CC BY
56
УДК 621.311 А. С. Фиков
ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ОТ ОЧИСТКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ
Предложен метод определения потенциала энергосбережения от очистки магистральных нефтепроводов. Метод основывается на построении линейных трендов эквивалентного диаметра нефтепровода. Влияние эквивалентного диаметра нефтепровода на энергопотребление учитывается посредством коэффициента эластичности расхода электрической энергии по эквивалентному диаметру нефтепровода.
На поверхностях технологического оборудования добычи и транспортировки нефти в процессе эксплуатации образуются парафиновые отложения. Изучению механизма отложения парафина посвящено много отечественных и зарубежных работ. Этот механизм характеризуется двумя процессами: выпадением парафина из нефти и осаждением выпавшего парафина на внутренних поверхностях трубопроводов [1]. Значительный интерес к данной предметной области обусловлен необходимостью защиты от отложений парафина, снижающих технологические характеристики оборудования. Удаление накопленных парафиновых отложений производится различными способами и зависит от конструктивной особенности оборудования. Так, например, обвязку нефтеперекачивающих станций предлагается очищать перегретым паром [2]. Удаление осадков резервуарного парка осуществляется с использованием химических и механических средств. Очистка магистральных нефтепроводов производится механически с помощью скребков [3].
Вопрос очистки магистральных нефтепроводов обычно рассматривается с точки зрения поддержания пропускной способности, однако в условиях роста цен на энергоносители важной составляющей экономического эффекта является экономия энергоресурсов. Уменьшение эквивалентного диаметра нефтепровода за счет отложений парафина снижает пропускную способность
нефтепровода и при неизменных других технологических факторах приводит к увеличению удельного расхода электрической энергии (ЭЭ) на транспортировку нефти.
Количество пропусков очистных устройств при периодической очистке определяется для каждого нефтепровода особенностью эксплуатации, свойствами перекачиваемой нефти, а также экономической целесообразностью. Увеличение пропускной способности магистрального нефтепровода х, %, оценивается по эмпирическому выражению в зависимости от количества пропусков очистных устройств [3]:
Х = аК
100.
(1)
где а, Ь - эмпирические множители, определяемые для каждого нефтепровода в отдельности; К - количество пропусков очистных устройств.
Такой подход к планированию очистки показывает недостаточную изученность влияния режима пропуска очистных устройств на технологические параметры транспортировки нефти.
Согласно [3, 4] периодическая
очистка нефтепровода проводится при снижении пропускной способности нефтепровода более чем на 3 % или уменьшении эквивалентного диаметра нефтепровода ёэ в одном направлении
более чем на 2,5 %. Поскольку мгновенное значение мощности, потребляемой насосными агрегатами, пропорцио-
нально эквивалентному диаметру нефтепровода в степени минус 4,75 [5], то перерасход ЭЭ за счет отложений парафина перед пропуском очистных устройств может достигать 12 %. В этих условиях задачи прогноза изменения электропотребления от пропуска очистных устройств с целью поддержания проектной пропускной способности нефтепровода, определения потенциала энергосбережения от очистки магистральных нефтепроводов являются весьма актуальными.
Один из существующих способов определения изменения электропотребления от периодической очистки нефтепровода основан на сравнении расчетных значений удельного расхода ЭЭ до очистки и после нее, при этом сэкономленная ЭЭ оценивается по выражению [6]
АЖ = —________И^'Р
Л-Ь-ц
(2)
где Н1, И 2 - полные потери напора до и после очистки нефтепровода соответственно, м; Р - грузооборот нефти за расчетный период, тыс. т-км; Л - коэффициент, А = 0,3672-10-3 тыс. т-км/(кВт-ч); Ь - протяженность участка нефтепровода, м; п - КПД нефтепровода.
