Последовательная перекачка нефтей

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ПЕРЕКАЧКА НЕФТЕЙ

И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Обоснование необходимости последовательной перекачки

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.

Широкое внедрение последовательной перекачки вызвано особенностями работы трубопроводов. В чем они заключаются?

Во-первых, нефти, добываемые в пределах даже одного месторождения, имеют различный химический состав. Из одних вырабатывают высококачественные масла, из других - высокооктановые бензины. Смешивать такие нефти перед перекачкой или в процессе их перекачки на НПЗ нецелесообразно, т.к. извлечение из смеси наиболее ценных для каждой нефти фракций значительно усложняется. Строить же для каждой нефти отдельный трубопровод экономически неоправданно. Более предпочтителен вариант их последовательной (друг за другом) перекачки по одному трубопроводу.

Во-вторых, продукты нефтепереработки (бензины, керосины, дизельные топлива) поставляются потребителям, как правило, по трубопроводам. Обычно объемы отдельно взятых нефтепродуктов недостаточны для строительства самостоятельных трубопроводов или требуют сооружения маломощных нефтепродуктопроводов для каждого нефтепродукта в отдельности. В таких случаях сооружают один трубопровод большого диаметра и по нему последовательно перекачивают различные нефтепродукты в выбранном направлении.

В третьих. В условиях нефтебаз последовательная перекачка неизбежна, так как практически невозможно построить отдельные трубопроводы для каждого нефтепродукта.

О том, где впервые была применена последовательная перекачка, достоверных данных нет. В 1929 г. в США были проведены опыты по перекачке бутана и трех сортов бензина по трубопроводу длиной 1290 км и диаметром 0,2 м. В нашей стране последовательная перекачка была впервые осуществлена в 1927 г: по трубопроводу “Грозный-Махачкала” последовательно с нефтью перекачивалась вода, необходимая для охлаждения дизельных двигателей на насосных станциях. В ходе этой перекачки было установлено, что при соблюдении некоторых условий (скорость потока 1 м/с и выше, безостановочность перекачки) объем образующейся смеси невелик.

В начале 30-х годов на нефтепродуктопроводе “Баку-Батуми” прямым контактированием последовательно перекачивались взаиморастворимые нефтепродукты - керосин и газойль. Эту перекачку организовал инженер Кащеев А.А.

В 1943 г. технология последовательной перекачки была узаконена: Главнефтесбыт при Совете Министров СССР принял решение о практическом осуществлении последовательной перекачки светлых нефтепродуктов. А в 1944 г. такая перекачка начала применяться на магистральном трубопроводе “Астрахань- Саратов”. Этот опыт также подтвердил, что при турбулентном режиме перекачки объем образующейся смеси невелик.

Приближенная теория смесеобразования при последовательном движении жидкостей как при ламинарном, так и при турбулентном режимах течения впервые была создана В.С. Яблонским. Дальнейшее развитие теория последовательной перекачки получила в работах Г.З. Закирова, К.Д. Фролова, М.В. Нечваля, В.Ф. Новоселова, П.И. Тугунова, В.А. Юфина, М.В. Лурье, В.И. Марона и других исследователей. Проводимые исследования по последовательной перекачки как у нас в стране, так и за рубежом способствовали широкому внедрению этого метода в практику эксплуатации магистральных трубопроводов.

В основном, последовательно перекачиваются нефтепродукты.

И борьба с ним

В месте контакта последовательно движущихся жидкостей образуется смесь, количество которой зависит от многих факторов. Смесь - это некондиционированный продукт. Поэтому ее количество необходимо свести к минимуму. Для этого необходимо изучить механизм смесеобразования и установить зависимость объема смеси от определяющих параметров.

Механизм смесеобразования

В зависимости от режима перекачки смесеобразование в трубопроводе протекает по-разному.

При ламинарном (струйном) течениимеханизм смесеобразования таков. В начальный момент времени (t = 0) граница раздела жидкостей плоская, смеси нет (рис. 1.2 а). После начала последовательной перекачки позади идущая жидкость Б вклинивается во впереди идущую жидкость А в соответствии с параболическим профилем распределения местных скоростей. Смесью в данном случае является участок трубы, заполненный сразу обеими контактирующими жидкостями.

Динамика изменения объема смеси представлена на рис. 1.3.

