способ управления процессом слива высоковязких нефтепродуктов из железнодорожных цистерн

Формула изобретения

Способ управления процессом слива высоковязких нефтепродуктов из оборудованных устройством нижнего слива железнодорожных цистерн, включающий разогрев теплоносителем нефтепродукта с использованием его циркуляции до достижения значения нормативной температуры слива, при котором вязкость перекачиваемого нефтепродукта обеспечивает наиболее полное опорожнение цистерн, отличающийся тем, что задают удельную теплоемкость сливаемого нефтепродукта, коэффициенты теплопроводности нефтепродукта, воздуха и материала стенки железнодорожной цистерны, вязкость нефтепродукта, вязкость воздуха, коэффициент объемного расширения нефтепродукта, плотность нефтепродукта, диаметр железнодорожной цистерны, длину котла железнодорожной цистерны, толщину стенки цистерны, степень черноты поверхности железнодорожной цистерны, нормативную температуру слива нефтепродукта из железнодорожной цистерны и постоянную Планка, замеряют текущие значения температуры окружающей среды, скорости ветра и температуры наружной стенки обечайки железнодорожной цистерны в нижней точке, максимально приближенной к днищу цистерны, которую сравнивают с расчетной величиной этой температуры, определяемой по следующей зависимости:

t_стн ^р=t_o +k/a₁· (t_нп-t_o ),

где t_стн ^р - расчетная температура наружной стенки железнодорожной цистерны, соответствующая температуре слива нефтепродукта без остатка, ° С;

t_o - температура окружающей среды (воздуха), ° С (показания с датчика термометра);

t_нп - нормативная температура слива нефтепродукта, обеспечивающая его слив без остатка, ° С;

a₁ - коэффициент теплоотдачи от стенки железнодорожной цистерны в окружающую среду, Вт/(м²· ° С), равный

а₁=0,032· _в/L· Re^0,8,

k - коэффициент теплопередачи от нефтепродукта в окружающую среду, Вт/(м ²· ° С), определяемый по формуле

k=[l/a₁+ _ст/ _ст+l/а₂+l/а₃]^-1,

где а₂ - коэффициент теплоотдачи от нефтепродукта к стенке железнодорожной цистерны, Вт/(м²· ° С), определяемый по зависимости

а₂=0,5· _нп/D_ждц· (Gr· Pr) _нп ^1/4· [(Pr)_нп/(Pr) _ств]^1/4,

а₃ - коэффициент теплоотдачи от стенки железнодорожной цистерны радиацией, Вт/(м ²· ° С), равный

а₃= _ст· C_s· {[(t_стн ^р+273)/100]⁴-[(t _o+273)/100]⁴}/(t_стн ^р-t _o)

где _ст - толщина стенки цистерны, м (паспортные данные);

_ст - коэффициент теплопроводности материала стенки железнодорожной цистерны Вт/(м²· ° С) (справочные данные);

_нп - коэффициент теплопроводности нефтепродукта, Вт/(м ₂· ° С), (справочные данные);

_в - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м ²· ° С), (справочные данные);

D_ждц - диаметр железнодорожной цистерны, м (паспортные данные);

L - длина котла железнодорожной цистерны, м (паспортные данные;)

Re - число Рейнольдса (безразмерный критерий подобия), Re=w_в/D_ждц/v_в ,

Pr - безразмерный критерий подобия Прандтля, рассчитанный при заданной (нормативной) температуре слива нефтепродукта (нп) и температуре внутренней стенки цистерны (ств) по следующей зависимости:

Pr_нп= _нп· c_нп· _нп/ _нп ^нп;

Pr_ств=v_ств · c_ств· _ств/ _нп ^ств;

Gr - безразмерный критерий подобия Грасгофа, равный

Gr=D³ _ждц · g· _нп· t/v² _нп,

где _нп( _ств) - вязкость нефтепродукта при температуре слива и внутренней стенки цистерны соответственно, м²/с (справочные данные);

c_нп(c_ств) - удельная теплоемкость нефтепродукта при температуре слива и внутренней стенки цистерны соответственно, Дж/(кг· ° С), (справочные данные);

