Последовательная перекачка нефти

Содержание:

Введение.

Топливно-энергетический комплекс Республики Казахстан представляет совокупность энергетических систем: газо-, угле-, нефтеснабжения, нефтепродуктообеспечения, электроэнергетики и др. Каждая из этих систем состоит из взаимосвязанных отдельных технологических процессов, управляемых и контролируемых человеком и предназначенных для транспорта, хранения, перевалки и распределения среди потребителей соответствующих энергоресурсов: нефти, нефтепродуктов, газа, угля, электроэнергии и т.д.

 Рассматривая систему  трубопроводного транспорта нефти  (нефтеснабжения), следует отметить, что ей присущи основные особенности,  характерные для больших систем  энергетики. К ним относятся взаимосвязь  с другими отраслями промышленности, территориальная распределенность, сложность, непрерывность развития  и обновления, инерционность и  непрерывность функционирования, многоцелевой  характер и неравномерность процессов приема и сдачи нефти. В 1991 г. с образованием Республики Казахстан, как самостоятельного суверенного государства, произошло разделение единой системы нефтеснабжения в СССР на национальные подсистемы. С этого времени эксплуатация  практически всех магистральных нефтепроводов Казахстана осуществляется государственной акционерной компанией по трубопроводному транспорту нефти АО «КазТрансОйл» В условиях снижения добычи нефти и объемов ее транспортировки, роста издержек производства, старения основных фондов (трубопроводов, резервуаров, оборудования и др.)   АО «КазТрансОйл» удалось не только обеспечить надежную работу нефтепроводов, сохранить высококвалифицированных специалистов, увеличить пропускную способность на важнейших направлениях, но и провести проектирование и закончить строительство важных новых магистралей. Это позволяет быть уверенными в том, что одна из важнейших систем трубопроводного транспорта будет и сегодня способствовать подъему экономики РК в целом и топливно-энергетического комплекса в частности.

 На современном этапе  при проектировании систем трубопроводного  транспорта нефти необходимо  обеспечивать техническую осуществимость  в сочетании с передовыми технологиями, экологическую безопасность и  экономическую эффективность, а  также высокую надежность при  эксплуатации, что требует, в свою  очередь, высококвалифицированных  специалистов в области проектирования, сооружения и эксплуатации магистральных нефтепроводов и хранилищ.

 Протяженность трубопроводных магистралей Казахстана постоянно увеличивается, осуществляется модернизация и техническое перевооружение ранее построенных трубопроводов, внедряются современные средства связи и управления, совершенствуются технологии транспорта высоковязких и застывающих нефтей, сооружения и ремонта объектов магистральных трубопроводов

I. Основная часть

Последовательная  перекачка нефти.

Последовательная перекачка  нефти и нефтепродуктов позволяет  увеличить коэффициент использования  трубопроводов и снизить себестоимость  перекачки. Но при последовательной перекачке в месте - контакта последовательно  движущихся жидкостей происходит их смешение. Физико-химические свойства образующейся смеси отличаются от свойств  перекачиваемых нефтепродуктов. Последовательная перекачка нефтей и нефтепродуктов при всех своих достоинствах - увеличение коэффициента использования магистральных трубопроводов, снижение себестоимости перекачки и др. - имеет существенные недостатки, связанные с образованием смеси в зонах контакта разносортных жидкостей. Последовательная перекачка нефти и нефтепродуктов позволяет увеличить коэффициент использования трубопроводов и снизить себестоимость перекачки. Но при последовательной перекачке в месте контакта последовательно движущихся жидкостей происходит их смешение. Физико-химические свойства образующейся смеси отличаются от свойств перекачиваемых нефтепродуктов.

Метод последовательной перекачки  нефтей и нефтепродуктов заключается  в том, что различные по качеству углеводородные жидкости отдельными партиями определенных объемов перекачиваются по одному трубопроводу. При этом достигается  максимально возможное использование  пропускной способности трубопровода и освобождаются другие виды транспорта ( железнодорожный, водный, автомобильный) от параллельных перевозок нефтей и  нефтепродуктов.

 Применение последовательной  перекачки нефтей и нефтепродуктов  позволяет использовать трубопровод  большого диаметра при меньшей  себестоимости транспорта. Раздельное  поступление нефтей на переработку  приводит к значительному удешевлению их переработки, что позволяет компенсировать дополнительные затраты на организацию последовательной перекачки. Метод последовательной перекачки нефтей и нефтепродуктов заключается втом, что различные по качеству углеводородные жидкости отдельными партиями определенных объемов перекачиваю гея по одному трубопровод) При этом достигается максимально возможное использование пропускной способности трубопровода и освобождаются другие виды транспорта ( железнодорожный, водный, автомобильный) от параллельных перевозок нефтей и нефтепродуктов. Метод последовательной перекачки нефтей и нефтепродуктов заключается в том, что различные по качеству углеводородные жидкости отдельными партиями определенных объемов перекачиваются по одному трубопроводу. При этом достигается максимально возможное использование пропускной способности трубопровода и освобождаются другие виды транспорта ( железнодорожный, водный, автомобильный) от параллельных перевозок нефтей и нефтепродуктов. При последовательной перекачке нефтей для улучшения процесса вытеснения высоковязкой нефти маловязкой можно в концевой объем высоковязкой жидкости вносить добавки, значительно уменьшающие ее вязкость.  Общий вид резервуарного парка.

При последовательной перекачке  нефти или при наличии узлов  смещения резервуарные парки служат для накопления отдельных сортов нефти или нефтепродуктов. При последовательной перекачке нефтей по магистральным трубопроводам благодаря конвективной диффузии в зоне контакта различных потоков, а также вследствии массообменных явлений между пристенными отложениями высоко-молекулярных ( смолисто-парафинистых) соединений и потоком нефти происходит интенсивное образование смеси. В зависимости от сортов контактируемых нефтей количество образующейся смеси ( нестандартной продукции) может достигать размеров, равных нескольким объемам трубопровода. В связи с этим последовательная перекачка нефтей прямым контактированием является весьма нерентабельной.

 При последовательной  перекачке нефтей применяются  манжетные разделители с манжетами  из полиэтилена. Диаметр и форма  манжет подобраны таким образом,  что между ними и стенкой  трубы остается пленка нефти  и они работают в зоне полужидкостного  трения, что позволяет существенно  уменьшить износ манжет. Близстоящее  время применяют манжетные разделители  подобного типа диаметром 500 - 1200 мм. Использование разделителей  при последовательной перекачке  сырых и обессоленных нефтей  позволяет уменьшить в 5 раз  ( с 15 до 3 % объема нефтепровода) количество  потерь обессоленной нефти.

Поэтому сущность последовательной перекачки нефтей прямым контактированием состоит в том, что разносортные нефти, объединенные в отдельные  партии по несколько тысяч или  десятков тысяч тонн каждая, закачивают в трубопровод последовательно, одну за другой, и транспортируют так  до самого потребителя. При этом каждая партия нефти вытесняет предыдущую и в свою очередь вытесняется  последующей. Получается так, что нефтепровод  по всей своей протяженности заполнен партиями различных нефтей, вытянутых  в цепочку и контактирующих друг с другом в местах, где кончается  одна партия и начинается другая. При организации последовательной перекачки нефтей или нефтепродуктов по одному трубопроводу должны соблюдаться требования к сохранению качества нефтетоваров в соответствии с установленными техническими нормами. Число циклов последовательной перекачки нефтей и нефтепродуктов определяется соответствующими технико-экономическими расчетами.

Наиболее часто применяется  последовательная перекачка нефти  и нефтепродуктов с применением  разделителей. Применяют два вида разделителей - жидкостные и механические.

