Подземное хранение нефтепродуктов в горизонтальных стальных резервуарах с использованием инертных газов
На правах рукописи
ЛЕВИТИН РОМАН ЕВГЕНЬЕВИЧ
Подземное хранение НЕФТЕПРОДУКТОВ
в горизонтальных стальных резервуарах
с использованием ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень 2008
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Министерства образования и науки Российской Федерации
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Земенков Юрий Дмитриевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Кушнир Семён Яковлевич
доктор технических наук
Холмогоров Анатолий Парфильевич
Ведущая организация:
ОАО «Нефтегазпроект» г. Тюмень
Защита диссертации состоится 19 декабря 2008 года в 1230 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул. Володарского, 38, зал им. Косухина.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039,
г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.
Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, с подписью составителя и заверенный печатью организации просим направлять в адрес диссертационного совета.
Автореферат разослан 19 ноября 2008 г.
И.о. ученого секретаря
диссертационного совета Воробьева С.В.
Актуальность темы
Совершенствование энергопотребляющих технологий, выход нефтяных компаний на международные рынки, ужесточение экологических стандартов повышают требования к качеству нефтепродуктов в РФ. В соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации N 118 от 27.02.08 с 1 января 2009 года весь производимый отечественными нефтеперерабатывающими заводами бензин должен будет удовлетворять требованиям экологического стандарта Евро-3, а к 2013 году – Евро-5.
В целях обеспечения заданных характеристик топлива его свойства во время хранения и транспортировки должны быть подвержены минимальным изменениям. Основными причинами ухудшения первоначального качества нефтепродуктов и несоответствия его стандартам является испарение, загрязнение и окисление. Принципиально эти процессы можно исключить, если полностью устранить газовую фазу в перевалочных емкостях. Однако в силу несовершенства применяемых технологий при хранении и транспортировании нефтепродуктов в большинстве случаев образуется паровоздушная среда. Результатом контакта углеводородов с атмосферным кислородом является повышение пожароопасности, интенсивное испарение, образование смол и осадков.
Таким образом, проблема внедрения неатмосферных технологий актуальна с экономической и социальной точек зрения.
В качестве газовой фазы над нефтепродуктом нашла применение так называемая «инертная подушка». Сдерживающим фактором внедрения этого прогрессивного метода является отсутствие диффузионной модели подобной парожидкостной системы. Вместе с тем не существует научно- обоснованной системы оценки влияния инертного наполнителя на распределение концентраций углеводородов в газовом пространстве резервуара, что вызывает трудности в количественной оценке потерь топлива от испарения и смолообразования.
В связи с отмеченным, проведение исследований процессов, протекающих в сложных многокомпонентных парогазовых смесях, позволит выявить закономерности возникновения количественно-качественных потерь в хранилищах углеводородов, разработать методы их сокращения, а также снизить степень риска возникновения аварий.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности изотермической технологии хранения нефтепродуктов, основанной на использовании инертных газов.
Основные задачи исследования
- Получить трехфакторные зависимости коэффициентов диффузии паров светлых нефтепродуктов в различные инертные газы.
- Разработать методику определения концентрации углеводородов в сложных парогазовых смесях.
- Разработать систему контроля и прогнозирования потерь топлива из заглубленных резервуаров в режиме реального времени.
- Определить соотношения объемов инертных газов и их смесей с воздухом, обеспечивающих снижение смолообразования с минимальными энергозатратами.
Научная новизна работы
- Получены трехфакторные зависимости коэффициентов диффузии паров бензинов в смеси инертных газов с молекулярной массой (2080) г/моль при времени испарения (330) мин.
- Разработана математическая модель для количественной оценки и прогнозирования относительной испаряемости нефтепродуктов в смеси инертных газов с воздухом.
- Создана система мониторинга изотермического хранения углеводородов, позволяющая в режиме реального времени оценить их потери из заглубленных емкостей в зависимости от настройки дыхательной арматуры, температуры и соотношения газовой и жидкой фаз.
