Эффективность использования попутного сброса при поставке нефтепродуктов нескольким потребителям

Дата публикации: 22 Сентября 2017 Распечатать

Павлов В. В., Матвеев Г. Н., Беккер Л. М., Штукатуров К. Ю.

АО «Институт по проектированию магистральных трубопроводов» (АО «Гипротрубопровод»), ул. Вавилова, 24, корп. 1, 119334, Москва, Россия

Vyacheslav V. Pavlov, Georgy N. Matveev, Leonid M. Bekker, Konstantin Y. Stukaturova

Giprotruboprovod Institute for Trunk Pipeline Design, JSC (Giprotruboprovod, JSC) 24–1, Vavilova St., Moscow, 119334, Russian Federation

Автор для связи: Штукатуров Константин Юрьевич, e-mail: ShtukaturovKYu@gtp.transneft.ru

Corresponding authors: Shtukaturov Konstantin Yurievich, e-mail: ShtukaturovKYu@gtp.transneft.ru

Аннотация

В статье рассматриваются следующие варианты поставок нефтепродукта (дизельного топлива) нескольким потребителям: с организацией путевого сброса (одновременная перекачка всем потребителям) и поочередная поставка каждому потребителю в отдельности, с последующим сравнением пропускной способности трубопровода.

Для рассматриваемых вариантов определена потребляемая мощность насосных агрегатов на перекачку, необходимость строительства узла регулирования давления (УРД) для попутного сброса, расширение системы измерения качества нефтепродуктов (СИКН) при попеременной поставке, а также требования к насосному оборудованию на перекачивающих станциях и системам защит от превышения давления на конечных пунктах.

В результате сравнения, сделан вывод о наиболее оптимальном варианте поставки нефтепродуктов по трубопроводу нескольким потребителям. Определено, что пропускная способность трубопровода при одновременной перекачке нефтепродукта больше, чем при поочередной перекачке, причем разница зависит от положения путевого сброса по длине трубопровода. Максимальное увеличение пропускной способности для рассматриваемого примера составило 18% при положении путевого сброса на расстоянии 10% длины от начала трубопровода.

Ключевые слова: Перекачка нефтепродуктов, путевой сброс, гидравлические расчеты, пропускная способность трубопровода.

Для цитирования

Эффективность использования попутного сброса при поставке нефтепродуктов нескольким потребителям / Павлов В. В. [и др.] // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. Т. 7, № 4. С. 76–82.

Введение

При проектировании или реконструкции магистральных трубопроводов с поставкой нефти или нефтепродуктов нескольким потребителям могут быть реализованы следующие варианты организации поставок:

Поочередная поставка нефтепродукта каждому потребителю в отдельности – наиболее простая схема при эксплуатации трубопровода. В данном случае требуется обеспечить возможность работы насосной станции только на режимах с поочередной поставкой каждому потребителю. Однако данный вариант обладает следующими недостатками:

Вариант 2 – одновременная поставка всем потребителям (с путевыми сбросами) – лишен вышеперечисленных недостатков, однако требует установки на ПСП потребителей узлов регулирования давления (расхода) для попутного сброса нефтепродукта с требуемой производительностью от линейной части МНПП по трубопроводам-отводам. С помощью данного узла осуществляется регулирование производительности путевого сброса, при этом поддерживается требуемое давление в линейной части трубопровода для поставки нефтепродукта остальным потребителям.

С точки зрения безопасной эксплуатации трубопроводов и оборудования ПСП конечных пунктов (нефтебаз), данный вариант более предпочтителен. При нештатном (несанкционированном) перекрытии потока одному из потребителей нефтепродукт продолжает поступать остальным потребителям. Таким образом, не происходит внезапной остановки потока в трубопроводе, связанной с явлением гидроудара, который может привести к аварийной ситуации из-за превышения допустимых давлений.

Основным показателем, характеризующим работу магистрального трубопровода, является его пропускная способность [5], определяющая возможные объемы поставок нефтепродукта потребителям.

При прочих равных условиях, влияющих на пропускную способность трубопровода (допустимое давление на выходе НПС, длина и диаметр трубопровода, свойства перекачиваемого продукта), она отличается для вариантов поочередной и одновременной поставки с путевыми сбросами и зависит от местоположения путевых сбросов по линейной части трубопровода [6].

В работе проводится количественная оценка пропускной способности трубопровода с путевым сбросом, для вариантов поставки нефтепродукта одновременно двум потребителям, либо поочередно каждому потребителю в отдельности.

