CC BY
0
УДК 621.642.3
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2024-1-2-56-61
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫВОДА УРАВНЕНИЙ МАССОВОГО РАСХОДА ЧЕРЕЗ ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН
DEVELOPMENT OF A METHOD FOR DERIVING MASS FLOW EQUATIONS THROUGH A BREATHING VALVE
Глушков С.В., Валеев А.Р., Хурамшина Р.А.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0009-0007-7572-730X, E-mail: semyonglushkov@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: anv-v@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9767-9627, E-mail: Khuramshina.regina@mail.ru
Резюме: В статье представлена методика вывода формул, которые впоследствии могут быть применены для расчета расхода газовоздушной смеси через дыхательный клапан резервуара в автоматическом режиме 0(ДР, h). Пошагово описаны приемы для линейки КДС-1500, которые могут быть распространены и на поиск зависимости Q(^, h) для других модификаций дыхательных клапанов. Подобраны формулы расхода газовоздушной смеси для полностью открытой тарелки давления и наполовину для КДС-1500/150/250/500. Уравнения подбирались в результате статистического анализа OLS следующих регрессий: линейной, полиномиальной, вида Z = ax + by и вида Z = axy. Описана методика предлагаемой системы автоматического учета углеводородов, выходящих в результате больших и малых дыханий.
Ключевые слова: потери от испарений, малые дыхания, большие дыхания, вертикальный резервуар, легкие фракции углеводородов, естественные потери.
Для цитирования: Глушков С.В., Валеев. А.Р., Хурамшина Р.А. Разработка методики вывода уравнений массового расхода через дыхательный клапан // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2024. № 1-2. С. 56-61.
D0I:10.24412/0131-4270-2024-1-2-56-61
Glushkov Semyon V., Valeev Anvar R., Khuramshina Regina A.
Ufa State Petroleum Technological Universith, 450064, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0009-0007-7572-730X, E-mail: semyonglushkov@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: anv-v@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9767-9627, E-mail: Khuramshina.regina@mail.ru
Abstract: The article presents a methodology for the derivation of equations that can later be used to calculate the flow rate of a gas-air mixture through a tank breathing valve in the atomic mode Q(AP, h). Step-by-step techniques for the CBV-1500 line are described, which can be extended to the search for the dependence Q(AP, h) for other modifications of breathing valves. The formulas for the flow rate of the gas-air mixture for a fully open pressure plate and half for CBV-1500/150/250/500 have been selected. The equations were selected as a result of statistical analysis of the following OLS regressions: linear, polynomial, of the form Z = a x + by and of the form Z = axy. The methodology of the proposed system of automatic accounting of hydrocarbons released as a result of working and standing is described.
Keywords: evaporation losses, standing losses, working losses, vertical tank, light hydrocarbon fractions, natural losses.
For citation: Glushkov S.V., Valeev A.R., Khuramshina R.A. DEVELOPMENT OF A METHOD FOR DERIVING MASS FLOW EQUATIONS THROUGH A BREATHING VALVE. Transport and storage of Oil Products and hydrocarbons. 2024, no. 1-2, pp. 56-61.
DOI:10.24412/0131-4270-2024-1-2-56-61
Введение
Одной из актуальных проблем XXI века является сокращение антропогенного влияния на окружающую среду. Многие крупные компании промышленного сектора во главе с государствами устремляют свои усилия на снижение неблагоприятного воздействия человека на природу.
Нефтегазовый сектор оказывает наибольшее влияние на окружающую среду при рассмотрении всей цепочки добычи и производства нефти и нефтепродуктов, а именно путь продукта от мест добычи и до использования потребителем. При транспортировке, хранении и перевалке происходят наибольшие потери продукта [1].
Согласно статистическому ресурсу [2], добыча нефти в ближайшем будущем будет возрастать, что соответственно приведет к увеличению потерь продуктов транспортировки. Законодательные меры со стороны государств, цели, поставленные компаниями на ближайшее будущее по снижению выбросов парниковых газов в атмосферу по всей цепочке продукта, были подробно рассмотрены в работе [3].
Предложение по формированию автоматической системы учета углеводородов, выходящих из резервуара в результате больших и малых дыханий, описанное в [3], было проверено на работоспособность и практическую применимость в [4]. В частности, были произведены опыты с водой, которые доказали применимость и работоспособность предлагаемой методики.
