автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование центробежных форсунок для аэрозольного ингибирования газопроводов

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И Г АЗА им. И.М. ГУБКИНА

На правах рукописи

МУЛЕНКО ВЛАДИМИР ВАЛЕНТИНОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ФОРСУНОК ДЛЯ АЭРОЗОЛЬНОГО ИНГИБИРОВАНИЯ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2005

Работа выполнена на кафедре «Машины и оборудование нефтяной и I а юной промышленности» Российского государственного университета неф-|и и 1ша им. И.М. Губкина.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Ходырев А.И.

доктор технических наук, профессор Дроздов А.Н.

кандидат технических наук Киченко В. В.

ООО «ВНИИГАЗ»

Защита состоится « 2006 г. в 4^часов на заседании диссер-

тационного совета Д 212.200.07 Российского государственного университета нефчи и газа им. И.М. Губкина по адресу: 119991, г. Москва, ГСГ1-1, Ленинский просмск!, 65

С диссертацией можно ознакомился в библиотеке Российскою государе! веи-но1 о университета нефти и та им. И.М. Губкина

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенной гербовой нечашо подписями просим направлять по адресу: 1 \Q9tfl, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65. Российский государственный университет нефаи и 1аза им. И.М. Губкина, Ученый совет.

Автореферат разослан «ДЗ » декабря 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

О.С. Гинчбур!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Значительная часть добываемого в стране нефтяного и природного газа является агрессивной средой из-за наличия в нем примесей сероводорода, углекислого газа, кислорода, паров воды и требует при транспортировке проведения мероприятий по защите промысловых газопроводов от общей коррозии и сульфидного растрескивания, чтобы предотвратить повреждения основных фондов и связанные с этим аварии, свести к минимуму затраты на ремонт, а также исключить возможное загрязнение окружающей среды. Одним из самых перспективных методов борьбы с коррозией является аэрозольное ингибирование.

Эффективность применения ингибирования, надежность ингибиторной защиты напрямую зависит от параметров распиливающего устройства, в качестве которого в большинстве случаев целесообразно использовать центробежную форсунку. Аэрозольный способ пока не нашел широкого применения в промышленности в связи с тем, что для его реализации невозможно применять серийно выпускаемые форсунки, предназначенные для различных двигателей, аппаратов химической технологии и других объектов промышленности, так как они не обеспечивают требуемой тонкости распыливания относительно вязкой жидкости. Существующие методы расчета форсунок и результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученных применительно к различным объектам промышленности, не удовлетворяют требованиям проектирования и эксплуатации форсунок для аэрозольного ингибирования, так как не учитывают особенностей условий их работы в газопроводе. Требования к тонкости распыла при аэрозольном ингибировании газопроводов столь высоки, что, как правило, выходят за рамки исследований большинства авторов.

В связи с этим актуальной является задача исследования процессов, происходящих в рабочей камере центробежной форсунки и в прифорсуночной зоне газопровода, разработки конструкций и методов расчета центробежных форсунок для аэрозольного ингибирования газопроводов.

Цель работы; создание центробежных форсунок для аэрозольного ингибирования газопроводов, характеризующихся тонким распылом ингибиторного раствора и

методов расчета, необходимых для их эффективного применения.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Пггея%рг Г « 09 Щ *язО Л

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель истечения реальной жидкости из распылителя центробежной форсунки;

- разработать математическую модель формирования и развития факела центробежной форсунки;

- теоретически и экспериментально исследовать процессы, происходящие при распиливании жидкости центробежными форсунками в газопроводе;

- исследовать влияние конструктивных факторов, свойств жидкости и давления газовой среды на параметры двухфазного потока в прифорсуночной зоне газопровода;

- на основании анализа результатов математического моделирования, экспериментальных исследований и промышленных испытаний разработать практические рекомендации по применению центробежных форсунок для аэрозольного ингибирования газопроводов.

Методы исследования: для решения поставленных задач применялись методы математического моделирования, оптимизации и экспериментального исследования. Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель истечения реальной жидкости из распылителя центробежной форсунки с учетом конструктивных параметров распылителя, свойств жидкости;

- разработана математическая модель формирования факела центробежной форсунки с учетом аэродинамического дробления первоначальных капель в прикорневой зоне и его развития в газопроводе с учетом динамического испарения капель;

- исследованы зависимости основных характеристик распыливания жидкостей центробежными форсунками в газопроводе от размеров отдельных элементов распылителя, шероховатости поверхности его рабочей камеры, вязкости жидкости, режима впрыска и параметров газа в газопроводе;

- впервые получены экспериментальные данные по характеристикам факела распыла растворов ингибиторов коррозии в широком диапазоне температуры впрыскиваемой жидкости, перепада давления на форсунке и давления окружающего газа.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные математические модели истечения жидкости из распылителя центробежной форсунки,

формирования и развития факела в газопроводе, реализованные в виде компьютерной программы расчета в среде Delphi, а также результаты проведенных экспериментальных исследований и промышленных испытаний обеспечивают возможность проектирования систем впрыска для аэрозольного ингибирования газопроводов, обеспечивающих их защиту от внутренней коррозии. В настоящее время все газопроводы неочищенного газа Оренбургского ГКМ оборудованы системами аэрозольного ингибирования, включающими форсунки ФХ-11Б.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях «Повышение эффективности поисков, разведки и освоения нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений» (Ставрополь, 198S г.), «Противокоррозионная защита нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов» (Уфа, 1985 г.), всесоюзном совещании «Проблемы защиты от коррозии нефтегазопромыслового оборудования» (Смоленск, 1991 г.), научно - технических конференциях «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 1994,1997,2001,2003 гг.), III Международном конгрессе «Защита-98» (Москва, 1998 г.), научно-технических конференциях «Нефтегазовое образование и наука: итоги, состояние и перспективы» (Москва, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, получено 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы. Работа изложена на 198 листах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 21 таблицу и 102 наименования списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проанализированы способы ингибиторной защиты от коррозии 1азопроводов неочищенного газа.

Отмечается, что для обеспечения безаварийной эксплуатации и увеличения срока службы оборудования и трубопроводов, контактирующих с агрессивной средой, необходимо применять эффективную ингибиторную защиту.

В результате проведенного анализа работ по проблеме защиты от внутренней

коррозии газопроводов, транспортирующих агрессивный сероводородсодержащий газ, установлено, что в ряде случаев целесообразно применять аэрозольный метод нанесения ингибиторной пленки, который заключается в формировании довольно тонкой жидкой пленки ингибитора или его раствора в результате постепенного осаждения на внутреннюю поверхность газопровода мелких капель ингибитора, впрыскиваемого в поток газа. Преимущество этого способа заключается в том, что без изменения режима транспорта газа можно ингибировать газопроводы с поворотами, отводами, переходами одного диаметра трубы на другой.

На основании анализа экспериментальных и промысловых исследований J1 Е Кригмана, Н В Оболенцева, Е Ю. Скорняковой и др. было сформулировано основное требование к аэрозольным установкам: создавать спектр капель со средним диаметром не более 5... 10 мкм, в условиях перепада температур минус 30°С... 30°С, большого разброса по вязкости 1... 25 мПас, высокого давления в газопроводе (12 МПа и более). В связи с чем должны использоваться форсунки с малыми размерами сопла и других каналов, и, следовательно, малой производительности. Тогда необходимый расход жидкости может быть достигнут за счет увеличения количества распылителей.

В главе дается краткий анализ основных технических решений, позволяющих реализовать аэрозольный способ ингибирования. Среди рассмотренного класса устройств отмечается наибольшая эффективность применения систем впрыска с использованием центробежных форсунок, вводимых в газопровод. Приводятся причины, сдерживающие внедрение аэрозольного способа ингибирования.

Представлен обзор работ, посвященных теории центробежных форсунок. Основной явилась теория Г.Н. Абрамовича для идеальной жидкости. Дальнейшее усовершенствование метода расчета центробежных форсунок шло по пути учета вязкости и трения о стенки, этому были посвящены труды В.А. Бородина, B.C. Галусгова, Л В. Кулагина, М.Я. Морошкина, Д.Г. Пажи, A.M. Прахова, Ю.И. Хавкина.

Теория Г Н. Абрамовича, которая использовалась при расчете центробежных форсунок в существующих методиках по аэрозольному ингибированию газопроводов, с достаточной степенью точности описывает течение маловязких жидкостей в крупных форсунках, когда потерями энергии в распылителе можно пренебречь. В

случае впрыска реальных жидкостей, к которым относится ингибиторный раствор, такое допущение является грубым, особенно принимая во внимание небольшие проходные каналы распылителей, применяемых для реализации аэрозольного ингибиро-вания газопроводов.

