ПОТЕРИ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПРОЦЕССАХ ОПОРОЖНЕНИЯ, НАПОЛНЕНИЯ И РАБОТЫ ПОДКЛЮЧЕННОГО РЕЗЕРВУАРА
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
2.
Астраханский государственный технический университет
3.
Астраханский государственный технический университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 71
по 78
Статус:
Опубликован
Получено:
20.11.2015
Одобрено:
25.11.2015
Опубликовано:
25.11.2015
Классификаторы:
УДК 621.1.016
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
давление, система, фаза, компонента, равновесие, среда, масса, объем, эксплуатация, резервуар
Аннотация (русский):
Эффективное функционирование транспортных и пассажирских морских и речных судов зависит от бесперебойной работы береговых нефтебаз и хранилищ. На нефтебазах большое внимание уделяется эксплуатации резервуаров, процесс наполнения которых сопровождается наибольшими потерями. Представлена модель технологического процесса в резервуаре, демонстрирующая зависимость между потерями углеводородов и такими показателями, как скорости изменения фаз, жидкая и газообразная рабочие среды, система рабочей среды. Модель потерь построена на основе уравнений состояния, сохранения и неразрывности для неоднородных рабочих сред открытой системы при заданных температуре и давлении. Анализируются показатели, характерные для различных стадий процесса эксплуатации резервуара: масса рабочей среды; объемы сжатия и расширения; продолжительность наполнения, опорожнения и работы подключенного резервуара; скорость изменения рабочей среды, расходы жидкой и газовой фаз и потери газа (пара). Установлено, что с увеличением газового пространства, удельного объема газовой фазы и скорости изменения жидкой и газовой фаз увеличиваются потери газа (пара). Описан механизм потерь газа (пара) из подключенного резервуара, объем потерь сопоставлен с потерями из резервуара, наполненного рабочей средой для хранения.
Эффективное функционирование транспортных и пассажирских морских и речных судов зависит от бесперебойной работы береговых нефтебаз и хранилищ. На нефтебазах большое внимание уделяется эксплуатации резервуаров, процесс наполнения которых сопровождается наибольшими потерями. Представлена модель технологического процесса в резервуаре, демонстрирующая зависимость между потерями углеводородов и такими показателями, как скорости изменения фаз, жидкая и газообразная рабочие среды, система рабочей среды. Модель потерь построена на основе уравнений состояния, сохранения и неразрывности для неоднородных рабочих сред открытой системы при заданных температуре и давлении. Анализируются показатели, характерные для различных стадий процесса эксплуатации резервуара: масса рабочей среды; объемы сжатия и расширения; продолжительность наполнения, опорожнения и работы подключенного резервуара; скорость изменения рабочей среды, расходы жидкой и газовой фаз и потери газа (пара). Установлено, что с увеличением газового пространства, удельного объема газовой фазы и скорости изменения жидкой и газовой фаз увеличиваются потери газа (пара). Описан механизм потерь газа (пара) из подключенного резервуара, объем потерь сопоставлен с потерями из резервуара, наполненного рабочей средой для хранения.