- Получены физико-математические зависимости, характеризующие процесс смолообразования при различных концентрациях инертных газов и их смесей в горизонтальных стальных резервуарах.
Практическая ценность работы заключается в разработке системы учета, позволяющей корректно анализировать причины изменения первоначальных свойств нефтепродуктов.
Созданный банк данных массоотдачи бензинов в инертные среды позволяет в динамике, при различных транспортных операциях, оценивать концентрации углеводородов в парогазовой смеси резервуара.
Полученные математические модели дают возможность федеральным службам надзора, нефтегазотранспортным предприятиям, независимым экспертным организациям прогнозировать и контролировать количественно-качественные потери углеводородов по блоку диспетчерских данных в режиме реального времени (on-line).
Результаты проведенных исследований позволяют повысить результативность принятия управленческих решений и дают положительный экономический эффект на действующих объектах Тюменской области.
Методологические основы и достоверность исследований. В диссертации использованы классические положения теории: подобия, системного анализа, а также характеристики оборудования и режимов работы систем транспорта и хранения нефтепродуктов; результаты теоретических, и экспериментально-промышленных исследований. Достоверность подтверждена хорошей сходимостью результатов научных исследований автора и отечественных ученых в области транспорта нефтепродуктов. Математические модели апробированы на реальных данных диспетчерских служб, со значимой величиной коэффициентов множественной корреляции не ниже 0,98, расчетные значения критериев Фишера не превышают табличные при доверительной вероятности 95 %, а средняя ошибка аппроксимации не выше 6 %.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований представлялись автором к обсуждению на научно-технических конференциях (НТК) и семинарах различного уровня: международного: НТК «Трубопроводный транспорт» (Уфа 2006); НТК «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» (Тюмень 2007); НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень 2003, 2007); НТК «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта» (Тюмень 2007, 2008); всероссийского: «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2004); НТК ОАО «АК ТРАНСНЕФТЬ» (Тюмень, 2005); регионального: НТК Проблемы эксплуатации систем транспорта (Тюмень 2005, 2006); НТК «Проблемы трубопроводного транспорта нефти» (Тюмень 2005) научных семинарах «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника» (ТГУ, Тюмень 2004, 2005) и др.
Публикации. По материалам работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе: 3 в издательствах, рекомендованных ВАК России, 6 статей, 2 авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка литературы из 149 наименований и 5 приложений. Объём работы составляет 138 страниц, в том числе 12 таблиц, 32 рисунка.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи диссертации, показаны научная новизна и практическая ценность выполненных исследований, дана общая характеристика работы.
В первом разделе диссертации автором на основе исследований и обобщения научных публикаций анализируются и систематизируются известные технологии сокращения потерь нефтепродуктов.
Высокие темпы роста экономики Российской Федерации сопровождаются увеличением потока высококачественных нефтепродуктов. В сложившихся условиях, с учетом протяженности территории РФ, задача обеспечения первоначального качества топлива в процессе доставки до конечного потребителя приобретает особое значение. Потери продукта вследствие испарения, загрязнения и окисления приводят к тому, что большая часть выпускаемых в настоящее время бензинов не соответствует международным стандартам. Вместе с тем погрешность определения «естественной убыли» углеводородов по различным методикам колеблется в пределах 70 %. Существующие нормы не учитывают колебания температуры, а лишь подразделяют на два сезона: осенне-зимний и весенне-летний, что явно не отвечает современному уровню развития электронных систем контроля и передачи информации. С другой стороны, точность прямых измерений объёма нефтепродукта ещё более низкая.
Анализ способов и методов борьбы с потерями нефтепродуктов позволил разработать их новую классификацию, в которой были выделены три основные направления: уменьшение контакта нефтепродукта с воздухом; уменьшение движущей силы перемещения паров нефтепродуктов; изменение химического состава хранимого продукта (рис. 1).
