Потери углеводородов в процессах опорожнения, наполнения и работы подключенного резервуара Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.1.016

В. П. Руднев, П. В. Руднева, М. В. Иванова

ПОТЕРИ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПРОЦЕССАХ ОПОРОЖНЕНИЯ, НАПОЛНЕНИЯ И РАБОТЫ ПОДКЛЮЧЕННОГО РЕЗЕРВУАРА

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.

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 Уп. 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 М1.

Предположим, что наполнение резервуара объемом Ур началось в момент, когда масса рабочей среды стала равной М\. На первом этапе наполнение происходит при закрытых клапанах вакуума и давления - газовая фаза рабочей среды сжимается в объеме АУсж (изменение объема газового пространства резервуара в результате сжатия газовой фазы рабочей среды). По окончанию этапа сжатия, равного сумме перепадов дыхательных клапанов вакуума и давления (АРкв + АРВД), масса рабочей среды равна М2.

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 Ун. Масса рабочей среды в резервуаре достигает максимальной (допустимой) величины М3, где Ун - 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 АУра (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 М 2.

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 - М\ и М3 - М2 . Для рассчета изменений объемов газового пространства резервуара при наполнении

и опорожнении получим величины, близкие к АУсг

' 1 1 ^

v v

V ад УДС J

и AV

ра

' 1 1 ^

. Подключен-

vv

V ав уви J

ный 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 уав и ууви обозначают соответственно

удельные объемы жидкой и газовой (воздуха) фаз рабочей среды в резервуаре при давлении вакуума; уад , vтдc - удельные объемы жидкой и газовой (смеси) фаз рабочей среды при давлении,

соответствующем избыточному; Ур, Уп - 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:

P — P

АУСж —Уп) , (1)

д

либо расширения рабочей среды:

P — P AV = P-в (V — V ).

ра P V р н)

Время полного цикла процессов

Условия эксплуатации резервуаров вынуждают нормировать показатели процессов наполнения и опорожнения. Если считать, что продолжительность данных процессов одинакова, можно составить следующее соотношение для единого процесса:

А У —АУ -АУ ~АУ АУ + АУ

АКс,„ + АУ АУсж = ра ^ ц|ра (2)

Ат V —т V —Ат V ту

ад ад удс удс ав ав уви уви

В формуле (2) величины разности массовых расходов жидкой фазы подачи т2ад, т2ав и отбора т1ад, т1ав , преобразованные в объемные по абсолютным значениям, равны в обоих процессах Атад = т2ад — т1ад , Атав = т2ав — т1ав, но отличаются противоположными знаками —Атавуав = Атадуад ; т, тудс - обозначают, соответственно, массовые расходы притока и истечения газа или газовой фазы (пара) в обвязку или в окружающую среду; АУ в уравнении АУ = Ун — Уп равна разности объемов резервуара, наполненного рабочей средой до допустимых верхнего Ун и нижнего Уп 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 (тсж + тн). 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 (тра+то). 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: qlщx = д1ав, д1ад = д2ав.

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 т2ад — т1ад = Ата.д , тд > С0, туви = ° тудС ф ° Р ^ Рд ;

— расширение т2ав — т1ав = Ата.в , тв < 0 тви Ф 0, тУдс = 0 Р ^ Рв .

Показатели тд, тв, массовой скорости изменения массы рабочей среды зависят от расходов притока жидкой т2ад , т2ав и газовой (воздуха) туви фаз и расходов истечения жидкой т1ад , т1ав и газовой (смеси воздуха и углеводородов) фаз тудс.

В процессе наполнения масса жидкой фазы увеличивается (т2ад — т1ад) > 0 , клапан вакуума закрыт, туви = 0 , давление рабочей среды равно избыточному Р = Рд, легкие компоненты истекают через клапан избыточного давления тудс Ф 0, но скорость изменения массы рабочей среды является положительной величиной тд > 0. Примем, что истечение газа (смеси воздуха и углеводородов) рабочей среды из резервуара условно относится к потерям. Наибольший объемный расход потерь дудс сопровождает наполнение резервуара и напрямую зависит от скорости изменения количества жидкой фазы и величин удельных объемов наполнения системы уд, жидкой уад и газовой (смеси) уудс фаз рабочей среды при избыточном давлении Рд .

