Моделирование гидродинамических и тепловых процессов при движении нефтепродуктов в объектах нефтебазы Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© Н.И. Федунец, Е.В. Кузнецов, 2010

Н.И. Федунец, Е.В. Кузнецов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ДВИЖЕНИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ОБЪЕКТАХНЕФТЕБАЗЫ1

Рассмотрено моделирование процессов при движении нефтепродуктов в объектах нефтебаз. Моделирование производится на основе общих подходов механики сплошных сред. Идея заключается в делении трубопровода и резервуаров нефтебазы на контрольные объемы.

Ключевые слова: моделирование, нефтебаза, гидродинамические и тепловые процессы, деление на контрольные объемы, количество движения, уравнение Бернулли.

Среди предприятий хранения и транспортировки нефтепродуктов используется 65% резервуаров марки РВС - резервуар вертикальный стальной, объемом 20000 м, диаметр резервуара 45600 мм, высота стенки 11920 мм, покрытие сферическое (радиус сферы 66920 мм), высота покрытия 4000 мм.

Основными потерями в таких крупных резервуарах хранения нефтепродуктов являются потери от испарения

Среди параметров, определяющих скорость испарения, одним из основных является давление насыщенных паров, которое зависит от температуры и соотношения паровоздушной и жидкостной фаз нефтепродуктов. С увеличением доли легких фракций повышается давление насыщенных паров нефтепродуктов и растут потери от испарения. В связи с возросшими требованиями к чистоте воздушного бассейна и существенными потерями нефти при испарении точность определения потерь от испарения приобретает важное значение. Основными операциями являются прием, хранение и отпуск нефти. При наполнении резервуара изменяется уровень нефти. Так как в резервуаре всегда имеется какой-то остаток нефти, то при наполнении новым продуктом происходит смешивание, вследствие чего изменяется плотность и средняя температура закачиваемой нефти. Из полученных значений уровня, плотности и средней температуры вычисляются объем нефти в резервуаре, свободный объем резервуара, масса нефти, Определение объема и массы в производственных условиях производится объемно-массовым методом по

калибровочной таблице резервуара. В калибровочной таблице каждому миллиметру высоты уровня соответствует определенный объем. По вычисленному объему вычисляется масса 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 (Ргп). Для предохранения резервуара от высокого давления служит дыхательный клапан (ДК). Когда давление паров в газовом пространстве становится равным давлению, при котором срабатывает ДК, происходит выброс паров в атмосферу или газоуравнительную систему (ГУС). Этот выброс называется «большим дыханием» и относится к потерям нефти от испарения.

Базовая физико-математическая модель, описывающая движение жидких и газообразных углеводородных сред в резервуарах нефтебазы, основана на общих подходах механики сплошных сред.

Основными балансовыми уравнениями являются уравнения баланса массы, количества движения, а также баланса одной из ве-

V2

личин - внутренней энергии Щ полной энергии Ei = иг , эн-

• гг Р . V2

тальпии I = и Л—— или полной энтальпии ь = ь Л---------при квази-

г г р() гг 2

одномерном течении.

Внутренний объём трубопровода делим для расчёта на конечное число контрольных объёмов V, ограниченных внутренней поверхностью трубопровода и конечными сечениями Sl и S2 , расположенными на расстоянии Ах друг от друга (рис. 1).

В общем случае движения нефти по трубопроводу обозначим: Vni — проекция скорости нефти на внешнюю нормаль, S’I - площадь боковой поверхности контрольного объёма, через которую подаётся или вытекает нефтепродукт.

В соответствии с законом сохранения массы, массовый расход нефтепродукта, входящей через сечение 2 М2г = р2г • и2г ■ S2. равен сумме расходов нефтепродукта, входящей через сечение

Рис. 1. Принцип деления трубопровода и резервуаров на контрольные объемы

1 Ми - ръ • расхода нефти через боковую поверхность

М \ - р\-и,ш • S\ и массового расхода среды в контрольном объё-

N

ме

V, Мф - ^ 1}1¥, I ^ = —!ц , за вычетом массы нефти, накоп-

1 -1

М;

м

д(

V

ленной в контрольном объёме за единицу времени

м21=ми+м;+мф1-м1 (1)

Закон сохранения массы для суммарных параметров нефти при стационарных процессах записывается в виде

Р'Щ •$'. (2)

Это уравнение учитывает расход через боковую поверхность, что характерно при расчётах утечек, испарения нефти и нефтепродуктов, а также расходы при контролируемых подводах и отводах массы в разветвлённых системах трубопроводов. При отборе нефти из трубопровода в резервуар р ипs - М1 < 0,, при подводе нефти из резервуара в контрольный объем трубопровода рипs - М’1> 0,.

Изменение по времени количества движения при течении нефтепродукта в контрольном объёме V! записывается в проекции на ось трубопровода:

где в левой части первое слагаемое характеризует изменение по величине количества движения нефтепродукта в объёме У[1 слагае-2 2 2 моеР{ *■$ ' 3 )~ Р21 ' ®2| ' ^2 ~Ри ' *&1- разность коли-

честв движения в сечениях 2 и 1, третье слагаемое - приток импульса нефти через боковую поверхность; в правой части слагаемые характеризуют соответственно импульсы внешних массовых сил, внешних сил давления с учётом пропорциональности объёмным концентрациям фаз, сил трения среды о стенки.

