автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка методов расчета процессов электризации нефти в трубопроводах и хранилищах цилиндрического типа

На правах рукописи

ПУТКО АЛЕКСАНДР ЭВЕРТОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ НЕФТИ В ТРУБОПРОВОДАХ И ХРАНИЛИЩАХ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТИПА

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень - 2007

003068473

Диссертационная работа выполнена в государственном образовательи учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государ . венный нефтегазовый университет» Федерального агентства по образовав Российской Федерации.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Защита состоится 4 мая 2007 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул.Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г.Тюмень, ул.Мельникайте, 72.

Автореферат разослан «/£>» и е-****? 2007г.

Кицис Станислав Ильич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Смирнов Олег Владимирович

кандидат технических наук, доцент Козодоев Леонид Васильевич

Ведущая организация ОАО «Тюменский проектный и научно-

исследовательский институт нефтяной и газовой промышленности им. В.И. Мурав-ленко», г.Тюмень.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кузьмин С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. С увеличением объемов добычи нефти происходит интенсивная транспортировка углеводородного сырья по трубопроводным магистралям, что приводит к электризации нефти и попаданию зарядов статического электричества в нефтехранилища. Поэтому проблема обеспечения надежной эксплуатации, взрыво- и пожаробезопасной работы трубопроводов и систем хранения нефти и нефтепродуктов является одной из важнейших.

Важной задачей является эффективное прогнозирование аварийных ситуаций, предсказание возможности взрыва или пожара и контроля электризации нефти в системах транспорта и хранения.

Для борьбы со статическим электричеством применяется электрическое заземление и ограничение скорости закачки нефти в хранилища. Снижение скорости закачки влияет на эффективность и производительность трубопроводной системы. Повышение эффективности работы системы, а также увеличение производительности возможно на основе научно-обоснованного определения и прогнозирования аварийных ситуаций.

Цель работы - разработать универсальные методы расчета параметров электризации в системах транспортировки и хранения нефти.

Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1) создать экспериментальный комплекс, позволяющий в реальном времени давать оценку степени электризации нефти в трубопроводе;

2) исследовать механизм возникновения статического электричества в трубопроводах и системах хранения нефти и нефтепродуктов;

3) разработать метод расчета процессов электризации нефти в трубопроводах, обеспечивающий возможность уточненной оценки с увеличением скорости транспортировки нефти;

4) разработать метод расчета электрических потенциалов электростатического поля, образующегося в цилиндрических резервуарах.

Научная новизна выполненных исследований:

1) разработано устройство для определения концентрации потенциалопреде-ляющих ионов по электрическому сопротивлению жидкости;

2) разработан метод расчета процессов электризации нефти в трубопроводах, использующий предварительно измеренную концентрацию потенциало-пределяющих ионов с учетом изменения скорости протекания жидкости в различных слоях в функции радиуса;

3) разработан метод расчета электрических потенциалов в нефти и значений электрических напряженностей электростатического поля в паровоздушной среде в цилиндрических резервуарах.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований и разработанные методы позволяют прогнозировать взрывоопасные и пожароопасные ситуации и являются основанием для практической реализации мероприятий по оценке эффективности и производительности систем транспортировки и хранения нефти. Разработанный метод принят к использованию в Нижневартовском УМН ОАО «Сибнефтепровод».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях: научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения В.И. Муравленко «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки» (Тюмень, 2002 г.); областной научно-практической конференции «Электроэнергетика и применение передовых современных технологий в нефтегазовой промышленности» (Тюмень, 2003 г.); международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию Тюменского нефтегазового университета (Индустриального института) «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2003г.); расширенном заседании научно-технического семинара ТюмГНГУ (выписка из протокола от 17.11.06).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе патент на способ определения концентрации ионов в объеме нефти.

Объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и 1 приложения. Библиография включает 61 наименование работ. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 30 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы и ее практическая ценность

В первом разделе проведен обзор современного состояния исследований электризации нефти. На основе обзора и обобщения материалов публика ций анализируются проблемы возникновения статического электричества в системах перекачки и хранения нефти на технологических производствах нефтегазовой отрасли.

Теоретическим и экспериментальным исследованиями процесса статической электризации, а также разработке методик расчета параметров статической электризации посвящены работы следующих авторов: А.А. Баумана, Дж. Джейвиса, И. Козмана, С.А. Бобровского, Е.И. Яковлева, В.В. Захарченко, Н.И. Крячко, Е.Ф Мажара, Б.К. Максимова, А.А.Обух, В.Л. Галка, К.Б. Щиг-ловского и многих других.

Исследования, посвященные увеличению производительности, а также безопасной эксплуатации систем транспорта и хранения в данных работах не достаточно освещены. На основании анализа указанных исследований сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Второй раздел посвящен экспериментальному исследованию процесса электризации нефти в трубопроводах, на основе прогнозирования опасности электрического разряда и взрыва (пожара). Задача решалась за счет определения концентрации потенциалопределяющих ионов протекающих непосредственно в трубопроводе. При этом осуществлялось предварительное измерение электрического сопротивления объема нефти, заключенного между двух электропроводящих сеток, по уравнению:

С 1КТ

" Ш) Б О Р2 ' (1)

где Со - концентрация потенциалопределяющих ионов, моль н"1; / - расстояние между электропроводящими сетками, м\ К — универсальная газовая постоянная, 8,3144 Дж ■ Кч'' мочь 1 ; Т - температура жидкости, К ; Я, - электрическое сопротивление жидкости, Ом, Б - площадь сечения сетки, м~\ О - коэффициент диффузии, и' с '; Г- число Фарадея, 96500 Км ■ иоп,~'.

