Материалы к занятиям по дисциплине «Сооружение, транспорт, хранение и сбыт нефти, нефтепродуктов и газа».

Национальный исследовательский университет Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина Материалы к занятиям по дисциплине «Сооружение, транспорт, хранение и сбыт нефти, нефтепродуктов и газа» (для групп ЭЭ-19-01, ЭЭ-19-02, ЭЭ-19-03, ВМ-19-01) Голунов Никита Николаевич, к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов e-mail: [email protected] Москва, 2020 Национальный исследовательский университет Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина Лекция 2 Голунов Никита Николаевич, к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов e-mail: [email protected] Принципиальная технологическая схема магистрального нефтепровода (МН) Магистральный нефтепровод (МН) – трубопровод (инженерное сооружение), предназначенный для транспортировки нефти из района добычи в районы ее переработки. 1 – нефтяной промысел 2 – нефтесборный пункт 3 – подводящие трубопроводы 4 – головные сооружения (резервуары, насосная станция, электростанция и пр.) 5 – камера пуска скребка 6 – линейная задвижка 7 – переход магистрального нефтепровода под железной дорогой 8 – переход магистрального нефтепровода через реку 9 – переход магистрального нефтепровода через овраг 10 – конечный пункт нефтепровода (нефтеперерабатывающий завод, морской порт, железнодорожная эстакада, резервуарный парк) 3 Различие объемов транспорта по трубе и жд труб. транспорт, млн. т (%): Нефть, млн.т.: ~ 560 Нефтепродукты, млн.т.: ~ 130 ж/д перевозки, млн. т (%) ~ 490 ~ 70 (85 ÷ 90) (10 ÷ 15) экспорт – 220 (82%) экспорт – 49 (18%) ~ 40 (30 ÷ 35) ~ 90 (65 ÷ 70) 4 Основные данные по объемам транспорта нефти и нефтепродуктов в 2019 г. 561,1 млн. т. объем добычи нефти 82,8 % глубина переработки нефти на российских НПЗ Экспорт Дальнее зарубежье – 248,5 млн.т., в т.ч.:  атлантическое направление – 175,2 млн.т. (63%)  страны юго-восточной Азии – 91,3 млн.т. (37) Ближнее зарубежье (Беларусь) – 17,6 млн.т. Изменение доли направления в экспорте, % 2011 2019 Атлантическое направление Страны юго-восточной Азии Ближнее зарубежье 70 17 13 59 34 7 Экспорт Дальнее зарубежье – 142,8 млн. т., Ближнее зарубежье (Беларусь) – 4,9 млн.т. Изменение объемов экспорта, млн.т. Бензин Дизельное топливо 2011 2015 2019 3,1 35,4 4,7 51,0 5,2 51,4 Крупнейшие страны-экспортеры, млн.т. Китай Нидерланды Германия Южная Корея Италия 70,6 46,2 18,9 15,3 14,6 Польша Финляндия Япония США 14,0 9,9 6,4 4,7 5 Основные сведения о подключении к магистральным трубопроводам объектов нефтегазового комплекса Параметр Нормативный документ Плата за выдачу ТУ Установленный тариф Нефтедобыча В ТУ указываются Плата за подключение Ведение реестра субъектов предпр. (экономической) деятельности Газ ПП РФ № 90 от 17.02.2011 «О порядке ПП РФ № 1039 от 21.12.2009 «О подключения объектов нефтедобычи к порядке подключения ПП РФ № 334 от 03.05.2001 «Об магистральным нефтепроводам в нефтеперерабатывающих заводов к обеспечении Российской Федерации и учета магистральным нефтепроводам и недискриминационного доступа субъектов предпринимательской (или) нефтепродуктопроводам и к газотранспортным системам» деятельности, осуществляющих учета нефтеперерабатывающих добычу нефти» заводов в Российской Федерации» нет ФАС России 40 ÷ 2700 руб/т руб/т.км Обязательные исходные данные НПЗ 12,1058 нет ФАС России руб/т 200 ÷ 2000 нет ФАС России руб/1000 куб.