Как быстрее гнать нефть по трубам?

В Национальном исследовательском университете «МЭИ» выяснили, как снизить затраты на транспортировку нефти и воды – на треть и даже больше. Однако резона экономить нет ни у нефтяников, ни у владельцев теплопроводных сетей. В первом случае все потери и так оплатит щедрое государство, во втором – неосведомлённый потребитель.Россия опутана трубами. Водопроводы растянуты на миллион километров, то есть двадцать пять раз могли бы опоясать Землю по экватору. Ещё около 360 тысяч составляют трубопроводы систем теплоснабжения. Длина газораспределительных сетей – 765 тысяч километров, из них 150 тысяч километров – доля магистральных газопроводов. Протяжённость магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов достигает 60 тысяч километров.

Транспортировать нефть непросто: её вязкость зависит от температуры. При извлечении из скважины нефть нагрета до 70–100 ^оC. В трубопроводе она постепенно остывает, становится более вязкой, и усилия на прокачку резко возрастают. Поэтому вдоль нефтепровода стоят подогревательные печи, причём топливом для них служит та же нефть. Эффективность и затратность подобной схемы оставляют желать лучшего.

– На МКАД или третьем кольце, когда в крайнем ряду происходит авария, машины перестраиваются в соседний ряд. Это грубая аналогия того процесса, который происходит при течении жидкости по трубопроводу. На поверхности трубы всегда присутствует шероховатость – сочетание выступов и впадин. При обтекании жидкостью, к примеру, выступа в этой локальной зоне формируется вихрь, мешающий течению жидкости и создающий тем самым гидравлическое сопротивление, – рассказывает Артём Рыженков, старший научный сотрудник НИУ «МЭИ», заместитель директора научного центра «Износостойкость».

Затраты энергии на перекачку жидкости определяет гидравлическое сопротивление трубопроводной системы. На него влияют длина, диаметр и качество поверхности трубы, а также свойства жидкости. Поэтому есть три способа заставить жидкость, в том числе нефть, течь быстрее.

Первый – изменить материал трубопровода. Например, вместо «шершавой» стали изготовить его из гладкого пластика. К сожалению, подобная идея не годится для нефтепроводов и систем горячего водоснабжения, особенно при температурах выше 100 ^оC. Пластик не выдерживает скачков температуры и давления, постепенно охрупчивается и разваливается.

Второй подход – изменить свойства жидкости. Ещё в середине прошлого века учёные выяснили, что гидравлические потери в трубопроводе уменьшаются в несколько раз, если в малых количествах – 0,01–0,02% массы жидкости – добавить в неё «присадки»: определённые полимерные молекулы, например полиакриламид. Молекулярная цепочка, достигающая миллиметра в длину, ориентируется по течению в потоке и гасит поперечные пульсации.

В честь первооткрывателя это явление было названо эффектом Томса. Вначале «метод присадок» нашёл применение в пожарной технике. Сейчас он используется в трубопроводном транспорте, хотя экономически не слишком выгоден: цепочки быстро разрушаются механически и химически. Кроме того, минус в том, что молекулярные добавки нужно постоянно дозировать в зависимости от объёма жидкости.

Третий подход – воздействовать на границу между жидкостью и внутренней поверхностью трубопровода. Именно по такому пути решили пойти в научном центре «Износостойкость» НИУ «МЭИ»: на поверхности трубы создаётся упорядоченный молекулярный слой поверхностно-активных веществ из класса плёнкообразующих аминов.

– Молекула плёнкообразующего амина имеет столбчатую структуру и длину около 3 нанометров, – комментирует Артём Рыженков. – Она полярная: на одном «хвосте» молекулы ярко выраженный положительный заряд, на другом – отрицательный. Большая часть трубопроводов в РФ сделана из углеродистой стали, поэтому поверхностный потенциал на внутренней стенке отрицательный. Если молекула, находящаяся в жидкости, движется рядом со стенкой, то по закону Кулона возникает электростатическое притяжение. Молекула притягивается к стенке и встаёт вертикально. Мы возводим молекулярный частокол толщиной от нескольких десятков до десятков тысяч слоёв – и режим течения жидкости по трубопроводу полностью меняется. Во-первых, пропадают вихри. Во-вторых, мягкий слой молекул гасит все поперечные пульсации. Кроме того, металл становится гидрофобным. Если пролить на него жидкость, она не растечётся плёнкой, а свернётся в каплю. А при течении вдоль гидрофобной поверхности трение жидкости снижается вплоть до проскальзывания. Ещё один плюс – защита от коррозии.

Эксперименты показывают: благодаря формированию молекулярных слоёв гидравлическое сопротивление внутри водопровода снижается до 40%, внутри нефтепровода – на треть.

Справка STRF.ru:
Проект «Определение влияния степени смачиваемости трубных поверхностей на гидравлическое сопротивление трубопроводов и разработка способа снижения затрат на транспортировку жидких углеводородов и энергоносителей» получил поддержку по федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы»

Инженеры МЭИ уже создали несколько мобильных и стационарных комплексов для формирования молекулярных слоёв в трубопроводных сетях систем теплоснабжения. Раз в неделю оператор засыпает реагент, а дальше система работает в автоматическом режиме. Возможно, в будущем её удастся контролировать через интернет.

За несколько лет удалось обработать пару тысяч теплообменных аппаратов в системах МОЭК и две районные тепловые станции на юго-западе Москвы. Их рабочий объём составляет около 2 тысяч кубометров. Экономия энергии существенная: расход газа за отопительный период упал на 10%. Сейчас продолжаются работы ещё на шести районных тепловых станциях. Другой заказчик нашёлся в Астрахани: там модифицировали внутренние поверхности котлов в двух котельных.

Но сказать, что интерес к ноу-хау зашкаливает, нельзя.

– Мы думали, нас разорвут на части, предложениями завалят, – говорит Артём. – Оказалось, в экономии никто не заинтересован. Деньги выделяют не на усовершенствования, а только на аварийный ремонт. К тому же у ТЭЦ свои хозяева, у тепловых сетей – свои. Мы переговоры ведём со всеми, но каждому по отдельности это невыгодно. Зачем сокращать потери, если в конечном итоге их всё равно оплатит потребитель? Правда, в МОЭК все три звена объединены: котельная, сеть и теплообменники в домах. Поэтому-то нам и удалось с ними договориться.

Не горят желанием сэкономить и транспортировщики углеводородов. По словам Рыженкова, в «Транснефти», где перекачивают 90% российского «чёрного золота», в плане технологий с советских пор мало что поменялось, и гидравлическое сопротивление в системе там предпочитают воспринимать как данность. На момент публикации статьи получить комментарий по данному вопросу от этой компании не удалось.

– Пока нефтяники смотрят на наши идеи со здоровым скептицизмом, – говорит Артём. – Думаю, они просто наелись предложениями последних лет, когда многочисленные конторы а-ля «Рога и копыта» пытались получить финансирование и исчезнуть. Методы предлагали совершенно фантастические…

Выходить с ноу-хау на международный рынок в МЭИ пока не планируют: переговоры шли, но не привели к конкретному результату.

Дата публикации: 28.08.2012
1632

Тэги:

Теплопроводные сети,

потребитель,

Россия,

трубопроводы

Популярное в новостях

Популярное в аналитике