авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< 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


Pages:   || 2 |

Транспортировка высоковязкой нефти по магистральному нефтепроводу с использованием тепловых насосов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Глушков Алексей Анатольевич

транспортировка высоковязкой нефти

по магистральному нефтепроводу с использованием тепловых насосов

Специальность 25.00.19 – «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа-2009

Работа выполнена на кафедре «Гидравлика и гидромашины» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Гаррис Нина Александровна.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Кутуков Сергей Евгеньевич; кандидат технических наук Савичев Евгений Владимирович.
Ведущая организация Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»).

Защита состоится «12» ноября 2009 года в 14:00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «12» октября 2009г.

Ученый секретарь совета Ямалиев В.У.

ОБщая характеристика работы

Актуальность темы диссертационной работы

В настоящее время наметилась тенденция увеличения доли добываемой высоковязкой нефти. В связи с этим возникают проблемы, связанные с неизбежным ростом гидравлического сопротивления магистрального нефтепровода.

На территории Российской Федерации, Республики Казахстан действуют несколько магистральных неизотермических трубопроводов, перекачивающих высокопарафинистые нефти. На данных нефтепроводах применяются различные технологии перекачки высоковязких, высокозасты­вающих нефтей. На нефтепроводах Уса-Ухта-Ярославль (Российская Федерация), Кумколь-Каракоин-Шымкент (Республика Казахстан) для улучшения реологических свойств применяются депрессорные присадки; на нефтепроводе Узень – Гурьев – Самара (Республика Казахстан, Российская Федерация) используются печи для нагрева нефти.

В зимнее время, особенно в периоды резкого похолодания, темпера­тура нефти в трубопроводе снижается. Если гидравлическое сопротивление трубопровода значительно возрастает и превышает возможности насосного оборудования, то перекачку останавливают. В таком режиме эксплуатируется нефтепровод Кумколь-Каракоин, перекачка нефти по которому на 2-3 месяца прекращается, несмотря на добавление депрессорных присадок, улучшающих транспортабельные свойства перекачиваемой нефти.

На пределе своих возможностей в холодные зимние периоды работает магистральный нефтепровод Уса-Ухта. Модернизация или замена насосно-силового оборудования с целью увеличение располагаемого напора для повышения производительности нефтепровода ограничена предельным напором трубопровода.

Следует отметить, что способ «горячей» перекачки в районах Крайнего Севера неприемлем, как не отвечающий требованиям экологической безопасности. Кроме того, доказано, что для Усинских нефтей он экономически не целесообразен. Возникла необходимость в разработке нового способа перекачки высоковязких нефтей, приемлемого для условий Крайнего Севера, с природой, крайне чувствительной к тепловому воздействию, а потому и жесткими требованиями экологической безопасности.

В работе рассматривается способ транспортировки высоковязкой нефти с ограничением процессов сжигания за счет использования низкопотенциального природного тепла, которое трансформируют в тепловых насосах в источник подогрева нефти более высокого потенциала.

Цель диссертационной работы

Сокращение потребления первичных энергоресурсов при транспорте высоковязкой нефти по магистральному нефтепроводу за счет использования природного низкопотенциального тепла.

Основные задачи исследований

1 Разработка способа «распределенного» подогрева высоковязкой нефти с использованием рассредоточенных по трассе автономных теплонасосных пунктов подогрева (ТНПП).

2 Определение температурных режимов фиксированно расположенных по трассе теплонасосных пунктов подогрева (с привязкой к источникам природного тепла) при реконструкции магистрального нефтепровода.

3 Оценка эффективности применения на теплонасосных пунктах подогрева дополнительных нагревателей, покрывающих пиковые нагрузки.

Методы исследований

В работе использовались:

а) графоаналитические методы;

б) промышленные исследования поставленных задач;

в) методы математического моделирования.

Научная новизна

1 Разработана методика расчета температурных режимов теплонасосных пунктов подогрева из условия оптимизации затрат на ТНПП при их неравномерном расположении с учетом вида используемого источника природного низкопотенциального тепла при известном располагаемом напоре насосных станций.

2 Установлено влияние диапазона изменения температуры грунта на глубине заложения нефтепровода на критерий соотношения мощностей теплонасосной установки и дополнительного нагревателя.

На защиту выносятся:

1 Способ «распределенного» подогрева высоковязкой нефти с использованием расосредоточенных по трассе автономных теплонасосных пунктов подогрева, в состав которых входят тепловой насос и когенерационная установка.

2 Методика определения тепловой мощности фиксированно расположенных по трассе теплонасосных станций (с привязкой к источникам природного тепла).

3 Критерии установки пиковых нагревателей на ТНПП.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1 Результаты исследований по разработке способа использования природного тепла для подогрева нефти тепловыми насосами с целью повышения пропускной способности магистрального нефтепровода включены в рабочую программу дисциплины «Ресурсосберегающие технологии при эксплуатации оборудования НС и КС» для подготовки дипломированных специалистов по специальности «Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» (130501), специализации «Эксплуатация нефтегазоперекачивающих агрегатов, трубопроводов и хранилищ» и используются в учебном процессе Уфимского государственного нефтяного технического универсситета при чтении лекций, в курсовом и дипломной проектировании.