п _Кад - т1ад )(- ^ ) Уудс (3)

^ _ (V - V) • (3)

V уди д )

В процессе опорожнения масса жидкой фазы уменьшается (т2ав - т1ав) < 0 , клапан избыточного давления закрыт, тудс _ 0, давление рабочей среды равно давлению вакуума Р _ Рв,

масса газовой фазы увеличивается в результате притока газа (воздуха) через клапан вакуума туви ^ 0 , но скорость изменения массы рабочей среды имеет отрицательную величину тв < 0 .

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 ув, жидкой уав и газовой ууви фаз рабочей среды при

давлении вакуума Рв:

(т2ав - т1ав )( V - ^ ) ^уви (4)

?уви _--7-ч-— • (4)

( V - V )

V уви в /

Оставляя равными по величине объемные расходы притока газа (воздуха) и истечения газа (смеси воздуха и углеводородов) в обвязку или окружающую среду т V _ т V в балансе данного процесса, приходим к выводу, что удельные объемы рабочей среды наполняемого vд и опорожняемого vв резервуара связаны соотношением

с 1 V V (V - V )

^ . А уви ад V в ав /

Vд _-+--V.,,, с _ ——--

1 I уди 1 I ад' I \

1 + с 1 + с v v (v — v )

£дс ав V уви в /

Уровень взлива рабочей среды колеблется в резервуаре, соответствуя одному (уц) 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 vyдс), истекающей через клапан давления, определяем по формулам материального баланса и условий единого процесса

V (т + т ) _ т V + т V т _ т а _ а + а

удс^ уди уду^ уди уди уду уду уви уди Чуви Чуди Чуду

где величины vyду, туду - удельный объем и массовый расход истекающих углеводородов. Оперируя данными соотношениями, получаем формулу

V V

V _. куду уви

удс

(v + v — v )

V уду уви уди /

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.

туду =Amw

( (^ — ^ ) (vв — ^в ) ^ ^

V

(v — v ) (v — v ) v

V уди ' д J V уви в / I

Допустим, п кратно, газовая смесь истекает в атмосферу.

30•3600

п = -

(Лтра + Л\ +Атсж + Атн)

Следовательно, потери углеводородов в едином процессе (наполнение - опорожнение) за месяц могут быть рассчитаны по формуле

Му = пЛтншуду кг/месяц.

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 Уп = Ун или Уп = Ун , где пока* * *

затель с индексом означает, что резервуар наполнен или опорожнен Уп = Ун . Тем не менее, равенство показателя Л У нулю приводит соотношение (2) к двум составляющим в левой и правой частях равенства и способствует упрощенному анализу технологического процесса подключенного резервуара.

Примем следующие обозначения: |Лшав| Уав = |Лшад| = а , = к , шyдсVyдс = д , ш7виутви = в ,

где разность ЛшавУав = -ЛшадУад 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 (д-а)

к = ■

д(в-а)

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 = да.

Расходы истечения газа д и притока газа в в газовое пространство, соответствующие крайним значениям деформаций, принимают следующие величины:

1) к = 0, д = а, в ф 0;

2) к = 1, в = д, а ф 0;

3) к = да, в = а, д ф 0.

Вышеприведенные показатели отражают процесс течения газа (пара) через дыхательные клапаны и газовое пространство резервуара:

1) газ не сжимается к = 0, жидкая фаза выталкивает газ (смесь) с тем же расходом, что имеет жидкость а = д ;

2) процессы сжатия и расширения газа (смеси) к = 1, равнозначны по степени деформации, а расход истечения газа из резервуара равен поступлению в = д ;

3) газ (смесь) не расширяется при опорожнении, а поступает с тем же расходом, что и жидкая откачиваемая фаза в = а . 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 -Лшадувд « ЛшавУав 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 -в до -д, 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 Лтсж и Лтра в левой и в правой частях уравнения (2) для подключенного

резервуара связаны соотношением

Лт = Лт —.

ра сж р

д

Деформации объемов газообразобразной фазы при давлениях Рв и Рд равны Ур - Уп = Ур - Ун = ЛУ . Поскольку допустимые минимальный и максимальный объемы равны

V = Ун , то объемы наполнения и опорожнения резервуара равны нулю ЛУ = Ун - Уп = 0.

