Меню

Давление в трубопроводе гсм

АО «Гипротрубопровод»

Повышение эффективности работы трубопровода при последовательной перекачке нефти и нефтепродуктов

Повышение эффективности работы трубопровода
при последовательной перекачке нефти и нефтепродуктов

В .В. Павлов, главный инженер первый заместитель генерального директора АО «Гипротрубопровод»

Г.Н. Матвеев, заместитель главного инженера АО «Гипротрубопровод»

Л.М. Беккер , главный технолог АО «Гипротрубопровод»

К.Ю. Штукатуров , к . ф .- м . н ., главный специалист службы главного технолога АО «Гипротрубопровод»

Аннотация: В статье рассматриваются варианты повышения пропускной способности трубопровода при последовательной перекачке партий нефтепродуктов. Определено влияние на пропускную способность трубопровода системы регулирования давления на выходе перекачивающей станции с применением регуляторов давления либо частотнорегулируемого привода магистральных насосов. Проведена оценка эффективности применения противотурбулентных присадок при последовательной перекачке партий нефтепродуктов.

Ключевые слова: трубопровод, последовательная перекачка, пропускная способность.

Последовательная перекачка двух продуктов с различными свойствами по одному трубопроводу распространена в основном при перекачке нефтепродуктов, транспортировка которых по трубопроводу в смеси не допускается в связи с требованием по сохранению качества продуктов (например, перекачка бензина и дизельного топлива). В нефтепроводах последовательная перекачка может быть применена при необходимости транспортировки нефти с разными свойствами, например с высоким и низким содержанием серы. При последовательной перекачке два продукта движутся в трубопроводе партиями, на границе которых (при отсутствии разделителя) образуется зона смеси [2], объем которой зависит от различных факторов [1].

При движении партий нефти или нефтепродуктов с различной вязкостью по трубопроводу, его гидравлическое сопротивление постоянно изменяется, вследствии чего параметры режима работы (давления на входе и выходе перекачивающих станций, производительность перекачки) также плавно изменяются [5], даже если свойства перекачиваемого продукта в насосах не изменяются. При смене плотности продукта в насосных агрегатах, на выходе перекачивающей станции (ПС) происходит скачкообразное изменение давления, при кратковременном сохранении постоянного напора насосов (до тех пор, пока не изменилась производительность режима работы).

Для безопасной работы трубопровода (с учетом допустимого давления в линейной части) на перекачивающих станциях используется система автоматического регулирования давления (САРД), как правило, состоящая из узла регулирования давления (УРД), установленного на выходе насосной станции, регуляторы давления на котором вводятся в работу при достижении максимального рабочего давления на выходе насосов (либо минимального давления на входе насосов). Однако необходимость дросселирования избыточного напора насосов при помощи УРД приводит к непроизводительным потерям электроэнергии, так как часть напора, развиваемого магистральными насосами, теряется в регуляторах давления, превращаясь в тепловую энергию, и не используется для перекачки нефти или нефтепродуктов.

Требование по исключению дросселирования при последовательной перекачке определяет необходимость выбора напорно-расходных характеристик роторов магистральных насосов таким образом, чтобы при любом положении партий продуктов в трубопроводе, рабочее давление на выходе ПС не превышало максимально допустимого. Однако максимальное значение давления на выходе ПС достигается только при одном фиксированном положении партий в трубопроводе (например, когда по трубопроводу проводится перекачка только одного продукта с наибольшей плотностью и вязкостью), а для других положений партий продуктов в трубопроводе, давление на выходе ПС будет меньше максимального значения, что приводит к снижению возможных объемов перекачки. Таким образом, требование по исключению дросселирования приводит к недоиспользованию возможностей линейной части трубопровода, снижению пропускной способности трубопровода.

