Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров универсальной управляемой камеры для сокращения потерь нефтепродуктов при хранении в резервуарах

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров универсальной управляемой камеры для сокращения потерь нефтепродуктов при хранении в резервуарах"

На правах рукописи 005012775

ПАРХОМЕНКО Виктор Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УНИВЕРСАЛЬНОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ СОКРАЩЕНИЯ ПОТЕРЬ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ ХРАНЕНИИ В РЕЗЕРВУАРАХ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ? ДР

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005012775

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Северо-Кавказском государственном техническом университете.

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный горный университет, кафедра транспорта и хранения нефти и газа, заведующий кафедрой

кандидат технических наук, доцент, Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра промышленной теплоэнергетики, доцент

Ведущее предприятие - ОАО «Сибнефтепровод».

Защита состоится 19 апреля 2012 г. в 14 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.10 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках Санкт-Петербургского государственного горного университета и Северо-Кавказского государственного технического университета.

Автореферат разослан 16 марта 2012 г.

Басов Евгений Дмитриевич

Официальные оппоненты:

Коршак Алексей Анатольевич

Хафизов Флюр Мугаллимович

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время вопросам энергетической безопасности России уделяется все более серьезное внимание на всех уровнях законодательной и исполнительной власти. Особое ключевое место при этом занимает проблема повышения эффективности и безопасности хранения всей номенклатуры нефтепродуктов, обладающих очень специфическими свойствами.

Высокая испаряемость большинства сортов сырой нефти и светлых нефтепродуктов приводит к значительным потерям при хранении, причем потери эти как количественные, так и качественные, потому что испаряются главным образом наиболее легкие и ценные фракции горючего. По этой причине ко всем конструкциям резервуаров предъявляются, помимо прочности и долговечности, требования по снижению потерь от испарения. Эти потери не только приносят большой убыток экономике предприятия, но и приводят к загрязнению окружающей среды, поэтому борьба с ними является одной из главнейших задач.

По различным оценкам ежегодно в атмосферу планеты выбрасывается от 50 до 90 млн. т. углеводородов. Значительная часть этих выбросов приходится на предприятия нефтеперерабатывающей и нефтегазодобывающей отраслей промышленности. В России, по сведениям Федеральной службы государственной статистики, потери от испарения в 2009 г. составили 4,8 млн. т. Для снижения этих потерь применяют резервуары с понтонами и плавающими крышами, сооружают системы для улавливания легких фракций нефти или нефтепродуктов (УЛФ) и применяют резервуары специальных конструкций. Абсорбционные и адсорбционные системы УЛФ сложны, конденсационные - дороги, компрессорные - капиталоёмки и пожа-ровзрывоопасны. Для сокращения потерь от испарения, наряду с вышеперечисленными используются различные технические средства: диски-отражатели, газовые обвязки, газоуравнительные системы и прочее. Однако эффективность их применения не всегда высока. В качестве альтернативы традиционным средствам сокращения используются эжекторные системы УЛФ. Они относительно просты, имеют относительно невысокую стоимость, взрывобезопасны, но методы расчета таких систем находятся в стадии разработки, не оп-

3

ределена область их применения. Управляемая камера (УК) устанавливается в герметичный резервуар и служит для компенсации «дыханий», ликвидируя контакт нефтепродукта с воздухом, сокращая потери от испарения.

Выбор тех или иных конструктивных мер для уменьшения потерь зависит от назначения резервуара и условий хранения.

В настоящее время имеет место серьезная тенденция роста аварийных ситуаций в резервуарных парках практически по всему миру, причем детальный анализ имеющейся статистической информации свидетельствует об экспоненциальной зависимости количества аварий от времени эксплуатации резервуаров, что сопровождается значительными финансовыми, материальными потерями и экологическим ущербом. Все это, безусловно, свидетельствует об актуальности рассматриваемой проблемы повышения эксплуатационной надежности резервуаров и сокращения потерь нефтепродуктов от испарения.

Целью диссертационной работы является сокращение потерь от испарения хранимого нефтепродукта за счет применения в резервуаре управляемой камеры, заполняемой азотом.

Основные задачи:

1. Провести сравнительную оценку эффективности различных средств сокращения потерь бензина от испарения.

2. Разработать методы расчета конструктивных и эксплуатационных параметров управляемой камеры и вспомогательного оборудования.

3. Создать и провести испытания опытного образца управляемой камеры.

4. Выполнить технико-экономический анализ области применения управляемой камеры совместно с генератором азота (УК-1) и компрессором азота (УК-2).

Идея работы

Для уменьшения потерь от испарения нефтепродуктов в резервуаре следует сделать резервуар герметичным, а для компенсации «дыханий» - установить в нем управляемую камеру, наполняемую азотом; «дыхания» резервуара будут осуществляться за счет азота, находящегося в управляемой камере, сохраняя при этом нефтепродукт от испарения.

Научная новизна работы

• Установлена эффективность нового метода сокращения потерь нефтепродуктов от испарения, которая достигается за счет использования управляемой камеры, наполняемой азотом, и способной изменять свой объем при изменении давления в ней.

• Определена зависимость производительности оборудования от скорости слива нефтепродукта при использовании управляемой камеры совместно с генератором азота (УК-1) и компрессором азота (УК-2).

Защищаемые научные положения:

1. Область применения управляемой камеры, работающей с использованием генератора азота, соответствует коэффициентам оборачиваемости резервуаров от 5 до 39 раз в год.

