авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Обоснование температурных режимов работы надземных горячих нефтепроводов (на примере трубопровода цпс южно-шапкинское – харьяга)

На правах рукописи

ТРАПЕЗНИКОВ Сергей Юрьевич ОБОСНОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НАДЗЕМНЫХ «ГОРЯЧИХ» НЕФТЕПРОВОДОВ (НА ПРИМЕРЕ ТРУБОПРОВОДА ЦПС «ЮЖНО-ШАПКИНСКОЕ» – ХАРЬЯГА) Специальность 25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный консультант:

доктор технических наук, доцент Николаев Александр Константинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Поляков Вадим Алексеевич кандидат технических наук Подавалов Илья Юрьевич Ведущее предприятие: ООО «Балтнефтепровод»

Защита диссертации состоится 19.05.2011 г. в 1100 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.10 в Санкт Петербургском государственном горном институте (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт - Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 18.04.2011 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., проф. Н.И. Николаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время доля высоковязких и высокозастывающих нефтей в общем объеме ее добычи возрастает.

Большая их часть транспортируется в районах, которые характеризуются не только суровыми климатическими условиями, но и наличием вечномерзлых грунтов, что обуславливает прокладку трубопроводов надземным способом.

Однако, вопросы движения высоковязкой нефти по надземным трубопроводам изучены недостаточно широко. В таких трубопроводах особенно актуальным является учет изменения вязкости нефти по поперечному сечению, что влечет за собой искажение профиля скоростей и, как следствие, смещение теплового потока в трубе. Пренебрежение изменением температуры высоковязкой нефти по поперечному сечению приводит к ошибкам при расчете температурных режимов работы «горячих» нефтепроводов, а также к увеличению затрат на тепловую изоляцию.

Большой вклад в исследование вопросов, связанных с трубопроводным транспортом высоковязких и высокозастывающих нефтей, внесли Л.С. Абрамзон, В.М. Агапкин, Р.А. Алиев, В.Е. Губин, В.Ф. Новоселов, П.И. Тугунов, В.И. Черникин, В.А. Юфин, В.С. Яблонский, В.А. Поляков, В.Л. Нельсон, С.М. Коли, А.А. Аронс, Ф. Карг, Ф. Джил, Р. Рассел и другие ученые.

Анализ материалов этих исследований показывает, что на эффективность транспорта большее влияние оказывает температурный режим транспортируемой нефти. Поэтому, расчету температурных режимов работы трубопроводов, перекачивающих высоковязкую нефть в настоящее время уделяется большое внимание.

Существующие методы расчета нефтепроводов, основанные на использовании опытных данных в виде таблиц, номограмм и эмпирических формул, достоверны в определенном диапазоне конкретных измерений и не могут быть распространены для расчета транспортирования различных по своим свойствам нефтей, что вызывает необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований температурных режимов их транспортирования с целью повышения эффективности трубопроводного транспорта.

Цель работы. Повышение эффективности эксплуатации надземных «горячих» нефтепроводов на основе оптимизации температурных режимов их работы с учетом неравномерности распределения теплового потока по периметру трубопровода.

Основные задачи исследований:

– исследовать реологические свойства нефти, обработать результаты исследований и получить зависимость для определения динамической вязкости;

– разработать физико-математическую модель процесса тепломассообмена с учетом гидродинамики потока и реологической модели исследуемой высоковязкой нефти для стационарного процесса в трубопроводе;

– установить зависимость для расчета коэффициента гидравлического сопротивления при движении высоковязкой нефти в условиях неизотермического режима течения;

– разработать методику расчета температурных режимов работы трубопровода при неизотермическом движении высоковязкой нефти.

Идея работы. Температурный режим работы надземных трубопроводов следует определять в зависимости от неравномерности распределения температуры нефти по сечению трубы. Эта неравномерность может быть учтена введением в математическую модель процесса теплообмена между потоком нефти и окружающей средой коэффициента, зависящего от радиуса трубопровода, смещения теплового потока нефти и ее скорости.

Научная новизна диссертационной работы:

– разработана физико-математическая модель процесса теплообмена высоковязкой нефти с учетом смещения динамической оси потока относительно геометрической оси трубы, позволяющая дать рекомендации по утеплению нефтепровода;

– установлены зависимости по определению коэффициента гидравлического сопротивления высоковязкой нефти для ламинарного режима течения и зоны гидравлически гладких труб турбулентного режима течения при неизотермическом движении.