м 120,06 ÷ 1055 физико-химические характеристики нефти физико-химические характеристики нефтепродуктов компонентный состав газа объем добычи на 10 лет объем переработки на 3 года объем на весь срок поставок точка сдачи 2 ближайшие возможные точки подключения точка сдачи точка сдачи 1 точка подключения 1 точка подключения Исходя из конкретных экономически и технологически обоснованных расходов Минэнерго России Порядок подключения: 1. Заявление в компанию-оператор о выдаче ТУ от заявителя 2. Выдача компанией-оператором заявителю ТУ 3. Заключение договора на подключение к трубопроводу 4. Выполнение мероприятий по подключению к трубопроводу 6 Подготовка углеводородов к транспорту. Компаундирование Компаундирование – технология управляемого смешения нефтей разного качества (особенно в случае различного содержания серы и асфальтосмолопарафиновых веществ) Самый крупный резервуарный парк в системе «Транснефти» – станция смешения нефти на ЛПДС «Самара» 7 Марка (сорт) нефти Brent (BFOEТ) и месторождение Brent Brent (англ. Brent Crude, Brent Blend)  эталонная марка (маркерный сорт) нефти, добываемая в Северном море на месторождении Brent. Brent - легкая малосернистая нефть, плотность при 20 °C около 825 ÷ 835 кг/м³, содержание серы около 0,37 %. Начало разработки месторождения – 1976 год. Как эталонный сорт, марка «Brent» стала использоваться с 1980-х годов. Стоимость 70% всех мировых сортов нефти прямо или косвенно определяются ценами на смесь Brent Добыча осуществлялась на 4 платформах - Alpha, Bravo, Charlie, Delta. В настоящее время фактически марка нефти «Brent» с месторождения Brent не существует (по разным источникам, добыча прекращена или вот-вот прекратится). С 2002 г. агентство «Platts» осуществляет расчет стоимости исходя из смеси нескольких сортов нефти  Brent, Forties, Oseberg и Ekofisk (по сути, новая марка − «BFOE»). С 2017 добавлена нефть месторождения «Throll» (Норвегия), поэтому новая марка должна бы называться Brent, Forties, Oseberg, Ekofisk и Troll (BFOET). Новый эталонный сорт применяется при расчетах с 1 января 2018 года. Вместо Brent в котировках должна указываться марка FOET 8 Марки (сорта) нефтей и их свойства (нефть не может быть «хорошей» или «плохой») № п/п Марка нефти 1 Корчагина 2 Vitaz 3 Sokol 4 Siberian Light 5 ВСТО 6 Urals 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Варандей ARCO Тенгиз Кашаган Кумколь Azeri Light Turkmen Blend Brent Njord WTI Athabasca Heavy Hardisty Premium Albian Isthmus Maya Olmeca Компания / Страна Лукойл Сахалин-2 Сахалин-1 Роснефть, ЛУКОЙЛ, Сургутнефтегаз, Газпром нефть Роснефть, Сургутнефтегаз, Славнефть Роснефть, Башнефть, ЛУКОЙЛ, Сургутнефтегаз, Газпромнефть, Татнефть Лукойл Газпромнефть Казахстан Казахстан Казахстан Азербайджан Туркмения ЕС Норвегия США Канада Канада Канада Мексика Мексика Мексика Плотность Api кг/м3 Сера, % 43,5 41 36,7 808 820 838 0,1 0,18 0,23 36,5 842 0,57 34,8 852 0,6 31 865 1,3 25 24 48 45 40,5 35 34 38 46,6 40 14 22 35,5 33,4 21,8 37,3 904 910 788 802 822 850 855 835 794 825 973 922 847 857 922 838 2,2 2,3 0,95 1 0,2 0,15 0,3 0,37 0,05 0,24 3,8 3,4 0,04 1,25 3,33 0,84 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Бока де Харуко Варадеро Виа Бланка Junin Merey (BCF 17) Oriente Napo Peregrino Marlim Rincon Kirkuk Basra Light Западная Курна Dubai Crude Murban Iran Heavy Angajari Arabian Light Kuwait Export Qatar Marine Es Sider Syrian Light West Esh El Mallaha Bonny Light Saharan Blend Girassol Mondo Minas Куба Куба Куба Венесуэла Венесуэла Эквадор Эквадор Бразилия Бразилия Аргентина Ирак Ирак Ирак ОАЭ ОАЭ Иран Иран Сауд. Аравия Кувейт Катар Ливия Сирия Египет