Материалы и методы

Методами исследования является использование общепринятых формул гидравлики для анализа изменения пропускной способности трубопровода с путевым сбросом при различных вариантах поставки нефтепродукта потребителям.

Результаты исследования

Путем математических вычислений с использованием общепринятых формул гидравлики ([3], [4]) покажем, что пропускная способность трубопровода при равномерной перекачке дизельного топлива (ДТ) с путевым сбросом больше, чем при поочередной поставке на каждую нефтебазу.

Для оценки пропускной способности трубопровода примем следующие допущения:

Указанными положениями обеспечивается возможность сравнения пропускной способности трубопровода для вариантов поставки нефтепродукта в одинаковых условиях при равенстве объемов поставки ДТ на нефтебазы № 1 и № 2.

Для оценки пропускной способности трубопровода для определенности примем, что коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода вычисляется по формуле Блазиуса (зона турбулентного течения для гидравлически гладких труб) [1]:

                                                       (1)

При расчете коэффициента гидравлического сопротивления по другим общепринятым формулам гидравлики (например, по формуле Альтшуля [2]), результаты расчетов будут схожими.

Потери напора на трение вычисляются по формуле Дарси-Вейсбаха [1]:

                                                    (2)

Учитывая, что  и  выразим из формул (1) и (2) производительность перекачки (Q, м3/с) через потери напора на трение (Δh, м):

                                             (3)

Так как вязкость нефтепродукта v и диаметр трубопровода D не зависят от рассматриваемых вариантов поставки нефтепродукта, упростим формулу (3), обозначив неизменные параметры как константу k:

                                                    (4)

Для варианта с поочередной поставкой пропускная способность трубопровода при поставке продукта на нефтебазу № 1 (в конце трубопровода) будет определяться по формуле (4), а на попутную нефтебазу № 2 – по формуле (5):

                                               (5)

где x < 1 – часть длины трубопровода от головной перекачивающей станции (ГПС) до попутной нефтебазы № 2;

Q1, Q2 – пропускная способность трубопровода при поочередной поставке на первую и вторую нефтебазы соответственно, м3/с.

Для упрощения расчетов приняты одинаковые высотные отметки положения нефтебаз № 1 и № 2. В связи с этим располагаемые потери напора на трение в трубопроводе при поочередной поставке на нефтебазы № 1 и № 2 одинаковые.

Для обеспечения равенства объемов поставок ДТ на нефтебазы № 1 и № 2 доля времени перекачки ДТ на каждую нефтебазу (x1 и x2) должна быть пропорциональной пропускной способности трубопровода при перекачке на нефтебазы № 1 и № 2 (Q1 и Q2):

                                                     

Суммарный объем поставки ДТ на две нефтебазы за время τ рассчитывается по формуле:

                                        

С учетом ранее полученной формулы (5) суммарный объем поставки при поочередной перекачке на две нефтебазы можно определить по формуле:

                                   

Найденное выражение, которое показывает, во сколько раз суммарный объем поставки на две нефтебазы при поочередной перекачке ДТ превышает возможный объем поставки на нефтебазу в конце трубопровода (Q1·τ), определяет коэффициент пропускной способности, зависящий только от местоположения путевой нефтебазы № 2 по длине трубопровода:

                                                      (6)

Аналогично рассчитаем максимальный объем поставки ДТ для варианта одновременной поставки нефтепродукта на обе нефтебазы. Для этого выделим два участка трубопровода: до путевого сброса на нефтебазу № 2 и после (до нефтебазы № 1), как это показано на рис. 1.

 

Рис. 1.  Расчет пропускной способности трубопровода со сбросом на путевую нефтебазу

Fig. 1.  Расчет пропускной способности трубопровода со сбросом на путевую нефтебазу

 

Пропускную способность трубопровода при поставке продукта на нефтебазу № 1 в конце трубопровода можно выразить по формуле (на основании ранее полученной формулы (4):

                                                 (7)

где Δh1 – потери напора на трение от путевого сброса на нефтебазу № 2 до нефтебазы № 1 в конце трубопровода;

L(1 – x) – расстояние от путевого сброса на нефтебазу № 2 до нефтебазы № 1 (рис. 1).