Основные защищаемые положения:

1. Толщину тепловой изоляции нефтепровода следует определять в зависимости от неравномерности распределения температуры нефти по сечению трубы с учетом ее эффективной вязкости, плотности и скорости потока;



2. Величину коэффициента гидравлического сопротивления при неизотермическом течении высоковязкой нефти следует определять как произведение соответствующего коэффициента при изотермическом течении и показателя, определяемого как отношение критерия Прандтля при средней температуре перекачиваемой нефти к критерию Прандтля при средних значениях температуры стенки трубы на заданном участке нефтепровода, и параметра, учитывающего неизотермичность движения нефти по длине трубопровода, что позволяет повысить точность расчета режимов транспортирования потока нефти.

Методика исследований. Для решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий:

анализ и обобщение данных по эксплуатации нефтепроводов в сложных природно-климатических условиях;

теоретический анализ с использованием фундаментальных уравнений гидромеханики и тепломассообмена;

математическое моделирование с использованием ПК;

экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность научных положений обоснована и подтверждена использованием современных методов проведения теоретических исследований, сходимостью расчетных и экспериментальных данных с применением регрессионного анализа.

Научные результаты выполненной работы заключаются в следующем:

– установлена аналитическая зависимость для определения скорости потока нефти в любой точке поперечного сечения с учетом смещенной динамической оси потока;

– установлена графическая зависимость для определения безразмерной температуры в любой точке поперечного сечения потока нефти с учетом распределения скорости;





– экспериментально установлена обобщенная реологическая кривая течения высоковязкой нефти;

– установлено критериальное уравнение для определения безразмерного коэффициента теплоотдачи Нуссельта в зоне гидравлически гладких труб;

– установлена зависимость для определения коэффициента гидравлического сопротивления при неизотермическом течении нефти по горизонтальному трубопроводу в зоне гидравлически гладких труб.

Практическая значимость работы:

– разработана методика расчета температурных режимов работы надземных нефтепроводов, работающих в условиях Севера;

– разработаны рекомендации по обеспечению температурных режимов работы надземных нефтепроводов.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на: 7-ой межрегиональной научно практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2009);

Х-ой международной молодежной научной технической конференции «Севергеоэкотех – 2009» (г. Ухта);

региональной научно-технической конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» (г. Ухта, 2009);

международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт – 2009» (г. Уфа);

научном симпозиуме «Неделя горняка – 2010» (г. Москва).

Личный вклад соискателя работы состоит в разработке физико-математической модели теплообмена между потоком высоковязкой нефти и стенками трубы;

в установлении зависимостей для расчета коэффициента гидравлического сопротивления в зависимости от приведенного числа Рейнольдса для ламинарного режима течения и для зоны гидравлически гладких труб в условиях неизотермического движения нефти;

в установлении критериального уравнения для определения безразмерного коэффициента теплоотдачи в зоне гидравлически гладких труб.

Реализация результатов работы. Результаты работы могут быть использованы при проектировании трубопроводов, перекачивающих высоковязкую нефть в неизотермическом режиме, а также при изучении дисциплины «Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» студентами специальности 130501.

Публикации. Основное содержание работы

опубликовано в статьях, в том числе 3 статьи, изданные в журналах, рекомендованных ВАК, получен 1 патент РФ.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 133 наименований. Содержание диссертации изложено на 124 страницах печатного текста, сопровождается 29 рисунками и 13 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы и необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований процесса транспортирования высоковязкой нефти с целью повышения его эффективности.

В первой главе диссертации выполнен анализ опыта эксплуатации и методов тепловых расчетов нефтепроводов в сложных природно-климатических условиях и проанализированы методы расчета коэффициента гидравлического сопротивления при изотермическом и неизотермическом режимах, поставлена цель и определены задачи исследований.

Исследованиями тепловых режимов трубопроводного транспорта высоковязких жидкостей занимались многие ученые.

Среди трудов, посвященных этому направлению, следует особо выделить работы Л.С. Абрамзона, Л.С. Лейбензона, В.С. Яблонского, В.И. Черникина, В.М. Агапкина, А.К. Галлямова, Н.А. Гаррис, В.Е. Губина, В.Н. Дегтярева, Б.Л. Кривошеина, А.Х. Мирзаджанзаде, В.Ф. Новоселова, Ю.А. Сковородникова, Б.А. Тонкошкурова, П.И. Тугунова, В.И. Харламенко, В.А. Юфина, В.Л. Нельсон, С.М. Коли, А.А. Аронс, Ф. Карг, Ф. Джил, Р. Рассел и другие.

