УДК 65

Разработка системы автоматизации процесса УЛФ

Базил Гулмира Дуйсенбеккызы – PhD, доцент кафедры автоматизации и управления Алматинского университета энергетики и связи имени Г. Даукеева

Мелисов Рахат Шалкарулы – магистрант 2 курса Алматинского университета энергетики и связи имени Г. Даукеева

Аннотация: В работе рассмотрены вопросы создания системы управления процессом улавливания легколетучих фракций нефти из резервуара, приведена характеристика особенностей резервуара хранения нефти как объекта управления, описаны физико-химические процессы, протекающие в резервуаре при заполнении, хранении и опорожнении. Разработана математическая модель процесса испарения в условиях хранения нефти в замкнутом резервуаре. Приведены результаты численного моделирования процесса испарения и параметрической идентификации модели. Определены требования к системе улавливания и последующей утилизации легколетучих фракций нефти, предложена структура системы автоматизации процессом с моделью в контуре управления.

Ключевые слова: хранение нефти, система улавливания легколетучих фракций нефти, автоматическое управление.

Введение

Целью данной работы является разработка системы автоматического управления процессом улавливания легколетучих составляющих нефтяных резервуаров, что должно обеспечить существенное снижение безвозвратных потерь нефтепродуктов.

Актуальность данной работы заключается в том что ежегодно по различным оценкам в атмосферу планеты выбрасывается 50-90 млн. тонн углеводородов. Значительное загрязнение парами нефтепродуктов происходит при заполнении, хранении и опорожнении резервуаров нефтехранилищ при так называемых «дыханиях» резервуаров. Поэтому важной задачей при эксплуатации резервуарных парков является сохранение качества и количества продукта. Более половины эксплуатируемых нефтяных резервуаров нашей страны не оснащены средствами снижения выбросов.

Удельные потери углеводорода за счет их испарения в разных странах колеблются в пределах 1,1...1,5 кг на 1 т продукта [1]. Только в Казахстане на долю нефтяных резервуаров приходится около 9 тыс.тонн ежегодных валовых выбросов углеводородов, и эти данные возрастают с увеличением количества добываемой нефти [2].

От добычи до непосредственного использования нефтепродукты подвергаются более чем 20 перевалкам, при этом 75 % потерь происходит от испарений в различных технологических установках, в основном в резервуарных парках, на долю которых приходится примерно 70 % всех потерь нефтепродуктов на НПЗ [3].

В настоящее время использование систем улавливания легколетучих фракций является наиболее эффективным способом сокращение потерь от испарений. Особенно это относится к резервуарным паркам, эксплуатируемым в процессе трубопроводного транспорта нефти.

Поэтому является актуальным разработка системы автоматического управления процессом улавливания легколетучих составляющих нефтяных резервуаров.

Разработанные математические модели и дальнейшая их реализация на прикладных программных пакетах дают возможность автоматического регулирования работой системы УЛФ, за счет поддержания оптимального значения давления в газовом пространстве резервуара, что в свою очередь позволяет значительно сократить испарение углеводородов с поверхности нефти в резервуаре при ее хранении, а также заполнении и опорожнении. 

В работе использовались результаты работ по математическому моделированию процессов испарения следующих авторов Ю.Д. Земенкова [3], А.А. Коршака [4], Ф.Ф. Абузовой и др.

Для построения зависимостей плотности насыщенных паров углеводородов от времени использовались численные методы моделирования.

Методология

Абсорбционная система УЛФ для РП промежуточных НПС

Так как объектом управления являются резервуарные парки промежуточных нефтеперекачивающих станций, которые характеризуются небольшим количеством резервуаров в каждой станции и значимой удаленностью друг от друга (рисунок 3.1) оптимальным является разработка системы автоматического управления сорбционной установки по улавливанию легколетучих составляющих нефтяных резервуаров.

Рисунок 1. Расположение резервуарных парков вдоль нефтетрассы.

Таблица 1. Количество резервуаров вдоль нефтепровода «Узень-Атырау».

Объект	ГНПС «Узень»	НПС «Бейнеу»	НПС «Кульсары»	НПС «663 км»	НПС «Атырау»
Количество резервуаров	8	2	2	2	13

В данной работе предлагается использовать абсорбционную систему УЛФ, принцип работы которой представлен на рисунке 2.

При достижении избыточного давления около 200 мм.вод.ст., датчик 8, подает сигнал открытия клапана 4 и включения насоса 5, где с его помощью пары углеводородов подаются на расширительный бак для конденсирования паров. Далее жидкие углеводороды поступают в абсорбент 7 где орошаются низколетучим абсорбентом и далее возвращаются в резервуар. При использовании низколетучего абсорбента (дизельное, печное топливо, керосин и т.п.) применяют однократную абсорбцию с возвратом нефти в резервуар хранения, что практически не изменяет свойства нефти (температуру вспышки) в пределах ГОСТ. Очищенная газовоздушная смесь направляется через регулятор давления типа «до себя» 9 в атмосферу. Впоследствии опять же датчик давления 8 подает сигнал на отключение насоса 5.