2 Методика определения тепловых мощностей фиксированно расположенных по трассе теплонасосных пунктов подогрева передана предприятию ООО ЭПЦ «Трубопроводсервис» и используется при проектировании теплонасосных пунктов подогрева.

3 Программа Stac-Di передана предприятию KazTransOil и использовалась для расчета эксплуатационных теплогидравлических режимов магистрального нефтепровода ГНПС «Каракоин» - ГНПС «Атасу». Использование данной программы позволило повысить эффективность расчета эксплуатационных режимов насосных станций магистрального нефтепровода ГНПС «Каракоин» - ГНПС «Атасу».

Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на:

1) Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводной транспорт - 2005», Уфа, 2005 г.

2) Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса минерально-сырьевого комплекса РФ, Санкт-Петербург, 2005 г.

3) V международной научно-практической конференции «Надежность и бе-зопасность магистрального трубопроводного транспорта», Новополоцк, 2006 г.

4) VII научно-технической конференции молодежи ОАО «Северные МН», Ухта, 2006 г.

5) Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводной транспорт - 2006», Уфа, 2006 г.

6) 54, 55, 56, 57, 58, 60 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, Уфа, 2003-2009 гг.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 1 статья по списку ВАК, 1 статья (без соавторов) в сборнике научных трудов «Записки Горного института», и 15 работ опубликованы в материалах различных научно-технических конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников из 100 наименований и приложений. Работа изложена на 112 страницах, содержит 27 рисунков, 14 таблиц.

краткое Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность проведенных исследований.

Первая глава посвящена обоснованию возможности применения тепловых насосов в трубопроводном транспорте нефти.

На основе работ Абрамзона Л.С., Агапкина В.М., Гаррис Н.А., Губина В.Е., Кривошеина Б.Л., Новоселова В.В., Тугунова П.И., Харламенко В.И., Черникина В.И., Шутова А.А., Юфина В.А., Яблонского В.С. рассмотрены существующие технологии снижения гидравлического сопротивления на магистральных нефтепроводах при перекачке высоковязких нефтей.

Применение на магистральном действующем нефтепроводе технологии «горячей» перекачки требует строительства энергоемких пунктов подогрева нефти. Для перекачки с попутным пароподогревом необходимо строительство котельных установок, прямого паропровода и обратного конденсатопровода. Использование систем электроподогрева требует монтажа на трубопроводе систем попутного электроподогрева и их контроля, тепловой изоляции. Использование каждой технологии приводит к значительным капитальным и эксплуатационным затратам.

Одним из устройств, способных внести существенный вклад в экономию энергии, является тепловой насос. Вопросу использования тепловых насосов посвящены работы отечественных и зарубежных исследователей Абузовой Ф.Ф., Бартош Е.Т., Бутузова В.А., Васильева Г.П., Везершвили О.Ш., Гаррис Н.А., Гранрида Е, Калнинь И.М., Макмайла Д., Меладзе Н.В., Мартынова А.В., Мартыновского В.С., Рея Д., Саннера Б., Хайнриха Г., Янтовского Е.И.

В работах Абузовой Ф.Ф., Репина В.В., Савичева Е.В. рассмотрена комплексная система подогрева нефтепродуктов в резервуарах с использованием теплового насоса, испаритель которого представляет бак-аккумулятор гелиоустановки.

Произведено сравнение парокомпрессионных тепловых насосов с различными типами компрессоров. Показано, что для подогрева нефти, перекачиваемой по магистральному нефтепроводу, наиболее целесообразно использовать тепловые насосы с центробежным компрессором.

Несмотря на высокую стоимость тепловых насосов, использование природ­ных источников низкотемпературного тепла для снижения гидравлического сопротивления и увеличения пропускной способности магистрального нефте­провода может быть эффективным и представляет собой задачу исследования.

По прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК), к 2020г. 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. По данным на 2009г., тепловые насосы выпускаются тепловой мощностью от 2 кВт до 200 МВт.

Патентная проработка и обзор литературы позволяют заключить, что случаи применения тепловых насосов в практике эксплуатации магистраль­ных нефтепроводов не приведены. Поэтому здесь впервые рассмотрено:

а) возможность применения тепловых насосов в процессах подогрева нефти на магистральных нефтепроводах (в частности, для условий нефтепровода Уса-Ухта);

б) способ низкотемпературной перекачки с «распределенным» подогревом тепловыми насосами.

Вторая глава посвящена разработке способа транспортировки высоковязкой нефти по магистральному нефтепроводу, который совмещает достоинства локальных и вдольтрассовых устройств подогрева нефти. При этом практически не нарушается теплорадиационный баланс в районе прохождение трассы трубопровода.

По трассе нефтепровода расположены пункты подогрева небольшой мощности, преимущественно на лимитирующих участках. На пунктах подогрева нефть нагревается на 1 – 7 градусов. Имеет место "пилообразное" распределение температуры по длине нефтепровода, близкое к изотермическому (рисунок 5). При перекачке вязкопластичных нефтей, нагрев на пунктах подогрева ведется до температуры, превышающей температуру появления предельного напряжения сдвига.

