CC BY
121
УДК 622.692.4
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДОБАВОК ПРОТИВОТУРБУЛЕНТНЫХ ПРИСАДОК В ПОТОК НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ ПЕРЕКАЧКЕ ПО МАГИСТРАЛЬНЫМ ТРУБОПРОВОДАМ
М.М. ГАРЕЕВ, д.т.н., проф.
ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: [email protected]
В.Н. МАНЖАЙ, д.х.н., проф.
ФГБУН Институт химии нефти СО РАН (Россия, 634021, Томск, пр-т Академический, д. 4).
Д.А. АЛЬМУХАМЕТОВА, инженер по эксплуатации нефтегазопроводов
Черкасское РНУ АО «Транснефть -Урал» (Россия, 450077, Республика Башкортостан,
г. Уфа, ул. Крупской, д. 10).
Р.Г. ШАГИЕВ, к.т.н., вед. науч. сотр.
ГАНУ «Институт нефтегазовых технологий и новых материалов Республики Башкортостан» (Россия, Республика Башкортостан, 450075, г. Уфа, пр. Октября,
д. 129/3).
В статье приводится методика лабораторного тестирования потенциальных агентов снижения гидравлического сопротивления, позволяющая прогнозировать результаты на промышленном трубопроводе. При этом на основе функциональной связи касательных напряжений на стенке трубопровода и числа Рейнольдса для количественной оценки эффекта Томса предлагается зависимость с использованием критерия Рейнольдса.
Ключевые слова: противотурбулентные присадки (ПТП), эффект Томса, число Рейнольдса, касательные напряжения на стенке трубы, молярная масса, характеристическая вязкость.
В литературных обзорах [1, 2], посвященных эффекту Томса, описаны гидродинамические свойства десятков эффективных в лабораторных условиях противотурбулентных присадок (ПТП), но не все они при введении в промышленные трубопроводы оказались способными снижать сопротивление. Это расхождение между обнадеживающими результатами лабораторных экспериментов и отрицательными итогами промышленных испытаний объясняется тем, что в большинстве случаев, изучая поведение полимерных растворов, исследователи стремились смоделировать на лабораторных стендах течения с числом Рейнольдса, идентичные существующим в реальных трубопроводах, упуская при этом из виду величину напряжения сдвига на стенке трубы. Исходя из критерия Лемли [3], получено выражение для определения минимального напряжения сдвига на стенке трубопровода (пороговое значение), необходимое для начала проявления эффекта Томса.
> T
Wnop
RT
ц-М'
(1)
где R - газовая постоянная, Т - температура в кельвинах, м -молярная масса полимера, [р] - характеристическая вязкость раствора полимера.
Из выражения (1) следует, что полимерный образец является гидродинамически эффективным в конкретном трубопроводе при наличии в нем напряжения сдвига на стенке трубы, превышающего пороговое напряжение для данного образца (т^ > %пор). Следовательно, чем большие значения имеют характеристическая вязкость полимерных растворов [р] и молярная масса образца (м), а также чем ниже температура (Т), тем при меньших напряжениях сдвига будет наблюдаться эффект Томса.
В промышленных нефте- и продуктопроводах в обычном режиме их эксплуатации величины напряжения сдвига на стенке трубы, как правило, имеют невысокие
значения в интервале от 1 Па до 10 Па, поэтому эффективными в реальных условиях оказываются полимерные образцы высокой молярной массы (м > 106 кг/кмоль) и большой характеристической вязкости ([п] > 0,6 > м3/кг).