Так как при ламинарном режиме перекачки скорость струек на оси трубы в 2 раза выше средней скорости потока, а на стенке скорость жидкости (по условию “прилипания”) равна нулю, то с течением времени вытесняющая жидкость Б будет все больше вклиниваться в вытесняемую жидкость А, а на стенке перемещаться не будет. В момент, когда “голова” клина достигает конечного сечения трубопровода, заканчивается фаза замещения и весь трубопровод заполнен смесью последовательно перекачиваемых жидкостей.

Далее начинается фаза вымывания. Заключается она в том, что постепенно конечного сечения трубопровода достигают струйки, все более удаленные от оси трубы. Этот процесс протекает крайне медленно. Теоретически и экспериментально установлено, что для полного вымывания жидкости А необходимо прокачать вытесняющую жидкость Б в количестве 3...4 объемов трубопровода V_тр. Таким образом, объем образующейся смеси при ламинарном режиме перекачки составляет (4...5)×V_тр.

При турбулентном режиме перекачкимеханизм смесеобразования иной (рис. 1.4). После начала последовательной перекачки позади идущая жидкость Б вклинивается во впереди идущую жидкость А в соответствии с логарифмическим профилем распределения местных скоростей.

Однако уже в следующий момент времени за счет поперечных пульсаций скорости, характерных для турбулентного режима вклинивающаяся жидкость Б полностью перемешивается с впереди идущей жидкостью А, находящейся у стенки. Далее во впереди идущую жидкость А вклинивается образовавшаяся смесь, а в смесь вклинивается позади идущая жидкость Б (рис. 1.5).

И опять за счет поперечных пульсаций скорости в зоне обоих контактов происходит полное перемешивание жидкостей. Этот процесс протекает и в дальнейшем. В результате длина образовавшейся смеси постепенно увеличивается в обоих направлениях. При этом кривая распределения концентрации жидкости Б по длине смеси занимает все более пологое положение.

Рис. 1.5. Изменение объема смеси и концентрации жидкости Б

по ее длине во времени

Благодаря существованию поперечных пульсаций скорости вытесняющая жидкость Б не может сколь угодно долго вклиниваться в вытесняемую жидкость А. Кроме того, при турбулентном режиме за счет поперечных турбулентных пульсаций жидкость А вымывается из пристенной области и смесь движется как своеобразный поршень. Поэтому объем образующейся смеси относительно невелик. Согласно приближенной теории смесеобразования, разработанной В.С. Яблонским и В.А. Юфиным, этот объем при турбулентном режиме перекачки не превышает 1 % от объема трубопровода, пройденного серединой смеси.

1.5. Приближенная теория смесеобразования при последовательной перекачке

Распределение концентрации одного продукта в другом описывается линейным уравнением второго порядка в частных производных

, (1.1)

где К_Б - концентрация вытесняющей жидкости Б;

D_Э- эффективный коэффициент продольного перемешивания.

Это уравнение часто называют уравнением теплопроводности.

Его решение при начальных условиях

имеет вид :

, (1.2)

где Ф(Z) - интеграл вероятности, ;

Z - аргумент интеграла вероятности, равный ;

t - время образования смеси (время перекачки).

График функции приведен на рис. 1.6.

В соответствии с ним концентрация К_Б = 1 имеет место при Z ® - ¥, а К_Б = 0 при Z ® + ¥, то есть смесь занимает как бы весь трубопровод. Это дефект используемой математической модели.

Для инженерных целей под областью смеси понимают зону, где концентрация продукта Б в продукте А изменяется от 99 до 1 %. Значение аргумента интеграла вероятности Z при К_Б = 0,01 равно 1,645, а при К_Б = 0,99 равно - 1,645.

Рис. 1.6. График функции К_Б=0,5[1-Ф(z)]

Пусть х₁ и х₂ - координаты сечений, ограничивающих область смеси. Тогда можем записать :

.

Длину области смеси найдем как разность х₂ и х₁

. (1.3)

Если учесть, что время образования смеси , то можем переписать (1.3)

, (1.4)

где L - пройденный смесью путь;

u_см - скорость смеси.

Соответственно объем смеси будет равен

, (1.5)

где F - площадь сечения трубопровода.

Из полученных формул видно, что длина и объем смеси меняются пропорционально корню квадратному из пройденного смесью расстояния и зависят также от площади сечения трубопровода и коэффициента продольного перемешивания (диффузии) D_э .

Длину и объем смеси, часто выражают, через безразмерное число Пекле , что дает

. (1.6)

Пример. Определить длину и объем смеси при перекачке нефтепродуктов со скоростью 1,2 м/с по трубопроводу диаметром 365 мм и длиной 250 км; коэффициент продольного перемешивания равен 0,5 м²/с.

