ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕКАЧКИ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

Сегодня работники нефтяной отрасли во всем мире озабочены истощением традиционных запасов углеводородов. Исключительной важностью обладает эта тенденция для России. Экспорт нефти составляет 9 % ВВП страны. За 2013 год на экспорт ушло 236,6 млн. тонн нефти, оцененные в 173669,6 млн долл. США (по данным ФТС России и Росстата). Сложившаяся ситуация заставляет обратить внимание на запасы аномальных нефтей, в том числе и высоковязких. Высоковязкая нефть сегодня рассматривается в качестве основного резерва мировой добычи.

К высоковязким принято относить нефти с вязкостью 30 мПа∙с или 35 мм²/с и выше при 20°C [2, 5] Запасы таких нефтей в России оцениваются примерно в 6 млрд. тонн, что является третьим показателем в мире.

Месторождения высоковязкой нефти рассредоточены практически по всей территории страны. Месторождения аномальных нефтей по регионам России приведено на рисунке 1.

Значительная часть месторождений высоковязкой нефти располагаются в необжитых, труднодоступных районах, сооружать там установки для переработки нефти, а затем транспортировать оттуда несколько продуктов чрезвычайно дорого. Поэтому привлекательной выглядит перспектива транспортировки высоковязких нефтей со всеми компонентами к местам ее переработки.

Рисунок 1. Месторождения аномальных нефтей по регионам РФ [2]

Трубопроводный транспорт нефти - наиболее выгодный и часто используемый вид транспорта для больших объемов нефти. Протяженность магистральных нефтепроводов на территории России составляет более 70 тыс. км, по которым транспортируется около 90% добываемой нефти [3]. Перекачка высоковязких нефтей ввиду их большой вязкости, и как следствие, больших потерь на трение без применения специальных методов экономически нецелесообразна. Ко всему, почти половина запасов высоковязких нефтей находится на северных территориях, где температура в зимнее время может достигать -30°С, а в северных районах до -60°С. Температурный режим также вызывает сложности, т.к. отражается на свойствах нефти, и накладывает определенные ограничения на технологию перекачки.

Основным методом трубопроводного транспорта высоковязких нефтей в России - транспорт с подогревом [6]. Трубопроводы, по которым перекачивают подогретую нефть, называют «горячими». Подогрев может осуществляться на тепловых станциях в паровых и огневых подогревателях. Тепловые станции обычно стремятся располагать вместе с насосными пунктами, для удобства обслуживания. Предпочтительнее ставить подогреватели перед насосом. Такое расположение помогает увеличить КПД насоса. В подогревателе происходят значительные потери давления, поэтому напора в конце участка может не хватить для подобной схемы. Технология перекачки предварительно нагретой нефти является очень энергоемкой, особенно в северных районах России, где происходит быстрое остывание транспортируемой жидкости из-за низкой температуры окружающей среды, в связи с чем, приходится устанавливать больше пунктов подогрева по длине трубопровода. При установке дополнительных тепловых станций увеличиваются капитальные и эксплуатационные затраты.

Последние десятилетия набирает обороты электротермия, нагрев с помощью тепла, созданного электрической энергией. Сферы применения электротермии разнообразны, от бытового применения до применения в масштабах крупного производства. Еще в 80-х годах прошлого века электротермия рассматривалась как один из источников теплового воздействия для обогрева магистральных трубопроводов. Существует электрообогрев при непосредственном пропускании тока по материалу трубы, применение электронагревательных кабелей и лент, скин-системы, индукционный нагрев. В основном электрообогрев применялся на трубопроводах небольшой протяженности и исключительно с целью поддержания температуры [4].

Благодаря созданию новой полупроводниковой матрицы появились саморегулирующиеся нагревательные кабели, температура на поверхности которых регулируется в зависимости от температуры окружающей среды и объекта. Кроме того в электротермии существуют системы, нагрев в которых происходит под действием переменного магнитного поля – индукционные системы. Разновидностью таких систем является система поверхностного нагрева скин- система или индукционно-резистивная система нагрева. Процесс нагрева заключается в том, что на поверхности трубы, на всем протяжении, располагают одну или несколько ферромагнитных трубок (рисунок 2, 2), обеспечивая контакт при помощи сварки. В трубках располагают медный проводник в изоляции (рисунок 2, 1). При протекании по проводнику переменного тока вокруг проводника образуется переменное поле, которое наводит в теле металлических трубок токи Фуко, которые в свою очередь разогревают тело металла и дальше, посредством теплопроводности, трубу с нефтью. Скин-система позволяет поддерживать температуру на протяженном участке трубопровода составляющем до 30 км. Система получает электропитание с одного конца. Для питания системы применяются в основном однофазные высоковольтные трансформаторы.