Нигерия Алжир Ангола Ангола Индонезия 12,9 980 8,5 1010 14,3 970 9 1007 16,5 957 24,1 910 19 940 13,4 975 19,6 938 35,8 845 36 845 30,5 873 26,2 890 30 876 40,2 824 30,2 875 36,5 842 32,8 861 30,2 875 35,8 844 37 840 37,7 836 26,3 899 33 860 45 802 29,9 877 28,8 880 35,3 848 6,97 7,4 3,4 4,5 2,53 1,51 2 1,8 0,67 0,39 2,3 2,9 1,1 2,13 0,79 1,77 1,42 1,97 2,72 1,47 0,37 0,74 2,1 0,16 0,09 0,32 0,44 0,09 9 Подготовка углеводородов к транспорту. Состав нефтей и их классификация. Перед приемкой углеводородов в транспортную систему проводится проверка их соответствия требованиям нормативных документов: - измерение объема и массы; температуры и давления; - содержание механических примесей, соли и воды; серы, парафина; - определение давления насыщенных паров; - определение плотности и вязкости. Норма для группы Наименование показателя I II III 1. Концентрация хлористых солей, мг/дм3, не более 100 300 900 2. Массовая доля воды, %, не более 0,5 0,5 1,0 3. Массовая доля механических примесей, %, не более 0,05 4. Давление насыщенных паров, кПа (мм рт. ст.), не более 66,7 (500) малосернистые (до 0,60 %) сернистые (от 0,61 до 1,80 %) высокосернистые (от 1,8 до 3,5%) особо высокосернистые (более 3,5 %) 4 класса в зависимости от массовой доли серы особо легкая (до 830 ) легкая (от 830 до 850) средняя (от 850 до 870) тяжелая (от 870 до 895) битуминозная (более 895) 5 типов в зависимости от плотности (кг/куб.м) при 20 °С Нефть 1.0.1.1 ГОСТ Р 51858-2002 класс 1 по массовой доле серы тип 0 по плотности при температуре 20 °С группа 1 по массовой доле воды, солей, хлоридов, мех. примесей и ДНП вид 1 по массовой доле сероводорода (ГОСТ 9965-76 «Нефть для нефтеперерабатывающих предприятий. Технические условия») 10 Физико-химические свойства жидкостей  Плотность  Вязкость  Текучесть  Сохранение объема (при неизменных внешних условиях)  Поверхностное натяжение (на образуемой поверхности)  Испарение и конденсация  Кипение  Смачивание  Смешиваемость  Волнообразование 11 Основные понятия в области транспорта и хранения углеводородов. Плотность и вязкость плотность   масса m жидкости или газа, содержащаяся в единице V объема m ρ V В не метрических системах используются, например:  1 унция на кубический дюйм (1 729,99 кг/м3);  1 фунт на галлон США (119,83 кг/м3);  1 фунт на кубический фут (16,02 кг/м3); вязкость  динамическая вязкость  кинематическая  сила внутреннего трения в между двумя слоями жидкости, движущимися относительно друг друга  коэффициент пропорциональности касательного напряжения между слоями жидкости и скорости сдвига слоев жидкости друг относительно друга  отношение коэффициента μ динамической вязкости к плотности ρ кг 1 Пз  0,1 мс ν μ ρ м2 1 Ст  10 с -4 1 сантиПуаз (сПз), т.е. 1/100 Пз – это динамическая вязкость пресной воды при 20ºС 1 сантиСтокс (сСт), т.е. 1/100 Стокс – это кинематическая вязкость пресной воды при 20ºС μ воды   1 сПз  0,001 кг мс 2 1 сПз -6 м ν  10 1000 с  1 фунт на кубический дюйм (27,68 кг/м3) 12 Основные понятия в области транспорта и хранения углеводородов. Зависимость плотности (а) и кинематической вязкости (б) от температуры 13 Основные понятия в области транспорта и хранения углеводородов. Плотность при изменении температуры ρt   ρ 0  1  ξ  20  t  ρ 0 – плотность при стандартных условиях (t = 20°C, P = 1 атм.) ξ – коэффициент объемного расширения. ξ   1  C 14 Основные понятия в области транспорта и хранения углеводородов. Плотность при изменении давления; давления и температуры одновременно Плотность при изменении давления