Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние технологии транспортирования моторных топлив по магистральным нефтепродуктопроводам методом прямого контактирования и задачи исследования 11
1.1 Структура современного магистрального нефтепродуктопровода 11
1.2 Особенности технологии последовательной перекачки моторных топлив по трубопроводам методом прямого контактирования 12
1.3 Номенклатура моторных топлив, транспортируемых по трубопроводам в настоящее время 32
1.4 Цель и задачи исследований 34
2 Объекты и методы исследований 36
2.1 Объекты исследований 36
2.2 Физико-химические характеристики, определяющие ПДК моторных топлив в смесях, различных групп и обоснование методов их оценки 37
2.3 Разработка экспресс-метода оценки содержания в дизельных топли-вах биокомпонентов 41
2.4 Подготовка плана эксперимента 48
3 Экспериментальные исследования и обоснование предельно допустимых концентраций моторных топлив различных групп в их смесях, образующихся при последовательной перекачке по трубопроводам 53
3.1 Исследования и обоснование предельно допустимых концентраций моторных топлив в смесях с автомобильным бензином различной детонаци онной стойкости 53
3.2 Оценка и обоснование предельно допустимых концентраций моторных топлив в смесях с дизельным топливом 66
3.3 Обоснование предельно допустимых концентраций моторных топлив в топливе для реактивных двигателей
3.4 Выводы по главе з
4 Предложения по практической реализации результатов исследований и усовершенствования технологии последовательной перекачки моторных топлив по трубопроводам
4.1 Примеры применения алгоритмов расчета предельно допустимых концентраций моторных топлив различных групп в смесях при последова тельной перекачке по трубопроводам 90
4.2 Расчет экономической эффективности внедрения результатов работы ..
4.3 Предложения по практической реализации результатов исследований
4.4 Выводы по главе
Заключение
Список литературы
- Особенности технологии последовательной перекачки моторных топлив по трубопроводам методом прямого контактирования
- Физико-химические характеристики, определяющие ПДК моторных топлив в смесях, различных групп и обоснование методов их оценки
- Оценка и обоснование предельно допустимых концентраций моторных топлив в смесях с дизельным топливом
- Расчет экономической эффективности внедрения результатов работы
Особенности технологии последовательной перекачки моторных топлив по трубопроводам методом прямого контактирования
Из резервуаров головной перекачивающей станции (ГПС) в трубопровод закачивают нефтепродукт №2 (например, дизельное топливо ЕВРО с температурой вспышки 40оС), партия которого вытесняет находящуюся перед ним партию нефтепродукта №3 (например, дизельное топливо ЕВРО с температурой вспышки 55оС), а та в свою очередь – нефтепродукта №4 (например, топливо для реактивных двигателей ТС-1) и т.д. Закачка каждого из них может продолжаться от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от объема необходимых партий нефтепродуктов или договоров на их поставку. При этом резервуары с нефтепродуктом №2 постепенно опорожняются, в то время как резервуары, предназначенные для других нефтепродуктов, наполняются за счет подкачки топлива с нефтеперерабатывающего завода.
По мере опустошения резервуаров с нефтепродуктом №2 готовятся к переходу на перекачку следующего нефтепродукта №1 по установленному графику. Смена нефтепродукта на ГПС происходит в безостановочном режиме. Для этого на ГПС закрывают задвижки линии, подводящей в трубопровод нефтепродукт №2, и одновременно с этим открывают задвижки линии, ведущей от резервуаров с нефтепродуктом №1 к насосам ГПС и трубопроводу. После этого начинается закачка в трубопровод партии нефтепродукта №1. При этом резервуары, предназначенные для нефтепродукта №1, начинают постепенно опорожняться, в то время как резервуары с другими нефтепродуктами (в т.ч. и с нефтепродуктом №2, перекачка которого была завершена) заполняются топливом, поступающим с НПЗ. Продолжительность закачки нефтепродукта №1 также продолжается несколько часов (или десятков часов).