Суть предложенной методики заключается в следующем. При достижении порога избыточного давления внутри резервуара, тарелка давления дыхательного клапана приподнимается и сбрасывает излишки, то есть происходит выход газовоздушной смеси. В момент открытия тарелки давления происходит ежесекундное снятие показаний датчиков: датчика избыточного давления, датчика температуры, датчика концентрации углеводородов и акселерометра. Затем данные обрабатываются в автоматическом режиме и по заранее полученным формулам рассчитывается масса испарившихся углеводородов в результате большого или малого дыхания резервуара.
Целью данной работы является создание методики получения уравнений расчета расхода газовоздушной смеси через дыхательный клапан.
Описание вывода уравнений
Для разработки и анализа методики были выбраны наиболее часто используемые в производстве модели дыхательных клапанов [5] как в России, так и за рубежом, а именно: клапан дыхательный совмещенный (рис. 1). Характеристика выбранной дыхательной арматуры представлена в табл. 1.
На рис. 2 можно наблюдать модель дыхательных клапанов КДС-1500, загруженную в Ansys для дальнейших расчетов. Как видно из табл. 1, различные модификации КДС-1500 отличаются диаметром проходного патрубка и площадью выходного сечения тарелки давления, поэтому для расчета расхода выходящей смеси использовалась одна модель при изменении необходимых параметров. Как было уже выведено в работе [4], установку огнепреградителя на дыхательный клапан можно опустить, так как он не сильно влияет на расход газовоздушной смеси через дыхательный клапан.
Принцип работы клапанов прост. При повышении давления в резервуаре до критического сёдла давления, расположенные на верхней части клапанов, открываются и избыточное давление, возникшее в результате образования газообразных углеводородов, уменьшается. Если в резервуаре возникает вакуум, то вакуумные тарелки, расположенные по бокам клапана КДС-1500, открываются и воздушная масса заходит в резервуар из атмосферы. Примерзанию соприкасающихся поверхностей препятствует фторопластовая пленка.
Клапаны проектировались в Ansys начиная с присоединительного элемента, то есть с переходника, который прикрепляется к крыше резервуара, и клапаны проектировались только на моделирование выхода избыточного давления; тарелки, срабатывающие на вакуум, не проектировались и модель входа воздуха в резервуар не рассматривалась.
Расчеты расходов Q(AP, h) производились в Ansys пакет FluidFlow (Fluent with Fluent Meshing). В качестве рабочего тела использовалась смесь из паров бензина и воздуха в соотношении 4:1. Для паров бензина использовались следующие параметры: плотность - 1,9 кг/м3, кинематическая вязкость - 5,5^10-6 кг/(м-с); для воздуха: плотность - 1,225 кг/м3 и кинематическая вязкость - 1,9-10-6 кг/(м-с).
В работе подробно будут рассмотрены действия, производимые для получения уравнений расхода для КДС-1500/150. Аналогичные процедуры были проведены также для КДС-1500/250 и КДС-1500/500.
Для получения расхода газовоздушной смеси через дыхательный клапан задавались различные величины подъема тарелки давления h (мм) и различное избыточное давление P (Па). Для удобства восприятия данных полученные точки сведены в график (рис. 3). Здесь и далее все
Рис. 1. Схематическое изображение клапана дыхательного совмещенного (КДС-1500): 1 - корпус; 2 - тарелка вакуума; 3 - тарелка давления; 4 - переходник; 5 -огневой предохранитель; 6 - крышка; 7 - козырек
переменные, а именно высота подъема тарелки, избыточное давление и расход, являются долями от номинальных величин, то есть каждое изначальное значение поделено на максимальное в опытах. И следовательно, размерность h - мм/мм, Р - Па/Па, О - (кг/с)/(кг/с). Все приведенные формулы были получены в результате анализа долей номинальных величин.
