Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

TECHNOLOGY APPLICATION OF HYDRODYNAMIC CAVITATION TREATMENT OF HIGH-VISCOSITY OIL PROCESSING IN ORDER OF IMPROVING THE EFFICIENCY OF TRANSPORTATION

Yakimenko K.Yu. 1 Vengerov A.A. 2 Brand A.E. 2
1 JSC «Transneft-Siberia»
2 Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Tyumen State Oil and Gas University»
В статье авторами исследован вопрос возможности применения гидродинамической кавитационной обработки с целью уменьшения вязкости и повышения качества реологических характеристик, таких как напряжения сдвига, вязких и высоковязких нефтей, транспортируемых по трубопроводной транспортной системе России. Разработана кавитационная установка, представляющая из себя кавитационно-сепарационное оборудование, совмещенное с плунжерным насосом. Разработана и предложена технологическая схема применения реактора в системе трубопроводного транспорта нефтей и нефтепродуктов. Представлен результат по проведенным лабораторным экспериментам с элементами комбинирования гидродинамической кавитационной обработки и отечественных депрессорных присадок с графическим отражением времени восстановления реологических свойств. Авторами предложены варианты внедрения технологии на производственные объекты и их технологические обвязки, а также условия ограничения по применению.
The authors investigated the possibility of applying hydrodynamic cavitation treatment to reduce viscosity and improve the quality of rheological characteristics such as shear stress, viscous and high-viscous oil transported by pipeline transport system of Russia. Developed cavitation installation, which is a cavitation-separation equipment, combined with plunger pump. Developed and proposed the technological scheme of application of the reactor in the system of pipeline transport of oil and oil products. Presents the result on the conducted laboratory experiments with elements of combination of hydrodynamic cavitation treatment of domestic and depressants with a graphical reflection of the recovery time of the rheological properties. The authors proposed the options of implementing the technology on production facilities and process piping, as well as the limiting conditions on the application.
hydrodynamic cavitation
shear stress
heating oil
viscosity
high viscosity oil
1. AO «Transneft Sibir»: [Elektronnyj resurs]. M., 1994-2015. URL: http://sibnefteprovod.transneft.ru/press/news/ id=13931. (Data obrashheniya: 12.03.2015).
2. «Ob utverzhdenii optovyx cen na gaz, ispolzuemyx v kachestve predelnyx minimalnyx i predelnyx maksimalnyx urovnej optovyx cen na gaz, dobyvaemyj OAO «Gazprom» i ego affilirovannymi licami»: [Elektronnyj resurs]. Elektronnyj resurs.: Prikaz Federalnoj sluzhby po tarifam ot 26 sentyabrya 2013 g. nо. 177-e/2// SPS KonsultantPlyus: Versiya Prof.
3. Promtov M.A. Perspektivy primeneniya kavitacionnyx texnologij dlya intensifikacii ximiko-texnologicheskix processov// Vestnik TGTU. 2008. T.14. no. 4. рр.861–869.
4. Tarasenko, M. A. Umenshenie vyazkosti nefti metodom gidrodinamicheskoj kavitacii/ M. A. Tarasenko, A.E. Brand// Prirodnye i intellektualnye resursy Sibiri. Sibresurs 2014 : materialy XV mezhd. nauch.-prakt. konf. Kemerovo: Kuzbasskij gosudarstvennyj texnicheskij universitet im. T.F. Gorbacheva, 2014. рр. 44–45.
5. Tryascin R.A. Povyshenie effektivnosti truboprovodnogo transporta vysokovyazkix neftej v smesi s gazokondensatom pri ponizhennyx temperaturax: Dissertaciya na soiskanie uchenoj stepeni kandidata texnicheskix nauk/ Tyumenskij gosudarstvennyj neftegazovyj universitet. Tyumen, 2006.
6. Stashkovskaya N.V. Pipelines of innovation and prosperity/ N.V. Stashkovskaya, A.E. Brand// Problemy funkcionirovaniya sistem transporta: materialy vseros. nauch.-prakt. konf. Tyumen: Tyumenskij gosudarstvennyj neftegazovyj universitet, 2013. рр. 25–29.
7. «Neftegaz.RU»: [Elektronnyj resurs]. M., 2000–2015. URL: http://neftegaz.ru/news/view/131972. (Dataobrashhe-niya: 12.03.2015).