Задачи экспериментального исследования:

1) получить опытные данные теоретических предположений зависимост электрического сопротивления нефти от концентрации потенциалопреде-ляющих ионов в нефти;

2) получить обобщенные данные о влиянии концентрации нефти на электрическое сопротивление нефти;

3) создать экспериментальную установку, позволяющую производить непрерывный контроль электризации нефти в трубопроводе;

4) создать информационную передачу данных с экспериментальной установки на компьютер для хранения и последующей обработки полученных данных.

В качестве объекта исследования был разработан вариант установки, который соответствовал поставленным целям и задачам исследования (рис. 1). В качестве рабочего тела использовалась нефть, перекачиваемая в 2003-2004 годах на НПС-2 ЛПДС «Южный Балык» нефтепровод «Усть Балык-Курган-Альметьевск», паспорт качества нефти приведен в диссертации.

По правилам планирования и проведения экспериментальных исследований разработана методика, согласно которой при доверительной верой кости а=0,99 и при соотношении Ax/s -1.0 (где д*- погрешность среднеарифметического значения х; s — выборочная дисперсия измерений) было выполнено более 20 экспериментов и получены опытные данные.

При статистической обработке результатов исследований получены удовлетворительные значения критерия Стьюдента, использующегося, когда число измерений, учитываемых при определении средней квадратичной ошибки, не очень велико. Среднеквадратическая погрешность измерения электрического сопротивления жидкости в трубопроводе составляет 16,2%.

В качестве измерительного прибора использовался прибор С.А 6115 фирмы CHAUVIN ARNOUX, являющийся устройством для поверок на соответствие электроустановок требованиям качества и нормам безопасности, согласно стандарта IEC/EN 61557-2 в диапазонах: 0,05...300/ 600 МОм, разрешающая способность: 1кОм...1МОм. Погрешность измерений: ± 6% результата + I ед. младшего разряда.

яз-гзг_

-220

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

1-резервуар хранилище, 2 - погружной насос, 3 -металлический трубопровод, 4 - измерительные электроды; 5 - соединительные провода; 6 -прибор С.А 6115, 7 - соединительный кабель Я8-232; 8 -компьютер, класса 1ВМРС; 9 - изолирующая подставка, 10 -регулирующий кран

Исследование включало измерение электрического сопротивления протекающей в трубопроводе нефти и определение в ней концентрации потенциг-лопределяющих ионов, дающее возможность непрерывного контроля концентрации ионов в трубопроводе. Зная концентрацию потенциалопределяющих ионов в нефти можно рассчитать объемный заряд, вносимый нефтепродуктом в конечный резервуар и ток электризации нефти, проводить оперативный контроль концентрации ионов в трубопроводе, оценивать степень электризации г прогнозировать возможность возникновения взрыва в резервуаре.

По результатам эксперимента построена графическая зависимость элек трического сопротивления Я, от времени /, представленная на рисунке 2. Зави симость изменялась по экспоненциальному закону. Найденные величины использованы для определения зависимости электрического сопротивления о г концентрации потенциалопределяющих ионов.

Яэ, М Ом

ю N со 00 о со со о О) ю ю

см СО со •ч- ■ч- го см

см 10 00 о см •ч- со т- м- со О N.

1р ю "О о о о о т— см <N1

<ъ ч> <о к; к к: к К К

V- ^— ч— V- V— V- т— V-

I ч мин с

—•—данные эксперимента - - - - Среднеквадратическая - - - - погрешность+/-16,2 % Рис. 2. Экспериментальная зависимость электрического сопротивления Яэ между измерительными сетками от времени /.

Согласно формуле (1) в МаЛСАО 13 составлена программа для расчета концентрации ионов в потоке нефти. Была получена графическая зависимость концентрации потенциалопределяющих ионов Са от электрического сопротивления нефти /?э. Зависимость имеет экспоненциальный характер, что соответствует физической картине электризации нефти.

В разделе разработаны: экспериментальная установка для исследования параметров электризации нефти в модельных условиях; метод измерений, позволяющий определять по электрическому сопротивлению жидкости концентрацию потенциалопределяющих ионов С„

В третьем разделе представлен метод расчета электризации нефти в трубопроводах. Данный метод использует выражение объемной плотности заряда, полученное на основании решения уравнения И. Козмана и Дж. Джейви-са (4). Метод базируется на решении уравнения в виде интеграла, простой алгоритм расчета и значение предварительно измеренной концентрации потенциалопределяющих ионов нефти. Он является универсальным и позволяет рассчитывать параметры электризации во всех точках внутри трубопровода

Количество заряда в объеме единицы длины трубы на координате длины х определена в виде интеграла:

а

я(х) = 2 Я^р{г,х);г-с1г ^ (2)

о

где q - количество заряда, Кл\ а - радиус трубы, м; р - объемная плотность электрического заряда, Кл/м!\ г - текущая координата по радиусу трубы, м\х-координата длины трубы, м.

Сила тока электризации найдена как количество заряда, пронизывающего поперечное сечение трубы в единицу времени.

