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°С;

· дизельное топливо летнее с температурой вспышки 61°С;

· дизельное топливо экспортное;

· дизельное топливо летнее с температурой вспышки 40°С;

· топливо для реактивных двигателей;

· дизельное топливо зимнее;

· дизельное топливо летнее с температурой вспышки 40°С;

· керосин или топливо печное бытовое;

· дизельное топливо летнее с температурой вспышки 40°С;

· 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 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 специальное 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

 

Рис. 1.2. Механизм смесеобразования при ламинарном режиме

 

Рис. 1.3. Изменение объема смеси при ламинарном режиме

Последовательной перекачки

(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_tр.

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 распределенияжидкости Б по длине смеси занимает все более пологое положение.

Рис. 1.4. Механизм смесеобразования при турбулентном режиме

 

 

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 B.C. 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 (м²/с).

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 ;

τ - 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

 

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 τ = L/υ_см, то можем переписать(1.3)

(1.4)

 

где L - пройденный смесью путь;

υ_{с м} – скорость смеси.

Соответственно объем смеси будет равен

 

, (1.5)

 

где S- площадь внутреннего 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.

l_см ~ ; V_см ~

Если изобразить на графике эти зависимости, то они будут иметь вид кривой, представленной на рис.1.7

 

lсм, Vсм

L

 

Рис.1.7. Зависимость длины и объема смеси от расстояния перекачки.

 

Их рисунка видно, что темп нарастания смеси не одинаков в различные моменты времени. В начале времени, при малых значениях L, образование смеси происходит быстрее всего, но по мере возрастания смеси, она играет роль буфера и вовлечение новых порций «чистых» нефтепродуктов в смесь замедляется. Необходимо помнить, что если последовательная перекачка осуществляется сначала по участку нефтепродуктопровода АБ, а потом по участку ВС, то общий объем смеси, образующийся на участке АС, не равен сумме объемов смеси, образовавшейся на каждом участке, а меньше ее.

Для расчета длины и объема смеси удобно использовать безразмерное число, характеризующее процесс смешения - число Пекле

,

Используя этот критерий, полученные для l_см и V_см выражения (1.4), (1.5) можно представить в виде:

l_см = 6,58·Ре^-0,5·L, (1.6, a)

V_см =6,58·Ре^-0,5·V_тр, (1.6, б)

где V_тр =S·L – часть объема трубы, которую к данному моменту времени прошла смесь.

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

Решение

Последовательно вычисляем

;

;

;

l_см = 6,58 ·Ре^-0,5·L= 6,58·1,29·10^-3·250·10³ = 2122 м;

V_см =6,58·Ре^-0,5·V_тр = 6,58·1,29·10^-3·26145 = 222 м³

 

Таким образом,в одном контакте перекачиваемых нефтепродуктов образуется 222 м³ смеси (в пределах концентрации от 1% до 99%), а сама длина смеси в трубопроводе составит около 2,12 км.

Одной их важных характеристик процесса смесеобразования – количество примеси J₀ одного нефтепродукта, попадающего в другой. На рис.1.6. площади заштрихованных частей пропорциональны объемам примеси J₀.

Объем примеси одного продукта в другом J_o описывается формулой:

 

. (1.7)

 

Она похожа на выражение для объема смеси (1.6, б), но имеет другой коэффициент.

Если взять отношение объема примеси к объему смеси, то получим

, (1.8)

то есть объем примеси каждого нефтепродукта в другом 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.