Опыт промышленного применения противотурбулентных присадок

В процессе перекачки нефти и нефтепродуктов по трубопроводам значительная часть энергии расходуется на их перемешивание, связанное с наличием турбулентных пульсаций частиц жидкости. Уменьшение уровня этих пульсаций, а значит и уменьшение затрат электроэнергии на перекачку, достигается применением специальных противотурбулентных присадок.

Еще в 1946 г. английским химиком Б. Томсоном было открыто явление гашения турбулентности в результате введения в поток малых добавок растворов высокомолекулярных веществ (полимеров). Объясняется оно тем, что длинные цепи молекул полимера вытягиваются вдоль потока и препятствуют развитию поперечных колебаний.

В нашей стране первые исследования по уменьшению коэффициента гидравлического сопротивления трубопроводов применением растворов полимеров были выполнены в 1964 г. на кафедре гидравлики МИНХ и ГП им. И.М. Губкина: при введении в воду раствора карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) было зафиксировано уменьшение коэффициента гидравлического сопротивления на 15... 20 %.

Специалистами ВТИ им. Дзержинского, МИНХ и ГП им. И.М. Губкина и СредАзНИИГаза изучалось влияние полиизобутилена (ПИБ) на турбулентное течение газового конденсата, дизельного топлива и керосина. При скорости течения газового конденсата с добавкой ПИБ марки Opparol равной 5 м/с коэффициент гидравлического сопротивления на 37 % меньше, чем при перекачке без ПИБ. Аналогично при перекачке дизельного топлива со скоростью 3 м/с уменьшение λ составило 25 % для трубы диаметром 10 мм и 17 % когда диаметр трубы равен 15 мм. Это позволило сделать вывод, что при увеличении скорости жидкости в трубопроводе эффективность применения ПИБ возрастает.

Под влиянием ПИБ на течение керосина при концентрации ПИБ равной 0,05 % наблюдается уменьшение λ уже при числе Рейнольдса Re = 8000. С ростом Re эффект снижения сопротивления растёт и при Re = 42000 достигает 18 % (рис. 3.1). Достигаемый эффект снижения коэффициента гидравлического сопротивления пропорционален не только числу Рейнольдса, но и молярной массе ПИБ. Поэтому в нефтепродукты рекомендуется добавлять полимеры с . В этих работах впервые был установлен факт деградации растворов ПИБ (падение положительного эффекта их применения) при прохождении через центробежный насос (рис. 13.1).

В 70-е годы ХХ века в Азербайджанском институте нефти и химии им. Азизбекова была проведена серия экспериментов по изучению влияния высокомолекулярной добавки (гудрона) на турбулентное течение керосина и бинагадинской нефти (вязкостью 28 мПа∙с). Смеси прокачивались насосом 3К-6 по стальному трубопроводу диаметром 40 мм. В результате опытов было установлено, что при перекачке керосина (Re = 80000) наибольший эффект снижения λ (на 33 %) достигается при концентрации гудрона С_опт, равной 0,6%.

Рисунок 13.1– Изменение сопротивления трения от применения добавки ПИБ и времени циркуляции раствора в установке

Дальнейшее увеличение концентрации С приводит к росту λ и положительный эффект применения гудрона исчезает (за счет увеличения вязкости жидкости). При малых добавках гудрона в бинагадинскую нефть наибольший эффект уменьшения λ достигался при С_опт = 0,4 %. То есть с увеличением вязкости перекачиваемой жидкости оптимальная концентрация гудрона уменьшается.

Аналогичные эксперименты показали, что при одинаковой концентрации гудрона бóльшее снижение коэффициента гидравлического сопротивления достигался на трубах меньшего диаметра. Чем больше диаметр трубы, тем при бóльших числах Рейнольдса начинало сказываться действие гудрона как добавки, снижающей гидравлические сопротивления.

Специалистами ВНИИСПТнефть и Института химии нефти СО АН СССР изучалось воздействие полимерных добавок – полибутадиена (ПБ) и полиизопрена (ПИ) – на турбулентное течение дизельного топлива и реактивного топлива ТС-1. Установлено, что максимальное снижение трения в потоке ТС-1 при добавках ПБ (до 60 %) достигается при концентрации полимера равной 0,05 % массы, а при добавках ПИ (до 70 %) - при концентрации около 0,1 % массы. Максимальная эффективность полимера ПБ в дизельном топливе (уменьшение λ на 50 %) достигается при концентрации 0,01 % массы, что в 5 раз меньше, чем для ТС-1. Следовательно, дизельное топливо является для данного полимера лучшим растворителем, чем ТС.

