CC BY
485
Е.В. Кузнецов
МЕТОДЫ СОКРАЩЕНИЯ ПОТЕРЬ СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ НА НЕФТЕБАЗАХ
Гребования к экологической и промышленной безопасности производственных объектов и технологических процессов нефтяной отрасли постоянно растут, поэтому возникает необходимость создания современной методики контроля и управления выбросами легких углеводородов в атмосферу.
За счет устранения потерь при добыче, переработке, транспортировании и хранении, можно получить до 20 % всей экономии топливно-энергетических ресурсов. Основным видом потерь нефти и нефтепродуктов, полностью не устранимых на современном уровне развития средств транспорта и хранения углеводородов, являются потери от испарения из резервуаров и других емкостей (авто- и железнодорожных цистерн, топливных баков автомобилей и др.).
Если общие потери нефтепродуктов в год составят около 0,03 % (масс.) валового товарооборота, то фактическое распределение этих потерь сложится следующим образом: при складском хранении - 37,2 %, при железнодорожных и автомобильных перевозках (погрузочноразгрузочных работах) - 6,2%.
Доминирующими в общих потерях нефтепродуктов являются потери автобензина и дизельного топлива, малую долю составляют потери мазутов и прочих нефтепродуктов.
Нефтесбытовые компании занимаются закупкой крупных партий нефтепродуктов (в основном это бензин и дизельное топливо) у нефтедобывающих предприятий и реализуют их по автозаправочным станциям, принадлежащим компании или же компаниям-клиентам.
Цепь доставки топлива до конечного потребителя выглядит следующим образом: топливо крупными партиями (авто-, судо-,
железнодорожные перевозки и поставки трубопроводом) поступает на нефтебазы - крупные хранилища нефти и нефтепродуктов, и по мере необходимости отгружаются мелкими партиями в бензовозы и распространяется ими по потребителям. При хранении и погрузке/отпуске как раз и происходят основные потери бензина и дизельного топлива.
Ущерб, наносимый этими потерями, состоит не только в уменьшении количества топливных ресурсов, стоимости теряемых продуктов и снижении качества топлива, но и в отрицательных экологических последствиях, которые являются результатом загрязнения окружающей среды нефтепродуктами. Поэтому борьба с потерями нефтепродуктов дает не только экономический эффект, но и жизненно важна для обеспечения охраны природы. Повышение эффективности использования резервуарных парков невозможно без прогнозирования потерь нефти. Для этого необходимо, опираясь на исследования режимов эксплуатации, разрабатывать новые методы прогноза сокращения потерь легких углеводородов на основе мониторинга и управления режимами эксплуатации нефтебаз. Основными режимами являются: приемка, хранение, отгрузка, перекачка нефтепродуктов.
В настоящее время существует необходимость разработки новых моделей и методов, наиболее полно отражающих основные режимы работы нефтебазы, на основании которых будут строиться специальные моделирующие, анализирующие и прогнозирующие программные комплексы, обладающие возможностью быстро определять по входным параметрам состояние системы и ее поведение в различных состояниях в будущем.
Как показали исследования, существуют два основных вида потерь нефти: статические и динамические.
Статические потери - это потери нефти при хранении нефти. При хранении нефти в резервуаре изменяются следующие параметры: уровень (вследствие испарения, изменения температуры и плотности); температура (вследствие суточных колебаний температуры окружающей среды либо подогрева нефти в холодный период); плотность (вследствие испарения легких фракций); давление в газовом пространстве (при повышении давления в ГП до давления, на которое настроен дыхательный клапан, происходит «малое дыхание».
Динамические - это потери нефти при различной интенсивности приема, отпуска, перекачки нефти.
В ходе приема нефти в резервуар повышается уровень нефти и происходит процесс испарения легких фракций нефти с ее поверхности. В результате этого увеличивается давление паров в газовом пространстве резервуара. Для предохранения резервуара от высокого давления служит дыхательный клапан. Когда давление паров в газовом пространстве становится равным давлению, при котором срабатывает ДК, происходит выброс паров в атмосферу или газоуравнительную систему. Этот выброс называется «большим дыханием».
При отпуске нефти изменяются следующие параметры: уменьшается уровень нефти (до минимально допустимого значения); температура; плотность (вследствие испарения); давление в газовом пространстве Выкачивание нефти из резервуара сопровождается всасыванием воздуха. Вследствие испарения продукта увеличивается давление в ГП, при достижении давления в ГП величины, на которую настроен ДК, происходит «обратный выдох». При анализе эффективности работы базы используются параметры, которые можно подразделить на: технические, технологические, экологические, экономические. Эти параметры до сих пор не контролировались постоянно, а лишь периодически и зачастую теоретически. Предлагаемый же подход позволяет постоянно систематически контролировать описанные параметры, и прогнозировать пути борьбы с потерями.