На практике потери напора постоянно изменяются не только в результате очистки нефтепровода, но и под воздействием таких факторов, как смена состава насосных агрегатов, смена ротора или обрезка рабочего колеса насосного агрегата, изменение вязкости нефти, включение или отключение лупинга, открытие перемычки между двумя нитками нефтепровода, срабатывание системы автоматического регулирования и т. д. Так, например, в условиях постоянно изменяющейся производственной программы увеличение грузооборота нефти за счет включения дополнительного насосного агрегата вызывает увеличение потерь напора по длине нефтепровода, и возможна ситуация, когда И2 > И . При этом формально очистка
нефтепровода вызовет не снижение, а увеличение электропотребления.
Изложенный в [7] способ оценки изменения расхода ЭЭ от периодической очистки нефтепровода с целью поддержания проектной пропускной способности основан на использовании выражений (3), (4) и проиллюстрирован на рис. 1:
(
П" = е"
Л
1 -
"2
"э.баз J
1-
"к
"э.баз J
•100;
•100.
(3)
(4)
где е" - коэффициент эластичности
расхода ЭЭ по эквивалентному диаметру нефтепровода в середине интервала очистки нефтепровода; е”" - коэффициент эластичности расхода ЭЭ по эквивалентному диаметру нефтепровода в середине интервала между очистками нефтепровода; "'э 2 - измененное значение эквивалентного диаметра нефтепровода в результате очистки в середине интервала очистки нефтепровода, м; "'"2 - измененное значение эквивалентного диаметра нефтепровода в результате очистки в середине интервала между очистками нефтепровода, м; "э'баз -
базисное значение эквивалентного диаметра нефтепровода (без очистки) в середине интервала очистки нефтепровода, м; "э"баз - базисное значение эквивалентного диаметра нефтепровода (без очистки) в середине интервала между очистками нефтепровода, м.
Коэффициент эластичности показывает, на сколько процентов изменится электропотребление при изменении эквивалентного диаметра на 1 %.
Изменение эквивалентного диаметра нефтепровода оценивается относительно предположительного линейного тренда. Данный тренд параметра "э
определяется исходя из предположения о том, что эквивалентный диаметр неф-
тепровода без проведения очистки «зарастал» бы отложениями парафина с той же интенсивностью, что и после очистки. Выбор за базис предположительного линейного тренда 3 позволяет оценить сэкономленную электрическую энергию путем очистки нефтепровода, но не позволяет производить сравнение эффективности различных способов очистки, оценивать резервы экономии
энергии за счет рационализации способов очистки. Действительно, улучшение качества очистки, например увеличением числа пропусков очистных устройств, должно приводить к уменьшению соотношения <2/"э"баз, а значит, и
к уменьшению оценки экономии энергии за счет очистки нефтепровода.
Рис. 1. Динамика эквивалентного диаметра нефтепровода во время и после очистки нефтепровода:
Ф - эквивалентный диаметр во время очистки нефтепровода; О - эквивалентный диаметр после очистки нефтепровода; 1 - линейный тренд эквивалентного диаметра во время очистки нефтепровода; 2 - линейный тренд эквивалентного диаметра после очистки нефтепровода; 3 - предположительный линейный тренд эквивалентного диаметра без очистки нефтепровода
Для определения потенциала энергосбережения от очистки парафинистых отложений нефтепровода предлагается выражение, применимое как для линейного, так и для нелинейного изменения во времени эквивалентного диаметра нефтепровода:
ЛЖ =ХеЛЩ
Апг - Ли. •
"!+1
I "э (п)"п
(5)
где N - количество трендов эквивалентного диаметра нефтепровода; е" - коэффициент эластичности эквивалентного диаметра нефтепровода; Ж - среднесуточное электропотребление, кВт-ч/сут; Лп - продолжительность интервала времени увеличения или уменьшения эквивалентного диаметра нефтепровода, сут; "э.тах - максимальное значение эквивалентного диаметра нефтепровода, м; п -время, сут; "э (п) - функция, описываю-
щая изменение эквивалентного диаметра во времени, м.
Продолжительность интервала времени Лпг, сут, увеличения или уменьшения эквивалентного диаметра нефтепровода определяется из выражения
Лп. = П-+1 - п .