При изучении влияния малых добавок полимеров на эксплуатационные свойства топлив получены результаты, которые представлены в табл. 13.1, 13.2.

Таблица 13.1 – Изменение параметров топлива ТС-1

Параметр	Величина параметров	Метод испытаний
без присадки	с присадкой	требования ГОСТ 10227-62
Плотность при 20 оС, кг/м3				ГОСТ 3900-47
Вязкость при 20 оС, мм2/с	1,22	1,25	1,25	ГОСТ 33-82
Кислотность, мг КОН на 100 мл	0,32	0,32	0,7	ГОСТ 5986-59
Температура начала кристаллизации, оС	-60	-62	-60	ГОСТ 5066-56
Содержание фактических смол, мг/100 мг	0,25	0,28		ГОСТ 8489-58
Зольность	0,0001	0,0001	0,003	ГОСТ 1461-75

Таблица 13.2 – Изменение параметров дизельного топлива

Параметр	Величина параметров	Метод испытаний
без присадки	с присадкой	требования ГОСТ 4749-73
Плотность при 20 оС, кг/м3			не нормируется	ГОСТ 3900-47
Вязкость при 20 оС, мм2/с	4,52	4,55	3,5...6	ГОСТ 33-82
Кислотность, мг КОН на 100 мл	2,2	2,2		ГОСТ 5985-79
Температура, оС - застывания (не выше) - помутнения (не выше)	-45 -38	-50 -42	-45 -35	ГОСТ 20287-74 ГОСТ 5066-56
Зольность	1,2∙10-4	1,2∙10-4	0,01	ГОСТ 1461-75
Коэффициент фильтруемости	1,3	1,3		ГОСТ 19006-73

Как видно из таблиц 13.1, 13.2, введение присадок для снижения гидродинамического сопротивления не оказывает отрицательного влияния на качество реактивных и моторных топлив. Все их параметры остаются в пределах требований государственных стандартов.

Подытоживая результаты лабораторных экспериментов отечественных и зарубежных исследований можно сделать следующие выводы:

1) высокомолекулярные присадки уменьшают гидравлическое сопротивление только при развитом турбулентном течении;

2) положительный эффект снижения λ растёт по мере увеличения числа Рейнольдса и молярной массы присадки;

3) имеется некоторое оптимальное значение концентрации присадки, при котором эффект уменьшения гидравлического сопротивления максимален;

4) после прохождения через центробежные насосы положительное действие присадки резко снижается.

Механизм действия присадок. В соответствии с этими закономерностями механизм действия высокомолекулярных (противотурбулентных) присадок представляется таким. В турбулентном потоке жидкости в пристенной области пульсация давления высокой интенсивности создает дополнительное сопротивление. Для маловязких жидкостей величина этой составляющей гидродинамического сопротивления составляет до 80 %. Макромолекулы высокомолекулярной присадки сглаживают пульсации давления в потоке, аккумулируя энергию в виде обратимой упругой деформации. Чем больше молярная масса макромолекул (а, следовательно, чем больше их длина), тем больше энергии они могут аккумулировать. Следовательно, с увеличением молярной массы присадки её эффективность растёт.

Можно объяснить существование некоторой оптимальной концентрации присадки следующим образом. Диапазон эффективных концентраций противотурбулентных присадок в жидкостях находится в области разбавленных и умеренно концентрированных растворов. В них макромолекулы представлены отдельными глобулами, изолированными прослойками жидкости-носителя. Рост концентрации присадки выше некоторого критического значения приводит к появлению межмолекулярного взаимодействия, что приводит к увеличению вязкости жидкости и, соответственно, гидравлического сопротивления.

При прохождении через центробежные насосы макромолекулы присадки разрушаются и утрачивают способность гашения турбулентности.

Впервые в промышленном масштабе противотурбулентная присадка была испытана фирмой "Trans Alaska Pipeline System" (TAPS) в 1979 г. на Трансаляскинском нефтепроводе диаметром 1219 мм.

В дальнейшем противотурбулентные присадки успешно использовались и на других нефтепроводах.

Проблема дополнительной перекачки нефти с нефтедобывающей платформы фирмы "Shell oil" в Мексиканском заливе, возникшая в связи с ростом добычи нефти, была решена с помощью синтетического полимера, который вводили в нефтепровод в концентрациях от 15 до 30 г/т.