а

1(х) = 2л:^(г)р(г,х)-гс1г ^ (3)

о

где 1(х) - сила тока электризации на текущей координате х, А, у(г)~ скорость движения частиц жидкости вдоль продольной оси, м-с'

Объемная плотность зарядар в формулах (2,3) выражена:

Р =-—Ч1-ехр ь), (4)

аап

где а - радиус трубы, м\й- эффективная толщина диффузионного слоя, м\ х -текущая осевая координата трубы, м\ р - объемная плотность заряда, Кл-м3; О - коэффициент диффузии ионов, г - время релаксации жидкости, с, 10"9л*2-с"'; ^ - число Фарадея, равное 96500 Кп моль'1; Са — концентрация потенциалопре-деляющих ионов, моль м п - число переносов ионов; к - экспоненциальный показатель, характеризующий интенсивность электризации.

В настоящее время не существует теоретических методов расчета показателя экспоненты к, определяющего экспоненциальную зависимость процесса электризации нефти в трубе. Приведен экспериментальный путь определения данного параметра, исходя из метода в разделе 2.

Для определенной концентрации найдены значения величин заряда в трубопроводе и тока электризации. В расчетном примере использовалась программа в Ма^САО 13, в ходе ее выполнения рассчитывались: эффективная толщина диффузного слоя с!(х)\ объемная плотность электрического заряда р(х)\ величина заряда в трубопроводе д(х)\ сила тока электризации 1(х).

В третьем разделе предложен метод расчета количества заряда и тока электризации в трубопроводе. Уточненный расчет величин электризации нефти в трубопроводе позволяет в ряде случаев увеличить скорость прокачки и получить экономический эффект.

В четвертом разделе представлен метод расчета электризации в резервуарах. Он позволяет изучить строение электрического поля в парогазовом пространстве резервуара и осуществлять количественную оценку возможности аварии. В методе использовано решение уравнения Пуассона, позволяющего рассчитывать потенциалы электрического поля в любой точке на поверхности нефти в резервуаре.

Метод применен к цилиндрическим резервуарам РВС-5000 и РВС-10000.

В примере расчеты проведены для значения объемной плотности электрического заряда, изменяющейся по закону:

р(г,ф,г) = 10"4 ■ К/м"* (5)

Здесь р(г,ф,г) - объемная плотность электрического заряда в точке с координатами г, ф, г, Кл/м3; Н - высота цилиндрического резервуара, м\ Л -внутренний радиус цилиндрического резервуара, м.

Электрическое поле внутри резервуара (уравнение Пуассона):

""'—¡¡Г- «>

где, V2- оператор Лапласа; и - потенциал, В\ е - относительная диэлектрическая проницаемость; г,,-электрическая постоянная.

Расчет выполнен в цилиндрической системе координат. Электрический заряд принят симметрично расположенный относительно оси цилиндра.

Решение уравнения Пуассона записано в виде тройного интеграла:

и 1 |2|"|_р(г,ф,г)гс1гс1фс1г_

4ле 0 „ 0 ^(г-тН)2 +г -2г, -г-со$(ф-ф\) '

(7)

где и,1 - электрический потенциал в точке с радиусом г/, В\ р{г,ф,:) - заданная функция распределения плотности электрических зарядов, Кл/м1', г,ф,: - координаты точки, где находится элемент заряда, м; /¡.ф,.:, - координаты точки, где

рассчитывается потенциал, м\ т - коэффициент заполнения резервуара углеводородным сырьем (изменяется от 0,1 до 1,0).

Напряженность электростатического поля в газовом пространстве резервуара определена, как градиент электрического потенциала:

Е = -gradU, (g;

В качестве исходных условий принято, что хранилище является стальным, его корпус заземлен. Численное значение напряженности, согласно (8), определено:

Ur -U0 /г — о »

- (9)

'i

где Ц) - потенциал заземленного корпуса, В; lri -расстояние от заданной точки на поверхности нефти до корпуса резервуара, м.

Получены результаты для разного уровня заполнения резервуара:

ш=/

К. д/ -

Ю т =0,2

Рис.2. Потенциалы электрического поля на поверхности нефти при разных коэффициентах заполнения резервуара т (т=0,1-1) РВС-5000.

Рис.3 Напряженности электрического поля в паровоздушной смеси при разных коэффициентах заполнения р^ервуара m (m=0,1-1 ) РВС-5000.

Полученные результаты показали, что средние значения напряженно-стей поля в паровоздушной среде как РВС-5000, так и РВС-10000 зависят от уровня его заполнения, изменяясь в тысячи раз. В зависимости от входной объемной плотности заряда, напряженности могут превышать критические значения Еы,=3-106 В/м.

Проведенные исследования, для определения безопасных величин объемной плотности заряда, показали, что для исключения разряда статического электричества в парогазовом пространстве резервуара, необходимо снизить объемную плотность заряда до безопасной величины.

Искрообразование исключается при следующем условии:

Рех<Рч„ (10)

где рь- поступающая в резервуар объемная плотность заряда, Кл/м3, рч, - объемная плотность заряда, при которой значение напряженности электростатического поля становится равным критическому Еч„ В/м

Объемная плотность заряда р определяется уравнением (4), где, зная ее величину, поступающую в резервуар, можно рассчитать значение возникающих электрических потенциалов в объеме нефти Ur|, по формуле (7). Напряженности электростатического поля в паровоздушной среде резервуара Ег\ определяются по формуле (9). Сравнив их с критическими значениями можно тем самым дать оценку взрывоопасное™ ситуации в хранилище.

Рассчитаны значения: разрядных напряжений 1!р воздушных промежутков с однородным полем; электрических потенциалов в нефти; напряженно-стей в паровоздушной среде для различных входных объемных плотностей электрического заряда на примере РВС-5000 при полном его заполнении.

Формула разрядных напряжений Ир получена, с использованием формулы для воздушного промежутка в однородном электрическом поле.

