• железнодорожным;
• водным;
• автомобильным;
• воздушным;
• трубопроводным.
Тем не менее в самых различных масштабах трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов потребителям является наиболее эффективным, так как обеспечивает это непрерывным потоком, вне зависимости от времени года, суток и погодных условий.
В настоящее время ПАО «Транснефть» эксплуатирует свыше 67 тыс. км магистральных трубопроводов, по которым перекачивается 82 % добываемой в России нефти [1]. Перекачиваемая по магистральным трубопроводам нефть и нефтепродукты имеют различные компонентные составы, со своими реологическими свойствами, влияющими на режим работы объекта.
Доставка светлых нефтепродуктов (дизельное топливо, автобензины, авиационное топливо) осуществляется по магистральным нефтепродуктопроводам общей протяженностью около 20 тыс. км [2, 3].
Компания «Транснефть» перепрофилирует свободные нефтепроводы под перекачку нефтепродуктов, перекачивая четверть всех производимых в стране нефтепродуктов, серьезный объем в которых занимает дизельное топливо (ДТ). В экспортных потоках нефтепродуктов доля «Транснефти» вырастает почти до половины, и, согласно стратегии компании,
этот показатель будет только увеличиваться: транспортировать топливо на большие расстояния и большими партиями дешевле всего по трубам [5].
Системы трубопроводного транспорта могут иметь различные технологические схемы, протяженность, диаметры в зависимости от назначения, условий и сроков эксплуатации. На рис.1. представлена
нефтеперекачивающая станция (НПС) для перекачки нефтепродуктов после перепрофилирования. Планирование и мониторинг режимов транспорта нефти и нефтепродуктов – одна из сложнейших диспетчерско-технологических задач, требующая комплекса гидравлических и теплофизических расчетов в изменяющихся сезонных условиях и условиях прохождения трассы магистрального трубопровода. В системах транспорта нефти функционируют системы измерения качества и количества нефти и нефтепродуктов, позволяющие в режиме онлайн осуществлять мониторинг расходов,
плотности, вязкости и термодинамических условий на контрольных пунктах. Однако прогнозирование свойств перекачиваемых нефтепродуктов на планируемый период перекачки – отдельная задача, требующая точной информации об изменении реологических свойств транспортируемой среды и влияющая на технологические особенности используемого сложного оборудования и трубопроводов. Для стационарных магистральных трубопроводов большого диаметра и большой протяженности гидродинамические параметры перекачки нефти имеют достаточно большой опыт планирования. Однако, несмотря на это, в условиях низких температур существует достаточно высокая вероятность остывания продукта и возникновения нештатных и аварийных ситуаций [9 – 11]. При уменьшении геометрических параметров трубопроводов возрастают риски потери точности прогнозирования, особенно в условиях, где осуществление мониторинга теплофизических параметров в режиме онлайн весьма затруднительно. Проследить изменения реологических свойств нефтепродуктов и оценить важность их прогнозирования представляется возможным на примере результатов исследования и моделирования гидравлических потерь при транспорте ДТ.
Дизельное топливо (рис. 2) – это нефтяная фракция, основу которой составляют углеводороды с температурами кипения 200…350 °С. Выглядит ДТ как более вязкая, чем бензин, прозрачная жидкость желтого или светло-коричневого цвета в зависимости от содержания смол.
В зависимости от условий применения топливо подразделяют на марки:
• Л – летнее, рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 5 °С и выше;
• Е – межсезонное, рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 15 °С и выше;
• З – зимнее, рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха до минус 25 °С (предельная температура фильтруемости – не выше минус 25 °С) и до минус 35 °С (предельная
температура фильтруемости – не выше минус 35 °С);
• А – арктическое, рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 45 °С и выше [6].
Установлено, что в общих случаях в штатных режимах перекачка дизельного топлива по магистральным нефтепродуктопроводам не вызывает каких-либо
осложнений, но нежелательные ситуации и сложности в перекачке могут возникнуть, например, при изменении окружающих условий или физико-химических свойств продукта.