I
Таблица 1
Характеристики дыхательного клапана КДС-1500
Наименование параметра Клапан дыхательный КДС-1500
Проход условный, мм 150; 200; 250; 350; 500
Рабочее давление, Па (мм вод. ст 2000 (200)
Рабочий вакуум, Па (мм вод. ст.) 250 (25)
Давление срабатывания, Па (мм вод. ст.) 1500-1600 (150-160)
Вакуум срабатывания, Па (мм вод.ст.) 100-150 (10-15)
Пропускная способность, м3/ч, не менее 450; 750; 1000; 1300; 1500
Габаритные размеры, не более: длина, мм ширина, мм 900 900
Высота, мм 800; 900; 900; 900; 800
Площадь сечения тарелок давления, см2 940
Площадь сечения тарелок вакуума, см2 1900
Присоединительные размеры D 260; 315; 370; 485; 640
D1 225; 280; 335; 445; 600
d 18; 18; 18; 22; 22
n, шт. 8; 8; 12; 12; 16
Масса, кг, не более 120
1-2 • 2024
57
После получения точек было решено с помощью Python подобрать наиболее подходящее уравнение плоскости для полученных данных. Для этого была использована библиотека машинного обучения scikit-learn [6] и ее под-пакеты sklearn.linear_model для поиска подходящей линейной плоскости, sklearn.metrics для вычисления коэффициента детерминации, а также подпакет sklearn.preprocessing для поиска полиномиальной плоскости. Для полученных точек было рассмотрено четыре вида уравнений, данные по которым представлены в табл. 2. Также отдельно для каждого типа плоскости, описывающей точки данных, был проведен анализ значимости коэффициентов по p-value, по результатам которого все коэффициенты, точнее их значение по p-value, меньше 0,05, то есть являются значимыми. При достижении значения коэффициента статистической значимости, а именно его p-value меньше 0,05, коэффициент считался значимым и оставлялся, в противном случае исключался из уравнения. Для удобства вывода формул все показания, включая высоту подъема тарелки h, избыточное давление АР и расчетное значение расхода газовоздушной смеси через дыхательный клапан Q были нормализованы путем деления значения параметра на его номинальное значение переменной в каждом конкретном случае. То есть формулы, приведенные ниже, получены для нормализованных параметров.
Графики рассмотренных плоскостей с точками данных, полученными из расчета в Ansys, продемонстрированы на рис. 4.
После OLS анализа всех уравнений, указанных в табл. 2 и 3, несмотря на наименьшую относительную погрешность для всех модификаций клапанов и для всех вариантов открытия тарелки давления полиноминальной регрессии, было решено использовать формулы, полученные с помощью линейной регрессии. Отрицательные значения коэффициента детерминации в табл. 2 и 3, говорят о том, что с помощью предлагаемой плоскости значения расхода невозможно точно посчитать.
Аналогичная работа была проделана и для данных расхода КДС-1500/250 и КДС-1500/500 (табл. 3), как для полностью открытой тарелки давления, так и для тарелки давления, открытой наполовину (рис. 5), для всех вышеперечисленных модификаций.
Таким образом можно выводить уравнения для других моделей дыхательных клапанов и использовать для расчета расхода газовоздушной смеси через них. Следующим шагом в данном направлении является поверка формул, полученных с помощью математического моделирования в
| Рис. 2. Модели дыхательных клапанов в Ansys SpaceClaim
I Рис. 3. Зависимость Q(AP, h) в дискретном виде
Ansys с реальными данными, после чего формулы можно будет использовать для расчета потерь углеводородов в результате испарений при больших и малых дыханиях из различных видов резервуара, где необходимым условием будет лишь наличие датчиков, участвующих в работе методики.
Полученный расход газовоздушной смеси будет направляться далее по методике для подсчета массовых потерь продукта.
