CC BY
17УДК 330.524:620.9/656.665.777
ПЕРСПЕКТИВЫ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ НА ТРАНСПОРТ УГЛЕВОДОРОДОВ
С. М. Дудин, А. Н. Шиповалов, С. Ю. Подорожников, Ю. Д. Земенков
(Тюменский государственный нефтегазовый университет)
Ключевые слова: трубопровод, фазовое состояние, структурные формы течения, газожидкостный поток, объемное газосодержание, гидравлическое сопротивление Key words: pipeline, flow velocity, phase statement, flow structure forms, gas and liquidflow, volume gas content, hydraulic resistance, pressure differential
Системы трубопроводного транспорта углеводородного сырья (УВС) России являются развитыми с позиций осуществления технологического процесса и с позиций безопасности процесса перекачки углеводородов по трубам.
Повышенное внимание к экологической и промышленной безопасности транспорта углеводородов со стороны надзорных организаций диктует необходимость совершенствования систем контроля и управления процессом перекачки. Мероприятия по обеспечению эксплуатационной надежности и эффективности трубопроводных систем сориентированы на применение современных технологий для восстановления и ремонта трубопроводов. Развитие систем мониторинга режимов перекачки направлено на решение задач обнаружения и прогнозирования утечек транспортируемого продукта.
Вместе с этим в Российской Федерации действует ряд правительственных программ и распоряжений федерального и регионального уровней, сориентированных на повышение энергоэффективности промышленных объектов в нефтегазовом комплексе страны.
• Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.
• Федеральный закон Российской Федерации № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» от 23.11.2009.
• Распоряжение Правительства РФ от 27 августа 2005 г. № 1314-р о «Концепции мониторинга потенциально опасных объектов инфраструктуры РФ».
• Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы» распоряжение Правительства Российской Федерации от 6 июля 2006 г. № 977-р .
• Долгосрочная целевая программа «Основные направления развития минерально- сырьевого и топливно-энергетического комплексов 2010-2012 гг.» распоряжение Правительства Тюменской области №1275-рп, 31.08.09. и др.
Поэтому приоритетным направлением в развитии систем трубопроводного транспорта углеводородов является разработка и совершенствование энергосберегающих технологий для предприятий ТЭК. Одним из наиболее перспективных инструментов в области снижения энергетических затрат на трубопроводный транспорт энергоресурсов могут стать системы мониторинга технологических процессов в нефтегазовой отрасли.
В настоящее время характерной особенностью эксплуатации трубопроводов является работа в режимах существенной недогрузки объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья, при давлениях ниже проектных. Особое значение это имеет для трубопроводов, транспортирующих газонасыщенные и нестабильные среды, а также на участках трубопровода, где возникают условия для проявления эффектов многофазности продукта и нестационарности режима течения. Неблагоприятные эффекты многофазности потока проявляются при испарении газового конденсата, изменении в потоке концентрации парафинов, солей, смол, изменении объёмной доли газа в потоке газонасыщенной нефти и др. Нестационарность процесса перекачки наблюдается при реализации режима запуска (остановки), на переходных режимах работы трубопровода, а также на аварийных режимах.
В связи с указанными особенностями эксплуатации возникает необходимость осуществлять своевременную оценку гидродинамического состояния перекачиваемого продукта в трубопроводе для оптимизации энергетических затрат на его транспорт.
Решение поставленной задачи возможно применением систем мониторинга гидродинамических характеристик транспортируемой среды. В основу всех систем, предназначенных для наблюдения, контроля и управления параметрами исследуемого процесса заложен принцип, который формулируется «информация о состоянии контролируемого процесса обрабатывается для использования моделью этого процесса в режиме реального времени».
Методы сбора и передачи информации достаточно легко реализуются с помощью технических средств телемеханики. В качестве моделей, характеризующих исследуемый процесс, применяются, в основном, математические модели, которые позволяют наиболее точно описать изучаемый процесс. Использование высокочастотных ЭВМ и непосредственное участие оператора позволяют осуществлять непрерывный контроль и управление параметрами исследуемого процесса в режиме реального времени.
В разное время вопросами математического моделирования течения УВС в трубопроводах занимались многие исследователи: Н. А. Слезкин, С. Г. Телетов, С. С. Кутателадзе, М. А. Стырикович, Х. А. Рахматуллин, А. Н. Крайко, Л. Е. Стернин, А. К. Дюнин, Ю. Т. Борщевский, А. И. Гужов, В. Ф. Медведев, Р. И. Нигматулин, Н. А. Яковлев, М. А. Гусейнзаде, А. Б. Шабаров, Ю. С. Даниэлян, В. А. Юфин, В. Н. Антипьев, А. Б. Шабаров, В. А. Зысин, Э. Л. Китанин, А. К. Галлямов, Кутуков С. Е., Г. Уоллис и др.
К настоящему времени многими авторами разработан ряд моделей течения углеводородных жидкостей в трубопроводах с использованием классических положений теории механики сплошных сред. Различия заключаются в количестве и качестве учитываемых условий и особенностей трубопроводного транспорта углеводородов.
