CC BY
115
УДК 622.692.4
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10201
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭМИССИИ УГЛЕВОДОРОДОВ НА ОБЪЕКТАХ НАЛИВА, ОБОРУДОВАННЫХ УСТАНОВКАМИ РЕКУПЕРАЦИИ ПАРОВ_
COMPARATIVE EVALUATION OF HYDROCARBONS EMISSIONS MEASUREMENT METHODS ON THE LOADING FACILITIES, EQUIPPED WITH VAPOR RECOVERY UNITS
А.И. Иванов1, К.К. Садреева1, В.В. Пшенин2, М.Т. Гайсин2
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9936-1900, E-mail: Ivanov_ai@inbox.ru
2 НТЦ ООО «НИИ Транснефть», 450055, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4604-3172, E-mail: vladimirspmi@mail.ru
Резюме: В работе рассматривается вопрос комплексного обеспечения экологической безопасности за счет решения задачи создания аналитической базы для принятия технических решений при эксплуатации, проектировании и перевооружении установок рекуперации паров (УРП) на объектах налива. В результате анализа различных технологических схем получены рекомендации по оснащению УРП приборами контроля содержания углеводородов в газовоздушной смеси и средствами измерения расхода. С целью оценки расхода газовоздушной смеси получена расчетная зависимость для оценки коэффициента превышения, пригодная для большинства рассмотренных вариантов оснащения установок рекуперации паров.
Ключевые слова: испарение нефти, установки рекуперации паров, потери нефти.
Для цитирования: Иванов А.И., Садреева К.К., Пшенин В.В., Гайсин М.Т. Сравнительная оценка методов определения параметров эмиссии углеводородов на объектах налива, оборудованных установками рекуперации паров // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 2. С. 5-8.
D0I:10.24411/0131-4270-2019-10201
Anton I. Ivanov1, Karina K. Sadreeva1, Vladimir V. Pshenin2, Marat T. Gaysin2
1 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9936-1900, E-mail: Ivanov_ai@inbox.ru
2 STC The Pipeline Transport Institute (PTI, LLC), 450055, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4604-3172, E-mail: vladimirspmi@mail.ru
Abstract: The paper addresses the issue of integrated environmental safety by solving the problem of creating an analytical base for making technical decisions when operating, designing and re-equipping the vapor recovery units at loading facilities.The result of the research allowed to formulating recommendations for equipping the vapor recovery units with devices for continuous monitoring of hydrocarbon emissions. In order to estimate the real vapor outflow, the equation was obtained to estimate vapor growth factor, which is suitable for most of the considered options of the vapor recovery unitsequipping.
Keywords: oil evaporation, vapor recovery units, oil losses.
For citation: Ivanov A.I., Sadreeva K.K., Pshenin V.V., Gaysin M.T. COMPARATIVE EVALUATION OF HYDROCARBONS EMISSIONS MEASUREMENT METHODS ON THE LOADING FACILITIES, EQUIPPED WITH VAPOR RECOVERY UNITS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 2, pp. 5-8.
DOI:10.24411/0131-4270-2019-10201
Введение
Различают следующие виды объектов налива нефти и нефтепродуктов в транспортные емкости: станции налива автоцистерн, эстакады налива железнодорожных цистерн, морские и речные терминалы погрузки барж и танкеров. Для всех этих объектов, за исключением налива жидкостей с низким давлением насыщенных паров, характерны значительные объемы эмиссии углеводородов в атмосферу [1-4]. Особенно остро стоит проблема снижения объемов эмиссии углеводородов на крупных морских терминалах, отгружающих нефть в танкеры. С целью повышения уровня экологической безопасности объекты налива оборудуются установками рекуперации паров нефти и нефтепродуктов (УРП). Для определения качественных и количественных параметров эмиссии углеводородов УРП оснащаются приборами контроля содержания углеводородов газовоздушной смеси (ГВС) и средствами измерения расхода. Степень оснащенности УРП может быть существенно различной в
зависимости от технической и экономической целесообразности. В связи с этим насущным вопросом практики эксплуатации и проектирования УРП является сравнительная оценка и выбор необходимого оборудования, а также аналитически-расчетное сопровождение принятых технических решений.
