ポンプ技術により高粘度オイルを扱うパイプラインのコストを削減

重質原油をパイプラインを通して輸送することは困難であり、費用がかかる場合があります。 パイプライン事業者の営業支出 (opex) に最も大きく寄与するのはエネルギーコスト、特にポンプを駆動するエネルギーです。 重油やビチューメンなどの高粘度で密度の高い材料の場合、エネルギー効率の高いポンプ技術の選択がコスト管理に特に重要であり、電力消費量を 20% ～ 50% 節約できます。

新規原油生産に対する世界的な需要が高まるにつれて、粘度がポンプ性能に及ぼす影響を理解することがより重要になっています。 世界的な管理会社マッキンゼー・アンド・カンパニーは、今後20年間で、探査・生産会社は需要を満たすために日量3,800万バレルの新規原油生産を追加する必要があると推定している。

この需要の増大に伴い、重質原油への依存も高まっています。 世界の回収可能な原油の半分以上は、米国石油協会 (API) の比重が 22 度以下であり、粘度は API の比重、温度、化学組成に応じて 50 ～ 1000 センチストーク (cSt) を超えます。 地球上で技術的に回収可能な重油と天然アスファルトの 80% 以上が西半球に集中しており、その中にはベネズエラ、カナダ、カリフォルニア、アラスカ、ユタの大規模鉱床も含まれています。

パイプラインのオペレーターは、高粘度の影響を軽減するためにさまざまなアプローチを検討してきました。 アルバータ州北部にパイロット施設が建設され、生の重いタール状アスファルトを加熱状態で断熱埋設された長距離パイプラインを通して汲み上げ、粘度を低下させた。 他の方法には、水素化分解、水素化処理、または水素化精製を通じてパイプラインに入る前に石油を部分的にアップグレードすることが含まれます。 このアプローチには上流の施設の構築が必要です。 より一般的には、有効粘度を下げるために粘性流体に希釈剤が添加されます。 希釈剤には炭化水素 (凝縮水、ガソリン、灯油、またはナフサ) を使用できます。 しかし、希釈剤自体は（たとえ輸送された流体から後で回収されるとしても）かなりの運用コストであり、希釈剤を輸送、保管、混合、除去/リサイクルするための設備がさらにコストを増加させます。 水中油型エマルジョンの調製には、30% ～ 35% の水と少量の界面活性剤の添加が必要です。

高粘度を処理し、経済的な利益をもたらす最も効果的な方法は、適切なポンプ技術を使用することです。

遠心ポンプはパイプラインの運用では広く普及していますが、水、精製炭化水素、軽質原油など、比較的粘度の低い液体 (API 45 度以上) 用に設計されています。 これらの低粘度の流体では、遠心ポンプをコスト効率よく運用でき、80% 半ば以上の効率を達成できます。 しかし、遠心ポンプはわずかな粘度の増加でも摩擦損失により性能が低下します。 粘度は、エネルギーが加えられたときの流体のせん断に対する抵抗の尺度です。 ポンプ動作により、流体が遠心力によってインペラから飛び散るため、高い液体せん断が発生します。 粘度が高くなるほど抵抗が大きくなり、遠心ポンプの動作がより難しくなり、より多くの馬力が必要となり、より多くのエネルギーを消費します。

半世紀にわたり、石油会社やパイプライン運営者は、高粘度の石油を移動させる際に、遠心ポンプに代わる代替手段を模索してきました。 容積式ポンプとして知られる容積式 (PD) ポンプは、遠心ポンプとは異なる動作原理を採用しており、摩擦損失の影響を軽減し、高粘度の流体を圧送する際の効率を高めます。 PD ポンプには 1 ポンピング サイクルあたりの容量があります。 そのサイクルは往復運動または回転かもしれません。 PD ポンプの利点は、各動作サイクル中に一定量の液体を移動させるため、圧力が変化しても比較的一定の流量を維持できることです。 この機能により、パイプラインのオペレーターは、流体の圧力に関係なく、ポンプ速度を制御することで流量を正確かつ一貫して制御できます。

PD ポンプの流量は、流体の粘度が増加すると増加します (つまり、逆流が減少します)。他のタイプのポンプとは異なり、ほとんどの PD ポンプは自吸式であり、一部のポンプは高真空状態を作り出すことができます。