Помимо решения задачи создания форсунки с определенным спектром распы-ливания, требуют своего решения и вопросы, связанные с геометрией факела: в газопроводах какого диаметра можно использовать форсунку, как ориентировать ее в потоке, нужно ли размещать ее в центре потока и т. д. Исследованием процессов, происходящих в факеле центробежных форсунок занимались B.C. Гапустов, Ю.Г. Звез-дин, Д.Г. Пажи, Б.В. Раушенбах, H.H. Симаков, Э.Г. Синайский, К.П. Смидович и др.

Однако анализ показал, что влияние отдельных элементов распылителя форсунки, состояние поверхности ее рабочей камеры и других факторов на распыливание жидкости не изучалось. Методики расчета движения капель в факеле форсунки основаны на допущении постоянства их размеров, прямолинейности линий тока и неизменной скорости газовой среды в прифорсуночной зоне, отсутствии вторичного дробления капель. Задача моделирования движения полидисперсных частиц в потоке газа с учетом межфазного обмена массой, импульсом и энергией, определения пространственно-временной эволюции функции распределения капель по размерам применительно к условиям аэрозольного ингибирования газопроводов пока не решена. На основе анализа рассмотренных работ сформулированы задачи работы.

Во второй главе рассмотрены процессы, происходящие при впрыске жидкости в газопровод. При этом выделены три относительно самостоятельные задачи.

Первая задача - описание течения жидкости в распылителе центробежной форсунки. В результате определяется объемный расход жидкости при заданном перепаде давления на форсунке, распределение поля скоростей пленки жидкости на срезе сопла при разных конструктивных параметрах рабочей камеры форсунки, чистоте обработки ее поверхностей и физических свойствах впрыскиваемой жидкости;

Вторая задача - формирование первоначального спектра капель в зоне, непосредственно примыкающей к соплу форсунки в результате распада тонкой пелены жидкости. Исходными данными для расчета являются распределение поля скоростей пленки жидкости на срезе сопла, полученное при решении первой задачи, а также фи-

зические характеристики жидкости и газа. В процессе решения этой задачи определяются длина зоны формирования капель и размеры капель с учетом аэродинамического дробления;

Третья задача - описание развития газожидкостного факела в процессе дальнейшего движения сформировавшихся капель с учетом динамического тепломассообмена. Исходными данными для нее являются результаты решения второй задачи с учетом граничных условий взаимодействия факела с окружающим газом, которому передается часть энергии капель, и возможности уменьшения объемного содержания капель, вызванного выпадением периферийных капель на стенки трубопровода за счет сил инерции. Результатами расчета этой задачи являются: расстояние до возникновения начального стационарного спектра, характеризуемого равномерным распределением капель по объему газа, и характеристики дисперсной фазы этого спектра

При формировании основных уравнений математической модели для первой задачи течения жидкости в распылителе центробежной форсунки использовались работы Ю.И. Хавкина. Для расчета полной скорости пелены жидкости на выходе из сопла область течения внутри рабочей камеры распылителя разбивалась на 3 зоны (см. рис. 1): зона I - R„ >r^R,, (R„ = R„ - 2 гм), зона II - R, г Тг 1,зона III - l г? г f..

I

Рис. 1. Схема течения жидкости внутри распылителя. Для описания процесса движения жидкости в рабочей камере центробежной форсунки составлена система из 9 безразмерных уравнений, предполагающая совместное решение для входных каналов, камеры закручивания и сопла. При составлении

системы принимались следующие допущения: в модели рассматривается стационарный режим течения несжимаемой однородной жидкости; на одном и том же радиусе составляющие полной скорости жидкости имеют одинаковое значение по длине камеры закручивания. Вдали от оси сопла (зоны I и II) изменение окружных скоростей на разных радиусах подчиняется закону сохранения момента количества движения, вблизи оси (зона III) имеет место квазитвердое вращение жидкости (уравнение 4).

Система включает: уравнение неразрывности (I); радиального равновесия закрученного потока для камеры закручивания (2), сопла (3); сохранения момента количества движения для камеры закручивания (4), сопла (S); закона сохранения энергии в форме уравнения Бернулли для сопла с учетом потерь давления (6). Уравнения (7) и (8) показывают потери момента в камере закручивания и в сопле форсунки в результате трения. В выходном сечении форсунки уравнения (5), (8) и (9) показывают: (5) - долю закручивания потока на стенке соплового канала; (8) и (9) - полные потери крутящего момента и давления в результате трения. Для каждой из зон получены осевая и окружная составляющие полной скорости, потери давления и потери момента количества движения. Исходными данными для модели являются избыточное давление жидкости и ее физические свойства, размеры отверстий в распылителе. Q = ".x f.\ vlx 4-fc2.)v2c =2 f L Vr; (I)

Fuk =C1 -fr.2 )• (2)

Рцс =СГ(1-гД ); (3)

= V,k -гк> = С,; (4)

V~'=V£=4tw=C2; <5>

Pc = PUc +V/C (6)

М„ = 1-ДМтрь; (7)

Mc=l-AMTpt; (8)

P, = 1 - ДРтр ; (9)

где nix- число входных каналов; V„- скорость во входных каналах; V„VilVl(, - радиальная, осевая и тангенциальная (окружная) составляющие скорости; г,х, гс - радиус

сопла и входного канала; , гс> - радиус воздушного вихря в камере закручивания и в выходном сечении сопла; <р - коэффициент заполнения сопла; Рцк, Р„с - центробежное давление в камере закручивания и у стенки сопла; ЛРВХ - перепад давления на форсунке; Мс- поток момента импульса движения в выходном сечении сопла; ДРф, ЛМ,Р- потери давления и момента импульса движения; О - расход жидкости; у - угол наклона входных каналов к плоскости, нормальной к оси сопла.

При переходе к безразмерному виду размерные величины разделили таким образом: Я, г - на радиус сопла гс; Р-на перепад давления на форсунке ДРВХ; V - на

полную теоретическую скорость истечения жидкости v„ = 2 АР"Х ; Q - на макси* Рм

мально возможный расход через сопло форсунки Q0 = к-г} V0; М - на входной момент импульса движения в камере закручивания Мн = R.x рж Q V,x cosy.

Ниже представлены результирующие выражения, полученные в результате решения системы уравнений (1-9) и проведения преобразований. Расход жидкости через сопло форсунки:

Qc=2 jV2c = -V»J. (10)

Ccw

Окружная и осевая составляющие скорости жидкости в сопле: V - Мс • V„ • Ни - г,

(И) (12)

(13)

Полная скорость течения жидкости на срезе сопла:

Полные потери момента количества движения из-за трения в форсунке: Мтр -Яз • V.3« I, •[]« +с3 .(кв - R.H-lR.-l) с,. (14)

Полные потери давления из-за трения в форсунке:

\2

ЛР„

Re., " d„

25.2 Re.

--1

Jq [л' Cj cosr)+

+ Д2 С,-cosy-Mi

Ш

(15)

Момент количества движения в выходном сечении сопла: М£ = , _ -[(с4 + 2?сЙС4 + 5 -(С4 ♦ 5)1- (16)

Коэффициент заполнения сопла форсунки: <ре = 1 - гД . (17)

Толщина пелены жидкости в сопле: е = гс • (1 - (18)

где с, = п + —— ; С4 = Рс ■ УГ? -\-<рс\ Л,Х,Л,,Л2,Л}- коэффициенты гидравличе-^ 81(1 ¡3 )

ского сопротивления, определяемые для отдельных внутренних поверхностей распылителя по формуле А.Д. Альтшуля.

Решив уравнение (16) численным методом относительно (рс, определяется радиус воздушного вихря гС| в выходном сечении сопла.

Во второй задаче для численного решения системы уравнений развития газожидкостного факела потребовалось сформулировать необходимые начальные условия. Для этого были получены зависимости для определения параметров распределений центробежных форсунок для дальнейшего анализа. Впервые были выведены зависимости для определения начальной концентрации капель, учитывающие изменение спектра капель за счет аэродинамического дробления. Выдвинуты предложения об использовании распределения Треша - Гоповкова и формулы Головкова для расчета максимального диаметра в спектре распыла центробежной форсунки.

При разработке третьей задачи - математической модели гидродинамики газожидкостного потока были сформулированы основные допущения. Необходимость учета явления тепломассообмена была вызвана наличием в ингибиторном растворе легко испаряемого растворителя, например метанола. В результате испарения растворителя капли должны уменьшаться в размерах, что, в свою очередь, должно приводить к уменьшению габаритов факела. Приведем основные уравнения математической модели.

Расчетные уравнения для приращения аксиальной и радиальной компонент скорости жидкости:

«»У.,

(1х

V -V

*Г| ГГ|

где ф. = — • С,, • ---; С,. - коэффициент сопротивления жидкой частицы в газе.

