CC BY
78
REDUCTION OF ENERGY COSTS FOR OIL PUMPING WITH THE HELP OF ANTI-TURBULENT ADDITIVES Stryuk S.O. (Russian Federation) Email: [email protected]
Stryuk Sergey Olegovich - Student, SCHOOL OF EARTH SCIENCES ENGINEERING, TOMSK POLYTECHNIC UNIVERSITY, TOMSK
Abstract: in the article, analyzed different values of Reynolds numbers corresponding to different types of fluid flow in the pipeline - laminar, transient and turbulent flow regime. The effect of Toms and the parameters influencing it are analyzed, such as the Reynolds number, the length and diameter of the pipeline, the temperature of the pumped product and its composition. The article presents a method of selecting an anti-turbulent additive for a particular oil, ways of reducing energy costs for oil pumping using additives. Keywords: Reynolds number, viscosity of medium, laminar flow, turbulent flow, Toms effect, counter-turbulent additives.
СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ПЕРЕКАЧКУ НЕФТИ С ПОМОЩЬЮ ПРОТИВОТУРБУЛЕНТНЫХ ПРИСАДОК Стрюк С.О. (Российская Федерация)
Стрюк Сергей Олегович - студент, инженерная школа природных ресурсов, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск
Аннотация: в статье анализируются разные значения чисел Рейнольдса, соответствующие разным характерам течения жидкости в трубопроводе -ламинарному, переходному и турбулетному режиму течения. Анализируются эффект Томса и параметры, оказывающие на него влияние, такие как число Рейнольдса, длина и диаметр трубопровода, температура перекачиваемого продукта и его состав. В статье представлен способ подбора противотурбулентной присадки под конкретную нефть, способы сокращения затрат энергии на перекачку нефти при использовании присадок.
Ключевые слова: число Рейнольдса, вязкость среды, ламинарный поток, турбулентный поток, эффект Томса, противотурбулентные присадки.
Характер течения среды в трубе и при обтекании преград способен сильно отличаться. Эти отличия зависят от природы транспортируемой среды. Важнейшим показателем является вязкость среды, характеризуемая коэффициентом вязкости. В 1880 г. ирландский инженер-физик Осборн Рейнольдс по результатам множества опытов вывел безразмерную величину, характеризующую характер потока вязкой жидкости, названную критерием Рейнольдса и обозначаемую Re:
Re = (v ■ L ■ р)/ц
где:
р — плотность жидкости;
v — скорость потока;
L — характерная длина элемента потока;
/ - динамический коэффициент вязкости.
Изменение данной величины отображает изменение соотношения сил инерции к силам вязкого трения в потоке жидкости, что, в свою очередь, влияет на характер
потока жидкости. В связи с этим принято выделять три режима потока в зависимости от значения критерия Рейнольдса.
При Де < 2300 наблюдается ламинарный поток, при котором жидкость движется тонкими слоями, почти не смешиваясь (рис. 1. б), при этом наблюдается постепенное увеличение скорости потока по направлению от стенок трубы к ее центру (рис. 1. а).
а б
Рис. 1. Ламинарный режим: а - профиль скорости в потоке; б - характер течения
Дальнейшее увеличение числа Рейнольдса приводит к дестабилизации такой структуры потока и значениям 2300 < Де < 4000 соответствует переходный режим, при котором отдельные слои начинают смешиваться друг с другом (рис. 2. б).
Рис. 2. Переходный режим: а - профиль скорости в потоке; б - характер течения
При Де > 4000 наблюдается уже устойчивый режим, характеризуемый беспорядочным изменением скорости и направления потока в каждой отдельной его точке (рис. 3. б), что в сумме дает выравнивание скоростей потока по всему объему (рис. 3. а). Такой режим называется турбулентным.
Рис. 3. Турбулентный режим: а - профиль скорости в потоке; б - характер течения
Эффект снижения гидравлического сопротивления нефтепродуктопровода при турбулентном течении нефтепродукта путем введения в поток раствора малой дозы полимеров называется эффектом Томса. Добавки полимеров приводят либо к увеличению скорости потока при постоянном давлении, либо к снижению давления перекачки при постоянной скорости течения.