PD ポンプは、往復ポンプと回転ポンプの 2 つのカテゴリに分類されます。 通常、高粘度パイプライン用途には、1 つのタイプの回転 PD ポンプ (3 スピンドル スクリュー ポンプ) が好まれます。 ベネズエラとカナダ西部には数百台の三軸ポンプが設置されており、初期の設置ではそれぞれ 54,000 時間以上の稼働時間を記録しています。 ポンプ要素は、パワー ローター (メイン スクリュー) と 2 つの対称的に対向するアイドラ ローターの 3 つの可動部品で構成され、すべてがぴったりとフィットしたハウジングのボア内で動作します。 入ってくるプロセス流体は、噛み合うアイドラローターで形成されたキャビティを利用して、回転するパワーローターによって搬送されます。 吸引から排出まで、流体はケーシングの出口に到達するまで、一連の絶えず形成および再形成されるチャンバーによって移送されます。 遠心ポンプや一部のタイプの PD ポンプとは異なり、3 軸スクリュー ポンプは自吸式で、必要なメカニカル シールは 1 つだけであるため、メンテナンス コストが削減されます。

粘性流体が遠心ポンプの効率に与える影響は知られていますが、粘性油のパイプライン圧送にさまざまなタイプのポンプを適用した場合の経済性を測定および比較した文献はほとんどありません。 パイプラインサービスにおける一般的な構成の BB3 サイズ遠心ポンプ、5 段の 8 x 10-13、およびパイプラインサービス用に設計された回転 PD 3 軸ポンプがテストされました。 2 つのシステムは、10 cSt (動作限界のため PD ポンプの場合は 20 cSt) から 500 cSt までの範囲の流体粘度に対して評価され、粘度の増加が効率、出力、ひいてはエネルギーに及ぼす影響を判断しました。オペックス。

選択された定格点は、BB3 パイプライン ポンプ設置の一般的な定格の平均を表します: 2,500 フィート (762 メートル)、毎分 3,300 ガロン (gpm) (毎時 750 立方メートル [m3/h])。 流体の比重は０．９とした。 これにより、差圧要件は 976 ポンド/平方インチ (psi) (67.3 bar) になります。 いずれの場合も、負荷点 (揚程、流量、比重 [SG]) を一定に保ち、定格点に達するまで速度を変化させました。 BB3 遠心ポンプでは、可能な限り最高の効率を達成するために最大直径のインペラが使用されました。 API 610 テスト許容値が使用されました。 BB3 遠心ポンプの粘度補正方法は、American National Standards Institute/Hydraulic Institute (ANSI/HI) 9.6.7 2015 でした。

さまざまな粘度での性能結果を画像 1 に示します。

効率曲線の形状は大きく異なります。 BB3 遠心ポンプの効率は、粘度が増加すると 80% 半ばから 60% 半ばまで低下します。 3 軸スクリュー ポンプの効率は増加して約 50 cSt で最大に達し、その後ゆっくりと減少します。 これは、ポンプ内の 2 つの異なるメカニズム、つまり逆流 (流体の粘度が高くなると減少します) と摩擦損失 (流体の粘度が高くなると徐々に増加します) の相互作用によるものです。

回収期間は単年 エネルギーコストが単一の運用支出の中で最も大きいため、ポンプ効率のこの大きな違いはパイプライン事業者の収益に大きな影響を与えます。 画像 2 は、ポンプを年間 8,000 時間運転した場合の年間電力コストがどのように変化するかを示しています。 高粘度オイルに 3 軸スクリュー ポンプを使用した場合の節約の程度は、地域の電力コストによって異なります。 表示されているコストは、産業用電力ユーザーの 2020 年の標準的なキロワット時 (kWh) あたりのコストを使用して計算されており、米ドルで表示されます。米国では 0.067 ドル、ブラジルでは 0.117 ドル、ドイツでは 0.206 ドルです。 重油やアスファルトなどの高粘度で高密度の材料を使用するパイプラインの場合、3 スクリュー ポンプ技術への投資はプラスの投資収益率をもたらします。 これらのポンプは 25 ～ 30 年間安定して動作するため、購入コストを超える年間電力節約効果が得られます。 世界的な石油需要により重油の抽出量が増加しているため、パイプライン事業者は、原油の粘度調整とポンプ技術のどの組み合わせが運用コストを最も管理しやすくするかを検討する必要があります。

Adam Brookie は、CIRCOR Industrial Group のアプリケーション エンジニアリング リードです。 詳細については、circorpt.com をご覧ください。