 Представляет практический  интерес последовательная перекачка  нефти с различным содержанием  серы, воды и механических примесей. Последовательная перекачка нефтеи  с различным содержанием солей,  механических примесей или воды  обычно имеет ряд отличий от  последовательной перекачки таких  нефтепродуктов, как бензины и  дизельные топлива, обусловленных  меньшими числами Рейнольдса, возможностью  образования отложений солей,  воды или - механических примесей  на стенках труб при перекачке  одной из нефтеи и смыва  этих отложений при перекачке  другой нефти.

Особенности гидравлического  расчета последовательной перекачки  нефтей связаны с тем, что в  трубопроводе находится одновременно несколько нефтей с различными плотностями  и вязкостями, По этой причине параметры  работы отдельных участков нефтепровода постепенно изменяются. Если отличия  плотности и вязкости нефтей незначительны, то движение партий практически не сказывается на гидравлических характеристиках  трубопроводной системы. Если же эти  отличия велики, то в нефтепроводе могут возникать осложнения, связанные  с уменьшением КПД работы перекачивающих агрегатов, возникновением волн давления при прохождении партий через  перекачивающие станции, появлением или  исчезновением самотечных участков, а также с необходимостью регулирования  работы насосов для поддержания  минимально допустимых подпоров перед  станциями и предотвращения перегрузок в линиях нагнетания.  Механические разделители.| Устройство для запуска и приема сферических разделителей. Количество смеси при последовательной перекачке нефтей обычно бывает несколько увеличенным но сравнению с количеством смеси при перекачке светлых нефтепродуктов вследствие большой вязкости нефтей и увеличенного эффективного коэффициента диффузии. При последовательной перекачке нефтей с разным содержанием воды, а также механических примесей или солей объем смеси дополнительно увеличивается из-за смывания солей, отложений или механических примесей со стенок трубопровода партией нефти с меньшим содержанием этих примесей. Например, при последовательной перекачке обессоленной и сырой нефтей головная часть партии обессоленной нефти будет насыщаться солями, смываемыми со стенок трубопровода, где они скопилюь в период прохождения партии сырой нефти.

 В работе рассмотрены  вопросы последовательной перекачки  разносортных нефтей и нефтепродуктов, способы трубопроводного транспорта  высоковязких нефтей, совместная  перекачка жидкостей и газов,  а также трубопроводный транспорт твердых и сыпучих материалов. Наиболее эффективная эксплуатация трубопроводов при последовательной перекачке нефтей и нефтепродуктов возможна при соблюдении организационных и технологических мероприятий по контролю, уменьшению и ис пользованию смеси на основе технико-экономического анализа работы каждого конкретного нефтепровода. При транспортировании по магистральным нефтепроводам допускается последовательная перекачка нефтей различной степени подготовки в соответствии с нормами и требованиями по последовательной перекачке нефти. Рефрактометрический метод можно рекомендовать для контроля последовательной перекачки нефтей, незначительно различающихся между собой по удельному весу, но с разными коэф-фициентамм лучепреломления.

 В практике отечественных  магистральных трубопроводов при  последовательной перекачке нефтей  и нефтепродуктов применяются  механические разделители нефтей  и нефтепродуктов нескольких конструкций. На трассе трубопровода, по которому осуществляется последовательная перекачка нефтей или нефтепродуктов, могут существовать самотечные участки. На этих участках поток лишь частично заполняет сечение трубы, поэтому жидкости перемешиваются иначе, чем в заполненной части трубопровода вследствие перестройки профиля скорости, изменения интенсивности турбулентности и процессов растекания. Плохая техническая оснащенность и неподготовленность к организации последовательной перекачки разносортных нефтей и нефтепродуктов по одному трубопроводу негативно сказались и на загрузке трубопроводов.