Наибольшую неопределенность в расчеты стационарного теплового режима нефтепроводов вносит погрешность определения коэффициента теплопередачи k. Авторы не учитывают реологические свойства конкретной жидкости, и при каких условиях происходит ее транспортирование. Многие авторы с целью упрощения получения аналитического решения задачи при изучении вопросов конвективного теплообмена ограничиваются рассмотрением температурного поля в потоке, задавая в граничных условиях изменения, происходящие в окружающей среде.

В основном, в проанализированных исследованиях расчет теплообмена между нефтью и трубой выполняется с учетом усреднения скорости движения потока нефти, что искажает реальную картину тепломассообмена в сечении трубопровода, так как температура жидкости распределена неравномерно в этом сечении вследствие того, что значение динамической вязкости изменяется по поперечному сечению потока.

Течение реальных нефтей характеризуется индивидуальными особенностями, вызванными природой их минералогического состава, особенностями структурообразования и другими многочисленными факторами, что не позволяет применять известные теоретические, полуэмпирические или эмпирические реологические модели и вынуждает предлагать новые зависимости, учитывающие конкретные свойства исследуемой системы. В том случае, когда течение исследуемой системы описывается известной реологической моделью, то для вычисления реологических характеристик необходимо проведение экспериментальных исследований физико химических свойств и снятие экспериментальных кривых течения конкретной жидкости.

Наиболее обоснованные рекомендации по определению коэффициента гидравлического сопротивления были даны И.И. Никурадзе. Большой вклад в это направление также внесли Т.М. Башта, М.В. Лурье, А.Д. Альтшуль, Б.Л. Шифринсон, Д.Г. Стокс, В.И. Черникин, Б.С. Филатов, Р.И. Шищенко, Кольбрук, Уайт и др.

При перекачке вязких нефтей в зимних условиях по трубопроводу их температура изменяется как по длине, так и по радиусу трубы. Снижение средней температуры жидкости по длине сопровождается увеличением ее вязкости. Изменение температуры жидкости по радиусу приводит к изменению вязкости жидкости и деформации профиля скоростей, т.е. движение нефти происходит в неизотермическом режиме. Зависимость для расчета коэффициента гидравлического сопротивления необходимо получить экспериментально. Такие исследования проводили А.А. Гухман, Н.В. Илюхин, Е.Н. Зидер, Г.Е. Тейт, А. Зоммерфельд, А.К. Николаев, М.А. Михеев, Б.С. Петухов и др.

Предложенные методы расчета коэффициента гидравлического сопротивления на основе различных реологических моделей требуют внесения соответствующих корректив, основанных на экспериментальных исследованиях реологических свойств конкретного типа высоковязкой нефти.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям теплообмена при движении нефти при неизотермическом режиме.

Теоретические исследования процессов гидродинамики и теплообмена при течении аномальных жидкостей по трубам и каналам позволяют построить математическую модель стационарных режимов работы трубопроводов различных способов их прокладки при транспорте жидкостей с выраженной реологией.

Математическая модель процесса теплообмена потока высоковязкой нефти в трубопроводе с окружающей средой будет представлять собой в цилиндрической системе координат систему нелинейных дифференциальных уравнения теплопроводности, уравнений движения и неразрывности T T w T 1 T 1 T T 2 c p w r н wz 2 r z r r r r r r z 2 w 2 w z 1 w 2 wr r r r z w 1 w r 1 w z w z w r w ;

r z r r r r z r w z w z w z w z p wr r g z ;

wz r z z r r r z 1 w w z w r wr 0. z r r r (1) Пренебрегая изменением скорости вдоль координат r и, получим w z н 1 T T 1 T 2 ;

r wz c p r r r r c p r z w z p 1 (2) r ;

r r r z w z 0. z со следующими граничными и начальными условиями T T0, z 2 r w z T T Bi T T0 0, где Bi 0, 0, 0, wz r r r r r r r 0 r r r – безразмерный параметр Био;

r – радиус трубопровода, м;

– 0 внешний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К).

Распределение температуры в потоке нефти изучалось В.И. Черникиным и В.В. Губиным. На рис.1 приведены результаты исследований В.И. Черникина.