Более технологичным решением является вариант с регулированием давления на выходе ПС с использованием частотно-регулируемого привода (ЧРП) роторов магистральных насосов. При этом напор, развиваемый магистральными центробежными насосами, регулируется за счет изменения частоты вращения их роторов (как правило, на одинаковую величину для всех работающих насосов). При таком способе регулирования на выходе ПС возможно поддерживать постоянное давление не зависимо от положения партий в трубопроводе, а весь развиваемый насосами напор используется для преодоления гидравлического сопротивления трубопровода, не расходуясь понапрасну, как в случае с дросселированием. Однако вследствии значительных капитальных затрат, применение ЧРП требует серьезного технико-экономического обоснования.

На некоторых ПС для нефтепродуктопроводов установлены разнотипные насосные агрегаты, переключение которых по­зволяет поддерживать постоянное давление на выходе ПС при последовательной перекачке (с возможным дросселированием в коллекторе магистральной насосной). При работе по указанной схеме параметры режима при последовательной перекачке (дав­ления на выходе ПС, производительность перекачки) идентичны параметрам при использовании ЧРП. Однако использование разнотипных насосов приведет к возникновению дросселирования на ПС, а также к необходимости увеличения общего количества насосных агрегатов с учетом обеспечения резерва для каждой группы однотипных насосов.

Дополнительным фактором, способным оказать влияние на давление на выходе ПС при последовательной перекачке, является применение противотурбулентной присадки (ПТП), применение которой снижает турбулентность при течении жидкости по трубопроводу, снижая тем самым его гидравлическое сопротивление. Применение ПТП только во время закачки одного из продуктов (как правило, с худшими для транспорта свойствами), способно нивелировать изменение гидравлического сопротивления трубопровода, вызванного различием в свойствах продуктов, а следовательно, уменьшить диапазон изменения давления на выходе ПС, приблизив параметры его работы к условиям перекачки монопродукта с постоянным объемным расходом. При этом необходимо учитывать, что применение ПТП увеличивает эксплуатационные затраты на перекачку нефтепродуктов.

Данные обстоятельства определяют тот факт, что при последовательной перекачке партий продуктов эффективность работы трубопровода (отсутствие дросселирования), а также такой важнейший показатель его работы, как пропускная способность, в значительной степени зависят от выбора системы регулирования давления на ПС, а также от применяемых технологий перекачки (например, применение ПТП). В данной работе проведен анализ эффективности четырех вариантов технических решений по регулированию давления на перекачивающих станциях, с учетом последовательной перекачки бензина и дизельного топлива:

  • Вариант 1. Использование на перекачивающих станциях (ПС) системы автоматического регулирования давления (САРД) с использованием регуляторов давления на выходе ПС (после магистральных насосов).
  • Вариант 2. Использование на перекачивающих станциях САРД с частотно-регулируемым приводом (ЧРП) магистральных насосных агрегатов (МНА).
  • Вариант 3. Использование САРД с регуляторами давления с применением ПТП на ПС при закачке продукта с худшими свойствами (дизельного топлива) для уравнивания гидравлического сопротивления трубопровода при перекачке продуктов с разными свойствами.
  • Вариант 4. Использование САРД с ЧРП с применением ПТП на ПС при закачке дизельного топлива, для приведения параметров работы насосов и гидравлического сопротивления трубопровода к условиям перекачки монопродукта.
Читайте также:  Знак баллоны под давлением

В настоящее время на перекачивающих станциях, как правило, используется САРД с использованием регуляторов давления (вариант 1). Эти регуляторы вводятся в работу в двух случаях:

  • регулирование давления на выходе ПС: осуществляется, если давление на выходе магистральной насосной ПС превышает заданное значение уставки регулирования по максимальному давлению на выходе ПС, при этом с помощью регулятора ограничивается давление в линейной части трубопровода;
  • регулирование давления на входе ПС: осуществляется, если давление на входе магистральной насосной ПС менее заданного значения уставки регулирования по минимальному давлению на входе ПС, при этом с помощью регулятора ограничивается снижение давления на входе ПС, для обеспечения бескавитационной работы магистральных насосов.

