CC BY
245
© Е.И. Крапивский, И.А. Вишняков, М.В. Козачок, 2011
УДК 622.692.4:550.832
Е.И. Крапивский, И.А. Вишняков, М.В. Козачок
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS/FL UENT ПРИ АНАЛИЗЕ ТРАНСПОРТИРОВКИ АНОМАЛЬНЫХ НЕФТЕЙ ОБРАБОТАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОМ
Одной из основных задач нефтеперекачивающего комплекса является вопрос повышения эффективности технологии транспортировки аномальных нефтей. В настоящей работе проведены исследования по обработке аномальной нефти мощным ультразвуком, с целью исследования его влияния на реологические свойства нефти. Для проведения точного анализа полученных экспериментальных данных был использован специализированный программный продукт вычислительной гидродинамики. На основе проведенного анализа сделаны соответствующие выводы.
Ключевые слова: реология, ультразвук, вязкость, транспортировка, обработка, компьютерное моделирование, расчетная сетка, модель турбулентности.
До недавнего времени изучение поведения жидкостей было ограничено экспериментальными методами, но в связи с быстрым ростом производительности компьютерных систем стало возможным анализировать и рассчитывать подобные процессы даже на персональных компьютерах. Информация, полученная с помощью численных расчетов, позволяет не только правильно осмыслить и понять физические эффекты, наблюдаемые, например, на экспериментальных установках, но и в некоторых случаях заменить физический или натурный эксперимент компьютерным как более дешевым [1]. Иногда компьютерный эксперимент является единственно возможным.
Применение специализированных программных продуктов вычислительной гидродинамики актуально при исследовании транспортирования высоковязких нефтей с измененными реологическими свойствами. Ввиду отсутствия возможности провести производствен-
ный эксперимент для сравнения характера течения исходной и обработанной нефти, был проведен численный эксперимент с использованием программного комплекса ANSYS/FLUENT.
Достижение максимальной эффективности в технологии транспортировки аномальных нефтей является одной из основных задач нефтеперекачивающего комплекса России. Существует множество способов и технологий улучшения реологических свойств аномальных нефтей. Однако проблема энергозатрат на транспортировку таких нефтей становится наиболее остро. Это связано с несовершенством технических средств и технологических процессов транспортировки и хранения нефти и является предпосылкой к разработке новых методов и технологий улучшения реологических свойств аномальных нефтей [2 - 4].
В настоящей работе проведены исследования по обработке аномальной нефти ультразвуком мощностью 15 Вт/см2.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - ультразвуковой генератор производства ООО «Ультразвуковая техника - ИНЛАБ», 2 - магнитострикционный преобразователь, 3 -емкость с водой, 4 - волновод-излучатель, 5 - ёмкость с обрабатываемой нефтью, 6 - установка автономного охлаждения
Использована высоковязкая нефть Харьягинского месторождений. Для изучения влияния ультразвуковой обработки нефтей на их реологические свойства использовалась экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1.
При обработке ультразвуком отчётливо наблюдались кавитационные эффекты: образовывались мельчайшие пузырьки заполненные газом и паром, которые, после фазы разряжения, практически моментально схлопывались вследствие перехода в фазу сжатия [5]. Кавитационная обработка ускоряет диффузию нефти в полости парафина, интенсифицирует процесс его разрушения. Известно, что одним из факторов, осложняющих транспортировку аномальной нефти, является высокая температура застывания. Для нефти Харьягинско-го месторождения она составляет в среднем 24 ° С. При этом содержание парафина 23,5 %, смол 3,5 % и асфаль-тенов 0,7 %
Измерения вязкости проводили с помощью ротационного вискозиметра «Реотест 4.1» Пробы термостатирова-лись охлаждающим/нагревающим циркулирующим термостатом. На рис. 2
представлена зависимость вязкости обрабатываемой нефти от температуры. Исследования проводились в диапазоне от 20 до 80 оС, в диапазоне от 20 до 40 оС с более коротким температурным шагом.
