Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор методов улучшения текучести высоковязких нефтей и постановка задач исследования 10
1.1. Факторы, влияющие на реологические свойства высоковязких нефтей 10
1.2. Способы транспортировки высоковязких нефтей по магистральным трубопроводам 19
1.3. Применение микроволновой технологии в промышленности 22
1.4. Обзор исследований влияния сверхвысокочастотных электромагнитных полей на высоковязкие нефти 29 Цель и задачи исследования 33
ГЛАВА 2. Исследования влияния свч – нагрева на текучесть высоковязких нефтей
2.1. Оборудование и методика проведения исследований по обработки высоковязких нефтей СВЧ-излучением 38
2.2. Методика реометрических исследований высоковязкой нефти, обработанной СВЧ электромагнитным полем 42
2.3. Исследования влияния СВЧ – излучения на реологические характеристики высоковязких нефтей 46
2.4. Исследование распределения температур в высоковязкой нефти при микроволновой обработке
2.4.1. Физическая модель высоковязкой нефти 53
2.4.2. Термодинамическая модель высоковязкой нефти
2.5. Расчет распределения температур в объёме высоковязкой нефти при воздействии микроволнового излучения 62
2.6. Исследования влияния сверхвысокочастотного облучения на компонентный состав тяжёлых нефтей 66
Выводы 70
ГЛАВА 3. Исследование влияния микроволнового облучения и наполнителей на реологические свойства высоковязкой нефти 72
3.1. Разработка технологии подготовки товарной высоковязкой нефти к транспортировке совместным воздействием микроволнового облучения и наполнителя 72
3.2. Определение энергии активации течения высоковязкой нефти после её сверхвысокочастотной обработки 92
Выводы 96
ГЛАВА 4. Разработка технологии свч электротермии товарной высоковязкой нефти с наполнителем
4.1. Исследование распределения температур в объёме высоковязкой нефти с наполнителем при воздействии СВЧ электромагнитного поля 98
4.2. Разработка технологических схем СВЧ электротермии товарных высоковязких нефтей .
Выводы 109
Основные выводы и результаты 111
Список сокращений и условных обозначений 112
Список использованной литературы
- Применение микроволновой технологии в промышленности
- Методика реометрических исследований высоковязкой нефти, обработанной СВЧ электромагнитным полем
- Расчет распределения температур в объёме высоковязкой нефти при воздействии микроволнового излучения
- Разработка технологических схем СВЧ электротермии товарных высоковязких нефтей
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Обеспеченность топливными ресурсами определяет национальную энергобезопасность и развитие экономики любого государства. Экономическое развитие стран мира в течение последних десятилетий привело к многократному увеличению потребления энергетических ресурсов, в первую очередь, нефти.
Поскольку запасы нефти малой и средней вязкости истощаются, одной из важных проблем энергетического комплекса является применение альтернативных углеводородных топлив. Мировая практика имеет примеры использования некоторых видов такого топлива, например, природный газ в компримированном или сжиженном виде. Однако сложившееся структура энергопотребления и большие запасы «нетрадиционных» высоковязких тяжёлых нефтей (в 5 - 6 раз больше остаточных извлекаемых запасов традиционных нефтей) заставляют вовлекать в разработку их месторождения. Для России и Китая запасы таких нефтей также являются важнейшей составляющей сырьевой базы нефтяной отрасли.
Транспортировка по магистральным трубопроводам высоковязких нефтей, содержащих природные ассоциативные наноколлоиды, требует применения специальных технологий, позволяющих снизить потери полного напора на трение при их движении. В настоящее время наибольшее распространение получила перекачка предварительно нагретых тяжёлых нефтей. Однако в этом случае сжигается большое количество транспортируемого сырья и идёт загрязнение окружающей среды продуктами сгорания. Кроме того, оборудование для нагрева имеет низкую энергоэффективность и надёжность.
Перекачке тяжёлых нефтей в виде искусственных смесей с маловязкими нефтями, нефтепродуктами, газовым конденсатом и т. д может препятствовать отсутствие ресурсов растворителей. Получение растворителя в результате термодеструкции высоковязкой нефти сопряжены с затратами на сооружение на головной станции нефтепровода установок прямой перегонки нефти и легкого крекинга, а также с потерей качества нефти как сырья для переработки.
Таким образом, совершенствование технологии трубопроводного транспорта товарных высоковязких нефтей является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.
