CC BY
4311. Mechanics of industrial robots: In 3 books. / Ed. K.V. Frolova, E.I. Vorobyova. Moscow: Higher. school., 1988. 304 p.
12. M.B. Ignatiev, F.M. Kulakov, A.M. Pokrov-sky, Algorithms for controlling robot's manipulators. Leningrad: Mechanical Engineering, 1982. 268 p.
13. M. Vukobratovich, D. Stokich, N. Kirchanski, Non-adaptive and adaptive control of manipulation robots. Moscow: Mir, 1989. 376 p.
14. A.V. Timofeev, Robot control. Leningrad: Machine Stand, 1986. 256 p.
15. Applied Fuzzy Systems / Ed. T. Terano, K. Asai - transl. From Japan. Moscow: Mir, 1993. 368 p.
EFFECT OF ANTI-TURBULENCE ADDITIVES ON THE OPERATION OF FLOWMETERS
Krasnov A.
Candidate of technical sciences, associated Professor
Prakhova M.
Аssociated Professor Ufa State Petroleum Technological University (USPTU)
ВЛИЯНИЕ ПРОТИВОТУРБУЛЕНТНЫХ ПРИСАДОК НА РАБОТУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
РАСХОДА
Краснов А.Н.
Канд. техн. наук, доцент Прахова М.Ю.
Доцент, Уфимский государственный нефтяной технический университет
Abstract
When pumping oil through pipelines in all areas between pumping stations, there are pressure losses due to the hydrodynamic resistance of the liquid. It depends on various factors, including the rheological properties of the liquid and the nature of its flow (laminar or turbulent). To reduce turbulence, anti-turbulence additives (ATA) are used, which affect the correctness of the calibration characteristics of flow meters. The article presents the results of studies of this effect for a turbine and ultrasonic flow meter.
Аннотация
При перекачке нефти по трубопроводам на всех участках между насосными станциями возникают потери напора, обусловленные гидродинамическим сопротивлением жидкости. Оно зависит от разных факторов, в том числе от реологических свойств жидкости и характера ее течения (ламинарное или турбулентное). Для снижения турбулентности используют противотурбулентные присадки (ПТП), что влияет на корректность градуировочных характеристик расходомеров. В статье приводятся результаты исследований этого влияния для турбинного и ультразвукового расходомера.
Keywords: flow mode, anti-turbulence additive, turbine flow meter, ultrasonic flow meter, calibration characteristic
Ключевые слова: режим течения, противотурбулентная присадка, турбинный расходомер, ультразвуковой расходомер, градуировочная характеристика
Эффективность транспорта любых углеводородов по магистральным трубопроводам фактически определяется затратами электроэнергии на перемещение единицы продукта на определенное расстояние. В случае жидких углеводородов, например, нефти, производительность трубопровода (пропускная спесобность) зависит прежде всего от таких факторов, как состояние самого трубопровода и мощность магистральных насосных агрегатов. Однако существенное влияние оказывают также режим течения и физико-химические свойства перекачиваемой среды, в частности, ее вязкость. Именно они определяют гидродинамическое сопротивление, оказываемое напору, развиваемому магистральными насосными агрегатами. Повышение их мощности ограничено предельными значениями давления в трубопроводе, поэтому необходимо использование альтернативных методов снижения гидродинамического сопротивления.
Одним из таких методов является некое «упорядочение» турбулентного течения [1] за счет введения в поток нефти определенного количества некоторых полимеров, так называемых противотур-булентных присадок (ПТП). Они представляют собой гель или суспензию высокомолекулярного углеводородного полимера в растворителе (так называемом носителе). ПТП позволяют уменьшить турбулентность в пристеночной области, в результате чего уменьшается гидравлическое сопротивление и потери напора на трение [2].
Эти присадки улучшают реологические свойства перекачиваемой среды, но в то же время оказывают влияние на используемые средства измерения расхода и, как следствие, на метрологические характеристики учета углеводородов. Поэтому исследование и оценка этого влияния является актуальной научно-практической задачей.
