Повышение безопасности систем хранения нефти путем не й трализации статического электричества
На правах рукописи
ВЛАСОВА ЕКАТЕРИНА ПЕТРОВНА
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ
СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ путем нейтрализации
статического электричества
Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность
(нефтегазовая отрасль)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень 2008
Диссертационная работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Федерального агентства по образованию Российской Федерации
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Кицис Станислав Ильич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Шантарин Владислав Дмитриевич; |
| кандидат технических наук Козодоев Леонид Васильевич | |
| Ведущая организация: | ОАО «Гипротюменьнефтегаз», г. Тюмень. |
Защита диссертации состоится 19 декабря 2008г. в 15.30 час. на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу:
625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал им. А.Н. Косухина.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.
Автореферат разослан «19» ноября 2008г.
И.о. ученого секретаря
диссертационного совета С.В.Воробьева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Важнейшей на сегодняшний день остается проблема обеспечения надежности эксплуатации и безаварийности работы систем хранения нефти. Одной из основных причин возникновения взрывов и пожаров в нефтехранилищах (резервуарах) являются заряды статического электричества, образующиеся в трубопроводе в процессе транспортировки нефти. В результате вносимые вместе с нефтью в резервуар электростатические заряды создают электрическое поле и соответственно условия для возникновения искрового пробоя газового пространства над поверхностью нефти.
Одним из способов защиты от статического электричества, накапливаемого в резервуаре, является удаление электростатических зарядов в потоке нефти при помощи нейтрализаторов статического электричества, устанавливаемых в трубопроводах непосредственно перед входными патрубками резервуара. Анализ существующих конструкций нейтрализаторов показывает, что значительное количество электростатических зарядов не успевает в них нейтрализоваться и поступает в нефтехранилище. Поэтому разработка принципиально новых и более эффективных способов нейтрализации электростатических зарядов в потоке нефти и методики расчета их величины является актуальной научно-исследовательской задачей.
Целью диссертационной работы является повышение безопасности систем хранения нефти путем эффективной нейтрализации статического электричества.
Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Усовершенствовать методику расчета токов электризации нефти с целью создания возможности проведения расчетно-теоретических исследований влияния основных параметров нефти и трубопровода на процессы электризации.
2. Установить влияние основных рабочих параметров нефти и трубопроводной системы на процессы электризации нефти необходимых для расчета максимально возможных величин токов нейтрализации и расчета конструкции нейтрализатора.
3. Разработать принципиально новый способ нейтрализации зарядов статического электричества на входе в резервуар, позволяющий повысить пожаро- и взрывобезопасность систем хранения нефти.
4. Разработать методику расчета устройства нейтрализации электростатических зарядов, обеспечивающую разработку эффективных конструкций нейтрализаторов.
Научная новизна выполненных исследований:
1. Разработана методика расчета токов электризации нефти в трубопроводах для проведения расчетно-теоретических исследований влияния основных рабочих параметров нефти и трубопровода на процессы электризации.
2. Установлены закономерности изменения токов электризации в зависимости от параметров нефти и трубопровода для оценки максимально возможных величин токов нейтрализации и расчета конструкции нейтрализатора.
3. Разработан принципиально новый способ нейтрализации зарядов статического электричества на входе в нефтехранилище, позволяющий повысить пожаро- и взрывобезопасность систем хранения нефти.
4. Разработана методика расчета устройства нейтрализации электростатических зарядов, обеспечивающего повышенную пожаро- и взрывобезопасность.
Практическая значимость работы. Полученные в диссертационной работе результаты расчетно-теоретических исследований, методика расчета процессов электризации нефти, разработанная конструкция нейтрализатора электростатических зарядов в потоке нефти позволяют повысить пожаро- и взрывобезопасность систем хранения нефти. Разработан алгоритм расчета количества зарядов статического электричества, образующегося в трубопроводе. Использование алгоритма позволяет обрабатывать данные непосредственно на производстве и производить настройку нейтрализатора.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: Международной научной конференции «Современная техника и технологии» (г.Томск, 2001г.), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы развития топливно-энергетического комплекса Западной Сибири» (г.Тюмень, 2001г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г.Тюмень, 2007г.) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. Диссертация содержит 110 страниц текста, 11 таблиц, 24 рисунка, 2 приложения и библиографический список из 76 наименований.
Содержание работы:
Во введении обоснована актуальность проведения настоящей работы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
В первом разделе выполнен обзор литературных источников, посвященных изучению процесса статической электризации и механизма образования статического электричества в системах хранения нефти.