Таблица 2
Данные по анализу точек КДС-1500/150
Модель R2 Уравнение MSE MAE Относительная погрешность
Линейная регрессия 0,992124 Q = 0,2579477005АЯ + 0,0835900214ft + + 0,6568754808 7,91E-06 0,002023 0,221772
Полиноминальная регрессия 0,996522 Q = 0,7619475790АЯ + 0,0316531246ft + + 0,3034554024АЯ2 + 0,0515182394АРЛ + + 0,0065318450ft2 3,49E-06 0,001426 0,156468
Регрессия вида Q = а-АР + ЬЬ -2,3948 Q = 0,9831142408АЯ + 0,1163043014h 0,00341 0,050634 5,490218
Регрессия вида Q = к-АР-Ь -181,841 Q = 1,5620504879А№ 0,18368 0,35767 39,11161
| Рис. 4. Графическое представление рассматриваемых уравнений плоскостей различного вида
7. = 0.257948Х + 0.083590у + 0.656875 Коэффициент детерминации (К2): 0.9921
7- = 0.761948Х + 0.031653у + -0.303455хл2 + 0.051518ху + 0.006532ул2 Коэффициент детерминации (И2): 0.9965
Q = а&Р + b■h + с
г = 0.983114Х + 0,116304у Коэффициент детерминации (Р2): -2.3948
На,
Q = aAP + hy
0.75 реречэ^8
Q = aAP + bh + CAP2 + dAPh + eh2
Z = 1.5620504879(x*y) Коэффициент детерминации (R2): -181.8409791357
Q = aAPh
1-2 •
2024
59
Таблица 3
Данные по анализу расхода газовоздушной смеси через КДС-1500
Модель Р2 Уравнение MSE МАЕ Относительная погрешность
Полностью открытая тарелка давления КДС-1500/250
Линейная регрессия 0,992286 0 = 0,2448550684АР + 0,0794770895Ь + + 0,6741992596 0,207363 6,99Е-06 0,001901
Полиноминальная регрессия 0,996637 0 = 0,7232560835АР + 0,0307582713Ь -- 0,2880529394АР2 + 0,0489364357АРЬ + + 0,0056185114Ь2 0,14546 3,05Е-06 0,001333
Регрессия вида 0 = аАР + ЬЬ -2,9605 0 = 0,9891464278АР + 0,1130541433Ь 5,607621 0,003591 0,051941
Регрессия вида 0 = кАРЬ -204,356 0 = 1,5669622252АР 39,19804 0,186211 0,360159
Полностью открытая тарелка давления КДС-1500/500
Линейная регрессия 0,996699 0 = 0,0144819015АР + 0,0549584479Ь + + 0,9284587473 8,36Е-07 0,000646 0,066733
Полиноминальная регрессия 0,999368 0 = 0,0265572984АР + 0,0215405365Ь -- 0,0170368305АР2 + 0,0337886790АРЬ + + 0,0036693498Ь2 1,6Е-07 0,000269 0,027994
Регрессия вида 0 = аАР + ЬЬ -25,8477 0 = 1,0394664492АР + 0,1011983523Ь 0,006798 0,071103 7,334727
Регрессия вида 0 = кАРЬ -832,184 0 = 1,6238070209АР 0,210979 0,383422 39,84525
Наполовину открытая тарелка давления КДС-1500/150
Линейная регрессия 0,994243 0 = 0,2397972169АР + 0,2428158620Ь + + 0,5074451823 3,05Е-05 0,003979 0,484643
Полиноминальная регрессия 0,996814 0 = 0,0000000000 + 0,6742019357АР + + 0,1067673164Ь + -0,2890836480АР2 + + 0,1361746004АРЬ + 0,0160912097Ь2 1,69Е-05 0,002643 0,324443
Регрессия вида 0 = аАР + ЬЬ 0,610467 0 = 0,7999981652АР + 0,2680880852Ь + + 0,0000000000 0,002061 0,03968 4,775721
Регрессия вида 0 = кАРЬ -22,0461 0 = 1,4682519235АР 0,121934 0,291185 36,16238
Наполовину открытая тарелка давления КДС-1500/250
Линейная регрессия 0,969715 0 = 0,2148261746АР + 0,7895229921Ь + + 0,0522787755 0,001627 0,03477 8,246048
Полиноминальная регрессия 0,973811 0 =0,2593627867АР + 0,2419114672Ь -- 0,1617539313АР2 + 0,4543481290АРЬ + + 0,1429113448ЬЛ2 0,001407 0,032414 7,203572
Регрессия вида 0 = аАР + ЬЬ 0,969314 0 = 0,1571123157АР + 0,7869193594Ь 0,001649 0,035036 8,19003
Регрессия вида 0 = кАРЬ 0,871451 0 = 1,1235111130АР 0,006907 0,065011 17,45285
Наполовину открытая тарелка давления КДС-1500/500
Линейная регрессия 0,972978 0 = 0,1793103300АР + 0,6943496020Ь + + 0,0921381196 0,001119 0,02934 5,762524
Полиноминальная регрессия 0,975 0 =0,2599360222АР + 0,3235769584Ь -- 0,1619840247АР2 + 0,3863740019АРЬ + + 0,0311384685Ь2 0,001035 0,028749 5,682198
Регрессия вида 0 = аАР + ЬЬ 0,971361 0 = 0,2810274490АР + 0,6989383443Ь 0,001186 0,02931 5,805613
Регрессия вида 0 = кАРЬ 0,588133 0 = 1,2030980584АР 0,01705 0,106036 22,9693
60 ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ И УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
Шаги методики, описанные в данной работе, были предложены в [4]:
1. С помощью выведенных формул рассчитывается расход газовоздушной смеси через дыхательный клапан:
Огвc = Е О¡
где ОГВС - суммарный массовый расход газовоздушной смеси через дыхательный клапан, кг/с; О^ - массовый расход газовоздушной смеси в /-ю секунду, рассчитанный по формуле О(AP, Л), кг/с.