Решение

Последовательно вычисляем

;

;

;

;

.

Таким образом, в одном контакте перекачиваемых нефтепродуктов за время перекачки L/u_см = ч образуется объем смеси, составляющий 0,849 % от пройденного объема трубопровода или 222 м³ (в пределах концентраций от 1 до 99 %), а сама длина смеси в трубопроводе составит около 2,12 км.

Объем примеси одного продукта в другом описывается формулой

.

Если взять отношение объема примеси к объему смеси, то получим

,

то есть объем примеси составляет около 1/12 объема смеси, определенной в пределах концентрации от 1 до 99 %. В рассмотренном примере этот объем равен 19 м³ в каждом из продуктов.

В примере мы задавались величиной эффективного коэффициента диффузии. На самом деле для его расчета имеется ряд эмпирических формул:

- формула Асатуряна

; (1.8)

- формула Нечваля - Яблонского

; (1.9)

- формула Съенитцера

. (1.10)

Кинематическую вязкость в данных формулах определяют следующим образом. При n_А/n_Б £ 5 пользуются формулой Кадмера

.

Если же , то

. (1.11)

Выразим величину числа Пекле с использованием формулы Съенитцера

.

Подставив его в формулу для нахождения объема смеси, получим

. (1.12)

Из этой формулы, в частности, видно, что чем меньше значение коэффициента гидравлического сопротивления l, тем меньше объем образующейся смеси. Поскольку для всякой жидкости коэффициент l уменьшается при увеличении средней скорости потока u_ср, то мы приходим к важному выводу: чем больше скорость перекачки, тем меньше образуется смеси. Строго говоря, полученная формула для V_см справедлива лишь для нефтепродуктов, обладающих одинаковой вязкостью. Если вязкость нефтепродуктов различны, то, используя формулы (1.10), (1.11), получаем

. (1.13)

Эта формула дает результаты, имеющие хорошее совпадение с промышленными данными.

1.6. Влияние различных факторов на процесс смесеобразования и

Борьба с ним

Опыт эксплуатации магистральных трубопроводов, по которым последовательно перекачиваются различные нефти или нефтепродукты, показывает, что объем смеси при прямом контактировании равен 0,5...1 % объема трубопровода. Однако для трубопроводов большого диаметра и протяженности объем смеси довольно велик. Так на участке Уфа- Челябинск нефтепродуктопровода Уфа-Омск он составляет около 785 м³. Поскольку смесь является некондиционным продуктом, то необходимо всемерно стремиться к уменьшению ее объема.

На образование смеси оказывают влияние режим перекачки, остановки перекачки, конструктивные особенности обвязки перекачивающих станций и резервуарных парков, объем партии, соотношение вязкостей и плотностей перекачиваемых жидкостей.

Влияние режима перекачки

Выше было показано, что при турбулентном режиме перекачки объем образующейся смеси значительно меньше, чем при

Рис. 1.7 Зависимость изменения относительного объема смеси от скорости в пределах концентрации 95-5% при плотности нефтепродуктов ( в т/м3 )

ламинарном. Выбор скоростей перекачки в рамках турбулентного режима лимитируется следующими соображениями. Если скорость перекачки низкая (рис. 1.7), то может произойти расслоение потока и объем смеси возрастет. В связи с этим установлены следующие минимально допустимые скорости при D = 300...350 мм - 0,8 м/с, при D = 400...500 мм - 0,75 м/с.

Чем больше скорость перекачки, тем объем образующейся смеси меньше. Однако бесконечно увеличивать скорость перекачки нецелесообразно. При скоростях больше 2 м/с существенно возрастают затраты электроэнергии на перекачку, а объем смеси уменьшается незначительно.

Рис. 1.7. Зависимость относительного объема смеси от скорости перекачки при различном соотношении плотностей тяжелого и легкого нефтепродуктов.

1 ¾ r_л=1 r_т=1,09 5 ¾ r_л=0,73 r_т=0,82

2 ¾ r_т=1,09 r_л=1 6 ¾ r_т=0,82 r_л=0,73

3 ¾ r_л=1 r_т=1,12 7 ¾ r_л=0,73 r_т=0,84

4 ¾ r_т=1,12 r_л=1 8 ¾ r_т=0,84 r_л=0,73

В связи с этим диапазон рекомендуемых при последовательной перекачке скоростей составляет от 0,75 до 2,0 м/с. Есть и более общая рекомендация: перекачку нужно вести в развитом турбулентном режиме, т.е. при числах Рейнольдса больше 10000.