(6)
Начальное п1 и конечное nN+1 значения времени, в интервале которых определены зависимости эквивалентного диаметра нефтепровода "э.(и), являются исходной информацией к расчету. Значения времени п. , соответствующие
смене тенденции эквивалентного диаметра нефтепровода, определяются путем решения следующего уравнения относительно п :
"э .-1(п)- "э г(п )= °.
(7)
!=1^
В выражении (5) изменение эквивалентного диаметра нефтепровода в процессе очистки нефтепровода и после нее оценивается относительно значения эквивалентного диаметра нефтепровода "э тах, превышение которого за счет
очистки парафинистых отложений принимается невозможным. Значение параметра "этах, м, определяется как максимальное из числа значений эквивалентного диаметра нефтепровода, описываемого функциями "э г (п):
"э.тах = тах{"э1 (п1 )>"э2(п2^ " • >"эN().(+1)} '(8)
На рис. 2 условно показаны зависимости эквивалентного диаметра нефтепровода в различные интервалы времени. Получение данных зависимостей основывается на статистической информации поведения параметра "э на
временных интервалах очистки нефтепровода (возрастающие зависимости) и между очистками (убывающие зависимости).
Рис. 2. Изменение эквивалентного диаметра нефтепровода в процессе его очистки
Наиболее удобным методом получения зависимостей "э (п) является метод наименьших квадратов. Рис. 2 поясняет принцип определения параметров предложенного выражения (5) для определения потенциала энергосбережения от очистки парафинистых отложений нефтепровода. Заштрихованная область характеризует потенциал энергосбережения за счет совершенствования способов очистки.
Исследованную динамику эквивалентного диаметра нефтепровода "э (п), м,
возможно описать линейными зависимостями вида
"э (п) = а • п + Ь, (9)
где а - коэффициент регрессии, опреде-
ляющий скорость изменения эквивалентного диаметра нефтепровода в процессе очистки и после нее, м/сут; п -время, сут; Ь - свободный член уравнения регрессии, м.
В случае принятия линейного вида зависимости эквивалентного диаметра нефтепровода от параметра п выражение (5) для определения потенциала энергосбережения от очистки нефтепровода запишется в виде
AW = Ап,
1 — d т
а, Ап , пг +—- +ь ,
_ 7 2 _
(10)
Значения времени смены тенденции эквивалентного диаметра нефтепровода определяются путем решения
,=1.М
уравнения (7) относительно п и при г е [2; N] находятся по выражению
г-1
аг - аг
(11)
г-1
где Ьi, Ьг-1 - свободные члены линейных уравнений регрессии, аппроксимирующих значения эквивалентного диаметра нефтепровода на интервалах времени Лпг и Лпг-1, м; аг, аг-1 - коэффициенты линейных уравнений регрессии, аппроксимирующих значения эквивалентного диаметра нефтепровода на интервалах времени Лп. и Лпг-1, м/сут.
Максимальное значение эквивалентного диаметра нефтепровода, "тах, м, достигнутое в результате его очистки, определяется на границах смены направлений линейных трендов эквивалентного диаметра нефтепровода:
"тах = тах{а1 • п1 + ^ а2 • п2 +
+ Ь2,к, аN • nN + ^ ^ • nN+1 + ЬN } (12)
На рис. 3 и 4 представлена динамика эквивалентного диаметра нефтепровода в процессе его очистки. Численные значения эквивалентного диа-
метра нефтепровода имеют разброс относительно аппроксимирующих линейных трендов, что вызвано случайной составляющей погрешности определения данного параметра. Наличие наблюдаемой погрешности не позволяет использовать для целей определения потенциала энергосбережения от пропуска очистных устройств единичные значения параметра "э в начале и конце интервалов очистки нефтепровода, определенные путем косвенных измерений. В частности, на интервале, соответствующем времени между вторым и третьим пропуском очистных устройств (см. рис. 3), начальное и конечное значения эквивалентного диаметра нефтепровода равны 1,056 м. Согласно оценке единичных значений параметра "э, эквивалентный диаметр в рассматриваемом интервале времени не изменился. Анализ линейного тренда на рассматриваемом интервале времени показывает, что эквивалентный диаметр нефтепровода уменьшился на 0,5 %. Этому значению соответствует средний перерасход ЭЭ 0,7 %.