Современная нефтяная отрасль Российской Федерации характеризуется увеличением доли вязких (далее ВН) и высоковязких (далее ВВН) нефтей в общей структуре запасов углеводородного сырья. По данным на 2014год доля ВН и ВВН от общероссийских составляет почти 30 % или 7,5млрдт, причем за последние годы, начиная с 1992года, доля постоянно увеличивается [1]. Распространенными способами обработки сырья с целью достижения больших скоростей транспортировки являются: термический нагрев, добавление присадок и разбавителей, применение электромагнитного излучения. Термический нагрев является самым распространенным и эффективным, но одновременно и самым дорогостоящим методом обработки, что в условиях экономической нестабильности является недопустимым. Нагрев осуществляется подогревателями нефти, такими как печи трубчатые блочного типа (ПТБ-10).

По мнению зарубежных ученых, таких как Ф.Хэммит, Дж.Дейли, из ASME, перспективным является метод гидродинамической кавитационной обработки, характеризующийся эффективностью и экономичностью с целью изменения реологических свойств нефти (структурная вязкость, температура застывания и др.). Врамках реализации гранта компании ОАО«АК«Транснефть» авторами было изучено явление кавитации, возможность совмещения кавитации с депрессорными присадками с целью увеличения эффективности процесса транспортировки и разработано гидродинамическое оборудование.

Явление кавитации возникает в момент приближения давления жидкости и давления насыщенных паров жидкости. При близких значениях в жидкости наблюдается обильное выделение пузырьков (каверн), наполненных растворенным газом [2]. Схлопывание каверны характеризуется резкими скачками температуры и давления, а распространение энергетической волны способствует разрушению близлежащих углеродистых цепочек и молекулярных соединений. Количество пузырьков может варьироваться от 104 до 106.

На рис.1 смоделирован процесс гидродинамической кавитации за счет изменения сечения трубопровода с помощью программного комплекса ANSYS/FLUENT.

Из рис.1 видно, что основная часть давления приходится на конфузор, накат на стенку, уменьшение сечения потока нефти способствуют возникновению дополнительных напряжений. Для стабильной работы конфузор необходимо увеличение толщины стенки данной части конструкции или применение более стойких материалов.

На рис.2 показана лабораторная установка, созданная на базе ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», кавитационный реактор обозначен белым цветом в нижнем левом углу стенда и на рис.3. Лабораторный стенд состоит из следующего оборудования: центробежный насос производительностью Q=70л/мин и напором H=30м, составной трубопровод L=2,5м и D=30мм, кавитатор с степенью сужения n=3. Впроцессе исследования было обработано 150литров ВВН Усинского месторождения.

Измерения вязкости нефти в экспериментах проводились в следующей последовательности:

а)после кавитационной обработки;

б)после введения депрессорной присадки;

в)после комплексного воздействия кавитации и депрессорной присадки.

pic_70.tif

Рис. 1. Векторы распространения давления

pic_71.tif

Рис. 2. Лабораторная установка

pic_72.tif pic_73.tif

Рис. 3. Прототип гидродинамического кавитационного реактора

Таблица 1

Сравнительный анализ изменения реологии при добавлении присадок

Присадка

% m

Начальная динамическая вязкость, МПа•с

Динамическая вязкость после добавления, МПа•с

0–10 часов

10–20 часов

20–30 часов

30–40 часов

Депран

0,015–0,04

320

197

227

251

275

ПАА

0,01–0,05

 

204

230

256

281

ДПН-1Р

0,002–0,005

 

181

222

248

266

pic_74.tif

Рис. 4. Депрессорные присадки

Для достижения большего эффекта рассматривалось применение комплексного воздействия с участием кавитации и присадки, при котором присадка эффективнее воздействует на групповые компоненты нефти за счёт уменьшения их размера и увеличения площади контакта. Присадка препятствует восстановлению межмолекулярных связей и образованию надмолекулярных образований в нефти после обработки, за счёт чего достигается больший эффект снижения вязкости и увеличение времени ее восстановления. Впроцессе исследований изучалось воздействие на ВВН следующих реагентов: Депран, ПАА, ДПН-1Р, результаты исследования представлены в табл.1 и на рис.4. Критерии отбора были следующими: минимальная концентрация, способ введения реагента, влияние реагента на качество нефти, соответствие нормативной документации компании ОАОАК«Транснефть».

Таблица 2

Сравнительный анализ эффективности методов снижения вязкости

Характеристики

ДПН-1Р

Кавитационная обработка

Комплексная обработка

Депрессия Тзаст, °С

10–14

5–7

17–20

Снижение вязкости, %

42–57

32–40

до 70

Снижение предельно динамического напряжения

2–3

4

6–7

Снижение предельно статического напряжения

4–5

3–4

5–7

Время восстановления реологических свойств, дней

5–6

4

8

По итогам исследования лучшей показала себя депрессионная присадка ДПН-1Р, состоящая из сополимера этилена, винилацетата, зимнего дизтоплива и депрессорной присадки Dewaxol марки7801. Вдополнение к проведенным экспериментам большую роль играет то, что присадка прошла испытания на участке МН «Уса – Ухта» [3]. Далее была произведена комплексная обработка с применением кавитационной обработки и присадки ДПН-1Р. Конечные данные и сравнительный анализ методов приведены в табл.2 и на рис.5.

