Проблемы повышения эффективности противотурбулентных присадок на магистральных трубопроводах

Статья посвящена проблемам применения противотурбулентных присадок на магистральных трубопроводах компании «Транснефть». Показано, что действующие нормативные документы компании не в полной мере учитывают факторы, влияющие на определение эффективности внедряемых противотурбулентных присадок.

Ключевые слова: противотурбулентная присадка, магистральный нефтепровод, магистральный нефтепродуктопровод

Сеть магистральных нефтепроводов и магистральных нефтепродуктопроводов России эксплуатируется компанией «Транснефть». Эта сеть включает более 70 тысяч километров трубопроводов и имеет важнейшее значение для обеспечения экономической безопасности страны. Большая протяженность трубопроводов для транспорта жидких углеводородов обуславливает высокое энергопотребление объектов трубопроводного транспорта. По некоторым оценкам [1] потребление электроэнергии компанией «Транснефть» составляет более 1 млрд. кВт·ч. в год. При этом основными потребителями электроэнергии на магистральных нефте- и нефтепродуктопроводах являются насосно-силовые агрегаты. Они предназначены для преобразования и передачи энергии к транспортируемой жидкости. Эта энергия расходуется на преодоление гидравлического сопротивления при движении перекачиваемой жидкости по трубопроводам.

В связи с отмеченным в компании «Транснефть» уделяют повышенное внимание проблемам повышения энергоэффективности трубопроводного транспорта. Основными направлениями работы являются [1]:

— мониторинг отдельных технологических участков магистральных трубопроводов и поиск резервов повышения их энергоэффективности;

— совершенствование технологических процессов перекачки, за счет повышения КПД насосно-силовых агрегатов, внедрения частотно-регулируемых приводов магистральных насосов и эффективного использования специальных методов перекачки.

Одним из направлений реализации последнего отмеченного аспекта является широкое внедрение технологии понижения гидравлического сопротивления при помощи противотурбулентных присадок (ПТП) [2]. Эта технология основана на эффекте Томса, который был открыт в 40-х годах прошлого века и в настоящее время широко применяется на трубопроводном транспорте по всему миру. Эффект Томса возникает при введении в трубопроводный поток от единиц до сотен миллионных долей по объему высокомолекулярных соединений (чаще всего полимеров) [2,3,4]. Общепризнанной теории механизма действия эффекта Томсса на данный момент нет, но исследователи сходятся во мнении, что крупные молекулы ПТП при течении в трубопроводах вытягиваются вдоль оси труб в пристенном слое. Здесь ламинарный пристенный подслой переходит в турбулентный за счет разности местных скоростей и возникновения вихрей, которые впоследствии вызывают повышение турбулентности. Наличие длинных ориентированных вдоль потока молекул ПТП гасит возникающие пульсации местных скоростей, таким образом ламиниризируя поток жидкости.

Снижение гидросопротивления за счет введения в поток ПТП позволяет применять их для решения следующих задач: увеличение производительности при неизменном начальном давлении; увеличение надежности трубопровода за счет снижения начального давления при неизменной производительности; уменьшение энергопотребления за счет снижения начального давления при неизменной производительности.

Использование ПТП позволяет снизить гидросопротивление трубопровода на величину до 25 % [5] и даже в некоторых случаях до 45 % [6]. Такой значительный положительный эффект обуславливает множественные научные исследования в данной области и компания «Транснефть», как крупнейший оператор магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов в мире, уделяет этому большое внимание в последние десятилетия. В 2019 г. в г. Елабуга был открыт завод по производству ПТП «Транснефть-Синтез». Начиная с 2020 г. на заводе ведется производство ПТП для нужд «Транснефти», а также сторонних потребителей. В компании «Транснефть» активно ведется разработка нормативной базы по внедрению ПТП в технологический процесс транспорта углеводородов. В частности, в настоящий момент действует ОТТ-23.040.00-КТН-104–17 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Присадки противотурбулентные. Общие технические требования» [7].

Документ [7] помимо требований к сырью, свойствам и параметрам ПТП устанавливает также правила хранения, маркировки, упаковки, комплектности, а также правила контроля эффективности ПТП. В соответствии с [7] эффективность ПТП в определенной концентрации определяется по формуле:

где Δ P _f — потери давления на трение при течении перекачиваемой нефти/нефтепродукта с ПТП, Па; Δ P ₀ — потери давления на трение при течении перекачиваемой нефти/нефтепродукта без ПТП, Па; Q _f — расход нефти/нефтепродукта с ПТП, м ³ /с; Q ₀ — расход нефти/нефтепродукта без ПТП, м ³ /с.