Влияние остановок перекачки

Последовательно перекачиваемые жидкости, как правило, имеют разную плотность. У бензина, например, она составляет 730...750 кг/м³, а у дизельного топлива 830...850 кг/м³. Если при остановке перекачки более тяжелая жидкость окажется выше или даже на одном уровне с более легкой жидкостью, то произойдет их растекание под действием силы тяжести. При этом более тяжелая жидкость (на рис 1.8. изображена темной) стекает вдоль нижней образующей трубы, а более легкая (изображена светлой) - поднимается вдоль верхней образующей. Этот процесс прекращается после того, как нижнее колено оказывается заполненным тяжелой жидкостью, перекрывающей путь для всплывания более легкой.

На рис. 1.9 приведена величина коэффициента увеличения объема смеси для нефтепродуктопровода с внутренним диаметром 307 мм при равнинном характере профиля трассы.

	Рис. 1.9. Влияние остановок перекачки на увеличение объема смеси

График построен для следующих условий:

- скорость перекачки равна 1 м/с;

- число остановок равно числу циклов последовательной перекачки.

Из графика следует, что для коротких трубопроводов при остановках перекачки объем смеси может увеличиваться на 25 %.

Чтобы уменьшить дополнительное смесеобразование при аварийных остановках различные по плотности жидкости следует немедленно отсекать задвижками как можно ближе к границе их контактирования. При плановых остановках перекачки трубопровода необходимо заранее наметить точки профиля трассы так, чтобы более легкая жидкость располагалась над тяжелой.

Перекачивающих станций

Переключение работающих насосов с одной жидкости на другую производится без остановки перекачки. Данная процедура занимает определенный промежуток времени, в течение которого осуществляется переключение задвижек. В этот период обе задвижки (например, на резервуарах с бензином и дизельным топливом) будут открыты и в насос одновременно поступают две разные жидкости, которые смешиваются между собой во всасывающем трубопроводе и корпусе насоса. В магистраль в этом случае подается уже смесь жидкостей, получающая название первичной технологической смеси.

Объем смеси будет тем больше, чем длительнее время срабатывания задвижек. Лучшие образцы отечественных и зарубежных задвижек срабатывают примерно за 10 с. Однако возможны случаи более длительного

перекрытия запорной арматуры, что увеличивает объем первичной технологической смеси.

Большое влияние на объем первичной технологической смеси, образующейся на участке “резервуарный парк - насосная”, оказывают так называемые “мертвые зоны”: различные отводы, тупиковые ответвления, обводные линии, лупинги, задвижки, счетчики, фильтры и т.п. При перекачке эти устройства заполняются одной из жидкостей. После смены партии эта жидкость постепенно вымывается из перечисленных устройств другой. В результате загрязнение вытесняющей жидкости происходит не только в зоне контакта, но и на значительной длине после границы раздела. В связи с этим трубопроводы, предназначенные для последовательной перекачки, не должны иметь отводов и ответвлений, а отсекающие задвижки должны устанавливаться непосредственно у основной магистрали.

Первичная технологическая смесь может образовываться и при хранении продуктов в резервуарном парке. Если в резервуарах хранятся разные продукты, а задвижки, отключающие эти резервуары, негерметичны, то из-за разности гидростатических давлений будут иметь место перетоки продуктов и образование значительного количества смеси. При малой производительности откачки такой переток жидкостей может наблюдаться в период переключения резервуаров.

Для количественной оценки влияния конструктивных особенностей обвязки перекачивающих станций на общий объем смеси в конце трубопровода рекомендована формула

,

где V_см, V_{см.перв.} - объем смеси, образующейся в трубопроводе длиной L, соответственно без учета и с учетом первичной смеси;

V_о.см. - объем первичной смеси.

Для нефтепродуктопровода диаметром 500 мм, на головной станции которого образовалась первичная смеси объемом 100 м³ зависимость увеличения общего объема смеси от дальности перекачки представлена таблицей

Длина трубопровода, км
Увеличение объема смеси, %			7,5	3,4	1,2	0,6

Как из нее видно, наличие первичной смеси практически незаметно уже в 300 км от головной станции. В то же время для коротких трубопроводов влияние первичной смеси велико.

Таким образом, производить модернизацию и техническое переоснащение трубопроводов с целью уменьшения образования первичной смеси целесообразно, если их протяженность составляет менее 300 км.