Опыт применения сборно-разборных трубопроводов (СРТ) в условиях низких температур показывает, что транспорт ДТ при температурах ниже их температуры фильтруемости возможен. При этом наблюдается существенное отклонение фактических параметров работы трубопровода от расчетных из-за высоких значений вязкости перекачиваемого продукта.
По реологическим свойствам ДТ при охлаждении ниже температуры их застывания представляют собой вязкопластичную среду. В ходе реологических исследований более десятка образцов ДТ на ротационном вискозиметре Rheotest RН 4.1 по ГОСТ получены кривые течения при отрицательных температурах (рис. 3, 4), которые определяют реологическую модель течения жидкости.
В результате анализа кривых течений выявлено, что при достижении критической скорости сдвига динамическая вязкость топлива становится постоянной для каждой конкретной температуры.
Усовершенствованная методика гидравлического расчета для ПМТ позволяет прогнозировать потери напора с учетом изменения реологических свойств ДТ в условиях низких температур.
Методика определения гидравлических потерь, основанная на использовании кинематической вязкости из паспортных данных топлив, не обладает достаточной точностью, что также приводит к недостоверной оценке гидравлических характеристик процесса перекачки в условиях низких температур. Влияние вязкости топлива на режим работы ПМТ в условиях низких температур обусловливает
актуальность проведения исследований реологических свойств ДТ, определяющих реологическую модель течения вязкой жидкости, необходимую для проведения гидравлического расчета ПМТ. Учет
данного факта обеспечит надежную и устойчивую эксплуатацию трубопроводного оборудования и разработку уточненной методики оценки гидравлических характеристик процесса транспорта ДТ по ПМТ в условиях низких температур.
По результатам моделирования процессов перекачки зимнего ДТ по ПМТ в условиях низких температур сделаны выводы о том, что выбор некорректной реологической модели течения жидкости может
привести к ошибкам в гидравлическом расчете и снижению ожидаемой производительности перекачки по ПМТ (рис. 3, 4).
Испытания по определению температуры структурообразования по предложенной в работе [10, 11] методике показали, что для зимних ДТ характерно начало образования структуры топлива вблизи температуры застывания ± 2 °С. Такой эффект можно объяснить различием углеводородного составатоплива.
В результате моделирования процессов перекачки ДТ по СРТ установлено, что:
• выбор неправильной реологической модели течения может привести к ошибкам в гидравлическом расчете и снижению ожидаемой производительности перекачки по трубопроводу на величину до 17%.
• в условиях низких температур использование, к примеру, трубопровода диаметром 100 мм нецелесообразно в условиях низких температур, рекомендуется использовать трубопровод диаметром 150 мм. Определено, что в зависимости от подачи потери напора для ПМТ с номинальным диаметром 100 мм могут составить до 700 м/км, что в 7 раз выше, чем с диаметром 150 мм.
Таким образом, нефть или нефтепродукты, двигаясь по СРТ, через металл трубы обмениваются теплом с окружающей средой, поэтому температура перекачиваемого продукта будет изменяться, что обретает особую актуальность в условиях критических температур (Крайнего Севера, Арктики и пр.). Специфика развертывания ПМТ (прокладка по поверхности грунта, отсутствие тепловой изоляции), а также реологические свойства нефтей и нефтепродуктов при перекачке их в неизотермических условиях предполагают проведение специфического теплогидравлического расчета по оригинальной методике со специализированным программным обеспечением для прогнозирования и оперативного управления режимами транспорта в целях обеспечения безопасности [5, 11].
Авторы: Плотникова Ксения Максимовна. аспирант, младший научный сотрудник, ФАУ «25 ГосНИИ Химмотологии Минобороны России» Дроздов Дмитрий Александрович, старший научный сотрудник, к.т.н., ФАУ «25 ГосНИИ Химмотологии Минобороны России» Мельников Дмитрий Иванович, доцент, к.т.н., кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» Подорожников Сергей Юрьевич, доцент, к.т.н., кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» Земенкова Мария Юрьевна, профессор, д.т.н., кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» Чижевская Елена Леонидовна, доцент, к.э.н., кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