При вводе регуляторов в работу в регулирующем органе создается гидравлическое сопротивление (путем прикрытия регулирующей заслонки) и происходит дросселирование излишнего напора, развиваемого магистральными насосами ПС, за счет чего и достигается требуемое изменение давления на входе или на выходе ПС. Однако необходимость дросселирования для обеспечения безопасной работы трубопровода и насосного оборудования приводит к непроизводительным потерям электроэнергии, так как часть напора, развиваемого магистральными насосами, теряется в регулирующем органе, превращаясь в тепловую энергию. Поэтому при эксплуатации трубопроводов необходимо избегать длительной работы на стационарных режимах с дросселированием. Для этого требуется использовать такие комбинации по включению насосных агрегатов на каждой перекачивающей станции, для которых давления на входе и на выходе ПС будут находиться в допустимых пределах, что в условиях последовательной перекачки может приводить к снижению пропускной способности трубопровода.

При последовательной перекачке исключение режимов с дросселированием может быть проблематичным (по сравнению с перекачкой монопродукта), так как при движении в трубопроводе партий продуктов с различными свойствами давления на входе и на выходе ПС меняются в широких пределах [4] вследствии изменения гидравлического сопротивления трубопровода. Возможная область работы насосов (по развиваемому напору и расходу) при последовательной перекачке представляет собой замкнутую область, ограниченную точками 1, 2, 3, 4, изображенную на рис.1. Вертикальная шкала графика имеет размерность давления (МПа), а не напора, чтобы оценить изменение давления на выходе ПС при изменении плотности продуктов А (дизельное топливо) и Б (бензин).

Рис. 1 – Совмещенная характеристика трубопровода и насосной станции при последовательной перекачке бензина и дизельного топлива.

При последовательной перекачке (без регулирования давления на выходе ПС) «рабочая точка» системы «труба-насос» перемещается по замкнутой области (1-2-3-4), изображенной на рис.1. В начальный момент времени (1) по трубопроводу перекачивается продукт А (дизельное топливо) и начинается закачка более легкого продукта Б (бензин). При этом давление на выходе ПС скачкообразно уменьшается, и переходит в точку (2), с меньшим значением объемного расхода. По мере заполнения трубопровода бензином, объемный расход (производительность перекачки) увеличивается (вследствии снижения гидравлического сопротивления трубопровода), и система «труба-насос» переходит в точку (3), которая соответствует полному заполнению трубопровода бензином. Далее начинается закачка более тяжелого продукта – дизельного топлива. При этом давление на выходе ПС скачкообразно увеличивается и переходит в точку (4) с увеличением объемного расхода (так как давление на выходе ПС увеличилось, а трубопровод заполнен легким продуктом – бензином). По мере продвижения по трубопроводу границы раздела партий «дизельное топливо – бензин», система «труба – насос» переходит из точки (4) в точку (1) и цикл повторяется.

При проведении гидравлических расчетов трубопровода с учетом последовательной перекачки продуктов, как правило, рассчитываются так называемые квазистационарные режимы, т.е. стационарные режимы с фиксированным положением партий по длине трубопровода [3]. Длиной зоны смеси в гидравлических расчетах можно пренебречь, так как она незначительна по сравнению с длиной трубопровода (не превышает 1% от длины трубопровода, [1]). При таком допущении гидравлического расчета в случае различия в плотности двух продуктов, на границе раздела партий будет получено скачкообразное увеличение напора, при сохранении одного и того же избыточного давления на стенку трубопровода до и после границы партий. Величина такого скачка напора зависит от двух факторов: разницы в плотности двух продуктов (постоянная величина в расчетах) и давления на стенку трубопровода (переменная величина, зависящая от километровой и высотной отметки точки профиля трубопровода в месте контакта партий).

Для примера рассмотрим трубопровод диаметром 530 мм длиной 235,5 км, по которому последовательно перекачиваются бензин и дизельное топливо из резервуарного парка (РП) с сортовыми резервуарами на головной перекачивающей станции (ГПС), в РП на конечном пункте трубопровода. Пусть в начальный момент времени трубопровод заполнен бензином, и начинается его вытеснение более тяжелым продуктом – дизельным топливом. В расчетах принят максимальный режим работы с тремя работающими магистральными насосами на ГПС, при этом рабочее давление на выходе ГПС ограничено уставкой по максимальному давлению на выходе 6,0 МПа. При проведении гидравлических расчетов, давление на выходе ГПС и производительность квазистационарного режима для каждого мгновенного положения партий определяется с учетом напорно-расходных характеристик насосных агрегатов и различий в свойствах перекачиваемых продуктов.