Рис.1. Распределение температуры по вертикальному диаметру нефтепровода при D 68 мм Обработка результатов этих экспериментов позволила получить зависимость для описания профиля скорости потока высоковязкой нефти в следующем виде r w z 2 w ср 1 2 K, (3) r где w – средняя по сечению скорость, м/с.

ср Коэффициент K был определен методом множителей Лагранжа (рис.2). Поэтому профиль скоростей описывается следующей формулой r0 r 2 wz, (4) A 2 Fr sin где – эмпирические коэффициенты, равные A, F A ( r b )( d b ) d 2 b d, F b ( r b 2 d ) 2 d ;

b – смещение 2 2 2 2 3 2 2 2 2 0 динамической оси потока относительно геометрической оси нефтепровода, м;

d w. Откуда коэффициент K равен max r K. (5) 2 A 2 Fr sin w ср Рис.2. Профиль скорости с учетом смещения динамической оси потока Так как коэффициент K учитывает смещение динамической оси потока высоковязкой нефти относительно геометрической оси трубопровода, то решение системы нелинейных дифференциальных уравнений сводится к решению одного дифференциального уравнения теплопроводности, представленного в безразмерном виде в цилиндрической системе координат T Tc T 0 T c T 0 T c 2 a 1 R K a r 2 R R R R r 2 R 2 2 Z 2 * r0 0 0e w ср W AT, (6) c p r0 R – коэффициент температуропроводности нефти, м2/с;

где a c p н – теплопроводность нефти, Вт/(м·К);

– плотность нефти, кг/м ;

T Tc – изобарная теплоемкость нефти, Дж/(кг·К);

– cp T0 Tc безразмерная температура;

T – начальная температура нефти, К;

T – 0 c температура окружающей среды, К;

T – температура нефти в 1 z трубопроводе, К;

Z – безразмерная координата вдоль оси * 2 Pe r нефтепровода;

z – координата вдоль оси нефтепровода, м;

r – радиус 2 w ср r нефтепровода, м;

– число Пекле;

w – средняя скорость Pe ср a r потока нефти, м/с;

R – безразмерный радиус нефтепровода;

r – r wz координата вдоль радиуса нефтепровода, м;

W – безразмерная w ср скорость нефти;

w – скорость нефти вдоль оси нефтепровода, м/с;

z e – вязкость нефти в зависимости от температуры, Па·с;

, A AT 0 – эмпирические коэффициенты;

K – коэффициент, учитывающий смещение динамической оси потока. Начальные и граничные условия имеют вид:

1 ;

0;

0;

Bi * R Z R r r R 0 ;

W 0. (7) W R R R Решение уравнения осуществляется численно методом конечных элементов в Matlab при помощи приложения PDE Toolbox (рис.3).

Из графика видно, что тепловой поток по сечению нефтепровода смещен вверх относительно геометрической оси трубопровода, что свидетельствует о смещении динамической оси потока нефти.

Рис.3. Распределение теплового потока высоковязкой нефти по сечению трубы Для определения коэффициента гидравлического сопротивления при движении высоковязкой нефти Южно-Шапкинского месторождения были проведены предварительные исследования ее реологических свойств. Результаты экспериментов показали, что движение этой нефти описывается законом Балкли-Гершеля. В этом случае для всей зоны ламинарного потока коэффициент гидравлического сопротивления определяется по формуле, (8) * Re Re где Re – критерий Рейнольдса;

– критерий Re И * ;

И N Ильюшина;

N – число, определяемое экспериментально.

Подставляя значение Re в уравнение (8), получим * 64 И 1. (9) Re N Для зоны гидравлически гладких труб коэффициент гидравлического сопротивления при изотермическом режиме определяется по формуле b* 8 Re a*. (10) И 2( 1 9 И ) где a, b – коэффициенты, определяемые экспериментально.

* * В третьей главе приведены методики экспериментальных исследований реологических характеристик нефти, температурных и гидравлических режимов в лабораторных и производственных условиях.

В работе выполнено планирование экспериментов на основе методики М.М. Протодьяконова и Р.И. Тедера.

Для измерения реологических характеристик нефти использовался ротационный вискозиметр Rheotest RN4.1.

Экспериментальные данные обрабатывались с помощью метода наименьших квадратов. Эти кривые описываются уравнением Балкли-Гершеля (рис.4) 0 k, n (11) где – начальное напряжение сдвига, Па;

k – коэффициент, зависящий от консистентности системы, Па·с;

n – показатель степени, изменяющийся от ряда факторов.