2. Далее вычисляется масса легких фракций углеводородов (ЛФУ):
т/ = О( ■ t ■ С,
где т(- - масса газовоздушной смеси в ню секунду, кг; t -1 секунда, С( - концентрация ЛФУ в /-ю секунду, выходящих из дыхательного клапана, замеренная с помощью газоанализатора.
3. Суммарные потери ЛФУ за весь период открытия тарелки давления:
т = Х т(.
Заключение
Проведенный анализ показывает, что при увеличении проходного сечения дыхательного клапана значения расхода увеличиваются незначительно и демонстрируют, что методология получения уравнений одинакова. Аналогичные действия можно произвести для других видов дыхательных клапанов и получить уравнения расхода газовоздушной смеси, которые впоследствии можно вставить в методику учета и контроля выбросов ЛФУ из резервуара. Полученные формулы, как упоминалось выше, необходимы для автоматического учета углеводородов, выходящих через дыхательный клапан в результате больших или малых дыханиях. Расчет по ним производится непосредственно в первом шаге предлагаемой методики. По итогам авторами было решено использовать формулы, полученные посредством линейной регрессии, так как относительная погрешности, коэффициент детерминации незначительно больше, чем у полиноминальной регрессии, однако формулы гораздо удобнее, легче для понимания и требуется меньше коэффициентов для расчета.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Габдинуров Р.Р., Гареев М.М. Применение мягких оболочек внутри резервуара для предотвращения потерь от испарений нефти и нефтепродуктов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 4. С. 39-44.
Statista: INDUSTRIES & MARKETS The history of oil. URL: https://www.statista.com/ (дата обращения 01.03.2024).
Глушков С.В., Валеев. А.Р. Анализ методов учета количества испарений нефтепродуктов из резервуара //
Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 3-4. С. 49-53.
Глушков С.В., Валеев А.Р. Система автоматического учета углеводородов при испарении из резервуара //
Технологии нефти и газа. 2022. № 4. С. 50-54. DOI 10.32935/1815-2600-2022-141-4-50-54
Коршак А.А., Коробков Г.Е., Муфтахов Е.М. Нефтебазы и АЗС: учеб. пособие. Уфа: ДизайнПолиграфСервис,
2006. 416 с.
Машинное обучение в Python. Главная страница библиотеки scikit-learn. URL: https://scikit-learn.ru/ (дата обращения 01.03.2024).
REFERENCES
1. Gabdinurov R.R., Gareyev M.M. The use of soft shells inside the tank to prevent losses from evaporation of oil and petroleum products. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2021, no. 4, pp. 39-44 (In Russian).
2. Statista: INDUSTRIES & MARKETS The history of oil Available at: https://www.statista.com/ (accessed 1 March 2024).
3. Glushkov S.V., Valeyev. A.R. Analysis of methods for accounting for the amount of evaporation of petroleum products from a reservoir. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2023, no. 3-4, pp. 49-53 (In Russian).
4. Glushkov S.V., Valeyev A.R. System for automatic accounting of hydrocarbons during evaporation from a reservoir. Tekhnologii nefti i gaza, 2022, no. 4, pp. 50-54 (In Russian).
5. Korshak A.A., Korobkov G.YE., Muftakhov YE.M. Neftebazyi AZS[Oil depots and gas stations]. Ufa, DizaynPoligrafServis Publ., 2006. 416 p.
6. Mashinnoye obucheniye v Python. Glavnaya stranitsa bibliotekiscikit-learn (Machine learning in Python. Home page of the scikit-learn library) Available at: https://scikit-learn.ru/ (accessed 1 March 2024).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Глушков Семён Владимирович, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Валеев Анвар Рашитович, д.т.н., профессор кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Хурамшина Регина Азатовна, аспирант, ассистент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Semyon V. Glushkov, Postgraduate Student of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University. Anvar R. Valeev, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University. Regina A. Khuramshina, Postgraduate Student, Assistant of Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
1-2 • 2024
61