Рассмотрим более подробно механизм воздей-
ствия ПТП на реологию потока. При транспортировке нефти или нефтепродуктов по магистральному трубопроводу основным видом движения жидкости является турбулентный (вихревой) режим, при котором скорости частиц жидкости в каждой точке беспорядочно меняются. В таком потоке происходят пульсации скоростей, под действием которых частицы жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении, получают также поперечные перемещения, приводящие к интенсивному перемешиванию потока по сечению. В результате затраты энергии на движение жидкости по сравнению с ламинарным потоком возрастают.
Несмотря на то, что ПТП используются достаточно давно (первое промышленное использование в мире в 1979 году на Трансаляскинском магистральном нефтепроводе, в России в 1985 году на
J7 V/ __—
конечном участке нефтепровода «Лисичанск - Ти-хорецк»), механизм их действия до конца не изучен [3]. На сегодняшний день принято считать, что ПТП непосредственно взаимодействуют с турбулентными возмущениями и снижают рассеяние энергии в них. Клубок макромолекул ПТП после введения в турбулентный поток нефти под воздействием углеводородов разворачивается в длинные молекулярные цепочки по длине трубопровода (рис. 1, а). Возникающие молекулярные «нити» гасят турбулентные завихрения в потоке углеводородов, позволяя жидкости течь более направленно, прямолинейно (рис. 1, б, в). Это явление происходит во всем объеме обрабатываемого потока углеводородной жидкости.
а) механизм действия ПТП в) поток с присадкой
Рис.1. Влияние ПТП на характер потока
Теперь становится очевидным неизбежное влияние ПТП на метрологические характеристики преобразователей расхода, используемых в системах коммерческого учета нефти и нефтепродуктов [4]. При реализации косвенного динамического метода учета средством измерения расхода чаще всего является турбинный преобразователь расхода (ТПР). Используются также ультразвуковые расходомеры (УЗР).
Основной характеристикой ТПР является его коэффициент преобразования (его также называют К-фактор, имп/м3), представляющий собой количество импульсов выходного сигнала, приходящееся на единицу объема, как правило, на один кубометр. Значение этого коэффициента определяется по результатам ежегодной поверки ТПР. В межповерочном интервале также постоянно проводится контроль метрологических
характеристик (КМХ), для ТПР эта процедура проводится не реже одного раза в месяц. В ходе этой процедуры определяют фактическое значение коэффициента преобразования на месте эксплуатации в рабочем диапазоне расходов и относительного отклонения его значения от значения коэффициента преобразования, установленного в системе
обработки информации (СОИ). Абсолютные значения относительных отклонений коэффициентов преобразований не должны превышать 0,15 % [5].
Значение коэффициента преобразования ТПР зависит от многих факторов, таких как скорость потока, реологические свойства жидкости (вязкость, предельное напряжение сдвига, смачиваемость), загрязненность чувствительного элемента ТПР и др. При использовании противотурбулентных присадок изменяются как раз реологические свойства нефти, что однозначно приводит к изменению К-фактора и, соответственно, возникновению дополнительной погрешности.
Для оценки степени и характера влияния ПТП на метрологические характеристики (МХ) преобразователей расхода были использованы результаты экспериментальных исследований, проведенных в ПАО «Транснефть». Целью испытаний турбинных расходомеров была оценка стабильности их работы, а ультразвуковых - влияния концентрации ПТП.
Для турбинного расходомера были получены четыре градуировочные характеристики (ГХ): первая ГХ при полном отсутствии ПТП, а еще три - в условиях применения ПТП (первая из них была
принята за номинальную, а две оставшиеся использовались для определения стабильности работы преобразователя расхода). Полученные результаты приведены на рис. 2.
Анализ результатов определения МХ турбинного преобразователя расхода Т2М-250 показывает:
- отклонения К-фактора ТПР при определении МХ без применения ПТП превышают допускаемые отклонения (± 0,15 %) относительно ГХ, полученной в условиях применения ПТП;
О, м
- отклонения К-фактора ТПР, определенные при стабильной концентрации ПТП в нефти, находятся в пределах ± 0,05 % (при допускаемых отклонениях ± 0,15 %).