Суммарную пропускную способность трубопровода при поставке продукта на нефтебазы № 1 и № 2 можно определить по формуле (согласно рис. 1):

                                                (8)

Так как принято условие Q1 = Q2, то из формул (7) и (8) получим:

                                          

Выразим Δh1 из последнего равенства:

                                               

Теперь, подставляя найденное значение Δh1 в формулу (8), можно выразить суммарный объем поставок на обе нефтебазы за время τ в зависимости от положения путевого сброса:

                                        

По аналогии с формулой (7) получим коэффициент пропускной способности трубопровода для варианта с путевым сбросом (этот коэффициент зависит только от положения путевого сброса на линейной части трубопровода):

                                                 (9)

Сравнить результаты по объемам поставки нефтепродуктов при поочередной и одновременной перекачках удобно в форме графика, задавая в формулах (6) и (9) различные значения переменной х (отношение длины до путевого сброса к длине трубопровода). Таким образом, получим зависимость коэффициента пропускной способности трубопровода от относительного положения путевого сброса (рис. 2).

Рис. 2.  Сравнение коэффициентов пропускной способности трубопровода для случаев поочередной и одновременной поставки нефтепродукта на две нефтебазы

Fig. 2.  Сравнение коэффициентов пропускной способности трубопровода для случаев поочередной и одновременной поставки нефтепродукта на две нефтебазы

Из графика на рис. 2 видно, что при любом, отличного от крайних точек, положении путевого сброса по длине трубопровода пропускная способность последнего (следовательно, и объемы поставок нефтепродуктов) при одновременной перекачке больше, чем при поочередной. Разница пропускной способности зависит от положения путевого сброса. Максимальное увеличение пропускной способности при одновременной перекачке на две нефтебазы для рассматриваемого примера достигается при положении сброса на расстоянии 10 % от начала трубопровода и составляет 19,4 % по отношению к варианту с поочередной поставкой.

Для количественной оценки пропускной способности трубопровода рассмотрим трубопровод длиной 100 км и диаметром 377 мм, предназначенный для поставки дизельного топлива на две нефтебазы. Нефтебаза № 1 находится в конце трубопровода (расчетная отметка – 100 км), нефтебаза № 2 – на расстоянии 25 км от начала трубопровода. Расчеты пропускной способности будем проводить с учетом ограничения давления на выходе ГПС до 25 кгс/см2.

Алгоритмы расчета объемов поставок ДТ представлены ниже.

  1. Рассчитываются пропускные способности трубопровода при перекачке ДТ на каждую нефтебазу в отдельности: 5,0 млн т/год – на нефтебазу № 1 и 2,37 млн т/год на нефтебазу № 2;
  2. Определяется необходимая часть времени работы на каждую нефтебазу (от общего времени работы на две нефтебазы) при условии равенства объемов поставок ДТ на нефтебазы:

G1x1 = G2x2,

где G1 – пропускная способность трубопровода при поставке ДТ на нефтебазу № 1(5,0 млн т/год);

G2 – пропускная способность трубопровода при поставке ДТ на нефтебазу № 2 (2,37 млн т/год);

x1 – часть времени работы на первую нефтебазу (от общего времени работы на две нефтебазы);

x2 – часть времени работы на вторую нефтебазу (от общего времени работы на две нефтебазы).

С учетом того, что x1 + x2 = 1, получаем:

  1. Аналогично: часть времени работы на вторую нефтебазу равна:

  2. Определяется суммарный объем поставок ДТ на две нефтебазы по формуле:

Путем итеративных расчетов определяется величина путевого сброса на нефтебазу № 2 при условии равенства объемов поставок ДТ на каждую нефтебазу. Получаем, что пропускная способность трубопровода при поставке ДТ на каждую нефтебазу составляет 1,8 млн т/год. Соответственно, суммарная пропускная способность при поставке на две нефтебазы составляет:

Gсум = G1 + G2 = 1,8 + 1,8 = 3,6 млн т/год

Таким образом, в рассматриваемом примере совместная поставка ДТ одновременно на обе нефтебазы приводит к увеличению суммарных объемов поставок на 0,39 млн т/год, или на 12,1 %, по сравнению с вариантом поочередной поставки ДТ на каждую из нефтебаз.

На рис. 3 приведены эпюры рабочих давлений для вариантов поставки ДТ поочередно на две нефтебазы и при одновременной поставке с путевым сбросом.