Проведенный анализ работ Джейвиса Дж., Козмана И., Хорват Т., Берта И., Бобровского С.А., Яковлева Е.И., Захарченко В.В., Крячко Н.И., Мажара Е.Ф., Севрикова В.В., Максимова Б.К., Обуха А.А., Прибылова В.Н., Кициса С.И., Путко А.Э. и др. показал, что теория процесса электризации требует дальнейшего развития, а именно, следующие вопросы: усовершенствование методики расчета токов электризации в трубопроводе; систематические исследования влияния всех основных параметров нефти и трубопровода на процессы электризации; создание принципиально новых способов нейтрализации электростатических зарядов; разработка универсальной программы расчета, обеспечивающей автоматизацию расчетов процессов электризации нефти и т.п.
Во втором разделе изложена усовершенствованная методика расчета токов электризации нефти в трубопроводе для создания возможности проведения массовых расчетно-теоретических исследований влияния различных физико-химических и конструктивных параметров нефти и трубопровода на величину токов электризации.
Для расчета тока электризации в трубопроводах автором предложена формула
, (1)
где 
- величина тока электризации как функция координаты (х) длины трубопровода, А; 
— объемная плотность заряда, Кл/м3;
r - текущая координата по радиусу трубы, м; 
– скорость движения частиц жидкости вдоль продольной оси, м/c.
Путем использования выражений и преобразований получаем формулу для расчета тока электризации в явном виде через параметры нефти и трубопровода:
. (2)
Из полученной формулы видно, что ток электризации зависит от длины, внутреннего радиуса трубопровода, режима течения, скорости потока, вязкости, диэлектрической проницаемости, температуры нефти, времени релаксации, диффузии ионов.
Для подсчета количества электростатического заряда, закачиваемого в резервуар, автором получено выражение:
(3)
По величине заряда, задавшись его типичным распределением в резервуаре, определяем объемные плотности заряда. С помощью решения уравнения Пуассона в виде тройного интеграла находим потенциалы и по формуле 
рассчитываем напряженности поля и далее оцениваем взрыво- и пожаробезопасность с помощью неравенства 
В/мм.
Третий раздел. Таким образом, для расчета конструкции нейтрализатора электростатических зарядов необходимо знать максимально возможные токи электризации в трубопроводе, которые могут иметь место в трубопроводной системе. Экспериментально получить зависимости токов электризации от различных параметров нефти и трубопровода во всем диапазоне их изменения практически невозможно. Изменение параметров, таких как внутренний диаметр трубы от 106 мм до 1190 мм, скорости перекачки от 0,8 до 2 м/c, диэлектрической проницаемости от 2 до 2,5, температуры от 273 К до 318 К, вязкости нефти от 6,96 сст до 950 сст и т.д. осуществить очень сложно. Такие масштабные исследования, возможно, проводить только расчетным путем.
Достоверность методики, примененной в данной диссертационной работе для систематического исследования влияния всех основных параметров нефти и трубопровода на процессы электризации была экспериментально проверена на опытной установке, созданной на кафедре «Электроэнергетика» ТюмГНГУ под руководством Кициса С.И. и защищенной патентом 2273022 РФ, МПК7 G01Т 27/42. Экспериментальная установка, моделирующая перекачку нефтепродуктов по трубопроводу (рис.1) позволила измерить сопротивление между двумя сетками в потоке нефти, и далее по известному сопротивлению определить концентрацию потенциалоопределяющих ионов нефти с учетом изменения скорости протекания жидкости в различных слоях в функции радиуса. Было выполнено более 20 экспериментов. При статистической обработке результатов исследований получены удовлетворительные значения критерия Стьюдента.
Рисунок 1 - Схема размещения измерительных сеток в трубопроводе
- трубопровод; 2 -измерительная сетка;
3 – изолятор -монтажная втулка; 4 – соединительные провода
Применяя разработанную методику расчета токов электризации, исследовали влияние зависимости тока электризации от длины трубопровода при различных параметрах нефти (исследовались нефти Западной Сибири: Шаимского, Сургутского, Нижневартовского, Пур-Тазовского нефтегазоносных районов (НГР)), различных параметрах трубопровода и различных скоростях перекачки с помощью специально созданной программы в среде Мathcad 13.
Для нефти Шаимского НГР (пласт Вогулкинская) с вязкостью 
=6,96.10-6 м2/c (6,96сст) ток электризации в 120 раз превосходит ток электризации нефти Пурт-Тазовского НГР (пласт Сеноман) с вязкостью 
=424,8 сст (рис.2, табл.1).