Проведенные исследования показали, что комплексная обработка нефти является перспективным направлением исследования. Молекулы присадки способствовали уменьшению времени восстановления реологических свойств и оказывали положительное влияние на разрыв углеродистых цепочек [4].

Энергия схлопывающегося кавитационного пузырька, имеющего сферическую форму, определяется по формуле

yakimen01.wmf (1)

где Rmax – радиус кавитационной каверны перед схлопыванием, который вычисляется по формуле

yakimen02.wmf (2)

Полную энергию, выделяемую при схлопывании кавитационных каверн, запишем через число кавитационных каверн по формуле

N=KVж, (3)

где K – концентрация кавитационных каверн (1/м3); Vж – объем жидкости без кавитационных каверн (м3).

Учитывая формулы (2)–(3), запишем формулу энергии, выделяющейся при схлопывании каверн при развитой кавитации:

yakimen03.wmf (4)

где yakimen04.wmf – рэлеевское время полного схлопывания, с.

pic_75.tif

Рис. 5. Зависимость динамической вязкости нефти от времени хранения при комплексной обработке нефти

Таблица 3

Энергозатраты реактора

№ п/п

Перепады давления, (Pвх – Pвых)/Pвх

W, кВт/т/ч

1

0,4

0,18

2

0,5

0,22

3

0,6

0,25

4

0,7

0,27

В ходе эксперимента также наблюдалось повышение температуры высоковязкой нефти на 2–3 °С. За счет локального повышения температуры, происходящего на границе рабочей камеры – диффузора, нефть частично нагревается, что является предпосылкой для получения экономической выгоды. Таким образом теоретическая и практическая модель доказали свою состоятельность. Втабл.3 приведены энергозатраты реактора при различных перепадах давления, обусловленных различным режимом кавитационной обработки.

Из табл.3 видно, что с увеличением перепада давления шаг энергозатрат уменьшается. Данная зависимость является частным случаем и не описывает полную картину затрат, но характеризует участок, являющийся наиболее выгодным с экономической точки зрения.

Местом установки устройства был выбран участок, сооружаемый параллельно нитке технологического трубопровода, расположенный перед подогревателем нефти, изображенный на рис.6. Параллельная нитка введена с целью повышения безопасности основного оборудования на станции.

За счет локального изменения давления и, вследствие этого, создания условий для кавитации и разрыва жидкостной сплошности выделяется энергия. Выделившаяся энергия эквивалентна изменению температуры нефти при средней плотности 945кг/м3 и вязкости 250мПа•с на 2–3 °С. Всвязи с возможностью изменения начальной температуры подогрева нефти, меняются и экономические затраты [5, 6].

Для определения экономической эффективности применения кавитационной обработки приведем краткий экономический расчет потребления ПТБ. Для упрощения расчета примем, что используемый природный газ состоит из 95 % метана и 5 % этана. Необходимое количество воздуха для сжигания топливного газа составляет 21кг/кг, теплотворная способность газа 35000кДж/м3.

Расход топлива ПТБ:

yakimen05.wmf

pic_76.tif

Рис. 6. Технологическая схема установки кавитационного оборудования

Годовой расход топлива ПТБ составляет около 2,5млнм3, с учетом стоимости газа для крупных промышленных предприятий 2848руб./1000м3, годовые затраты составят 216,6млнрублей при подогреве 30млнт нефти на 30 °С без учета поддержания температуры по длине нефтепровода [7]. Лабораторный опыт показал, что существует возможность нагрева перекачиваемой нефти на 2–3 °С. Экономический эффект равен эквиваленту сэкономленного количества газа и составляет около 14,4млнрублей.

Проведенный авторами анализ и расчеты показывают, что применение метода кавитационной обработки с целью уменьшения экономической нагрузки является обоснованным и имеет положительный экономический эффект.

Применяемая технология может быть использована проектными институтами или дочерними обществами компании ОАО«АК “Транснефть”», осуществляющих модернизацию ГНПС, и введена в эксплуатацию на промысловых или технологических трубопроводных системах с диаметрами до 300мм и значениями вязкости транспортирующих нефтей 250–350мПа•с.