Читайте также:  Слишком низкое нижнее давление причины

Для исключения дросселирования при движении партий продуктов, напорно-расходные характеристики роторов магистральных насосов выбраны так, чтобы давление на выходе насосов не превышало максимального значения 6,0 МПа при любом положении партий бензина и дизельного топлива в трубопроводе. В этом случае, производительность режима определяется исключительно системой «труба-насос», без дополнительного регулирования давления на выходе ГПС. Согласно расчету, через 10 часов после закачки дизельного топлива на таком режиме, граница раздела партий переместится на 48,7 км от ГПС, и эпюра напоров по длине трубопровода для данного квазистационарного режима примет вид, изображенный на рис.2:

Р1 = Р2 (кгс/см 2 )

Э П Ю Р А Н А П О Р О В

Рис.2 – Эпюра напоров для квазистационарного режима, через 10 часов закачки дизельного топлива в трубопровод, заполненный бензином

Как видно из рис.2, линия несущей способности на границе партий имеет излом, также как и линия гидроуклона. Это связано с тем, что разрешенное рабочее давление трубопровода определяется в единицах давления (МПа), а эпюра напоров и несущей способности построена в метрах (единица напора), с учетом разницы в плотности бензина и дизельного топлива.

Продолжая расчеты квазистационарных режимов при продолжении закачки дизельного топлива (с фиксированным шагом 3 часа), получим график изменения давления на выходе ГПС и производительности режима (рис.3). На рис.3 график производительности трубопровода отложен по левой шкале, график давления отложен по правой шкале. Время заполнения всего трубопровода дизельным топливом на рассматриваемом режиме с тремя работающими магистральными насосами составляет около 50 часов. Далее продолжим расчеты, приняв, что как только трубопровод заполнится дизельным топливом, на ГПС начинается закачка бензина. Время заполнения трубопровода бензином составит уже 53 часа, в связи со снижением производительности перекачки (рис.2). Снижение производительности перекачки вызвано уменьшением давления на выходе ГПС при закачке бензина с меньшей плотностью, чем у дизельного топлива (см. пояснения к рис.3 далее по тексту).

Рис.3 – Изменение параметров режима работы трубопровода при замещении бензина дизельным топливом (за 50 часов) и при последующем замещении дизельного топлива бензином (за 53 часа)

На рис.3 видно, что в начальный момент времени при закачке дизельного топлива, на выходе ГПС происходит скачкообразное увеличение давления и производительности перекачки. Данное явление связано со скачкообразным увеличением плотности закачиваемого дизельного топлива по отношению к бензину, которым заполнен трубопровод (в расчетах приняты свойства дизельного топлива: плотность 850 кг/м 3 , вязкость 4,0 сСт, для бензина: плотность 760 кг/м 3 , вязкость 0,6 сСт). В связи с тем, что при перекачке бензина и дизельного топлива напорно-расходная характеристика насосов существенно не меняется, а плотность закачиваемого продукта (дизельного топлива) увеличилась, увеличилось и давление на выходе ГПС, что привело к скачкообразному увеличению производительности режима перекачки.

Далее по мере заполнения трубопровода дизельным топливом с большей вязкостью, чем у бензина, гидравлическое сопротивление трубопровода увеличивается, что приводит к снижению производительности перекачки, при этом напор насосов увеличивается согласно их напорно-расходным характеристикам, соответственно увеличивается и давление на выходе ГПС (до максимального значения 6,0 МПа при полном заполнении трубопровода дизельным топливом).

Когда весь трубопровод заполнился дизельным топливом (через 50 часов после начала его закачки), и началась перекачка бензина, также происходит скачкообразное уменьшение давления на выходе ГПС и расхода (рис.2). Это связано с падением давления на выходе ГПС при переходе на перекачку более легкого продукта (бензина). По мере заполнения трубопровода бензином, гидравлическое сопротивление трубопровода уменьшается, что приводит к увеличению производительности перекачки, при этом напор насосов уменьшается согласно их напорно-расходным характеристикам, соответственно уменьшается и давление на выходе ГПС (см.рис.3).