Степень разработанности темы исследования. Физическим агрегированием наночастиц высоковязкой нефти, кроме повышения её температуры и растворяющей способности жидкой фазы, можно управлять, применяя, например, электрические и магнитные поля.
В конце ХХ века активное развитие получили термические процессы, имеющие в своей основе воздействие на изделия электромагнитных излучений. Преимуществом СВЧ – электротермии по сравнению с традиционными технологиями нагревания заключаются в том, что это экологически чистый нагрев, имеющий высокий коэффициент преобразования СВЧ - энергии в тепловую. Избирательность СВЧ - нагрева открывает возможность использования, так называемой гибридной схемы, когда в многокомпонентной смеси диэлектриков будут разогреваться те её части, которые имеют высокие значения диэлектрических потерь.
В последнее время появилось ещё одно направление применения высокочастотного электромагнитного поля, основанное не только на «тепловом», но и на «нетепловом» его воздействии на материалы и заключающееся в увеличении скорости процессов при СВЧ – обработке.
Изучению влияния электромагнитных полей на нефтяные системы посвящены теоретические и экспериментальные работы Великанова В.С., Евдокимова И.Н., Дыбленко В.П., Зиннатуллина Р.Р., Саяхова Ф.Л., Суфьянова Р.Р., Сюняева Р.З., Ковалевой Л.А., Кислицина А.А., Туфанова И.А., Хакимова В.С., Хабибул-лина И.Л., Хамзина А.А., Чистякова С.И., Ван Ин, Цзян Хуаи, Abernety E.R., Bridges J.E., Bosisio R.G., Homer L., Jackson C., Spenser Jr., Snow R.N., Taflove A., Tanner D.D. и др.
В нефтяной промышленности СВЧ электротермия применяется при разрушении водонефтяных эмульсий; очистки насосно – компрессорных труб от АСПО; повышении нефтеотдачи из природных битумов; добычи нефти из нефтешламов и песчаников и т. д. Что касается исследований влияния СВЧ элек-
5 тротермии на текучесть товарных высоковязких нефтей, то они находятся в
начальной стадии.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являются экспериментальные исследования диэлектрического нагрева товарных высоковязких нефтей сверхвысокочастотным электромагнитным полем, которые могут быть использованы как основа для создания новой технологии повышения эффективности транспортировки тяжёлых нефтей по магистральным трубопроводам.
Для реализации поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
-
Создана лабораторная установка для диэлектрического нагрева высоковязких нефтей.
-
Проведены экспериментальные исследования влияния СВЧ электротермии на текучесть товарных высоковязких нефтей и установлены технологические факторы, влияющие на их эффективность.
-
Выполнены экспериментальные измерения диэлектрических свойств тяжёлых нефтей и их компонентов.
-
Проведены исследования влияния теплового и «нетеплового» эффектов сверхвысокочастотного электромагнитного поля на химический состав тяжёлых нефтей и отдельных их компонентов.
-
Проведено экспериментальное исследование воздействия гибридной схемы диэлектрического нагрева на текучесть высоковязких нефтей и установлены технологические факторы, влияющие на их эффективность.
-
Получены выражения для определения вязкости тяжёлых нефтей в зависимости от применяемой схемы диэлектрического нагрева СВЧ - излучением.
-
Разработана термодинамическая модель диэлектрического нагрева тяжёлых нефтей и получены выражения для расчета температур фаз нефтяных дисперсных систем.
-
Предложен механизм воздействия диэлектрического СВЧ электротермии на снижение вязкости товарных тяжёлых нефтей на основе обобщения результатов исследований влияния СВЧ - нагрева на химический состав высоковяз-
6 ких нефтей и анализа распределения температуры в объёме нефтяной дисперсной
системы.
Объектами исследования являлись образцы товарных высоковязких нефтей пяти месторождений КНР с суммарным содержанием смол и асфальтенов от 26% до 58% (масс.), подвергнутые различными способами СВЧ - нагрева.
Научная новизна работы. Новизна исследования состоит в разработке теоретических и практических основ технологии подготовки товарных высоковязких нефтей к трубопроводному транспорту, базирующейся на различных схемах их диэлектрического нагрева сверхвысокочастотным электромагнитным полем.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость выполненных исследований заключается в разработке: критерия выбора схемы СВЧ – нагрева в зависимости от химического состава и коллоидной стабильности товарных высоковязких нефтей; термодинамической модели их диэлектрического нагрева; механизма воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного поля на текучесть тяжёлых нефтей.