и„ = 24,5 • (РТ{) / РаТ) ■ + 6,4 • ^(рТ0/р0Т)-1аЬ , (П)

где /„/, - расстояние точки на поверхности нефти до заземленного корпуса резервуара, м; р - давление воздушного промежутка, МПа\ Г - температура, К, Ра - нормальное атмосферное давление, 101,3 кПа; То - нормальная температура, 273 К.

Рассчитанные значения опасных величин объемных плотностей заряда, по критерию определения разрядных напряжений ир хорошо согласуется с требованиями «ГОСТ 12.1.018-93 ССБТ. Пожаровзрывобезопасность статического электричества» (рис.4) (Л/.В

гиг

I in'

I иг

100

II : -I h S 10 12

Рис 4 Значения электрических пеменциалов U в нефти от радиуса rh при разных пчоднь х р и кривая разрядных напряжений Up в логарифмическом масштабе

1 - р = 10 е' Ki/ и3. 3 - р = 1 (Г* Кч/м3, 2-/5 = 10' Ki/u . 4- /> = 10-" Кч/м3,

Для конкретного примера критическим значением объемной плотности заряда, закачиваемого в резервуар, получена величина р= Ю'г Кл/ма величина полностью безопасная принята р = 10"' Кл/м3.

В четвертом разделе предложены: метод расчета электрических потенциалов в нефти и значений напряженностей поля в паровоздушной среде в цилиндрических резервуарах; метод определения безопасного значения объемной плотности статического заряда в нефти, закачиваемой в резервуар.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1) Разработаны экспериментальный способ и устройство, позволяющие определять по электрическому сопротивлению жидкости концентрацию потен-циалопределяющих ионов.

2) Разработан метод расчета процессов электризации нефти в трубопроводах, использующий значение предварительно измеренной концентрации потен-циалопределяющих ионов с учетом изменения скорости протекания жидкости в различных слоях в функции радиуса, что повышает достоверность результатов.

3} Разработан метод расчета электрических потенциалов в нефти и значений напряженностей электростатического поля в паровоздушной среде в цилиндрических резервуарах. Метод основан на решении уравнения Пуассона в виде интеграла.

4) Способ и устройство для определения концентрации ионов в объеме нефти в трубопроводах, позволили создать уточненный метод расчета процесса электризации нефти в трубопроводе. Метод позволяет на стадии проектирования прогнозировать возможность возникновения взрывоопасных ситуаций и соответственно корректировать скорость закачки нефти с целью получения экономического эффекта.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1) Путко А.Э. Распределение электрических потенциалов в заполненном нефтью резервуаре. / Кицис С.И. // Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки. Материалы научно-технической конференции,

посвященной 90-летию со дня рождения В.И. Муравленко. - Тюмень: ТюмГНГУ, - 2002. - С.245.

2) Путко А.Э. Расчеты электризации нефти в цилиндрических резервуарах. Кицис С.И. // Электроэнергетика и применение передовых современных технологий в нефтегазовой промышленности. Материалы областной научно-практической конференции. - Тюмень: Изд-во: «Нефтегазовый университет», 2003. - С.66-68.

3) Путко А.Э. Методика расчета электризации нефти в промысловых и магистральных нефтепроводах. / Кицис С.И., Власова Е.П. // Электроэнергетика и применение передовых современных технологий в нефтегазовой промышленности. Материалы областной научно-практической конференции. -Тюмень: Изд-во: «Нефтегазовый университет», 2003. - С.64-66.

4) Путко А.Э. Оценка величин пробивных напряженностей, возникающих з верхней части заполняемых нефтехранилищ цилиндрического типа. / Кицче С.И. //Электроэнергетика и применение передовых современных технологий в нефтегазовой промышленности. Материалы областной научно-практической конференции. - Тюмень: Изд-во: «Нефтегазовый университет», 2003. - С.69-71.

5) Путко А.Э. Пристеночный электрический ток, возникающий при электризации нефти в трубопроводе. / Кицис С.И. // Нефть и газ Западной Сибири Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию Тюменского нефтегазового университета (Индустриального института). Т.2 - Тюмень, ТюмГНГУ, 2003. - С.93-94.

6) Путко А.Э. Физические основы явления электризации нефти в нефтепромысловых трубопроводах. / Кицис С.И. // Нефть и газ Западной Сибири. Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию Тюменского нефтегазового университета (Индустриального института). Т.2- Тюмень, ТюмГНГУ, 2003.-С.91-92.

7) Путко А.Э. Закономерности строения электрического поля в газовом пространстве нефтехранилища цилиндрического типа при различном его заполнении. / Кицис С.И.// Журнал «Известия вузов. Нефть и газ». - Тюмень ТюмГНГУ, 2004. - № 1. - С.74-82.

8) Путко А.Э. Распределение электрических потенциалов в заполненном нефтью резервуаре / Кицис С.И. //. Журнал «Известия вузов. Нефть и газ». -Тюмень: ТюмГНГУ. - 2004. - №4. - С.87-93.

9) Пат. 2273022 Российская Федерация, МПК7 в01Т 27/42. Способ определения концентрации ионов в объеме жидких нефти, протекающих в трубопроводах и устройство для его осуществления. [Текст] / Кицис С.И., Путко А.Э.; - заявитель и патентообладатель Тюмен. гос. нефтегаз. ун-т. - № 2004107468, заявл. 11.03.04; опубл. 27.03.06, Бюл. № 9. - 5с.: ил.

10) Путко А.Э. Методика расчета электризации нефти в трубопроводах по значению концентрации потенциалопределяющих ионов. / Кицис С.И. // Журнал «Нефтепромысловое дело». - 2005. - №10.- С.52-59.