4 Р» у»х.

Изменение радиуса кольцевого слоя:

Цх V,

(21)

Изменение площади выделенного в полости факела элемента:

ах I. ' ах 11 ах ; '

Изменение размеров капель в результате испарения:

(23)

ах РруЖх1

где Д, - коэффициент массоотдачи; р?,рщ ,рН[ - соответственно плотность растворителя, плотность паров в факеле, плотность насыщенного пара у поверхности капли; уП| - текущая объемная доля растворителя в капле.

Уменьшение расхода жидкости в ¡-м кольцевом элементе, выделенном в полости факела, в результате испарения метанола: — = 3 ** (а.). (24)

ах а, ах

Приращение объемной доли газовой фазы:

ах

1 аБ, 1

ак

1 <ц,

в, ах УЖх1 ах ц, ах Приращения расхода газа:

(25)

ай, = а*

(V -V + -V

ГГХ1 + 1 *'Х1/ ч' ¿х +\*Гх| + 1 ¿х

+ ах + $ ах + ах ) *

(26)

где рпГ1 - плотность парогазовой смеси в ¡-м элементе; Дв - приток газа в ¡-1-й элемент.

Уравнение аксиальной компоненты скорости газа:

йх ~ Гх' [о, ах е, йх в, ёх />пг, Ах ) 1 '

Уравнение притока инжектированного газа в выделенный элемент:

(28)

адв, =<ю, | «1де,_, (1х ах ах

Уравнение радиальной компоненты скорости газа: 1

ах й,

(у -V + -V

ауж

ах 1 г*,+| Жх" ах ™ ах

ч.

(29)

Приращение сил давления в ¡-м слое:

ДР, -2я-И, ( пт

(30)

Приведенная выше система дифференциальных уравнений была дополнена замыкающими алгебраическими уравнениями, позволяющими рассчитать коэффициенты массоотдачи и теплоотдачи в газовой фазе, теплоемкости жидкости и газа, теплоту парообразования. Были определены начальные и граничные условия.

Р третьей главе с помощью разработанных моделей исследовались процессы распыливания вязкой испаряющей жидкости и формирование факела аэрозоля в газопроводе.

Гидравлический коэффициент сопротивления оказывает решающее влияние на величину потерь в распылителе форсунки, он в основном зависит от числа Рейнольд-са. При проектировании форсунки нужно подбирать размеры распылителя так, чтобы одновременно добиваться, с одной стороны, минимального значения коэффициента расхода форсунки и потерь энергии, максимального диаметра капель и толщины пленки жидкости в сопле, с другой - максимального значения относительного момента или эквивалентной геометрической характеристики, что будет соответствовать наилучшему качеству распыливания данной форсунки и минимальным потерям в ней. Кривые изменения толщины пленки жидкости в сопле и коэффициента потерь энергии в распылителе при увеличении радиуса сопла для трех значений вязкости жидкости 1, 10 и 20 мПа с представлены на рис. 2.

Для оценки влияния на показатели работы форсунки диаметра сопла были проведены расчеты для пяти геометрически подобных распылителей, имеющих одинако-

вые: безразмерную геометрическую характеристику, угол входа в сопло, шероховатость внутренних поверхностей, длину сопла и входных каналов.

Установлено, что основным критерием сравнения распылителей с разным диаметром сопла должен являться максимальный диаметр капель или толщина пелены жидкое! и на срезе сопла форсунки, а не только коэффициент расхода и прикорневой угол факела. Расчеты показали, что открьпая форсунка, когда радиус сопла примерно равен плечу закручивания, имеет лучшие показатели распиливания только для жидкостей с относительно большой вязкостью (более 10 мПа-с). С уменьшением вязкости возрастание радиуса сопла приводит к ухудшению качества распиливания и росту толщины пелены жидкости и, следовательно, росту максимального

0.2 0 3 04 05 06 0,7 08 09 10 11

Рис 2 Зависимость АЕ и с от диаметра сопла (Р=5 МПа, Аф=5.33,0-60'. Сс-20 мм)

О,, мм

р. л/час 46

диаметра капель, который в случае аэрозольного ингибирования является основным показателем. На рис. 3 представлены кривые изменения расхода и максимального диаметра капель ог диаметра сопла. Видно, что для реальной жидкости монотонному уменьшению диаметра сопла уже не всегда соответствует монотонное убывание размеров капель. Наблюдается явление «вязкостного барьера», когда потери энергии и форсунке, толщина пелены жидкости и размеры капель с уменьшением диаметра сопла сначала

86 2 -- (Л=20 иПа'с) 43 э

--- 76 6

66.6

О— . „ / <3 (л-10 мПа'с) (4=10 ыПг'с) ЯГ

__¡у-—о 46,7

36,6 з о зе.7 ^ (ц=| мПа'с)

11 6 <3(т|=1 мПа'с)

9.3

0,2 0,3 0.4 09 0,6 0.7 0.8 0.9 1,0 1.1

Ос, мм

Рис 3 Зависимость С! и от диаметра сопла (Р=5 МПа, А,=5,33, |$=60\ 0С=20 мм)

убывают, а потом начинают возрастать после прохождения точки с dc =0,4-0,5 мм.

Изменение угла входа в сопло влияет следующим образом: уменьшение угла от 180° к 90° несущественно сказывается на результатах, дальнейшее уменьшение угла значительно ухудшает качество распыливания. Это влияние растет одновременно с ростом вязкости рабочей жидкости и шероховатости поверхности камеры закручивания.

Результаты расчетов распылителей малой производительности с учетом реальности жидкости сильно отличаются от результатов, полученных по теории Г.Н. Абрамовича, согласно которой более высокое значение геометрической характеристики форсунки однозначно определяет более высокое качество распыливания жидкости. Для реальной жидкости при росте геометрической характеристики форсунки зависимость для эквивалентной геометрической характеристики носит экстремальный характер и ограничена своим максимальным значением.

При исследовании с помощью модели газожидкостного факела анализировались траектории движения капель и распределение поля скоростей в факеле форсунки С учетом простоты математической модели движения одиночной капли и большой сложности модели газожидкостного факела был проведен сравнительный анализ

этих моделей и выявлены их отличия и области применения. На рис. 4 представлены кривые, рассчитанные по двум методикам: для газожидкостного факела в целом и при движении одиночной капли. Из рис. 4 видно, что чем крупнее капля, тем более удалена от оси сопла ее траектория, то есть в факеле форсунки происходит сепарация капель по размерам. С увеличением размера капель происходит примерно пропорциональное возрастание максимального удаления капель от оси форсунки. Траектория движения капли, размер которой равен

----траектории одиночных капель

Рис 4. Траектории капель.

максимальному диаметру в спектре распыла, будет показывать границу всего факела форсунки. Видно, что траектории одиночных капель (пунктирные линии), имеют меньший радиус и располагаются ближе к оси. В сечении факела осевые составляющие скорости капель быстро затухают от максимального значения на границе факела, приближаясь к скорости газа в приосевой области. Осевая скорость газа имеет максимальное значение вблизи оси факела, уменьшаясь в направлении периферии. Это объясняется эффектом эжекции газа из внешней области в полость факела. При удалении от сопла форсунки осевые скорости капель и газа быстро затухают, уменьшаясь более чем вдвое уже на расстоянии 50 мм (см. рис. 5) и приближаясь к скорости несущего потока газа на расстоянии 100 мм. Относительные скорости капель достигают максимальных значений вблизи сопла и определяются перепадом давления на форсунке.

Из приведенных графиков следует, что траектории, рассчитанные по методике движения одиночной капли и методике газожидкостного факела, показывают минимальные расхождения только вблизи границы факела В этой области радиус факела при расчете одиночной капли меньше на 8 % для перепада 2 МПа и на 13 % для перепада 6 МПа. При приближении к оси форсунки расхождение превышает 100 %.

Расчеты показали, что увеличе- | гя,

ние перепада давления на форсунке приводит к сужению факела из-за

У.Шс

ИР о.1 а2 из <н ое о/ ол о» <е Рис. 5. Поле распределения скоростей газа.

