ИЗУЧЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ АППАРАТА ТРАНСПОРТИРОВКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследования потери напора при местных сопротивлениях в движении нефти и газового конденсата в стальных трубах в температурных пределах 20÷100 ^оС и скорости потока 1,0 м/с.  При  плавном и внезапном расширении трубы гидравлическое сопротивление снижается на 6 % и 5 %, соответственно по сравнению с обычной трубой. При плавном и внезапном сужении гидравлическое сопротивление повышается до 7,6 и 14 %, в колене при 90^о -24 %, при полном открытии вентиля наблюдается повышение гидравлического сопротивления на 38,6 %. 

ABSTRACT

The article presents the results of a study of pressure loss at local resistances in the movement of oil and gas condensate in steel pipes at temperature ranges of 20-100 C and a flow velocity of 1.0 m/s.  In the smooth and sudden expansion of the pipe, the hydraulic resistance is reduced by 6% and 5%, respectively, compared to a conventional pipe. With a smooth and sudden narrowing, the hydraulic resistance increases to 7.6 and 14%, in the knee at 90^{o  -}24%, with the valve fully open, there is an increase in hydraulic resistance by 38.6%. 

Ключевые слова: нефть, газовый конденсат, местное сопротивление, гидравлическое сопротивление, потеря напора, скорость потока, температура, энергия. 

Keywords: oil: gas condensate, local resistance, hydraulic resistance, pressure loss, flow rate, temperature, energy.

Цель исследования – изучение и определение гидравлического сопротивления трубы при различных сооношениях углеводородного сырья при транспортировке трубопроводом.

Научная новизна – определено местное сопротивление технологических труб экспериментальной установки при различных температурах 20÷100 °С и различных соотношениях 30,50,70% нефти и газового конденсата.

Как известно, часть давления углеводородного сырья DР_общ (Па), создаваемого насосом, расходуется для преодоления сил внутреннего трения DР_тр, возникающих при перемещении нефти, газового конденсата и их смесей по всей длине трубы, а другая часть энергии потока расходуется для преодоления местных сопротивлений DР_мс [1,2,3].

Потери напора на трение рассмотрены для случая равномерного движения жидкости, т.е. живое сечение вдоль трубы сохраняется постоянным. При движении жидкости в местных сопротивлениях поток претерпевает деформацию, что приводит к изменению форм и размеров живого сечения, и. следовательно, движение жидкости становится неравномерным, вследствие чего происходит изменение скорости потока. В местах изменения живого сечения или направления потока происходит его отрыв от стенок и образуются так называемые вихревые или застойные зоны. Между основным потоком и вихревыми зонами осуществляется интенсивный обмен частицами жидкости, что является основным источником местных потерь энергии [4-8].

Количество энергии (напора), затрачиваемой на преодоление местных сопротивлений в напорных трубах (внезапное сужение и расширение, резкий поворот потока и т.д.) в большинстве случаев определяется с помощью коэффициентов, полученных опытным путем, влияние местного сопротивления на перепад давления в трубе при движение нефти и газового конденсата с учетом температуры в скорости потока 1,0 м/с [9-14].

Проведена серия опытов по определению гидравлического  сопротивления лабораторного аппарата. Во время опытов измеряли значения объемного расхода жидкости, давления и температуры жидкости на входе в испытуемый участок трубы и на выходе из него, силу тока, его напряжение и мощность. Потребляемая мощность электронагревателя (N_max= 2 кВт) регулировали при помощи автотрансформатора. Температура стенки трубы и жидкости измерялась при помощи стеклянных термометров. По измеренной температуре жидкости определяли значения ее физических свойств [15].

В ходе эксперимента на лабораторной установке осуществлено движение нефти, газового конденсата и их смесей при скорости потока 0,05¸1,0 м/с и температуре 20¸100 ^оС по замкнутому циклу с применением нескольких видов местных сопротивлений таких, как потеря давления при движении углеводородного сырья в горизонтальной трубе, при внезапном расширении и сужении, плавном расширении и сужении, вентиля и колена 90^о.

Результаты экспериментальных данных по определению влияния местного сопротивления на перепад давления в трубе при движении нефти и газового конденсата с учетом температуры в скорости потока 1,0 м/с представлены на рис.1.

Рисунок 1. Влияние местного сопротивления на перепад давления в зависимости от температуры газового конденсата

Анализируя данные рис.1. можно отметить, что с повышением температуры сырья (газовый конденсат), гидравлическое сопротивление снижается за счёт уменьшения вязкости. С повышением температуры сырья от 20 до 100 ^оС, гидравлическое сопротивление при плавном расширении трубы снижается от 786 до 646 Па, при плавном сужении этот показатель составлял 898÷711 Па, при внезапном расширении и сужении трубы показатели гидравлического сопротивления составляли 795÷651 Па и 954÷734 Па, соответственно. При колене 90Ð^о в вышеуказанном пределе температуры показатель гидравлического сопротивления составляет  1035÷894 Па, у вентиля при полном открытии 1156÷967 Па. При 20 ^оС и скорости потока сырья 1,0 м/с при плавном и внезапном расширении трубы гидравлическое сопротивление снижается на 6 % и 5 %, соответственно, по сравнению с обычной трубой. При плавном и внезапном сужении гидравлическое сопротивление повышается на 7,6 и 14 %, в колене 90^о повышается на 24 %, при полном открытии вентиля наблюдается повышение гидравлического сопротивления на 38,6 %. 

