Особенности технологии последовательной перекачки

 

При последовательной перекачке различные нефтепродукты поступают с НПЗ в резервуары головной перекачивающей станции, а их перекачка производится последовательно - в виде отдельных следующих друг за другом партий.

Периодически повторяющаяся очередность следования нефтепродуктов в трубопроводе называется циклом последовательной перекачки.

Партии нефтепродуктов в цикле формируются с учетом их состава, свойств и качества. Рекомендуется следующая последовательность нефтепродуктов в цикле:

дизельное топливо летнее с температурой вспышки 40 ^оС;

дизельное топливо летнее с температурой вспышки 61 ^оС;

дизельное топливо экспортное;

дизельное топливо летнее с температурой вспышки 40 ^оС;

топливо для реактивных двигателей;

дизельное топливо зимнее;

дизельное топливо летнее с температурой вспышки 40 ^оС;

керосин или топливо печное бытовое;

дизельное топливо летнее с температурой вспышки 40 ^оС;

автомобильный бензин А-72 неэтилированный;

автомобильный бензин А-72 этилированный;

автомобильный бензин А-76 этилированный;

автомобильный бензин АИ-93 этилированный;

автомобильный бензин А-76 этилированный;

автомобильный бензин А-72 этилированный;

автомобильный бензин А-72 неэтилированный.

Таким образом, в нефтепродуктопроводе одновременно находится несколько партий различных по свойствам нефтепродуктов.

В период закачки в нефтепродуктопровод очередной партии какого-либо продукта другие нефтепродукты, поступающие с НПЗ, принимаются в резервуары головной перекачивающей станции. В период же поступления на конечный пункт, нефтебазу и наливной пункт очередной партии определенного нефтепродукта снабжение

потребителей нефтепродуктами других сортов осуществляется за счет созданных ранее запасов.

Особенностью последовательной перекачки является образование некоторого количества смеси в зоне контакта двух следующих друг за другом нефтепродуктов. Причиной смесеобразования является неравномерность осредненных местных скоростей по сечению трубопровода. Кроме того, некоторое количество смеси образуется при переключении системы задвижек на начальном пункте нефтепродуктопровода в период смены нефтепродукта (такая смесь называется первичной).

Для уменьшения количества смеси иногда применяются специальные устройства - разделители, помещаемые в зону контакта разносортных нефтепродуктов и двигающихся с ними по нефтепродуктопроводам. Кроме того, на конечном пункте предусматриваются мероприятия по исправлению и реализации получающейся смеси нефтепродуктов.

Такова в общих чертах технология последовательной перекачки.

При организации последовательной перекачки возникает ряд вопросов, основными из которых являются:

1) определение объема смеси, образующейся в трубопроводе;

2) разработка мероприятий для уменьшения объема смеси;

3) выбор методов контроля за движением смеси по трубопроводу;

4) организация приема смеси на конечном пункте и ее реализация;

5) особенности технологического расчета и эксплуатации трубопроводов для последовательной перекачки.

Рассмотрим их.

 

1.4. Смесеобразование при последовательной перекачке

И борьба с ним

В месте контакта последовательно движущихся жидкостей образуется смесь, количество которой зависит от многих факторов. Смесь - это некондиционированный продукт. Поэтому ее количество необходимо свести к минимуму. Для этого необходимо изучить механизм смесеобразования и установить зависимость объема смеси от определяющих параметров.

 

Механизм смесеобразования

 

В зависимости от режима перекачки смесеобразование в трубопроводе протекает по-разному.

При ламинарном (струйном) течении механизм смесеобразования таков. В начальный момент времени (t = 0) граница раздела жидкостей плоская, смеси нет (рис. 1.2 а). После начала последовательной перекачки позади идущая жидкость Б вклинивается во впереди идущую жидкость А в соответствии с параболическим профилем распределения местных скоростей. Смесью в данном случае является участок трубы, заполненный сразу обеими контактирующими жидкостями.

Динамика изменения объема смеси представлена на рис. 1.3.

Так как при ламинарном режиме перекачки скорость струек на оси трубы в 2 раза выше средней скорости потока, а на стенке скорость жидкости (по условию “прилипания”) равна нулю, то с течением времени вытесняющая жидкость Б будет все больше вклиниваться в вытесняемую жидкость А, а на стенке перемещаться не будет. В момент, когда “голова” клина достигает конечного сечения трубопровода, заканчивается фаза замещения и весь трубопровод заполнен смесью последовательно перекачиваемых жидкостей.

 

 

Далее начинается фаза вымывания. Заключается она в том, что постепенно конечного сечения трубопровода достигают струйки, все более удаленные от оси трубы. Этот процесс протекает крайне медленно. Теоретически и экспериментально установлено, что для полного вымывания жидкости А необходимо прокачать вытесняющую жидкость Б в количестве 3...4 объемов трубопровода V_тр. Таким образом, объем образующейся смеси при ламинарном режиме перекачки составляет (4...5)×V_тр.