В результате экспертной оценки методов сохранения свойств углеводородов при долгосрочном хранении по критерию технико-экономической эффективности было проведено их ранжирование. Установлено, что для заглубленных резервуаров теоретически могут быть использованы газоуравнительные системы, шариковое заполнение, адсорбция, мембранное разделение, антиоксиданты, микропленка, деактиваторы металлов, биоциды, кислородопоглощающие, газовытесняющие и диспергирующие присадки, стабилизаторы комплексного действия, хранение в среде азота, углекислого газа, инертных газов.
Рис. 1. Классификация способов борьбы с потерями нефтепродуктов
Хранение в среде газов с пониженным содержанием кислорода было признано наиболее целесообразным по ряду причин, основные из которых – низкое смолообразование, снижение пожаро- и взрывоопасности. Однако с учетом предъявляемых современных требований применение азота следует признать устаревающим, т.к. даже малые концентрации его в топливе (до 1%) ухудшают экологические показатели двигателей внутреннего сгорания в несколько раз.
В результате анализа известных технологий сохранения качества нефтепродуктов доказана техническая эффективность использования инертных газов и их смесей в качестве компонента парогазовой смеси в резервуарах.
Отдельным аспектам рассматриваемой в работе проблемы прогнозирования и контроля изменения качества углеводородов во время хранения их в резервуарах посвящено значительное количество работ Абузовой Ф.Ф., Бронштейна И.С., Гиззатова М.А., Гумерова А.Г., Земенкова Ю.Д., Константинова Н.Н, Коршака А.А., Коршака С.А., Малюшина Н.А., Новоселова В.Ф., Прохорова А.Д., Руфановой И.М., Ржавского Е.Л., Сатаровой Д.М., Тихонова Н.И., Фокина М.Н., Хакимьяновой Л.Р., Хизгилова И.Х и др. В них достаточно широко освещены вопросы испарения нефтепродуктов, представлено значительное количество эмпирических и полуэмпирических зависимостей коэффициента диффузии для различных видов резервуаров. Вместе с тем анализ публикаций даёт возможность утверждать, что этих данных явно недостаточно для их практического применения при проектировании и эксплуатации резервуаров безвоздушного хранения углеводородов. Кроме того, в опубликованной литературе, а главное, в действующей нормативной документации отсутствуют рекомендации по неатмосферному хранению углеводородов.
Комплексный анализ, проведенный в первой главе диссертации, позволил сформулировать цель и поставить основные задачи работы.
Второй раздел посвящен физико-химическому моделированию процессов испарения и эмпирическому определению коэффициентов диффузии нефтепродуктов в инертные газы. В соответствии с требованиями безопасности проведена вероятностная оценка нештатных ситуаций. С учетом взрыво- и пожароопасности только часть опытов выполнялась на действующих резервуарах. Для проведения экспериментальных исследований при различных температурах в соответствии с межгосударственным стандартом ИСО 2007-99 была разработана лабораторная установка, которая позволила определить скорость массоотдачи углеводородов в парогазовую смесь, давление насыщенных паров и конечные объемы испарившегося нефтепродукта (рис. 2).
В качестве объекта исследования были выбраны бензины 2 класса ГОСТ Р 51105-97, а заполнителями газового пространства газы неон, азот, воздух, аргон и криптон.
В соответствии со второй теоремой подобия для описания закономерностей диффузии компонентов различных бензинов в инертные
газы для интервала (3-30) мин. предложена замена переменных физического уравнения с сокращением их числа на безразмерные комплексы.
i=f ( t, P,(VГ /VТ ))d (1)
Это позволило упростить обработку аналитических и опытных данных, т.к. уменьшилось количество и форма связей между безразмерными критериями подобия. Кроме того, расширилась сфера использования полученных закономерностей: переход к безразмерным соотношениям дал возможность распространить результаты исследования, проведенного применительно к конкретному явлению, на ряд подобных явлений. В частности, в работе предложено изучаемые процессы осуществлять с динамическим подобием, в котором искомая функция для определенного вида топлива зависит от молекулярной массы инертного наполнителя газовой фазы.