В 1986 г. в Пакистане возникла необходимость увеличения пропускной способности нефтепровода длиной 55 км и диаметром 150...250 мм, соединяющего промыслы Дурнал с нефтеперерабатывающим заводом. В качестве конкурирующих были рассмотрены варианты прокладки лупинга и применения противотурбулентной присадки CDR Flow Improver. Более экономичным оказался второй вариант. Введение присадки в поток нефти позволило увеличить пропускную способность не6фтепровода на 30 %.

Когда добыча нефти на месторождении Коньяк (США) оказалась выше, чем ожидалось, для обеспечения перекачки дополнительной нефти по 180-километровому трубопроводу в поток стали добавлять противотурбулентную присадку в количестве от 15 до 30 г/т. Благодаря этому пропускная способность нефтепровода увеличилась с 17,8 до 20 тыс. т в сутки, т.е. на 12,4 %.

Промышленный опыт применения присадки FLO позволит разработать рекомендации по дозировке полимера (г/т), обеспечивающей снижение гидравлического сопротивления на 25 %:

- бензин........................................................................................................... 12

- дизельное топливо...................................................................................... 13

- нефть месторождения Киркук (Ирак)....................................................... 15

- нефть месторождения Купарук (Аляска).................................................. 19

- высоковязкая нефть месторождения Садлерум (Аляска)...................... 45

- высоковязкая нефть месторождения Ассам (Индия)............................. 88

Нетрудно видеть, что с увеличением вязкости перекачиваемой жидкости необходимая концентрация присадки также увеличивается.

При проводившихся крупномасштабных экспериментах на ряде действующих трубопроводов были достигнуты ещё более высокие результаты. Так, добавление присадки в количестве 58 г/т к бензину, перекачиваемому по трубопроводу диаметром 150 мм с производительностью 120 м³/ч, позволило снизить гидравлическое сопротивление на 49 %; для трубопровода диаметром 200 мм, по которому перекачивается дизтопливо с производительностью 240 м³/ч, при добавлении присадки в количестве 48 г/т, было достигнуто уменьшение гидравлического сопротивления на 44 %.

Примерная себестоимость закачки присадки в трубопровод составляет 2,6$/л.

В нашей стране первые испытания противотурбулентной присадки были проведены в 1985 г. специалистами фирмы "Conoco". В промышленных условиях, путем введения добавки CDR-102 на конечном участке трубопровода Лисичанск-Тихорецк диаметром 700 мм, снижалось гидравлическое сопротивление. Введение раствора полимера в трубу сопровождалось монотонным падением давления в точке дозирования (по мере увеличения длины участка, заполненного нефтью, обработанной присадкой).

В 1991 г. специалистами ОАО "Магистральные нефтепроводы Центральной Сибири" и сотрудниками Томского политехнического института (ТПИ) вводилась полимерная присадка "Виол" на конечном участке нефтепровода Александровское - Анжеро-Судженск с диаметром трубы 1220 мм и длиной 69 км. Присадка "Виол" была получена по рецептуре ТПИ в Томском нефтехимическом комбинате и представляет собой 10 % - ный раствор в гептане сополимера альфа-алефинов.

До начала эксперимента проводили контрольную перекачку для более точного определения режима работы насосных станций. Перепад давления измеряли с помощью датчиков давления "Минитран", а производительность перекачки - по показанию турбинных преобразователей расхода (ТПР) на коммерческом узле учёта нефти.

В процессе эксперимента расход присадки составил около 40 г/т. Через каждый час работы регистрировали следующие параметры: давления насосных станций и в нефтепроводе после узла ввода присадки, взливы нефти в резервуарах в начале и в конце эксплуатационного участка, производительность, плотность и температуру нефти, а также через каждые 2 часа определяли вязкость нефти на конечном пункте.

В момент прекращения подкачки присадки "голова" партии нефти, обработанной ею, находилась на расстоянии 61,6 км от узла ввода. В процессе добавления присадки в нефть давление в нефтепроводе на узле ввода плавно уменьшилось с 1,5 до 1,375 МПа. Одновременно производительность перекачки увеличилась с 6063 до 6180 м³/ч, т.е. на 2 % при погрешности измерения с помощью ТПР составляющей 0,15 %. Уменьшение коэффициента гидравлического сопротивления составило 20,8 %.

В процессе вытеснения из трубопровода партии нефти, обработанной присадкой, давление на узле ввода плавно увеличилось с 1,375 до 1,54 МПа.