Недостатком зависимости (1), является то, что в соответствии с [7] ее предлагается использовать для определения эффективности ПТП на технологическом участке трубопровода между двумя нефтеперекачивающими станциями. Протяженность таких участков составляет обычно 100–200 км. Как показано в работах [3,4,8,9], эффективность ПТП по длине трубопровода является величиной не постоянной. В частности, в работе [3] приводится график — рис. 1, на котором видны две зоны значений эффективности ПТП.

Рис. 1. Изменение гидравлической эффективности по длине нефтепровода при перекачке нефти с ПТП на стационарном режиме

В первой зоне (на начальном участке трубопровода) эффективность резко возрастает и достигает максимума, что объясняется постепенным растворением ПТП в потоке. Этот отрезок называется зоной активации. Во второй зоне наблюдается монотонное снижение эффективности ПТП, что объясняется постепенным разрушением высокомолекулярных компонентов ПТП. Эта зона называется зоной деструкции. Сравнение методики определения эффективности ПТП, приведенной в [7] с исследованиями [3,4,8,9] позволяет сделать вывод, что рассчитанная по зависимости (1) эффективность может быть использована только для участка трубопровода, на котором, проводились ее испытания и не может быть распространена на другие участки и другие магистральные трубопроводы.

Литература:

1. Ревель-Муроз, П. А. Разработка методов повышения энергоэффективности нефтепроводного транспорта с внедрением комплекса энергосберегающих технологий: 25.00.19: автореф. дис.... канд. техн. наук / П. А. Ревель-Муроз; УГНТУ. — Уфа, 2018. — 24 с. — Текст: непосредственный.
2. Голунов, Н. Н. Развитие научно-методических основ применения противотурбулентных присадок для транспорта нефти и нефтепродуктов по магистральным трубопроводам: 2.8.5: дис.... докт. техн. наук / Н. Н. Голунов; РГУНГ имени И. М. Губкина. — Уфа, 2023. — 296 с. — Текст: непосредственный.
3. Чень, Я. Оценка влияния путевой деструкции противотурбулентных присадок на их гидравлическую эффективность: 25.00.19: дис.... канд. техн. наук / Я. Чень; УГНТУ. — Уфа, 2020. — 158 с. — Текст: непосредственный.
4. Карпов, Ф. А. Оценка эффективности транспортировки нефти и нефтепродуктов по магистральным трубопроводам за счет использования противотурбулентных присадок с учетом их деградации: 2.8.5: дис.... докт. техн. наук / Н. Н. Голунов; УГНТУ. — Уфа, 2023. — 155 с. — Текст: непосредственный.
5. Burser, E. D. Flow increase in the TransAlaska pipeline flow using a polymeric drag reducing additive / Burser E. D., Munk W. R., Whal H. A. — Direct text. // SPE–9419–PA. –1980(9). — P. 35–42.
6. Валиев, М. И. Особенности применения противотурбулентных присадок на основе полиальфаолефинов при различной температуре нефти / М. И. Валиев, И. И. Хасбиуллин, В. В. Казаков. — Текст: непосредственный // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. — 2016. — № 5 (25). — С. 32–37.
7. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Присадки противотурбулентные. Общие технические требования: ОТТ-23.040.00-КТН-104–17: утв. ПАО «Транснефть» 10.01.2019 г.: введ. в действие с 10.01.2019 г. — Москва: ООО «НИИ ТНН», 2022. — 44 с. — Текст: непосредственный.
8. Лисин, Ю. В. Оценка эффективности противотурбулентных присадок по результатам опытно-промышленных испытаний на магистральных нефтепроводах / Ю. В. Лисин, С. Л. Семин, Ф. С. Зверев. — Текст: непосредственный // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. — 2013. — № 3 (11). — С. 6–11.
9. Лурье, М. В. Использование результатов стендовых испытаний малых противотурбулентных добавок для гидравлических расчётов промышленных трубопроводов / М. В. Лурье, Н. Н. Голунов. — Текст: непосредственный // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. — 2016. — № 4 (24). — С. 32–37.