Для сокращения потерь нефти от испарения до настоящего времени используется целый ряд мероприятий: сокращение объема газового пространства резервуаров (применение плавающих шариков, микрочастиц, понтонов, плавающих крыш и т, д.); хранение при повышенном давлении (резервуары специальных конструкций, рассчитанные на высокое давление до 0,2 МПа); сокращение амплитуды колебаний температуры газового пространства резервуара; улавливание паров нефтепродукта, вытесняемых из резервуара при его заполнении нефтепродуктом.
Все средства дают положительный эффект при технически грамотной их эксплуатации. Совершенствование технологии хранения, а также внедрение нового современного оборудования позволяют резко сократить потери нефти и нефтепродуктов и значительно улучшить состояние окружающей среды.
Сокращение потерь легких фракций нефтепродуктов из резервуара от больших и малых дыханий можно обеспечить применени-
ем внутренней эластичной оболочки, укрепляемой по периметру стенки резервуара и перемещающейся вместе с нефтепродуктом. Этот способ можно использовать в вертикальных цилиндрических резервуарах без центральных стоек, в которых нефтепродукт хранится при атмосферном давлении. В таком резервуаре практически полностью исключаются потери легких фракций углеводородов и загрязнение окружающей среды. Однако широкого распространения данные резервуары не получили из-за сложности их монтажа и эксплуатации.
Существующим методом сокращения потерь от является внедрение газоуравнительных систем (ГУС), значительное число которых (более 50 %) эксплуатируют без газосборников. Данная система надежно работает, если коэффициент совпадения операций для резервуаров достаточно высок. Однако в реальных условиях полного совпадения операций налива и опорожнения резервуаров, как правило, не наблюдается. По этой причине и для резервуаров, оборудованных газоуравнительной системой, потери от испарения достаточно велики. Замечено, что неплотности в кровле резервуаров и плохая работа системы газоулавливания сводят к нулю эффективность ее применения.
При закачке и хранении горячей нефти с температурой 300— 320 газоуравнительные и другие системы оказываются малоэффективными. В этом случае необходимы системы по улавливанию и утилизации легких фракций нефтепродуктов. Исследования показали, что даже при высоких коэффициентах совпадения операций (Кс ~ 0,7-0,9) имели место значительные потери легких фракций через дыхательную арматуру. Газовый фактор подготовленной на промысле нефти иногда может достигать 20 м/м. Применение газоуравнительной системы или понтонов оказалось неэффективным в ряде случаев, так как выделяющийся из нефти в большом количестве газ не может быть собран газосборником и поэтому выходит через дыхательную арматуру в окружающую среду. В резервуарах с понтонами выделяющийся газ может прорываться через уплотняющие затворы, нарушая их герметичность. Образующиеся газовые шапки приподнимают понтон в одном месте, вызывая его перекос и затопление.
В этих случаях наиболее эффективным методом сокращения потерь легких углеводородов является применение систем улавливания их при выходе из резервуара. Принцип работы установки
улавливания легких фракций (УЛФ) заключается в следующем. Выделяющиеся легкие фракции по системе трубопроводов перераспределяются по резервуарам с данным нефтепродуктом (газоуравнительная система), а избыток поступает в газосборник, где часть паров конденсируется и насосом откачивается потребителю. Газообразная часть забирается компрессором, сжимается и перекачивается потребителю. Технология УЛФ предусматривает отбор избыточного количества паров нефтепродуктов, сжатие их компрессорами, сжижение, обогащение тяжелыми фракциями и подачу к местному потребителю или в магистральный трубопровод.
Потери от испарения резко сокращаются благодаря применению резервуаров с понтонами. Из-за наличия газа в нефти при понижении давления на возвышенных участках трассы трубопровода образуются газовые мешки, которые при возобновлении перекачки попадают в резервуар и вызывают перекос стальных понтонов.
Для сокращения потерь нефти и нефтепродуктов часто применяют плавающую крышу. Крышу снабжают подпружиненными штангами (рычагами), которые прижимают уплотняющий затвор к стенкам резервуара. Несмотря на это, при опускании крыши на стенках резервуара остается значительное количество нефти или нефтепродукта. При подъемах и опусканиях крыши или понтона мягкое уплотнение должно плотно прилегать к внутренней поверхности резервуара. В результате материал подвергается механическому воздействие (истиранию, растяжению, сжатию, сдвигу), агрессивному воздействию паров нефтепродуктов со значительным содержанием ароматических углеводородов и воздействию кислорода воздуха, атмосферных осадков и солнечных лучей. Все эти факторы существенно сокращают срок службы уплотняющих устройств.