_нп( _ств) - плотность нефтепродукта при температуре слива и внутренней стенки цистерны соответственно, кг/м³ (справочные данные);

_нп - коэффициент объемного расширения нефтепродукта, 1/град (справочные данные);

g - ускорение силы тяжести=9,81 м/с² (константа);

w_в - текущее значение скорости ветра, м/с (показания с датчика);

_в - вязкость воздуха, м²/с (справочные данные);

_ст - степень черноты поверхности цистерны (паспортные данные):

_ст=1 - для черного цвета;

_ст=0,8-0,95 - для красного, зеленого и серого цвета;

_ст=0,7 - для алюминиевого покрытия,

t=(t_нп-t_cтв ^p) - разность температур нефтепродукта и внутренней стенки цистерны, ° С, где t _ств ^р - расчетное значение температуры внутренней стенки железнодорожной цистерны, равное

t_cтв ^р=t_o+k/ ₂× (t_нп-t_o),

C_s - постоянная Планка, равная 5,76 Вт/(м ²° K⁴) (константа);

t _cтн ^и - текущее измеренное значение температуры наружной стенки обечайки железнодорожной цистерны (показания датчика) и при t_стн ^и t_стн ^р - прекращают разогрев и циркуляцию греющего нефтепродукта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматизированным способам управления и контроля за технологическим процессом слива высоковязких нефтепродуктов из железнодорожных цистерн с использованием циркуляционного подогрева и может быть применено на перевалочных терминалах и нефтебазах, оборудованных системами циркуляционного подогрева нефтепродукта в железнодорожных цистернах.

Известно, что абсолютное большинство железнодорожных цистерн оборудовано нижними сливными приборами. Известен способ слива высоковязких нефтепродуктов из железнодорожных цистерн (ЖДЦ) с использованием подогрева сливного прибора цистерны острым паром, слив основной массы нефтепродукта с продолжением ее подогрева острым паром, после чего разогретый нефтепродукт подают в гидромониторное устройство, размывают и разогревают остатки до полного их слива (а.с. СССР, №418421, B 65 G 69/20, 1971 г.).

Недостатком этого способа является значительное обводнение сливаемого нефтепродукта.

Известен также способ слива вязких нефтепродуктов из ЖДЦ с использованием погружных раскладывающихся по низу цистерны устройств, включающий предварительный нагрев нефтепродукта до образования верхнего разжиженного слоя, одновременный подогрев и слив нефтепродукта до уровня верхней образующей раскладывающихся элементов устройства подогрева и последующий нагрев нефтепродукта до температуры, обеспечивающей слив без остатка (а.с. СССР, №227361, B 65 D 88/74, 1966 г.).

Этому способу присущи такие недостатки, как большой расход теплоносителя и малая эффективность устройств подогрева, так как размещенные внутри цистерны они требуют периодического осмотра и ремонта. Кроме того, известные способы подвергаются контролю только по состоянию разогреваемого нефтепродукта и его физико-химических показателей без учета влияния внешних факторов (температура окружающей среды, скорость ветра) и конструктивных особенностей цистерн.

Наиболее близким по технической сущности является взятый за прототип способ слива вязких жидкостей из оборудованных устройством нижнего слива ЖДЦ, включающий использование контура циркуляции, в котором осуществляют подогрев нефтепродукта в теплообменнике до определенной температуры, подачу разогретого нефтепродукта на устройство нижнего слива, имеющего в своей конструкции телескопический монитор, звенья которого под давлением греющего нефтепродукта раздвигаются, вводя сопловую головку внутрь цистерны. Подогретый нефтепродукт из зоны сливного прибора поступает в теплообменник циркуляционного контура и возвращается в цистерну.

При достижении температуры слива нефтепродукт направляют в резервуарный парк, а для слива остатка нефтепродукт разогревают на 10-15° С выше температуры слива в циркуляционном контуре (а.с. СССР, №469644, B 67 D 5/01, 1973 г.).

