Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий обзор ранее выполненных исследований 12
1.1 Эффективность использования газовых обвязок и газоуравнительных систем 12
1.2 Улавливание паров бензина, вытесняемых из резервуаров 29
1.3 Методы расчета параметров жидкостно-газовых эжекторов 40
1.4 Область применения различных технических средств сокращения потерь 51
1.5 Постановка задач исследований 60
2. Анализ эффективности использования газовой обвязки резервуаров и газоуравнительных систем 62
2.1 Зависимость коэффициента совпадения операций от оборачиваемости резервуаров, оборудованных газовой обвязкой. 62
2.2 Влияние газосборника на сокращение потерь бензина из резервуаров, оборудованных газоуравнительной системой 68
2.3 Об эффективных коэффициентах совпадения операций 73
Выводы по разделу 2 78
3 Разработка методов расчета эжекторной системы УЛФ для резервуарных парков нефтебаз и МН 80
3.1 Принципиальная схема эжекторной системы УЛФ
для сокращения потерь бензина от испарения из резервуаров 80
3.2 Анализ характеристик жидкостно-газовых эжекторов 81
3.3 Выбор параметров насосно-эжекторной установки для улавливания паров бензина из резервуаров 89
3.3.1 Подбор насоса и определение диаметра соединительных трубопроводов 89
3.3.2 Определение высоты установки жидкостно-газового эжектора 96
3.3.3 Определение периодичности замены низколетучей жидкости в контуре насосно-эжекторной установки 97
Выводы по разделу 3 102
4 Оценка области применения эжекторной системы УЛФ 104
4.1 Методические основы выбора технических средств сокращения потерь бензинов от испарения 104
4.2 Прогнозирование степени улавливания паров бензина при использовании эжекторной системы УЛФ 107
4.3 Сравнительная оценка области применения различных средств сокращения потерь бензина от испарения 115
Выводы по разделу 4 127
Основные выводы и рекомендации 128
Список использованных источников
- Улавливание паров бензина, вытесняемых из резервуаров
- Влияние газосборника на сокращение потерь бензина из резервуаров, оборудованных газоуравнительной системой
- Анализ характеристик жидкостно-газовых эжекторов
- Прогнозирование степени улавливания паров бензина при использовании эжекторной системы УЛФ
Введение к работе
Актуальность проблемы. "Энергетической стратегией России на период до 2020г." предусмотрено увеличение добычи нефти к 2010г. до 445...460млн.т., а к 2020г. - до 45О...490млн.т. при одновременном уменьшении потребления энергоресурсов за счет их рационального использования. Поэтому поиск резервов ресурсосбережения во всех отраслях экономики весьма актуален.
В процессе транспортировки и распределения бензинов допускаются их значительные потери, главной составляющей которых являются потери от испарения. Испаряемость бензинов обусловлена их физическими параметрами, лишившись которых они утратят свои эксплуатационные качества. Поэтому сокращение потерь от испарения достигается применением технических средств сокращения потерь: дисков-отражателей, газовых обвязок, газоуравнительных систем и понтонов. Эффективность их применения не всегда высока. Поэтому за рубежом, а в последние годы и в нашей стране растет интерес к применению систем улавливания легких фракций (УЛФ).
Системы УЛФ очень многообразны и основаны на различных физических принципах. Абсорбционные и адсорбционные системы УЛФ относительно сложны, конденсационные - дороги, компрессорные - капиталоемки и пожаровзрывоопасны. В условиях нефтебаз и магистральных нефтепродуктопроводов как альтернатива традиционным средствам сокращения потерь большой интерес представляют эжекторные системы УЛФ. Они относительно просты, малокапиталоемки, взрывобезопасны. Однако методы расчета таких систем находятся в стадии разработки. Не определена область их рационального применения.
Целью работы является разработка методов расчета эжекторных систем улавливания легких фракций и определение области их рационального применения.
5 Основные задачи исследования:
Анализ эффективности использования газовой обвязки резервуаров и газоуравнительных систем.
Разработка методов расчета параметров эжекторных систем УЛФ для резервуаров нефтебаз и магистральных нефтепродуктопроводов.
Прогнозирование степени улавливания паров бензина при применении дизельного топлива в качестве рабочей жидкости.
Сравнительный анализ области применения эжекторных систем УЛФ и традиционных средств сокращения потерь.
