TRANSPORTATION AND STORAGE
1оду = а, .£* + .Ь4 +
+ с;? + Vdv Ь + V + / (12)
где а, с^ dv е, и/ - коэффициенты аппроксимации. Значения коэффициентов аппроксимации для исследуемых образцов дизельных топлив по ГОСТ Р 52368-2005 представлены в табл. 4. Выражение (12) можно также записать в следующем виде:
V = ехр[2,3026.(а, Ь + + Ь Ь + с Ь + d Ь + е .Ь + /)]. (13)
V V V V ^ \/Л \ /
Исходные данные по кинематической вязкости дизельных топлив по ГОСТ Р 52368-2005 и результаты расчетов по формулам Вальтера - ASTM (7), Рейнольдса - Филонова (8) и предложенной (12) представлены в табл. 5-8 и на рис. 2-5. При расчете коэффициентов а, Ь и к по формулам (5), (6) и (9) использовались значения кинематической вязкости исследуемых образцов дизельных топлив при максимальной и минимальной температуре. Видно, что результаты расчетов по предложенной зависимости (12) лучше согласуются с экспериментальными данными, чем по формулам Вальтера -ДБТМ (7) и Рейнольдса - Филонова (8). Точность расчетов по формулам (7) и (8) можно значительно повысить, если задать более узкий интервал исходных экспериментальных данных. Однако для практических целей, в частности при гидравлических расчетах трубопроводов, зачастую требуется определение значений кинематической вязкости во всем диапазоне возможных температур.
Определенная сложность описания вязкостно-температурных характеристик дизельныхтоплив на всем интервале температур одной зависимостью объясняется тем, что при снижении температуры топлива ниже его температуры помутнения в нем образуются микрокристаллы н-парафиновых углеводородов [5]. При этом происходит резкое, скачкообразное повышение значений параметра кинематической вязкости.
Следует отметить, что согласно требованиям ГОСТ Р 52368-2005 показатель температуры помутнения определя-
0m
i Е
Фактические значения класс 3 Actual values of Class 3 Расчет по формуле Рейнольдса - Филонова Calculation by the Reynolds - Filonov formula Расчет по формуле Вальтера - ASTM Calculation by the Walther - ASTM formula Расчет по предложенной формуле Calculation by the proposed formula
Температура, °С Temperature t, °C
Рис. 3. Сравнение экспериментальных и расчетных данных вязкостно-температурных характеристик дизельного топлива ЕВРО класс 3
Fig. 3. Comparison of experimental and calculated values of a EURO Class 3 diesel fluid's viscosity-temperature characteristics
20 с 15 1
i E
Фактические значения класс 2 Actual values of Class 2 Расчет по формуле Рейнольдса - Филонова Calculation by the Reynolds - Filonov formula Расчет по формуле Вальтера - ASTM Calculation by the Walther - ASTM formula Расчет по предложенной формуле Calculation by the proposed formula
-10 0 10 Температура, °С Temperature t, °C
Рис. 4. Сравнение экспериментальных и расчетных данных вязкостно-температурных характеристик дизельного топлива ЕВРО класс 2
Fig. 4. Comparison of experimental and calculated values of a EURO Class 2 diesel fluid's viscosity-temperature characteristics
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 6 june 2017
99
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ
20 с 15 :
É Е m &
Фактические значения сорт С Actual values of Type C Расчет по формуле Рейнольдса - Филонова Calculation by the Reynolds - Filonov formula Расчет по формуле Вальтера - ASTM Calculation by the Walther - ASTM formula Расчет по предложенной формуле Calculation by the proposed formula
Температура, °С Temperature t, °C
Рис. 5. Сравнение экспериментальных и расчетных данных вязкостно-температурных характеристик дизельного топлива ЕВРО сорт C
Fig. 5. Comparison of experimental and calculated values of a EURO Type C diesel fluid's viscosity-temperature characteristics
ется только у топлив для холодного и арктического климата (обозначаются как классы). Температура застывания вообще отсутствует в требованиях, хотя является важным показателем такого эксплуатационного свойства, как про-качиваемость [5, 8]. Применительно к задачам трубопроводного транспорта температура за-
стывания дизельного топлива может быть использована как ориентировочный показатель минимально предельной температуры,при которой возможно проведение перекачки. Однако следует учитывать, что проводить перекачку по трубопроводам дизельного топлива ниже его температуры помутнения длительное время
не рекомендуется, так как это может привести к образованию отложений парафина на стенках трубопровода. Наличие скоплений отложений парафина приводит к уменьшению величины внутреннего сечения трубопровода, повышению гидравлических сопротивлений и, следовательно, к увеличению энергетических затрат на проведение перекачки. Таким образом, используя зависимость (12) или ее запись в виде (13) с соответствующими коэффициентами из табл. 4, можно определять значения кинематической вязкости дизельных топлив ЕВРО классов 4, 3, 2 и сорта C, выпускаемых по ГОСТ Р 52368-2005, при диапазонах температур, указанных в табл. 5-8.