Практическая значимость работы заключается в получении новых данных, которые необходимы при выборе технологии трубопроводного транспорта высоковязких нефтей. Использование СВЧ - нагрева для повышения текучести тяжёлых нефтей позволяет отказаться от их «горячей» перекачке или же снизить температуру предварительного нагрева нефтей. При реализации этой технологии в промышленном масштабе тяжёлая нефть может перекачиваться по магистральному трубопроводу как обычная маловязкая жидкость при изотермическом режиме. В результате улучшаются технико-экономические показатели трубопроводного транспорта высоковязких нефтей, повышается эксплуатационная надёжность и управляемость процессом транспортировки, снижается нагрузка на окружающую среду и т. д. Разработана технология гибридного СВЧ – нагрева высоковязкой нефти месторождения Карамай, являющегося одним из основных месторождений КНР.
7 Методология и методы исследования. Основными методами исследования являлись как экспериментальное изучение воздействия СВЧ электротермии на текучесть товарных высоковязких нефтей и их компонентный состав, так и анализ распределения температуры в объёме нефтяных дисперсных систем, определённого на базе термодинамической модели диэлектрического СВЧ - нагрева. Для проведения опытных исследований и проверки достоверности теоретических положений были созданы лабораторные установки для СВЧ - нагрева нефтей и измерений их реологических характеристик. Компонентный состав тяжёлых нефтей исследовался по методике SARA – анализа.
Положения, выносимые на защиту:
- основные закономерности СВЧ электротермии тяжёлых нефтей с высоким
содержанием высокомолекулярных гетероатомных соединений;
- связь эффективности диэлектрического нагрева СВЧ – полем с компонентным составом тяжёлых нефтей и их коллоидной стабильностью;
термодинамическая модель диэлектрического нагрева нефтяных дисперсных систем;
механизм воздействия различных схем СВЧ – нагрева на текучесть высоковязкой нефти.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность полученных результатов обоснована и подтверждена использованием современных методов экспериментальных исследований диэлектрического СВЧ – нагрева и реологических свойств неньютоновских нефтей, планирования экспериментов и достаточной сходимостью полученных зависимостей с результатами экспериментальных исследований.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 66-ой международной молодежной научной конференции «Нефть и газ – 2012», 17 - 20 апреля 2012 года г. Москва.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликованы 5 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации,
8 в том числе две по специальности 25.00.19 – «Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ» (технические науки).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 114 наименование. Диссертация содержит 124 страницы текста, 22 рисунка и 27 таблиц.
Применение микроволновой технологии в промышленности
При трубопроводном транспорте высоковязких нефтей необходимо использовать специальные технологии перекачки, которые позволяют снизить затраты энергии на преодоление сил трения при их течении и не приводят к «замораживанию» трубопроводов в результате остановок [2, 15, 34, 41].
В основу этих технологий заложены принципы управления физическим агрегированием природных нанофаз (асфальтенов и парафиновых углеводородов) нефтяных дисперсных систем, изложенные в предыдущем параграфе.
По способам реализации этих принципов они разделяются на физические, физико-химические и химические методы улучшения текучести высоковязких нефтей [34].
К физическим методам относятся повышение температуры потока нефти в печах или теплообменниках, расположенных на трассе трубопровода, т. е. идёт речь о перекачке предварительно нагретой нефти, которая в настоящее время является наиболее распространённым способом транспортирования высоковязких нефтяных систем. Повышение температуры приводит к ослаблению межмолекулярного взаимодействия вследствие теплового расширения жидкостей и увеличения энергии теплового движения. В связи с этим снижается внутреннее трение и вязкость дисперсных систем уменьшается.
Разогрев и поддержание температуры нефти выше температуры её застывания может быть осуществлено за счет электрообогрева с помощью гибких лент, кабелей, а также при использовании скин - эффекта.
В общем случае к физико-химическим методам управления структурно - механической прочности (реологическими свойствами) относятся перекачка искусственных смесей, транспорт термообработанной нефти и применение депрессорных присадок. Однако для тяжёлых нефтей два последних способа не применяются, так как они основаны на изменении процесса кристаллизации парафиновых углеводородов [2, 7, 10].