На рисунке 3 изображена графическая зависимость испаряемости бензина А 92 в различные инертные газы. Необходимо отметить, что в начальный момент времени испарение происходит более интенсивно. Указанная тенденция наблюдается для всех исследованных газов. Из графиков видно, что с увеличением молекулярной массы инертного газа скорость диффузии увеличивается, и для газа, имеющего в исследуемом
ряду наибольшую её величину - максимальна. Напротив, с ее понижением скорость испарения падает. Поэтому наиболее выгодным с точки зрения сокращения объёма испарившегося продукта является газ, обладающий наименьшей молекулярной массой, в рамках проведенных исследований - неон.
В результате анализа экспериментальных данных установлено, что скорость испарения бензина под слоем инертного газа представляется возможным характеризовать относительно молекулярной масса газа и объемной концентрации углеводородов в парогазовой смеси. Опытные данные для газов и их смесей были статистически обработаны, и получены эмпирические трехфакторные зависимости объема испарившегося бензина, учитывающие влияние инертного газа.
Для бензина А 92 такая зависимость выглядит следующим образом:
, (2)
где H – приведенный объем испарившегося бензина, мм2; – молекулярная масса газа над свободной поверхностью, г/моль; – время испарения, мин.
Выражение позволяет определить объем испарившегося бензина в зависимости от молекулярной массы газа над поверхностью нефтепродукта в интервале от 3 до 30 минут, что соответствует времени проведения сливно-наливной операции в горизонтальных стальных резервуарах (РГС).
Полученные данные на основе решения критериальных уравнений и вид уравнения (2) свидетельствуют о том, что можно получить зависимость испаряемости бензина в газы с различной молекулярной массой. В соответствии с первой теоремой подобия для разных инертных наполнителей были получены уравнения относительной испаряемости нефтепродукта по воздуху:
Hг/Hв = 0,4752ln(г/в) + 0,895, (3)
Для определения процента изменчивости искомой функции Hг/Hв относительно ее среднего значения, определяемого фактором г/в (относительной плотности газа), вычислялся коэффициент детерминации kд=0,98.
Применение полученных уравнений в инженерных расчетах позволит оптимизировать применение инертных газов с точки зрения испаряемости.
Третий раздел посвящен разработке методики определения количественных потерь нефтепродуктов из заглубленных резервуаров в режиме реального времени. В результате анализа существующих методик было установлено, что на величину утраченных углеводородов существенное влияние оказывает объем закачки и давление насыщенных паров (ДНП). В свою очередь, при отсутствии внешнего баро- и термо-градиента давление насыщения характеризует объём топлива, находящийся в газовом пространстве при данной температуре и соотношении фаз. Так как результаты расчетов по различным методикам определения ДНП расходятся, было проведено опытное определение этого показателя с учетом наиболее значимых факторов (Рис. 4).
Рис. 4. Зависимость ДНП А 92 от температуры (ОС) и соотношения фаз
Из графика видно, что в зависимости от соотношения объемов паровой и жидкой фаз меняется состав паров. Увеличение температуры, во-первых, приводит к увеличению объема, занимаемого газом; во-вторых, к увеличению содержания паров топлива в газовой фазе резервуара. При увеличении относительного объёма газового пространства в смесь вовлекаются все более тяжелые молекулы топлива, что приводит к снижению испаряемости, а также падению давления в резервуаре.
Установлена зависимость потерь нефтепродукта (М), где впервые комплексно учтено изменение ДНП нефтепродуктов в процессе закачки 
, объем паров, сдерживаемый дыхательной арматурой (
), молекулярный вес нефтяных паров (m) и изменение соотношения газовой и жидкой фаз (VГ/VЖ). Для бензина А 92 коэффициенты A и B получены экспериментально в зависимости от температуры (t):
, (4)
где 
и 
Таким образом, в третьем разделе разработана методика, позволяющая по блоку диспетчерских данных с учетом изменения скорости испарения и конденсации углеводородов определять потери из заглубленных резервуаров.