2. Оборудование для совместного использования с управляемой камерой подбирается в зависимости от производительности генератора азота при максимальной загруженности нефтебазы, объема ресивера азота и скорости слива нефтепродукта.

Методика исследований

В основу проведенных исследований положен системный подход к изучаемому объекту. При решении поставленных задач использован комплексный метод исследований: обобщение и анализ теоретических и экспериментальных трудов в области прогнозирования и сокращения потерь нефти от испарения, методы математической статистики, планирование и обработка экспериментальных данных с помощью методов регрессивного анализа.

Достоверность научных положений обоснована и подтверждена использованием современных методов при проведении теоретических исследований, математического моделирования системы, достаточной сходимостью расчетных и экспериментальных данных.

Практическая значимость работы:

• Разработано устройство, которое способно компенсировать «дыхания» резервуара, позволяя сделать резервуар герметичным, и ликвидировать потери от испарения (например: при десятикратной

оборачиваемости для резервуара V=5 тыс. м3 с понтоном сокращение потерь от испарения составит 6 т/год, в резервуаре со стационарной крышей, не оборудованном средствами сокращения потерь -83 т/год) (патент №2305655);

• Определена зависимость производительности генератора азота (УК-1) при максимальной загруженности нефтебазы и объема ресивера азота от скорости слива нефтепродукта. Разработаны рекомендации использования систем УК-1 и УК-2 для наполнения управляемой камеры азотом (патент № 82685).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

• пятой межрегиональной научной конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России» (г. Ставрополь, 2005 г.);

• Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2006 г.);

• Международной научной конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России» (Ставрополь, 2007 г.);

• первой научно-практической конференции «Молодые таланты Росинг» (Москва, 2007 г.);

• одиннадцатой региональной научно-технической конференции «Вузовская наука Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2007 г.);

• седьмой отраслевой научно-практической конференции ООО «Газпром трансгаз Ставрополь (п. Рыздвяный, 2008г.);

• на XIV Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции.» (Санкт-Петербург, 2008 г.);

• Международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - в XXI веке» (Ставрополь, 2009 г.);

• конкурсе на лучшую молодежную научно-техническую разработку по проблемам топливно-энергетического комплекса «ТЭК» / Национальная система развития научной, творческой и инновационной деятельности молодежи России «ИНТЕГРАЦИЯ» (г. Москва, 2009 г.);

• восьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности ОАО «Газпром» (Москва, 2009 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы представлены в десяти публикациях и двух патентах. Из них три статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Реализация результатов работы

Разработанная система сокращения потерь нефтепродукта от испарения при использовании управляемой камеры, наполненной азотом, может применяться на предприятиях нефтегазовой отрасли, осуществляющих операции приема и хранения нефти в РВС, при проектировании и реконструкции резервуаров. Устройство управляемой камеры в резервуаре позволит добиться уменьшения выбросов углеводородов в атмосферу при меньших затратах, чем при использовании традиционных технических средств.

Научные и практические результаты работы рекомендуются к использованию в учебном процессе СевКавГТУ при изучении дисциплины «Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» студентами специальности 130501.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 136 страницах текста, содержит 38 рисунков, 14 таблиц, список использованных источников из 130 наименований.

Автор выражает признательность д.т.н., профессору кафедры нефтегазовое дело Северо-Кавказского государственного технического университета Е.Д. Басову за консультации при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, идея и задачи исследований. Приведены основные

защищаемые научные положения, научная новизна и практическая значимость работы. Дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния методов и средств сокращения потерь нефти и нефтепродуктов от испарения из резервуаров типа РВС.

При хранении темных нефтепродуктов или тяжелых нефтей потери углеводородов от испарения незначительны. И наоборот, при хранении легкоиспаряющихся нефтепродуктов или нефтей с потенциалом бензина 5% и более они могут быть более 2 кг в месяц с 1 м2 поверхности испарения. Потери от испарения происходят вследствие вентиляции газового пространства, от «больших и малых дыханий».

Общие научные принципы проектирования, возведения и эксплуатации стальных вертикальных резервуаров и выбор технических средств сокращения потерь нефтепродуктов от испарения сформулированы в работах отечественных ученых Ф.Ф. Абузовой, В.А. Афанасьева, И.С. Бронштейна, С.А. Бобровского, С.Г. Едигаро-ва, Н.Д. Иванова, A.A. Коршака, С.А. Коршака, В.М. Михайлова, В.Ф. Новоселова, O.A. Ткачева, П.И. Тугунова, И.Х. Хизгилова, В.Г. Шухова и др.

В настоящее время научными исследованиями и разработками новых решений в резервуаростроении занимаются научно-исследовательские и проектные организации: Башнефтепроект г. Уфа; ОАО «ВНИПИнефть» г. Москва; ТатНИПИнефть г. Бугульма; РГУ им. Губкина, г. Москва; ИПТЭР г. Уфа; ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П.Мельникова г. Москва и др.

Большая часть применяемых в настоящее время устройств для сокращения потерь нефтепродуктов, в том числе разработанных ранее вышеперечисленными исследовательскими и проектными организациями, потеряли актуальность. Изобретения устаревают морально и физически, по причине увеличения объемов перекачки нефтепродуктов и ужесточившихся экологических требований. К тому же, они не способны обеспечить должный уровень сохранности хранимого продукта, что приводит к его безвозвратной потери и, как следствие, материальным убыткам.