уменьшения размеров капель, что более существенно влияет на габариты факела, чем рост относительной скорости капель. Увеличение плотности окружающего форсунку газа также приводит к сужению факела, особенно в интервале значений от атмосферного давления до величины 4 МПа. Так, повышение абсолютного давления газа в 40 раз приводит к уменьшению радиуса факела на 30...40%. Дальнейшее повышение плотности газа ведет к незначительным изменениям. Распределение поля скоростей

жидкости и газа в факеле при давлении газа, равном 4 МПа, аналогично распределению скоростей при атмосферном давлении. Отличие состоит в том, что скорости капель быстрее затухают на периферии факела и медленнее в середине потока, что приводит к незначительным различиям в определении границы факела по двум рассматриваемым выше методикам при плотности газа 1 МПа и выше, а внутри факела отличия сохраняются. Вдоль оси факела составляющие скорости жидкости и газа затухают медленнее в более плотной среде, то есть «дальнобойность» факела увеличивается, хотя и незначительно.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям, в которых исследовались процессы распыливания различных жидкостей (воды, керосина, ингибиторов коррозии и их растворов) центробежными форсунками при атмосферном давлении и при давлении до 4 МПа.

Задачами экспериментальных исследований были: оценка влияния на форму и размеры факела центробежной форсунки ее геометрических параметров; оценка погрешности расчета расхода и корневого угла факела по методам, изложенным для идеальной жидкости и для реальной, при распыливании маловязкой жидкости; оценка обоснованности принятых допущений при составлении математических моделей истечения жидкости из распылителя и формирования и развития факела форсунки; определение границ применимости разработанных моделей истечения по вязкости жидкости и перепаду давления на форсунке. Объектами исследований служили различные форсунки специально разработанные и изготовленные при участии автора. В главе приведено описание нескольких стендов, разработанных для решения поставленных задач:

- для тарировки (исследования распылителей) форсунок;

- для исследования форсунок при разной температуре впрыскиваемой жидкости;

- для исследования влияния режима впрыска и плотности газовой среды на выпадение капель в пленку на участке вблизи форсунки.

В эксперименте исследовалась специально изготовленная центробежная форсунка с одним распылителем с соплом диаметром 0,4 мм. Такие распылители (по 3 штуки) входят в состав форсунки типа ФХ-11, применяемой в комплексе оборудования для аэрозольного ингибирования газопроводов КАИ-63/200.

Результаты испытаний с чистыми ингибиторами ИКТ-1 и ИКИПГ и с их 50% растворами в этаноле при температурах от минус 30°С до 30°С и перепаде давления на форсунке 5 МПа приведены в таблице.

Температура, °С Объемный расход ингибитора, я/мин

ИТК - 1 (чистый) ИТК - I (50%-й раствор) ИКИПГ (50%-й раствор)

0 0,309 0,285 0,324

-20 0,348 - -

-10 нет распыла 0,297 0,282

Некоторые результаты испытаний распылителя форсунки ФХ-11 и теоретические кривые изменения расхода воды в воздухе от перепада давления при грубой обработке внутренних поверхностей (Д=40 мкм) приведены на рис.6, а осаждения жидкости от перепада давления при шлифовке поверхностей (Д=5 мкм) - на рис.7. /

0 2 4 6 в 10

| -о-идеалмоя -О—Бцюдин -О-АЭТСР А >СП»римеиТ |

Рис. 6. Зависимость расхода от Рис. 7. Влияние перепада давления на

перепада давления осаждение при разном давлении газа

Экспериментальные точки, приведенные на рис. 6 получены при тарировке форсунки ФХ-11, на рис.7 приведены данные, полученные на стенде при изучении влияния плотности газа. Из представленных данных видно, что с увеличением перепада давления на форсунке доля жидкости, осевшей на поверхности трубы с внутренним диаметром 75 мм уменьшается с 87,5% до 56,3%. Увеличение давления газа в распиливающей камере с 0,1 МПа до 4,0 МПа (то есть в 40 раз) при одинаковом перепаде давления на форсунке (4 МПа) приводит к уменьшению доли осевшей жидкости примерно в 2 раза.

А ММ* МСМД форСуМШ,

• ркхед ядоосп оссвиай на стеиа црн Р, »0 |МПа ■ рйсжод шмякаете осмшА м С1СЖС ф* Рг • 4 МЛ*

Эксперимент показал, что имеется удовлетворительное совпадение результатов математического моделирования работы центробежной форсунки с опытными данными в широком диапазоне изменения физико-химических свойств жидкости и газа, перепада давления на форсунке.

В пятой главе представлены результаты опытно-промышленных испытаний аэрозольного ингибирования газопроводов с применением разработанных форсунок на Карачаганакском и Оренбургском нефтегазоконденсатных месторождениях.

Одним из объектов, где применялись разрабатываемые форсунки, явилась сеть внутрилромысловых газопроводов неочищенного газа «Лира» Карачаганакского НГКМ, связывающая УКПГ-16 с пятью подземными хранилищами газа и конденсата. Эти газопроводы диаметрами 100-200 мм со множеством поворотов и переходов с одного диаметра на другой находятся под воздействием сероводорода, и здесь для ин-гибиторной защиты можно реализовать только аэрозольный способ.

Поскольку практика защиты подобных газопроводов аэрозольным способом отсутствует, основными вопросами при рассмотрении возможности аэрозольного ингибирования данной сети являлись следующие:

- будет ли эффективно распылен ингибитор коррозии в трубопроводе малого диаметра или капли быстро осядут на поверхность трубы вблизи форсунки (то есть произойдет инерционное осаждение);

- можно ли получить достаточно тонкодисперсный аэрозоль, капли которого способны транспортироваться на расстояние более 10 км по внутрипромысловому газопроводу переменного диаметра с поворотами и со сложным профилем трассы;

- будет ли обеспечена устойчивая работа форсунки при впрыске высококонцентрированного ингибитора коррозии.

На все эти вопросы получены положительные ответы при проведении опытно-промышленных испытаний разработанного оборудования и последующей опытно-промышленной эксплуатации. Для осуществления аэрозольного способа ингибирования описанной системы газопроводов при участии автора разработано форсуночное устройство оригинальной конструкции КАИ-63/200.02 с форсункой ФХ-11, которое защищено патентом.

Объект «Лира» состоит из двух ниток: 1) газопровода газа выветривания, со-

стоящего из трех участков труб диаметрами 114, 219 и 168 мм. Длина первого участка составляет 100 м, второго - 7300 м, третьего - 2000 м, а общая длина газопровода находящегося под давлением 1,6 МПа составляет 9,4 км; 2) газопровода газа вытеснения аналогичной конструкции, но находящегося под давлением 13 МПа.

Проведенные испытания показали эффективность применения предложенной конструкции форсунки для ингибирования внутренней поверхности внутрипромы-слового газопровода. На основании положительных результатов испытаний на предприятии «Карачаганакгазпром» производилась опытно-промышленная эксплуатация системы аэрозольного ингибирования в течение трех лет. За это время не произошло ни одного отказа разработанного устройства.

Промышленные исследования эффективности применения устройства типа КАИ-63/200.02 для ингибирования газопроводов большого диаметра (Ду 700 и выше) были проведены с участием автора на газопроводе УКПГ-7 - ДКС-1 Оренбургского ГПУ. Форсуночное устройство размещалось на отводе Ду 50, имевшемся на наземном выходном коллекторе УКПГ за пунктом замера газа.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о возможности инги-би горной зашиты газопровода большого диаметра данной форсункой, при этом дли сокращения времени ингибирования и более рационального использования мощности имеющегося насоса целесообразно увеличить количество распылителей в форсунке до шести или восьми штук. Последующие испытания форсунки ФХ-11Б с 6 распылителями с диаметром сопла 0,4 мм, проведенные на газопроводе от ДКС-1 до Оренбургского ГПЗ под руководством А.И. Ходырева, показали, что с помощью данной форсунки можно проводить аэрозольное ингибирование газопроводов неочищенного газа Ду 700 протяженностью 20...25 км с одной точки впрыска. В настоящее время все газопроводы неочищенного газа Оренбургского ГКМ оборудованы системами аэрозольного ингибирования, включающими форсунки ФХ-11 Б.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании разработанной математической модели истечения реальной жидкости из распылителя центробежной форсунки с учетом конструктивных параметров распылителя и свойств жидкости выявлено, что увеличение вязкости жидкости при фиксированном перепаде давления на форсунке приводит к росту ее производитель-

ности и к ухудшению качества распыла. Причем влияние вязкости проявляется в разной мере в зависимости от абсолютных размеров рабочей камеры распылителя, соотношения размеров отдельных его элементов, шероховатости поверхности каналов, перепада давления на форсунке. Установлено, что влияние вязкости на параметры истечения жидкости проявляется в большей степени для меньшей шероховатости поверхности камеры закручивания, при меньших размерах распылителя и при меньшем перепаде давления на форсунке.