Ключевые слова:
давление, система, фаза, компонента, равновесие, среда, масса, объем, эксплуатация, резервуар
давление, система, фаза, компонента, равновесие, среда, масса, объем, эксплуатация, резервуар
Введение Эффективное функционирование транспортных и пассажирских морских и речных судов зависит от бесперебойной работы береговых нефтебаз и хранилищ. На нефтебазах большое внимание уделяется эксплуатации резервуаров и предотвращению потерь углевородоровв результате испарения. Ниже представлена модель технологического процесса в резервуаре, демонстрирующая зависимость потерь углеводородов от скорости изменения фаз (жидкой и газообразной) и состояния системы рабочей среды. Модель потерь построена на основе уравнений состояния, сохранения и неразрывности для неоднородных рабочих сред при заданных температуре и давлении. Уравнения описывают открытую систему рабочей среды. Данные построения отличают модель системы рабочей среды от широко известных моделей нижеперечисленных авторов: - В. И. Черникина [1], в модели которого резервуар рассматривается как герметичный, концентрация углеводородов в газовом пространстве считается одинаковой, а смесь подчиняется законам идеальных газов; - Ф. Ф. Абузовой [2], в модели которой основой расчета потерь углеводородов служит коэффициент диффузии, характеризующий свободную (естественную) конвекцию в газовом пространстве; - А. А. Коршака [3], предложившего формулы для расчета потерь нефти и нефтепродуктов, в которых были приведены данные по испарению широкого диапазона нефтей с целью установления вида критериальных уравнений массоотдачи, включающих плотность потока массы при закачке, простое и откачке. Режимы эксплуатации Рассмотрим характерные режимы эксплуатации резервуара. Масса рабочей среды в резервуаре изменяется в процессах наполнения, опорожнения и работы подключенного резервуара. Примем в качестве первой характерной точки момент, когда взлив жидкой фазы в опорожняемом резервуаре достигает нижнего уровня согласно норме в объеме Vп. Давление в газовом пространстве пока равно давлению клапана вакуума при впуске газовой фазы рабочей среды (пара) из обвязки или воздуха из окружающего пространства. Обозначим массу рабочей среды для первой характерной точки как M1. Предположим, что наполнение резервуара объемом Vр началось в момент, когда масса рабочей среды стала равной M1. На первом этапе наполнение происходит при закрытых клапанах вакуума и давления - газовая фаза рабочей среды сжимается в объеме ΔVсж (изменение объема газового пространства резервуара в результате сжатия газовой фазы рабочей среды). По окончанию этапа сжатия, равного сумме перепадов дыхательных клапанов вакуума и давления (ΔPкв + ΔPкд), масса рабочей среды равна M2. Давление сжимаемой рабочей среды в газовом пространстве повышается и выравнивается до величины открытия клапана давления. Наполнение резервуара жидкой фазой рабочей среды продолжается при одновременном вытеснении газовой фазы. Потери газовой фазы продолжаются по достижению жидкой фазой рабочей среды уровня взлива, соответствующего максимальному наполнению резервуара в объеме Vн. Масса рабочей среды в резервуаре достигает максимальной (допустимой) величины M3, где Vн - это объем жидкой фазы при наибольшей норме взлива рабочей среды в резервуаре. Поступление жидкой фазы прекращается. Опорожнение резервуара вызовет закрытие клапана давления, изменение давления среды от избыточного до давления вакуума и расширение газовой фазы в объеме ΔVра (изменение объема газового пространства при расширении рабочей среды). Оба клапана закрыты, жидкая фаза откачивается, но в конце интервала изменения давления количество рабочей среды в резервуаре будет равно . В ходе расширения и сжатия рабочей среды в процессах наполнения и опорожнения резервуара характерные точки по массе среды, заметно отличающиеся от соответствующих точек начала и окончания процесса, не образуются. Получим количественную оценку последнего утверждения, рассчитав разности М2 - М1 и . Для рассчета изменений объемов газового пространства резервуара при наполнении и опорожнении получим величины, близкие к и . Подключенный резервуар равного объема, наполненный до максимального уровня, имеет величины разностей, различающиеся на