На основании опыта  эксплуатации трубопроводов, предназначенных  для последовательной перекачки  нефтей или нефтепродуктов, максимальная скорость потока не превышает 2 м / сек. Таким образом, рекомендуемые скорости при последовательной перекачке  различных нефтей и нефтепродуктов находятся в диапазоне 0 6 - 5 - 2 м / сек. При последовательной перекачке  по соответствующим формулам можно  определять и оптимальную скорость перекачки, которая находится минимизацией затрат на перекачку и смесеобразование. При установленном постоянном режиме работы насосных станций в ходе последовательной перекачки нефтей или нефтепродуктов, имеющих различные плотности или вязкости, меняются расход и давление по всему трубопроводу. Изменения происходят по мере засорения трубопровода, а также при образовании в нем воздушных мешков. Например, при последовательной перекачке нефтепродуктов с сильно отличающимися плотностью и вязкостью изменения давления на границе раздела жидкостей, когда она находится в середине трубопровода, достигают 1 5 МПа, а при перекачке нефтей эти изменения доходят до 0 5 - 0 8 МПа. Поэтому необходимо регулирование, обеспечивающее изменение давления на приеме и нагнетании, а также подачи насосной станции в соответствии с режимом работы трубопроводов. Методы регулирования определяются в каждом конкретном случае в зависимости от назначения трубопровода и режима его работы. Иногда целесообразно вести ступенчатое регулирование изменением числа работающих насосных агрегатов. Если насосы имеют разное число рабочих колес, то регулирование системы осуществляется главным образом путем планового изменения заданной подачи при перекачке или изменении режима в связи с аварийным отключением насосных и отдельных агрегатов.

При установленном постоянном режиме работы насосных станций в  ходе последовательной перекачки нефтей или нефтепродуктов, имеющих различные  плотности или вязкости, меняются расход и давление вдоль всего  трубопровода. Изменения происходят по мере засорения трубопровода, а  также при образовании в нем  воздушных мешков. [1]

Сходная ситуация, обусловленная  образованием смеси, возникает при  последовательной перекачке нефтей. Однако при транспорте сырой нефти  проблемы, связанные с образованием смеси, не носят столь острого  характера, как при перекачке  нефтепродуктов. В этом смысле между  последовательной перекачкой нефтей и  нефтепродуктов имеются существенные отличия. [2] Яблонский первым в мире открыл важность и необходимость разработки способа последовательной перекачки нефти и нефтепродуктов по одному трубопроводу, разработал теоретически, обосновал экономически и довел эту задачу до практической реализации.

 Книга посвящена исследованию  основных вопросов, связанных с  теорией и практикой последовательной  перекачки нефтей и нефтепродуктов  по магистральным трубопроводам.  В ней рассмотрена технология  последовательной перекачки, изложены  теоретические основы смесеобразования, особенности последовательной перекачки  нефтепродуктов, существенно различающихся  по своим физико-химическим свойствам,  смесеобразование при неизотермических  условиях. Дан анализ различных  факторов, влияющих на увеличение  объема смеси, предложены рекомендации  по выбору режимов работы насосных  станций. Рассмотрены вопросы проектирования и эксплуатации трубопроводов для последовательной перекачки. Описаны современные методы определения, приема и раскладки смеси, приборы контроля за продвижением зоны смеси и установки по распределению смеси по резервуарам

Одним из основных способов повышения технико-экономической  эффективности нефте - и нефтепродукто-проводов является последовательная перекачка  разносортных нефтей и нефтепродуктов по одному трубопроводу, значительно  увеличивающая коэффициент использования  магистральных трубопроводов и  снижающая себестоимость перекачки. Блок-схема электронного прибора телеконтроля последовательной перекачки. В 1960 г. гамма-плотномеры намечено установить на многих трубопроводах Гдавнефтеснаба РСФСР, по которым ведется и намечается последовательная перекачка нефтей и нефтепродуктов.

При транспортировании по магистральным нефтепроводам допускается  последовательная перекачка нефтей различной степени подготовки в  соответствии с нормами и требованиями по последовательной перекачке нефти. В связи с тем, что гудрон растворим в нефтях и нефтепродуктах, его применение может быть оправдано только для коротких трубопроводов при последовательной перекачке нефтей.  В настоящее время найдены достаточно эффективные методы по разделению различных сортов нефтепродуктов.  Последовательную перекачку нефтей и нефтепродуктов следует осуществлять с применением разделителей. В ряде случаев до окончательной проверки работы разделителей могут использоваться буферные партии вспомогательных нефтепродуктов, близких по своим свойствам к основным видам нефтепродуктов.