 

Рисунок 2. Абсорбционная система УЛФ: 1 – резервуар с нефтью; 2 – дыхательный клапан; 3 – газовая обвязка; 4 – отсечной клапан; 5 – насос; 6 – расширитель; 7 – абсорбер; 8 – датчик давления; 9 – регулятор давления типа «до себя».

Общая схема функционирования системы УЛФ представлена на рисунке 3.

 

Рисунок 3. Схема функционирования УЛФ.

Результаты

Технологической схемой системы улавливания легких фракций определен следующий объем автоматизации:

• контроль, регистрация и сигнализация отклонения от заданных значений температуры конденсата в расширительном баке;
• контроль, регистрация и сигнализация отклонения от заданных значений давления газа в расширительном блоке и в трубопроводе после абсорбера;
• контроль, регистрация и сигнализация отклонений уровня абсорбента в абсорбционной емкости;
• управление насосом откачки углеводородов;
• управление отсечным клапаном подачи углеводородов в расширитель.

Задачей управления является поддержание избыточного давления P_opt в пределах таких значений (рисунок 4), при которых:

• он не превышает давления P_max, на которое отрегулирован дыхательный клапан (в нашем случае 200 мм.вод.ст.);
• испарение с поверхности резервуара должно быть приближено к минимальным.

Рисунок 4. Зависимость давления паров от температуры.

В нашем случае дыхательные клапана отрегулированы на избыточное давление равное 0,002 МПа, и на разрежение равное 0,00025 МПа. Отсюда имеем P_max=0,102 MПа; 0,1005 MПа < P_opt <0,1015 MПа.

Схематическое представление системы управления процессом сорбционной УЛФ отображено на рисунке 5.

Рисунок 5. Система управления процессом УЛФ. 1 – резервуар с нефтью; 2 – дыхательный клапан; 3 – установка сорбции; 4 – насос; 6 – датчик давления.

Систему управления процессом УЛФ структурно можно представить в виде замкнутой адаптивной системой автоматического регулирования (рисунок 9), где:

• x – входная величина;
• u – сигнал управления;
• y – регулируемая величина;
• y_зад – заданная регулируемая величина;
• ∆y – отклонение заданной от регулируемой величиной.

В качестве модели объекта используются построенные ранее математические модели испарения в замкнутом резервуаре, учитывая протекающие при этом тепломассобменные процессы [5, 6]. Управления осуществляется узлом откачки углеводородов с ГП резервуара, который автоматически поддерживает заданное давление. Входные величины характеризующие состояние резервуара подаются на вход модели объекта. В блоке модели объекта формируется заданная регулируемая величина y_зад , и отклонение заданной величины от выходной подается на вход регулятора, который в свою очередь стремится привести это отклонение к минимальному значению.

Рисунок 6. Структурная схема системы автоматического управления.

Заключение

В работе был рассмотрен абсорбционный метод улавливания углеводородов, где степень улавливания углеводородов разработанной системой УЛФ составляет около 90…95%. Система автоматического управления УЛФ позволяет с заданной точностью управлять насосом по значению давления в газовом пространстве резервуара, что в свою очередь приводит к сокращению испарения с поверхности нефти в резервуаре.

Таким образом, можно заключить, что разработанная автоматическая сорбционная система УЛФ пригодна для условий работы РП промежуточных НПС.

Список литературы

1. Васина М.В., Уманский Д.Ю., Егоркина М.А. Технологии сокращения выбросов загрязняющих веществв атмосферу от товарных парков нефтеперерабатывающих заводов. // Экологические проблемы региона и пути их разрешения. Материалы XIII Международной научно-практической конференции. 2019.
2. Комплексная экологическая программа «КазТрансОйл». – Астана: НТЦ, 2010.
3. Земенков Ю.Д., Малюнин Н.Ан, Маркова Л.М., и др. Резервуары для хранения нефтей и нефтепродуктов. – Курс лекций. – Тюмень: ТюмГНГУ, 1998.
4. Коршак А.А. Ресурсо- и энергосбережение при транспортировке и хранении углеводородов. Ростов н/Д: Феникс, 2016. 411 с.
5. Г.Д. Базил. Моделирование процесса испарения углеводородов нефти при наполнении резервуара// Технические науки – от теории к практике – №7-1. СибАК, 2012. – С.106-112.
6. Галеев А.Д., Поникаров С.И. Моделирование формирования взрывоопасного облака при испарении с поверхности аварийного пролива нефти. Пожаровзрывобезопасность, № 2, том 19, 2010. – С.22-27.