2. Разработанная математическая модель формирования факела центробежной форсунки с учетом аэродинамического дробления первоначальных капель в прикорневой зоне и его развития в газопроводе с учетом динамического испарения капель показывает, что:

- в условиях, при которых чаще всего происходит аэрозольное ингибирование, может происходить вторичное дробление капель;

- увеличение перепада давления на форсунке приводит к сужению факела в связи с тем, что в результате роста перепада давления уменьшаются размеры капель, имеющие более существенно влияние на габариты факела, чем рост относительной скорости капель. Увеличение плотности окружающего форсунку газа также приводит к сужению размеров сечения факела, особенно в интервале значений от атмосферного давления до величины 4 МПа. Так, повышение абсолютного давления газа в 40 раз приводит к уменьшению радиуса факела на 30...40%.

3. Получены экспериментальные данные по характеристикам распыла растворов ингибиторов коррозии в широком диапазоне температуры впрыскиваемой жидкости, перепада давления на форсунке и давления окружающего газа.

4. На основании сравнения экспериментальных данных по осаждению капель в прифорсуночной зоне с результатами численных расчетов показано, что использование в математической модели распределения Треша - Головкова и формулы Головко-ва для расчета максимального диаметра капель наиболее точно отражает реальный спектр распыла при работе центробежной форсунки;

5. В результате проведенных опытно-промышленных испытаний аэрозольной технологии периодического ингибирования газопроводов с помощью разработанного при непосредственном участии автора комплекса оборудования КАИ-63/200.02 с

форсункой ФХ-11 показано, что для сети внутрипромысловых газопроводов малого диаметра (100...200 мм) можно получить аэрозоль необходимой дисперсности, способный транспортироваться на расстояние более 10 км по внутрипромысловому газопроводу переменного диаметра с поворотами и со сложным профилем трассы, при этом обеспечивается устойчивая работа форсунки при впрыске даже высококонцентрированного раствора ингибитора коррозии.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ходырев А.И., Муленко В.В., Скорнякова Е.Ю. Некоторые особенности аэрозольного ингибирования трубопроводов нефтяных и газовых промыслов // Тез. докл. НТК «Повышение эффективности поисков, разведки и освоения нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений» Ставрополь, 1986. С. 104.

2 Ходырев А И , Муленко В.В., Скорнякова Е.Ю. Аэрозольное ингибирование гру-бопроводов и компрессорных станций, перекачивающих сероводородсодержащий газ // Тез. докл. НТК «Противокоррозионная защита нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов». Уфа, 1985. С. 94—95.

3 Зайцев Ю.В , Ходырев А И., Скорнякова Е.Ю., Муленко В В Методика расчета процесса аэрозольного нанесения ингибиторной пленки на внутреннюю поверхность газопровода. М., 1988. Деп. во ВНИИЭгазпроме. № 1111-гз88.

4. Скорнякова Е.Ю., Ходырев А.И., Муленко В.В. Промысловые исследования по защите трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащий газ, методом аэрозольного ингибирования // Экс.-инф Сер.: Транспорт и подземное хранение газа. М.: ВНИИЭгазпром, 1988. №4. С. 9—11.

5. A.c. № 1629108 [СССР]. МКИ В05В 17/00. Устройство для аэрозольного ингибирования газопроводов/ Зайцев Ю.В., Ходырев А.И., Муленко В.В. Опубл. в БИ. 1991. № 7.

6. Ходырев А.И., Муленко В.В. Разработка эффективного оборудования для аэрозольного ингибирования газопроводов // Тез. докл всесоюзного совещания «Проблемы зашиты ог коррозии нефтегазопромыслового оборудования» Смоленск, 1991. С 20—22

7. A.c. № 1683819 [СССР]. МКИ В 05 В 17/00. Устройство для ввода диспершро-ванного ингибитора коррозии в газопровод/ Ходырев А.И., Зайцев Ю В., Муленко В.В. Опубл. в БИ. 1991. № 38.

8. Муленко В В Стенд для исследования факела форсунки при впрыске жидкости в газопровод // Тез. докл. всесоюзной конференции «Проблемы развития нефтегазового комплекса страны». Красный Курган, 1991. С. 108.

9. Ходырев А.И., Муленко В.В. Вопросы повышения эффективности установок для аэрозольного ингибирования газопровода // Сб. науч. трудов ГАНГ им. И.М. Губкина № 237 «Расчет и прогнозирование работоспособности нефтегазового оборудования». М.: Нефть и газ, 1992. С. 83—91.

10. Ходырев А.И., Муленко В.В. Комплекс оборудования для аэрозольного ингибирования газопроводов КАИ-63/200 // Газовая промышленность. 1994. № 2. С. 12—14.

11. Ходырев А.И., Муленко В.В. Разработка оборудования для ингибирования газопроводов аэрозольным способом И Тез. докл. НТК «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». М.: Нефть и газ, 1994. С. 212.

12. Ходырев А И , Муленко В.В. Аэрозольное нанесение ингибиторной пленки в газопроводах малого диаметра // Газовая промышленность. 1995. № 11. С. 18—19.

13. Патент РФ № 2068304. МПК 6 В 05 В 9/03. Устройство для впрыска жидкости в сжагый газ/ Ходырев А.И., Зайцев Ю.В., Муленко В.В. Опубл. в Б.И. 1996. № 30.

14. Ходырев А.И., Муленко В.В. Сравнение методов расчета центробежных форсунок, предназначенных для впрыска ингибитора коррозии // Тез. докл. 2-й НТК «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». М.: Нефть и газ, 1997. С. 72—73.

15 Ходырев А.И , Муленко В.В. Математическое моделирование нанесения ингибиторной пленки при аэрозольном ингибировании газопроводов // Тез. докл. III Международного конгресса «Защита-98». М.: Нефть и газ, 1998. С. 48.

16. Муленко В.В., Ходырев A.A. Анализ расчетов истечения реальной жидкости из центробежных форсунок // Тез. докл. 4-й НТК «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». М.: РГУ нефти и газа, 2001. С. 39.

17. Ходырев А.И., Муленко В.В. Математическая модель движения капель в факеле центробежной форсунки // Тез. докл. 5-й НТК «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». М.: РГУ нефти и газа, 2003. С. 7.

Подписано в печать Формат 60x90/16

Объем Тираж 100

Заказ 1035"

119991, Москва, Ленинский просп. ,65 Отдел оперативной полиграфии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

г i

jlOOGA ИЬЭ

- 139

Условные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АЭРОЗОЛЬНОЙ ИНГИБИТОР НОЙ ЗАЩИТЫ ГАЗОПРОВОДОВ И ФОРСУНОК ДЛЯ РАСПЫЛИВАНИЯ ЖИДКОСТИ.

1.1. Способы ингибиторной защиты от коррозии газопроводов неочищенного газа.

1.2. Анализ технических решений и исследований по аэрозольной ингибиторной защите газопроводов.

1.3. Исследования распыливания жидкостей центробежными форсунками.

1.3.1. Методы расчета истечения жидкости из распылителя центробежных форсунок. .Л.

1.3.2. Методы расчета спектра капель на выходе центробежной форсунки.

1.3.3. Методы расчета формирования и развития факела центробежной форсунки.

1.4. Выводы обзора. Задачи исследования.

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ФОРСУНКИ В ГАЗОПРОВОДЕ.

2.1. Математическая модель течения реальной жидкости в распылителе центробежной форсунки.

2.1.1. Схема течения жидкости в распылителе.5П

2.1.2. Определение потерь момента количества движения.

2.1.3. Суммарные потери давления в центробежных форсунках.

2.1.4. Определение радиуса воздушного вихря.

2.1.5. Коэффициент потерь энергии в распылителе форсунки.

2.2. Сравнение результатов расчета центробежных форсунок различными методами по производительности и прикорневому углу факела

2.3. Исследование параметров распределения капель при впрыске.

2.3.1. Обоснование выбора закона распределения капель по размерам

2.3.2. Аэродинамическое дробление капель.

2.4. Математическая модель течения двухфазного потока в свободном факеле распыла с учетом тепломассообмена.

2.4.1. Схема расчета. Основные допущения.

2.4.2. Формирование факела на начальном участке.

2.4.3. Уравнения движения капель.

2.4.4. Уравнения испарения капель.

2.4.5. Уравнения прогрева капель.

2.4.6. Уравнения сохранения расхода, импульса движения и энергии двухфазной смеси.

2.4.7. Замыкающие уравнения.

2.4.8. Начальные и граничные условия для математической модели

2.5. Математическая модель течения двухфазного потока в свободном факеле распыла без учета тепломассообмена.

2.6. Выводы по результатам второй главы.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ РАСПЫЛИВАНИЯ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ

И ФОРМИРОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО

ПОТОКА В ГАЗОПРОВОДЕ.

3.1. Исследование влияния конструктивных параметров распылителя и свойств жидкости на параметры истечения.

3.1.1. Влияние параметров, определяющих геометрическую характеристику форсунки.