При наличии массива экспериментальных данных для других образцов дизельных топлив коэффициенты аппроксимации в формуле (12) могут быть найдены с использованием пакета прикладных программ Microsoft Office Excel.
Предложенный авторами подход для аналитического представления кинематической вязкости в зависимости от температуры является одним из возможных. Окончательный выбор используемых формул зависит от поставленной задачи и исполнителей.
Литература:
1. Лурье М.В. Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. М.: Изд. центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. 456 с.
2. Марон В.И. Гидродинамика однофазных и многофазных потоков в трубопроводе. М.: МАКС Пресс, 2009. 344 с.
3. Коршак А.А., Нечваль А.М. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов. СПб.: Недра, 2008. 488 с.
4. ГОСТ Р 52368-2005 (ЕН 590:2009). Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия. М.: ФГУП «Стандартинформ», 2005. 28 с.
5. Гришин Н.Н., Середа В.В. Энциклопедия химмотологии. М.: Изд-во «Перо», 2016. 960 с.
6. Агапкин В.М., Борисов С.Н., Кривошеин Б.Л. Справочное руководство по расчетам трубопроводов. М.: Недра, 1987. 191 с.
7. Данильченко И.Г., Голеницкий А.И., Мельников Д.И. Аналитическое представление характеристик нефтепродуктов для гидравлического расчета полевого магистрального трубопровода // Труды 25 ГосНИИ МО РФ. 2008. Вып. 54. С. 510-521.
8. Сафонов А.С., Ушаков А.И., Гришин В.В. Химмотология горюче-смазочных материалов. СПб.: НПИКЦ, 2007. 488 с.
References:
1. Lurie M.V. Mathematical Modeling of Pipeline Transportation of Oil and Gas. Moscow, Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2012, 456 pp. (In Russian)
2. Maron V.I. Hydrodynamics Single-Phase and Multiphase Flows Through a Pipeline. Moscow, MAKS press, 2009, 344 pp. (In Russian)
3. Korshak A.A., Nechval' A.M. Gas and Oil Pipeline Design and Operation. St. Peterburg, Nedra publ., 2008, 488 pp. (In Russian)
4. GOST R 52368-2005 (EH 590:2009) EURO Diesel Fuel. Specification. Moscow, Standartinform, 2005, 28 pp. (In Russian)
5. Grishin N.N., Sereda V.V. Encyclopedia of Himmotology. Moscow, Pero Publ., 2016, 960 pp. (In Russian)
6. Agapkin V.M., Borisov S.N., Krivoshein B.L. Reference Manual on Pipeline Calculation. Mocsow, Nedra publ., 1987, 191 pp. (In Russian)
7. Danil'chenko I.G., Golenitski A.I., Mel'nikov D.I. Analytical Characterization of Oil Products for Hydraulic Calculation of a Field Main Pipeline. In: Proceedings of 25th State Research Institute of the Ministry of Defense of the Russian Federation, 2008, Issue 54, P. 510-521. (In Russian)
8. Safonov A.S., Ushakov A.I., Grishin V.V. Himmotology of Fuel and Lubricating Materials. St. Petersburg, NPIKC publ., 2007, 488 pp. (In Russian)
100
№ 6 июнь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
иЯ
РСиЕХРО
24-26 октября 2017
Москва, МВЦ «Крокус Экспо»
16-я Международная выставка
«Насосы. Компрессоры. Арматура. Приводы и двигатели»
©увеличьте Л
объем продаж ^ЯРГ
привлеките расширьте
новых клиентов географию сбыта
Получите электронный билет на сайте www.pcvexpo.ru, указав промокод рсу17рТгЕА
Организатор
Соорганизаторы
*РАПН
Партнер выставки
НМ
Стратегический медиапартнер
СФЕРА
Генеральный медиа-партнер раздела «Насосы»
пшмаж
УДК 622.692.4.07
О.С. Босюк1; С.М. Купцов2, e-mail: kuptsov_sm@mail.ru
1 ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, РФ).