Противотурбулентные присадки (ПТП) представляют собой полимеры линейной структуры с высокой молекулярной массой. Принцип работы присадок заключается в том, что длинные нитевидные молекулы располагаются вдоль движения молекул жидкости и сглаживают пульсации давления.
Установлено, что при введении ПТП в поток уменьшаются гидравлическое сопротивление и соответственно затраты мощности на перекачку. На поведение ПТП в той или иной степени влияют режим перекачки (число Рейнольдса), характеристики
23 ■ Еигореап Баепсе № 4 (36)
трубопровода (длина, диаметр), условия перекачки (температура перекачиваемого продукта). Зафиксировано значительное влияние на ПТП состава перекачиваемого продукта. Так, например, на дизельном топливе эффективность ПТП может достигать значений свыше 60%, на нефти эффективность меньше - ближе к 40%, а в неблагоприятных условиях может быть и менее 10-20%. Особенно велик риск неэффективной работы ПТП на тяжелых нефтях с повышенным содержанием асфальтенов, на которых возможно полное отсутствие эффекта Томса при применении традиционных полиальфаолефиновых ПТП [1].
Эффективным методом подбора ПТП для конкретной нефти/нефтепродукта является проведение стендовых испытаний. Для этого в ООО «НИИ Транснефть» была разработана установка для испытания присадок [1]. Она позволяет проводить испытания непосредственно на нефти/нефтепродукте при различном расходе и температурах от 0 до 40 °С. Оценка эффективности различных ПТП осуществляется на основе изменения режима течения исследуемой нефти при вводе присадки. Таким образом определяется эффективная присадка под определенную перекачиваемую среду из множества присадок, представленных на рынке.
В качестве ПТП активно используются присадки марок CDR-102 и Liquid Power фирмы «Conoco» (США), FLO-XL фирмы «Baker Pipeline Products», Necadd-547 фирмы «Fortum Oil & Gas Oy» (Финляндия) и ВИОЛ (Россия) [2].
Снижение энергозатрат на перекачку нефти и нефтепродуктов является одним из пунктов программы стратегического развития ОАО «АК «Транснефть» до 2020 г. Уменьшить энергозатраты возможно за счет:
• применения ПТП с целью отключения одного или нескольких магистральных насосных агрегатов (МНА) на ПС (ступенчатое регулирование);
• применения ПТП с целью снижения частоты вращения одного или нескольких МНА на ПС (частотное регулирование).
Снижение энергопотребления ОАО «АК «Транснефть» за счет применения ПТП позволит снизить нагрузку на сети федеральных сетевых компаний, а также высвободить дополнительные энергогенерирующие мощности для смежных отраслей.
Список литературы /References
1. Валиев М.И., Зверев Ф.С. Подбор противотурбулентных присадок для определенной нефти // Трубопроводный транспорт-2017: тезисы докладов XII Международной учебно-научно-практической конференции. Уфа: Издательство УГНТУ, 2017. С. 42-44.
2. Грудз В.Я., Аль-Дандал Р.С. Исследование влияния противотурбулентных присадок на гидравлическое сопротивление нефтепродуктопровода // Системы. Методы. Технологии, 2015. № 3. С. 44-50.
Список литературы на английском языке /References in English
1. Valiev M.I., Zverev F.S. Podbor protivoturbulentnyh prisadok dlja opredelennoj nefti [Selection of anti-turbulent additives for a particular oil] // Truboprovodnyj transport-2017: tezisy dokladov XII Mezhdunarodnoj uchebno-nauchno-prakticheskoj konferencii [Pipeline transport, 2017: abstracts of the XII International Academic and Scientific-Practical Conference] Ufa: Izdatel'stvo UGNTU, 2017. P. 42-44 [in Russian].
2. Grudz V.Ja., Al'-Dandal R.S. Issledovanie vlijanija protivoturbulentnyh prisadok na gidravlicheskoe soprotivlenie nefteproduktoprovoda [Investigation of the influence of anti-turbulent additives on the hydraulic resistance of the oil product pipeline] // Sistemy. Metody. Tehnologii [Systems. Methods. Technologies], 2015. № 3. P. 44-50 [in Russian].