В качестве временного средства сокращения потерь от испарения нефти и нефтепродуктов из резервуаров широко используют диски-отражатели. Сокращение потерь нефтепродуктов дисками-отражателями зависит от характеристики нефтепродукта, времени хранения, периода года, типа и места расположения резервуара. При длительном хранении нефтепродукта эффективность дисков-отражателей практически равна 0. Их эффективность возрастает с увеличением коэффициента оборачиваемости.
Сокращению потерь от испарения способствует снижение амплитуды колебания температуры нефтепродукта и газового про-
странства, Для уменьшения теплообмена между нефтепродуктом и окружающей средой применяют теплоотражающие эмали типа ПФ-5135 и ЭФ-5144. Были проведены эксперименты по выявлению условий эффективности их применения.
Как показал анализ существующих методов, описанные выше методы борьбы с потерями нефтепродуктов имеют свои недостатки (либо не могут быть применены (понтоны), либо имеют низкую степень сокращения потерь (диски-отражатели, газоуравнительные системы), либо являются сложными и дорогостоящими (традиционные системы УЛФ)) и не могут в полной мере решить проблему потери нефтепродуктов из-за испарения. Чтобы эти методы были эффективны - необходимо производить точный качественный и количественный непрерывный контроль нефтепродуктов, что бы была возможность оперативно влиять количество и качество нефтепродуктов.
При этом можно добиться увеличения среднего коэффициента заполненности резервуаров (1)
Кс.з. = Узап/Уобщ (1)
Кс.з. - средний коэффициент заполненности; Узап - объем заполненного резервуара; Уобщ - общий объем резервуара.
При увеличении общей заполненности резервуарного парка нефтебазы уменьшается объем газового пространства резервуаров и, как следствие, сокращаются потери нефтепродуктов из-за «большого дыхания». Добиться этого можно постоянно контролируя объем нефтепродуктов, собирая статистику, на основе которой можно прогнозировать загрузку и отгрузку нефтепродуктов из ре-зервуарного парка.
Предлагаемая методика борьбы с потерями нефтепродуктов основана на контроле массы нефтепродуктов в резервуаре и давления паров газа.
Для определения массы испарившейся нефти при хранении
М = п0 ^ } (Р,- рун
0
п0 - коэффициент испарения; Б - площадь поверхности испарения; Р0 - парциальное давление при хранении; Р - парциальное давление при хранении, изменяющееся во времени.
Давление паров бензина за период времени 1=181 становится равным давлению насыщенных паров Р8. При заполнении/откачке из резервуара I начинает расти парциальное давление паров нефтепродуктов.
Давление насыщенных паров, определяет характеристики процесса испарения нефтепродуктов при увеличении содержания нефтепродуктов. Также эти характеристики определяются при помощи отношения (4) времени диффузии нефти 1диф к 1зап (2) и (3)
к2/
t ф = к2/В (2); г = V // (3); К =----- (4)
ди ф V ' ’ зап п \ / ? эа V в
п
где Ь - высота уровня нефтепродуктов; Б - коэффициент диффузии; Vn - объем нефти в резервуаре; 1 - расход нефти из резервуара.
Описанный подход к проблеме учета и сокращения потерь нефтепродуктов заключается в оборудовании резервуаров техническими средствами контроля, создании информационной системы учета топлива, данные для которой поступают с технических устройств. Этот подход позволяет автоматизировать процесс погрузки-отгрузки и хранения топлива, обеспечивает точный контроль и учет потерь топлива. Данные о потерях создавая статистику, позволяют спрогнозировать потери и планировать мероприятия по их снижению.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бондарь В.А., Зоря Е.И., Цагарели Д.В. Операции с нефтепродуктами. -М.: Изд-во «Паритет» 1999. - С. 343.
2. Кулагин А.В. Прогнозирование и сокращение потерь бензинов от испарения в из горизонтальных подземных резервуаров АЗС. Автореферат УГНТУ. Уфа-2003.
3. Кулагин А.В., Коршак А.А. Разработка методик расчета и сокращения по-
терь бензина из резервуаров автозаправочных станций // Проблемы нефтегазовой отрасли: Материалы научно-методической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000.-С. 196.5233 '
— Коротко об авторе ---------------------------------------------------
Кузнецов Е.В. - аспирант, каф. АСУ, Московский государственный горный университет.
© Е.В. Кузнецов, 2008