Интервал времени п, сут
Рис. 3. Динамика эквивалентного диаметра нефтепровода в процессе его очистки (1-й режим очистки)
Интервал времени п, сут
Рис. 4. Динамика эквивалентного диаметра нефтепровода в процессе его очистки (2-й режим очистки)
В соответствии с предложенным выражением (10) определяется потенциал энергосбережения (см. рис. 3 и 4). Максимальное достигнутое значение эквивалентного диаметра нефтепровода в первом режиме очистки составило "этах = 1,059 м. Это же значение принято в качестве максимального для второго режима очистки, поскольку рассматриваемые режимы очистки относятся к одному участку нефтепровода.
Расчет потенциала энергосбережения, определяемого исходя из соображения поддержания данного значения
эквивалентного диаметра нефтепровода во всем интервале времени его эксплуатации, представлен в табл. 1 и 2.
Значения резерва энергосбережения в первом и втором режимах очистки нефтепровода получены за временные периоды различной продолжительности (для первого режима псум = 89 сут, второго режима псум = 66 сут). Для удобства сравнения величины АЖ их необходимо привести к единому временному периоду ппр, в качестве которого могут выступать сутки, месяц, квартал или год.
Табл. 1. Расчет потенциала энергосбережения от очистки нефтепровода в первом режиме
Номер трен- да Зависимость "э(п), м Начало интервала п, сут Продолжительность интервала Ап, сут Коэффициент эластичности е" Среднесуточное электропотребление Ж, тыс. кВт-ч/сут Резерв энергосбережения А', кВт-ч
1 33,81-10-4 п+0,878 50 3,6 -1,40 931 26 127
2 -4,62-10-4 п +1,084 53,6 24,5 -1,40 931 163 906
3 14,21-10-4 п +0,937 78,1 7,2 -1,40 930 53 014
4 -3,14 10-4 п +1,085 85,3 19,4 -1,50 850 90 027
5 8,70-10-4 п +0,961 104,7 7,0 -1,45 920 33 943
6 -2,85-10-4 п +1,090 111,7 27,3 -1,45 895 158 785
Всего: 89 - - 525 801
Табл. 2. Расчет потенциала энергосбережения от очистки нефтепровода во втором режиме
Номер трен- да Зависимость "э(п), м Начало интервала п, сут Продолжительность интервала Ап, сут Коэффициент эластичности е" Среднесуточное электропотребление Ж, тыс. кВт-ч/сут Резерв энергосбережения А', кВт-ч
1 4,1810-4 п+0,922 298 3,8 -1,40 900 53 846
2 -0,69-10-4 п +1,069 301,8 12,7 -1,40 925 177 403
3 10,69-10-4 п +0,711 314,6 10,1 -1,45 915 80 265
4 -3,91 ■ 10-4 п +1,185 324,7 25,8 -1,40 924 189 825
5 4,65-10-4 п +0,885 350,5 5,7 -1,40 933 69 183
6 -8,1810-4 п +1,342 356,2 7,8 -1,40 930 112 136
Всего: 66 - - 682 659
Выражение для определения приведенного потенциала энергосбережения запишется как
п
ЛЖ„д=ЛЖ ^Л-
(13)
где АЖ - выявленный потенциал энергосбережения за интервал времени псум, кВт-ч; ппр - интервал времени приведения потенциала энергосбережения, сут.