Объемные расходы притока воздуха в резервуар и истечения газообразной фазы в атмосферу выразим через перепады давлений клапана вакуума ЛРкв, избыточного дваления ЛРкд

и характеристики сечений дыхательных клапанов: коэффициенты расхода, равные цд = wэ£э, цв = ^вев; wэ,- коэффициенты скорости, wд=—¡=^=,wв = , 1 -; £д,£в - коэффициенты

V1+Ъ V1+^

, , Юд Ю

местного сопротивления; е ,8 - коэффициенты сжатия, е =—-, 8 =—- ; юд ,ю - площади сжа-

®0 Ю

того сечения клапанов давления, вакуума; ю 0 - площадь зеркала рабочей среды в резервуаре. Преобразуем соотношение (2) для величины расширения и получим

¿V = ЛУ

Рд 1

Затем из соотношений (1) для подключенного резервуара определяем величину суммы отклонений дозирования жидкой фазы насосами:

. ЛУ * (Рд - Рв) . . V Лт! =-^^, Лт*. =-Лт; .

V Лт Р д -

ав ра д ав

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 под-

ключенного 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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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.

Статья поступила в редакцию 23.09.2015

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Руднев Виталий Петрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Химическая технология переработки нефти и газа»; vp.rudnev@mail.ru.

Руднева Полина Витальевна - Россия, 414022, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Теплоэнергетика»; polina_rudneva@mail.ru.

Иванова Мария Витальевна - Россия, 414022, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Теплоэнергетика»; polina_rudneva@mail.ru.

V. P. Rudnev, P. V. Rudneva, M. V. Ivanova

LOSS OF HYDROCARBONS DURING DISCHARGE, FILLING UP AND FUNCTIONING OF THE SET TANK

Abstract. Effective functioning of transport and passenger sea and river vessels depends on trouble-free operation of coastal oil depots and storage points. Much attention on oil depots is paid to operation of the tanks, the filling up of which is accompanied with the greatlosses.The model of the operating process in the tank, demonstrating the dependence between hydrocarbon losses and such parameters as speed of change of the phases, liquid and gas working environments and the system of the working envi-

ronment is presented. The model of losses is designed on the basis of the equations of state, storage and continuity for heterogeneous operating environments of the open system at the set temperature and pressure. The parameters typical for different stages of the process of exploitation of the tank: mass of the operating environment; volumes of contraction and expansion; duration of filling up, discharge and functioning of the tank; speed of the environment changes, expanses of liquid and gas phases and gas losses are analyzed. It is found that alongside with the increase in gas space, specific volume of gas phase and speed of change of liquid and gas phases, losses of gas (vapor)increase as well. The mechanism of losses of gas (vapor) from the connected tank speaks is described and it is compared with the losses from the tank filled up with the working environment for storage.

Key words: pressure, system, phase, component, balance, environment, mass, volume, operation, tank.

REFERENCES

1. Edigarov S. G., Mikhailov V. M., Prokhorov A. D., Iufin V. A. Proektirovanie i ekspluatatsiia neftebaz [Designing and exploitation of oil depots]. Moscow, NedraPubl., 1982. 280 p.

2. Abuzova F. F., Bronshtein I. S., Novoselov V. F. et al. Bor'ba s poteriami nefti i nefteproduktov pri ikh transportirovke i khranenii [Care about oil and oil products losses during their transportation and storage]. Moscow: NedraPubl., 1981. 248 p.

3. Korshak A. A., Korobkov G. E., Muftakhov E. M. Neftebazy i AZS [Oil depots and filling stations]. Ufa, DizainPoligrafServis Publ., 2006. 416 p.

The article submitted to the editors 23.09.2015

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Rudnev Vitaly Petrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Engineering Technology of Petroleum and Gas Refining"; vp.rudnev@mail.ru.

Rudneva Polina Vitalievna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Heat-and-Power Engineering"; polina_rudneva@mail.ru.

Ivanova Maria Vitalievna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Heat-and-Power Engineering"; polina_rudneva@mail.ru.