В результате обработки экспериментальных данных была получена зависимость для определения динамической вязкости нефти 0,0835 e 0, 0739 T. (12) На рис.5 представлена обобщенная реологическая кривая высоковязкой нефти. Анализ графика (рис.5) показывает, что: для значений напряжения сдвига – зона ламинарного режима;

0 при – переходная зона;

для напряжений сдвига больших 1 2 течение жидкости будет проходить в турбулентном режиме.

Рис.4. Реологические кривые Рис.5. Обобщенная высоковязкой нефти при реологическая кривая различных значениях температуры высоковязкой нефти При движении нефти основными параметрами, влияющими на коэффициент гидравлического сопротивления, являются: скорость движения потока жидкости w ;

внутренний диаметр трубопровода d ;

ср начальное напряжение сдвига ;

вязкость нефти.

На промышленном нефтепроводе проводились замеры потерь напора в изотермическом и неизотермическом режимах движения нефти. При движении нефти в изотермическом режиме коэффициент гидравлического сопротивления для зоны гидравлически гладких труб рассчитывался по формуле (10).

Обработка опытных данных позволила получить зависимость (9) для расчта коэффициента гидравлического сопротивления при ламинарном режиме ( N 9,52 ), а для неизотермического течения нефти в следующем виде * m b m Pr f e н AT 8 Re T a Pr e AT к, (13) * И 21 9 И w где a 0,041 He ;

b 2,23 He ;

m 0,13 ;

He – число Хедстрема;

0, 05 0, * * T, T – температуры нефти в начале и в конце трубопровода н к соответственно.

При выполнении экспериментов по исследованию процесса теплообмена от потока нефти к трубе определялся безразмерный коэффициент теплоотдачи Нуссельта ( Nu ). Экспериментальные данные были обработаны в виде критериальной зависимости n Pr f Pr f Nu C Re 0,8 0, Pr, (14) w где Pr – число Прандтля потока нефти;

Pr – число Прандтля нефти f w у стенки трубопровода;

C, n – экспериментально полученные коэффициенты.

В окончательном виде формула (13) имеет вид 0, Pr f Pr f Nu 0,0082 Re 0,8 0,. (15) Pr w Сравнение результатов расчета по этой формуле с экспериментальными данными показало погрешность не более 5%.

Данная формула рекомендуется для расчета теплоотдачи при движении нефти по трубопроводу для чисел Рейнольдса, изменяющихся в пределах 2320…15450.

Результаты экспериментов, проведенных на промышленном нефтепроводе, представлены на рис.6, на котором видно, что в верхних зонах трубы температура стенки равна +42,7С, +44,7С. В нижних зонах трубы температура стенки ниже, чем на верхней образующей, и равна +39,9С, +40,5С. Полученные температуры представляют средние показания из проведенных замеров.

+42,7C 1 +44,7C 42,1C +40,9C +41,4C +40,4C +40,5C +39,9C а) б) Рис.6. Изменение локальных значений температуры по периметру горизонтальной трубы (1 – труба;

2 – точки замера температуры):

а – на 18 км трассы;

б – на 13 км Проведенные экспериментальные исследования показывают, что отличие локальных значений температур в верхних и нижних зонах потока нефти можно объяснить превышением сил вязкости у дна трубы.

В четвертой главе на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета температурных режимов работы надземных нефтепроводов.

Температурный расчет нефтепровода производится после выполнения гидравлического расчета, который включает в себя:

определение скорости потока, начального напряжения сдвига и динамической вязкости (12), расчет значения числа Ильюшина, определение коэффициента гидравлического сопротивления в зависимости от режима течения высоковязкой нефти по одной из предложенных автором зависимости (8, 13), удельных потерь напора, а также полного необходимого для трубопроводной системы напора.

Значение температуры потока в любой точке поперечного сечения нефтепровода определяем по графику (рис.3). Значение средней температуры нефти по длине определяется по формуле В.Г. Шухова.

Для определения критерия Шухова и входящего в него коэффициента теплопередачи необходимо определить коэффициент внутренней теплоотдачи, который находится в зависимости от безразмерного коэффициента теплоотдачи Нуссельта, определяемого по формуле (15).

Вследствие неравномерности теплового потока по сечению нефтепровода, толщина тепловой изоляции также является переменной. Поэтому, по известным значениям температуры нефти по периметру трубопровода можно определить толщину изоляции в той же точке отдельно.