Анализ схем оснащения установок рекуперации паров измерительными приборами
Для определения качественных и количественных параметров эмиссии углеводородов УРП оснащаются приборами контроля содержания углеводородов в газовоздушной смеси и средствами измерения расхода. Измерение расхода на практике обычно производится ультразвуковыми расходомерами (на входе и выходе УРП или только на выходе), при помощи трубок Пито, переносных анемометров или не производится вовсе. Измерение компонентного состава ГВС гораздо более разнообразно: в практике
нашли применение различные виды газоанализаторов, кислородоме-ров, поточного хроматографиче-ского оборудования. Также возможен ручной отбор проб ГВС с последующим выполнением хроматогра-фического анализа. На рис. 1 представлены основные варианты принципиальных схем оснащения УРП на объектах налива приборами контроля содержания углеводородов в ГВС.
В табл. 1 представлена сравнительная характеристика различных схем оснащения УРП приборами штатного контроля содержания углеводородов в газовоздушной смеси.
Из табл. 1 следует, что на крупных объектах налива, для которых характерны большие объемы перевалки нефти и нефтепродуктов, предпочтительно использовать поточный хроматограф; в некоторых случаях при соответствующем обосновании допустимо использовать упрощенные схемы (хроматограф + кис-лородомер). Отдельно стоит отметить техническое решение по оснащению УРП газоанализатором на выходе. Большая часть газоанализаторов (ГА) не предназначены для определения суммы углеводородов С1-С10, или не укладываются в диапазон измеряемых концентраций (максимальные концентрации углеводородов в ГВС могут достигать 500 г/м3 и выше). Если оговоренные выше условия не соблюдаются, рекомендовать установку ГА на выходе УРП не рекомендуется.
Поскольку по компонентному составу представляется возможным описать только качественную сторону выбросов, с целью их количественной оценки УРП оснащаются различными системами измерения объемного расхода. В табл. 2 представлена сравнительная характеристика систем измерения объемного расхода ГВС на УРП.
Исходя из табл. 2 можно сделать вывод, что на крупных объектах налива УРП следует по возможности комплектовать ультразвуковыми расходомерами. Трубки Пито следует применять ограниченно - в отсутствие других средств измерений. Переносной анемометр в силу низкой точности можно применять только в исключительных случаях.
Существующие системы отвода газовой фазы, как правило, не полностью герметичны. Утечки приурочены к местам соединений рукавов отвода паров, горловинам и предохранительно-впускным клапанам железнодорожных и автоцистерн, трубопроводной обвязке и т.д. При наливе танкеров существенная часть углеводородов может покинуть
Рис. 1. Принципиальные схемы контроля содержаний углеводородов ГВС при наличии на объекте налива контролируемого отвода паров на УРП: 1 - транспортная емкость (танкер, ж/д или автоцистерна); 2 - трубопровод отвода газовой фазы; 3 - установка рекуперации паров (УРП); 4 - байпас; 5 - свеча рассеивания
газовое пространство емкости через линию сброса избыточного давления на мастрайзер [5]. В связи с этим вне зависимости от оснащенности УРП приборами контроля оценить общий объем испарившихся углеводородов можно только расчетным путем с использованием так называемого коэффициента превышения [4, 6, 7].
Для мгновенного значения коэффициента превышения на основе дифференциального уравнения состояния газовой фазы внутри цистерны получено уравнение
К
Q|
ГВС
Qн
-■у
1 -(1
^(1п(Хну • у))
d т
(1)
Таблица 1
Сравнительная характеристика различных схем оснащения УРП приборами контроля содержания углеводородов в ГВС
Вариант оснащения объекта
налива приборами контроля Достоинства Недостатки
содержания углеводородов в
ГВС
Хроматограф на входе и выходе УРП
Высокая точность измерительной системы. Возможность определить валовый выброс на выходе из УРП.
Определение достигаемой степени очистки ГВС с высокой точностью.
Возможность изучения изменения компонентного состава ГВС при прохождении УРП с целью настройки и оптимизации ее работы
Высокие капитальные и эксплуатационные затраты. На период хроматографического анализа контроль за содержанием углеводородов в ГВС утрачивается в силу дискретности отбора проб
Хроматограф на выходе и кислородомер на входе
Удовлетворительная точность измерительной системы;
Возможность определить валовый выброс на выходе из УРП;
Определение достигаемой степени очистки ГВС
Умеренные капитальные и эксплуатационные затраты.
Нельзя применять при наливе морских судов (газовое пространство танкеров инертизируется продуктами сгорания или азотом, таким образом, компонентный состав неуглеводородной части ГВС на входе в УРП имеет сложный характер [5])
Хроматограф на выходе Удовлетворительная точность измерительной Умеренные капитальные и эксплуатационные
системы. затраты.