3.1.2. Влияние длины входных каналов, длины сопла, длины камеры закручивания, угла конуса на входе в сопло.

3.1.3. Влияние вязкости жидкости.

3.2. Анализ результатов математического моделирования формирования и движения двухфазного потока в газопроводе.

3.2.1. Анализ движения капель жидкости в факеле центробежной форсунки при отсутствии массообмена.

3.2.2. Анализ влияния режима впрыска ингибиторного раствора и транспорта газа на формирование аэрозоля в прифорсуночной зоне.

3.3. Разработка нового устройства по итогам численного эксперимента.

3.4. Выводы по результатам численного эксперимента.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПЫЛИВАНИЯ ЖИДКОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ФОРСУНКОЙ.

4.1. Цели и задачи экспериментальных исследований.

4.2. Описание экспериментальных стендов.v.

4.2.1. Стенд для тарировки форсунок.149 •

4.2.2. Стенд для исследования форсунок при различной температуре впрыскивающей жидкости.

4.2.3. Стенд для впрыска жидкости в плотную газовую среду.

4.3. Выводы по результатам экспериментальных исследований.

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ФОРСУНОК ПРИ АЭРОЗОЛЬНОМ ИНГИБИРОВАНИИ ПРОМЫСЛОВЫХ ГАЗОПРОВОДОВ КАРАЧАГАНАКСКОГО И ОРЕНБУРГСКОГО НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

5.1. Описание объекта промысловых испытаний.

5.1.1. Форсуночное устройство для впрыска ингибитора во внутрипромысловый газопровод малого диаметра.

5.1.2. Методика проведения и результаты испытаний на газопроводах малого диаметра.

5.2. Промышленные испытания форсунок для аэрозольного инги-бирования соединительных газопроводов большого диаметра.

5.2.1. Описание объекта промышленных испытаний.

5.2.2. Применение форсунки на подземном участке газопровода.

5.2.3. Применение форсунок на открытых участках газопровода.

5.3. Выводы по результатам промысловых исследований.

Значительная часть добываемого в стране нефтяного и природного газа является агрессивной средой из-за наличия в ней примесей сероводорода, углекислого газа, кислорода, паров воды и требует при транспортировке проведения мероприятий по защите промысловых газопроводов от общей коррозии и сульфидного растрескивания, чтобы предотвратить повреждения основных фондов и связанные с этим аварии, свести к минимуму затраты на ремонт, а также исключить возможное загрязнение окружающей среды. Наиболее остро эта проблема стоит на Оренбургском, Карачаганакском, Астраханском газокон-денсатных месторождениях, содержащих большое количество сероводорода и углекислого газа, малосернистых месторождениях Средней Азии.

Ингибиторная защита является одним из самых простых и эффективных методов борьбы с коррозией и заключается в создании на внутренней поверхности газопровода тонкого слоя из молекул ингибитора, способного экранировать металл от воздействия агрессивной среды [21, 24, 31]. Применение ингибиторов коррозии предусматривается в проектах и реализуется на всех месторождениях, в газе которых содержатся агрессивные компоненты.

Одним из перспективных методов защиты ингибированием является аэрозольный [92], заключающийся в вводе ингибиторного раствора в газопровод в распыленном виде, для того чтобы его мелкие капли двигались вместе с газом и постепенно оседали на поверхности трубы, образуя защитную пленку.

Эффективность применения ингибиторной защиты аэрозольным способом напрямую зависит от параметров распиливающего устройства, в качестве которого в большинстве случаев целесообразно использовать центробежную форсунку. Аэрозольный способ пока не нашел широкого применения в промышленности в связи с тем, что для его реализации невозможно применять серийно выпускаемые форсунки, предназначенные для различных двигателей, аппаратов химической технологии и других объектов промышленности, так как они не обеспечивают требуемой тонкости распыливания относительно вязкой и жидкости.

Существующие методы расчета форсунок и результаты теоретических п экспериментальных исследований, полученных применительно к различным объектам промышленности, не удовлетворяют требованиям проектирования и эксплуатации форсунок для аэрозольной ингибиторной защиты, так как не учитывают особенностей условий их работы в газопроводе. Требования к тонкости распыла для аэрозольной защиты газопроводов столь высоки, что, как правило, выходят за рамки исследований большинства авторов.

В связи с этим актуальной является задача исследования процессов, происходящих в рабочей камере центробежной форсунки и в прифорсуночной зоне газопровода, разработки конструкций и методов расчета центробежных форсунок для аэрозольной ингибиторной защиты газопроводов.

Цель работы: создание центробежных форсунок для аэрозольной ингибиторной защиты газопроводов, характеризующихся тонким распылом иигиби-торного раствора и методов расчета, необходимых для их эффективного применения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель истечения реальной жидкости из распылителя центробежной форсунки;

- разработать математическую модель формирования и развития факела центробежной форсунки;

- теоретически и экспериментально исследовать процессы, происходящие при распыливании жидкости центробежными форсунками в газопроводе;

- исследовать влияние конструктивных факторов, свойств жидкости и давления газовой среды на параметры двухфазного потока в прифорсуночной зоне газопровода;

- на основании анализа результатов математического моделирования, экспериментальных исследований и промышленных испытаний разработать практические рекомендации по применению центробежных форсунок для аэрозольной ингибиторной защиты газопроводов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель истечения реальной жидкости из распылителя центробежной форсунки с учетом конструктивных параметров распылителя, свойств жидкости;

- разработана математическая модель формирования факела центробежной форсунки с учетом аэродинамического дробления первоначальных капель в прикорневой зоне и его развития в газопроводе с учетом дина*мического испарения капель;

- исследованы зависимости основных характеристик распыливания жидкостей центробежными форсунками в газопроводе от размеров отдельных элемен го;$ распылителя, шероховатости поверхности его рабочей камеры, вязкости жидкости, режима впрыска и параметров газа в газопроводе;

- впервые получены экспериментальные данные по характеристикам факела распыла растворов ингибиторов коррозии в широком диапазоне температуры впрыскиваемой жидкости, перепада давления на форсунке и давления окружающего газа.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные математические модели истечения жидкости из распылителя центробежной форсунки, формирования и развития факела в газопроводе, реализованные в виде компьютерной программы расчета в среде Delphi, а также результаты проведенных экспериментальных исследований и промышленных испытаний обеспечивают возможность проектирования систем впрыска для аэрозольного ингибирования газопроводов, обеспечивающих их защиту от внутренней коррозии. В настоящее время все газопроводы неочищенного газа Оренбургского ГКМ оборудованы системами аэрозольной ингибиторной защиты, включающими форсунки ФХ-11Б.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях «Повышение эффективности поисков, разведки и освоения нефтяных, газовых и газоконденсатных. месторождений» (Ставрополь, 1985 г.), «Противокоррозионная защита нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов» (Уфа, 1985 г.), всесоюзном совещании «Проблемы защиты от коррозии нефтегазопромыслового оборудования» (Смоленск, 1991 г.), научно - технических конференциях «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 1994, 1997, 2001, 2003 гг.), HI Международном конгрессе «Защита-98» (Москва, 1998 г.), научно-технических конференциях «Нефтегазовое образование и наука: итоги, состояние и перспективы» (Москва, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, получено 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глар, основных выводов, списка литературы. Работа выполнена в объеме 198 стр. машинописного текста, содержит введение, пять глав, основные выводы, 22 таблицы, 56 рисунков. Список литературы включает 102 наименования.

Основные выводы

1. На основании разработанной математической модели истечения реальной жидкости из распылителя центробежной форсунки с учетом конструктивных параметров распылителя и свойств жидкости выявлено, что увеличение вязкости жидкости при фиксированном перепаде давления на форсунке приводит к росту ее производительности и к ухудшению качества распыла. Причем влияние вязкости проявляется в разной мере в зависимости от абсолютных размеров рабочей камеры распылителя, соотношения размеров отдельных его элементов, шероховатости поверхности каналов, перепада давления на форсунке. Установлено, что влияние вязкости на параметры истечения жидкости проявляется в большей степени для меньшей шероховатости поверхности камеры закручивания при меньших размерах распылителя и при меньше.! перепаде давления на форсунке.

2. Разработанная математическая модель формирования факела центробежной форсунки с учетом аэродинамического дробления первоначальных капель в прикорневой зоне и его развития в газопроводе с учетом динамического испарения капель показывает, что:

- в условиях, при которых чаще всего происходит аэрозольное ингибирова-ние, может происходить вторичное дробление капель;

- увеличение перепада давления на форсунке приводит к сужению факела в связи с тем, что в результате роста перепада давления уменьшаются размеры капель, имеющие более существенное влияние на габариты факела, чем рост относительной скорости капель. Увеличение плотности окружающего форсунку газа также приводит к сужению размеров сечения факела, особенно в интервале значений от атмосферного давления до величины 4 МПа. Так, повышение абсолютного давления газа в 40 раз приводит к уменьшению радиуса факела на 30. .40%.