В качестве пунктов подогрева нефти используются комбинированные установки, в состав которых входят когенерационная установка (мини - теплоэлектростанция) и тепловой насос (рисунок 1).

Электроэнергия, вырабатываемая при работе когенерационной установки, идет на привод теплового насоса, циркуляционных насосов гидравлической обвязки и вентиляторного теплообменника. В качестве первой ступени нагрева нефти используется низкотемпературное тепло природного источника, которое затем трансформируют в тепловых насосах в источник подогрева нефти более высокого потенциала, а в качестве второй ступени нагрева нефти используют тепловую энергию, утилизируемую от когенерационной установки.

Тепловые насосы имеют существенные для практической реализации требования к источникам низкопотенциального тепла. Капитальные затраты на сооружение специального внешнего контура теплового съема с грунта выше, чем при использовании водных источников тепла, поэтому целесообразно пункты подогрева привязывать к месту нахождения последних. Если, используя только водные источники низкотемпературного тепла, невозможно добиться распределения температуры по длине нефтепровода, близкое к изотермическому, то принимают решение об установке дополнительных ТНПП, оборудованных грунтовыми теплообменниками.

На пунктах подогрева нефти, где решено использовать в качестве первичного источника тепла грунт, дополнительно установлен вентиляторный теплообменник. Данное решение позволит сократить время выхода системы грунт-теплообменник на устойчивый режим за счет аккумулирования энергии в объеме грунта в теплый период. При положительных температурах атмосферного воздуха, в качестве первичного источника тепла, вместо грунта используется воздух. При более высоких температурах атмосферного воздуха (15-20 градусов и выше) может быть использовано только тепло атмосферного воздуха.

1 – когенерационная установка; 2 – тепловой насос;

3, 4,5 – насосные группы контуров испарителя, конденсатора и когенерационной установки соответственно;

6 – вентиляторный теплообменник; 7 – источник низкопотенциального тепла;

8 – нефтепровод; 9 – обводная линия нефтепровода; 10, 11 – теплообменник

Рисунок 1 – Схема обвязки автономного теплонасосного пункта подогрева

В предлагаемом способе обеспечивается энергосберегающая и экологически чистая технология транспортировки высоковязкой нефти. При этом на поверхности Земли поддерживается близкий к нулевому баланс тепла, обеспечивается минимальное тепловое воздействие на грунты, что актуально для районов Крайнего Севера.

В третьей главе подведены основы для методологического расчета температурных режимов теплонасосных пунктов подогрева из условия оптимизации затрат на ТНПП при их неравномерном расположении с учетом вида используемого источника природного низкопотенциального тепла при известном располагаемом напоре насосных станций.

Первоначальной задачей при проектировании теплонасосного пункта подогрева является определение его тепловой мощности.

Согласно постановке задачи, располагаемый напор насосных станций задан. Затраты на перекачку нефти при равенстве являются неизменной частью функции полных затрат и при сравнительном анализе их можно опустить. Удельные полные дисконтированные затраты (необходимые для поднятия температуры нефти в теплообменнике на 1 оС ) в денежных единицах равны:

, (1)

где - заданный расход нефти;

- плотность нефти;

- теплоемкость нефти;

, – удельные капитальные и эксплуатационные затраты на -м интервале времени на единицу выходной мощности ТНПП, установленного в i-м пункте j-го участка соответственно;

Е – коэффициент дисконтирования.

Минимизации подлежит целевая функция, представляющая собой полные дисконтированные затраты Э:

, (2)

где - температура нагрева на i-м пункте подогрева j-го участка, длиной lj;

tнji – температура нагрева на i-м пункте подогрева j-го участка;

tкj – конечная температура j-го участка.

Минимум целевой функции (2) будет наблюдаться в том случае, когда любое уменьшение затрат на подогрев на любом из j-х участков вызовет увеличение потерь на данном участке hj и с целью компенсации данного увеличения потерь необходимо понизить потери на любом другом участке, причем для этого потребуются бльшие затраты. Последнее утверждение будет выполняться при равенстве частных производных по затратам для каждого участка:

. (3)

Полные дисконтированные затраты на j-м участке определяют температурный режим на данном участке, от которого зависят гидравлические потери в нефтепроводе .

Первым этапом при решении уравнения (3) нужно определить зависимость температурного режима на j-м участке от затрат на подогрев по данному участку из условия оптимума функции потерь на гидравлическое трение. Для этого необходимо решить дифференциальное уравнение .

При перекачке с «распределенным» подогревом, температура нефти поддерживается на уровне, превышающем температуру появления напряжения сдвига, поэтому потери напора на преодоление напряжения сдвига (см. рисунок 4):

=0; (4)

, (5)

где ; (6)

; (7)

;

;

;

.

Уравнения (5-7) были решены для нефтепровода Уса-Ухта, рассмотренного в примере 1 диссертационной работы. На рисунке 2 показана зависимость температур нагрева нефти в пределах одного j-го участка от дисконтированных затрат.

Рисунок 2 –Зависимость температур нагрева нефти от дисконтированных затрат



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.