Известный способ обладает низкой эффективностью из-за отсутствия контроля за температурой нефтепродукта внутри ЖДЦ, что неоправданно увеличивает время подогрева нефтепродукта и, как результат, увеличивает себестоимость процесса.

Кроме того, как показала практика, известный способ не обеспечивает полный слив нефтепродукта из-за низкой температуры нефтепродукта вблизи днищ цистерны особенно в холодное время года.

Технический результат изобретения - повышение эффективности способа за счет уменьшения несливаемого остатка и снижения расхода обогревающего агента путем определения момента отключения разогрева.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления процессом слива высоковязких нефтепродуктов (НП) из оборудованных устройством нижнего слива ЖДЦ, включающем разогрев теплоносителем НП с использованием его циркуляции до достижения значения нормативной температуры слива, при которой вязкость перекачиваемого НП обеспечивает наиболее полное опорожнение цистерн, согласно изобретения задают удельную теплоемкость сливаемого нефтепродукта, коэффициенты теплопроводности нефтепродукта, воздуха и материала стенки железнодорожной цистерны, вязкость нефтепродукта, вязкость воздуха, коэффициент объемного расширения нефтепродукта, плотность нефтепродукта, диаметр железнодорожной цистерны, длину котла железнодорожной цистерны, толщину стенки цистерны, степень черноты поверхности железнодорожной цистерны, нормативную температуру слива нефтепродукта из железнодорожной цистерны и постоянную Планка, замеряют текущие значения температуры окружающей среды, скорости ветра и температуры наружной стенки обечайки железнодорожной цистерны в нижней точке, максимально приближенной к днищу цистерны, которую сравнивают с расчетной величиной этой температуры, определяемой по следующей зависимости:

t_стн ^р=t_o+k/a₁ · (t_нп-t_o), где

t _стн ^р - расчетная температура наружной стенки ЖДЦ, соответствующая температуре слива нефтепродукта без остатка, ° С;

t_o - температура окружающей среды (воздуха), ° С (показания с датчика термометра);

t_нп - нормативная температура слива НП, обеспечивающая его слив без остатка, ° С;

a₁ - коэффициент теплоотдачи от стенки ЖДЦ в окружающую среду, Вт/(м² · ° С), равный а₁=0,032· _в/L· Re^0,8,

k - коэффициент теплопередачи от нефтепродукта в окружающую среду, Вт/(м ²· ° С), определяемый по формуле

k=[l/a₁+ _ст/ _ст+l/а₂+l/а₃]^-1, где

где а₂ - коэффициент теплоотдачи от НП к стенке ЖДЦ, Вт/(м²· ° С), определяемый по зависимости

а₂=0,5· _нп/D_ждц· (Gr· Pr) _нп ^1/4· [(Pr)_нп/(Pr) _ст]^1/4,

а₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки ЖДЦ радиацией, Вт/(м²· ° С), равный

а₃= _ст· C_s· {[(t_стн ^р+273)/100]⁴-[(t _o+273)/100]⁴}/(t_стн ^р-t _o где

_ст - толщина стенки цистерны, м (паспортные данные);

_ст - коэффициент теплопроводности материала стенки железнодорожной цистерны, Вт/(м²· ° С) (справочные данные);

_нп - коэффициент теплопроводности нефтепродукта, Вт/(м ²·°C) (справочные данные);

_в - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м ²· ° С) (справочные данные);

D_ждц - диаметр железнодорожной цистерны, м (паспортные данные);

L - длина котла железнодорожной цистерны, м (паспортные данные);

Re - число Рейнольдса (безразмерный критерий подобия);

Re=w_в· D _ждц/ _в,

Pr - безразмерный критерий подобия Прандтля, рассчитанный при заданной (нормативной) температуре слива нефтепродукта (нп) и температуре внутренней стенки цистерны (ств) по следующей зависимости

Pr_нп= _нп· c_нп· _нп/ _нп ^нп,

Pr_ств = _ств· c_ств· _ств/ _нп^ств,

Gr - безразмерный критерий подобия Грасгофа, равный

Gr=D³ _ждц· g· _нп· t/ ² _нп, где

_нп( _ств) - вязкость нефтепродукта при температуре слива и внутренней стенки цистерны соответственно, м²/сек (справочные данные);