В настоящее время существует множество различных устройств сокращения потерь, самым распространенным является пон-

8

тон. Понтон сокращает потери от испарения бензина, но в резервуаре над ним образуется, как правило, паровоздушная смесь со взрыво- и пожароопасной концентрацией за счет несовершенства уплотнения и появления мокрой стенки при выдаче бензина. Кроме того, он дорог, сложен в монтаже и недолговечен. Одним из главных недостатков применения понтона является невозможность использования газоуравнительной системы между стационарными и подвижными емкостями. Плавающие крыши имеют сложную конструкцию, дорогостоящие в эксплуатации и требуют дополнительных мер по борьбе с осадками и обледенением (дождь, снег, лед). На горизонтальных резервуарах АЗС и нефтебазах применение таких устройств конструктивно невозможно. Полимерные гибкие плавающие крыши, предложенные авторами О.А.Ткачевым, П.И. Тугуновым, а также описанные в диссертации д.т.н. A.A. Землянского, имеют высокую эффективность сокращения потерь и высокий уровень плавучести. Однако, не решенным в полном объеме остаётся вопрос удаления осадков с гибкой кровли и непотопляемость плавающей конструкции, а также долговечность и надежность затворов.

В компрессорных системах УЛФ компримирование паров приводит к повышению их температуры, что требует дополнительных затрат на охлаждение паров с целью обеспечения конденсации углеводородов. Наиболее эффективным методом сокращения потерь бензинов от испарения, на сегодняшний день, является применение эжекторных систем УЛФ, разработанных A.A. Коршаком. Стоимость эжекторных установок ниже, чем компрессорных систем, но они имеют большой недостаток - уменьшение полезного объема резервуара.

По итогам проведенного анализа способов хранения нефтепродуктов можно констатировать, что потери нефтепродуктов от испарения из резервуаров при «больших и малых дыханиях» являются неотъемлемой частью их хранения. При устройстве управляемой камеры резервуар герметизируется, а «дыхания» будут производиться за счет азота находящегося в УК, незначительные потери тяжелых углеводородов будут лишь в виде осадка на стенках и днище резервуара.

Во второй главе рассмотрена актуальность применения управляемой камеры, представлены результаты теоретических рас-

9

четов и экспериментальных данных модели резервуара с установленной управляемой камерой.

Рациональный способ для уменьшения потерь нефтепродуктов - устройство управляемой камеры, представляющей собой герметичную гофрированную оболочку, которая способна легко изменять свой объём при изменении давления в ней. Данный метод эффективен при модернизации уже существующих резервуаров со стационарной кровлей, обладающих значительными потерями при «больших и малых дыханиях». Когда резервуар полностью наполнен жидкостью (рис. 1), управляемая камера спущена и полностью прилегает к крыше резервуара. При уменьшении количества жидкости в резервуаре понижается давление в управляемой камере. Изменение регистрируют датчики давления. Автоматически происходит перепускание азота из ресивера в оболочку камеры до заданного значения избыточного давления, полностью заменяя недостающее количество жидкости, препятствуя образованию газовой шапки и предотвращая потери нефтепродуктов от испарения. При наполнении резервуара нефтепродуктом, равно как и при расширении хранимого продукта при нагревании, с тем, чтобы не допустить критического превышения давления, в резервуаре открывается обратный клапан, и азот из оболочки управляемой камеры сбрасывается в ресивер низкого давления. Компрессор включается при достижении установленной разницы показаний манометров. Использование двух ресиверов обеспечивает автономную работу управляемой камеры без включения компрессора довольно продолжительное время, что влечет существенное снижение энергозатрат. «Дыхания» резервуара являются автономными, а цикл движения азота - замкнутым, что не требует постоянного пополнения системы азотом.

Предложено два технических решения наполнения управляемой камеры азотом: с использованием генератора азота (УК-1) (рис. 1 А) и с использованием системы двух перепускных ресиверов с насосом-компрессором азота (УК-2) (рис. 1 Б).

Расчетным путем была определена потребная емкость ресиверов высокого и низкого давления, производительность компрессора.

Рисунок 1 - Схема работы установки при использовании:

А-УК-1; Б-УК-2: 1 - резервуар; 2 - запорный кран; 3 - управляемая камера; 4 - датчик температуры; 5 - обратный клапан; 6 - запорный клапан; 7 - ресивер азота низкого давления; 8 - генератор азота; 9 - насос-компрессор азота; 10 - запорный кран; 11 - нагнетательный трубопровод; 12 - трубопровод сброса давления; 13 - ресивер азота высокого давления; Мь М2, М3> М4 - датчики давления; N2 - газоанализатор; Zb Z2 - уровень нефтепродукта

Проведено успешное испытание опытной модели резервуара с управляемой камерой. Во время проведения испытаний на корпусе модели резервуара не появились трещины, не образовались течи, управляемая камера равномерно перемещалась по резервуару, газоанализатором Delta 2000 пары нефтепродукта на расстоянии 50 мм от модели резервуара не зарегистрированы, масса бензина до и после проведения испытаний осталась неизменной.

При проведении эксперимента для поддержания заданного значения избыточного давления (0,02 МПа) в управляемую камеру закачивался азот в объеме:

Vn.N2.0.02 = vn.№ (при Р=0,12 МПа) - V„.№ (при Р=0,1 МПа); (1)

293 1СГ3

Уп.,2(Р=0Д2)=(0,968-Р+1)-^-—-Fpo,

И

293 КГ3

Уп.к2(Р=0,1) =(0,968-/>+1).——Гп.

где У„№ - объем азота для поднятия давления до заданного значения; Ур0 - объем модели резервуара; 2 - коэффициент сжимаемости азота; I - температура газа в баллоне при измерении давления, °С.

Полученные результаты позволили сделать вывод, что управляемая камера в автономном режиме полностью способна обеспечить «большие и малые дыхания» резервуара, тем самым, обеспечивая сохранность нефтепродукта от испарения в полном объеме.

Для предотвращения перекоса и проворачивания камеры к нижней части прикрепляется металлическая конструкция (рис.2), которая выполняет функцию направляющей УК. После предварительной подготовки резервуара к стенкам должны быть прикреплены направляющие резервуара 5.

Рисунок 2 - Схема конструкции направляющей 1 - направляющая управляемой камеры; 2 - планки фиксации; 3 -управляемая камера; 4 - стенка резервуара; 5 - направляющая резервуара

При монтаже направляющая управляемой камеры через смотровой люк подается в резервуар, затем разворачивается, прикрепляется к нижней части управляемой камеры 3 и фиксируются при помощи планок фиксации 2. Направляющая управляемой камеры в местах

12

скольжения имеет сферическое закругление, а место контакта направляющих резервуара и УК находится на 100 мм ниже уровня нефтепродукта (погружена в него). Для снижения трения направляющая резервуара 5 покрыта полимерным материалом, что исключает искрообразование и снижает трение. Управляемая камера по ширине меньше резервуара, при возвратно-поступательных движениях гофра материала не касается стенок резервуара (трения не происходит). Контакт происходит в местах движения по направляющим и в месте крепления к стенке резервуара (вверху стенки).

Конструктивное преимущество от известных устройств заключается в том, что резервуар является герметичным. Контакт нефтепродукта с воздухом отсутствует, «дыхания» резервуара осуществляются за счет азота управляемой камеры, следовательно, испарения не происходит.

В третьей главе работы приведено обоснование параметров оборудования для резервуаров с установленной управляемой камерой.

Определена зависимость производительности генератора азота при максимальной загруженности нефтебазы, объема ресивера азота и скорость отбора нефтепродукта, а так же время работы системы при аварийном отключении электроэнергии

Уп

' = —Т2-' (2)

где г-время при котором в ресивере не останется азота Ур«,с = 0, ч; У„ - количество азота в ресивере, м3; VI - скорость отбора нефтепродукта из резервуара, м3/час; кп - количество азота в 1 м3 пространстве резервуара; - производительность генератора азота, м3/час.

Решена задача выбора оптимального по стоимости ресивера азота и насоса-компрессора при использовании системы УК-2, в том числе для резервуаров различной вместимости. Результаты расчетов представлены на рис.3. На основании полученных зависимостей произведен подбор оптимального оборудования для работы системы.

О +.......-............'...........XX -...........r-

0 50 100 150

j i Суммарная стоимость K+Pec — /V- Стоимость компрессоров • * 4 • • V опт

Рисунок 3 - Зависимость стоимости оборудования от объема ресивера (для резервуара РВС 1000)

По результатам расчетов (рис.3) находится значение оптимального объема ресивера Уопт, которое может не совпадать со стандартными размерами выпускаемых ресиверов. Подбирается ресивер близкий по расчетному объему, исходя из стандартов и типоразмеров резервуарных конструкций.

Управляемую камеру планируется применять как при модернизации существующих резервуаров, имеющих значительные потери от испарения, так и при строительстве новых. В третьей главе диссертационной работы произведен расчет прочности стенки резервуара с учетом веса установленной УК для различных нефте-стойких материалов. Результаты представлены на рис.4.

Анализируя полученные результаты исследований зависимости прочности стенки резервуара от нагрузки управляемой камеры можно сделать вывод о безопасности использования в резервуаре управляемой камеры. Давление, создаваемое управляемой камерой, не превосходит критического значения давления для стенки резервуара, следовательно, управляемую камеру можно использовать как при модернизации существующих резервуаров, так и при строительстве новых.

200 250 300 350

—-В ■ Стоимость ресиверов в.д. —*— V опт.ст.

12 11 10 99999 99999 t, мм

--YCR —*—02(1,2) —0—02(1) —А— c2(0,7) • o2

Рисунок 4 - Зависимость прочности стенки резервуара от толщины стенки при использовании различного материала УК: yc'R - прочность стенки резервуара

В четвертой главе произведена экономическая оценка области применения УК-1, УК-2 и других средств сокращения потерь нефтепродуктов от испарения методом сравнения Ка-критерия - отношения среднегодового экономического эффекта от применения УК к годовому ущербу от потерь бензина для различных средств сокращения потерь в зависимости от коэффициента оборачиваемости и номинальной вместимости резервуаров. Ка-критерий для различного оборудования определяется по формуле A.A. Коршака. Для резервуара с УК примет вид

t„ t„

v

(3)

где F(E) - функция, величина которой зависит от нормы дисконта;

S - величина сокращения потерь бензина, достигаемая в результате оснащения всех резервуаров рассматриваемым техническим средством, при расчета Ka-критерия для управляемой камеры принимаем S=l, т.к. система герметична;

кул, Эуд - соответственно удельные капитальные затраты и эксплуатационные расходы на сокращение потерь 1т бензина в резервуаре с управляемой камерой; tc - срок службы проекта; о* - обобщенная цена 1 тонны бензина.

Удельные капитальные затраты куд на сокращение потерь 1 т бензина определяются суммарной стоимостью управляемой камеры, вспомогательного оборудования и затратами на монтаж системы.

Стоимость системы при использовании управляемой камеры совместно с генератором азота определяется по формуле

Sl=Syk+ Sr№+ Spec, н.д., (4)

где Syk - стоимость УК;

SrN2 - стоимость генератора азота;

Spec, н.д - стоимость ресивера низкого давления.

Стоимость системы при использовании управляемой камеры совместно с системой перепускных ресиверов (высокого и низкого давления) и компрессором азота определяется по следующей зависимости

S2~Syk+ S рес.н.д. + S№ + Sk + S pec. в д _ (5)

где SN2 - стоимость азота для заполнения системы; Sk - стоимость насоса-компрессора азота; S рес. в.д. - стоимость ресивера высокого давления.

При расчете Ка-критерия необходимо знать объем «малых дыханий». При установке УК в резервуар последний герметизируется и выбросов паров не происходит, следовательно Ры = Рпйп, Ры = Ртах, тогда а - массовое содержание паров нефтепродукта в ПВС, вытесняемой из резервуара о = 0, отсюда формулу H.H. Константинова для определения «малых дыханий» можно привести к виду

G,,=Vr. In

где Vr- объем ГП резервуара; Ра - атмосферное давление;

\Ра~РЛТг

(Ра+РЛТг

(6)

Ркв, Ркд - соответственно значение давления клапана вакуума и клапана давления;

Tr mim Тг „ах - минимальная и максимальная температуры ГП резервуара в течение суток.

Объем автономных «малых дыханий» для резервуара с УК - это объем азота, выходящего через обратный клапан. Расчет объема «малых дыханий» при использовании систем УК-1 и УК-2 производится для подбора оптимальной производительности подходящего оборудования (ресиверы, генератор азота, компрессор).

При сроке службы tc=10 лет и норме дисконта Е=0,125 в резервуаре РВС 1000 (рис.5) при коэффициенте оборачиваемости поб < 4 Угод использование средств сокращения потерь нефти нецелесообразно (Ка<0). При 5 1/год <п0б<39 Угод величина Ка-критерия выше у системы УК-1. При 6 1/год<Поб<8 1/год величина Ка-критерия у газовой обвязки выше, чем у понтона, диска-отражателя, УК-2 но, ни ниже УК-1. Для УК-2 при 12 1/год < Поб< 25 1/год величина Ка-критерия выше, чем у понтона, но меньше, чем у УК с генератором азота.

диск «ни— газовая обвязка О понтон УК-1 О УК-2

Рисунок 5 - Зависимость величины Ка-критерия от коэффициента оборачиваемости резервуара РВС-1000 (срок службы 1с=10 лет,

Е=0,125)

При оборачиваемости Поб=25 1/год значение величины Ка-критерия для УК-2 равно значению Ка-критерия для понтона. Это объясняется тем, что капитальные затраты для УК-1 и УК-2 достаточно высоки из-за использования дорогостоящего оборудования. Несмотря на то, что потерь от испарения при использовании управляемой камеры (УК-1 и УК-2) в резервуаре не будет, при Поб = 39 1/год величина Ка-критерия для понтона и УК с генератором азота одинакова, что говорит о равной экономической возможности использования обеих систем. При больших коэффициентах оборачиваемости Поб>39 1/год выгоднее использовать металлические понтоны, потому как затраты на электроэнергию для работы генератора азота становятся слишком высокими.

На основе расчета величины Ка-критерия было проведено сравнение и сделаны выводы по эффективности каждого способа сокращения потерь бензина АИ-92 для каждого конкретного варианта. Результаты расчетов представлены в виде кривых зависимости Ка-критерия для каждого средства сокращения потерь от коэффициента оборачиваемости (рис.5).

При использовании систем УК-1 и УК-2 выбросов углеводородов в атмосферу не происходит, а значит, не изменяется качественный и количественный состав хранимого продукта. С каждым годом цены на углеводороды увеличиваются, поэтому эффективность использования систем УК-1 и УК-2 будет с каждым годом возрастать.

Приведенные выводы в области применения различных средств сокращения потерь бензина из резервуаров необходимо рассматривать как оценочные, так как, во-первых, они были получены при ряде упрощающих допущений, а во-вторых, в настоящее время цены на материалы и оборудование являются договорными, поэтому по каждому конкретному объекту расчет величин Ка-критерия должен быть уточнен.

Основные выводы и рекомендации

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу на базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований, была решена актуальная научно-практическая задача - повышения эффективности и безопасности хра-

18

нения нефтепродуктов в резервуарах путем устройства управляемой камеры, наполненной азотом. Представлено обоснование применения универсальной управляемой камеры для сокращения потерь нефтепродуктов при хранении в резервуарах.

Основные научные результаты и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Теоретически и экспериментально обоснована целесообразность установки в резервуар управляемой камеры, для сокращения потерь от испарения.

2. Разработаны методы расчета конструктивных и эксплуатационных параметров управляемой камеры. Предложено два технических решения (УК-1 и УК-2) наполнения управляемой камеры азотом.

3. Выведена формула расчета автономных «малых дыханий» при использовании систем УК-1 и УК-2 и формула зависимости производительности оборудования от скорости слива нефтепродукта при использовании этих систем.

4. Обоснованы параметры оборудования для резервуаров с установленной управляемой камерой. Определена зависимость производительности генератора азота (УК-1) при максимальной загруженности нефтебазы и объема ресивера азота от скорости слива нефтепродукта.

5. Для системы УК-2 выведена зависимость объема и толщины стенки резервуара от максимально нагнетаемого давления компрессора и определена зависимость давления азота в ресивере от температуры.

6. На основании технико-экономического анализа определено, что эффективность использования у системы УК-1 выше, чем у других средств сокращения потерь при коэффициенте оборачиваемости 5 Угод < поб< 39 1/год. Система УК-2 имеет больший экономический эффект в резервуарах малой вместимости (V < 700 м3) при коэффициентах оборачиваемости 8 1/год <Поб<38 1/год, но из-за относительно больших капитальных затрат проигрывает УК-1.

На основании полученных выводов определена область применения предлагаемых решений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих наиболее значимых работах:

1. Пархоменко В.В., Модернизация резервуара вертикального стального // Научный потенциал студенчества - будущему России: Материалы международной научной студенческой конференции. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. - Т1. с. 34-35.

2. Пархоменко В.В. Повышение эффективности резервуара вертикального стального // Повышение нефтегазоотдачи пластов и интенсификация добычи нефти и газа: Сборник докладов IX научно-практической конференции. - М: Российское общество инженеров нефти и газа, Общероссийская общественная организация «РОСИНГ», 2007. - с. 17-19.

3. Пархоменко В.В. Изучение прочности защитного материала при действии на него знакопеременных усилий // Научный потенциал студенчества в XXI веке: Материалы П1 международной научной студенческой конференции. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. -Т1.- с. 171-172.

4. Пархоменко В.В. Анализ крупногабаритных резервуаров и разработка универсальной управляемой воздушной камеры с целью сокращения потерь нефтепродукта при хранении // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - Ставрополь, 2009. - №4 (21) - с. 41-45.

5. Пархоменко В.В. Технико-экономическое обоснование эффективности устройств сокращения потерь нефтепродукта в резервуарах // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - Ставрополь, 2010. - №2 (23). - с. 22-26.

6. Пархоменко В.В. Разработка и испытание универсальной управляемой камеры II Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - Ставрополь, 2011. - №3 (28). - с. 78-82.

7. Пат. 2305655 РФ. Управляемая воздушная камера / В.В. Пархоменко. Опубл. 10.09.2007.

8. Пат. 82685 РФ. Управляемая воздушная камера / В.В. Пархоменко. Опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.

РИЦ СПГГУ. 12.03.2012. 3.170 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Пархоменко, Виктор Викторович, Ставрополь

61 12-5/3478

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Пархоменко Виктор Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УНИВЕРСАЛЬНОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ СОКРАЩЕНИЯ ПОТЕРЬ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ

ХРАНЕНИИ В РЕЗЕРВУАРАХ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Басов Е.Д.

Ставрополь - 2010

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................... 4

1 Обзор литературы по теме исследований.................. 17

1.1 Современное состояние резервуаростроения в мировой практике.............................................................................. 17

1.2 Защита атмосферы от выбросов углеводородов из резервуаров для хранения и транспортирования нефти и нефтепродуктов. Анализ существующих систем............................ 28

1.3 Потери бензина в резервуарах малой вместимости......... 40

1.4 Оценка экономической эффективности инвестиционных проектов.............................................................................. 42

1.5 Постановка задач исследований..................................... 44

2 Разработка и испытание универсальной управляемой камеры...................................................................... 46

2.1 Разработка универсальной управляемой камеры................................46

2.2 Расчет параметров управляемой камеры................................................57

2.3 Испытание модели универсальной управляемой камеры............61

Выводы по главе 2....................................................................................................................71

3 Обоснование параметров оборудования для резервуаров с управляемой камерой................................. 72

3.1 Обоснование выбора оборудования для резервуара с системой УК-1...................................................................... 72

3.2 Обоснование выбора оборудования для резервуара с системой УК-2..................................................................... 75

3.3 Расчет прочности стенки резервуара с установленной управляемой камерой........................................................... 85

Выводы по главе 3......................................................... 89

4 Оценка эффективности применения управляемой камеры...................................................................... 91

4.1 Технико-экономический расчет эффективности использования управляемой камеры........................................... 91

4.2 Сравнительная оценка области применения различных

средств сокращения потерь бензина от испарения....................................................96

4.3 Расчет экономической эффективности управляемой

камеры................................................................................................................................................................100

Выводы по главе 4....................................................................................................................110

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ........................111

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................113

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................................126

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время вопросам энергетической безопасности России уделяется все более серьезное внимание на всех уровнях законодательной и исполнительной власти. Особое ключевое место при этом занимает проблема повышения эффективности и безопасности хранения всей номенклатуры нефтепродуктов, обладающих очень специфическими свойствами.

Высокая испаряемость большинства сортов сырой нефти и светлых нефтепродуктов приводит к значительным потерям при хранении, причем потери эти как количественные, так и качественные, так как испаряются главным образом наиболее легкие и ценные фракции горючего. По этой причине ко всем конструкциям резервуаров предъявляются, помимо прочности и долговечности, требования по снижению потерь от испарения. Эти потери не только приносят большой убыток экономике предприятия, но и приводят к загрязнению окружающей среды, поэтому борьба с ними является одной из главнейших задач.

По различным оценкам ежегодно в атмосферу планеты выбрасывается от 50 до 90 млн. т. углеводородов. Значительная часть этих выбросов приходится на предприятия нефтеперерабатывающей и нефтегазодобывающей отраслей промышленности. В России, по сведениям Федеральной службы государственной статистики, потери от испарения в 2009 г. составили 4,8 млн. т. Для снижения этих потерь применяют резервуары с понтонами и плавающими крышами, сооружают системы для улавливания легких фракций нефти или нефтепродуктов (УЛФ), применяют резервуары специальных конструкций. Абсорбционные и адсорбционные системы УЛФ сложны, конденсационные -дороги, компрессорные - капиталоёмки и пожаровзрывоопасны. Для сокращения потерь от испарения, наряду с вышеперечисленными используются различные технические средства: диски-отражатели, газовые обвязки, газоуравнительные системы и прочее. Однако эффективность их применения не всегда высока. В качестве альтернативы традиционным средствам сокращения

используются эжекторные системы УЛФ. Они относительно просты, имеют относительно невысокую стоимость, взрывобезопасны, но методы расчета таких систем находятся в стадии разработки, не определена область их применения. Управляемая камера (УК) устанавливается в герметичный резервуар и служит для компенсации «дыханий», ликвидируя контакт нефтепродукта с воздухом, сокращая потери от испарения.

Выбор тех или иных конструктивных мер для уменьшения потерь зависит от назначения резервуара и условий хранения.

В настоящее время имеет место серьезная тенденция роста аварийных ситуаций в резервуарных парках практически по всему миру, причем детальный анализ имеющейся статистической информации свидетельствует об экспоненциальной зависимости количества аварий от времени эксплуатации резервуаров, что сопровождается значительными финансовыми, материальными потерями и экологическим ущербом. Все это, безусловно, свидетельствует об актуальности рассматриваемой проблемы повышения эксплуатационной надежности резервуаров и сокращения потерь нефтепродуктов от испарения.

Целью диссертационной работы является сокращение потерь от испарения хранимого нефтепродукта за счет применения в резервуаре управляемой камеры, заполняемой азотом.

Основные задачи:

1. Провести сравнительную оценку эффективности различных средств сокращения потерь бензина от испарения.

2. Разработать методы расчета конструктивных и эксплуатационных параметров управляемой камеры и вспомогательного оборудования.

3. Создать и провести испытания опытного образца управляемой камеры.

4. Выполнить технико-экономический анализ области применения управляемой камеры совместно с генератором азота (УК-1) и компрессором азота (УК-2).

Идея работы

Для уменьшения потерь от испарения нефтепродуктов в резервуаре следует сделать резервуар герметичным, а для компенсации «дыханий» -установить в нем управляемую камеру, наполняемую азотом; «дыхания» резервуара будут осуществляться за счет азота, находящегося в управляемой камере, сохраняя при этом нефтепродукт от испарения.

Научная новизна работы

• Установлена эффективность нового метода сокращения потерь нефтепродуктов от испарения, которая достигается за счет использования управляемой камеры, наполняемой азотом, и способной изменять свой объем при изменении давления в ней.

• Определена зависимость производительности оборудования от скорости слива нефтепродукта при использовании управляемой камеры совместно с генератором азота (УК-1) и компрессором азота (УК-2).

Защищаемые научные положения:

1. Область применения управляемой камеры, работающей с использованием генератора азота, соответствует коэффициентам оборачиваемости резервуаров от 5 до 39 раз в год.

2. Оборудование для совместного использования с управляемой камерой подбирается в зависимости от производительности генератора азота при максимальной загруженности нефтебазы, объема ресивера азота и скорости слива нефтепродукта.

Методика исследований

В основу проведенных исследовании положен системный подход к изучаемому объекту. При решении поставленных задач использован комплексный метод исследований: обобщение и анализ теоретических и экспериментальных трудов в области прогнозирования и сокращения потерь нефти от испарения, методы математической статистики, планирование и обработка экспериментальных данных с помощью методов регрессивного анализа.

Достоверность научных положений обоснована и подтверждена использованием современных методов при проведении теоретических исследований, математического моделирования системы, сходимостью расчетных и экспериментальных данных.

Практическая значимость работы:

• Разработано устройство, которое способно компенсировать «дыхания» резервуара, позволяя сделать резервуар герметичным, и ликвидировать потери от испарения (например: при десятикратной оборачиваемости для резервуара У=5 тыс. м3 с понтоном сокращение потерь от испарения составит 6 т/год, в резервуаре со стационарной крышей, не оборудованном средствами сокращения потерь - 83 т/год) (патент №2305655);

• Определена зависимость производительности генератора азота (УК-1) при максимальной загруженности нефтебазы и объема ресивера азота от скорости слива нефтепродукта. Разработаны рекомендации использования систем УК-1 и УК-2 для наполнения управляемой камеры азотом (патент № 82685).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

• пятой межрегиональной научной конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России» (г. Ставрополь, 2005 г.);

• Всероссийской научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России» (Ставрополь, 2006 г.);

• Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2006 г.);

• Международной научной конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России» (Ставрополь, 2007 г.);

• первой научно-практической конференции «Молодые таланты Росинг» (Москва, 2007 г.);

• одиннадцатой региональной научно-технической конференции «Вузовская наука Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2007 г.);

• седьмой отраслевой научно-практической конференции ООО «Газпром трансгаз Ставрополь (п. Рыздвяный, 2008г.);

• на XIV Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции.» (Санкт-Петербург, 2008 г.);

• Международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - в XXI веке» (Ставрополь, 2009 г.);

• конкурсе на лучшую молодежную научно-техническую разработку по проблемам топливно-энергетического комплекса «ТЭК» / Национальная система развития научной, творческой и инновационной деятельности молодежи России «ИНТЕГРАЦИЯ» (г. Москва, 2009 г.);

• восьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности ОАО «Газпром» (Москва, 2009 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы представлены в десяти публикациях и двух патентах. Из них три статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Личный вклад соискателя заключается в формулировании цели и выборе направлений экспериментальных и теоретических исследований, создании и усовершенствовании инновационного устройства сокращения потерь от испарения, непосредственном участии в выполнении работы на всех ее этапах, начиная от планирования, постановки и проведении всех экспериментов и заканчивая идентификацией полученных математических моделей. Все выводы, полученные результаты, созданные алгоритмы управления, результаты математического и экспериментального моделирования исследуемых явлений и процессов в конструкции РВС, разработка нового экспериментального оборудования и методология организации выполненных исследований принадлежит лично автору.

Реализация результатов работы

Разработанная система сокращения потерь нефтепродукта от испарения при использовании управляемой камеры, наполненной азотом, может применяться на предприятиях нефтегазовой отрасли, осуществляющих операции приема и хранения нефти в РВС, при проектировании и реконструкции резервуаров. Устройство управляемой камеры в резервуаре позволит добиться уменьшения выбросов углеводородов в атмосферу при меньших затратах, чем при использовании традиционных технических средств.

Научные и практические результаты работы рекомендуются к использованию в учебном процессе СевКавГТУ при изучении дисциплины «Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» студентами специальности 130501.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 136 страницах текста, содержит 38 рисунков, 14 таблиц, список использованных источников из 130 наименований.

Автор выражает признательность д.т.н., профессору кафедры нефтегазовое дело Северо-Кавказского государственного технического университета Е.Д. Басову за консультации при выполнении работы.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, идея и задачи исследований. Приведены основные защищаемые научные положения, научная новизна и практическая значимость работы. Дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния методов и средств сокращения потерь нефти и нефтепродуктов от испарения из резервуаров типа РВС.

При хранении темных нефтепродуктов или тяжелых нефтей потери углеводородов от испарения незначительны. И наоборот, при хранении легкоиспаряющихся нефтепродуктов или нефтей с потенциалом бензина 5% и

л

более они могут быть более 2 кг в месяц с 1 м поверхности испарения. Потери от испарения происходят вследствие вентиляции газового пространства, от «больших и малых дыханий».

Общие научные принципы проектирования, возведения и эксплуатации стальных вертикальных резервуаров и выбор технических средств сокращения потерь нефтепродуктов от испарения сформулированы в работах отечественных ученых Ф.Ф. Абузовой, В.А. Афанасьева, И.С. Бронштейна, С.А. Бобровского, С.Г. Едигарова, Н.Д. Иванова, A.A. Коршака, С.А. Коршака, В.М. Михайлова, В.Ф. Новоселова, O.A. Ткачева, П.И. Тугунова, И.Х. Хизгилова, В.Г. Шухова и др.

В настоящее время научными исследованиями и разработками новых решений в резервуаростроении занимаются научно-исследовательские и проектные организации: Башнефтепроект г. Уфа; ОАО «ВНИПИнефть» г.

Москва; ТатНИПИнефть г. Бугульма; РГУ им. Губкина, г. Москва; ИПТЭР г. Уфа; ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П.Мельникова г. Москва и др.

Большая часть применяемых в настоящее время устройств для сокращения потерь нефтепродуктов, в том числе разработанных ранее вышеперечисленными исследовательскими и проектными организациями, потеряли актуальность. Изобретения устаревают морально и физически, по причине увеличения объемов перекачки нефтепродуктов и ужесточившихся экологических требований. К тому же, они не способны обеспечить должный уровень сохранности хранимого продукта, что приводит к его безвозвратной потере и, как следствие, материальным убыткам.

В настоящее время существует множество различных устройств сокращения потерь, самым распространенным является понтон. Понтон сокращает потери от испарения бензина, но в резервуаре над ним образуется, как правило, паровоздушная смесь со взрыво- и пожароопасной концентрацией за счет несовершенства уплотнения и появления мокрой стенки при выдаче бензина. Кроме того, он дорог, сложен в монтаже и недолговечен. Одним из главных недостатков применения понтона является невозможность использования газоуравнительной системы между стационарными и подвижными емкостями. Плавающие крыши имеют сложную конструкцию, дорогостоящие в эксплуатации и требуют дополнительных мер по борьбе с осадками и обледенением (дождь, снег, лед). На горизонтальных резервуарах АЗС и нефтебазах применение таких устройств конструктивно невозможно. Полимерные гибкие плавающие крыши, предложенные авторами O.A. Ткачевым, П.И. Тугуновым, а также описанные в диссертации д.т.н. A.A. Землянского, имеют высокую эффективность сокращения потерь и высокий уровень плавучести. Однако, не решенным в полном объеме остаётся вопрос удаления осадков с гибкой кровли и непотопляемость плавающей конструкции, а также долговечность и надежность затворов.

В компрессорных системах УЛФ компримирование паров приводит к повышению их температуры, что требует дополнительных затрат на

охлаждение паров с целью обеспечения конденсации углеводородов. Наиболее эффективным методом сокращения потерь бензинов от испарения, на сегодняшний день, является применение эжекторных систем УЛФ, разработанных А.А. Коршаком. Стоимость эжекторных установок ниже, чем компрессорных систем, но они имеют большой недостаток - уменьшение полезн