Постепенно все группы и марки нефтепродуктов последовательно закачаны в трубопровод. Последним из них был, например, автомобильный бензин АИ-92. От начала процесса, за который условно был взят момент закачки нефтепродукта №2 (дизельное топливо ЕВРО с температурой вспышки 40оС), прошло несколько дней или недель. К этому времени резервуары с нефтепродуктом №2 пополнились за счет поставок с завода и можно вновь закачивать его в трубопровод, что знаменует начало нового цикла последовательной перекачки. Смесеобразование в области контактирования различных нефтепродуктов. Расчет длины и объема образующейся смеси
Существенной особенностью технологии последовательной перекачки нефтепродуктов прямым контактированием является процесс смесеобразования в зоне контакта нефтепродуктов, обусловленный физическими процессами, присущими технологии транспортировки [23, 33, 34].
Если смесеобразование одноименных нефтепродуктов, например, различных марок бензина, или различных марок дизельного топлива, представляет сравнительно небольшую угрозу качеству нефтепродуктов, ибо нефтепродукты, относящиеся к одной группе топлив, в большей степени совместимы друг с другом, чем нефтепродукты, относящиеся к различным группам, то смесеобразование разноименных нефтепродуктов, например, бензинов и дизельных топлив, бензинов и топлив для реактивных двигателей, дизельных топлив и топлив для реактивных двигателей приводит к снижению их качества.
Смесь нефтепродуктов отличается по физико-химическим свойствам от свойств перекачиваемых нефтепродуктов, и не может быть реализована как товарный продукт. Различают 2 типа смеси: технологическая и магистральная. Технологическая смесь образовывается при переходе с одного продукта на другой при закачке на ГПС. Это обусловлено тем, что задвижки закрываются не моментально, а с определенной скоростью, поэтому, в момент перехода с одного нефтепродукта на другой в трубопровод кратковременно поступают несколько нефтепродуктов одновременно. Проведенные исследования по более быстрому закрытию задвижек показал, что это не имеет существенного значения, поскольку образовавшаяся технологическая смесь играет роль буферной пробки при последующей транспортировке нефтепродуктов [23, 33, 34].
Магистральная смесь образовывается непосредственно в процессе транспортировки по магистральной части нефтепродуктопровода. Это обусловлено структурой потока жидкости в трубопроводе (рисунок 1.3). Скорость жидкости у внутренней поверхности трубопровода меньше, чем в центральных областях потока, поэтому идущий сзади нефтепродукт как бы «вклинивается» в нефтепродукт, идущий впереди, причем тем интенсивней, чем более вытянут вдоль оси профиль й(г) осредненных скоростей.
Однако неравномерность распределения в сечении трубопровода осреднен-ных скоростей жидкости не является единственной причиной, ответственной за смесеобразование нефтепродуктов в зоне их контактирования.
Как правило, светлые нефтепродукты перекачивают в турбулентном режиме, поскольку распределение скорости по сечению более равномерное, чем в ламинарном, следовательно, меньше смесеобразование [42 – 56]. При этом частицы жидкости движутся в трубе не параллельно его стенкам, а совершают хаотические турбулентные движения. В турбулентных потоках существует интенсивное перемешивание различных частиц по сечению трубы за счет пульсаций скорости и указанных хаотических движений отдельных частиц. Поэтому турбулентная диффузия, а именно так называют этот процесс, перемешивает клин вытесняющей, как и остатки вытесняемой жидкостей, по сечению трубопровода, обеспечивая их более или менее однородное распределение в каждом сечении.
Таким образом, процесс смешения вытесняемого и вытесняющего нефтепродуктов происходит по следующей схеме: клин позади идущего нефтепродукта внедряется в нефтепродукт, идущий впереди, а процессы турбулентной диффузии размешивают внедрившуюся примесь по сечению трубы. При этом за счет того, что концентрация вытесняющего нефтепродукта на оси трубы больше, чем у его стенок, происходит постоянный перенос вытесняющего нефтепродукта вперед, в область, занятую вытесняемым нефтепродуктом. И наоборот, по той же причине происходит обратный перенос вытесняемого нефтепродукта назад, в область вы 17
тесняющего. Эти два процесса неотделимы друг от друга. Они действуют постоянно и одновременно на протяжении всего времени вытеснения, определяя интенсивность продольного перемешивания, объем и длину возникающей смеси.
Опыт эксплуатации магистральных трубопроводов для перекачки нефтепродуктов показывает, что объем смеси при прямом контактировании равен (0,5 -1) % объема трубопровода (при турбулентном режиме перекачки) [21]. На образование смеси оказывают влияние: режим перекачки (скорость перекачки), остановки, конструктивные особенности обвязки перекачивающих станций и резервуар-ных парков, соотношение вязкостей и плотностей перекачиваемых нефтепродуктов, протяженность и диаметр линейной части. Поскольку смесь является некондиционным нефтепродуктом, то необходимо стремиться к уменьшению ее объема.
Физико-химические характеристики, определяющие ПДК моторных топлив в смесях, различных групп и обоснование методов их оценки
Упомянутый стандарт допускает использования в качестве сырья растительные масла из семян рапса, сои, пальмы, кукурузы, хлопка, кунжута и пр., а также животные жиры и любые фритюрные жиры после переработки.
Технологически неизбежными примесями в биодизеле являются катионы калия или натрия, а также глицерин и моно- или ди-глицериды жирных кислот. FAME, а также упомянутые примеси проявляют электролитическую активность и являются ответственными за повышенную электропроводимость биодизеля по сравнению с топливом нефтяного происхождения [113].
Биодизель применяется на автотранспорте и в чистом виде, и в виде различных смесей с нефтяным дизельным топливом.
Кроме стандарта ЕN 14214 существуют стандарты ЕN 590 и DIN 51606. Стандарт ЕN 590 описывает физические свойства всех видов нефтяных дизельных топлив, реализуемых в ЕС, Исландии, Норвегии и Швейцарии, и допускает содержание эфиров жирных кислот до 7% в нефтяном дизельном топливе. В некоторых странах (например, во Франции) всё нефтяное дизельное топливо содержит 5% биодизеля. Немецким стандартом DIN 51606, разработанным с учетом совместимости биодизеля с двигателями, допускается содержание биодизеля до 3%.
В Российской Федерации проводятся исследования и испытания биотоплив различных видов: биобензина и биодизеля. Проведены сравнения некоторых свойств биобензина и биодизеля с аналогичными свойствами нефтяных топлив. Результаты показали, что давление насыщенных паров, температура вспышки, температура застывания, октановые и цетановые числа, теплота сгорания био- и нефтяных топлив значительно различаются. Биотоплива, расширяя ресурсы производства, не имеют преимуществ перед топливами нефтяного происхождения по физико-химическим и эксплуатационным свойствам [114].
Отечественные стандарты ГОСТ Р 52368-2005 и ГОСТ 32511-2013 допускают содержание FAME в нефтяных ДТ до 7,0% об.
В связи с тем, что наличие в ДТ биокомпонента является очень важным при планировании раскладки смесей этого топлива при последовательной перекачке с топливом ТС-1, определение количественного содержания биодизеля простым в исполнении, не требующим сложного оборудования экспресс-методом определения FAME в нефтяных топливах является важным фактором.
В настоящее время содержание FAME в нефтяных ДТ определяются несколькими методами.
Так известен способ, включающий выделение фракции FAME из среднего дистиллятного топлива методом жидкостной адсорбционной хроматографии при атмосферном давлении на микроколонке с диоксидом кремния с последующей идентификацией выделенных фракций FAME методом газовой хроматографии. Количество FAME записывают с точностью до 0,1% масс. Повторяемость (сходимость) – 0,6% масс. [115].
Недостатком данного метода является длительность проведения эксперимента и значительные материальные затраты, обусловленные использованием сложного и дорогостоящего оборудования, и то, что метод определяет FAME в средних дистиллятных топливах в количестве до 5% об., что снижает надежность определения при допустимом значение до 7 % об. и выше FAME в средних ди-стиллятных топливах, а оценка отсутствия FAME невозможна.
Сущность другого способа определения FAME заключается в регистрации спектра поглощения в средней инфракрасной области пробы для испытания, которая была предварительно разбавлена в заданном соотношении циклогексаном. Измеряют оптическую плотность на максимуме полосы поглощения, для сложных эфиров приблизительно при (1745±5) см-1. Содержание FAME затем вычисляют с помощью калибровочной функции, полученной на основе стандартных растворов с известным содержанием FAME. Количество FAME записывают с точностью до 0,1% об. Повторяемость (сходимость) – 0,3% об. [116].
Учитывая, что FAME проявляют электролитическую активность и являются ответственными за повышенную их электропроводимость по сравнению с топливом нефтяного происхождения (у топлив нефтяного происхождения удельная электрическая проводимость равна нулю), а при добавлении FAME в нефтяное дизельное топливо увеличивается электролитическая активность такой смеси, сделано предположение, что определение содержания FAME в дизельных нефтяных топливах возможно путем измерения удельной электрической проводимости.
Предложен способ определения содержания FAME в ДТ, включающий отбор пробы в заданном количестве и замере удельной электрической проводимости пробы при температуре 20±20С, для чего выдерживают датчик в пробе топлива в течение не менее 60±1 сек, и определяют содержание FAME по эмпирической математической модели вида: в = Кху + К2, (2.1) где Q - содержание метиловых эфиров жирных кислот в дизельном топливе, %об.; - удельная электрическая проводимость, пСм/м (показание датчика); К 1 и К2 - постоянные величины, полученные экспериментально, при математической обработке зависимости удельной электрической проводимости от содержания FAME в ДТ.
Для определения содержания FAME в ДТ топливах на приборе, измеряющем удельную электрическую проводимость, был подобран режим, позволяющий получать достоверные результаты.
Оценка и обоснование предельно допустимых концентраций моторных топлив в смесях с дизельным топливом
Рассчитанные по методу логарифмической аппроксимации ПДК АБ по Твсп были проанализированы на предмет поиска корреляции с различными физико-химическими показателями топлив. На рисунках 3.39 – 3.43 показаны расчетные значения коэффициента корреляции ПДК АБ, добавленного в ДТ, от Твсп ДТ до смешивания с АБ. При этом в первом случае в расчет принимали значения ПДК всех образцов ДТ, для которых Твсп НД = 40 или 55оС, а во втором только образцы ДТ-Л, для которых Твсп НД = 55оС. В обоих случаях корреляция не выявлена, R2 = 0,2445 и R2 = 0,3976, соответственно. Несколько выше коэффициент корреляции оказался для линейной аппроксимации ПДК АБ по Твсп для всех образцов ДТ от Твсп ДТ до смешивания с АБ: R2 = 0,6571, но недостаточно высоким, чтобы с уверенностью выявить корреляцию (рисунок 3.43).
Результаты линейной аппроксимации методом наименьших квадратов предполагаемой зависимости ПДК АБ в ДТ по Твсп от запаса качества ДТ по Твсп перед смешиванием с АБ Результаты линейной аппроксимации методом наименьших квадратов предполагаемой зависимости ПДК АБ в ДТ-Л по Твсп от запаса качества ДТ-Л по Твсп перед смешиванием с АБ Результаты линейной аппроксимации методом наименьших квадратов предполагаемой зависимости ПДК АБ в ДТ по Твсп от Твсп ДТ перед смешиванием с АБ
Результаты линейной аппроксимации методом наименьших квадратов предполагаемой зависимости ПДК АБ в ДТ по Твсп от плотности ДТ перед смешиванием с АБ
Результаты линейной аппроксимации методом наименьших квадратов предполагаемой зависимости ПДК АБ в ДТ-Л по Твсп от плотности ДТ-Л перед смешиванием с АБ Была предпринята попытка установить корреляцию ПДК АБ по Твсп ДТ от плотности ДТ. Для этого в расчет линейной экстраполяции вовлекались данные ПДК для ДТ-Л и ДТ-З с величинами Твсп НД = (40; 55оС) и (55оС), соответственно (рисунки 3.42 и 3.43).
Установлено, что максимальное значение коэффициент корреляции принимает для комбинации значений, полученных для всех ДТ-Л.