Рисунок 2. Схема элементов в скин-системе

В данной работе моделируется процесс передачи тепла от нагретых стенок трубопровода движущейся среде. Процесс передачи тепла происходит с помощью конвекции и теплопроводности.

Для того чтобы охарактеризовать гидравлический режим течения жидкости в системе подогрева нефти, рассмотрим технологическую схему насосной перекачивающей станции (НПС) с системой подогрева нефти (рисунок 3).

На подходе к НПС жидкость теряет свою скорость из-за возрастающих сил трения, что связано с повышением вязкости, значение которой зависит от температуры жидкости. Режим течения на участке труб до насосов ламинарный равномерный, при этом передача тепла незначительна из-за низкой теплопроводности нефти и пристенного неподвижного нефтяного слоя. Благодаря чему потери тепла в окружающую среду малы, а вязкость жидкости повышается незначительно. После прохождения магистральных насосов характеристика нефтяного потока соответствует турбулентному режиму течения. В этом режиме процесс теплообмена между слоями потока происходит интенсивно, увеличивается скорость остывания нефти.

Рисунок 3. Технологическая схема НПС с системой подогрева нефти

Для дальнейшего безаварийного транспорта нефти поток подогревают. Часть нефти после насосов идет в систему нагрева, а после, смешиваясь с оставшимся холодным потоком, поступает в магистральный трубопровод.

Объектом исследования является жидкость - нефть, протекающая в трубе.

Для исследования процессов теплопередачи при различных режимах течения с помощью системы уравнений использовался программный продукт «Ansys» с программным комплексом «Fluent» для создания гидравлических трехмерных моделей.

Разработанная геометрическая и трехмерная конечно-элементная модель соответствует размерам действующего обогреваемого нефтепровода. По результатам компьютерного моделирования получена картина распределения тепла в жидкости при турбулентном режиме течении (рис. 4).

Рисунок 4. Картина распределения тепла сечении трубы на конце участка

Полученные данные проанализированы с помощью программного комплекса «Ansys» и получены графические зависимости температуры по диаметру нагреваемого объекта на конце участка. На рисунке 5 приведены графические зависимости для трубы с диаметром условного прохода D_у=100 мм, при движущейся жидкости со скоростью 5 м/с и внешнем температурном поле 500^оС, где длины обогреваемого участка приняты равными 3, 5 и 7 м.

Рисунок 5. График зависимости температуры потока по диаметру трубы при длине нагреваемого участка l равным 3, 5 и 7 метров.

По полученным данным минимальные температуры на выходе из обогреваемого участка составили 289, 291 и 298 К соответственно для длины 3, 5 и 7 м. при начальной температуре потока 283 К. При 7 м обогреваемого участка на выходе получается поток нефть с минимальной температурой равной 298 К, что является температурой, при которой осуществляется нормальная перекачки среды.

Список литературы:

1. Высоковязкие нефти: аналитический обзор закономерностей пространственных и временных изменений их свойств / Полищук Ю.М. Ященко И.Г. - Нефтегазовое дело. – 2006. - №1. – С.27-34.
2. Гаврилов В.П. Концепция продления «нефтяной эры» России // Геология нефти и газа. –2005. -№ 1. – С. 53-59.
3. Коршак А.А., Шаммазов A.M. Основы нефтегазового дела. Учебник для ВУЗов. Издание второе, дополненное и исправленное: - Уфа.: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2002. - 544 с.
4. Надиров, Н.К. Трубопроводный транспорт вязких нефтей. Серия: Новые нефти Казахстана и их использование / Н.К. Надиров, П.И. Тугунов, Р.А. Брот, Б.У. Уразгалиев. – Алма-Ата: Наука, 1985. – 264 с.
5. Полищук Ю.М., Ященко И.Г. Физико-химические свойства нефтей: статистический анализ пространственных и временных изменений. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2004. 109 с.
6. Трясцин Р. А. Повышение эффективности трубопроводного транспорта высоковязких нефтей в смеси с газоконденсатом при пониженных температурах, Трясцин Роман Александрович диссертация ... кандидата технических наук: 25.00.19. - Тюмень 2006. - 148 с.