порядок; в случае его опорожнения до минимального уровня эти величины достигают одного порядка. В данных соотношениях и обозначают соответственно удельные объемы жидкой и газовой (воздуха) фаз рабочей среды в резервуаре при давлении вакуума; , - удельные объемы жидкой и газовой (смеси) фаз рабочей среды при давлении, соответствующем избыточному; - объемы резервуара и жидкой фазы при наименьшей норме взлива рабочей среды в резервуаре соответственно. Сжатие и расширение газового пространства В интервале изменения давления от давления вакуума до избыточного рабочая среда газового пространства резервуара не пополняется и не вытесняется в окружающую среду. Агрегатные превращения происходят, но количество образовавшихся конденсата и газа не нарушает материальный баланс рабочей среды в газовом пространстве. Газовая фаза, обмениваясь энергией, веществом с окружающей средой не обменивается. При описании процессов наполнения и опорожнения нами принято ограничение, что температура рабочей среды является постоянной. Следовательно, изменения давлений от давления вакуума Рв до избыточного Рд или в обратную сторону сопровождаются изменениями объемов газового пространства в результате сжатия рабочей среды: , (1) либо расширения рабочей среды: . Время полного цикла процессов Условия эксплуатации резервуаров вынуждают нормировать показатели процессов наполнения и опорожнения. Если считать, что продолжительность данных процессов одинакова, можно cоставить следующее соотношение для единого процесса: (2) В формуле (2) величины разности массовых расходов жидкой фазы подачи , и отбора , , преобразованные в объемные по абсолютным значениям, равны в обоих процессах , , но отличаются противоположными знаками ; ,- обозначают, соответственно, массовые расходы притока и истечения газа или газовой фазы (пара) в обвязку или в окружающую среду; ΔV в уравнении равна разности объемов резервуара, наполненного рабочей средой до допустимых верхнего и нижнего уровней. В левой части соотношения (2) отражена продолжительность процесса сжатия (смеси воздуха и углеводородов в газовом пространстве) при закрытых клапанах давления и вакуума в сумме с продолжительностью процесса наполнения резервуара при открытом клапане давления . В правой части продолжительность процесса расширения (смеси воздуха и углеводородов в газовом пространстве) при закрытых клапанах давления и вакуума суммируется со временем опорожнения резервуара при открытом клапане вакуума . Соотношение (2) связывает показатели производительности наполнения, опорожнения и показатели пропускной способности клапанов давления и вакуума резервуара. Формально модель представлена в виде завершенного цикла, однако каждую из отдельно выполняемых частей цикла должны связывать регламенты величин расходов фаз рабочей среды в резервуаре. Например, в едином процессе равны объемные расходы жидкой фазы: , . Уравнения неразрывности рабочей среды Анализируя материальный баланс работы резервуара, рассмотрим три вида технологических процессов. Исходные положения представим двумя уравнениями неразрывности. Процессы наполнения, опорожнения и работы подключенного резервуара включают в себя сжатие и расширение газовой фазы в резервуаре: - сжатие - расширение Показателимассовой скорости изменения массы рабочей среды зависят от расходов притока жидкой , и газовой (воздуха) фаз и расходов истечения жидкой , и газовой (смеси воздуха и углеводородов) фаз . В процессе наполнения масса жидкой фазы увеличивается , клапан вакуума закрыт, , давление рабочей среды равно избыточному , легкие компоненты истекают через клапан избыточного давления , но скорость изменения массы рабочей среды является положительной величиной . Примем, что истечение газа (смеси воздуха и углеводородов) рабочей среды из резервуара условно относится к потерям. Наибольший объемный расход потерь сопровождает наполнение резервуара и напрямую зависит от скорости изменения количества жидкой фазы и величин удельных объемов наполнения системы , жидкой и газовой (смеси) фаз рабочей среды при избыточном давлении . (3) В процессе опорожнения масса жидкой фазы уменьшается , клапан избыточного давления закрыт, , давление рабочей среды равно давлению вакуума, масса газовой фазы увеличивается в результате