Учитывая некорректность использования для расчета данных по экстраполяции для бинарных смесей топлив с АБ, была предпринята попытка поиска нелинейной экстраполяции полученных экспериментальных данных. Исследовались зависимости от 1/Твсп; 1/(Твсп -Твсп НД); 1/Т2всп и проч. в степенной, логарифмической, полиномиальной аппроксимациях. Наибольшее значение коэффициента корреляции получено для степенной зависимости ПДК АБ от 1/(Твсп - Твсп НД). На рисунке 3.44 показана эта зависимость, аппроксимированная соответствующей формулой:
При попадании ТС-1 в ДТ возможно изменение в первую очередь двух основных показателей качества ДТ – это Твсп и СS.
Результаты определения Твсп смесей ТС-1 и ДТ При математической обработке полученных результатов испытаний были проведены линейные аппроксимации зависимостей запаса качества смесей ДТ и ТС-1 по Твсп (рисунок 3.46) и зависимости lg(Tвсп/Tвсп НД) смесей этих топлив по Твсп (рисунок 3.47).
Результат линейной аппроксимации зависимости запаса качества смесей ТС-1 и ДТ по Твсп Результат линейной аппроксимации зависимости lg(Tвсп/Tвсп НД) смесей ТС-1 и ДТ по Твсп Полученные результаты свидетельствуют о наибольшей корреляции зависимости lg(Tвсп/Tвсп НД) смесей ТС-1 и ДТ по Твсп (R2 = 0,9655) в отличии от R2 = 0,9457, в связи с чем для расчета ПДК ТС-1 в ДТ по Твсп предложена следующая формула: ПДК ТС-1/ДТ Т ДТ 93,125-lg ВСП Т ДТ ВСП(НД) (3.11) где ДВТСП – фактическая Твсп ДТ, С; ДВТСП(НД) – норма Твсп ДТ по НД, С. Т о Т о Результаты определения СS смесей ДТ и ТС-1 Экспериментальные исследования смесей ДТ и ТС-1 по СS представлены на рисунке 3.48. Как видно из полученных результатов зависимость носит линейный характер и может быть описана уравнением первого порядка.
С учетом известной погрешности результата определения СS и для упрощения расчетных формул плотность смеси ДТ с ТС-1 была принята равной плотности ДТ, так как СS в ТС-1 в десятки раз превышает СS в ДТ высокого экологического класса и по этой причине расчетная ПДК ТС-1 в ДТ класса К5 не более 1% Для этого случая формула для расчета ПДК по материальному балансу серы в смеси принимает вид: і о - С Д Т ПДКТС_1/ДТ = ( "_ ДТ) 100%, (3.12) где 10 - максимально допустимая Сs, установленная ГОСТ в ДТ, мг/кг; СДТ - Cs в ДТ, мг/кг.
Расчет экономической эффективности внедрения результатов работы
Эти 502 т топлива потребуется перекачать в буферную емкость (стоимость перекачки 502 41 20 тыс. руб) и хранить (стоимость 1 недели хранения – 502 140 = 70 тыс. руб) с последующим исправлением его качества путем добавления в кондиционный ДТ-З.
Объем, добавленный в ДТ-Л (241 т), не потребуется перекачивать в буферную емкость (стоимость перекачки = 241 41 10 тыс. руб) и хранить (стоимость 1 недели хранения = 241 140 = 34 тыс. руб) с последующим исправлением его качества путем добавления в кондиционный ДТ-Л.
Таким образом, общий экономический эффект при последовательной перекачке 10 000 т ДТ-Л и 10 000 т ДТ-З составит 134 тыс. руб.
В третьем варианте экономический эффект рассчитывался исходя из опытной последовательной перекачки 10 000 т ДТ и 10 000 т топлива ТС-1 (п.6 и п.7 таблицы 4.12).
Добавление смеси топлив ДТ и ТС-1, образующейся в зоне контакта при последовательной перекачке в соответствии с РД в ДТ и в ТС-1 не предусмотрено.
По предлагаемым в работе формулам, подтвержденным результатами испытаний, можно добавить 2,84% об. (227 т) в ДТ и 9,16% об. (733 т) в ТС-1.
Объем, добавленный в ДТ (227 т) и в ТС-1 (733 т), не потребуется перекачивать в буферную емкость (стоимость перекачки = 960 41 39 тыс. руб) и хранить (стоимость 1 недели хранения = 960 140 = 134 тыс. руб) с последующим исправлением качества путем добавления в кондиционный ДТ или ТС-1.