Обработка ультразвуком проводилась в течение 20 мин., давление 100 кПа.
Исходя из данных представленных на графике следует, что ультразвук мощностью 15 Вт/см2 при довольно продолжительном воздействии производит эффект снижения вязкости динамической аномальной нефти в среднем на 35 %.
Предположительно, данный эффект происходит вследствие возникновения сильного кавитационного эффекта, который в свою очередь ускоряет диффузию нефти в полости парафина, интенсифицирует процесс его разрушения. Ускорение растворения парафина идет за счет интенсификации перемешивания нефти на границе нефть-парафин и действия импульсов давления, которые как бы разбрызгивают частицы парафина. Нефть не обладает вязкостью, подчиняющейся законам Ньютона, Пуазейля, Стокса, так как длинные беспорядочно расположенные молекулы парафина и смол образуют некоторую гибкую решетку, в которой располагается раствор. Поэтому система оказывает значительное сопротивление силам сдвига. Кавитация разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул. Связи эти сравнительно малы, поэтому необходимо незначительное воздействие акустических волн.
Таким образом, кавитация влияет на изменение структурной вязкости, т.е. на
Рис. 2. Необработанные Харьягинская нефть и нефть обработанная ультразвуком мощностью 15 Вт/см2
временный разрыв Ван-дер-ваальсовых связей.
Расчет течения нефти до обработки и после с дальнейшим сравнением полученных результатов проводился в программном комплексе ANSYS/ FLUENT. Пакет предназначен для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким диапазоном изменения теплофизических свойств посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью.
ANSYS/FLUENT использует при расчете метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ - сеточный метод, при котором модель объекта задаётся системой дифференциальных уравнений в частных производных с заданными краевыми условиями.
Для описания турбулентных течений вязких жидкостей в программном комплексе ANSYS/FLUENT реализован подход, в основе которого лежит решение уравнений Навье-Стокса. Хотя не-
стационарные уравнения Навье-Стокса дают возможность описания реальных турбулентных течений, практическое их исследование методами прямого численного моделирования по системе уравнений Навье-Стокса на сегодня затруднено из-за больших вычислительных затрат. Поэтому в компьютерном моделировании гидродинамических процессов применяется подход, основанный на использовании осред-ненных по времени величин. В результате, решение модифицированных уравнений требует намного меньше машинных ресурсов. Для замыкания полученных уравнений используются различные модели турбулентности [6].
Ни одна из известных моделей турбулентности не является универсальной для всех существующих классов инженерных задач. Выбор оптимальной модели зависит от типа течения, специфического класса задачи, требуемой точности решения, доступных вычислительных ресурсов и т.п.
1015000 1013000 т 1011000 ^ 1009000 I 1007000 0J ш 1005000 га ^ 1003000 1001000 999000 — — До обработки — ■ После обработки ’ -- • 1г - * ***- Чь * <4
ооооооооооооооооооооооооооооооо Длина трубопровода, м
длина труоопровода, м Рис. 4. Линии гидравлического уклона
Рис. 3. График падения температуры нефти по длине трубопровода нефть и нефть обработанная ультразвуком мощностью 15 Вт/см2
Для проведения требуемого численного анализа была построена виртуальная модель, представляющая собой надземный нефтепровод условным диаметром 450 мм, длиной 300 м, без теплоизоляции. Модель состояла из трех тел: тела нефти, тела трубы и набегающего на нее холодного воздуха (окружающая среда).
Расчет виртуальной модели проводился на основе k-s RNG модели турбулентности, ввиду того, что по сравнению с остальными моделями, имеющимися в наличии в программном комплексе ANSYS/FLUENT, она обладает оптимальной для поставленной задачи точностью и, в то же время, не слишком требовательна к вычислительным машинным ресурсам.
Одним из условий получения корректных CFD-результатов (CFD -Computational Fluid Dynamics - вычислительная гидродинамика) является соз-
дание высококачественной расчетной сетки.