Согласно полученным данным, приведенный к годовому периоду потенциал энергосбережения в первом режиме очистки составляет 2 156 тыс. кВт-ч, во втором режиме - 3 775 тыс. кВт-ч. Таким образом, первый режим очистки нефтепровода является энергоэффективнее второго режима на 43 %. Переход со второго режима очистки рассматриваемого участка нефтепровода на первый режим позволит в год сэкономить порядка 450 т у. т. Дальнейшее совершенствование способов очистки нефтепровода позволит дополнительно сэкономить первичное топливо в объеме 600 т у. т. в год, или 0,67 % от технологического потребления ЭЭ.
Заключение
Наличие случайной составляющей погрешности определения эквивалентного диаметра нефтепровода не позволяет с достаточной степенью точности оцени-
вать изменение данного параметра по единичным значениям, соответствующим времени начала и конца очистки нефтепровода.
Разработан метод определения потенциала энергосбережения от периодической очистки парафина магистрального нефтепровода. В основу метода положено построение линейных трендов эквивалентного диаметра нефтепровода на временном интервале очистки нефтепровода и на временном интервале между очистками. Достоинством предложенного метода является исключение влияния случайной составляющей погрешности определения эквивалентного диаметра нефтепровода на прогноз изменения электропотребления, а также учет фактической взаимосвязи между электропотреблением исследуемого участка нефтепровода и усредненным значением его эквивалентного диаметра. Теоретический потенциал энергосбережения от периодической очистки нефтепровода составляет 0,67 % от технологического потребления электроэнергии.
Разработанный метод определения потенциала энергосбережения от периодической очистки парафина магистрального нефтепровода может быть использован для сравнения энергетической эффективности различных способов очистки. В частности, энергоэффективность способов очистки нефтепровода может отличаться на 43 %.
г =1М
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тронов, В. П. Механизм образования смолопарафиновых отложений и борьба с ними / В. П. Тронов. - М. : Недра, 1969. -192 с.
2. Катанов, Р. Ш. Технология очистки обвязки нефтеперекачивающих станций от внутритрубных отложений / Р. Ш. Катанов // Надежность и безопасность трубопроводного транспорта : материалы V междунар. науч.-техн. конф., Новополоцк, 7-9 июня 2006 г. / Полоц. гос. ун-т ; редкол. : В. К. Липский [и др.]. - Новополоцк, 2006. - С. 227-228.
3. Ерошкина, И. И. Применение методов очистки внутренней поверхности нефтепродук-топроводов для увеличения их пропускной способности / И. И. Ерошкина, С. Н. Челинцев, С. П. Макаров // Надежность и безопасность трубопроводного транспорта : тез. докладов IV междунар. науч.-техн. конф., Новополоцк, 2003 г. / Полоц. гос. ун-т ; редкол. : В. К. Липский
[и др.]. - Новополоцк, 2003. - С. 40-42.
4. Инструкция по очистке магистральных нефтепроводов : утв. РУП «Гомельтранснефть Дружба» 25.07.05. - Гомель. - 14 с.
5. Анищенко, В. А. Оценка и нормирование показателей энергоэффективности предприятий трубопроводного транспорта нефти / В. А. Анищенко, Н. В. Токочакова. - Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2007. - 233 с.
6. Рекомендации по подсчету экономии электроэнергии в нефтепроводном транспорте при внедрении организационно-технических мероприятий : утв. М-вом нефтяной промышленности Главтранснефть СССР 09.09.85. - Бугульма : НИС УСЗМН, 1985. - 30 с.
7. Методика оценки экономии электрической энергии при проведении энергосберегающих мероприятий в технологическом процессе транспортировки нефти : утв. Белорус. гос. конц. по нефти и химии 23.11.05. - Минск, 2005. - 57 с.
Гомельский государственный технический университет им. П. О. Сухого
Материал поступил 05.01.2010
А. S. Fikov
Potential of energy efficiency from clearing of the oil-trunk pipelines
The method of defining the potential of energy efficiency from clearing of the oil-trunk pipelines is offered. The method is based on construction of linear trends of the equivalent diameter of the oil pipeline. Influence of the equivalent diameter of the oil pipeline on energy efficiency is considered by means of elasticity coefficient of the electric energy consumption on the equivalent diameter of the oil pipeline.