В работе [4] показано, что для проявления эффекта Томса недостаточно наличия турбулентного режима течения, а требуется еще определенная степень турбулентности, характеризующаяся пороговой частотой турбулентных пульсаций и пороговым значением числа Рейнольдса, и получены соответствующие формулы для их определения, выше значения которых будет проявляться эффект Томса. То есть если режимы течения нефти или нефтепродуктов с добавками ПТП в магистральном трубопроводе будут осуществляться при числах Рейнольдса выше его порогового значения или частота турбулентных пульсаций будет выше порогового значения, определенного для данной ПТП, то обязательно будет эффект снижения гидравлического сопротивления. Для турбулентного режима течения в зоне гидравлически гладких труб
Рис. 1. Зависимости величины эффекта (йЯ,°/о) и относительного приращения объемной скорости (АО/ОБ) водного раствора полиакриламида (С = 0,03 кг/м3) от числа Рейнольдса (Ив), полученные на двух различных турбореометрах (№ 1 и № 2)
Рис. 2. Зависимости величины эффекта ШИ,%) и относительного приращения объемной скорости (АО/ОБ) водного раствора полиакриламида(С= 0,03 кг/м3) от напряжения сдвига (т полученные на двух различных турбореометрах (№ 1 и № 2)
Ре > Ре (2)
пор
25,28 ■
С2
RT
V2 .р
■[п]
0,571
где Репор - пороговое число Рейнольдса; с1, р, V - диаметр трубопровода, плотность и коэффициент кинематической вязкости перекачиваемой жидкости соответственно.
Для турбулентного режима в зоне смешанного трения [5]
70 60 50-1 40 30 20100
DR, %
1а +2а
у = 16,24!п(х) + 3,225 R2 = 0,976
QlQs
у = 0,200!п(х) -0,137 R2 = 0,991
1Ь + 2Ь
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0
10
15
20
25 Па
30
35
40
45
Ре > Ре
пор
А
0,533
(3)
0,127!д кб-0,627
к - абсолютная эквивалент-
где А = 10 ная шероховатость.
В работе [6] показано преимущество формулы для порогового числа Рейнольдса для оценки начала проявления эффекта Томса по сравнению с пороговым напряжением сдвига на стенке трубопровода, а именно прогнозирование эффекта безразмерным параметром критерием Рейнольдса, что дает возможность целенаправленно для конкретного трубопровода с диаметром б и рода перекачиваемой жидкости, характеризующейся плотностью р и коэффициентом вязкости V, сформулировать требования для выбора или для синтезирования присадки по молекулярной массе и характеристической вязкости.
Таким образом, если известны значения м и [р] полимерного образца, а также температура жидкости и напряжение сдвига на стенке конкретного трубопровода, то при выполнении неравенства (1), (2), (3) можно теоретически прогнозировать положительный результат от применения полимерной добавки.
Однако в дальнейшем при количественной оценке величины эффекта ПТП необходимо определиться, который
из вышеупомянутых параметров (число Рейнольдса или напряжение сдвига на стенке трубы) более точно позволит прогнозировать эффект на промышленных трубах по данным лабораторных испытаний [8].
Для решения этой задачи были проведены экспериментальные исследования [7] влияния напряжения сдвига и числа Рейнольдса на скорость турбулентного течения водного раствора полиакриламида (С = 0,03 кг/м3) на двух турбореометрах (№ 1 и № 2) с различными геометрическими параметрами каналов (Я, = 1,110-3 м; Ь = 0,8 м;
11/Я1 = 730) и (Я2 = 1,910-3 м; 12 = 1,4 м;
12/Я2 ■■
730).
Были построены кривые эффективности йЯ, % присадки от числа Рейнольдса Ре и эффективности РР, % от напряжения сдвига т^. Показатели эффективности в координатах йЯ, % от Ре, полученные в разных реометрах для одной и той же присадки различаются (рис. 1).
В показателях эффективности в координатах йЯ, % от ш независимо от геометрических характеристик каналов реометров все экспериментальные точки ложатся на соответствующие кривые йЯ = ^тш), которые с вполне удовлетворительными коэффициентами корреляции Я2 > 0,97 аппроксимируются неразрывными логарифмическими функциями (рис. 2).
Таким образом, на основании экспериментальных результатов можно заключить следующее: для
5
т
адекватного прогнозирования эффекта Томса на промышленном трубопроводе по данным лабораторных исследований необходимо исследовать эффективность растворов присадки при различных концентрациях в координатах DR - т^ и (или) AQ/Qs - т^ (а не в координатах DR - Ре и (или) AQ/Qs - Ре) при напряжениях сдвига на стенке трубы, которые в лабораторных экспериментах должны быть равными реально существующим в магистральных трубопроводах.