Большинство публикаций, посвященных трубопроводному транспорту многофазных углеводородов, раскрывают вопросы транспорта двухфазных углеводородных систем, где особое внимание уделяется режимам течения газонасыщенных и газожидкостных смесей с выделением в структуре потока газовой и жидкой фаз. Например, в работах [1, 2, 3, 4] для горизонтальных потоков авторами описываются и выделяются следующие структурные формы течения газожидкостной смеси (рис. 1).
Рис. 1. Структурные формы газожидкостного потока:
а - раздельная; б - пузырьковая; в - пробковая; г - эмульсионная
В промышленных трубопроводах [3], наиболее распространенными структурными формами потока являются пробковая и эмульсионная. Между отдельными формами течения газожидкостных смесей нет четких границ раздела, а имеются сравнительно широкие переходные зоны по скорости и газосодержанию.
Характерной особенностью режимов течения двухфазных углеводородных сред является пульсация давления, например, в случае трубопроводного транспорта газожидкостных смесей. Пульсация давления в трубопроводе приводит к нарушению нормального режима работы перекачивающего оборудования, контрольно-измерительных приборов и т.д. [1].
При перекачке многофазных смесей типа газ-нефть-вода, состоящей из двух взаимно нерастворимых жидких фаз - нефти и воды, также возникают трудности из-за образования эмульсий в процессе их движения по трубам. Кроме того, в реальных условиях эксплуатации трубопроводов, проложенных по пересеченной местности, на газожидкостный поток вместе с силами трения действуют силы гравитации. В результате чего, жидкая фаза аккумулируется на восходящих участках, а газовая - на нисходящих участках трассы трубопровода. Например, в процессе эксплуатации трубопроводных систем возникают осложнения (рис. 2), связанные с уменьшением проходного сечения или полной закупоркой труб, вызванных образованием устойчивых газовых пробок и скоплений жидкости (воды или конденсата).
В нефтях, перекачиваемых по магистральным и промысловым нефтепроводам, почти всегда содержатся растворенные нефтяные газы, которые могут аккумулироваться в локальные скопления газа, выделяющегося из жидкости при понижении давления. Помимо этого в нефтепроводах возможно образование водяных пробок, связанных с перекачкой обводненных нефтей. Скопления воды и газа уменьшают рабочее сечение труб, увеличивают их гидравлическое сопротивление [5]. Аналогичные трудности возникают и при трубо-
проводном транспорте нестабильных жидкостей (ШФЛУ, нестабильный конденсат, сжиженный газ) особенно в зимнее время или в пусковой период.
Рис. 2. Эксплуатационные осложнения, возникающие при транспорте гетерогенных сред
Отдельно необходимо отметить негативное влияние гидратов на технологические процессы в вертикальных трубах. Такие процессы характерны для скважин, эксплуатируемых на подземных хранилищах газа.
Особенно остро данная проблема проявляется в условиях Крайнего Севера, когда низкие пластовые температуры и суровые климатические условия создают благоприятные условия для гидратообразования в скважинах и наземных коммуникациях: устьевой арматуре, шлейфовых трубопроводах. Несвоевременная ликвидация образовавшихся гидратов может привести к серьезным последствиям - полной остановке скважины и выведением её из технологического процесса.
Наличие эксплуатационных осложнений в трубопроводах приводит к повышению гидравлического сопротивления, гидростатического перепада давления и не редко к полной закупорке поперечного сечения трубопровода (образование локальных скоплений газа, водяных пробок и кристаллогидратов).
Устойчивость эксплуатационных осложнений в первую очередь обусловлена термобарическими условиями течения углеводородов в трубе, а также компонентным составом углеводородной системы и геометрической формы трубопровода.
Известно, что затраты мощности на перекачку единицы массы углеводородного сырья (УВС) в виде газа на 2 - 3 порядка превышают затраты мощности на перекачку УВС в виде жидкости. Поэтому для вопросов энергосбережения при транспорте УВС важной задачей является разработка и использование при проектировании и эксплуатации метода расчета течения и тепломассопереноса газожидкостных углеводородных сред в промысловых и магистральных трубопроводах.
На кафедре «Транспорт углеводородных ресурсов» ТюмГНГУ в течение последнего десятилетия ведутся исследования в области мониторинга технологических процессов в системах трубопроводного транспорта энергоресурсов.
К настоящему времени разработан ряд физико-математических моделей, описывающих процессы транспорта и хранения УВС на объектах нефтегазовой промышленности.
Последней разработкой авторского коллектива является физико-математическая модель течения газожидкостной смеси в конденсатопроводе, которая позволяет выполнять опера-
тивный анализ гидродинамического состояния конденсата в трубопроводе. Подробное описание системы уравнений и замыкающих соотношений приведено в работе [6].
Разработанная физико-математическая модель течения УВС в трубопроводе, учитывающая изменение компонентного состава жидкой и газовой фаз, позволила провести рас-четно-параметрическое исследование теплофизических параметров нефтеконденсатной смеси в различных сечениях продуктопровода (на примере конденсатопровода Уренгой-Сургут). Представлены результаты расчетов параметров УВС вдоль трассы трубопровода (рис. 3). Из сопоставления расчетных и реально наблюдаемых перепадов давления и температуры, можно сделать вывод об адекватности выбранной расчетной физико-математической модели конденсатопровода (относительное отклонение рассчитанного перепада давления от реально наблюдаемого составляет 4,6% и отклонение расчетного изменения температуры от экспериментального составило 1,5%).