Возможность определить валовый выброс на Отсутствие возможности определения достигаемой
выходе из УРП степени очистки ГВС
Газоанализатор на выходе Низкие капитальные и эксплуатационные затраты В большинстве случаев (условия оговорены ниже
в статье) не предназначены для определения
содержания углеводородов С1-С10 в ГВС
Таблица 2
Сравнительная характеристика систем измерения объемного расхода ГВС на УРП
Вариант оснащения объекта
№ п/п налива измерителями расхода Достоинства Недостатки
ГВС
1 Ультразвуковой расходомер на входе 1. Высокая точность измерительной системы. 1. Высокие капитальные и эксплуатационные
и выходе 2. Возможность определить валовый выброс затраты
на выходе из УРП.
3. Определение достигаемой степени очистки ГВС.
4. Настройка и регулирование режимов
эксплуатации УРП
2 Ультразвуковой расходомер на 1. Возможность определить валовый выброс на 1. Отсутствие возможности определения
выходе выходе из УРП. достигаемой степени очистки ГВС
2. Относительно невысокие капитальные
и эксплуатационные затраты
3 Трубки Пито 1. Низкие капитальные и эксплуатационные 1. Низкая точность измерений (плотность ГВС
затраты. обычно не измеряется, высокая погрешность на
2. Возможность при необходимости получить больших сечениях трубопроводов отвода газовой
расчетную оценку валового выброса на выходе из фазы и т.д.).
УРП 2 Дискретность измерений ЗИтоговым результатом
является лишь расчетная оценка величины валового выброса
где Qн - объемный расход налива нефти, м3/ч; QГВС - общий объемный расход газовоздушной смеси с учетом утечек, м3/ч; т - относительное время налива, безразмерное; уну -объемная доля неуглеводородных компонентов в ГВС, д. е.; т - относительное время налива, равное отношению текущего времени, прошедшего от начала погрузки t, к полному времени налива тн, безразмерное; у - относительное давление, равное отношению давления в газовом пространстве транспортной емкости к атмосферному, безразмерное.
При наливе железнодорожных и автоцистерн уну пропорционально %о2 (объемной доле кислорода), поскольку газовое пространство железнодорожных и автоцистерн в
начальный момент налива заполнено воздухом и в процессе налива компонентный состав неуглеводородной части ГВС неизменен (коэффициент пропорциональности 4,7738, соответствует содержанию кислорода в воздухе 20,95%). При наливе морских судов, однако, эта зависимость не соблюдается: газовое пространство танкеров инертизируется продуктами сгорания или азотом, кроме того, присутствует остаточный воздух, таким образом, компонентный состав неуглеводородной части ГВС носит неопределенный характер.
В связи с этим для станций налива автоцистерн и железнодорожных нефтеналивных эстакад допустимо применять упрощенную схему оснащения УРП приборами контроля:
кислородомер на входе и хроматограф на выходе. Исходя из показаний кислородомера, а также с использованием уравнения (1), можно оценить общий объем утечек за одну операцию налива:
tк 1
VуTечек = |(К ■ Qн - QУРП)■ ^ = ¡(К ■ Qн - Оурп)тн ■ dТ, (2)
^ 0
где QyРГ| - объемный расход, приходящий на УРП, м3/ч.
Из практики расчетов действующих объектов налива по формуле (2) установлено, что объем утечек в случае плохой герметизации может быть сопоставим по порядку величин с объемом ГВС, поступающим на УРП.
Выводы
В результате проведенной сравнительной оценки методов определения параметров эмиссии углеводородов на объектах налива, оборудованных УРП, можно сделать следующие выводы:
1. УРП на объекте налива должны быть по возможности максимально контролепригодны. Такой подход позволяет не только получать достоверные данные о выбросах, но и оптимизировать работу самих УРП за счет настройки их режимов работы.
2. В случае если экономически нецелесообразно максимально оснащать УРП приборами контроля, следует пользоваться соответствующими расчетными методиками в дополнение к имеющимся средствам измерений в рамках действующего производства, учитывая при этом особенности конкретной промплощадки.
3. Объем утечек в случае плохой герметизации может быть сопоставим с объемом ГВС, поступающим на УРП.
4. Для расчетных оценок доли неучтенного расхода ГВС, обусловленного негерметичностью системы, предлагается использовать полученную зависимость для коэффициента превышения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Давлетяров Р.Р., Лапина О.А., Половков С.А. Обеспечение экологической безопасности в районе нефтеналивного терминала порта Приморск // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2015. № 2. С. 84-87.
2. Выходцева Н.А., Костина Е.А., Уколова Е.С. Биомониторинг акватории бухты Козьмина в районе нефтеналивного терминала «Спецморнефтепорт Козьмино» // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2014. № 1. С. 86-91.