Подписано к печати

Заказ № /Л/_

Формат 60 х 84 '/16 Отпечатано на RISO GR 3750

Бум. писч. №1 Уч - изд. л Усл. печ. л. Тираж 100 экз

Иада|ел1>ство «Нефтегазовый университет» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039. Тюмень, ул.Киевская, 52

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ.

1.1 Механизм возникновения двойного электрического слоя на границе жидкость-твердое тело.

1.2 Механизм электризации при движении жидкости в заземленной трубе

1.3 Механизм электризации нефти в резервуарах-хранилищах.

1.4 Выводы по главе 1. Задачи, решаемые в данной работе.

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРИЗАЦИИ НЕФТЕПРОДУКТА В ТРУБОПРОВОДАХ.

2.1 Цель и задачи экспериментального исследования.

2.2 Описание экспериментальной установки.

2.3 Метод проведения эксперимента и обработка результатов измерений.

2.4 Обработка и анализ результатов экспериментального исследования электризации нефтепродукта в трубопроводе.

2.5 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЗАЦИИ НЕФТИ В ТРУБОПРОВОДАХ.

3.1 К теории электризации нефти в трубопроводах.

3.2 Метод экспериментального определения показателя экспоненты к, характеризующего интенсивность электризации.

3.3 Метод расчета эффективной толщины диффузного слоя , объемной плотности электрического заряда, величины заряда в трубопроводе и силы тока электризации.

3.4 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЗАЦИИ В РЕЗЕРВУАРАХ-ХРАНИЛИЩАХ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ.

4.1 К теории электризации нефти в нефтехранилищах.

4.2 Математическая модель электризации нефти и нефтепродуктов в резервуарах-хранилищах.

4.3 Метод расчета электризации в вертикальных цилиндрических резервуарах-хранилищах с конической крышей типа РВС-5000.

4.4 Метод расчета электризации в вертикальных цилиндрических резервуарах-хранилищах типа РВС-10000.

4.5 Определение безопасного значения объемной плотности статического электричества заряда в нефти, закачиваемой в резервуар.

4.6 Выводы по главе 4.

ПРИЛОЖЕНИЕ А.131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Проблема обеспечения надежной эксплуатации и врзыво- и пожаробезопасной работы трубопроводов и систем хранения нефти и нефтепродуктов является важнейшей задачей на сегодня.

В настоящее время происходит интенсивное увеличение производительности перекачивающих систем и трубопроводов, а также объемов нефтепродуктов, перекачиваемых по этим трубопроводам (системам). С каждым годом объем экспортируемой из нашей страны нефти и нефтепродуктов увеличивается, строятся новые линии трубопроводов, увеличиваются объемы нефтепродуктов, перекачиваемых через существующие трубопроводы.

Для обеспечения надлежащего качества нефтепродуктов в системах трубопроводов используются различные фильтры и системы очистки конечного продукта - нефтепродуктов, используются также различные присадки и сорбенты. Все это вместе с увеличением производительности систем перекачки выводит на первое место проблему возникновения статического электричества в трубопроводах и системах хранения нефти и нефтепродуктов.

Статическое электричество порождает в трубопроводном транспорте и системах хранения нефти и нефтепродуктов ряд проблем, среди которых главными являются защита от пожаров и взрывов.

С учетом повышения требований к экологической и промышленной безопасности объектов и технологических производств нефтегазовой отрасли, а также с учетом возрастания объема транспортировки и хранения нефтепродуктов, возникает необходимость разработки современной системы контроля и управления статической электризацией нефтепродуктов, протекающих по промышленным трубопроводам и загружаемых в резервуары и нефтехранилища. В данных условиях при эксплуатации промышленных объектов наиболее важной задачей является возможность эффективного прогнозирования аварийных ситуаций, предсказания возможности взрыва или пожара и контроля статической электризации нефтепродуктов в системах транспортировки нефти и нефтепродуктов.

На данный момент существуют программно-алгоритмические комплексы, оснащенные средствами моделирования, анализа и прогнозирования, позволяющие быстро и эффективно определить по заданным параметрам состояние системы и ее поведение в будущем. Данные программно-алгоритмические комплексы позволяют выявить критические значения параметров системы, влияющие на стабильное состояние работы системы и ответственные за возможные аварийные ситуации. Это является предпосылкой к созданию новых моделей и методик, наиболее полно отражающих процессы в системах транспортировки и хранения нефти и нефтепродуктов.

Повышение эффективности работы систем транспортировки и хранения нефти и нефтепродуктов, а также увеличение производительности транспортировки нефти и нефтепродуктов невозможно без научно-обоснованного определения и прогнозирования аварийных ситуаций.

Увеличение производительности напрямую связано с интенсивностью электризации нефти и нефтепродуктов, так как чем выше производительность систем перекачки, тем выше интенсивность электризации нефти и нефтепродуктов и больше возможность возникновения взрывов и пожаров.

Таким образом, для обеспечения взрывобезопасности трубопроводов требуется анализировать негативные факторы электризации нефтепродуктов, развивать методы оценки интенсивности этого процесса, величин объемной плотности электрического заряда, самого электрического заряда, напряжения и т.д. А также совершенствовать конструкции трубопроводов и хранилищ, основываясь на результатах современных экспериментальных и теоретических исследований. Решение этих задач позволит: обеспечить взрывобезопасность эксплуатации в течение всего срока, определить наиболее эффективные пути обеспечения их эксплуатационной надежности.

