CC BY
55
УДК 629.463.32
Обоснование рабочих параметров налива
нефти и нефтепродуктов в вагон-цистерны
У.Э. АЛЛАЯРОВ, соискатель С.К.РАФИКОВ, канд.техн.наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (450062, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1)
E-mail: ural-ufa@mail.ru
Проведён анализ работы системы налива в железнодорожные вагон-цистерны. Обнаружено, что режим налива влияет на гидродинамическое состояние трубопровода и время заполнения. Предложен метод снижения гидродинамического воздействия потока на наливной трубопровод и уменьшения времени налива.
Ключевые слова: тактовая система налива, трубопровод, регулирование, гидродинамика.
Необходимыми требованиями для систем налива является высокая производительность, взрыво-и пожаробезопасность, экологическая безопасность [1]. Высокая производительность установки налива необходима чтобы исключить простой вагон-цистерн при наливе и уложиться в установленное службой МПС время возврата вагон-цистерн [2].
На сегодняшний день различают два основных метода налива нефтепродуктов: галерейный и тактовый. В установках тактового налива производительность достигает 700 м3/ч.
Для регулирования производительности используется наливной регулировочный клапан затворного типа, который при включении системы налива поворотом затвора меняет производительность от 0 до 700 м3/ч. При данном способе работы арматуры наблюдаются скачки давления, в три раза превышающие рабочее давление. Наибольшего размаха скачки давления достигают на 2-ом этапе налива при переходе с производительности налива от Qmin к QmaX [Ч.
Таблица 1
Характеристики работы системы налива
Проведённое исследование показало (табл. 1), что, максимальный размах давления в исследуемой области наблюдается при производительности налива 1000 м3/ч и времени переключения 1 с, минимальный - при 400 м3/ч и времени 9 с. Минимальное время налива осуществляется при производительности 1000 м3/ч и времени переключения 1 с.
Выбор сочетания производительности и времени переключения арматуры позволит уменьшить размах давления, и уменьшить время налива цистерны.
Выбор выполним в программе Microsoft Excel надстройкой «Поиск решения», которая использует алгоритм симплексного метода и метода нелинейной оптимизации Generalized Reduced Gradient (GRG2) [3].
Проведём обоснование режима налива на основе анализа следующих параметров: зависимость времени налива от производительности налива и времени открывания арматуры; зависимость раз-махов давления от времени открывания наливной арматуры для заданных производительностей налива.
Показатели Расчетные точки, m
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Размахи давления Р при наливе для различных Q и t
Производительность, Q, м3/ч 400 400 400 400 400 700 700 700 700 700 1000 1000 1000 1000 1000
Время переключения, t, с 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9
Давление, Р, кПа 619 261 138 80 63 1616 571 311 168 146 2475 738 414 278 247
Время налива Т для различных Q и t
Производительность, Q, м3/ч 400 400 400 400 400 700 700 700 700 700 1000 1000 1000 1000 1000
Время переключения, t, с 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9
Время налива Т, с 575,7 579,7 583,7 587,7 591,7 330,25 334,25 338,25 342,25 346,25 231,1 235,1 239,1 243,1 247,1
По исходным данным табл. 1, выполнен регрессионный анализ функциональной зависимости времени налива на 2 этапе — Т, от производительности налива — Q, и времени открывания наливной регулирующей арматуры — t. Получены следующие результаты регрессионного анализа:
Расчётные точки, т................15
д2 ..............................................0,9836
Ь................................................994,1397
т................................................0,9985
m„
1,0059
Соответственно получено следующее уравнение нелинейной регрессии, зависимости Т от Q и t:
Т* = 994,130,9985«1,00594 .
(1)
Я2 — величина, характеризующая точность целевой функции. При Я2=1 имеется функциональная зависимость, при Я2=0 функциональная зависимость отсутствует. Полученное значение Я2=0,986 достаточно высокое и подтверждает достоверность наличия зависимости между Т и Q, t.
Построим график времени налива системы тактового налива по исходным данным Т и по полученной модели Т* (рис. 1).
Проведём регрессионный анализ исходных данных (см. табл. 1) для определения коэффициентов зависимости целевой функции Р от Q и t. Получаем результаты регрессионного анализа: Расчётные точки, т 15
Я2................................................0,935
Ь..................................................326,906
т,................................................1,002
ш„
0,7486
Таким образом, получаем следующее уравнение регрессии, зависимость Р от Q и t:
Р*= 326,906*1,002Q*0,748'
(2)
Полученное значение Я2=0,935 подтверждает достоверность наличия зависимости между Р и Q, t.
Построим график размахов давления системы тактового налива по исходным данным Р и по полученной модели Р* (рис. 2).
На графике (см. рис. 2) видно, что модель достаточно точно описывает изучаемый процесс.
Рассмотрим задачу.