Таким образом, общий экономический эффект при последовательной перекачке 10 000 т ДТ и 10 000 т ТС-1 составит 174 тыс. руб.
В четвертом варианте экономический эффект рассчитывался исходя из опытной последовательной перекачки 10 000 т АБ и 10 000 т топлива ТС-1 (п.2 и п.8 таблицы 4.12).
Добавление смеси топлив АБ и ТС-1, образующейся в зоне контакта при последовательной перекачке в соответствии с РД в АБ и в ТС-1 не предусмотрено.
По предлагаемым в работе формулам, подтвержденным результатами испытаний, можно добавить 6,05% об. (454 т) в АБ и 0,61% об. (49 т) в ТС-1. Объем, добавленный в АБ (454 т) и в ТС-1 (49 т), не потребуется перекачивать в буферную емкость (стоимость перекачки = 503 41 21 тыс. руб) и хранить (стоимость 1 недели хранения = 503 140 70 тыс. руб) с последующим исправлением качества путем добавления в кондиционный ДТ или ТС-1. Таким образом, общий экономический эффект при последовательной перекачке 10 000 т АБ и 10 000 т ТС-1 составит 91 тыс. руб.
По результатам выполненных исследований ПДК различных групп и марок современных автомобильных бензинов по ГОСТ 32513, дизельных топлив по ГОСТ 32511 и топлив для реактивных двигателей по ГОСТ 10227, в смесях при их последовательной перекачке методом прямого контактирования предлагается внесение следующих изменений в Инструкцию по транспортированию нефтепродуктов по МНПП системы ОАО «АК «Транснефтепродукт» методом последовательной перекачки (утв. Приказом ОАО «АК «Транснефтепродукт» от 26.02.2013 г. (далее – Инструкция): п.5.6 – исключить из перечня топлив АБ марки А-76, вырабатываемый по ГОСТ 2084 и ДТ - по ГОСТ 305; п.5.7 – исключить из перечня перекачиваемых топлив АБ и ДТ показатель их экологического класса, так как на территории Российской Федерации с 01.06.2016 г. в соответствии с требованием ТР ТС 013/2011 запрещено обращение АБ и ДТ экологических классов ниже К5. п.6.6 и 6.7 – исключить операцию по подбору контактирующих пар для оценки ПДК АБ и ДТ по содержанию серы в буферной пробке, так как в соответствии с требованиями ТР ТС 013/2011 содержание серы в топливах, допущенных к обращению на территории Российской Федерации не должно превышать 10 мг/кг; п.7.1 – изменить номенклатуру показателей качества перекачиваемых топ-лив, отраженных в карте закачки: для ДТ – плотность, температура помутнения, содержание серы, температу 98 ра вспышки в закрытом тигле, содержание биокомпонентов; для ТС-1 – плотность, содержание серы, температура конца кипения (98% перегонки); п.8.12 и приложении Г – изменить показатель запаса качества ДТ: вместо предельной температуры фильтруемости и температуры застывания включить температуру помутнения; исключить ссылку на АБ экологического класса 4 и остальные продукты, оставив выражениемассовой доли серы - не менее 2-3 мг/кг (ррм). п.10.8 – изменить порядок контроля качества топлив при последовательной перекачке: исключить показатели содержание серы для нефтепродуктов одной марки с различным содержанием серы и предельная температура фильтруемости для ДТ, включить показатель температура помутнения ДТ; п.10.12 – изменить номенклатуру показателей качества: исключить показатель содержание серы для ДТ и АБ, для ДТ показатель предельная температура фильтруемости заменить на показатель температура помутнения; п.11.9.6 – исключить, так как в соответствии с требованиями ТР ТС 013/2011 значение показателя содержания серы в АБ и ДТ не должно превышать 10 мг/кг. Изменить приложение Г, включив алгоритмы расчета ПДК смесей топлив различных групп с учетом выполненных работ. Проект приложения Г в новой редакции представлен в приложении Б. Включить дополнительный раздел по особенностям последовательной перекачки АБ и ТС-1, а также ДТ и ТС-1 с возможностью вовлечения буферных смесей в АБ и ДТ на особый период.