Застосування гідродинамічно-активних додатків для керування напірними потоками рідин

В. В. Чернюк, канд.техн.наук, доц.

Національний університет ”Львівська політехніка”

Вступ

Гідродинамічно-активними додатками (ГДАД) істотно понижують турбулентне тертя (ТТ) в трубопровідному транспорті [1]. Послаблюючи (до п'яти разів) ТТ при течіях у циліндричних трубах, ГДАД спричинюють багатократне (до двадцяти разів) збільшення гідродинамічного опору трубок періодичного змінного перерізу (ТПЗП) [2]. Ця особливість ГДАД використана нами при розробленні низки енергозбережних засобів керування потоками рідин.

Мета роботи

Огляд розроблених нами засобів керування напірними потоками рідин уведенням у них ГДАД.

1. Гідродинамічно-активні додатки

Найефективнішими ГДАД є високомолекулярні полімери з ланцюжковою будовою молекул, такі як поліоксіетилен (ПОЕ) і поліакриламід (ПАА), а також міцелотвірні поверхнево-активні речовини (МПАР). Полімери, оскільки піддаються деструкції, доцільно використовувати в розімкнених гідравлічних системах. Оптимальна масова концентрація ПОЕ для зниження ТТ при течіях води становить 3·10-⁵ кг/кг, те ж ПАА - 10-⁴ кг/кг.

2. Подача капсул з ГДАД на вибивання свердловини [3]

У системах нафто- і газодобування ГДАД слід уводити на вибивання свердловин. Їх гранулюють або поміщають у капсули, які подаються дозатором в затрубний простір. На розрахунковій глибині капсули руйнуються під дією тиску чи температури, а їх вміст розчиняється.

На ділянці 0-1 (рис.1) [3] капсула, падаючи в газовому середовищі, прискорюється від швидкості V₀ =0 до V₁.

Далі, на ділянці 1-2 її рух рівномірний. Увійшовши в точці 2 у рідину, капсула на ділянці 2-3 гальмується до швидкості V₂, з якою рівномірно опускається до точки 4, де на неї набігає зустрічний потік продукту свердловини. При швидкості потоку, дорівнює V₂, капсула зависне в точці 5. На капсулу, що падає, діють такі сили (рис. 1в): ваги ; архімедова ; опору , де - густина капсули з ГДАД; - густина середовища, в якому падає капсула, для газу =, для рідини =; g - прискорення вільного падіння; - об`єм капсули; - коефіцієнт лобового опору капсули; - міделева площа; - швидкість падіння капсули.

Застосувавши другий закон І.Ньютона до капсули, що падає (рис.1в), ми отримали диференціальне рівняння першого порядку з подільними змінними

, (1)

де ; .

Результатом розв'язку рівняння (1) є вирази для обчислення таких кінематичних характеристик: довжина ділянок 0-1 прискорення і 2-3 гальмування капсули відповідно:

,

, (2)

де ; V₁ - швидкість рівномірного падіння капсули, яка досягається в точці 1; V₂ - те ж в точці 3. Для капсули, що має форму кулі,

, , (3)

де - час розгону капсули до швидкості V₁; - час її гальмування від V₁ до V₂:

; . (4)

Діаметр капсули, який необхідний для того, щоб вона зависла в набіжному на неї зі швидкістю продукті свердловини:

. (5)

3. Пристрій для визначення концентрацій ГДАД в розчині [4]

Робота пристрою ґрунтується на функціональній залежності гідравлічного опору ТПЗП від концентрації С ГДАД в рідині. За даними течій розчинів ГДАД відомих концентрацій С будуються тарувальні залежності , де - втрати тиску на мірній ділянці ТПЗП. При течіях розчинів невідомих концентрацій визначають за показами дифманометра перепади тиску і за тарувальною залежністю знаходять відповідне значення концентрації С ГДАД.

4. Пристрій для регулювання концентрації ГДАД в трубопроводі

Пристрій призначений для дозування ГДАД в рідини, що циркулюють в замкнених трубопровідних системах. При тривалій циркуляції розчинів частина ГДАД зазнає деструкції та деградації і втрачає свою гідродинамічну активність. У зв'язку з тим виникає необхідність поповнювати потік ГДАД при ощадливій їх витраті.

Роль давача концентрації ГДАД і дозатора їх подачі в трубопровідний потік надана ТПЗП. Витрата додатків при цьому прямо залежить від витрати рідини Q, що протікає в трубопроводі 1, і обернено залежить від концентрації С в потоці тієї частини додатків, що не зазнали деструкції та деградації.

5. Стабілізація витрати рідини в трубопроводі [6]

Стабілізація за розробленим нами способом полягає у змінюванні гідравлічного опору трубопроводу додатками, що їх уводять у потік рідини в кількості, залежній від робочого напору на трубопроводі.

За нашими експериментальними даними, для турбулентних течій водних розчинів ПАА з концентраціями С = 10-⁷ - 10-⁵ кг/кг коефіцієнт Дарсі для труб малих діаметрів з великим ступенем точності змінюється залежно від С за лінійним законом

, (6)

де - гідравлічний коефіцієнт тертя для рідини з ГДАД; - те ж без додатків; - коефіцієнт пропорційності.

Доведено також [6], що для стабілізації витрати рідини Q в трубопроводі, при змінному напорі Н на його вході концентрація С ГДАД у потоці повинна лінійно залежати від напору:

, (7)

де ; діаметр трубопроводу; його довжина; коефіцієнт Коріоліса; сума коефіцієнтів місцевих опорів.

Необхідна подача маточного розчину ГДАД у потік рідини в трубопроводі [6]:

, (8)

де масова концентрація маточного розчину ГДАД.

Виявлено [6], що коли висота подавального резервуара (Z_А-Z_В) є меншою від початкового напору (H₁=Z_A-Z_Г) на трубопроводі (рис.4), то стабілізація витрати рідини в ньому додатками матиме місце до повного спорожнення резервуара.

6. Перерозподіл витрат рідини [7, 8]

Перерозподіл витрат рідини за розробленим методом може застосовуватися у технологічних процесах, в яких рідина з однієї місткості перетікає трубопроводами у декілька інших посудин, коли періодично необхідно змінювати подачі всіх трубопроводів одночасно, при цьому одні збільшувати, а інші зменшувати з подальшим поверненням їх до вихідних чи проміжних значень. На кожному з трубопроводів 3-5 (рис.5) встановлюють ділянку паралельно з'єднаних циліндричних трубок 6 або те ж - ТПЗП 7. Діаметри трубопроводів D_i підбирають настільки більшими від d_i, щоб весь наявний напір Н_і витрачався на подолання гідравлічного опору ділянки паралельно з'єднаних циліндричних трубок 6 або ТПЗП 7.

При протіканні рідини без ГДАД співвідношення витрат для пари трубопроводів , один з яких містить ділянку паралельних циліндричних (Ц) трубок , а інший - ділянку паралельних ТПЗП , таке:

, (9)

; (10)

n_ц , n_ТПЗП - відповідно кількість паралельних циліндричних трубок та ТПЗП; d_ц , d_ТПЗП - діаметри цих трубок; їх довжини; Н_ц=Н₁, Н_ТПЗП=Н₂ - напори на трубопроводах. За наявності ГДАД у потоці співвідношення витрат для цієї пари трубопроводів зміниться:

, (11)

або

. (12)

За відсутності ГДАД у потоці f = (ГДАД; C; Rе; d) = 1.

Висновки

Винайдені нами засоби керування потоками рідини уведенням в них ГДАД є ресурсо- та енергоощадними. Подача ГДАД в капсулах на вибивання свердловини здійснюється під дією сил тяжіння , а їх розчинення у потоці рідини не потребує мішалок [3]. Концентрацію ГДАД у потоці визначають за гідравлічним опором ТПЗП без використання хімреактивів і складного устаткування [4]. Регулювання концентрації ГДАД у циркуляційному потоці досягається за рахунок енергії потоку [5]. Стабілізація витрати рідини при змінному напорі в трубопроводі [6] та регулювання розподілу рідини між декількома трубопроводами [7,8] забезпечується силами гравітації без залучення додаткових джерел енергії та доцільне з точки зору виключення використання різних видів енергії в одній системі, а також має переваги при застосуванні на об'єктах з відносно високими температурами і у вибухонебезпечних умовах. Таке керування потоками рідин, нескладне в реалізації , порівняно недороге і, на наш погляд, є кроком до використання ГДАД в системах гідроавтоматики.

Summary

Список літератури

1. Белоусов Ю.П. Противотурбулентные присадки для углеводородных жидкостей. - Новосибирск: Наука, 1986. - 145 с.

2. Калашников В.Н. Течение растворов полимеров по трубкам с переменным сечением.- М.,1980 (Препринт/ Ин-т проблем механики АН СССР: №164).- 50 с.

3. Шнерх С.С., Чернюк В.В. Подача гранулированного реагента на забой скважины // Известия вузов Нефть и газ. - 1984. - № 4. - С.43-46.

4. А.с. 1681200 СССР, М.кл.³ G 05 N 15/00. Устройство для определения концентрации гидродинамически активных добавок в растворе / В.В. Чернюк, Р.М. Гнатив (СССР).-№4694737/25; Заявлено 19.05.89; Опубл.30.09.91, Бюл. №36 // Открытия. Изобретения.- 1991. - №36. - С.182.

5. А.с. 1120293 СССР, М.кл.³ G 05 D 11/02. Устройство для регулирования концентрации добавок, снижающих турбулентное трение в трубопроводе / В.В. Чернюк (СССР). - №3591086/18-24; Заявлено 11.05.83; Опубл. 23.10.84. Бюл. №39 // Открытия. Изобретения. - 1984. - №39. - С.135.

6. Патент №21829А Україна. М.кл.⁵ G 05 D 7/00. Спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі та регулятор витрати / В.В. Чернюк, В.М. Жук (Україна) №96073053; Заявлено 30.07.96; Опубл. 30.04.98, Бюл. №2. - 5 с.

7. Декларац. пат.47167А Україна, МПК G 05D 7/00, F 17D 1/00. Спосіб перерозподілу витрат плинного середовища/ В.В. Чернюк, В.М. Жук, В.І. Орел (Україна); Нац. ун-т “Львівська політехніка”. - №2001085746; Заявлено 14.08.01; Опубл.17.06.02, Бюл.№6. - 2 с.

8. Чернюк В.В. Керування напірними потоками рідин уведенням гідродинамічно-активних додатків // Вибрации в технике и технологиях. - 2003.-№ 2(28). - С.99-104.