Если же численные значения м и [р] неизвестны и теоретическое прогнозирование невозможно, то нужно провести экспериментальное тестирование полимерных растворов на лабораторном турбулентном реометре по следующей методике:
1) необходимым условием при проведении экспериментальных исследований является создание в лабораторном реометре турбулентного режима течения с Ре > 2300;
2) достаточным условием может считаться наличие положительного результата в лабораторных экспериментах (AQ > 0) при напряжении сдвига в реометре (тлабор), равном напряжению сдвига, существующему в реальном трубопроводе (ттруб), то есть при выполнении условия
тпор < тлабор. = Ттруб.;
3) на лабораторном турбореометре необходимо измерить объемные расходы чистого растворителя и ряда полимерных растворов различных концентраций ^р) при напряжении сдвига, равном имеющемуся в промышлен-
ном трубопроводе(тл
лабор. Ттруб.)
^ DR и AQ/Qs,
деленным концентрациям растворов. Построить калибровочные графики зависимости вышеназванных параметров от содержания полимера в растворе, по которым можно будет прогнозировать приращение объемного расхода, величину эффекта и относительное увеличение объемного расхода жидкости (увеличение пропускной способности) в промышленном трубопроводе.
В практике трубопроводного транспорта при расчетах удобнее пользоваться числом Рейнольдса, чем напряжением сдвига на стенке трубы, так как для вычисления напряжения сдвига нужно знать потери давления на трение
АР • б
^ = 4/ ■ (4)
а непосредственными измерениями давления манометрами на исследуемом участке можно определить общие потери давления [8].
Существует функциональная связь между числом Рейнольдса и напряжением сдвига, например для зоны гидравлически гладких труб турбулентного режима течения эта функциональная связь описывается формулой
\0,57 ( D .1,14
Ре = 6,32 1 . (5)
:). Затем рассчитать зна-
чения AQ = Qp - Qs, DR и AQ/Qs, соответствующие опре
Ре
1,75
(6)
где с
25,2
трубопровода и для данного полимерного раствора, поскольку для слабоконцентрированных растворов полимеров изменением значения вязкости и плотности от концентрации можно пренебречь без ущерба для точности расчетов.
Зависимость (6) запишем в виде:
Т\Мпор
□ р 1,75 ^^пор
(7)
где Репор определяется по формуле (2) или (3) в зависимости от зоны турбулентного режима течения.
Для зоны смешанного трения турбулентного режима течения функциональная связь между числом Рейнольдса и напряжением сдвига описывается формулой 68 к Ре + б
1 72,7 где с1 =--
0,25 Ре2
(8)
Выводы
1. При перекачке нефти или нефтепродуктов по данному трубопроводу с добавками ПТП с известными характеристиками проявление эффекта Томса будет наблюдаться при условии Ре > Репор. Для вычисления в зависимости от зоны турбулентного режима течения можно использовать формулы (2) и (3).
2. Для прогноза количественной характеристики зависимости эффекта Томса на промышленном трубопроводе по данным лабораторного тестирования необходимо исследовать эффективность растворов присадки при различных концентрациях в координатах DR - т^ и (или) AQ/Qs - т^, при напряжениях сдвига на стенке трубы, которые в лабораторных экспериментах должны быть равными реально существующим в магистральных трубопроводах,а для вычисления напряжения сдвига использовать функциональную зависимость от числа Рейнольдса (формулы (6) и (8)).
Из этой формулы можно выразить напряжение сдвига
- эта величина постоянна для данного
с
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Virk P.S. Drag Reduction Fundamentals // AJChE Journal. 1975. V. 21, № 4. Р. 625-246.
2. Белоусов Ю.П. Противотурбулентные присадки для углеводородных жидкостей. - М.: Наука, 1986. 144 с.
3. Манжай В.Н., Илюшников А.В., Гареев М.М., Несын Г.В. Лабораторные исследования и промышленные испытания полимерной добавки для снижения энергетических затрат на магистральном нефтепроводе // Инженерно-физический журнал. 1993. Т. 65, № 5. С. 515-517.
4. Рахматуллин Ш.И., Гареев М.М., Ким Д.П. О турбулентном течении слабоконцентрированных растворов полимеров в трубопроводах // Нефтегазовое дело. 2005. http:www.ogbus.ru
5. Гареев М.М., Тахаув Р.М., Рахматуллин Ш.И. Об эффективности перекачки по магистральным нефтепроводам нефтей и нефтепродуктов с полимерными добавками // Матер. конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения». - Уфа: Транстэк, 2006. С. 105-108.