Деление смеси пополам

Деление смеси пополам применяют для того, чтобы не допустить изменения количества закачиваемых в трубопровод нефтепродуктов. В этом случае, чтобы не испортить качества чистых жидкостей их объем не должен быть больше некоторой минимально допустимой величины.

Пусть ведется последовательная перекачка прямым контактированием бензина и дизтоплива. Объем образующейся смеси равен V_см, а объем примеси в половине смеси J_o. Если добавить половину смеси к чистому бензину объемом V_Б, то концентрация дизтоплива в чистом нефтепродукте составит

. (1.15)

При раскладке смеси должно выполняться условие К_ДТ £ q_ДТ, т.е. 0,0858 × £ q_ДТ. Отсюда находим необходимый объем чистого бензина для реализации половины образовавшейся смеси

. (1.16)

Рассуждая аналогично, найдем необходимый объем чистого дизтоплива для реализации половины образовавщейся смеси

. (1.17)

Минимальный объем партии чистого нефтепродукта определяется как сумма минимальных объемов, требуемых для реализации половины смеси в каждом контакте.

		Схема к определению минимальной партии нефтепродуктов

Итак, видим, что для обеспечения реализации смеси при ее делении пополам объем партии бензина должен в 101 раз превышать ожидаемый объем смеси, а объем партии дизтоплива - в 85,8 раз. При объеме смеси 222 м³ (ранее рассмотренный пример) минимально допустимые объемы партий бензина и дизтоплива должны быть равны 22422 м³ и 19048 м³ соответственно.

Приведем без вычислений некоторые другие результаты расчета величин отношения минимального объема чистого нефтепродукта к объему смеси.

Основной	Примесь
нефтепродукт	Бензин	Топливо	Дизтопливо	Керосин
	А-76	ТС-1	летнее	зимнее	тракторный
Бензин А-76	-	4,3	42,9	50,5	14,3
Топливо ТС-1	¥	-	8,6	1,7	-
Дизтопливо	42,9	8,6	-	17,2	17,2
летнее
Дизтопливо	24,5	1,7	не менее	-	0,9
зимнее			0,2
Керосин	2,9	-	5,7	2,9	-
тракторный

Из таблицы видно, что:

1) при делении смеси пополам нельзя перекачивать прямым контактирование бензин А-76 и топливо ТС-1;

2) наиболее предпочтительна перекачка прямым контактированием:

- бензина А-76 и керосина тракторного;

- топлива ТС-1 и дизтоплива зимнего или летнего;

- дизтоплива зимнего и керосина тракторного.

Соответственно формируется и последовательность закачки нефтепродуктов в трубопровод.

Последовательной перекачке

Смены жидкостей

Нагляднее всего анализ может быть сделан для трубопровода только с одной перекачивающей станцией

Изменение расхода

Чтобы учесть различие свойств последовательно перекачиваемых жидкостей уравнение сохранения энергии для трубопровода правильнее записать в единицах давления. Пусть насосами в трубопровод закачивается жидкость Б плотностью r_Б и с кинематической вязкостью n_Б, а на конечном пункте принимается в резервуары жидкость А плотностью r_А и с кинематической вязкостью n_А. В этом случае уравнение баланса давлений имеет вид

, (1.41)

где h_п, h_ост - напор соответственно подпорных насосов и на входе

в резервуарный парк конечного пункта;

f_Б, f_А - гидравлический уклон при единичном расходе в случае

перекачки жидкостей соответственно Б и А, ;

x - длина участка трубопровода, занятого вытесняющей жидкостью Б;

l - длина трубопровода;

А_н, Б_н - коэффициенты в формуле для вычисления напора станции,

Из уравнения (1.41) находим мгновенный расход в трубопроводе при вытеснении жидкости А жидкостью Б

. (1.42)

При обратной последовательности движения жидкостей, когда жидкость Б занимает участок трубопровода той же длины x, мгновенный расход находится аналогично и составит

. (1.43)

В числителе формул (1.42) и (1.43) первое слагаемое, как правило, значительно больше остальных. Величины соотношений плотностей для бензина и дизтоплива составляют r_Б / r_А » 1,11 и r_А / r_Б » 0,9, т.е. близки к единице. С учетом этого можно утверждать, что Q_БА » Q_АБ, т.е. последовательность движения жидкостей в трубопроводе практически не влияет на его производительность.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ПЕРЕКАЧКА НЕФТЕЙ

И НЕФТЕПРОДУКТОВ