Также изучено влияние местного сопротивления на перепад давления в зависимости от температуры нефти, рис.2.

Рисунок 2. Влияние местного сопротивления на перепад давления в зависимости от температуры нефти

Из рис.2 видно, что при движении нефти при скорости 1,0 м/с в исследуемой части трубы экспериментальной установки DР также снижается с повышением температуры. Гидравлическое сопротивление аппарата более высокое, чем при качке газового конденсата в трубе за счет большой разницы их вязкости (нефть 6,40 мм²/с, газовый конденсат 1,07 мм²/с при 20^оС) [3]. При температуре 20^оС гидравлическое сопротивление в исследуемой части аппарата в обычной трубе составляет 2186 Па. При плавном и внезапном расширении этот показатель составляет 2037 и 2053 Па, при плавном и внезапном сужении 2245 и 2521 Па, при колене 90^о – 2521 Па, а при полном открытии вентиля DР равняется 2649 Па. С повышением температуры сырья от 20 до 100 ^оС, гидравлическое сопротивление в обычной трубе снижается в 2,12 раза, при плавном и внезапном расширении в 2,07 и 2,05 раза, при плавном и внезапном сужении 2,07 и 2,08 раза, в колене 90^о – 2,01, при полном открытии вентиля  DР снижается в 1,99 раза.

Таким образом, полученные данные позволяют заключить что при подаче нефти и газового конденсата по технологическим трубопроводам самое высокое сопротивление оказывает при наклоне колено 90Ð^о и вентиль. При перекачке нефти показатели этих двух местных сопротивлений выше, чем в 2,43 и 2,29 раза, а при перекачке газового конденсата 1,15 и 1,21 раза выше, чем на обычной стальной трубе. Создание гидравлического сопротивления из местных сопротивлений отрицательно влияет на расход энергии создаваемого насосами для перекачки сырья.

Рисунок 3. Изменение гидравлического сопротивления технологической  трубы при различных скоростях жидкого углеводородного потока

Также определены изменения гидравлического сопротивления аппарата при скорости потока 0,521 м/с. табл.1.

Таблица 1.

Экспериментальные данные измерения перепада давления некоторых местных сопротивлений (при скорости потока 0,521 м/с)

Из табл.1 видно, что при скорости нефтяного сырья 0,521 м/с (при 20°С) гидравлическое сопротивление обычной трубы составляло 982 Па, при плавном расширении 915 Па, плавном сужении 997 Па, при внезапном расширении 1015 Па, при угле колена 90а 1124 Па, при вентиле в полном открытии гидравлическое сопротивление трубы составляло 1467 Па. При соотношении углеводородной смеси 70%Н+30%ГК гидравлическое сопротивление трубы изменялось в пределах 618÷972 Па. Дальнейшее увеличение концентрации газового конденсата в составе углеводородной смеси 30%Н+70%ГК, гидравлическое сопротивление горизонтальной трубы снижалось до 574 Па. Эксперименты проведены для 100%-ного газового конденсата, при этом, гидравлическое сопротивление очень мало, т.е. этот показатель изменялся в пределах 285÷415 Па при скорости потока 0,521 м/с. По ходу эксперимента температуру жидкого потока  изменяли до 50°С, при этом гидравлическое сопротивление трубы изменялось в пределах 427-594 Па при соотношении углеводородной смеси 70%Н+30%ГК. При повышении  температуры углеводородной смеси до 100 °С гидравлическое сопротивление трубы снижается от 381÷521 Па (в нефти), при соотношении углеводородной смеси 70%Н+30%ГК гидравлическое сопротивление изменяется от 324 Па до 437 Па, а при использовании 100%-ного газового конденсата этот показатель изменяется в пределах 223÷298 Па. Это объясняется тем, что с повышением температуры углеводородной смеси  гидравлическое сопротивление трубы снижается за счет снижения плотности и вязкости нефтегазоконденсатного сырья.

По ходу опытов эксперименты проведены при скорости углеводородного потока 0,95 м/с, табл.2.

Таблица 2.

Экспериментальные данные измерения перепада давления некоторых местных сопротивлений (при скорости потока 0,985 м/с)

Из табл.2 видно, что при скорости нефтяного сырья 0,985 м/с (при 20°С) гидравлическое сопротивление трубы составляло 2186 Па, при плавном расширении 2037 Па, плавном сужении 2245 Па, при внезапном расширении 2053 Па, при угле колена 90а 2521 Па. Гидравлическое сопротивление горизонтальной трубы снижалось до 998 Па с увеличением концентрации газового конденсата в составе углеводородной смеси 30%Н+70%ГК. Показатель гидравлического сопротивления очень мал при скорости 100%- ного газового конденсата, т.е. этот показатель изменялся в пределах 834÷1156 Па при температуре 20°С.