Длина, км
Рис. 3. Параметры УВС вдоль трассы конденсатопровода
Представлено расчетно-параметрическое исследование фазового состояния УВС вдоль трассы конденсатопровода, где (рис.4) показано изменение параметра двухфазности V и истинного объемного газосодержания УВС при снижении рабочего давления перекачки на 0,6 МПа в начале трубопровода.
При снижении рабочего давления перекачки на трассе конденсатопровода (см. рис. 4) могут возникать участки, где УВС переходит в двухфазное газожидкостное состояние (мольная доля паровой фазы принимает значение 0<^1 и приобретает определенный физический смысл). В этом случае дальнейший расчет гидродинамических параметров кон-денсатопровода проводился с учетом двухфазности течения УВС.
Рис. 4. Изменение параметров фазового состояния УВС вдоль трассы конденсатопровода при различном давлении продукта во входном сечении
Выводы
• Современные трубопроводы работают при давлениях ниже проектных, что создает благоприятные условия для образования и существования эксплуатационных осложнений, которые снижают гидравлическую эффективность нефтегазопроводов.
• Разработаны физико-математическая модель и методика расчета равновесного течения углеводородной смеси в конденсатопроводе с учетом фазовых переходов и изменения компонентного состава фаз, которые могут быть использованы научно-исследовательскими и проектными институтами, промышленными предприятиями при проектировании и эксплуатации трубопроводов, транспортирующих газожидкостные среды.
• Результаты расчетно-теоретического исследования свидетельствуют о том, что при неполной загрузке конденсатопровода по мощности в трубопроводе имеют место участки с двухфазным течением. Поэтому для снижения энергозатрат на транспорт конденсата необходимо обеспечивать однофазный режим течения по всей длине трубопровода.
• Полученная при мониторинге течений УВС в трубопроводах информация может быть интегрирована в алгоритм принятия управленческих решений по регулированию режимами работы трубопроводных систем, что в итоге позволит снизить энергетические затраты на перекачку при предотвращении образования эксплуатационных осложнений по трассе трубопровода.
Список литературы
1. Гужов А. И. Совместный сбор и транспорт нефти и газа. - М.: Недра, 1973.
2. Жолобов В. В., Тарновский Е. И. Моделирование течения многокомпонентной углеводородной жидкости в трубопроводах // Известия ТПУ. Серия «Геология и разработка нефтяных и газовых месторождений». - Томск, том 305, вып. 8, 2002.
3. Сбор, транспорт и хранение природных углеводородных газов: Учебное пособие./Гужов А. И., Титов В. Г., Медведев В. Ф. и др. - М.: Недра, 1978.
4. Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа: Учебное пособие для системы дополнительного профессионального образования/ А. А. Коршак, А. М. Нечваль. - Уфа: ДизайнПоли-графСервис, 2005.
5. Трубопроводный транспорт жидких и газообразных энергоносителей / Яковлев Е. И., Иванов В. А., Клюк Б. А. и др. - М.: ВНИИОЭНГ, 1993.
6. Дудин С. М. Моделирование фазового состава газоконденсата в трубопроводах. / Дудин С. М., Земенков Ю. Д., Шабаров А. Б., Саранчин Н. В.// Известия вузов. Нефть и газ. - Тюмень, - 2010. - №6.
7. Диагностика повреждений и утечек при трубопроводном транспорте многофазных углеводородов. Под общей редакцией Ю. Д. Земенкова. - Тюмень: Вектор Бук, 2002.
Сведения об авторах
Дудин С. М., ассистент, кафедра «Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов и хранилищ», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.:(3452)20-19-31, е-mail:dudin@tsogu. ru
Шиповалов А. Н., начальник Лонг-Юганского ЛПУ; ООО «Газпром трансгаз Югорск»; г. Югорск, тел.: (3499)51-55-10, e-mail: ashipovalov@lyg.ttg.gazprom.ru
Подорожников С. Ю., к. т. н., доцент, кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452) 20-19-31, e-mail: usds@tsogu.ru
Земенков Ю. Д., д.т.н., заведующий кафедрой «Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов и хранилищ», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.:(3452)20-19-31, е-mail: zemenkov@tsogu.ru
Dudin S. M., postgraduate, Department «Designing and operation of oil and gas pipelines and storag-es» Tyumen State Oil and Gas University, phone :(3452)20-19-31, е-mail:dudin@tsogu.ru
Shipovalov A. N., Long-Yugan pipeline management board chief; «Gazprom Transgaz Yugorsk Ltd. »Yugorsk city
Podoroghnikov S. Yu., PhD, associate professor, Hydrocarbon resources transportation department, Tyumen State Oil and Gas University
Zemenkov Yu. D., Doctor of Technical Sciences, Head of Department «Designing and operation of oil and gas pipelines and storages»Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452) 20-19-31