Создание искусственных смесей подразумевает разбавление перекачиваемой нефти маловязкими нефтями и другими углеводородными разбавителями (нефтепродукты, газовый конденсат и т.д.). Обычно концентрация маловязкого углеводородного разбавителя в смеси составляет 30% (об.) [15, 34]. Повышение растворимости среды приводит к уменьшению радиуса ядра сложных структурных единиц НДС и к одновременному увеличению толщины сольватного слоя. Наличие толстой прослойки между наночастицами снижает уровень взаимодействия между ними и, следовательно, структурно -механическая прочность системы уменьшается [48].
Получение маловязкого разбавителя возможно в результате термодеструкции перекачиваемой нефти [15, 41]. Способ подготовки нефти к перекачке путем ее термодеструкции может осуществляться как с предварительным выделением легкой фракции, так и без ее выделения.
При первой технологии нефть подается на установку прямой перегонки (АТ), где она разделяется на газы, дистилляты и остаток. Остаток после АТ поступает в установку легкого крекинга и подвергается деструкции при температуре 703-733 К. При этом происходит термическое разложение тяжелых фракций нефти, что ведет к снижению средней молекулярной массы и вязкости остатка. Все компоненты, полученные в результате термодеструкции, смешивается с прямогонными фракциями, образуют нефтяную систему с лучшими реологическими свойствами, чем исходная нефть.
При термодеструкции без предварительного отделения легкой фракции вместо дорогостоящей установки прямой перегонки нефти используется стабилизационная установка, после которой разгазированную нефть подают сразу в печь для термодеструкции.
Вышеописанная технология является фактически химическим методом улучшения реологических свойств нефти и предназначена, в первую очередь, для тяжёлых нефтей, вязкость которых обусловлена, с одной стороны, большим содержанием асфальтено - смолистых веществ и тяжелых углеводородов нафтено - ароматического ряда, а, с другой, малым содержанием бензиновых фракций.
Примером использования высокочастотных колебаний с целью управления текучести тяжёлой нефти с содержанием асфальтенов 15 - 16 % служат результаты исследований, приведённые в работе [22].
Обработка образцов высоковязкой нефти проводилась в маломощной ультразвуковой ванне СТ - 400А. Потребляемая мощность составляла 35 Вт, а частота ультразвука - 43 – 45 кГц. Выбор малой мощности облучения объясняется тем, что при больших мощностях главными факторами, влияющими на реологические характеристики, становятся дополнительный нагрев нефти из-за перехода энергии ультразвука в тепловые и квитанционные процессы, результатом которых могут быть разрывы связей в молекулах углеводородов, приводящие к нежелательному изменению химического состава нефти.
Измерения эффективной вязкости тяжёлой нефти показали, что после воздействия ультразвуком размеры коллоидных частиц нефтяной дисперсной системы могут, как уменьшаться, так и увеличиваться и, соответственно, связи между ними могут ослабевать или усиливаться. Таким образом, наблюдаются как положительные эффекты (снижение вязкости) так и отрицательные последствия (увеличение вязкости, выпадение осадков). Установлено, что для каждого конкретного случая (компонентный состав нефти, мощность источника ультразвука и т.д.) необходимо определять свое оптимальное время обработки, обеспечивающее достижение максимального положительного эффекта.
Таким образом, наличие разнообразных способов снижения потерь полного напора на трение при движении высоковязких нефтей, применяемых в промышленных масштабах, свидетельствует о существовании ограничений в использовании каждого из них. Так у тяжёлых нефтей наблюдается ухудшение текучести, как после предварительного подогрева, так и при смешении с другими нефтями. Исследование же воздействия электромагнитных полей на высоковязкие нефти ограничиваются лабораторными экспериментами по обработке их ультразвуком.
Поэтому целесообразно изучить возможности воздействия на реологические характеристики товарных тяжёлых нефтей, являющимися слабо проводящими жидкостями, сверхвысокочастотных электромагнитных полей, которые обладают большей энергии по сравнению с энергией колебаний ультразвуковой частоты.
Методика реометрических исследований высоковязкой нефти, обработанной СВЧ электромагнитным полем
Затем включалась система охлаждения магнетрона и циркулятора, а также устанавливался требуемый расход воды.
Одна из приготовленных проб помещалась в центре резонатора, включался источник микроволнового излучения, и производилась регулировка выходной его мощности согласно плана эксперимента. После настройки установки СВЧ - генератор отключался, и первая проба нефти вынималась. Защитная дверца резонатора на некоторое время оставалась открытой для его проветривания. После чего в резонатор помещалась вторая проба.