Из рис.4÷7 видо, что при плавном расширении в горизонтальной трубе (при скорости нефти 0,05÷0,98 м/с), её сопротивление колеблется в пределах 83÷2037 Па, для газового конденсата этот показатель составлял от 12 Па до 834 Па. С изменением доли газового конденсата в углеводородной смеси показатель гидравлического сопротивления составлял в пределах 20÷1328 Па.

С учётом полученных результатов собрана лабораторная установка для изучения движения углеводородного сырья в трубопроводах. На основе проведенных экспериментов получены следующие результаты: при подаче нефтегазоконденсатного сырья по технологическим трубопроводам самое высокое сопротивление оказывает колено при наклоне 90Ð^о и вентиль. При перекачке нефти показатели этих двух местных сопротивлений выше, чем в 2,29 раза, а при перекачке газового конденсата 1,15 и 1,21 раза выше, чем в  обычной стальной трубе. С повышением температуры углеводородной смеси  до 100°С гидравлическое сопротивление при плавном сужении и расширении трубы снижается за счет снижения плотности и вязкости нефтегазоконденсатного сырья, кроме того улучшается гидродинамический режим внутри технологического оборудования.

Список литературы:

1. А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии. 8-е изд., перераб. - М.: Химия, 1971. - С. 87-94.
2. Процессы и аппараты химической технологии. Под редакцией профессора А.А. Захаровой. –М: Академия, 2006. –С. 30-68.
3. З.С. Салимов, О.Ю. Исмаилов. Плотность и вязкость жидких углеводородов при температурах 20-98 ^оС. Научно-технический журнал «Нефтепереработка и нефтехимия». – Москва. 2014. – №1. – С. 18-22.
4. Hurmamatov A.M. Studying of mechanical impurity concentration influencing of hydrocarbonic mixes on cleaning efficiency in hydrocyclone// Austrian Journal of Technical and Natural Sciences: - Austria, Vienna, 2017, №7-8. –P. 33-37.
5. Хурмаматов А.М. Влияние конструктивных параметров на эффективность очистки гидроциклона//«Узбекский химический журнал». – Ташкент, 2017. №5. –С. 63-69.
6. А.М.Хурмаматов. Изучение основных физико-химических свойств кокдумалакской нефти и ее фракций//Журнал «Химическая промышленность»: – Санкт-Петербург, 2018. №1. –С. 8-12.
7. А.М.Хурмаматов, О.Ю.Исмаилов, Ж.А.Хайдаров. Определение коэффициента поверхностного натяжения нефти, газового конденсата и их смесей //«Узбекский химический журнал». – Ташкент, 2018. №2. –С. 57-64.
8. Хурмаматов А.М., Махкамов Б.Р. Влияния гидродинамических параметров на эффективность очистки нефтегазоконденсатного сырья в центробежном поле/ Сб.докладов. Международ.науч.-техн.конф. «Состояние и перспективы инновационных идей и технологий в области нефтехимии». – Фергана, 2015. – С. 355-358.
9. Исмаилов О.Ю., Рахмонов Т.З. Номограмма для определения гидравлического сопротивления углеводородного сырья в  горизонтальной трубе// Научно-технический журнал «Химическая промышленность». г. Санкт-Петербург, –2016. – №3 – С. 139-142.
10. Исмаилов О.Ю., Хурмаматов А.М., Хайдаров Ж.А. Определение коэффициента поверхностного натяжения нефти, газового конденсата и их смесей// Узбекский химический журнал. – Ташкент, –2018. -№2. – С. 57-64.
11. Исмаилов О.Ю., Сатторов З.М. Влияние гидродинамических режимов движения нефтегазоконденсатных потоков на толщину вязкого пограничного слоя и эффективность теплообмена// Научно-технический журнал «Нефтепереработка и нефтехимия». Москва. – 2020. – №2. –С. 35-37.
12. Хурмаматов А.М., Исмаилов О.Ю. Влияния температуры углеводородного сырья на перепад давления в горизонтальной трубе// Научно-технический журнал Наманганского инженерно-технологического института// ТОМ 5 – Спец выпуск (1), 2020. –С. 168-172.
13. Исмаилов О.Ю., Хурмаматов А.М. Влияние скорости потока жидких углеводородов на эффективность процесса теплообмена// Узбекский химический журнал. – Ташкент, – 2020. – №2. –С. 88-100.
14. Хурмаматов А.М., Исмаилов О.Ю., Маллабоев О.Т. Influence of recirculation of hydrocarbon flows on the efficiency of the heat exchanger operation// Scientific and technical journal of Namangan institute of engineering and technology. Namangan-2021. VOL 6 – Issue (1) 2021 Pp. 122-128.
15. Хурмаматов А.М., Исмаилов О.Ю. Влияние гидродинамических режимов и состава нефтяного сырья на гидравлическое сопротивление гидроциклона// Узбекский химический журнал. – Ташкент, –2019. -№1. – С. 32-38.