Как видно из рис.3, рабочее давление на выходе ГПС на максимальном режиме перекачки изменяется в широких пределах – от 5,2 МПа до 6,0 МПа, т.е. уменьшается на величину до 12,8 % от максимального значения давления на выходе ГПС, равного 6,0 МПа. Такое «вынужденное» уменьшение давления при последовательной перекачке приводит к тому, что большую часть времени (при перекачке бензина) трубопровод является недозагруженным, так как его пропускная способность ограничивается не разрешенными давлениями в линейной части, а характеристиками насосных агрегатов. Постоянное изменение давления в линейной части трубопровода также неблагоприятно сказывается на показателях надежности трубопровода. Увеличение напора насосов (путем замены роторов насосов на более высоконапорные) для поддержания постоянного значения максимального давления на выходе ГПС 6,0 МПа приведет к дросселированию – вынужденному снижению давления на выходе ГПС при помощи регуляторов давления, так как при перекачке дизельного топлива давление на выходе магистральной насосной будет превышать допустимое давление в линейной части трубопровода 6,0 МПа.

Для рассматриваемого примера, применение ЧРП на магистральных насосах на ГПС позволит увеличить объемы перекачки бензина и дизельного топлива, путем поддержания при помощи ЧРП максимально допустимого давления на выходе ГПС 6,0 МПа, без потерь электроэнергии на дросселирование. По аналогии с примером, приведенном ранее (рис.3), рассмотрим процесс последовательной перекачки по нефтепроводу дизельного топлива и бензина для варианта с применением ЧРП МНА на ГПС. При этом учтем, что вследствии увеличения производительности перекачки за счет поддержания постоянного максимального давления на выходе ГПС, время вытеснения бензина и затем дизтоплива из трубопровода будет меньше, чем в варианте без ЧРП. Поэтому, чтобы оценить увеличение пропускной способности трубопровода при применении ЧРП, закачку дизельного топлива и бензина будем проводить в течение того же самого времени, что и в варианте без ЧРП (50 часов и 53 часа соответственно). Результат расчета показан на рис.4.

Читайте также:  При родах важно давление

Рис.4 – Изменение параметров работы трубопровода при замещении бензина дизельным топливом (50 часов) и при последующем замещении дизельного топлива бензином (53 часа), с использованием ЧРП МНА на ГПС

Как видно на рис.4, скачков давления на выходе ГПС и производительности в случае с использованием ЧРП не наблюдается, ЧРП поддерживает постоянное давление на выходе ГПС и тем самым «сглаживает» резкие изменения производительности режима. Максимальная глубина регулирования частоты оборотов при помощи ЧРП в рассматриваемом примере составляет 7,3% от номинального числа оборотов. Изменение числа оборотов роторов МНА при помощи ЧРП составило от 100% оборотов (при перекачке только бензина) до 92,7% оборотов (при перекачке только дизельного топлива).

Применение ЧРП позволило существенно увеличить объемы перекачки, особенно дизельного топлива (при закачке бензина с вытеснением дизельного топлива), дополнительные объемы перекачки показаны заштрихованной областью на рис.5.

Рис.5 – Сравнение производительности режима при последовательной перекачке с применением ЧРП и при использовании ЧРП

Заштрихованные зеленым цветом области на рис.5 обозначают дополнительный объем бензина и дизельного топлива, который возможно перекачать при поддержании максимального давления на выходе ГПС (6,0 мПа) с помощью ЧРП. Объем перекачки бензина (при закачке дизельного топлива) увеличился на 1,1 % (с 48,1 тыс.м 3 до 48,7 тыс.м 3 ), а объем перекачки дизельного топлива (при закачке бензина) увеличился на 7,8% (с 48,3 тыс.м 3 до 52,1 тыс.м 3 ). В общем по объемам перекачки двух продуктов, применение ЧРП позволило существенно увеличить пропускную способность трубопровода (на 4,4%).