Источник микроволнового излучения вторично включался, и производилась обработка образца нефти. При нагреве контролировались параметры работы системы водяного охлаждения, а также значения мощностей падающей волны. При необходимости производилась корректировка заданной величины этой мощности. Время обработки образца высоковязкой нефти измерялось секундомером.
По завершению эксперимента проба вынималась из резонатора и сразу же измерялась температура образца нефти. В протокол испытаний заносились значения падающей мощности, её продолжительность и температура образца нефти после воздействия на него СВЧ - излучения. По завершению программы эксперимента отключались электропитание СВЧ - генератора и система охлаждения установки. Подготовленная вышеописанным образом проба нефти охлаждалась до комнатной температуры. После этого переходили к следующему этапу исследований - определению её текучести. 2.2. Методика реометрических исследований высоковязкой нефти, обработанной СВЧ электромагнитным полем Общая структурная особенность неньютоновских жидкостей состоит в присутствии единиц течения, размеры которых намного превышают размеры молекул жидкости. Таким образом, вязкая жидкость рассматривается как сплошная дисперсионная среда, а любые частицы - как дисперсная фаза. Эти частицы при взаимодействии между собой образуют некие агрегаты, группировки, то есть система становится структурированной.
Если размеры агрегатов изменяются со временем при постоянной скорости сдвига, то система считается тиксотропной [29].
Предложенная В.Н. Матвеенко и Е.А. Кирсановым [36] новая концепция движения структурированных систем (суспензии, эмульсии, мицелляр-ные растворы и т.д.) стоит в диссипации энергии вязкого трения при обтекании агрегатов и отдельных частиц при условии их гидродинамического взаимодействия, возможного разрушения агрегатов за счет разрывающих сил сдвигового течения и объединения в результате столкновений частиц и агрегатов. Таким образом, авторы поддерживают представления П.А. Ребиндера о снижении вязкости в результате постепенного разрушения структуры системы при увеличении скорости сдвига.
Результатом равновесия между разрушением и восстановлением структуры является эффективная вязкость, поэтому для описания динамического состояния двухфазной дисперсии достаточно установить её зависимость от интенсивности механических воздействий на коагуляционно – тиксотропные структуры в условиях равновесного и изотропного разрушения.
Значение эффективной вязкости определяется величиной, вычисленной для данной скорости сдвига по уравнениям Ньютона.
В соответствии с принятой в настоящее время классификацией видов неньютоновского течения, исследуемые высоковязкие нефти относятся к жидкообразным телам, текущим при сколь угодно малых значениях скорости сдвига, а также у них наблюдается сдвиговое разжижение. Такие жидкости называются псевдопластичными (степенные жидкости Оствальда - де Ваале) [15, 36]. Для установления связи между структурой и вязкостью дисперсных систем применяются их экспериментальные исследования.
В настоящее время при изучении текучести неньютоновских нефтей чаще всего используются ротационные вискозиметры с измерительной системой в виде коаксиальных цилиндров, в которых жидкость помещается в зазоре между ними. Причем при проведении измерений задается скорость сдвига и определяется получаемое при этом напряжение сдвига. Такие приборы называются «реометрами с контролируемой скоростью сдвига или CR -реометры» [60]. К достоинствам ротационных вискозиметров относится то, что в них [9]: - обеспечивается высокая однородность поля напряжений, позволяющая непосредственно измерять параметры истинных кривых течения; - имеется возможность длительного деформирования тиксотропной структуры; - при исследованиях используется небольшое количество жидкости (20-50 мл). Однако в ротационных приборах можно проводить исследования в сравнительно узком диапазоне изменения скорости сдвига, так как при больших скоростях сдвига повышается температура изучаемой жидкости за счет диссипации энергии.
Конструкция ротационного вискозиметра должна предусматривать жидкостное термостатирование наружного цилиндра вискозиметра. Термо-статирующее устройство, используемое для поддержания постоянной температуры испытуемого образца нефти, должно обеспечивать устойчивое задание требуемой температуры при отклонении не более + 0,5С.
Расчет распределения температур в объёме высоковязкой нефти при воздействии микроволнового излучения
Повышение текучести исследуемой нефти в результате обработки СВЧ - излучением связано с изменениями её структурно - механических характеристик, которые определяются присутствием асфальтенов [25].