Четвертый раздел посвящен разработке методов повышения эксплуатационной стабильности топлива при длительном хранении.
Высокий (более 5 мг на 100 мл) уровень смольности отечественных бензинов является основной причиной несоответствия их ГОСТ Р 51105-97. При длительном хранении большая часть атмосферного кислорода в газовом пространстве резервуара связывается с парами углеводородов с образованием смол и нерастворимых соединений. Для количественной оценки функции смолообразования разработан алгоритм, укрупненный вариант которого представлен на рисунке 5,
где 
- допустимая в топливе масса смол мг/100 мл; 
- фоновая масса смол мг/100 мл; 
- плотность газа, кг/м3; 
- плотность нефтепродукта, кг/м3; 
- концентрация кислорода в газовой фазе резервуара, %; 
- концентрация смолообразующих веществ, %; 
- концентрация кислорода в смоле, %; 
- объём газовой фазы резервуара, %; 
- объём жидкой фазы резервуара, %.
Алгоритм позволяет сопоставить максимальное количество смол (потенциальные смолы), получившихся при взаимодействии с несвязанным атмосферным кислородом воздуха, и количество реакционного топлива.
В качестве примера в таблице 1 сопоставим результаты расчетов, полученные по предлагаемому алгоритму и из наблюдении фактического образования смол для бензина А 92 при температуре 20 0С и различном соотношении фаз атмосферного воздуха (рис. 6).
В результате можно сделать следующие выводы: во-первых, с увеличением объёма газовой фазы в резервуаре увеличивается потенциальное смолообразование и для приземных слоев атмосферного воздуха при 80-90% заполнении резервуара составляет величину, более 25 мг/100 мл, что в 5 раз больше допустимых ГОСТ Р 51105-97 значений; во-вторых, для снижения потенциального смолообразования до требований ГОСТ необходимо хранить топливо в резервуарах либо полностью заполненных, что запрещено требованиями техники безопасности, либо полностью пустых.
Таблица 1
Влияние соотношения фаз на массу смол
| Объём газовой фазы, % | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| Экспериментальные данные, мг/100мл | 4,1 | 5,9 | 9,2 | 11,4 | 15,6 | 20,9 | 24,2 | 26,6 | 27,5 | 26,8 | 4,3 |
| Потенциальные смолы, мг/100мл | 4,9 | 8,0 | 11,3 | 14,5 | 17,8 | 21,0 | 24,2 | 27,5 | 30,8 | 34,0 | 4,9 |
| Норма, мг/100мл | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
В качестве примера на рисунке 7 представлено влияние инертного газа на потенциальное смолообразование для резервуара горизонтального стального 50 м3 (РГС 50). Из графиков видно, что максимум смол наблюдается при 5 % заполнении емкости. При более высоком уровне топлива наблюдается уменьшение образования смол за счет понижения содержания кислорода в резервуаре. С увеличением содержания инертного газа экстремум целевой функции снижается. При использовании различных инертных добавок к газовому пространству вышеотмеченные тенденции не меняются. Однако эффективность их применения для снижения смолообразования различна. При инертной добавке к газовому пространству газа криптон (Kr) в отличие от газа неон (Ne), график имеет не выпуклую, а вогнутую форму. Это говорит о том, что при меньших концентрациях инертного газа можно
добиться большего снижения фактического смолообразования.
Рис. 7. Зависимость массы смол в (кг) от степени заполнения РГС 50 топливом и инертным газом неон (а) и криптон (б) для бензина А 92
Достоинством разработанной модели является простой, легко реализуемый алгоритм изменения свойств нефтепродуктов. Вместе с тем прогноз концентрации углеводородов и состояния системы с оценкой потенциального смолообразования позволит принять грамотные управленческие решения при эксплуатации резервуарных парков.
Основные выводы
1. Теоретически и экспериментально доказано сохранение качества легких нефтепродуктов при хранении с инертным заполнением газового пространства резервуара.