3. Получены экспериментальные данные по характеристикам распыла растворов ингибиторов коррозии в широком диапазоне температуры впрыскиваемой жидкости, перепада давления на форсунке и давления окружающего газа.

4. На основании сравнения экспериментальных данных по осаждению капель в прифорсуночной зоне с результатами численных расчетов показано, что использование в математической модели распределения Треша - Голов-кова и формулы Головкова для расчета максимального диаметра капель наиболее точно отражает реальный спектр распыла при работе центробежной форсунки.

5. В результате проведенных опытно-промышленных испытаний аэрозольной технологии периодического ингибирования газопроводов с помощью разработанного при непосредственном участии автора комплекса оборудования КАИ-63/200.02 с форсункой ФХ-11 показано, что для сети внутрипромы-словых газопроводов малого диаметра (100.200 мм) можно получить аэрозоль необходимой дисперсности, способный транспортироваться на расстояние более 10 км по внутрипромысловому газопроводу переменного диаметра с поворотами и со сложным профилем трассы, при этом обеспечивается устойчивая работа форсунки при впрыске даже высококонцеитрированного раствора ингибитора коррозии.

1. Абрамович Г.Н. Теория центробежной форсунки // Промышленная аэродинамика. М.: БИТ ЦАГИ, 1944. С. 84—88.

2. А. с. № 1629108. МКИ В05В 17/00. Устройство для аэрозольного ингибирования газопровода / Зайцев Ю.В., Ходырев А.И., Муленко В.В. Опубл. в БИ. 1991. №7.

3. А. с. № 1431856, МКИ В05В 17/00. Устройство для аэрозольного ингибирования газопроводов. / Зайцев Ю.В., Ходырев А.И., Муленко В.В. Опубл. в БИ. 1987. №8.

4. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М.: Недра, 1982.

5. Баранаев М.К., Теняков В.И. Размер капель центробежной форсунки в широком диапазоне свойств диспергируемой жидкости //Известия АН СССР. 1970. №З.С. 155.

6. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982.

7. Берже Н. Развитие методов эксплуатации газового промысла Лак // Транспорт кислого газа. 1972. С. 605—616.

8. Блох А.Г, Кичкина Е.С. Распыливание жидкого топлива механическими форсунками центробежного типа. //Вопросы аэродинамики и теплопередачи в ко-тельно-топочных процессах. М.: Госэнергоиздат. 1958.

9. Борисов А.А., Гельфанд Б.Е. и др. О режимах дробления капель и критериях их существования // Инж-физ. журн. 1981. Т. 40. № 1. С-64-70.

10. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. М.: Химия, 1966.

11. Бытев Д.О. Основы теории и методы расчета оборудования для переработки гетерогенных систем в дисперсно-пленочном состоянии: Дисс. докт. техн. наук. Ярославль: ЯрПИ, 1995.

12. Бытев Д.О. Полидисперсное распыливание вязких жидкостей // Гидродинамика, тепло- и массообмен в зернистых средах. Моделирование гидродинамики, тепло- n массообмепа в аппаратах с активными режимами. Иванов. 1985. С. 110—118.

13. Витман А.А., Кацнельсон Б.Д., Палеев Н.Н. Распыливание жидкости форсунками. M.-JL: Госэнергоиздат, 1962.

14. Волынский М.С. Изучение дробления капель в газовом потоке // ДАН СССР. Т. XVIII. 1949. №2.

15. Волынский М.С., Липатов А.С. Деформация и дробление капель в потоке газа // Инж-физ. журн. 1970. Т. XVIII. № 5.

16. Вырубов Д.Н. Процессы смесеобразования. // Камеры сгорания авиационных газотурбинных двигателей / Под ред. Б.П. Лебедева. М., 1957. С. 155—177.

17. Галустов B.C. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике. М.: Энергоатомиздат, 1989.

18. Головков Л.Г. Распределение капель по размерам при распыливании жидкостей центробежными форсунками // Инж-физ. журн. 1964. № 11. С. 55—61.

19. Гольдштик М.А. К теории эффекта Ранка (закрученный поток газа в вихревой камере) // Известия АН СССР. Механика и машиностроение. 1963. № 1. С. 132-137.

20. Гоник А.А., Кригман Л.Е., Гетманский М.Д. Оптимальные способы защиты трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащий нефтяной газ // Обзорная информация. Сер.: Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М., 1985. Вып. 8.

21. Гоник А.А., Рождественский Ю.Г., Гетманский М.Д. Коррозия и защита сооружений и оборудования для сбора и транспорта нефтяного газа // Обзор ВНИИОЭНГ. 1978.

22. Гонор А.Л., Золотова Н.В. Распад капли в потоке газа // Газодинамика неравновесных процессов. Новосибирск: Ин-т теорет. и прикл. механики СО АН СССР, 1981. С. 41-45.

23. Гриценко А.И., Клапчук О.В., Шаталов А.Т. Расчет процесса ингибирования шлейфовых газопроводов // Газовая промышленность. 1979. № 6. С. 39—42.

24. Гуреев А.А., Камфер Г.М. Испаряемость топлив для поршневых двигателей. М.: Химия, 1982.

25. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиз-дат, 1988.

26. Зайцев Ю.В., Шаталов А.Г. Влияние характера газожидкостного потока на эффективность ингибиторной защиты // Газовая промышленность. 1978. № 2. С. 17—19.

27. Защита газопроводов нефтяных промыслов от сероводородной коррозии / Э.М. Гутман, М.Д. Гетманский, О.В. Клапчук, Л.Е. Кригман. М.: Недра, 1988.

28. Исследование внутренней коррозии трубопроводов для перекачки сероводо-родсодержащего нефтяного газа / А.А. Гоник, М.Д. Гетманский, Л.Л. Яскин и др. // РНТС ВНИИОЭНГ. Сер.: Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. 1979. №7. С. 5—8.

29. К выбору уравнения для расчета коэффициента сопротивления в моделях динамики дисперсных систем / B.C. Галустов, Е.Г. Безрукова, JT.C. Аксельрод. ЯПИ. Деп. в ОНИИТЭХИМ. 1980. № 551 ХИ-Д80.

30. Киченко Б.В. О негативных моментах в применении ингибиторов коррозии и других химических веществ на объектах нефтяной и газовой промышленности // НТИС ВНИИОЭНГ. Сер.: Защита от коррозии и охрана окружающей среды. 1992. №6. С. 1—9.

31. Киченко С.Б. Повышение эффективности противокоррозионной защиты и контроля коррозионного состояния трубопроводов, транспортирующих серово-дородсодержащие углеводороды: Дисс. канд. техн. наук. М.: Оренбургский государственный университет, 2002.

32. Клапчук О.В., Емин Н.Д. Сбор и транспорт газа от месторождений до перерабатывающих заводов // Научн.-техн. обзор. Сер.: Подготовка и переработка газя и газового конденсата. М.: ВНИИЭгазпром, 1978.

33. Крошилин А.Е., Кухаренко В.Н., Нигматулин Б.Н. Осаждение частиц на стенку канала в градиентном турбулентном дисперсном потоке // Известия АН СССР. МХГ. 1985. №4. С. 57—63.

34. Кулагин Л.В., Морошкин М.Я. Форсунки для распыливания тяжелых топлив. М.: Машиностроение, 1973.

35. Лыков М.В., Леончик В.И. Распылительные сушилки. М.: Машиностроение, 1966.

36. Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Клапчук О.В. Движение газожидкостных смесей в трубах. М.: Недра, 1978.

37. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука, 1981.

38. Методика расчета процесса аэрозольного нанесения ингибиторной пленки на внутреннюю поверхность газопровода / Ю.В. Зайцев, А.И. Ходырев, ЕЛО. Скор-някова, В.В. Муленко. М., 1988.

39. Муленко В.В. Стенд для исследования факела форсунки при впрыске жидкости в газопровод // Тезисы докладов Всесоюзной конференции «Проблемы развития нефтегазового комплекса страны». Красный Курган, 1991. С. 108.

40. Муленко В.В., Ходырев А.А. Анализ расчетов истечения реальной жидкости из центробежных форсунок // Тезисы докладов 4-й НТК «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». М.: РГУ нефти и газа, 2001. С. 39.

41. Оболенцев Н.В. Исследование области существования кольцевой структуры течения газожидкостного потока при ингибировании газопроводов неочищенного газа // Повышение надежности газотранспортных систем: Сб. науч. тр. ВНИИГа-за. М., 1979. С. 104—115.