В марте 1993 г. был проведён ещё один промышленный эксперимент по применению противотурбулентной присадки "Виол", но уже на нефтепроводе Тихорецк - Новороссийск. Целью эксперимента было изучение влияния полимерной добавки, вводимой на начальном участке трубопровода, на его эксплуатационные характеристики. Упрощенная технологическая схема трубопровода Тихорецк - Новороссийск представлена на рис. 3.4. Трубопроводы диаметром 800 и 500 мм связаны между собой открытыми перемычками.

Дозирование присадки "Виол" в количестве около 8 г/т производилось на выходе из Тихорецкой НС в трубопровод диаметром 800 мм в течение 32 ч. "Голова" партии нефти, обработанной присадкой, за это время прошла через Нововеличковскую НС (18 ч.) и Крымскую НС (31 ч.).

В ходе дозирования присадки наблюдалось монотонное падение перепада давления на участке трубопровода Тихорецкая-Нововеличковская диаметром 800 мм с 3,9 до 3,3 МПа (рис. 3.5). При этом давление на выходе из Тихорецкой НС понизилось с 4,5 до 4,4 МПа, а давление на входе в Нововеличковскую НС возросло с 0,6 до 1,1 МПа. Одновременно расход нефти увеличился с 3500 до 3730 м³/ч (рис. 3.5). К моменту заполнения участка Тихорецк-Нововеличковская (через 18 ч.) уменьшение гидравлического сопротивления достигло 24 % (рис. 3.6).

Заполнение обработанной нефтью следующего участка трубопровода (между Нововеличковской и Крымской НС) к изменению перепада давления не привело. Это свидетельствует о том, что после прохождения через работающие центробежные насосы присадка теряет свою эффективность.

В целом, по мнению авторов, присадка "Виол" в технологическом плане практически не уступает зарубежным аналогам. При том, что она стоит примерно в 2,5 раза дороже бензина.

Положительный опыт применения противотурбулентных присадок имеется и на ряде других трубопроводов, в частности, на нефтепродуктопроводе Полоцк - Вентспилс, где за счёт введения присадки "Necadd-447" в дизельное топливо Л 02-62 ВС с концентрацией 13,6 г/т производительность перекачки была увеличена с 600 до 732 м³/ч, т.е. на 23,8 %, при одновременном снижении давления на выходе станции на 0,46 МПа. Отмечается также, что опыт 3-х месячного применения присадки позволяет констатировать отсутствие её влияния на качество дизельного топлива, отгружаемого в танкеры.

Применение противотурбулентной присадки на "горячем" трубопроводе. Преимущественной областью применения противотурбулентных присадок является перекачка маловязких жидкостей Однако, положительный эффект от их использования имеет место и при перекачке жидкостей достаточно вязких. Подобный опыт накоплен на казахстанском участке нефтепровода Узень-Гурьев-Куйбышев, где использовалась присадка "FLO-XL^ТМ". Зависимость гидравлической эффективности (уменьшение гидравлического сопротивления) от концентрации присадки приведена на рис. 13.2. Видно, что при концентрации 20 г/т уменьшение λ на участке НПС "Индер" – НПС "Б. Чаган" достигало 50 %, а на участке НПС "Б. Чаган" – НПС "Черниговка" – 40 %. В целом применение присадки позволило увеличить пропускную способность нефтепровода с 12,5 до 16,5 млн. т/год; снизить удельные энергозатраты на 10 % и более; получить экономический эффект в размере 28,4 млн. $/год. Полученные результаты относятся к области температур перекачки 30...45 ^оС, при которых нефтесмеси проявляют ньютоновские свойства. Однако, в области температур ниже 25 ^оС, когда нефтесмеси ведут себя как вязкопластичные жидкости, применение противотурбулентной присадки дало отрицательный результат: эффективная вязкость и напряжение сдвига обработанных нефтесмесей увеличилось в 2...3 раза по сравнению с необработанными.

Рисунок 13.2 – Кривые гидравлической эффективности противотурбулентных присадок FLQ-XL:

1 – участок НПС "Индер" – НПС "Б. Чаган" (■ – эксперимент); 2 – участок НПС "Б. Чаган – НПС "Черниговка" (● – эксперимент)

Обобщая опыт промышленного применения противотурбулентных присадок можно сделать следующие выводы:

1) закономерности, выявленные ранее в лабораторных условиях, отмечены и на действующих трубопроводах;

2) после прохождения нефти (нефтепродукта), обработанной присадкой через промышленные насосы, положительное действие присадки полностью прекращается;

3) при введении присадки в жидкости, проявляющие неньютоновские свойства, их реологические параметры ухудшаются, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления и пусковых давлений.