Другим вариантом увеличения пропускной способности трубопровода является применение противотурбулентных присадок (ПТП). В этом случае, за счет применения ПТП только при закачке более тяжелого продукта (дизтоплива), стараются добиться одинакового гидравлического сопротивления в трубопроводе как при перекачке бензина, так и дизельного топлива. Для оценки эффективности ПТП при последовательной перекачке зафиксируем концентрацию ПТП, определенную по условию равенства гидравлических уклонов при перекачке бензина и дизельного топлива. Требуемая концентрация ПТП для выполнения такого условия составляет 2,8 ppm (эквивалентно расходу ПТП 10 т/год, с учетом того, что присадка вводится только половину времени работы трубопровода, при закачке дизтоплива). При проведении гидравлических расчетов деструкцией ПТП по длине трубопровода пренебрегается.

Рис.6 – Последовательная перекачка бензина и ДТ, с использованием ПТП при перекачке дизельного топлива (без использования ЧРП)

Как видно на рис.6, применение ПТП при перекачке ДТ позволило сократить неравномерность перекачки (изменение расхода при последовательной перекачке). Без использования ПТП изменение расхода было от 856 м 3 /ч до 1027 м 3 /ч, т.е. изменялось на 9,1% от среднего значения 942 м 3 /ч. При применении ПТП расход изменяется от 939 м 3 /ч до 1044 м 3 /ч, т.е. изменяется на 5,3% от среднего значения 992 м 3 /ч. Таким образом, неравномерность перекачки при применении ПТП сократилась на 3,8%.

Рассмотренные варианты с применением ЧРП МНА на ГПС, а также вариант с вводом ПТП, не позволяют добиться равномерной перекачки с постоянным расходом, как при перекачке монопродукта. Для обеспечения равномерной перекачки с постоянным расходом и давлением на выходе ГПС рассмотрим вариант использования ЧРП на ГПС, совместно с применением противотурбулентной присадки при закачке дизельного топлива. Такое решение, кроме увеличения объемов перекачки, позволяет дополнительно сократить неравномерность перекачки, приблизив производительность и давление на выходе ГПС к некоему стационарному состоянию (рис.7), соответствующему перекачке монопродукта. Концентрация ПТП, применяемой при перекачке дизельного топлива, выбрана из условия равенства производительности режима при перекачке по трубопроводу только бензина и только дизельного топлива, и составляет 5,6 ppm (эквивалентно расходу ПТП 22 т/год с учетом того, что присадка вводится половину времени работы трубопровода).

Рис.7 – Последовательная перекачка бензина и ДТ с использованием ЧРП на МНА ГПС, а также с применением ПТП на ГПС при перекачке дизельного топлива

Небольшие изменения производительности перекачки во времени (рис. 7) связаны с тем, что на гидравлическое сопротивление трубопровода влияет «скачок на­пора», величина которого изменяется по длине трубопровода в зависимости от давления на стенку (т.е. зависит от километровой и высотной отметки точки профиля, которой соответствует положение границы партий).

Чем больше перепады высот по трассе трубопровода, тем больше по амплитуде отклонения производительности от среднего значения при постоянном давлении на выходе ГПС.

Эпюра напоров для квазистационарного режима через 20 часов закачки в трубопровод дизельного топлива с ПТП NECADD 447 приведена на рис.7. Пунктирной линией на схеме трубопровода показа участок действия ПТП. Расчетная эффективность применения ПТП с концентрацией 5,6 ppm составляет 24,7%.

Р1 = Р2 (кгс/см 2 )

Э П Ю Р А Н А П О Р О В

Рис.8 – Эпюра напоров для квазистационарного режима через 20 часов закачки в трубопровод, заполненный бензином, дизельного топлива с ПТП NECADD 447

В таблице 1 показана пропускная способность трубопровода для четырех рассмотренных вариантов последовательной перекачки:

Табл. 1 Пропускная способность трубопровода, млн.т/год

Пропускная способность, млн.т/год

Источник

Adblock
detector