с_нп(с_ств) - удельная теплоемкость нефтепродукта при температуре слива и внутренней стенки цистерны соответственно, Дж/(кг· ° С) (справочные данные);

_нп( _ств) - плотность нефтепродукта при температуре слива и внутренней стенки цистерны соответственно, кг/м³ (справочные данные);

_нп - коэффициент объемного расширения нефтепродукта, 1/град (справочные данные);

g - ускорение силы тяжести=9,81 м/сек² (константа);

w_в - текущее значение скорости ветра, м/сек (показания с датчика);

_в - вязкость воздуха, м²/сек (справочные данные);

_ст - степень черноты поверхности цистерны (паспортные данные):

_ст=1 - для черного цвета;

_ст=0,8-0,95 - для красного, зеленого и серого цвета;

_ст=0,7 - для алюминиевого покрытия;

t=(t_нп-t_ств ^р) - разность температур НП и внутренней стенки цистерны, ° С,

где t_ств ^р - расчетное значение температуры внутренней стенки железнодорожной цистерны, равное

t_cтв ^р=t_o+k/ ₂· (t_нп-t_o),

C_s - постоянная Планка, равная 5,76 Bm/(м ²· ° K⁴) (константа);

t_стн ^и - текущее измеренное значение температуры наружной стенки обечайки железнодорожной цистерны (показания датчика) и

при t_стн ^и t_стн ^р, - прекращают циркуляцию греющего нефтепродукта.

Техническая сущность способа заключается в том, что управление процессом слива высоковязких НП из ЖДЦ осуществляют по результатам замера текущей температуры наружной стенки обечайки ЖДЦ (t_стн ^р) в нижней точке, максимально приближенной к днищу цистерны (максимально удаленной от нижнего сливного прибора), учитывая влияние на нее температуры окружающей среды (t_o), скорости ветра (w_в ) и конструктивных особенностей цистерны.

Установка датчика температуры НП внутри ЖДЦ в нижней ее части вблизи днищ затруднена и, кроме того, ведет к загрязнению высоковязкими нефтепродуктами самого приспособления и участка слива. Замер текущего значения температуры стенки с внешней стороны ЖДЦ прост в эксплуатации и надежен.

На чертеже представлена блок-схема устройства реализации способа управления процессом подогрева и слива высоковязких НП из ЖДЦ.

Устройство реализации способа содержит блок 1 сбора и обработки данных, блок 2 ввода задаваемых параметров, датчик 3 температуры окружающей среды (воздуха), датчик 4 скорости ветра, датчик 5 температуры наружной стенки ЖДЦ 6.

На нижнем сливном приборе 7 ЖДЦ 6 установлено устройство 8 нижнего слива, содержащее телескопический гидромонитор 9 с сопловой головкой 10.

Патрубок устройства 8 нижнего слива подсоединен к сливному коллектору 11.

Телескопический гидромонитор 9 с помощью трубопровода (без позиции) подсоединен к напорному коллектору 12.

Контур циркуляции греющего нефтепродукта включает: сливной трубопровод (без позиции), циркуляционный насос 13, задвижку 14 управления подачей нефтепродукта в теплообменник 15 и напорный трубопровод (без позиции), подключенный к напорному коллектору 12.

Для перекрытия подачи сливаемого разогретого нефтепродукта в резервуарный парк служит задвижка 16, которая на период разогрева (циркуляции) закрыта.

Датчик 5 установлен в нижней части обечайки ЖДЦ в непосредственной близости к днищу цистерны в связи с тем, что торцы нижней части цистерны являются наиболее недоступными для разогрева полостями. В качестве датчиков 5 и 3 (как вариант) может быть использована термопара. Может быть применен также любой датчик температуры, с цифровым или аналоговым выходным сигналом, обеспечивающий погрешность ± 1° С при температуре окружающей среды от -35° С до +35° С.