3. Вакаев А.Ю., Росляков Д.А., Киняшов М.А. Анализ современного состояния и перспектив реконструкции наливных пунктов московского региона ОАО «АК «Транснефть» // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2014. № 3 (15). С. 80-85.
4. Пшенин В.В., Гайсин М.Т. Моделирование газодинамических процессов при наливе танкеров // Горный информационно-аналитический бюллетень (науч.-техн. журн.). 2017. № 28. С. 3-12.
5. Баскаков С.П. Повышение экологической безопасности морской транспортировки нефти путем снижения эмиссии летучих органических соединений: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.36. СПб., 2005. - 164.
6. Бронштейн И.С., Новоселов В.Ф., Блинов И.Г. и др. К определению коэффициентов превышения объема выходящей из резервуара паровоздушной смеси над объемом закачанной нефти // Технология перекачки нефти, предотвращение потерь, автоматизированная система управления нефтепроводным транспортом сб. науч. тр. ВНИИСПТнефть. Уфа, 1985. С. 75-79.
7. Березин В.Л., Гумеров А.Г., Ясин Э.М. Экспериментальное определение количества газовоздушной смеси при заполнении резервуара / Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов и нефтебаз. Уфа, 1969. С. 305-308.
REFERENCES
1. Davletyarov R.R., Lapina O.A., Polovkov S.A. Ensuring environmental safety in the area of the oil terminal of the port of Primorsk. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta neftiinefteproduktov, 2015, no. 2, pp. 84-87 (In Russian).
2. Vykhodtseva N.A., Kostina Ye.A., Ukolova Ye.S. Biomonitoring of the Kozmin Bay water in the area of the Spetsmornefteport Kozmino oil terminal. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov, 2014, no. 1, pp. 86-91 (In Russian).
3. Vakayev A.Yu., Roslyakov D.A., Kinyashov M.A. Analysis of the current state and prospects for the reconstruction of the filling points of the Moscow region of JSC "AK "Transneft". Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov, 2014, no. 3 (15), pp. 80-85 (In Russian).
4. Pshenin V.V., Gaysin M.T. Simulation of gas-dynamic processes when loading tankers. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten', 2017, no. 28, pp. 3-12 (In Russian).
5. Baskakov S.P. Povysheniye ekologicheskoy bezopasnosti morskoy transportirovki nefti putem snizheniya emissii letuchikh organicheskikh soyedineniy. Diss. kand. tekhn. nauk [Improving the environmental safety of marine transportation of oil by reducing the emission of volatile organic compounds. Cand. tech. sci. diss.]. St. Petersburg, 2005. 164 p.
6. Bronshteyn I.S., Novoselov V.F., Blinov I.G. K opredeleniyu koeffitsiyentov prevysheniya ob»yema vykhodyashchey iz rezervuara parovozdushnoy smesi nad ob»yemom zakachannoy nefti [On the determination of the coefficients of exceeding the volume of vapor-air mixture leaving the tank over the volume of pumped oil]. Trudy VNIISPTneft': Tekhnologiya perekachki nefti, predotvrashcheniye poter', avtomatizirovannaya sistema upravleniya nefteprovodnym transportom [Proc. of VNIISPTneft: Oil transfer technology, loss prevention, automated control system for oil pipeline transport]. Ufa, 1985, pp. 75-79.
7. Berezin V.L., Gumerov A.G., Yasin E.M. Proyektirovaniye, stroitel'stvo i ekspluatatsiya gazonefteprovodov i neftebaz [Design, construction and operation of gas and oil pipelines and tank farms]. Ufa, 1969. pp. 305-308.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Иванов Антон Игоревич, к .т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Садреева Карина Каримовна, бакалавр, Уфимский государственный
нефтяной технический университет.
Пшенин Владимир Викторович, н.с. лаборатории экологии и
разработки ресурсосберегающих технологий, НТЦ ООО «НИИ
Транснефть».
Гайсин Марат Тагирович, зам. завлабораторией экологии и разработки ресурсосберегающих технологий, НТЦ ООО «НИИ Транснефть».
Anton I. Ivanov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University. Karina K. Sadreeva, Bachelor, Ufa State Petroleum Technological University.
Vladimir V. Pshenin, Researcher of the Laboratory of Ecology and the Development of Resource-saving Technologies, STC The Pipeline Transport Institute (PTI, LLC).
Marat T. Gaysin, Deputy Head of the Laboratory of Ecology and the Development of Resource-saving Technologies, STC The Pipeline Transport Institute (PTI, LLC).