Электризация нефти при ее движении в трубопроводах является причиной попадания зарядов статического электричества в резервуары и хранилища нефтепродуктов. Это способствует возникновению искрового разряда в парогазовой атмосфере хранилища и, в конечном счете, может привести к тяжелейшей аварии. Отсюда вытекает важность прогнозирования возникновения опасных ситуаций в резервуарах-хранилищах и обеспечения нужного уровня безопасности и надежности эксплуатации последних.

В связи с этим весьма актуальными являются работы по совершенствованию методов расчета процессов электризации нефти в трубопроводах и, в частности, повышению точности расчета.

В настоящее время на территории Западной Сибири находятся магистральные трубопроводы общей протяженностью около 17 тыс. км., из них в Тюменской области 8 тыс. км, 83 нефтеперекачивающие станции, резервуарные парки общей вместимостью более 2,5 млн. м3.

Несмотря на снижение объемов перекачки в последнее время, вызванное сокращением добычи нефти, основная часть резервуарного парка продолжает активно эксплуатироваться и развиваться. Наличие большого запаса резервуарных емкостей позволяет в новых экономических условиях получать дополнительные прибыли от товарно-транспортных операций и дает преимущества в сфере управления и принятия решений руководством фирмы. Поэтому вопросам обеспечения эксплуатационной надежности резервуарных парков в настоящее время придается важное значение.

Учитывая такую протяженность трубопроводов и объем хранилищ нефти и нефтепродуктов исследования в данном направлении крайне актуальны.

На основании выше изложенного была сформулирована следующая цель работы - разработать универсальный метод расчета параметров электризации внутри цилиндрических резервуаров любых объемов, а также разработать метод и устройство для измерения параметров электризации непосредственно в трубопроводах.

Основные задачи, решаемые в диссертационной работе:

1) Создать экспериментальный комплекс, позволяющий в реальном времени давать оценку степени электризации нефтепродуктов в трубопроводе;

2) Исследовать механизм возникновения статического электричества в трубопроводах и системах хранения нефти и нефтепродуктов;

3) Разработать метод расчета процессов электризации в нефти и нефтепродуктов в трубопроводах, обеспечивающий возможность уточненной оценки этих процессов с точки зрения возможности увеличения скорости прокачки нефтепродукта;

4) Разработать метод расчета электрических потенциалов электростатического поля, образующегося в цилиндрических резервуарах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Одним из наиболее эффективных путей снижения количества аварий и обеспечения взрыво- и пожаробезопасной эксплуатации трубопроводов и систем нефтехранилищ являются развитые методы диагностики основных параметров хранения и перекачки нефти, для обоснования которых весьма важно, в числе прочего, создание и совершенствование методов прогнозирования электризации нефти при ее перекачке и хранении на основе математического моделирования. Упомянутые параметры необходимы также для автоматизированного анализа и управления объектами перекачки и хранения нефти.

По результатам работы могут быть сделаны следующие основные выводы:

1) Разработаны экспериментальный способ и устройство, позволяющие определять по электрическому сопротивлению жидкости концентрацию потенциалопределяющих ионов.

2) Разработан метод расчета процессов электризации нефти в трубопроводах, использующий значение предварительно измеренной концентрации потенциалопределяющих ионов с учетом изменения скорости протекания жидкости в различных слоях в функции радиуса, что повышает достоверность результатов.

3) Разработан метод расчета электрических потенциалов в нефти и значений напряженностей электростатического поля в паровоздушной среде в цилиндрических резервуарах. Метод основан на решении уравнения Пуассона в виде интеграла.

4) Способ и устройство для определения концентрации ионов в объеме нефти в трубопроводах, позволили создать уточненный метод расчета процесса электризации нефти в трубопроводе. Метод позволяет на стадии проектирования прогнозировать возможность возникновения взрывоопасных ситуаций и соответственно корректировать скорость закачки нефти с целью получения экономического эффекта.

1) Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия: Учебник для студентов хим. и химико-технологических вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк, 1984.-519с., ил.

2) Boumans A.A. The theory of electrification in low conductivity fluids.-Physika 23, 1957, p. 1038-1047.

3)Dukek W. G., Bachan К. C. Erdol u. Kohle-Erdgas-Petrochem. Ver. Brenst.-Chem., 1972, Jg. 25, N 3, S. 146-152.

4) Gavis J.,Koszman I. Development of charge in lowconductivity liguids flowing past surfaces; a theory of the phenomenon in tubes.-J.Coll. Sci., August 1961 ,vol. 16,p.375-391.

5) Gavis J.,Koszman I. Development of charge in lowconductivity liguids flowing past surfaces.-Chem. Eng. Sci., December 1962, v. 17, p. 1023-1040.

6)Guillou C. Revue General de Mechanique Electricite, 1959, v. 143, N 125, p. 121—132.

7) Rogers,D. Т., Schlukser C. R. S. La Rivista dei Combustibili, 1960, B. 14 N 4, S. 291-323

8) Адамчевский И. Электрическая проводимость жидких диэлектриков. Л., «Энергия», 1972. 296 с.

9)Базуткин В.В и др. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебник для вузов/В.В. Базуткин, В.П. Ларионов, Ю.С. Пинталь; Под общ. ред. В.П. Ларионова. -3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986 - 464 е.: ил.

10)Безопасность жизнедеятельности. Учебник для вузов/ С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др.; Под. общ. ред. С.В. Белова. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 1999,448с.: ил.

11)Бобровский С. А. Автореферат диссертации. -М: МИНХ и ГП, 1969.

12)Бобровский С. А. Измерение плотности электрического заряда в резервуарах. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, 1966, №1, с. 21-24.

13)Бобровский С.А. Определение наибольшей величины электрического заряда в трубопроводах., Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, 1969, №5, с. 14-17

14)Бобровский С.А. Электризация продуктов нефтепереработки и нефтехимии. - М. ЦНИИТЭнефтехим, 1967,45с.

15)Бобровский С.А., Яковлев Е.И. Защита от статического электричества в нефтяной промышленности. - М., Недра, 1983, 160с.

16)Бондаренко П.М., Сафиуллин В.М. Расчет электростатических полей в нефтяных и нефтепродуктовых резервуарах. «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов», 1971, №8, с.9.

17)Бондаренко П.М., Сафиуллин В.М. Расчет электростатического поля в прямоугольных заземленных емкостях, заполненных неоднородной диэлектрической средой. «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов», 1972, №2, с. 19-20

18)В.В. Гогосов, Е.И. Никифирович, В.В. Толмачев Электризация слабопроводящей жидкости, текущей по металлической трубе. -Магнитная гидродинамика, 1979,2, с. 59-62.

19)Галка В.Л., Щигловский К.Б. Нормативные документы по обеспечению электростатической искробезопасности. Материалы VII Международной научно-технической конференции «Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств». ФГУП "ЦНИИ СЭГ'Санкт-Петербург, 2000г.

20)ГОСТ 12.1.018-93 Пожаровзрывобезопасность статического электричества. Общие требования.

21)Дьяконов В., МаШСАЭ 2001: Специальный справочник. СПб.:Питер.2002. - 832 с.:ил.

22)ЖигулинС.П. Оценка опасности статического электричества на объектах нефтегазовой отрасли // Вестник Академии ГПС МЧС России, №5, 2006.

23)Эахарченко В.В., Крячко Н.И., Мажара Е.Ф., Севриков В.В, Гавриленко Н.Д. Электризация жидкостей и ее предотвращение. - М., «Химия», 1975г, 128с.

24)Изгабышев Н. А., Горбачев С, В. Курс теоретической электрохимии. М. —J1., Госхимиздат, 1951. 504 с.

25)Иоссель Ю. Я., Щигловский К. Б. На борту янтарное электричество. J1. «Судостроение», 1966. 140 с.

26)Кицис С.И. , Путко А.Э. Распределение электрических потенциалов в заполненном нефтью резервуаре. Нефть и Газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки. Материалы научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня роэвдения В.И. Муравленко. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.- 245с.

27)Кицис С.И., Путко А.Э. Закономерности строения электрического поля в газовом пространстве нефтехранилища цилиндрического типа при различном его заполнении. «Нефть и газ», 2004, №4, с.87-93.

28)Кицис С.И. , Путко А.Э. К теории электризации нефти в нефтехранилищах. «Известия вузов. Нефть и газ», 2004, №1, с.74-82.

29)Кицис С.И. , Путко А.Э. Методика расчета электризации нефти в трубопроводах по значению концентрации потенциалоопределяющих ионов. «Нефтепромысловое дело», 2005, №10, с.52-59.

30)Кицис С.И., Власова Е.П., Методика расчета электризации нефти в промысловых и магистральных нефтепроводах. «Нефть и газ», 2001, №2, с.62-63

31)Кицис С.И., Власова Е.П., Путко А.Э. Методика расчета электризации нефти в промысловых и магистральных нефтепроводах. Электроэнергетика и применение передовых современных технологий в нефтегазовой промышленности. Материалы областной научнопрактической конференции. - Тюмень: Изд-во: «Нефтегазовый университет», 2003, с.64-66.

32)Кицис С.И., Путко А.Э. Оценка величин пробивных напряженностей, возникающих в верхней части заполняемых нефтехранилищ цилиндрического типа. Электроэнергетика и применение передовых современных технологий в нефтегазовой промышленности. Материалы областной научно-практической конференции. - Тюмень: Изд-во: «Нефтегазовый университет», 2003, с.69-71.

33)Кицис С.И., Путко А.Э. Расчеты электризации нефти в цилиндрических резервуарах. Электроэнергетика и применение передовых современных технологий в нефтегазовой промышленности. Материалы областной научно-практической конференции. - Тюмень: Изд-во: «Нефтегазовый университет», 2003, с.66-68.

34)Кучумов Р.Я.,Кучумов Р.Р. Моделирование надежности функционирования нефтепромысловых систем.-Тюмень: «Вектор Бук»,2004.-206 с

35)Лёб Л. Б. Статическая электризация. М — Л., Гостехиздат, 1963. 408 с.

36)Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М., «Мир», 1968,

37)Максимов Б.К. и др. Электростатическая безопасность при заполнении резервуаров нефтепродуктами. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -152 е., ил.

38)Максимов Б.К., Обух A.A. Статическое электричество в промышленности и защита от него. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 96с.: ил.

39)Нейман J1.P., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Часть 2. -М.- Л.: Изд. «Энергия», 1973

40)Пат. 2273022 Российская Федерация, МПК7 G01T 27/42. Способ определения концентрации ионов в объеме жидких нефтепродуктов, протекающих в трубопроводах и устройство для его осуществления. [Текст] / Кицис С.И., Путко А.Э.; - заявитель и патентообладатель Тюмен. гос. нефтегаз. ун-т. - № 2004107468, заявл. 11.03.04; опубл. 27.03.06, Бюл. № 9. - 5с.: ил.