Датчики температуры окружающей среды 3 и скорости ветра 4 установлены в верхней части сливной эстакады. Датчик скорости ветра реализован на базе типового метеорологического прибора с погрешностью не более ± 1 м/сек.

В качестве блока обработки данных использован персональный компьютер с объемом оперативной памяти не менее 16 мегабайт.

Способ реализуется следующим образом:

ПРИМЕР.

Из железнодорожной цистерны зеленого цвета, изготовленной из углеродистой стали, необходимо слить топочный мазут марки М-100.

Значения задаваемых и измеряемых параметров представлены в табл. 1.

Таблица 1
Наименование параметров	Размерность параметров	Значения параметров
Задаваемые параметры
Диаметр обечайки ЖДЦ – Dждц	м		3
Длина ЖДЦ - L ждц	м		12
Толщина стенки ЖДЦ - ст	м		0,01
Постоянная Планка – Сs	Bт/(м2· ° K4)		5,76
Коэффициент теплопроводности стенки ЖДЦ - ст	Вт/(м 2· ° С)		45,4
Степень черноты поверхности ЖДЦ - ст	-		0,85
Нормативная температура слива мазута М-100 - tнп	° С		+60
Плотность мазута при температуре +20° С - нп 20	кг/м3		1000
Вязкость мазута при температуре +60° С - нп	м 2/сек		0,000367
Удельная теплоемкость мазута при +60° С – с нп	Дж/(кг· ° С)		1890,4
Коэф-ент теплопроводности мазута при +60° С - нп	Вт/(м· ° С).		0,1326
Коэф-ент объемного расширения мазута, нп	1/град		0,0004855
Коэф-ент теплопроводности воздуха при - 15° С - в	Вт/(м° С).		0,02319
Вязкость воздуха при -15° С - в	м 2/сек		0,000000328
Измеряемые параметры
Температура окружающей среды – to	° С	-15
Скорость ветра – wв	м/сек	5
Температура стенки обечайки ЖДЦ – tстн и	° С	23,2

В соответствии с приведенными в таблице заданными и измеренными величинами по заданной программе определяются значения температуры внутренней и наружной стенок ЖДЦ. Расчет ведется методом последовательных приближений с шагом:

- t^шаг=+0,1° С для наружной стенки;

- t^шаг=-0,1° С для внутренней стенки.

За начальные значения расчетной температуры стенок ЖДЦ принимают:

- для внутренней стенки - нормативную температуру слива нефтепродукта (для мазута М-100 t_нп=+60° С), т.е. t_ств ^р=t_нп=+60° С

- для наружной стенки - измеренную термометром температуру окружающей среды, т.е. t_ств ^р=t_o =-15° С

В процессе обработки данных идет постоянное сравнение температуры наружной стенки, измеренной датчиком (t _ств ^и), которая постоянно изменяется, так как происходит разогрев нефтепродукта (мазута М-100) за счет циркуляции, и расчетной величины (t_стн ^р ). Как только расчетная температура наружной стенки (t_стн ^р=23,2° С) сравняется с показаниями датчика (t_стн ^и), прекращают разогрев и начинают слив нефтепродукта.

Таким образом, применение изобретения повышает эффективность системы слива высоковязких нефтепродуктов с использованием циркуляционного подогрева, существенно снижая объем несливаемого остатка в цистерне при минимально необходимой потребности в теплоносителе (паре).

Источники информации

1. А.С. СССР №418421, B 65 G 69/20,1971 г.

2. А.С. СССР, №227361, B 65 D 88/74,1966 г.

3. А.С. СССР, №469644, B 67 D 5/01,1973 г. (прототип).

4. Едигаров С.Г., Бобровский С.А. “Проектирование и эксплуатация нефтебаз и газохранилищ”. М.: Недра, 1973, с.197-227;

5. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. Л.: Госэнергоиздат, 1959, с.35-38;

6. Агапкин В.М., Борисов С.Н., Кривошеин Б.Л. Справочное руководство по расчетам трубопроводов. М.: Недра, 1987, с.27-48