притока газа (воздуха) через клапан вакуума , но скорость изменения массы рабочей среды имеет отрицательную величину . Процесс опорожнения резервуара сопровождается наибольшим объемным поступлением газа (воздуха) извне и напрямую зависит от скорости изменения количества жидкой фазы и величин удельных объемов опорожнения системы , жидкой и газовой фаз рабочей среды при давлении вакуума : (4) Оставляя равными по величине объемные расходы притока газа (воздуха) и истечения газа (смеси воздуха и углеводородов) в обвязку или окружающую среду в балансе данного процесса, приходим к выводу, что удельные объемы рабочей среды наполняемого и опорожняемого резервуара связаны соотношением . Уровень взлива рабочей среды колеблется в резервуаре, соответствуя одному (vД) или другому (vв) удельным объемам двухфазной системы. По статическим показаниям величина vв принимается произвольной. Расчет величины потерь углеводородов в едином процессе Величину удельного объема газообразной фазы (смеси воздуха и углеводородов ), истекающей через клапан давления, определяем по формулам материального баланса и условий единого процесса , , , где величины , - удельный объем и массовый расход истекающих углеводородов. Оперируя данными соотношениями, получаем формулу для расчета удельного объема смеси, истекающей в атмосферу. В равенстве (2) вторая составляющая справа - время наполнения. В течение этого времени пары углеводородов истекают в атмосферу с массовой скоростью, определяемой уравнениями неразрывности (3), (4) и условиями единого процесса. . Допустим, кратно, газовая смесь истекает в атмосферу. . Следовательно, потери углеводородов в едином процессе (наполнение - опорожнение) за месяц могут быть рассчитаны по формуле . Процесс работы подключенного резервуара Соотношение (2) справедливо и для работы подключенного резервуара. Прежде всего, следует принять во внимание, что режим работы обусловливает приближенное равенство величин, нормирующих взливы жидкости рабочей среды в резервуаре или , где показатель с индексом * означает, что резервуар наполнен или опорожнен = . Тем не менее, равенство показателя нулю приводит соотношение (2) к двум составляющим в левой и правой частях равенства и способствует упрощенному анализу технологического процесса подключенного резервуара. Примем следующие обозначения: , , ,, где разность равна величине случайного отклонения расхода подачи насосов как аппаратов дозирования рабочей среды в транзитном трубопроводе, соединенном технологической линией с подключенным резервуаром. Преобразовав равенство (2), получим: В левой части данного равенства - отношение деформации газовых фаз. Запишем крайние значения преполагаемых деформаций. Для подключенного резервуара полагаем, что величины сжатия газовой фазы при наполнении относятся к величинам расширения фазы при опорожнении и имеют значения, т. е. к = 0, к = 1, к = ∞. Расходы истечения газа и притока газав газовое пространство, соответствующие крайним значениям деформаций, принимают следующие величины: 1) к = 0, д = а, в ≠ 0; 2) к = 1, в = д, а ≠ 0; 3) к = ∞, в = а, д ≠ 0. Вышеприведенные показатели отражают процесс течения газа (пара) через дыхательные клапаны и газовое пространство резервуара: 1) газ не сжимается жидкая фаза выталкивает газ (смесь) с тем же расходом, что имеет жидкость ; 2) процессы сжатия и расширения газа (смеси) равнозначны по степени деформации, а расход истечения газа из резервуара равен поступлению ; 3) газ (смесь) не расширяется при опорожнении, а поступает с тем же расходом, что и жидкая откачиваемая фаза . Характеристика технологического процесса течения газа через клапан вакуума, газовое пространство и клапан давления объясняют вероятность непрерывной работы дыхательной арматуры подключенного резервуара. В процессе работы подключенного резервуара материальный баланс режима работы резервуара складывается из баланса процессов наполнения и опорожнения. Скорости изменения объема жидкой фазы и изменения массы жидкой фазы рабочей среды в названных процессах имеют разные знаки и соответственно равны нулю в общем балансе. При работе подключенного резервуара поочередное сжатие и расширение рабочей среды обусловливают единый технологический процесс, сопровождающийся колебанием