6. Рахматуллин Ш.И., Гумеров А.Г., Гареев М.М. и др. Способ снижения гидравлического сопротивления в турбулентном потоке. Патент на изобретение № 2288402, зарегистрирован 27.11.2006 г., заявка № 2005109812.
7. Манжай В.Н. Экспериментальное изучение влияния напряжения сдвига и числа Рейнольдса на величину эффекта Томса // Известия вузов. Нефть и газ. 2010. № 4. С. 85-89.
8. Гареев М.М., Лисин Ю.В., Манжай В.Н., Шаммазов А.М. Противотурбулентные присадки для снижения гидравлического сопротивления трубопроводов. - СПб.: Недра, 2013. 228 с.
FORECASTING OF EFFICIENCY OF ADDITIVES OF ANTITURBULENT ADDITIVES IN A STREAM OF OIL AND OIL PRODUCTS AT TRANSFER ON THE MAIN PIPELINES
GAREEV M.M., Dr. Sci. (Tech.), Prof.
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: [email protected] MANZHAJ V.N., Dr. Sci. (Chem.), Prof.
Institute of petroleum chemistry SB RAS (4, Akademichesky Avenue, 634021, Tomsk, Russia) Al'muhametova D.A., engineer on operation of oil and gas pipelines Transneft Urals, JSC (10, Krupskoy St., 450077, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). Shagiev R.G., Cand. Sci. (Tech.), leading researcher,
Institute of petroleum technology and new materials of Republic of Bashkortostan (129/3, prosp. Oktyabrya, 450075, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia).
ABSTRACT
The article presents method of laboratory testing potential agents reduce flow resistance, allowing to predict the results on the industrial pipeline. In this case, based on the functional relationship of tangential stresses on the pipe wall and the Reynolds number for quantitative assessment the Toms effect is offered dependency using a Reynolds number. Keywords: turbulent viscosity reducing additives (anti-turbulent additives), Toms Effect, Reynolds Number, tangential stresses on the pipe wall, molar mass, the intrinsic viscosity.
REFERENCES
1. Virk P. S. Drag Reduction Fundamentals. AJChE Journal. 1975. V. 21, № 4. Р. 625-246.
2. BelousovJu. P. Protivoturbulentnye prisadki dlja uglevodorodnyh zhidkostej [Turbulent viscosity reducing additives for hydrocarbon liquids]. Moscow, Nauka Publ., 1986. 144 p. (in Russian).
3. Manzhaj V.N., Iljushnikov A.V., Gareev M.M., Nesyn G.V. Laboratory research and industrial tests of polymer additives to reduce energy consumption in trunk pipeline. Inzhenerno-fizicheskijzhurnal [Journal of Engineering Physics], 1993, no. 5, pp. 515-517. (in Russian).
4. Rahmatullin Sh.I., Gareev M.M., Kim D.P. On turbulent dilute solutions of polymers in pipelines.Neftegazovoedelo [Oil and gas business], 2005.
5. Gareev M.M., Tahauv R.M., RahmatullinSh.I. The effectiveness of pumping of oil and oil products with polymer additives by trunk pipelines. Materialy konferencii «Jenergojeffektivnost. Problemy i reshenija» [Proceedings of the conference Energy Efficiency. Problems and Solutions], Ufa, 2006, pp. 105-108. (in Russian).
6. Rahmatullin Sh.I., Gumerov A.G., Gareev M.M., Manzhaj V.N., Karamyshev V.G. Sposobsnizhenijagidravlichesko gosoprotivlenija v turbulentnompotoke. [A method for reducing the hydraulic resistance in turbulent flow]. Patent RF, no. 2288402, 2006.
7. Manzhaj V.N. Experimental study of the effect of shear stress and Reynolds number on the value of the Toms effect. Izvestijavuzov.Neft' igaz [Proceedings of the universities.Oil and gas], 2010, no. 4, pp. 85-89. (in Russian).
8. Gareev M.M., LisinJu.V., Manzhaj V.N., Shammazov A.M. Protivoturbulentnye prisadki dlja snizhenija gidravlicheskogo soprotivlenija truboprovodov [Turbulent viscosity reducing additives to reduce the hydraulic resistance of pipelines]. Saint Petersburg, Nedra Publ., 2013. 228 p. (in Russian).