определяется по формуле: ρP   ρ 0  1  β  P  P0  β или  P  P0  ρP   ρ 0  1   K   – коэффициент сжимаемости жидкости К – модуль упругости K средн  1,3  109 Па Плотность при изменении температуры и давления находится: 1 β  Па P  P0   ρt, P   ρ 0  1  ξ  20  t    K   15 Основные понятия в области транспорта и хранения углеводородов. Вязкость при изменении температуры υt   υ0  e kt t0  υ0 – коэффициент кинематической вязкости при стандартных условиях (t = 20°C, P = 1 атм.) ln υ0 υ1  – опытный коэффициент объемного расширения k  К t1  t 0 k   1 Температура в обоих уравнениях может быть в градусах как Цельсия, так и Кельвина 16 Учет нефти и нефтепродуктов. Средства измерения плотности и вязкости Поточные плотномеры Автоматическое непрерывное измерение плотности потока в реальном времени (на основе частотно-резонансного метода) Ареометры Разовое измерение плотности жидкости в отобранной пробе Принцип работы основан на резонансном методе измерений (затухание колебаний зависит от вязкости жидкости) 17 Параметры, характеризующие физические свойства нефти и нефтепродуктов Давление насыщенных паров pупр – давление паров жидкости над её поверхностью в замкнутом объёме при их термодинамическом равновесии (Па). Температура застывания Тзаст – температура, при которой жидкость теряет текучесть и остаётся неподвижной в пробирке стандартных размеров, наклонённой под углом 45 ° (°С, К). Удельная теплоёмкость сV – количество тепла, необходимое для нагрева единицы массы жидкости на 1 ° (Дж/(кг·К)). Коэффициент теплопроводности λн определяет перенос энергии от более нагретых участков неподвижной жидкости к более холодным (Вт/(м·К)). 18 Основные понятия в области транспорта и хранения углеводородов. Давление и напор Давление  физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности Единица измерения давления в системе СИ  Паскаль Жидкости и газы одинаково передают давление по всем направлениям (закон Паскаля). ДЛЯ ГАЗА: ДЛЯ ЖИДКОСТИ: Нормальное давление:  101 325 Па = 0,101325 МПа  760 мм рт. ст. 1 бар = 100 000 Па 1 техн. атм. = 98 066,5 Па 1 мм рт.ст. = 133 Па 1 мм вод.ст. = 9 807 Па 1 кгс/см2 = (1 техн.атм) 9,80665 Па 0,98067 бар 736,6 мм рт. ст. 100 000 мм вод. ст. Р = gh Падение давления в горизонтальной трубе 19 Гидравлический расчет нефтепровода. Основные понятия Установившимся (стационарным) называется движение жидкости в трубопроводе, при котором основные параметры потока (давление, скорость, расход и др.) в данном сечении трубопровода не меняются во времени. При этом те же параметры меняются по длине трубопровода. Все нефтепроводы бОльшую часть времени работают в установившемся режиме. Жидкость называется несжимаемой, если её плотность не зависит от давления (ρ = const). Реальные жидкости являются малосжимаемыми. Жидкость называется однородной, если её плотность не меняется по любому пространственному направлению. 20 Основные понятия в области транспорта и хранения углеводородов. Расход жидкости. Закон сохранения массового расхода Массовый расход − масса жидкости, проходящая через данное сечение трубопровода в единицу времени (кг/с). Объемный расход − объём жидкости, проходящий через данное сечение трубопровода в единицу времени (м3/с). Средняя скорость потока жидкости в трубопроводе − отношение объемного расхода жидкости к площади поперечного сечения трубопровода (м/с). G  Qm  Q m t V t Q Q πd υ  S 4 2 Закон сохранения массового расхода жидкости в трубопроводе G  ρ  υ  S  const ρ1  υ1  S1  ρ 2  υ2  S2 21 Учет количества транспортируемой жидкости. Расходомеры