Для ультразвукового ПР были получены три ГХ: без применения ПТП, с применением ПТП с концентрацией 5,0 г/т и 8,0 г/т (последняя была принята за номинальную ГХ). Результаты показаны на рис. 3. В каждом случае проводилась настройка «нуля» в СОИ.
164, 164, 164, 164, 164, 164, 164, 164, 163, 163, 163, 163, 163, 163, 163, 163, 163, 163, 162,
300 601
ГХ с ПТП 5,3г/т (26.04)
- ГХ с ПТП 5,3г/т (27.04)
- ГХ с ПТП 5,3г/т (29.04)
899 1170 1493 1817
---допускаемое отклонение ГХ от 26.04
К ГХ без ПТП (28.04)
К, имп/м3
Рис. 2. Результаты исследований турбинного преобразователя расхода TZN-250 фирмы Faure Herman (Франция)
Анализ результатов исследования для УЗР показывает:
- градуировочная характеристика при условиях применения ПТП обладает высокой степенью линейности;
- отклонение коэффициента преобразования в минимальной точке расхода при определении МХ
без применения ПТП превышает допускаемое отклонение (± 0,15 %) относительно ГХ, полученной при определении МХ с применением ПТП;
- отклонения коэффициентов преобразования УЗР, определенные при разных концентрациях ПТП (5 г/т и 8 г/т) в нефти, находятся в пределах ± 0,065 % (при допускаемых отклонениях ± 0,15 %).
Q, м3/ч К, имп/м3
10020 10018 10016 10014 10012 10010 10008 10006 10004 10002 10000 9998 9996 9994 9992 9990 9988 9986 9984 9982 9980 9978 9976 9974 9972 9970 9968 9966 9964 9962 9960
299
604
905
1205
_ — ГХ с ПТП 8,0г/т (19.05) — — ГХ без ПТП (20.05)
— — Допускаемое отклонение )|( ГХ с ПТП 5,2г/т (23.05)
Рис. 3. Результаты исследований ультразвукового ПР типа DFX Ду 200 (ООО «ЕНХА», Россия)
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.
Противотурбулентные присадки обеспечивают ламинарный поток в пристеночной области трубопровода, снижая его сопротивление и увеличивая скорость потока, и, как следствие, - вращение ротора турбинного ПР (при прочих равных условиях). Соответственно для корректной работы ТПР в случае применения ПТП необходимо изменение К-фактора. С увеличением концентрации применяемых ПТП значения коэффициентов преобразований в каждой рабочей точке расхода увеличиваются.
Поведение УЗР в различных условиях (применения ПТП и их отсутствия) стабильно. Однако эта стабильность достигается трудоемкой предварительной настройкой, которая, как правило, выполняется представителями компании-изготовителя либо специально обученными специалистами.
Турбинные преобразователи расхода используются для коммерческого учета практически везде, поэтому для обеспечения достоверности учетных операций необходимо их поверку производить как в условиях обычной перекачки, так и в условиях применения ПТП. Это позволит использовать в межповерочном интервале градуировоч-ную характеристику, соответствующую текущим условиям перекачки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Павлов В.В. и др. Повышение эффективности работы трубопровода при последовательной перекачке нефти и нефтепродуктов [Электронный ресурс] - URL https://giprotruboprovod.transneft.ru/press/ articles/?id=20712.
2. Бархатов А.Ф., Настепанин П.Е. Противо-турбулентная присадка как один из способов снижения капитальных и эксплуатационных затрат // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2014. № 3 (15). С. 18-26.
3. Валиев М.И., Жолобов В.В., Тарновский Е.И. К вопросу о механизме действия высокомолекулярных полимерных противотурбулентных присадок // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. № 3 (11). 2013. С. 18 - 25.
4. Грудз В.Я., Аль-Дандал Р.С. Исследование влияния противотурбулентных присадок на гидравлическое сопротивление нефтепродуктопровода // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 3 (27). С. 44 - 50. URL: https://special.brstu.ru/static/unit/jour-nal_smt/docs/number-27/44-50.pdf.
5. МИ 3532-2015 Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Рекомендации по определению массы нефти при учетных операциях с применением систем измерений количества и показателей качества нефти. -URL: http://files.stroyinf.ru/In-dex2/1/4293756/4293756631.htm.