При турбулентном режиме перекачки механизм смесеобразования иной (рис. 1.4). После начала последовательной перекачки позади идущая жидкость Б вклинивается во впереди идущую жидкость А в соответствии с логарифмическим профилем распределения местных скоростей.

 

 

Однако уже в следующий момент времени за счет поперечных пульсаций скорости, характерных для турбулентного режима вклинивающаяся жидкость Б полностью перемешивается с впереди идущей жидкостью А, находящейся у стенки. Далее во впереди идущую жидкость А вклинивается образовавшаяся смесь, а в смесь вклинивается позади идущая жидкость Б (рис. 1.5).

И опять за счет поперечных пульсаций скорости в зоне обоих контактов происходит полное перемешивание жидкостей. Этот процесс протекает и в дальнейшем. В результате длина образовавшейся смеси постепенно увеличивается в обоих направлениях. При этом кривая распределения концентрации жидкости Б по длине смеси занимает все более пологое положение.

 

 

 

Рис. 1.5. Изменение объема смеси и концентрации жидкости Б

по ее длине во времени

 

Благодаря существованию поперечных пульсаций скорости вытесняющая жидкость Б не может сколь угодно долго вклиниваться в вытесняемую жидкость А. Кроме того, при турбулентном режиме за счет поперечных турбулентных пульсаций жидкость А вымывается из пристенной области и смесь движется как своеобразный поршень. Поэтому объем образующейся смеси относительно невелик. Согласно приближенной теории смесеобразования, разработанной В.С. Яблонским и В.А. Юфиным, этот объем при турбулентном режиме перекачки не превышает 1 % от объема трубопровода, пройденного серединой смеси.

 

1.5. Приближенная теория смесеобразования при последовательной перекачке

 

Распределение концентрации одного продукта в другом описывается линейным уравнением второго порядка в частных производных

, (1.1)

где К_Б - концентрация вытесняющей жидкости Б;

D_Э- эффективный коэффициент продольного перемешивания.

Это уравнение часто называют уравнением теплопроводности.

Его решение при начальных условиях

имеет вид:

, (1.2)

где Ф(Z) - интеграл вероятности, ;

Z - аргумент интеграла вероятности, равный ;

t - время образования смеси (время перекачки).

График функции приведен на рис. 1.6.

В соответствии с ним концентрация К_Б = 1 имеет место при Z ® - ¥, а К_Б = 0 при Z ® + ¥, то есть смесь занимает как бы весь трубопровод. Это дефект используемой математической модели.

Для инженерных целей под областью смеси понимают зону, где концентрация продукта Б в продукте А изменяется от 99 до 1 %. Значение аргумента интеграла вероятности Z при К_Б = 0,01 равно 1,645, а при К_Б = 0,99 равно - 1,645.

 

 

 

Рис. 1.6. График функции К_Б=0,5[1-Ф(z)]

 

Пусть х₁ и х₂ - координаты сечений, ограничивающих область смеси. Тогда можем записать:

.

Длину области смеси найдем как разность х₂ и х₁

. (1.3)

Если учесть, что время образования смеси , то можем переписать (1.3)

, (1.4)

где L - пройденный смесью путь;

u_см - скорость смеси.

Соответственно объем смеси будет равен

, (1.5)

где F - площадь сечения трубопровода.

Из полученных формул видно, что длина и объем смеси меняются пропорционально корню квадратному из пройденного смесью расстояния и зависят также от площади сечения трубопровода и коэффициента продольного перемешивания (диффузии) D_э .

Длину и объем смеси, часто выражают, через безразмерное число Пекле , что дает

. (1.6)

Пример. Определить длину и объем смеси при перекачке нефтепродуктов со скоростью 1,2 м/с по трубопроводу диаметром 365 мм и длиной 250 км; коэффициент продольного перемешивания равен 0,5 м²/с.

Решение

 

Последовательно вычисляем

;

;

;

;

.

Таким образом, в одном контакте перекачиваемых нефтепродуктов за время перекачки L/u_см = ч образуется объем смеси, составляющий 0,849 % от пройденного объема трубопровода или 222 м³ (в пределах концентраций от 1 до 99 %), а сама длина смеси в трубопроводе составит около 2,12 км.

 

Объем примеси одного продукта в другом описывается формулой

.

Если взять отношение объема примеси к объему смеси, то получим

,

то есть объем примеси составляет около 1/12 объема смеси, определенной в пределах концентрации от 1 до 99 %. В рассмотренном примере этот объем равен 19 м³ в каждом из продуктов.

В примере мы задавались величиной эффективного коэффициента диффузии. На самом деле для его расчета имеется ряд эмпирических формул:

- формула Асатуряна

; (1.8)

 

- формула Нечваля - Яблонского

; (1.9)

- формула Съенитцера

. (1.10)

Кинематическую вязкость в данных формулах определяют следующим образом. При n_А/n_Б £ 5 пользуются формулой Кадмера

.