Энергетическое состояние исследуемой нефти после её микроволновой обработки может быть оценено величиной энергии активации вязкого течения этой нефтяной системы. Молекулярные механизмы вязкости были разработаны Я. И. Френкель и Г. Эйрингом.
Я. И. Френкель [52] развил кинетическую теорию жидкости, исходя из сходства жидкостей с твердыми телами. Движение атомов жидкостей подобно атомам твердого тела сводится преимущественно к колебаниям около положения равновесия. Текучесть жидкости объясняется тем, что положение равновесия для каждого атома имеет временный характер. Колебавшейся в течение некоторого времени около одного и того же положения равновесия рассматриваемый атом может перескочить в новое положение равновесия, расположенное по соседству на расстоянии того же порядка величины, что расстояние между соседними атомами.
Переход атома жидкости из одного временного положения равновесия в другое рассматривается как последовательность двух событий:
- «испарения» из исходного положения «оседлой жизни» в промежуточное, связанного с увеличением свободной энергии комплекса, состоящего из самого атома и атомов, его окружающих, на некоторую величину, называемой энергией активации; - «конденсации» из промежуточного положения в новое положение равновесия с практически мгновенным сбрасыванием избыточной кинетической энергии, в которую при этом переходит энергия активации.
В теории Г. Эйринга рассматриваются не конкретные частицы - атомы или молекулы, а некоторые эффективные элементы течения. В зависимости от характера этих элементов меняется и энергия активации [5].
Для неструктурированных жидкостей величина энергии активации вязкого течения постоянна в широком диапазоне температур. Для коллоидных систем наблюдаются резкие максимумы (минимумы), связанные с затратами энергии при структурном преобразовании в среде [25].
Таким образом, энергия активации вязкого течения рассматривается как показатель, характеризующий меру структурированности исследуемой жидкости [31, 37, 50].
Энергия активации вязкого течения тяжёлых нефтей может быть определена из уравнения Френкеля - Эйринга [16, 37]: я = А ехр ( ) (3.8) 1 \RT где - вязкость, Па с; А - постоянный для рассматриваемой среды коэффициент, зависящий от дальности скачка молекулы, частоты её колебания и температуры, Па с; Еа - энергия активации, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, R = 8,32 Дж/(моль К); Т - температура, К. Стандартным методом определения энергии активации является построение температурных зависимостей вязкости в аррениусовых координатах у = In ц и х = 1/Т и аппроксимация характерных участков графика прямыми линиями, которые описываются выражениями вида: 1пті = а+Ь-, , (3.9) где а = 1пА и Ъ = —. R Нахождения значений коэффициентов a и b уравнения (3.9) позволяет определить значения множителя A и энергии активации Ea. На рисунке 3.8 представлена обработка экспериментальных значений эффективной вязкости нефти месторождения Карамай после её облучения СВЧ – излучением в присутствии углеродного наполнителя в виде графических зависимостей ln = f (1/T).
Линейный характер этих экспериментальных зависимостей свидетельствует о правильности выбранного приближения и позволяет определить значения энергии активации вязкого течения исследуемой нефти с различным состоянием коллоидной системы в широком диапазоне температур. Адекватность математической модели оценивалось величиной достоверности R2 = 0,998.
Разработка технологических схем СВЧ электротермии товарных высоковязких нефтей
Среди технологий трубопроводного транспорта высоковязких нефтей в настоящей время наибольшее распространение получила их «горячая» перекачка, то есть транспортировка предварительно нагретой нефти [2, 15, 34].
При «горячей» перекачке тяжёлая нефть первоначально нагревается в резервуарах ГНПС до температуры, при которой возможна её откачка подпорными насосами. Затем температура потока поднимается в печах ТС и поступает на вход насосных агрегатов МН, которые закачивают разогретую жидкость в магистральный трубопровод. По мере движения по магистральному трубопроводу нефть остывает за счет теплообмена с окружающей средой, поэтому на основании теплового и гидравлического расчётов по его трассе через 25 - 100 км устанавливаются тепловые станции, которые либо совмещаются с промежуточными НПС, либо находятся отдельно от них. Для повышения температуры потока перекачиваемой высоковязкой нефти используется энергия сгоревших углеводородов в печах прямого нагрева, установленных на ТС. На КП «горячего» нефтепровода высоковязкая нефть принимается в резервуары, которые также оборудованы системами подогрева [2, 15, 34, 41].