Для компенсации температурных напряжений в трубопроводе была разработана конструкция компенсатора (патент RU C2).

В этой же главе был выполнен технико-экономический расчет различных вариантов утепления нефтепровода по разработанной методике. Вариант с применением переменной по периметру трубы толщиной теплоизоляции позволяет снизить затраты на 10 %.

В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Установлено, что реологическая кривая течения нефти Южно Шапкинского месторождения соответствует модели Балкли-Гершеля.

Ламинарный режим ее движения наблюдался при скоростях сдвига 0…20 с-1 (значения напряжения сдвига лежат в интервале 4…10 Па), а неньютоновские свойства проявляются при температуре жидкости ниже 20 С. Получена формула для определения динамической вязкости в зависимости от температуры.

2. Разработана физико-математическая модель процесса теплообмена высоковязкой нефти с учетом смещения динамической оси потока относительно геометрической оси трубопровода на основе уравнения теплопроводности Фурье-Кирхгофа. В этой модели смещение учитывается коэффициентом K, который описывается формулой (5).

3. Установлены новые зависимости для расчета коэффициента гидравлического сопротивления при ламинарном режиме движения нефти и для зоны гидравлически гладких труб в условиях неизотермического течения. Для ламинарного режима величина коэффициента гидравлического сопротивления представлена как функция числа Ильюшина и параметра N, определяемого экспериментально, а эмпирические коэффициенты, входящие в формулу для расчета коэффициента гидравлического сопротивления в зоне гладких труб, являются функциями числа He. Для турбулентного режима коэффициент рассчитывается с учетом изменения температуры нефти как по длине трубопровода, так и по его сечению. Также установлена зависимость для определения критерия Нуссельта для зоны гладких труб, погрешность расчета по которой ниже, чем по классической формуле М.А. Михеева.

4. С использованием полученных зависимостей разработана методика расчета температурных режимов работы надземных трубопроводов, на основании которой было предложено наносить на нефтепровод тепловую изоляцию переменной по периметру толщины. Технико-экономический расчет показал, что этот вариант утепления трубопровода экономически предпочтительней, чем нанесение на него тепловой изоляции постоянной толщины.

Основные положения и научные результаты опубликованы в 8 работах:

1. Трапезников С.Ю. Исследование реологических зависимостей неньютоновских нефтей // Севергеоэкотех – 2009: материалы конференции. – Ухта: УГТУ, 2009. – Ч. 4. – С. 197–200.

2. Трапезников С.Ю. Моделирование теплового режима работы магистрального нефтепровода с учетом неравномерного распределения отложения парафинов на стенках трубы / С.Ю. Трапезников, В.И. Маларев, А.К. Николаев // ГИАБ. – М.: МГГУ, 2010. – № 12. – С. 144–148.

3. Трапезников С.Ю. Исследование теплообмена высоковязкой нефти в надземном трубопроводе / С.Ю. Трапезников, К.А. Лушкин // ГИАБ. – М.: МГГУ, 2011. – № 3. – С. 176–180.

4. Трапезников С.Ю. Моделирование реологических свойств высокопарафинистой нефти / С.Ю. Трапезников, В.И. Маларев, А.К. Николаев // Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов. – Ухта: УГТУ, 2009.

– Т.4. – С. 216–218.

5. Трапезников С.Ю. Исследования коэффициента гидравлического сопротивления при неизотермическом режиме работы трубопровода / С.Ю. Трапезников, В.И. Маларев, А.К. Николаев // Трубопроводный транспорт – 2010. – Уфа: УГНТУ, 2010. – С.125–126.

6. Трапезников С.Ю. Расчет температурных режимов работы надземных нефтепроводов // Записки Горного института. – СПб.:

СПГГИ(ТУ), 2011. – Т.189. – С. 187–190.

7. Трапезников С.Ю. Неньютоновские жидкости: исследование реологических зависимостей нефтей северных месторождений /С.Ю. Трапезников, А.В. Колонских // Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов:

материалы конференции. – Ухта: УГТУ, 2009. – Т.4 – С. 197–202.

8. Патент – RU 2406913 C2, F16L51/02. Компенсатор для трубопроводов / Тарасов Ю.Д., Николаев А.К., Михайлов А.Ю., Трапезников С.Ю.;

СПГГИ. – №2008153002/06;

Заяв. 10.07.2010;

Опубл. 20.12.2010, бюл.№35.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.