СЕГОДНЯ РАНЕЕ электромагнитный расходомер ультразвуковой расходомер объемный расходомер винтовой объемный расходомер с овальными шестернями 22 Регулирующая и предохранительная арматура на трубопроводах Регуляторы давления  устройства, служащие для автоматического поддержания давления на требуемом уровне «до себя» и «после себя». Предохранительный клапан – устройство, предотвращающее повышение давления в трубопроводе сверх установленной величины. Обратный клапан – устройство для предотвращения обратного движения среды в трубопроводе 23 Гидравлический расчет нефтепровода В случае перекачки по трубопроводу переменного диаметра, соотношение скоростей потока на участках с различными диаметрами можно определяется исходя из закона сохранения массового расхода, считая плотность постоянной: υ1  S1  υ 2  S2 тогда υ 2 S1  υ1 S2 или  d1  υ2 π  d 4      2 υ1 4 π  d2  d2  2 1 2 24 Режимы течения жидкости в трубопроводе. Опыты Рейнольдса В 1883 году английский инженер и физик Осборн Рейнольдс (1842 - 1912) экспериментально установил критическое значение безразмерного параметра, характеризующее переход от ламинарного движения к турбулентному (Re = 2300) Число Рейнольдса зависит от плотности, вязкости жидкости, скорости ее течения и диаметра трубопровода. Физический смысл числа Рейнольдса: 1. Отношение сил инерции, действующих в потоке, к силам вязкости. 2. Отношение кинетической энергии жидкости к потерям энергии на характерной длине. 25 Режимы течения жидкости в трубопроводе. Число Рейнольдса. Ламинарное и турбулентное течение жидкости Ламинарное течение (Re ≤ 2300) – слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления. υd ρ Re  μ  – скорость течения жидкости, (м/с) d – внутренний диаметр трубы, (м)  – плотность жидкости, (кг/м3) μ – коэффициент динамической вязкости (кг/мс)  – коэффициент кинематической вязкости (м2/с) Турбулентнное течение (Re ≥10 000) – хаотичное течение жидкости с постоянным перемешиванием ее частиц, пульсацией скорости и давления. Re  υd ν Исходя из числа Рейнольдса Re определяется коэффициент гидравлического сопротивления λ  величина, характеризующая потери энергии в трубопроводе 26 Режимы течения жидкости в трубопроводе. Число Рейнольдса. Ламинарное и турбулентное течение жидкости υd ρ Re  μ υd Re  ν  – скорость течения жидкости, (м/с) d – внутренний диаметр трубы, (м)  – плотность жидкости, (кг/м3) μ – коэффициент динамической вязкости (кг/мс)  – коэффициент кинематической вязкости (м2/с) Внутренний диаметр трубопровода (м): d  D  2 D – наружный (внешний) диаметр (м); δ – толщина стенки трубы (м). 27 Критерии определения толщины стенки трубопровода Сравнение толщины стенки трубопровода и брони танка Критерии определения толщины стенки трубопровода:  Несущая способность трубопровода (способность выдержать внутреннее давление)  Компенсация продольных и поперечных напряжений  «Противокоррозионный» запас на внутреннюю и внешнюю среду  Дополнительно для трубопроводов в водной среде: компенсация напора внешнего столба жидкости (способность выдержать внешнее давление воды) Танк Т-34 толщина брони – 45 мм (1941 год) – 70 мм (1944 год) Газопровод «Северный поток» Длина секции трубы – 12 м Диаметр трубы – 1153 мм Толщина стенки – до 41 мм Толщина бетонного покрытия – до 110 мм Проектное давление – до 220 атм. Танк Т-90 толщина брони – до 150 мм (лоб) – 70 мм (корпус) Газопровод «Южный поток» Длина секции трубы – 12 м Диаметр трубы – 813 мм Толщина стенки – до 39 мм Толщина бетонного покрытия – до 50 мм Проектное давление – до 284 атм. 28