Рисунок 2 - Зависимость тока электризации от вязкости (
, сст)
dвн =1190 мм, 
= 1м/с; Т=273 К,
1- 
= 6,96; 2 - 
= 10,41; 3 - 
= 29,13; 4 - 
= 70,30;
5 - 
=43,32; 6 - 
=80,68; 7 - 
=101,31; 8 - 
=286,90;
9 - 
= 424
Таблица 1 - Данные расчета тока электризации при различных
значениях кинематической вязкости нефти
| № п/п | НГР | Кинематическая вязкость нефти, сст | Число Рейнольдса | Установившееся значение тока электризации, А |
| 1 | Шаимский НГР | 6,96 | 1,71.105 | 1,98.10-9 |
| 2 | Шаимский НГР | 10,41 | 1, 143.105 | 1,58.10-9 |
| 3 | Сургутский НГР | 29,13 | 4,085.104 | 8,62.10-9 |
| 4 | Сургутский НГР | 70,30 | 1,693.104 | 6,77.10-9 |
| 5 | Сургутский НГР | 43,32 | 2,747.104 | 5,03.10-10 |
| 6 | Сургутский НГР | 80,68 | 1,475.104 | 4,63.10-10 |
| 7 | Сургутский НГР | 101,31 | 1,175.103 | 4,02.10-10 |
| 8 | Пурт-Тазовский НГР | 286,90 | 4,161.103 | 2,11.10-10 |
| 9 | Пурт-Тазовский НГР | 424,85 | 2,801.103 | 1,65.10-10 |
Из проведенных расчетно-теоретических исследований можно сделать вывод, что нефть Шаимского НГР более опасна при перекачке и требует особого внимания для предотвращения аварий, т.е. должны быть применены специальные устройства в трубопроводе для снятия образующихся электростатических зарядов в потоке нефти
Исследование влияния внутреннего диаметра на ток электризации показало, что при увеличении внутреннего диаметра трубопровода с
dвн1=106 мм при токе электризации I1 = 4,90.10-10 А до dвн10=1190 мм ток электризации равен I10 =3,97.10-9 А (исследовалась нефть с вязкостью 
=6,96 сст, Т = 293К и 
= 1м/с) ток увеличивается в 8 раз. Таким образом, диаметр трубопровода играет существенную роль в процессах электризации, и проведенное исследование позволило установить конкретную количественную связь.
Расчеты показывают, что при возрастании температуры нефти установившееся значение тока электризации также возрастает. Для Шаимского НГР с нефтью вязкостью 
=6,96 сст при температуре 273 К ток электризации равен I1 = 2,84.10-9 А, а при повышении температуры до 318 К ток электризации становится равным I10 = 5,89.10-9 А, т.е. ток электризации увеличивается более чем в 2 раза.
Исследование зависимости тока электризации при различных значениях относительной диэлектрической проницаемости показало, что для нефти вязкостью 
=6,96 сст при температуре 293 К с диэлектрической проницаемостью 
= 2 ток электризации равен I1 = 3,60.10-9 А, а при 
=2,5 ток электризации становится равным I6 = 4,5.10-9 А, т.е. ток электризации увеличивается в 1,25 раза.
При изменении скорости перекачки (исследовалась нефть вязкостью 
= 6,96 сст, Т=273 К, dвн = 1190 мм) от 
м/c до 
м/c, ток электризации возрастает примерно в 5,5 раза.
Разработанный метод расчета тока электризации позволил при известных параметрах (внутреннего диаметра трубопровода, температуры, вязкости, диэлектрической проницаемости и скорости перекачки нефти) определить максимально возможную величину тока электризации, а, следовательно, и рассчитать систему нейтрализации электростатических зарядов в потоке нефти.
Оценка количества электростатического заряда, закачиваемого в резервуар в течение, например, часа при различных скоростях показана на рисунке 3. Зависимость количества электростатического заряда от скорости получена с помощью формулы (3).
Рисунок 3 - Зависимость количества электростатического заряда
от скорости потока (нефть вязкостью 
=6,96 сст, dвн = 1190 мм)
Зная величину заряда и задавшись характером его распределения по объему нефти, можно оценить ситуацию в нем по степени взрывоопасности c помощью разработанной программы на языке Microsoft Visual Basic6.
В четвертом разделе описываются принципиально новые способ нейтрализации электростатических зарядов в потоке нефти и конструкция нейтрализатора (рис. 4).