2 ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
Сочетание тепловой изоляции трубопровода и холодильных машин при транспорте углеводородов в северных районах
Рассмотрена задача подбора минимальной толщины тепловой изоляции для подземного трубопровода. Показано, что минимальная толщина тепловой изоляции существенно зависит от сезонных климатических условий и температуры транспортируемого жидкого углеводорода. При одинаковой температуре углеводорода необходимую толщину тепловой изоляции следует определять исходя из весенних условий, что приведет к неэффективному использованию изоляции в зимний период.
Для уменьшения расхода тепловой изоляции необходимо дополнительно использовать систему охлаждения транспортируемого жидкого углеводорода. Система охлаждения конденсата должна эффективно работать более 6 мес в году. При подземной прокладке трубопровода для охлаждения конденсата в северных районах лучше использовать пропан-бутановые парокомпрессионные холодильные машины. Охлаждение конденсата является технологически необходимым и экономически обоснованным мероприятием для конденсатопроводов, сооружаемых в условиях Крайнего Севера на участках с многолетнемерзлыми грунтами.
Возможно сочетание системы охлаждения конденсата и применения тепловой изоляции.
Ключевые слова: подземный трубопровод, тепловая изоляция, температура, конденсат, грунт, система охлаждения.
O.S. Bosyuk1; S.M. Kuptsov2, e-mail: kuptsov_sm@mail.ru
1 Gazprom PJSC (Saint Petersburg, Russia).
2 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (Moscow, Russia).
Combining Thermal Insulation of Pipeline and Refrigerating Machines in Transport of Hydrocarbons in The Northern Regions
The problem of selecting the minimum thickness of thermal insulation for an underground pipeline is considered. It is shown that the minimum thickness of heat insulation is substantially dependent on the seasonal climatic conditions and the temperature of the transported liquid hydrocarbon. At the same temperature of the hydrocarbon, the necessary thickness of thermal insulation should be determined on the basis of spring conditions, which will lead to inefficient use of insulation in the winter. To reduce the consumption of thermal insulation, it is necessary to additionally use the cooling system of the transported liquid hydrocarbon. The condensate cooling system should effectively work more than 6 months a year. When underground pipelines are used to cool condensate in the northern regions, it is better to use propane-butane steam-compression refrigerating machines. Condensate cooling is technologically necessary and economically feasible for condensate pipelines constructed in conditions of the Far North in areas with permafrost soils. A combination of a condensate cooling system and the use of thermal insulation are possible.
Keywords: underground pipeline, thermal insulation, the temperature, condensate, soil, cooling system.
Одной из серьезных проблем при трубопроводном транспорте углеводородов в районах многолетней мерзлоты является растепление грунта и образование таликов.
При эксплуатации подземного магистрального трубопровода в северных районах России наблюдаются аварии, связанные с потерей устойчивости трубопровода. Потеря устойчивости
трубопровода в районах многолетне-мерзлых грунтов во многом определяется (без учета качества изготовления трубы и сварных швов)тепловым режимом взаимодействия поверхности
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE
трубопровода и окружающего грунта. Переход грунта из мерзлого состояния в талое и обратно вызывает осадку, что наиболее характерно для пучинисто-опасных грунтов (пластичные глинистые и водонасыщенные пылеватые и мелкие пески).
Чтобы не допустить этого, в случае подземного трубопровода и отрицательной температуры грунта предлагается:
1)транспортировать углеводороды с температурой ниже фазового перехода воды при отрицательной температуре t < 0 °С;
2) использовать тепловую изоляцию, толщина которой должна обеспечить минимальную допустимую отрицательную температуру на границе с грунтом V < 0 °С.
из
Первый вариант практически не реализуем при транспортировке газового конденсата, нефти и нефтепродуктов. Это объясняется технологическими требованиями транспорта, нацеленными на исключение температур «помутнения» и «застывания» углеводородов [1]. Использование только тепловой изоляции в целях недопущения растепления, как показали расчеты на примере кон-денсатопровода «Уренгой - Сургут», может привести к неоднозначным результатам.
Минимальная толщина тепловой изоляции 5™п определяется не по наиболее суровым,январским,условиям при самой низкой температуре грунта = -14 °С. Необходимость увеличения минимальной толщины изоляции возрастает с ростом температуры грунта, обусловленной как протяженностью конденсатопровода от Уренгоя до Сургута, так и наступлением весеннего сезона (рис. 1).