Обобщенное уравнение Бернулли полученное из уравнения импульсов имеет вид

& Щ'Ри , _ _ _ иг, , а1'ри

2 ^Г+л'гз“Т+—

(4)

где I н - удельная работа внешних сил, Дж/кг, за вычетом работы

+ ‘ , 2‘ + Я • г2 - —7- + * _ 7‘ + Я ■ 2/ + £вн1 - 1тр1 + I;+ I'; + I

Ф>

по преодолению сил тяжести; тр‘ I тр> & 1 % - удельная

~ ди

работа сил вязкости; 11 -—- dx - удельная работа сил инерции;

дt

- -ип1р^ (ц — ц) - работа сил, связанная с обменом импульсом при подводе или отводе массы через боковую поверхность;

( N N Л

, - 1

^ Рцх - ц ^ 1ц dx - удельная работа межфазных сил.

V1-1 1 -1 )

Для движения нефтепродуктов в нефтепроводе, уравнение имеет

2

Р ~ 2 р

ВИД

V? Р9 V* Р, .

-2- + -^+§.12т^ + ^-+8.г1-етр+£т+£+е

(5)

ц

Уравнение баланса полной удельной энергии Ei - и] для

контрольного объёма V] ограниченного сечениями Sl и S2, а также боковой поверхности S имеет вид

РЛ»У + а„ • Р,и,: ■ Б, -а2, ■ Рги21 -Б,+а, ■ РЦБ^-Б, )-/^тр.р + (6)

*±Р#уГ+0«-Ь&-з>

>/ А:=/

д(р Е ) '

где в левой части - первое слагаемое ----г—— V - ; характеризует

дt

изменение по времени полной энергии нефти в контрольном объёме;

d(ргЦгЕг0 г) = р2гЦ2гЕ^2г - р1гЦ1гЕ1г01г - разность потока полной

энергии в сечениях и s2 и s1; ц • рi ■ Е{- S - Ni - поток импульса

полной энергии нефти через боковую поверхность S 0 < 03); в правой части первое слагаемое характеризует мощность внешних массовых сил; второе, третье и четвёртое слагаемые - мощность внеш-

N

них сил давления, пятое - мощность вязких сил; / Е.У - ин-

трг

1 -1

тенсивность обмена полной энергией; Qvi — тепловая мощность источников; Qi - мощность теплового потока через поверхность, ограничивающую поверхность 0} + 02 + 03 (при расчете параметров

среды в трубопроводах можно полагать 40 + 42 02.

Уравнение для определения удельной полной энергии имеет вид мм' ~

% = Ей ~ + Е,+ Евтш1 + Ер1 + Я . + Е,,п + о;, + О,

М21 2/ (7)

где Е’1- удельная полная энергия массы нефти, проходящая через

и д(ргЕг) V

боковую поверхность Ег -----------------изменение полной энер-

а ыъ р

гии за счет нестационарности, Евнеш г - изменение полной энергии за счёт работы внешних массовых сил,

Ерг - (аИ ‘ Р1Ц1г0 - ' рЦ2г02 -Щ ■ Р Ц (02 - 0) - изменение

Р М2г

N .

полной энергии за счёт работы сил давления, Е - —— -

м21

N 1

изменение Ег- за счёт работы сил вязкости; Ефг - XЕ,-¥ТТ -

1=1 М2г

изменение полной энергии за счёт фазовых переходов и химиче-

0 1 3

ских реакций; - -—^~, <2г - -—-X4пы • 0к - удельный, от-

м2г м2г к-1

несённый к 1 кг нефти, тепловой поток через поверхность контрольного объёма.

Для нефтепродуктов уравнение записывается следующим образом:

Е^Е^ + Е'^+Е+Е^Е^ + д

М2 М2 р " (8)

Достаточно сложную и емкую проблему потерь нефтепродуктов от испарения можно формализовать. Что позволяет систематизировать, уточнить и методологически прояснить предметную область, выявить характер взаимосвязей между различными параметрами, выявить и сформулировать существующие нерешенные проблемы, а также по полученным формулам рассчитать основные параметры нефтепродукта в резервуаре.

-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кулагин А.В. Прогнозирование и сокращение потерь бензинов от испарения в горизонтальных подземных резервуаров АЗС. Автореферат УГНТУ. Уфа-2003

2. Кулагин А.В., Коршак А.А. Разработка методик расчета и сокращения потерь бензина из резервуаров автозаправочных станций // Проблемы нефтегазовой отрасли: Материалы научно-методической конференции. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000. - С. 196.

3. Смоленцев В.М. Прогнозирование потерь нефти в резервуарных парках

нефтеперекачивающих станций магистральных нефтепроводов: автореферат,

Тюмень 2003. ЕШ

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Федунец Н.И. - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Автоматизированные системы управления»,

Кузнецов Е.В. - аспирант кафедры АСУ, e-mail: k-i-w@mail.ru Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru