книги / Трубопроводный транспорт нефти и газа

где t x и t 2 — моменты времени, соответствующие прохождению через концевое сечение смеси с концентрациями СА1 и СА2. Из этой фор­ мулы следует, в частности, что в пределах граничных концентраций СА х— С?4 2 = 0,99—0,01 объем смеси при ламинарном режиме соста­ вит

V C M = (0,01-0.5-0,99-°'5) = 4,5l/Tp,

а при СА1—СА2 = 0,991—0,009 объем смеси VCM= 4,8 VTp.

Как это было найдено позднее (В. И. Черникиным, В. Ф. Новосе­ ловым, В. И. Харламенко и др.), различие вязкостей существенно влияет на объем смеси и продолжительность фазы вытеснения при ла­ минарном режиме последовательной перекачки. Однако при турбу­ лентном режиме расчет объема смеси только по различию местных осредненных скоростей и без учета турбулентного перемешивания дает чрезмерно завышенные результаты по сравнению с наблюдаемым на практике.

6.4. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ РЕЖИМЕ

Влияние первичной смеси. При смене нефтепродукта, закачиваемого в трубопровод на его начальном пункте, перекачка не прекращается. Поэтому закрытие задвижки у резервуара с нефтепродуктом А и от­ крытие у резервуара с нефтепродуктом Б производится одновременно при работающем трубопроводе. Таким образом, в трубопроводе в те­ чение некоторого периода времени, определяемого быстрым действием задвижек, поступают нефтепродукты одновременно и на его началь­ ном участке образуется так называемая первичная смесь нефтепро­ дуктов А и Б.

Концентрация нефтепродуктов СБ по длине первичной зоны смеси изменяется от 0 до 1 по произвольному закону, определяемому интен­ сивностью открытия и закрытия задвижек, уровнем нефтепродукта в резервуарах и пропускной способностью трубопровода.

При продолжительности переключения задвижек всего лишь 5 мин и скорости перекачки 2 м/с протяженность зоны первичной смеси со­ ставляет 600 м, что при диаметре трубопровода 0,5 соответствует 1 2 0 м3 смеси.

При наличии первичной смеси первоначальный скачок концентра­ ции (см. рис. 6 .1 , линия 1) отсутствует и смесеобразование нефтепро­ дуктов А и Б при их движении по трубопроводу, обусловленное раз­ личием местных осредненных скоростей и турбулентного перемешива­ ния, начинается при наличии между ними первичной смеси с некото­ рым распределением концентраций замещающего нефтепродукта / (х) по ее длине (рис. 6.7). Подсчитать общее количество смеси, образую­ щейся в трубопроводе, с учетом первичной смеси можно следующим образом.

Условно увеличим длину данного трубопровода на величину ЬЛ0П, на которой в результате последовательной перекачки тех же нефте-

201

Рис. 6.7. График влияния первич­ ной смеси на распределение кон­ центраций и общее количество обра­ зующейся смеси:

1 —без учета первичной смеси: 2 —с уче­ том первичной смеси

продуктов образуется то же самое количество первичной смеси Vn, что и в результате переключения задвижек. Тогда формулу (6.19) для этого объема первичной смеси можно записать в виде

Чтобы определить общий объем смеси (с учетом первичной Vn), достаточно в формуле (6.19) увеличить длину трубопровода L на ве­ личину £дОП и записать ее в виде

где Vn ем и VCM — объем смеси в данном трубопроводе с учетом и без учета первичной смеси соответственно.

Из последнего выражения видно, что влияние первичной смеси сильно сказывается лишь на коротких трубопроводах. Поэтому меро­ приятия по уменьшению первичной смеси наиболее эффективны на коротких трубопроводах.

Смесеобразование при переменной скорости перекачки

Скорость перекачки может изменяться скачкообразно в местах изме­ нения диаметра трубопровода и в местах промежуточного отбора ча­ сти нефтепродуктов или изменяться плавно вследствие регулирования

202

расхода и его постепенного изменения в процессе замещения нефте­ продуктов, различающихся по вязкости и плотности. Кроме того, в местах изменения диаметра трубопровода зона смеси будет «сжи­ маться», если d t <C.d2, и «вытягиваться», если d 1 > d 2 (рис. 6.8). Та­ ким образом, скорость перекачки в процессе движения зоны смеси может меняться с течением времени.