Расчетная сетка модели перекачиваемой нефти состояла из 1299806 элементов с 459671 узлами, модель стенки трубопровода - из 106283 элементов с 194124 узлами, модель окружающей среды - из 238075 элементов с 293832 узлами. Ввиду наличия повышенных градиентов скоростей и температур в пристеночной области, важным является условие создания в этой зоне сетки повышенной точности, по сравнению с ядром потока, т.е. с минимальным размером ячеек [7].
Граничными условиями для виртуальной модели являлись следующие параметры: скорость нефти на входе трубы
0,8 м/с; давление нефти на выходе 1001202 Па; начальная температура нефти 47 °С; скорость потока воздуха 3 м/с; температура воздуха -20 °С.
Ниже представлены результаты расчета. После обработки нефти градиент падения ее температуры по длине трубопровода возрастает (рис. 3). Это объясняется увеличением интенсивности процесса тепломассоперено-са при внутритрубном течении нефти ввиду снижения ее вязкости.
Однако, несмотря на то, что процесс охлаждения обработанной нефти происходит более интенсивно, чем для исходной нефти при прочих равных условиях, в целом это явление слабо влияет на положительный эф-фект по снижению линейных потерь напора вдоль трубопровода. Кривая падения давления для трубопровода,
транспортирующего обработанную нефть имеет меньшую величину уклона по сравнению с кривой, построенной для исходной нефти (рис. 4).
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Ввиду своей универсальности и экономической целесообразности метод обработки высоковязких нефтей ультра-
1. Применение системы ANSYS к решению задач механики сплошной среды. Практическое руководство / Под ред. Проф. А.К. Любимова. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2006. 227 с.
2. Сюняев З.И., Сюняев Р.З., Сафиева Р.З. Нефтяные дисперсные системы. - М.: Химия, 1990.
3. Девликамов В.В., Хабибуллин З.А., Ка-биров М.М. Аномальные нефти. - М.: Недра, 1975.
4. Ратов А.Н. Механизмы структурооб-разования и аномалии реологических свойств высоковязких нефтей и битумов//Российский хим. журн. 1995. Т. 39, № 5. С. 106-113.
звуком высокой мощности (15 Вт/см2) является перспективным при решении вопросов снижения энергетических затрат на их транспортировку. Однако, данный эффект требует дополнительных исследований. В дальнейшем предполагается провести аналогичные исследования высокопарафинистой нефти с применением ультразвука еще более высокой мощности (свыше 15 Вт) на единицу площади.
2. Метод численного эксперимента позволяет проанализировать характер течения исходной и обработанной нефти с высокой точностью, а также позволяет отказаться от лабораторных испытаний по сравнительному анализу рассматриваемых нефтей. Кроме того, использование математического аппарата при моделировании движения жидкости позволяет с легкостью варьировать заданные исходные параметры с целью нахождения оптимального решения поставленной задачи.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Крапивский Е.И., Некучаев В.О., Козачок М.В. О возможности изменения реологических свойств транспортируемой высоковязкой нефти с помощью физических полей. Материалы всероссийской конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» УГТУ (г. Ухта). 12-13 ноября 2009. - С. 194-196.
6. Илюшин Б.Б. Моделирование процессов переноса в турбулентных течениях: Учеб. пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2006. 78 с.
7. Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В. Калабина; под ред. Г.Г. Янькова. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 312 с., ил. НІШ
Крапивский Евгений Исаакович - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры транспорта и хранения нефти и газа нефтегазового факультета,
Krapivsky@rambler.ru;
Вишняков Иван Александрович - аспирант 1-го года обучения кафедры транспорта и хранения нефти и газа нефтегазового факультета, Ivanvishnyakov@mail.ru;
Козачок Максим Васильевич -аспирант 2-го года обучения кафедры транспорта и хранения нефти и газа нефтегазового факультета, Kozachokm@rambler.ru.
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет).
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)
НОСЕНКО Виктория Владимировна Сервисное обеспечение эксплуатации шахтных погрузочных машин и проходческих комбайнов избирательного действия 05.05.06 к.т.н.