Рис. 3.  Эпюры рабочих давлений для вариантов поставки ДТ поочередно на две нефтебазы (зеленый график) и при одновременной поставке с путевым сбросом (синий график)

Fig. 3.  Эпюры рабочих давлений для вариантов поставки ДТ поочередно на две нефтебазы и при одновременной поставке с путевым сбросом

Сравнение потребляемой при перекачке мощности насосов при различных вариантах поставки ДП для рассматриваемого примера приведено на рис. 4.

Рис. 4.  Сравнение потребляемой мощности насосов при перекачке для вариантов поочередной и одновременной поставки ДТ на две нефтебазы

Fig. 4.  Сравнение потребляемой мощности насосов при перекачке для вариантов поочередной и одновременной поставки ДТ на две нефтебазы

 

Из рис. 4 видно, что потребляемая мощность насосов при перекачке одного и того же объема ДТ (3,21 млн т/год) на две нефтебазы при одновременной поставке с организацией путевого сброса на 15,6 % меньше, чем в случае поочередной поставки каждому потребителю.

 

Выводы

В статье рассмотрены два варианта поставок нефтепродуктов: с организацией путевого сброса (одновременная равномерная перекачка) и поочередная поставка каждому потребителю. Определена пропускная способность трубопровода для каждого варианта. Проведено сравнение вариантов с учетом показателей потребляемой при перекачке мощности насосов, необходимости строительства УРД для попутного сброса, расширения СИКН при попеременной поставке, требований к насосному оборудованию на НПС и системам защит от гидроудара для технологических трубопроводов и оборудования ПСП на конченых пунктах приема продукта.

Определено, что пропускная способность трубопровода при одновременной перекачке нефтепродукта больше, чем при поочередной перекачке, причем разница зависит от положения путевого сброса. Для рассматриваемого примера максимальное увеличение пропускной способности при одновременной перекачке на две нефтебазы составила 19,4 % по отношению к варианту с поочередной поставкой. Оно достигается при расположении путевого сброса от насосной станции на расстоянии 10 % длины трубопровода.

При рассмотрении примера по поставке ДТ на две нефтебазы по трубопроводу диаметром 377 мм с положением путевого сброса на ¼ длины трубопровода получены следующие результаты. При одновременной поставке пропускная способность трубопровода выше на 12,1% по сравнению с вариантом поочередной поставки. При этом мощность насосов, потребляемая при перекачке равного объема нефтепродукта, при одновременной поставке на 15,6% меньше, чем в случае поочередной поставки каждому потребителю.

Список литературы

  1. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов / П. И. Тугунов [и др]: учеб. пособие для вузов. Уфа : ООО «Дизайн-ПолиграфСервис», 2002 г.;
  2. Новоселов В. Ф., Муфтахов Е. М. Технологический расчет нефтепроводов: учеб. пособие. Уфа : Издательство УГНТУ, 1996 г.;
  3. Трубопроводный транспорт нефти и газа: Учеб.для вузов / Р.А. Алиев, В.Д. Белоусов, А.Г. Немудров и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Недра, 1988. – 368 с.
  4.  Френкель Н.З. Гидравлика, Госэнергиздат, М.-Л.: 1956. – 456 с.
  5. Коршак А.А., Муфтахов Е.М. Технологический расчет магистрального нефтепровода, Учебное пособие по дисциплине «Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов», Уфа, 2005 год.
  6. Трубопроводный транспорт нефти: т.1,2 под общей редакцией С.М. Вайнштока, М., Недра, 2002 г.

 

Сведения об авторах

Павлов В.В., заслуженный строитель Российской Федерации, почетный нефтяник, лауреат Премии Правительства РФ в области науки и техники, Москва, Россия

V. V. Pavlov, Emeritus Builder of the Russian Federation, honourable oil industry worker, recipient of the Prize of the Russian Federation Government for Science and Technology, Moscow, Russian Federation

Г. Н. Матвеев, ВРИО главного инженера – первого заместителя генерального директора АО «Гипротрубопровод», Москва, Россия

G. N. Matveev, Acting Chief Engineer – 1st Deputy Director General of Giprotruboprovod, JSC, Moscow, Russian Federation

MatveevGN@gtp.transneft.ru

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

L. M. Bekker, Chief Technologist of Giprotruboprovod, JSC, Moscow, Russian Federation

BekkerLM@gtp.transneft.ru

К. Ю. Штукатуров, главный специалист АО «Гипротрубопровод», Москва, Россия

K. Y. Shtukaturov, Chief Specialist of Giprotruboprovod, JSC, Moscow, Russian Federation

ShtukaturovKYu@gtp.transneft.ru

Читать полностью