Как видно из рис. 1, минимальная толщина тепловой изоляции определяется в зависимости от температур транспортируемого конденсата окружающего грунта и величины R, равной произведению линейного термического сопротивления передачи теплоты теплопроводностью (А,из) тепловой изоля-
Рис. 1. Подбор минимальной толщины тепловой изоляции трубопровода Fig. 1. Selecting the minimal thickness of pipeline heat insulation
Отсутствие тепловой изоляции на подземном конденсатопроводе приводит к потере устойчивости. Но и применение только одной тепловой изоляции для обеспечения безопасного теплового режима эксплуатации подземного трубопровода в мерзлом
ции и разности температур наружной поверхности изоляции и грунта
1 с! "I- 25
К-Л" --—и, (1)
4 из п>' 2-Я, -л с1 w
из пол
где dпол - наружный диаметр полиэтиленовой изоляции.
Ссылка для цитирования (for citation):
Босюк О.С., Купцов С.М. Сочетание тепловой изоляции трубопровода и холодильных машин при транспорте углеводородов в северных районах // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 6. С. 102-104.
Bosyuk O.S., Kuptsov S.M. Combining Thermal Insulation of Pipeline and Refrigerating Machines in Transport of Hydrocarbons in The Northern Regions. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 6, P. 102-104. (In Russian)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 6 june 2017
103
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
Рис. 2. Мощность системы охлаждения в зависимости от производительности конденсатопровода Fig. 2. Cooling system capacity vs. randensate piping output rate
грунте не является оптимальным решением проблемы. При использовании системы охлаждения конденсата возникает вопрос, что использовать в качестве источника холода - окружающий воздух (аппараты воздушного охлаждения) или хладагенты (холодильные машины). Необходимая мощность системы охлаждения Qx зависит от производительности конденсатопровода G и температуры транспортируемого углеводорода ^ (рис. 2) и определяется исходя из теплового баланса [3]. Система охлаждения конденсата должна эффективно работать более 6 мес в году. Результаты расчетов убеждают, что при подземной прокладке трубопровода для охлаждения конденсата в северных районах лучше использовать пропан-бутановые парокомпрессион-ные холодильные машины [2]. Охлаждение конденсата является технологически необходимым и экономически обоснованным мероприятием для конденсатопроводов, сооружаемых в условиях Крайнего Севера на участках с многолетнемерзлыми грунтами. Рассмотрен вариант, на первый взгляд содержащий противоречие: одновременное применение тепловой изоляции и охлаждения конденсата. Если использовать пенополиуретан толщиной 100 мм практически по всей длине конденсатопровода, зимой не надо охлаждать конденсат, а чем теплее окружающая среда (воздух и грунт), тем интенсивнее должно быть охлаждение. Наиболее вероятно, что для обеспечения требуемого охлаждения необходимы только холодильные машины.
Следовательно, проблема безопасной эксплуатации транспорта конденсата в суровых климатических условиях требует решения оптимизационной задачи.
Уменьшение влияния факторов, способствующих потере устойчивости трубопровода, требует резкого увеличения капитальных затрат на проектирование и эксплуатацию. Решение подобных вопросов выходит за рамки данной работы и может служить темой нового исследования.
Если точно знать места расположения просадочных грунтов по трассе, решение вопроса упрощается. Для таких мест толщина тепловой изоляции рассчитывается исходя из обеспечения отрицательной температуры в зоне контакта наружной поверхности трубопровода и грунта. В наиболее опасных местах следует предусмотреть установку интеллектуальных вставок, контролирующих напряжения, возникающие в стенках трубопровода.
Литература:
1. Босюк О.С., Купцов С.М. Тепловая изоляция подземного трубопровода в мерзлом грунте // Нефть, газ и бизнес. 2016. № 10. С. 33-35.
2. Босюк О.С. Исследование установок охлаждения конденсата на основе парокомпрессионных циклов // Нефть, газ и бизнес. 2013. № 4. С. 67-70.
3. Теоретические основы теплотехники: Учебное пособие. Часть II. Теплопередача в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности / Б.П. Поршаков, А.Ф. Калинин, С.М. Купцов и др. М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2006. 109 с.
References:
1. Bosyuk O.S., Kuptsov S.M. Thermal Insulation of Underground Pipeline in Frozen Ground. Neft', gaz i biznes = Oil, gas and business, 2016, No. 10, P. 33-35. (In Russian)
2. Bosyuk O.S., Kuptsov S.M. Research of Condensate Cooling Installations Based on Vapor Compression Cycles. Neft', gaz i biznes = Oil, gas and business, 2013, No. 4, P. 67-70. (In Russian)
3. Theoretical Foundations of Heat Engineering: Textbook. Part II - Heat Transfer in The Technological Processes of The Oil And Gas Industry. Authors: B.P. Porshakov, A.F. Kalinin, S.M. Kuptsov and others. Moscow, Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2006, 109 pp. (In Russian)
104
№ 6 июнь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