уровня жидкой фазы и напорным течением жидкой и таким же течением газовой уплотненной фаз через пространство резервуара. Примем, что скорость изменения жидкой фазы рабочей среды в подключенном резервуаре, когда масса системы колеблется в пределах от до , равна отклонению расхода, усиленному упругой волной рабочей среды в транзитном трубопроводе, технологически соединенном с резервуаром. Резервуар с дыхательными клапанами вакуума и давления с колеблющейся жидкой фазой представляется аппаратом, прокачивающим через газовое пространство газ (смесь). Таким образом, потери газа из подключенного резервуара в единицу времени меньше, чем из наполняемого. Расходомер воздуха, поступающего через дыхательный клапан в газовое пространство резервуара, работает постоянно согласно упрощенному анализу. Предположим однако, что его работа является периодической: выдох газовой смеси с постоянной концентрацией происходит в течение времени сжатия рабочей среды, т. е. в процессе наполнения резервуара, а вдох - при расширении рабочей среды, т. е. в процессе опорожнения резервуара. Первые члены и в левой и в правой частях уравнения (2) для подключенного резервуара связаны соотношением . Деформации объемов газообразобразной фазы при давлениях Рв и Рд равны . Поскольку допустимые минимальный и максимальный объемы равны , то объемы наполнения и опорожнения резервуара равны нулю . Объемные расходы притока воздуха в резервуар и истечения газообразной фазы в атмосферу выразим через перепады давлений клапана вакуума , избыточного дваления и характеристики сечений дыхательных клапанов: коэффициенты расхода, равные , ; - коэффициенты скорости, ; - коэффициенты местного сопротивления; - коэффициенты сжатия, ; - площади сжатого сечения клапанов давления, вакуума; - площадь зеркала рабочей среды в резервуаре. Преобразуем соотношение (2) для величины расширения и получим Затем из соотношений (1) для подключенного резервуара определяем величину суммы отклонений дозирования жидкой фазы насосами: В итоге по аналогии с предыдущим решением определяем количество потерь в единицу времени для подключенного резервуара. Таким образом, при сопоставлении режима работы подключенного резервуара с малыми дыханиями резервуара, наполненного рабочей средой для хранения, приходим к следующим выводам. Изменения давления атмосферного воздуха в результате суточных колебаний температуры и погодных условий вызывают движение воздуха, разбавляемого парами рабочей среды через дыхательные клапаны и газовое пространство резервуара. Потери рабочей среды из подключенного резервуара превышают потери в процессе хранения. Подключение резервуара одним коллектором уменьшает сменяемость среды, а следовательно и приближает потери к уровню потерь, происходящих в процессе хранения. В обсуждаемых этапах процесса работы резервуара следует обращать внимание на характерные показатели: массу рабочей среды; объемы сжатия и расширения; продолжительность наполнения, опорожнения и работы подключенного резервуара; скорость изменения рабочей среды; расходы жидкой фазы и потерь углеводородов. Подчеркнем, что с увеличением газового пространства, удельного объема газовой фазы и скорости изменения жидкой фазы увеличиваются потери газа (пара). Заключение Нами описан механизм потерь газа (пара) из подключенного резервуара, объем потерь сопоставлен с потерями из резервуара, наполненного рабочей средой для хранения. Впервые предложена модель технологического процесса открытой системы на основе уравнений сохранения массы и неразрывности неоднородной рабочей среды. Рассматриваемые материалы имеют практическое значение при эксплуатации и проектировании систем хранения легко испаряющихся рабочих сред на морском и речном транспорте, в нефтяной, газовой и других отраслях промышленности.
1. Едигаров С. Г. Проектирование и эксплуатация нефтебаз / С. Г. Едигаров, В. М. Михайлов, А. Д. Прохоров, В. А. Юфин. М.: Недра, 1982. 280 с.
2. Абузова Ф. Ф. Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов при их транспортировке и хранении / Ф. Ф. Абузова, И. С. Бронштейн, В. Ф. Новоселов и др. М.: Недра, 1981. 248 с.
3. Коршак А. А. Нефтебазы и АЗС: учеб. пособие / А. А. Коршак, Г. Е. Коробков, Е. М. Муфтахов. Уфа: Дизайн Полиграф Сервис, 2006. 416 с.