2. Получены трехфакторные зависимости объёма испарившегося бензина от молекулярной массы инертного заполнителя и времени заполнения резервуара.
3. Получены аналитические и графические зависимости, позволяющие оценить влияние концентрации инертного газа на потенциальное смолообразование с учетом уровня заполнения резервуара.
4. Разработана методика и программный комплекс, позволяющие по блоку диспетчерских данных в режиме реального времени определять потери углеводородов из изотермических резервуаров.
5. Результаты проведенных исследований и полученные математические модели дают возможность нефтепродуктотранспортным предприятиям, независимым экспертным организациям, прогнозировать и контролировать количественно-качественные потери углеводородов и позволяют повысить результативность принятия управленческих решений с положительной технологической эффективностью.
Основные публикации
В изданиях, рекомендованных ВАК России
1. Левитин Р.Е. Альтернативные методы резервуарного хранения нефти и нефтепродуктов // Д.А. Бабичев, Р.Е. Левитин, С.М. Дудин / Нефть и газ: Известия ВУЗов. –Тюмень: ТюмГНГУ 2008.-№ 3 С.72-76
2. Левитин Р.Е. Долговременное хранение нефтепродуктов в резервуарах под слоем инертного газа // Р.Е. Левитин, Ю.Д. Земенков, Д.А. Бабичев, С.М. Дудин/Нефть и газ: Известия ВУЗов. –Тюмень: ТюмГНГУ 2008.-№ 2 С.74-78
3. Пат. 2259314. Устройство для предотвращения утечек из резервуаров / Ю.Д. Земенков, Р.А. Трясцин, Р.Е. Левитин. - № 2004107716; заявлено 15.03.04; опубл. 27.08.05.
Прочих
4. Левитин Р.Е. Разработка методики учета потерь нефтепродуктов на АЗС и способов их сокращения // Проблемы геологии и освоения недр: Труды восьмого симпозиума им. академика М.А. Усова студентов и молодых ученых. – Томск: Университет, 2004. - С. 646-648.
5. Левитин Р.Е. Оценка потерь нефти и разработка мероприятий по их сокращению на примере наливного терминала трубопровода Восточная Сибирь – Тихий океан // Проблемы трубопроводного транспорта нефти: Конкурс молодежи ОАО «АК «Транснефть» на лучшую научно-техническую разработку. - Тюмень: Феликс, 2005 С. 86-108.
6. Левитин Р.Е. Управление качеством и риском аварий во время транспортных операции с нефтепродуктами // Трубопроводный транспорт 2006/ межд. учеб.-науч.-практич. конф.: Тезисы докладов/ редкол.: А.М. Шаммазов и др.-Уфа: ДизайнПолграфСервис, 2006 С.121-123.
7. Левитин Р.Е. Сохранение качественного состава нефтепродуктов во время перевалочных операции // Проблемы эксплуатации систем транспорта: материалы региональной науч.-практич. конф. /, отв. редактор Ю.Е.Якубовский.- Тюмень: ТюмГНГУ- 2006 С. 244-246.
8. Левитин Р.Е. Изменение качества нефтепродуктов в процессе доставки их потребителю [Электронный ресурс] // Нефтегазовое дело, – Режим доступа: http://www.ogbus.ru, 2007
9. Левитин Р.Е. Направления повышения эффективности эксплуатации хранилищ нефтепродуктов // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: Материалы межд. науч.-технич. конф.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2007 С. 312-316.
10. А.с. № 2004610576. Лабораторные работы по проектированию и эксплуатации нефтебаз (Lab) / Р.Е. Левитин, Ю.Д. Земенков, Р.Е. Трясцин - № 2003612760; заявлено 26.12.2003; опубл. 2004
11. А.с. № 2008611956. Расчет технологических потерь при хранении углеводородов / Р. Е. Левитин, Д. Ю. Петров, Ю.Д Земенков.- № 2008611019 заявлено 12.03.08; опубл. 2008