Рассмотрены вопросы физико-химического  воздействия на перекачиваемые среды  в магистральных трубопроводах. При последовательной перекачке  нефти и нефтепродуктов использование  разделительных пробок как вязкоупругих, на основе специальных химических соединений, так и с магнитными наполнителями  позволяет значительно снизить  смесеобразование в зоне контакта.

 На головных НПС  при перекачке одного сорта  нефти или нефтепродуктов предусматривается  строительство резервуаров в  размере от двух - до трехсуточной подачи трубопровода. При последовательной перекачке нефтей пли нефтепродукта вместимость резервуаров определяется размерами накопления каждого сорта в соответствии с принятой в проекте цикличностью перекачки и графиком поступления нефти или нефтепродуктов. При использовании резервуаров одновременно для магистрального трубопровода и сбор-пого промыслового пункта или нефтеперерабатывающего завода вместимость резервуаров определяется с учетом совмещенного графика работы На промежуточных НПС, расположенных на границе1 эксплуатационных участков, в пределах которых обеспечивается независимость работы насосного оборудования, Предусматриваются резервуары вместимостью в размере 0 3 - 0 5 суточной подачи трубопровода. На промежуточных НПС, расположенных па разветвлении или соединении магистральных трубопроводов, должны предусматриваться резервуары вместимостью в размере 1 0 - 1 5 суточной подачи основного трубопровода.  Механические разделители.| Устройство для запуска и приема сферических разделителей.

 Количество смеси при  последовательной перекачке нефтей  обычно бывает несколько увеличенным  но сравнению с количеством  смеси при перекачке светлых  нефтепродуктов вследствие большой  вязкости нефтей и увеличенного  эффективного коэффициента диффузии. При последовательной перекачке  нефтей с разным содержанием  воды, а также механических примесей  или солей объем смеси дополнительно  увеличивается из-за смывания  солей, отложений или механических  примесей со стенок трубопровода  партией нефти с меньшим содержанием  этих примесей. Например, при последовательной  перекачке обессоленной и сырой  нефтей головная часть партии  обессоленной нефти будет насыщаться  солями, смываемыми со стенок  трубопровода, где они скопилюь  в период прохождения партии сырой нефти.  Резервуарные парки на НПС сооружают в случаях если эти станции находятся в пунктах подкачки нефти или местах разветвления ( соединения) нефтепроводов. При последовательной перекачке разносортных нефтей резервуарные парки обеспечивают накопление партии каждой нефти в объеме, достаточном для перекачки ( см. гл. Резервуарными парками в конце нефтепровода служат сырьевые парки нефтеперерабатывающих заводов, парки перевалочных нефтебаз или наливных пунктов.

II.Технологический расчет магистрального нефтепровода

1.Гидравлический  расчет

Параметры режимов транспортировки  нефти по трубопроводу определяются главным образом, плотностью и вязкостью  нефти, а также зависимостью этих ее характеристик от температуры  и давления.

Зависимость плотности ρ (кг/м³) нефти от температуры Т (С) определяется формулой:[1]

ρ(ºΤ)=ρ₂₀(1+ξ(20Т))=868(1+0,000782(20-2)=880,2кг/м³         (1)

где ρ₂₀ – плотность нефти при температуре 20ºC;

ξ (1/ºC) – коэффициент объемного  расширения.

k=ln(ϑ₀/ϑ₁)/T-T₀= 0,756

ν(T)= ν₀*e^-k(T-T)=30*2,71^0,0756*2=25,8*10^-6(м²/c)

Таблица 1

Значения коэффициента ξ  объемного расширения.