Несмотря на широкую распространённость этой технологии снижения потерь напора на трение при движении высоковязких нефтей по трубам, ей присущи серьезные недостатки: сжигание части перекачиваемой нефти; загрязнение воздушного бассейна продуктами сгорания; невозможность использования этой технологии на подводных трубопроводах без дорогостоящей теплоизоляции; оборудование для нагрева имеет низкую энергоэффективность и надёжность.
Выполненные в диссертационной работе исследования СВЧ электротермии товарных высоковязких нефтей показали, что использование диэлектрического нагрева для повышения текучести тяжёлых нефтей позволяет отказаться от их «горячей» перекачки или же снизить температуру предварительного нагрева нефтей.
При реализации этой технологии в промышленном масштабе тяжёлая нефть может перекачиваться по магистральному трубопроводу как обычная маловязкая жидкость при изотермическом режиме. В результате улучшаются технико-экономические показатели трубопроводного транспорта высоковяз 106 ких нефтей, повышается эксплуатационная надёжность и управляемость процессом транспортировки, снижается нагрузка на окружающую среду и т. д. Рассмотрим технические аспекты внедрения разработанной СВЧ технологии подготовки товарной тяжёлой нефти к транспортировке по магистральному нефтепроводу.
Так как сверхвысокочастотным полем высоковязкая нефть обрабатывается только один раз перед закачкой нефти в магистральный трубопровод, то эту операцию нужно производить на него ГНПС. При этом возможно использовать установки как периодического, так и непрерывного действия. От выбора режима работы установки зависит как конструкция рабочей камеры, так и распределение в нём магнетронов.
Периодическую СВЧ обработку тяжёлой нефти можно проводить в ре-зервуарном парке ГНПС. Для этого требуется размещение минимум в трёх его емкостях (в первой идет обработка нефти, из второй производится откачка, а третья - в резерве) по нескольким источникам СВЧ энергии, излучающих электромагнитные волны в разные стороны и оборудованных системами водяного охлаждения из-за большой единичной мощности магнетронов. Однако создание такого рода установок периодического действия усложняет обслуживание, как магнетронов, так и выполнение необходимых работ при эксплуатации самих резервуаров. Кроме того, делается невозможным применение понтонов и плавающих крыш для сокращения потерь от испарений и тем самым увеличивается загазованность резервуарных парков и т. д. Поэтому тяжёлую нефть целесообразно обрабатывать при её движении по технологическим трубопроводам головной перекачиваемой станции, т. е. использовать установку непрерывного действия.
Установку непрерывной СВЧ электротермии нефти следует размещать на промплощадке ГНПС между подпорной и магистральной насосной станцией. В её состав должны входить рабочая камера, источник СВЧ энергии и линии передачи электромагнитного поля.
Объёмный резонатор рабочей камеры установки должен иметь цилиндрическую форму (выполняется из отрезка металлической трубы), внутри которой соосно располагается керамический трубопровод меньшего диаметра с потоком высоковязкой нефти. Выбранный материал для внутреннего трубопровода выдерживает высокие температуры и прозрачен для электромагнитного излучения. Рабочая камера установки монтируется на опорах горизонтально поверхности земли.
Рассмотрим вопрос выбора количества источников электромагнитного поля для принятой конструкции проточной части установки.
Как было показано ранее, СВЧ электротермии нестабильных высоковязких нефтей (при CII 0,9) характеризуется кратковременным воздействием электромагнитного поля (60 с) большой мощности (2 кВт). Поэтому в данном случае целесообразно применение сосредоточенного источника, электромагнитное поле которого формируется одним магнетроном большой единичной мощности. Для уменьшения длины рабочей камеры, которая зависит от скорости потока высоковязкой нефти в ней, их можно устанавливать несколько штук, соединенных параллельно.
Положительным моментом такого решения является то, что в этом случае не возникают вопросы согласования режимов работы соседних магнетронов друг с другом.
К недостаткам применения мощных магнетронов, кроме сложности создания равномерного тепловыделения по всей длине керамического трубопровода с потоком высоковязкой нефти, относятся: - их чувствительность к отраженной мощности и необходимость применения водяного охлаждения; - высокая стоимость, которая во много раз больше, чем стоимость эквивалентное количество маломощных источников СВЧ поля.