42. Оболенцев Н.В. Технологические аспекты ингибиторной защиты трубопроводов большого диаметра, транспортирующих неочищенный сероводородсодер-жащий газ: Дисс. канд. техн. наук. М., ВНИИгаз, 1980.

43. Оболенцев Н.В., Клапчук О.В. и др. Аэрозольный метод нанесения ингибитора коррозии на газопроводы большого диаметра при транспорте сероводородсо-держащего природного газа // Газовая промышленность. 1980. № 3. С. 62. Деп. во ВНИИЭгазпроме.

44. Одишария Г.Э., Мамаев В.А., Клапчук О.В. Двухфазный транспорт нефти и газа // Научн.-техн. обзор. Сер.: Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. М.: ВНИИОЭНГ, 1977.

45. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распыливания. М.: Химия, 1984.

46. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкости. М.: Химия, 1979.

47. Пажи Д.Г., Корягин А.А., Ламм Э.Л. Распыливающие устройства в химической промышленности. М.: Химия, 1975.

48. Пажи Д.Г., Прахов A.M., Равикович Б.Б. Форсунки в химической промышленности. М.: Химия, 1971.

49. Патент № 2068304. МПК 6 В 05 В 9/03. Устройство для впрыска жидкости в сжатый газ/ Ходырев А.И., Зайцев Ю.В., Муленко В.В. Опубл. в БИ. 1996. № 30.

50. Перри Дж. Справочник инженера-химика: Пер. с англ. / Под ред. Н.М. Жаво-ронкова, П.Г. Романкова. JI.: Химия, 1969. т. 1.

51. Петрянов-Соколов И.В., Сутугин А.Г. Аэрозоли. М.: Наука, 1989. 144 с.

52. Прудников А.Г., Волынский М.С., Сагалович В.Н. Процессы смесеобразования и горения в ВРД. М.: Машиностроение, 1971.

53. Разработать и освоить в опытно-промышленной эксплуатации систему мероприятий по повышению надежности транспорта неочищенного газа от промысла до ГПЗ и уменьшение его потерь. Отчет о НИР. Донецк. ЮжНИИги-прогаз, 1983. 70 с.

54. Распыливание жидкостей / Бородин В.А. и др. М.: Машиностроение, 1967.

55. Распыливание жидкостей / Ю.Ф. Дитякин и др. М.: Машиностроение, 1977.

56. Рекомендации по ингибированию начальных и конечных участков газопроводов (Ду700 мм и Ду500 мм) на ОГКМ с применением аэрозольного метода ввода ингибитора / О.В. Клапчук, Н.В. Оболенцев и др. М.: ВНИИГаз, 1981.

57. Ривкинд В.Я., Рыскин Г.М. Структура течения при движении сферической капли в жидкой среде в области переходных чисел Рейнольдса // Известия АН СССР. Сер.: Механика жидкости и газа. 1976. № 1. С. 9-19.

58. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. JT.: Химия, 1982.

59. Роухайнен, Сташевич. Об осаждении частиц небольших размеров из турбулентных потоков // Теплопередача. 1970. Т. 92. № 1. С. 116—127.

60. Салтанов Г.А. Сверхзвуковые двухфазные течения. Минск: Высшая школа, 1972.

61. Симаков Н.Н. Гидродинамика двухфазных потоков в процессах с форсуночным распыливанием жидкости: Дисс. канд. техн. наук. М.: ЛТИ, 1987.

62. Синайский Э.Г. Гидродинамика физико-химических процессов. М.: Недра. 1997.-340 с.

63. Синайский Э.Г. Статистическая микрогидродинамика. М.:РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. 1999. 496 с.

64. Синайский Э.Г., Лапига Е.Я., Зайцев Ю.В. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. М.: Недра-Бизнесцентр. 2002. 621с.

65. Синайский Э.Г., Михалева Г.В. Эволюция распределения капель ингибитора гидратов в процессе их массообмена с природным газом// Журнал прикладной химии. 1992. т.65. N 8. С.1815-1820.

66. Синайский Э.Г., Михалева Г.В. Эволюция спектра капель ингибитора гидратов в турбулентном потоке природного газа// Журнал прикладной химии. 1993. т.66. № 3. С. 544-553.

67. Скорнякова Е.Ю. Технология ингибиторной защиты промысловых газопроводов сероводородсодержащего газа аэрозольным методом: Дисс. канд. техн. наук. М.: ВНИИГаз, 1988.

68. Смидович К.П. Эволюция спектра частиц при коагуляции с учетом аэродинамического дробления: Дисс. канд. техн. наук. М.: МАИ, 1987.

69. Стекольщиков Е.В., Анисимова М.П. и др. Экспериментальное исследование движения и дробления капель жидкости в газовом потоке. // Инж-физ. жури. 1972. Т. ХХШ. №2. С.226.

70. Теверовский Е.Н., Дмитриев Е.С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. М.: Наука, 1988.

71. Треш Г. Распыливание жидкости. // Вопросы ракетной техники. 1955. № 4.

72. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей / Б.В. Раушенбах, М.С. Волынский и др. Машиностроение, 1964.

73. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд. АН СССР, 1955.

74. Хавкин Ю.И. Центробежные форсунки. JL: Машиностроение, 1976.

75. Хогланд Ж. // Ракетная техника. 1962. № 5. С. 3—16.

76. Ходырев А.И. Повышение эффективности работы поршневых компрессоров путем испарительного охлаждения сжимаемого газа. Дисс. канд. техн. наук. М.: МИНХи ГП. 1984.

77. Ходырев А.И., Муленко В.В. Аэрозольное нанесение ингибиторной пленки в газопроводах малого диаметра // Газовая промышленность. 1995. № 11. С. 18—19.

78. Ходырев А.И., Муленко В.В. Вопросы повышения эффективности установок для аэрозольного ингибирования газопровода // Расчет и прогнозирование работоспособности нефтегазового оборудования: Сб. науч. тр. ГАНГ им. И.М. Губкина. М., 1992. № 237. С. 82—91.

79. Ходырев А.И., Муленко В.В. Комплекс оборудования для аэрозольного ингибирования газопроводов КАИ-63/200 // Газовая промышленность. 1994. № 2. С. 12—14.

80. Ходырев А.И., Муленко В.В. Математическая модель движения капель в факеле центробежной форсунки // Тезисы докладов 5-й НТК «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». М.: РГУ нефти и газа. 2003. С. 7.

81. Ходырев А.И., Муленко В.В. Разработка оборудования для ингибирования газопроводов аэрозольным способом // Тезисы докладов НТК «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». М., 1994. С. 212.

82. Ходырев А.И., Муленко В.В. Разработка эффективного оборудования для аэрозольного ингибирования газопроводов // Тезисы докладов Всесоюзного совещания «Проблемы защиты от коррозии нефтепромыслового оборудования». Смоленск. М., 1991. С. 20-22.

83. Ходырев А.И., Муленко В.В. Математическое моделирование нанесения ингибиторной пленки при аэрозольном ингибировании газопроводов // Тез. докл. III Международного конгресса «Защита-98». М.: Нефть и газ, 1998. С. 48.

84. Худяков Г.Н. О движении твердых частиц в газовзвёси // Известия АН СССР. ОТН. 1953. №7. С. 1022—1034.

85. Эккерт Э., Дрейк P.M. Теория тенло- и массообмена. М.: Госэнергоиздат, 1961.

86. Заявка № 50-25897 Япония, МКИ 23F 11/00. 0публ.27.08. 1975.

87. Braga T.G., Asperger R.G. Engineering Considerations for Corrosion Monitoring of Gas Gathering Pipeline Systems // Corrosion'87. San-Francisco, 1987. March 9-13. Pap. №48. P. 6.

88. Frosling N. // Gerlands Beitr. Geophys. 1938. № 52. P. 70.

89. Graven D. Clearing the fog way ahead // Gas journal. Dec. 1971. V. 348. № 5640. P. 283-288.

90. Maltos R.Z., Morento L.S. Solventa problema de corrosion // Petroleo Internacional. 1974. № 9. P. 62-64.

91. Paloposki Т. Drop size distributiona in sprays acta politecnica scanainavia, mecani-eal enginelling series: Дисс. докт. техн. наук. 1994. № 114. С. 209,

92. Пат. к.4 s.16, 65803 (Polska) Sposob odpylania gazociagovv (dalekosieznyeh przy powhoczesnym zapobuganiu korozju erozji oraz urzadrenie do stosowania sposobu / Srynkeewicz F., Jyworski A. Izd. 30.12.72.

93. Winikow S., Chao B.T. Droplot motion in purrified system // Phys. Fiuids. 1966. Vol. 9. № LP. 12.