41)Пожарная безопасность предприятия. Курс пожарно-технического минимума: Справочник . 5-е изда., доп. (с изм.). - М.:Спецтехника, 2001.448 с.,илл

42)Поляков А. М., Смолина Г. А. В сб.: «Исследования в области поверхностных сил». М., «Наука», 1967, с. 468—482.

43)Попов Б. Г., Веревкин В. Н., Бондарь В. А., Горшков В. И. Статическое электричество в химической промышленности. Л., «Химия», 1971. 208 с

44)Прибылов В.Н. Черный J1.T. Количественная теория электризации диэлектрических жидкостей при ламинарном течении. Коллоидный журнал, 1981, том XLIII, №1, с.71-77.

45)Прибылов В.Н. Черный J1.T. Электризация диэлектрических жидкостей при течении в трубах. Механика жидкости и газа, №6, 1979, с.41-47.

46)Прибылов В.Н., Макаров В.Н., Электризация органических жидкостей при постоянной скорости потока. Вестник Моск. Ун-та, сер.1, Математика и механика. 1998, №4,с.50-53.

47)Путко А.Э., Кицис С.И. Пристеночный электрический ток, возникающий при электризации нефти в трубопроводе. Нефть и газ Западной Сибири. Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию Тюменского нефтегазового университета (Индустриального института). Т.2- Тюмень, ТюмГНГУ, 2003. с.93-94.

48)Путко А.Э., Кицис С.И. Физические основы явления электризации нефти в нефтепромысловых трубопроводах. Нефть и газ Западной Сибири. Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию Тюменского нефтегазового университета (Индустриального института). Т.2-Тюмень, ТюмГНГУ, 2003. с.91-92.

49)Пчелинцев Ю.В.,Кучумов P.P. Эксплуатация и моделирование работы часто ремонтируемых наклонно направленных скважин.-М.: ОАО «ВНИОЭНГ»,2000.-520 с.

50)Раздорожный A.A. Безопасность производственной деятельности: Учеб. пособ. - М.:ИНФРА-М, 2003, - 208с. - (Серия «Высшее образование»)

51)Русак О.Н., Малаян K.P., Занько Н.Г. Безопасность жизнедеятельности: Учебное пособие. 3-е изд., испр. и доп. / Под ред. О.Н. Русака. - Спб.: Издательство «Лань», 2000. - 448 е., ил.

52)Сафиуллин В.М. Определение электростатического поля в железнодорожных цистернах. «Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья», 1973, №9, с. 12-14.

53)Скубаческий В.Г. Влияние местных сужений трубопровода на электризацию топлив. «Транспорт и ранение нефти и нефтепродуктов», 1970, №12, с.18-21.

54)Собурь C.B. Пожарная безопасность предприятия. Курс пожарно-технического минимума: Справочник. - 5-е изд., доп. (с изм). - М.: Спецтехника, 2001. - 448 е., илл.

55)Староба Я., Шиморда И. Статическое электричество в промышленности. M. —JL, Госэнергоиздат, 1960. 248 с.

56)Степанчук К.Ф., Тиняков H.A. Техника высоких напряжений: Ученбое пособие для электроэнерг. спец. втузов,- 2-е изд., перераб. и доп.- Мн.: Выш. Школа, 1982,—367с., ил.

57)Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: Учеб. для хим.-технол. спец. вузов/Под ред. А.Г. Стромберга. - 2-е изд. перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1988.-496 е.: ил.

58)Уэдзуки. Кобунсу, 1961, т. 10, №4, с. 355—357. (Перевод ВИНИТИ № 28190/2.)

59)Черкасов В.Н. Защита пожаро- и взрывоопасных зданий и сооружений от молнии и статического электричества. -М.: Стройиздат, 1993. ;

60)Электротехнический справочник. Том 2. Под общей редакцией И.Н.Орлова и др.: - М, Изд МЭИ,1998.

61)Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов . М.: «Наука», 1965г. - 848 е., ил.

ВНЕДРЕНИЕ

НИЖНЕВАРТОВСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ХИБНВФТЕПРОВОД' у // о Г г. Нижневартовск

СПРАВКА

Дана Путко А.Э. в том, что разработанный им метод расчета процессов электризации нефти в трубопроводах (промысловых и магистральных) при различных скоростях перекачки для оценки степени безопасности перекачки нефти и возможности повышения скорости перекачки нефти (опубликованный в журнале «Нефтепромысловое дело» 2005, №10) принят к использованию в Нижневартовском УМН ОАО «Сибнефтенровод» ю-РЕВ-04 06:56 мингыроз-ив-нор

ТЕ1:2270

Р: 01

ПАСПОРТ к'АЧКСТНА 11ВФТИ .Кч*^& от ¿суЬл. 2004г.

Лаборатория предприятия ЛИДС "Южный Балык"

Пуша приема сдачи нефти III 1С

РезервуарСИКН №

Дата и время отбора пробы t .

1. Темпратура сдаваемой нефти¿7 "С.Ос

2. Давление сдаваемой нефтимПа

3. Плотносто нефти при температуре и давления сдаваемой неф ти /кг/м' заполняется в случае или отсутствия или отказа маномера

4. Плотность ннефти при 20"С кг/мЗс при 15 кг/мЗ

5. Массовая доля воды0, %

6. Концентрация хлористых солей

Т мг/дмз %

7.Массовая доля мех примисей%

8. Суммарное содержание балласта£%

9. Массовая доля серы У; %

Ю.ДК'ПкПа ^ , -л .

Обозначение нефти но ЮС 1 'ГУ Лэе/^ГсК6/л/и* ¿¿о'с Лаборант хим.анализа