В качестве целевых функций выступают размах давления системы тактового налива, и время налива
Рис. 1. График зависимости времени налива системы тактового налива по исходным данным Т и по полученному уравнению регрессии Т*
Рис. 2. График зависимости размаха давления по исходным данным Р и по полученному уравнению регрессии Р*
на 2 этапе, которые должны быть минимальными. Р* = 326,906 1,002«0,7484 => min (3)
Т* = 994,130,9985« 1,00594 => min. (4)
Для решения двух целевых функций используем многопараметрическую оптимизацию с помощью обобщенной целевой функции Fg6, которая записывается следующим образом [4]:
F = У
г об ^k
F
-1 ak
F
норм
-> max,
(5)
где Fk — й-ая целевая функция; р^орм— нормирующее значение й-ой целевой функции; в — число составляющих целевых функций; ак — коэффициент веса й-ой целевой функции, 0< ак <1.
Таблица 2
Значения параметров налива при различных соотношениях коэффициентов веса
Параметры Соотношение коэффициентов веса, a,/a2 Существующий режим
0,7/0,3 0,5/0,5 0,3/0,7
Q, м3/ч 400 626,63 868,77 700
T, с 9 9 9 1
P, кПа 53,28 83,80 135,95 1616
T, с 574,99 409,18 284,48 330,25
Условия ограничения на параметры:
400 < Q < 1000, 1 < t < 9, Р*=> min, Т* => min
Fo6 = - а1
P*
T*
p* min
- a0
T* min
(6)
где ах — коэффициент веса целевой функции Р*, а2 — коэффициент веса целевой функции Т*.
При фиксировании минимального размаха давления, времени налива и различных коэффициентов веса получим следующие данные (табл. 2).
Сравним с существующим режимом (см. табл. 2, где <Э=700 м3/ч, г=1 с, Р=1616 кПа, T=330,25 с) найденные результаты. При соотношении коэффициентов веса 0,5/0,5, снижение размаха происходит с 1616 до 83,8 кПа. В тоже время увеличивается время налива на 2 этапе с 330,25 до 409,18 с. При соотношении коэффициентов веса 0,7/0,3 снижение размаха происходит с 1616 до 53,28 кПа, время налива увеличивается с 330,25 до 574,99 с.
Наилучший режим достигается при одновременном снижении размаха давления и времени налива, что происходит при соотношении коэффициентов веса 0,3/0,7. Размах давления снижается с 1616 до 135,95 кПа, время налива с 330,25 до 284,48 с.
Решение задачи с использованием регрессионного анализа позволило обосновать режим налива с параметрами: производительность налива — 868,77 м3/ч; время переключения — 9 с, при которых общее время налива сокращается в 1,16 раз, а размах давления уменьшается в 12 раз по сравнению с существующим режимом налива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Указания по проектированию автоматизированных установок тактового налива светлых нефтепродуктов в железнодорожные и автомобильные цистерны. УП АУТН-96. Нефтехиминформатика, 1996.
2. Правила перевозок грузов. Раздел 41. Правила перевозок жидких грузов наливом в вагонах-цистернах и бункерных полувагонах, 2003.
3. Дубина А.Г., Орлова С.С., Шубина И.Ю., Хромов А.В. Excel для экономистов и менеджеров. Экономические расчеты и оптимизационное моделирование в среде Excel. — СПб.: Питер, 2004.
4. Ганиев Р.Ф., Низамов Х.Н., Дербуков Е.И. Волновая стабилизация и предупреждение аварий на трубопроводах. — М.: Изд-во МВТУ, 1996. — 257 с.
FOUNDATION OF OPERATING PARAMETERS OIL AND PETROLEUM FILLING IN RAIL TANK CARS
Allayarov U.E.
Rafikov S.K., Cand.Tech.Sci.
Ufa State Petroleum Technological University (1, ul. Cosmonauts, Ufa, Republic of Bashkortostan,
450062, Russian Federation)
E-mail: ural-ufa@mail.ru
ABSTRACT
Analysis of the system operation loading in railway tank car. Found that the mode of loading affects the hydrodynamic condition of the pipeline and filling time. The method of reducing the hydrodynamic flow effects on the filler pipe and reduce the time of loading.
Keywords: on-spot loading system; pipeline; control; hydrodynamic.
REFERENCES
1. UP AUTN-96. Ukazaniya po proyektirovaniyu avtomatizirovannykh ustanovok taktovogo naliva svetlykh nefteproduktov v zheleznodorozhnyye i avtomobil'nyye tsisterny [Guidelines for the design of automated clock filling installations of light oil in the rail and road tank]. Neftekhiminformatika, 1996.
2. Pravila perevozok gruzov. Razdel 41. Pravila perevozok zhidkikh gruzov nalivom v vagonakh-tsisternakh i bunkernykh poluvagonakh [The rules of cargo. Section 41. Rules of transportation of liquid cargo in bulk in tank cars and hopper gondola], 2003.
3. Dubina A.G., Orlova S.S., Shubina I.Yu., Khromov A.V. Excel dlya ekonomistov i menedzherov. Ekonomicheskiye raschety i optimizatsionnoye modelirovaniye v srede Excel. Saint Petersburg: Piter Publ., 2004. (In Russian).
4. Ganiyev R.F., Nizamov Kh.N., Derbukov Ye.I. Volnovaya stabilizatsiya ipreduprezhdeniye avariy na truboprovodakh, Moscow, MVTU Publ., 1996. 257 p. (In Russian).