Уравнение, описывающее процесс смесеобразования при произ­ вольном изменении скорости перекачки и (t) и зависящего от нее эф­ фективного коэффициента диффузии D (t), будет иметь вид (при ус­ ловии, что неподвижное начало координат расположено в начальном

шение этого уравнения для трубопровода с п участками разного диа­ метра и, кроме того, с монотонным изменением скорости перекачки будет следующим:

203

получим

иt

х п = I u n ( t ) d t — j u n ( t ) d t .

‘п ‘n

Объем смеси в конце трубопровода в пределах граничных концен­ траций СБ1 и СБ2 для рассматриваемого случая можно определить по формуле

где dn — диаметр последнего участка трубопровода; z2 и г* — аргу­ менты интеграла вероятности для граничных концентраций СБ г и СБ.2.

Влияние различия вязкостей на процесс смесеобразования

При последовательной перекачке нефтепродуктов, существенно от­ личающихся по вязкости, вязкость смеси по ее длине будет изме­ няться в соответствии с изменением концентрации в ней нефтепродук­ тов.

Вследствие изменения вязкости смеси будет происходить дефор­ мация профиля местных осредненных скоростей и это, в свою очередь, приведет к изменению эффективного коэффициента диффузии D по длине зоны смеси. Эффективный коэффициент диффузии D можно считать пропорциональным коэффициенту гидравлического сопротив­ ления, также определяемого профилем местных осредненных скоро­ стей.

При последовательной перекачке нефтепродуктов, существенно от­ личающихся по вязкости, количество смеси увеличивается, а концен­ трация СБ = 0,5 не совпадает с координатой z = 0. Расчеты и прак­ тические наблюдения свидетельствуют о том, что на количество смеси и распределение концентраций по ее длине влияет порядок следова­ ния нефтепродуктов разной вязкости: если замещающий нефтепро­ дукт имеет меньшую вязкость, чем замещаемый, то объем смеси на 10—15 % больше, чем при обратном порядке следования этих же нефтепродуктов. Физически это можно объяснить трудностью «смы­ вания» высоковязкого нефтепродукта, например дизельного топлива, маловязким нефтепродуктом, например бензином, вблизи стенок трубы, где интенсивность турбулентного перемешивания снижается. Объем смеси при последовательной перекачке различающихся по вяз­ кости нефтепродуктов в пределах симметричных концентраций можно определить по формуле

VCM/VTP= 2г Ре/7°'5 [ 1+ {DA/DBf %

где Da, D b, Рев — соответственно эффективные коэффициенты диф­ фузии и числа Пекле для нефтепродуктов А и Б.

204

Влияние плотностей и остановок последовательной перекачки

Различие плотностей последовательно перекачиваемых нефтепродук­ тов оказывает гораздо меньшее влияние на объем смеси, чем различие вязкостей, и им можно пренебречь при нормальных условиях пере­ качки. Однако в случае остановки зоны смеси в трубопроводе при ава­ рийном прекращении последовательной перекачки различие плотно­ стей может привести к существенному увеличению количества смеси, особенно если рельеф местности пересеченный и нефтепродукт большей плотности находится выше по склону нефтепродукта меньшей плот­ ности. Если при остановке перекачки нефтепродукт большей плотно­ сти находится выше по склону нефтепродукта меньшей плотности (наиболее опасный случай), то происходит существенное увеличение смеси вследствие растекания более плотного нефтепродукта вниз по склону.

Заметное увеличение количества смеси происходит и в том случае, если остановка зоны смеси происходит в горизонтальном трубопро­ воде большого диаметра. Если же при остановке перекачки более плот­ ный нефтепродукт находится ниже по склону, чем менее плотный нефтепродукт, то заметного увеличения смеси не происходит. На ко­ личество смеси оказывают также влияние тупиковые ответвления от основного трубопровода и лупинги на его трассе, например, при пере­ сечении рек. Тупиковые ответвления остаются заполненными заме­ щаемым нефтепродуктом А , который постепенно вымывается заме­ щающим нефтепродуктом Б и ухудшает его качество. При наличии большого числа тупиковых ответвлений на трубопроводе ухудшение качества нефтепродукта Б вследствие вымывания из этих ответвлений нефтепродукта А может оказаться заметным.

При наличии на трубопроводе лупинга поток на этом участке раз­ дваивается и при несовпадении скоростей в основной магистрали и лупинге уже образовавшаяся смесь попадает в поток чистого нефте­ продукта в месте соединения лупинга с магистралью. При одинако­ вом диаметре и скорости течения в лупинге и основной магистрали оценка влияния лупинга на увеличение смеси вследствие раздваива­ ния потока может быть приближенно определена но формуле

VrM.*/Vc„ = y i + 7L JL ,'

где Есм. л и Ln — соответственно объем смеси с учетом лупингов и длина лупингов; Ксм и L — объем]|смеси без лупингов и длина трубо­ провода.

6.5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДА ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПЕРЕКАЧКЕ

Предполагаются заданными количество и номенклатура нефтепродук­ тов, получаемых от «источника» — НПЗ, и годовая потребность по­ требителей — распределительных нефтебаз для разветвленной системы трубопроводов или конечного пункта «стволового» магистрального

205

трубопровода. На основе этих данных определяют среднегодовую пропускную способность отдельных расчетных участков нефтепродуктопровода Gr:

Gr = Z Gri,

i=i

где Gri — годовое количество i-го нефтепродукта; п — число перека­ чиваемых последовательно нефтепродуктов.

Для найденного значения Gr по табл. 6.1 для разветвленных или по нормам технологического проектирования для «стволовых» нефтепродуктопроводов определяют рекомендуемый диаметр данного участка, берут для расчета еще два соседних диаметра и ведут даль­ нейший расчет по этим трем вариантам. При расчете «стволового» нефтепродуктопровода определяют расчетную часовую пропускную способность но формуле

й , _ 1 _ у Д 1 .

8400 рг i=i

Затем для всех рассматриваемых вариантов выполняется гидрав­ лический расчет с определением потерь напора на всех расчетных участках, определением числа насосных станций, подбором насосов. Если на нефтепродуктопроводе по расчету должны быть промежуточ­ ные насосные станции, то расчет потерь напора следует вести по нефте­ продукту с наибольшей вязкостью, так как при последовательной пе­ рекачке партия наиболее вязкого нефтепродукта на участке между двумя соседними насосными станциями будет «лимитировать» про­ пускную способность всего нефтепровода. Если нефтепродуктопровод по расчету не имеет промежуточных насосных станций, то его пропуск­ ная способность будет плавно меняться по мере замещения нефте­ продукта одной вязкости нефтепродуктом другой вязкости. Поэтому при подборе насосов в этом случае должна быть обеспечена возмож­ ность их работы при перекачке каждого нефтепродукта в зоне макси­ мального коэффициента полезного действия. По совмещенным характе­ ристикам для каждого варианта определяют фактическую часовую пропускную способность Q4 i и продолжительность (в сутках) пере­ качки каждого из нефтепродуктов Л/г:

24Р£<Эчi 1=1

где Тр — расчетное число суток работы нефтепродуктопровода в те­ чение года. Если это условие не выполняется, то подбирают насосы

сбольшей подачей.

Вкачестве оптимального принимают вариант нефтепродуктопро­

вода с минимальными приведенными затратами (на сооружение и экс­ плуатацию линейной части и насосных станций), определяемыми по

206

нормативным показателям в соответствии с нормами технологиче­ ского проектирования.

Для оптимального варианта «стволового» нефтепродуктопровода определяют оптимальное число циклов исходя из следующих сообра­ жений. На начальный пункт нефтепродуктопровода с НПЗ практи­ чески одновременно поступает несколько разных нефтепродуктов. Поэтому в период закачки в нефтепродуктопровод одного из нефте­ продуктов все остальные должны поступать в предназначенные для них резервуары.

Снабжение потребителей на конечном пункте нефтепродуктопро­ вода разными нефтепродуктами также практически происходит одно­ временно. Поэтому в период поступления на конечный пункт из нефте­ продуктопровода одного из перекачиваемых последовательно нефте­ продуктов для бесперебойного снабжения потребителей нефтепродук­ тами других сортов должны быть созданы запасы их в выделенных для этого резервуарах конечного пункта. Если нефтепродукты пере­ качивать последовательно очень большими по объему партиями, то в течение года на конечный пункт нефтепродуктопровода поступит небольшое количество смеси этих нефтепродуктов. Следовательно, затраты на исправление смеси и убытки от пересортицы окажутся незначительными. Однако при этом на начальном и конечном пунктах нефтепродуктопровода потребуется соорудить резервуарные парки большого объема, что приведет к большим капиталовложениям и рас­ ходам на их эксплуатацию. Если перекачивать нефтепродукты боль­ шими по объему партиями, то расходы на сооружение и эксплуатацию резервуаров окажутся небольшими, зато значительно увеличится ко­ личество смеси на конечном пункте и, следовательно, возрастут за­ траты на исправление смеси и убытки от пересортицы. Таким образом, по мере увеличения числа циклов последовательной перекачки и уменьшения объема партий нефтепродуктов затраты на резервуары будут снижаться, а затраты на исправление и реализацию смеси воз­ растать, поэтому должно существовать некоторое оптимальное число циклов, которому соответствует минимум суммарных затрат на ре­ зервуары и исправление смеси.

Число разных нефтепродуктов, перекачиваемых последовательно по существующим магистральным нефтепродуктопроводам, колеблется от 3 до 10 видов и более. При этом сами нефтепродуктопроводы могут иметь путевые сбросы и подкачки нефтепродуктов, а объем потребле­ ния отдельных нефтепродуктов претерпевает сезонные изменения.

Оптимальное число циклов последовательной перекачки для рас­ сматриваемого случая может быть определено из условия минимума приведенных затрат на резервуары для создания запасов нефтепро­ дуктов и на реализацию получаемой смеси.

В настоящее время по отечественным магистральным нефтепро­

дуктопроводам последовательно перекачиваются в основном бензины и дизельные топлива различных марок.

Если в каждом цикле необходимо последовательно перекачивать разные по своим свойствам и назначению нефтепродукты, то число отдельных партий в цикле и число зон контакта разных нефтепродук-

207

Рис. 6.9. Схема к определению числа партий нефтепродуктов в цикле последо­ вательной перекачки (с учетом совместимости нефтепродуктов)

тов, т. е. зон образования смеси (как это следует из рис. 6.9), при со­ блюдении условия наименьшего различия физико-химических свойств будет п = 2 ( т —1). Если tL— продолжительность закачки в нефтепродуктопровод г-го нефтепродукта, а в каждом цикле перекачиваются т нефтепродуктов, то общая продолжительность одного цикла соста­

вит

т—1

Тц = /г + 2/.J -г • • • + 2im_i -Т tm tx-[- 2 ^ [ti + tm. i=2

Предположим, что нефтепродуктопровод имеет г сосредоточенных путевых отборов в определенных пунктах трассы с суточными расхо­ дами <7сут 1 , <7сут 2, , <7сут, и s подкачек нефтепродуктов от рас­ положенных вдоль трассы нефтеперерабатывающих заводов с суточ­

в цикле, кроме первого, в течение времени Tn— tx = 2 £ t i + t m на i=2

начальном пункте и в местах подкачки будет накапливаться первый нефтепродукт, а на конечном пункте и в пунктах сброса тот же первый нефтепродукт из созданных ранее запасов, который будет постав­ ляться потребителям. Если q1H— суточное поступление нефтепро­ дукта с завода на начальный пункт, то необходимый для его хранения

где qin/ — суточное поступление первого нефтепродукта на /-м пункте подкачки.

Объем резервуаров для создания необходимых запасов первого нефтепродуктопровода на конечном пункте составит VK= qin (Гц —/ х), а в местах отбора (сброса) на трассе

где q1Ci — суточное потребление первого нефтепродукта на t-м пункте отбора; q1K — суточное потребление первого нефтепродукта на ко­ нечном пункте нефтепродуктопровода.

Таким образом, для создания необходимых запасов перекачивае­ мых нефтепродуктов всех сортов требуется следующий объем резер­ вуаров:

208

на начальном пункте

Е Vр Н - ^ „(7ц tp)\

P = I p = i

в местах подкачки на трассе

s т s т

Е Е ^р п / = X Е Ярп i (7Ц ^p )i

/ = 1 р = I / = 1 р = 1

в пунктах отбора на трассе

на конечном пункте нефтепродуктопровода

ШГП

Е ^р к= Е ?р« (7ц ^).

P = I p = i

Общий объем резервуарных парков всего нефтепродуктопровода определится из суммы этих выражений

Va = — Г Е Яр» { N Q — Л^р) +

Ц1 _ р = 1

в течение года; Ц — число циклов последовательной перекачки в году. Суммарные приведенные затраты П на сооружение и эксплуатацию резервуаров и на реализацию смеси можно представить в виде соот­

ношения

П = (ЕиК-\-Э)(У0- У см) + АЦ,

где Ей — нормативный коэффициент эффективности капиталовложе­ ний для нефтяной промышленности; К и Э — соответственно удель­ ные капиталовложения и эксплуатационные расходы на единицу по­ лезного объема резервуара; А — убытки от смешения нефтепродуктов

Необходимый объем резервуаров для смеси Усм можно определить из следующего соотношения: l/CM= (Vc. ц —Vp. ц) //, где 1/с. ц — объем смеси, принятый на конечном пункте за один цикл; Vp. ц — объем смеси, реализованный в течение одного цикла.

209