Научная новизна работы заключается в следующем:
показано, что между коэффициентами совпадения операций и оборачиваемости существует функциональная связь;
впервые получены зависимости для расчета коэффициента совпадения и эффективного коэффициента совпадения операций для резервуаров, оснащенных ГУС; показано, что чем больше резервуаров соединено ГУС, тем больше эти коэффициенты отличаются друг от друга;
предложены новые безразмерные координаты для построения характеристик жидкостно-газовых эжекторов с различным типом аэродинамической схемы, что облегчает процедуру их выбора;
разработан метод гидравлического расчета трубопроводов в условиях неизвестного диаметра по величине рекомендуемой скорости перекачки;
получены расчетные формулы для прогнозирования степени улавливания паров бензина, достигаемой в эжекторной системе УЛФ при использовании в качестве рабочей жидкости дизельного топлива;
получен новый критерий выбора технических средств сокращения потерь бензинов от испарения и на его основе определена область их применения; показано то во многих случаях применение эжекторной системы УЛФ более предпочтительно.
Практическая ценность работы заключается в повышении экономичности применения средств сокращения потерь бензина от испарения. Результаты исследований используются при курсовом и дипломном проектировании студентов специализации "Эксплуатация нефтегазоперекачивающих агрегатов трубопроводов и хранилищ", а также планируются к внедрению на ЛПДС "Володарская" ОАО "Мостранснефтепродукт".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:
на Всероссийской научно-технической конференции "Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения" (г. Уфа, 2004);
на Международной конференции "Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья" (г. Москва, 2004);
на 2-й Межотраслевой научно-практической конференции "Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и социогуманитарного специалистов ТЭК (г. Уфа, 2005);
на Международной учебно-научно-практической конференции "Трубопроводный транспорт-2005" (г. Уфа, 2005);
на 51-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, 2006);
на V Международной научно-технической конференции "Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта" (г. Новополоцк, 2006);
на 3-м Международном экологическом конгрессе в г. Полоцке "Региональные проблемы экологии: пути решения" (г. Полоцк, 2006);
на Международной учебно-научно-практической конференции "Трубопроводный транспорт-2006" (г. Уфа, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных рабої.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 140 страницах текста, содержит 37 рисунков, 16 таблиц и список использованных источников из 123 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первом разделе выполнен краткий обзор литературы по теме исследований.
Прежде всего отмечается, что среди авторов нет единого мнения о том как называть газопроводы, соединяющие газовые пространства резервуаров. В.И. Черникин впервые назвал их газоуравнительной системой, а Н.М. Оленев ввел термин газовая обвязка. В последующем применялись оба термина, причем нередко как синонимы. В результате сопоставления взглядов различных авторов предложено считать газовой обвязкой (ГО) систему трубопроводов, соединяющих газовые пространства резервуаров с одинаковым нефтепродуктом, м газоуравнительной системой (ГУС) - газовую обвязку, снабженную неким газосборником.
Экспериментально установлено, что благодаря газовой обвязке потери от испарения были сокращены: на Павельцовской нефтебазе - на 35%, на Вентспилской нефтебазе - на 42%, на НПС "Муханово" - на 78%. Подключение газосборников (т.е. перевод ГО в ГУС), естественно, увеличивало достигаемое сокращение потерь от испарения.
Долгое время считалось, что эффективность применения ГО (в долях) численно равна коэффициенту совпадения операций Kt- заполнения-опорожнения резервуаров. Однако наличие эффекта превышения объема образующейся паровоздушной смеси над объемом закачиваемого продукта заставило признать, что сокращение потерь при применении газовой обвязки равно эффективному коэффициенту операций, который меньше, чем К(-.
Традиционные средства сокращения потерь бензина от испарения (диски-отражатели, газовые обвязки, газоуравнительные системы, понтоны и плавающие
крыши), как показывает теория и практика их применения, не всегда эффективны. Поэтому большой интерес представляет использование систем улавливания легких фракций (УЛФ).
По мнению автора, при операциях с бензинами наиболее целесообразно применение эжекторных систем УЛФ. Однако методы их расчета разработаны недостаточно.
Вопросы расчета жидкостно-газовых эжекторов (ЖГЭ) рассматривалось в работах В.А. Акульшина, Н.А. Астарова, М.И. Баженова, Л.Д. Бермана, А.В. Городивского, В.М. Григорьева, З.С. Гридневой, К.Г. Донца, Г.И. Ефимочкина, Ю.Г. Звездина, Н.М. Зингера, Б.Е. Кореннова, Б.Ф. Лямаева, Б.С. Оссовского, B.C. Пыжикова, И.И. Рошака, Ю.В. Семеновского, Е.Я. Соколова, И.А. Труба, Д.С. Циклаури и других ученых. В практике расчетов наибольшее распространение получили методики, разработанные Е.Я. Соколовым и Н.М. Зингером, Л.Д. Берманом и Г.И. Ефимочкиным, К.Г. Донцом, А.В. Городивским и И.И. Рошаком.
По мнению автора, наиболее приемлемой для расчета эжекторных систем улавливания легких фракций (УЛФ) является последняя из описанных методик: она относительно проста, подтверждена применением ЖГЭ на нефтяных промыслах, а к.п.д. эжекторов, разработанных в ИФИНГ, наиболее высок.
Выбору технических средств сокращения потерь от испарения посвящены работы Ф.Ф. Абузовой, М.И. Ашкинази, И.С. Бронштейна, М.Г.Каравайченко. А.А. Коршака, В.А.Мартяшовой и других исследователей. К сожалению, они основаны на устаревших экономических представлениях и не дают объективной картины по рассматриваемому вопросу.
Второй раздел посвящен анализу эффективности использования газовой обвязки резервуаров и газоуравнительных систем.
На основе данных Л.Р. Хакимьяновой о величинах коэффициентов совпадения операций Кс и оборачиваемости 16 нефтебаз с различным характером транспортных связей, а также аналогичных данных по 7 резервуарным паркам МНПП в разные годы исследовалась функциональная связь между ними. Методами математической статистики показано, что две рассматриваемые
9 выборки не принадлежат одной генеральной совокупности. Далее после отбраковки "выскакивающих" точек получены расчетные формулы для вычисления коэффициентов совпадения операций по известным значениям коэффициентов оборачиваемости отдельно для резервуаров нефтебаз и резервуаров МНПП. Среднеквадратичные погрешности вычислений составляют соответственно 40% и 33,5%.
Теоретически исследовано влияние газосборника на сокращение потерь бензина из резервуаров, оборудованных ГУС. Показано, что применение газосборников постоянного объема практически бесполезно, т.к. их аккумулирующая способность составляет от 9 до 27 граммов углеводородов на 1м' вместимости газосборника. Аккумулирующая способность газосборников переменного объема значительно выше, но и она составляет (по паровоздушной смеси) только около 50% геометрической вместимости.
Изучено влияние испаряемости бензина на величину эффективного коэффициента совпадения операций Кс.Эф. Показано, что при операциях с бензинами величина КСэф может быть значительно меньше Ко Также установлено, что чем больше резервуаров подключено к ГУС, тем (при одинаковом Кс) меньше эффективность ее применения.
Третий раздел посвящен разработке методов расчета эжекторной системы УЛФ для сокращения потерь бензина от испарения из резервуаров.
Простейшая эжекторная система УЛФ представляет собой замкнутый контур, включающий циркуляционную емкость, центробежный насос, ЖГЭ и соединительные трубопроводы. К сожалению, методы расчета данной системы отсутствуют.
Автором предложены новые безразмерные координаты для построения характеристики ЖГЭ в виде зависимости степени сжатия, приведенного давления, приведенной мощности, затрачиваемой на компримирование, и рабочего диапазона по безразмерному расходу откачиваемой ПВС от коэффициента
10 эжекции. Это позволило сделать данную характеристику универсальной и наглядной.
Разработана методика гидравлического расчета соединительных трубопроводов по рекомендуемой скорости перекачки при неизвестном диаметре. Показано, что жидкостно-газовый эжектор должен размещаться над циркуляционной емкостью. Даны рекомендации по определению периодичности замены низколетучей жидкости в контуре эжекторной системы УЛФ. На этой основе выполнены оценки объемов дизтоплива, которое необходимо ежесуточно реализовать на типичной распределительной нефтебазе и в типичном резервуарном парке МНПП. Найденные величины составляют соответственно 41 м' и 1171м3, т.е. не являются запредельными.
В четвертом разделе произведена оценка област/эжекторной системы УЛФ.
С использованием понятия чистого дисконтированного дохода, получен безразмерный Ка-критерий для выбора средств сокращения потерь бензина. По своему физическому смыслу данный критерий представляет отношение среднегодового экономического эффекта от применения рассматриваемого средства к годовому ущербу от потерь бензина. Соответственно, выбирать необходимо то средство сокращения потерь, для которого величина Ка-критерия является наибольшей.
Для расчета Ка-критерия необходимо знать степень улавливания, обеспечиваемую при применении эжекторной системы УЛФ. С использованием теории фазовых равновесий автором был осуществлен математический эксперимент, в ходе которого были рассчитано остаточное содержание углеводородов в ПВС после контакта с дизельным топливом при различных давлениях Р, температурах Т и пропорциях смешения U. На основании полученных результатов были найдены случайные величины степени улавливания паров бензина в эжекторе S3 и затем получено приближенное уравнение связи S-> с
P, T, U и С0 (где С0 - начальная концентрация углеводородов в ПВС). Среднеквадратичная погрешность расчета Бэ по ней составляет 8,1%.
Общая же степень улавливания паров бензина находится с учетом коэффициента совпадения операций заполнения-опорожнения резервуаров с бензином.
В заключение по полученным зависимостям были выполнены расчеты Ка-критерия для различных средств сокращения потерь (дисков-отражателей. газовой обвязки, понтонов и эжекторной системы УЛФ) в зависимости от коэффициента оборачиваемости, номинальной вместимости резервуаров, а также области их применения (нефтебазовое хозяйство или система магистральных нефтепродуктопроводов). Результаты расчетов представлены в виде кривых зависимости Ка-критерия для каждого средства сокращения потерь от коэффициента оборачиваемости. Из результатов расчета, в частности,следует:
1) В условиях нефтебаз, как правило, использование эжекторных систем
УЛФ более предпочтительно, чем других технических средств сокращения
потерь. При сроке службы tc=20 лет и норме дисконта Е=0,15 диски-отражатели
способны конкурировать с ними только в условиях нефтебаз на резервуарах
РВС 400 при коэффициентах оборачиваемости 8... 12 1/год.
2) В условиях магистральных нефтепродуктопроводов картина сложнее.
На резервуарах типа РВС с номинальной вместимостью до 1000 м''
включительно, наилучшие технико-экономические показатели имеет газовая
обвязка. На резервуарах РВС 2000 и РВС 3000 наиболее предпочтительно
применение понтонов. На резервуаре РВС 5000 при коэффициентах
оборачиваемости по 24 1/год включительно предпочтительнее использовать
понтоны, а при п0б > 26 1/год - эжекторную систему УЛФ (хотя при больших
диаметрах ГО она до поб > 28 1/год может проигрывать понтонам). Наконец, на
резервуарах номинальным объемом 10000 mj и выше вне конкуренции
эжекторная система УЛФ.
Улавливание паров бензина, вытесняемых из резервуаров
Газоуравнительные системы обеспечивают большее сокращение потерь нефти и нефтепродуктов от испарения, чем газовые обвязки. Однако решить проблему кардинально они не в состоянии. Еще Н.Н. Константинов [61] отмечал, что "пары, образующиеся при наливе нефтепродукта в емкости, газовое пространство которых не насыщено парами, не могут быть полностью сохранены при помощи газоуравнительных систем, так как объем вытесняемый при наливе паровоздушной смеси в этом случае больше объема залитого нефтепродукта". Даже применением газосборников сколь угодно больших размеров нельзя уменьшить эти потери, "...потому, что при каждом последующем наливе образуются новые избыточные объемы паровоздушной смеси". Свести практически к нулю объем вытесняемой в атмосферу парогазовой смеси позволяют различные системы улавливания легких фракций (УЛФ).
Классификация существующих систем УЛФ приведена в [69] (рис. 1.5). Предложено разделить их по 4 признакам: по виду "защитного" газа, по характеру работы, по методу реализации газовой смеси и по методу отделения углеводородов. "Защитным" называется газ, которым заполняется ГП резервуаров при их опорожнении. Эту роль могут выполнять воздух, горючие и инертные газы.
По характеру работы различают системы УЛФ замкнутого и разомкнутого типа. В первом случае система УЛФ функционирует как автономная, т.е. улавливаемые при "выдохе" углеводороды накапливаются, а при "вдохе" возвращаются в ГП резервуаров. Во втором - при "вдохе" углеводороды для заполнения ГП резервуаров берутся извне, а при "выдохе" - куда-либо отводятся.
Газовая смесь, вытесняемая из резервуаров, объединенных системой УЛФ, может быть сожжена как топливо (например, в котельной), закачана в газопровод (если в ней нет воздуха) или накоплена в каком-либо газосборнике (постоянного или переменного объема) с тем, чтобы при понижении давления в ГП резервуаров можно было его заполнить накопленной смесью.
По методу отделения углеводородов из ПВС системы УЛФ подразделяются на адсорбционные, абсорбционные, конденсационные и компрессионные. В первом случае углеводороды адсорбируются твердым поглотителем. Для этого может быть использован активированный уголь [47], сополимерная шариковая насадка [53], пористые полимеры [102] и другие адсорбенты. Достоинством таких систем является отсутствие средств автоматизации, недостатком - довольно большие капиталовложения вследствие необходимости параллельного включения нескольких адсорберов, низкий коэффициент использования оборудования (около 30%) и необходимость периодической регенерации адсорбента (как правило, путем пропаривания).
В абсорбционных системах УЛФ роль поглотителя углеводородов играет жидкость (дизельное топливо, керосин, креозот и др.). Основным элементом таких систем являются абсорберы, в которых и реализуется процесс абсорбции [41]. Минимальный расход абсорбента имеет место в распыливающих абсорберах, где жидкость-поглотитель распыливается через форсунки. Для этого необходимо несколько более высокое давление, чем в насадочных абсорберах, где жидкость-поглотитель подается в верхнюю часть аппарата, а затем стекает по заполняющей его полость насадке, образуя развитую поглощающую поверхность. Но работа насадочных абсорберов требует большего расхода абсорбента. В барботажных абсорберах паровоздушная смесь барботирует через слой поглощающей жидкости на многочисленных тарелках. Поскольку таких тарелок много, то работа барботажных абсорберов невозможна без компримирования ПВС.
Недостатком абсорбционных систем УЛФ является необходимость периодической регенерации абсорбента, для чего требуется использование специальных аппаратов (десорберов), а также нагрев жидкости-поглотителя.
В связи с этим блок регенерации стоит практически столько же как и абсорберы, а эксплуатационные затраты на регенерацию больше, чем в процесс улавливания углеводородов.
В патентах [11, 86, 87] предлагаются абсорбционные системы УЛФ, основанные на использовании фитильного эффекта. Сущность изобретений заключается в том, что на пути ПВС, вытесняемой из резервуара, размещают газопронициаемый капиллярно-пористый материал, нижняя часть которого помещена в емкость с абсорбентом. Благодаря фитильному эффекту абсорбент насыщает капиллярно-пористый материал, превращая его, как пишут авторы, "эффективную абсорбционную систему", при прохождении через которую происходит частичное поглощение углеводородов. Достоинства данной системы УЛФ очевидны: 1) она не потребляет электроэнергии; 2) отпадает необходимость в автоматизации ее работы. В то же время авторы [11, 86, 87] не сообщают какую долю углеводородов удается уловить таким образом.
В ряде работ [20, 51, 59, 91, 114], чтобы избежать необходимости периодической регенерации абсорбента, в качестве него предлагается использовать ту же углеводородную жидкость, пары которой улавливаются, но предварительно охлажденную.
Примером реализации подобной системы УЛФ является установка, испытанная в ЦНИЛ Госкомнефтепродукта РСФСР [57]. Паровоздушная смесь из резервуара поступала в абсорбер с насадкой из керамических колец Рашига размером 50x50x25 мм. На насадке происходила сорбция бензиновых паров охлажденным бензином и их частичная конденсация.
Исследования проводились при начальных температурах абсорбента от -5 до -15 С, давлениях от 0,12 до 0,2 МПа, соотношениях объемов ПВС и бензина от 4 до 80. Установлено, что наибольшее улавливание бензиновых паров (73...90 %) обеспечивается при температуре процесса -10 С, избыточном давлении 0,17...0,18 МПа и соотношении фаз, равном 50...70. По данным авторов, срок окупаемости установки составляет 2...3 года.
Влияние газосборника на сокращение потерь бензина из резервуаров, оборудованных газоуравнительной системой
В литературе рекомендации по определению сокращения потерь от испарения при наличии у резервуаров ГУС (SryC) отсутствуют. По аналогии с тем как это принято в отношении газовой обвязки примем, что SryC Кс.гуС - коэффициенту совпадения операций при наличии ГУС, равному V - Vc.rvc /о о \ ЛС.ГУС у V/--V зак где Vcryc - объем предотвращенного "выдоха"; V3aK - объем партии закачиваемого бензина. Величина Vc.ryC принимает следующие значения. Если из группы резервуаров, объединенных ГУС, откачка не производится (VOT=0), то очевидно, что Vc c равен объему ПВС, аккумулируемой газосборником (VaK). Если объем откачки бензина из группы резервуаров превышает объем закачки бензина в нее (V0T V3), то система работает как газовая обвязка и поэтому Vcryc=V3. Если же объем закачиваемого в резервуары бензина превышает объем откачки (V3 V0T), то Vcryc= V0T+VaK при V0T+ VaK V3 и VcryC=V3 при V0T+VaK V3. Соответственно можно записать vaK при VOT=0 СГУС _ v3 при V0T V rain{V0T+Vai(;V3} при V0T(V3 (2.4)
Последняя строчка (2.3) читается так: меньшее из двух значений VOT+VaK или V3. Так как при Vor=0 выполняется неравенство V0T V3, то формулу (2.4) можно переписать в более простом виде Vcryc=j\ г ПРИ V Vl. (2.5) СГУС \min{V0T+Vai[;V3} при V0T V3 Поскольку при применении газовой обвязки min{V3;V0T} v3 к = то дополнительный эффект сокращения потерь от испарения вследствие подключения газосборника составит KcryC_Kc=iniin{VaK;V3-VOT} 3 при V0T V3 (Z6)
Итак, подключение газосборника к ГО дает эффект только в том случае, когда выполняется неравенство V0T V3. При этом дополнительное сокращение потерь равно меньшему из двух величин VaK/V3 или (V3-V0T)/ V3.
Выразим величину объема ПВС VaK, аккумулируемого газосборником, имея в виду, что они могут быть постоянного и переменного объема.
Газосборник постоянного объема
Пусть в качестве газосборника используется емкость, имеющая неизменный объем Vrc. Так как газосборник подключен к газовому пространству резервуаров напрямую, то его аккумулирующая способность обусловлена тем, что при "выдохе" давление в ГП резервуаров Рг2 больше, чем в момент начала закачки Рнз.
Легко показать, что в абсолютно жестком газосборнике в момент открытия клапана давление находится объем ПВС (приведенный к величине Р„.3.), равный Vrc РГ2/Рн.з Так образом его аккумулирующая способность равна v„=vrc.pn/pM-vrc = vre.fb.-i (2.7)
Максимальную аккумулирующую способность газосборника постоянного объема найдем, предположив, что заполнение группы резервуаров начинается сразу после их опорожнения, т.е. что Рн.з=Ргі - давлению, при котором открывается клапан вакуума. Обычно для резервуаров типа РВС принимают [4], что Рг1=101325 Па, а Рг2=103325 Па. Поэтому по формуле (2.7) несложно подсчитать, что Уак.тах 0,0218 Vrc, т.е. газосборник постоянного объема при указанных условиях вмещает максимум чуть больше 2 % своего геометрического объема.
Однако в [37] рекомендуется принимать, что в дневное время Рг) Рат -101325 Па. В этом случае для резервуаров типа РВС т.е. максимальная аккумулирующая способность газосборника постоянного объёма составляет менее 2 % от его геометрического объема.
Представляет определенный интерес выяснение того, сколько же углеводородов позволяет сохранить газосборник постоянного объема. Масса ПВС, находящаяся в газосборнике при минимально возможном давлении ГП равном Рг1/составляет С Рп-Угс иПВС1 - р -. Аналогично при максимально возможном давлении в ГП равном Рг2 эта масса равна Р V а - Г2 vrc ипва п т К-пва г Следовательно, в газосборнике постоянного объема Vrc при температуре Тг может быть аккумулирована масса ПВС, составляющая максимум AG =G -G - Ec.f-Zn Eo_ иак иПВС2 ПВСІ р р Г ЧКПВС2 КПВС1 )
Масса углеводородов, аккумулируемая 1 м3 объема газосборника постоян ного объема, составляет не более AGy _ AGa Vrc vrc где с - массовая концентрация углеводородов в ПВС. Полагая, что RnBCI « Rrmc2 = пвс и имея в ВИДУ соотношения R _ Mv " ПВС — , С — с Мпвс Мпвс несложно получить, что A0 -CM (Pr!-Pn), (2.8) vrc Rr где с - объемная концентрация углеводородов в ПВС; Mv - молярная масса паров бензина; R - универсальная газовая постоянная. Полагая, что Рг2-Рг)=2200 Па, а Тг=293 К, несложно подсчитать, что при изменении величины произведения с-Му от 10 до 30 величина AG /Vrc изменяется от 0,009 до 0,027 кг/м3, т.е. ничтожно мала. Газосборник переменного объема
Из какого бы материала не был изготовлен такой газосборник он все равно не бывает абсолютно пустым. Его объем минимален (Vmjn) при давлении в ГП резервуаров, равном РГ]. Полагая, что геометрический объем такого газосборника находится в степенной зависимости от давления и приводя этот объем к условиям начала закачки, можем записать V = vrc Vmi„+A.(Pr-Pn)B].i-, (2.9) где А, В - эмпирические коэффициенты, величина которых зависит от конструкции и материала, из которого изготовлен газосборник; Рг - текущее давление в ГП.
Поскольку с увеличением давления объем газосборника не может увеличиваться бесконечно, то очевидно, что В 1. С физической точки зрения также понятно, что чем "жестче" газосборник, тем величина коэффициента А меньше. В предельном случае для абсолютно жесткого газосборника А=0.
Анализ характеристик жидкостно-газовых эжекторов
В насосно-эжекторных установках (НЭУ) формально могут быть использованы ЖГЭ с аэродинамическими схемами всех четырех типов. Однако очевидно, что они обладают разными технико-экономическими показателями, которые и должны учитываться при выборе типа жидкостно-газового эжектора.
Для упрощения данной процедуры удобно пользоваться характеристикой ЖГЭ. Ее можно представить в разном виде. В работе [50] предлагается строить характеристику как зависимость давления смеси Рш от расхода откачиваемого газа Qr (рис. 3.2).
Расход рабочей жидкости в этом случае находится как Q« = Qr 0пт"иопт, где Qr опт - заданный расход откачиваемого газа (принимаем его равным расходу ЖГЭ при максимальном К.П.Д., т.е. на оптимальном режиме). Величина UonT будет вполне определена, если задана величина Р, которая в свою очередь зависит от давления рабочей жидкости Рж. Определим ее. При заданном типе аэродинамической схемы величина Рж находится из формулы (3.3) при заданных значениях Рсм. опт, Рг и Ps.
В качестве примера на рис. 3.2 приведены характеристики ЖГЭ с различным типом аэродинамической схемы при Рг = 105 Па; Ps = 100 Па; Рсм. опт=Ю6 Па и QronT= 360 м /ч. Видно, что самый широкий диапазон рабочего расхода по газу - у ЖГЭ № 3. Однако полученный график справедлив только для заданных условий, т.е. носит частный характер. В каждом конкретном случае характеристику ЖГЭ в данных координатах надо строить заново.
Рассмотрим другие варианты представления характеристик жидкостно-газовых эжекторов свободных от указанных недостатков. Первым делом U/Umax=l-exP -B-Vp I); Решая данные уравнения как систему, получаем напрашивается зависимость ее в относительных координатах. Из формул (1.21) и (1.22) следует, что Характеристики ЖГЭ с различным номером аэродинамической схемы в виде (3.6) приведены в табл. 3.1. Нетрудно видеть, что они не дают представления какой из них целесообразно применять в различных условиях. СМ отп
Характеристики жидкостно-газовых эжекторов с различным типом аэродинамической схемы (по К.Г. Донцу) Применительно к рассматриваемой задаче улавливания паров бензина, вытесняемых из резервуаров в атмосферу, наибольший интерес представляют такие параметры ЖГЭ как степень сжатия ПВС, давление, развиваемое насосом, энергозатраты на компримирование ПВС и рабочий диапазон по величине расхода откачиваемой паровоздушной смеси. Рассмотрим их.
Давление газожидкостной смеси на выходе из ЖГЭ описывается формулой (1.27). С учетом зависимости (1.85) ее можно представить в виде
Из формулы (1.25), следует, что численное значение Р при использовании в качестве рабочей жидкости низколетучего нефтепродукта практически равно давлению, развиваемому насосом, в атмосферах. Мощность, затрачиваемая на компримирование ПВС жидкостно-газовым эжектором, с точностью до к.п.д. насоса, равна K = Q . (ЗЛО) Имея в виду формулу (1.25), а также соотношения Q» = Qr/UonT и Ps«P(Pr-Ps), данное выражение можно представить в следующем безразмерном виде
Из формул (3.8), (3.9), (3.11)... (3.13) видно, что величины є,?,N, AU и г\ для каждой аэродинамической схемы ЖГЭ однозначно определяются значениями U и не зависят от условий эксплуатации. Так же как напор, потребляемая мощность и КПД насосов зависит только от их подачи. Данная аналогия позволяет нам предложить считать зависимость степени сжатия, приведенного давления, приведенной мощности и рабочего диапазона по безразмерному расходу ПВС от требуемого коэффициента эжекции характеристикой ЖГЭ.
Зависимость параметров ,P,N, AUH г\ от требуемого коэффициента эжекции для ЖГЭ с разным типом аэродинамической схемы представлена на рис. 3.3...3.7. Видно, что чем больше требуемая величина коэффициента U, тем больше должна быть степень сжатия ПВС е. А это требует большего давления рабочей жидкости и, соответственно, больших энергозатрат на компримирование. Положительным фактом является то, что при этом одновременно увеличивается рабочий диапазон ЖГЭ по расходу откачиваемой ПВС, то есть устойчивость его работы повышается.
Прогнозирование степени улавливания паров бензина при использовании эжекторной системы УЛФ
Прогнозирование величин S при применении дисков-отражателей и понтонов может быть выполнено по формулам, приведенным в [106]. Ту же задачу применительно к газовой обвязке можно решать по полученным нами формулам (2.1) и (2.2). Рекомендации по прогнозированию степени улавливания паров бензина при прохождении через эжекторную систему УЛФ, в которой в качестве рабочей жидкости используется дизельное топливо, отсутствуют.
Эжекторную систему УЛФ можно рассматривать как установку с двухступенчатой очисткой ПВС от углеводородов (рис.4.1): первой является газовая обвязка, второй - жидкостно-газовый эжектор.
Обозначим массовые расходы углеводородов между элементами системы через wo, mi и т2 соответственно. По определению сокращение потерь бензина составляет УЛФ-Э ІТІ т, (4.7) 108
Поскольку m2/m0 =(т2/т,)-(т,/т0), а т2/т, = 1-S„ и т,/т0 =1 — S,, то формулу (4.7) можем переписать в виде вулф-э =1-0-8,)-(1-8,,), (4.8) где Si, SJI - степень уменьшения массового расхода углеводородов соответственно на I и II ступенях.
В рассматриваемом случае Si = IQ, a Sn = S3 - степени сокращения потерь в результате абсорбции паров бензина низколетучим нефтепродуктом (степень улавливания в эжекторе), то формулу (4.8) окончательно можем переписать как вулФ-э =1-(1-Kc)-(1-S3) (4.9)
Величины Кс, как отмечалось выше, могут быть рассчитаны по формулам (2.1), (2.2). Необходимо дать рекомендации по вычислению значений S3.
Данную задачу мы решали методом математического моделирования. В качестве определяющих параметров были выбраны: концентрация углеводородов в ПВС, вытесняемой из резервуаров (Со) коэффициент эжекции (U), характеризующий соотношение, в котором смешиваются в эжекторе исходная ПВС и рабочая жидкость; давление (Рс) и температура (Тс), при которых разделяется газожидкостная смесь, прошедшая через ЖГЭ.
Уровни вышеназванных факторов назначались в соответствии с табл. 4.1. Таблица 4.1 - Уровни факторов, определяющих величину степени улавливания в эжекторной системе УЛФ
Факторы Величины факторов для уровней 2 3 4 5 Со, доли 0,04 0,1 0,2 0,477 0,654 и 0,5 1,5 3 4,5 6 Рс, МПа 0,11 0,13 0,15 0,17 0,20 тс,к 273 283 293 303 313 109
Если проводить полный факторный эксперимент, то количество опытов математического эксперимента составило бы 54 = 625. Выполнить их даже на ЭВМ достаточно трудоемко. Поэтому нами было выполнено рациональное планирование математического эксперимента (табл. 4.2). Благодаря этому количество математических "опытов" без ущерба для конечного результата было уменьшено до 25.
Алгоритм выполнения расчетов был следующим:
1) для одного из 5 типичных составов ПВС с заданной концентрацией углеводородов Со при принятом коэффициенте эжекции рассчитывался состав рекомбинированной смеси с дизельным топливом и ее молярная масса;
2) с использованием аппарата теории фазовых равновесий [106] рассчитывалось разделение рекомбинированной смеси на жидкую и газовую фазы при принятых давлении Рс и температуре Тс;
3) вычислялась концентрация углеводородов Сг в выделившейся газовой фазе; 4) определялась расчетная величина степени улавливания в эжекторе S3=l- - (4-Ю) Результаты расчетов по данному алгоритму приведены в табл. 4.3.
Использованная для прогнозирования величин Бэ методика достаточно трудоемка. Поэтому нами была предпринята попытка получения приближенной зависимости для вычисления величины Sa с использованием данных табл. 4.3. Для этого был использован профессиональный математический пакет Statgraphics Plus [42]. Процедура его применения предусматривает: 1) проверку данных математического эксперимента на нормальность распределения (с отбрасыванием "выскакивающих" точек); 2) линеризацию исходных данных; 3) определение коэффициентов регрессии.