Если же , то

. (1.11)

 

Выразим величину числа Пекле с использованием формулы Съенитцера

.

Подставив его в формулу для нахождения объема смеси, получим

. (1.12)

Из этой формулы, в частности, видно, что чем меньше значение коэффициента гидравлического сопротивления l, тем меньше объем образующейся смеси. Поскольку для всякой жидкости коэффициент l уменьшается при увеличении средней скорости потока u_ср, то мы приходим к важному выводу: чем больше скорость перекачки, тем меньше образуется смеси. Строго говоря, полученная формула для V_см справедлива лишь для нефтепродуктов, обладающих одинаковой вязкостью. Если вязкость нефтепродуктов различны, то, используя формулы (1.10), (1.11), получаем

. (1.13)

Эта формула дает результаты, имеющие хорошее совпадение с промышленными данными.

 

1.6. Влияние различных факторов на процесс смесеобразования и

Борьба с ним

 

Опыт эксплуатации магистральных трубопроводов, по которым последовательно перекачиваются различные нефти или нефтепродукты, показывает, что объем смеси при прямом контактировании равен 0,5...1 % объема трубопровода. Однако для трубопроводов большого диаметра и протяженности объем смеси довольно велик. Так на участке Уфа- Челябинск нефтепродуктопровода Уфа-Омск он составляет около 785 м³. Поскольку смесь является некондиционным продуктом, то необходимо всемерно стремиться к уменьшению ее объема.

На образование смеси оказывают влияние режим перекачки, остановки перекачки, конструктивные особенности обвязки перекачивающих станций и резервуарных парков, объем партии, соотношение вязкостей и плотностей перекачиваемых жидкостей.

 

Влияние режима перекачки

 

Выше было показано, что при турбулентном режиме перекачки объем образующейся смеси значительно меньше, чем при

Рис. 1.7 Зависимость изменения относительного объема смеси от скорости в пределах концентрации 95-5% при плотности нефтепродуктов (в т/м3)

ламинарном. Выбор скоростей перекачки в рамках турбулентного режима лимитируется следующими соображениями. Если скорость перекачки низкая (рис. 1.7), то может произойти расслоение потока и объем смеси возрастет. В связи с этим установлены следующие минимально допустимые скорости при D = 300...350 мм - 0,8 м/с, при D = 400...500 мм - 0,75 м/с.

Чем больше скорость перекачки, тем объем образующейся смеси меньше. Однако бесконечно увеличивать скорость перекачки нецелесообразно. При скоростях больше 2 м/с существенно возрастают затраты электроэнергии на перекачку, а объем смеси уменьшается незначительно.

 

Рис. 1.7. Зависимость относительного объема смеси от скорости перекачки при различном соотношении плотностей тяжелого и легкого нефтепродуктов.

1 ¾ r_л=1 r_т=1,09 5 ¾ r_л=0,73 r_т=0,82

2 ¾ r_т=1,09 r_л=1 6 ¾ r_т=0,82 r_л=0,73

3 ¾ r_л=1 r_т=1,12 7 ¾ r_л=0,73 r_т=0,84

4 ¾ r_т=1,12 r_л=1 8 ¾ r_т=0,84 r_л=0,73

 

В связи с этим диапазон рекомендуемых при последовательной перекачке скоростей составляет от 0,75 до 2,0 м/с. Есть и более общая рекомендация: перекачку нужно вести в развитом турбулентном режиме, т.е. при числах Рейнольдса больше 10000.

Влияние остановок перекачки

 

Последовательно перекачиваемые жидкости, как правило, имеют разную плотность. У бензина, например, она составляет 730...750 кг/м³, а у дизельного топлива 830...850 кг/м³. Если при остановке перекачки более тяжелая жидкость окажется выше или даже на одном уровне с более легкой жидкостью, то произойдет их растекание под действием силы тяжести. При этом более тяжелая жидкость (на рис 1.8. изображена темной) стекает вдоль нижней образующей трубы, а более легкая (изображена светлой) - поднимается вдоль верхней образующей. Этот процесс прекращается после того, как нижнее колено оказывается заполненным тяжелой жидкостью, перекрывающей путь для всплывания более легкой.

 

 

На рис. 1.9 приведена величина коэффициента увеличения объема смеси для нефтепродуктопровода с внутренним диаметром 307 мм при равнинном характере профиля трассы.

	Рис. 1.9. Влияние остановок перекачки на увеличение объема смеси

 

 

График построен для следующих условий:

- скорость перекачки равна 1 м/с;

- число остановок равно числу циклов последовательной перекачки.

Из графика следует, что для коротких трубопроводов при остановках перекачки объем смеси может увеличиваться на 25 %.

Чтобы уменьшить дополнительное смесеобразование при аварийных остановках различные по плотности жидкости следует немедленно отсекать задвижками как можно ближе к границе их контактирования. При плановых остановках перекачки трубопровода необходимо заранее наметить точки профиля трассы так, чтобы более легкая жидкость располагалась над тяжелой.