2. Определение массовой пропускной способности

     G=Qхρ_t=15(млн.т./год)                                     (2)

3. Согласно пропускной способности по таблице 3 выбираем диаметр трубопровода и рабочее давление.

Диаметр наружный = 720мм, рабочее  давление = 6,1 МПа

Таблица 2

Определение диаметра и рабочего давления трубопровода

4.Определение толщины стенки магистрального трубопровода.

 Толщину стенки магистрального  трубопровода берем ориентировочно  согласно СНиП 2.05.06.-85 «Магистральные  трубопроводы».  

По сортаменту выбираем трубу  изготовленную по ТУ(тех.усл.)

Волжский  трубный завод ТУ 14-3 – 1976 - 99

Марка стали: К – 60

Врем. сопротивление: 588МПа

Предел текучести: 441МПа

Коэф. надежности: 1,4

Коэф. усл. раб: 0,75

Коэф. по назначению: 1

Коэф. по нагрузке: 1,15

Коэф. над. По материалу: 1,4

R₁=R₁⁴*m/ k_m*k_l= 588*0.75/1.4*1= 315(МПа)

Полученное значение т/с  округляем до ближайшего большего по сортаменту 12 мм                                                                      

5. Определение часовой подачи:

Q_ч=G/350*24*ρ=15000000000/354*24*880,2=2017,23(м³/ч)                            (3)

где 354- годовая продолжительность (в сутках) работы магистральных нефтепроводов, берется из таблицы 3

Таблица 3

Определение годовой продолжительности  трубопровода в сутках в зависимости  от протяженности и диаметра

6.Определение секундной подачи:

_=0,56(м³/с)                                                     (4)

7.Определение средней скорости движения нефти по трубопроводу:

_(м/с)                               (5)

D_в= D_н- 2δ=720-2*9=702(мм)

8.Определение режима потока:

                               (6)

9.Определение коэффициента  гидравлического  сопротивления λ.

Для расчета коэффициента λ = λ (Re, ε) гидравлического сопротивления можно использовать следующие формулы:

Если число Рейнольдса то течение нефти ламинарное, для него

     ( формула Стокса)                       (7)

если 2320≤Re<10⁴, то режим течения нефти – переходный турбулентный

                      (8)

где γ=1-е^{-0,002 (Re- 2320)}   -  так называемый коэффициент перемежаемости;

если 10⁴< Re< 27/ε^1,143 (∆ - абсолютная шероховатость;

ε=∆/d – относительная  шероховатость внутренней поверхности  трубопровода ), то течение нефти  происходит в развитом турбулентном режиме, в зоне так называемых гидравлически  гладких труб (коэффициент λ не зависит от шероховатости)

 = 0,0224   (формула Блазиуса)                               (9)

если   то течение нефти происходит в зоне так называемого смешанного трения, для которой коэффициент гидравлического сопротивления можно вычислить формулой

 (формула Альтшуля),                     (10)

если  Re› 500/ε, то течение нефти происходит в зоне квадратичного трения ( так как если λ не зависит от скорости течения, то потери напора, пропорциональны квадрату скорости течения) и

λ= 0,11ε^1/4 (формула Шифринсона)                                      (11)

10. Определение гидравлического уклона.

Гидравлический уклон  – это безразмерная величина, характеризующая  быстроту падения напора в рассматриваемом  нефтепроводе, т.е. на определенном участке. Величина 1000і дает падения напора в метрах на 1 км пути.

_=0,0484*1,47²_{/0,696*2*9,81=0,0035}                    (12)

11. Определение потерей напора.

Потери напора h_1-2 на участке 1-2  нефтепровода состоят из двух частей:

h_1-2=h_r+h_м.=2099                                 (13)

Первая из них называется потерей напора на трение, ( оно выражает потери механической энергии за счет сил внутренного трения слоев  вязкой нефти друг о друга), вторая – потерей напора на преодоление  местных сопротивлений (сужений, поворотов, задвижек и т. п.).

 Потери напора h_r (м) на трение рассчитывает по формуле: