Refrigeration and drainless petroleum product storage systems

Full Text

Одна из специфических особенностей хранения нефти и нефтепродуктов - испаряемость легких фракций углеводородов (ЛФУ) - служит основной причиной технологических потерь ценного сырья и вредных выбросов в окружающую атмосферу. По оценкам отечественных специалистов, в России только за год потери от испарения бензина на нефтебазах составляют более 100 тыс. т.

Потери нефтепродуктов являются следствием так называемых «большого и малого дыханий» резервуаров [7].

При «большом дыхании» происходит вытеснение паровоздушной смеси в окружающую среду в процессе заполнения резервуара нефтью и нефтепродуктами (объем газового пространства уменьшается, срабатывает дыхательный клапан). Обратное явление — поступление воздуха в резервуар - отмечается при откачке продукта. Объем «большого дыхания» приблизительно соответствует поступившему в резервуар количеству продукта. Потери в результате «большого дыхания» растут с увеличением оборачиваемости (числа циклов заполнения-откачки) резервуаров и зависят от климатической зоны. В таблице представлены потери в наземных резервуарах со стационарными крышами.

Таблица. Потери нефтепродуктов в наземных резервуарах

Потери при «малом дыхании» вызываются температурными колебаниями окружающей среды. При повышении температуры воздуха в дневное время резервуар нагревается, увеличивается испарение нефтепродуктов, особенно легколетучих фракций, а следовательно, растут давление и температура парогазовой смеси в резервуаре, срабатывает дыхательный клапан и паровоздушная смесь выходит в окружающую среду. Ночью давление парогазовой смеси снижается, создается частичный вакуум, и воздух через впускной клапан поступает в газовое пространство резервуара.

Для снижения потерь ЛФУ при хранении нефти и нефтепродуктов применяются различные методы: газоуравнивание; факельное сжигание; мембранное разделение смеси ЛФУ; азотное охлаждение; адсорбция с помощью активированного угля; абсорбция нефтяными маслами и т.д. У каждого из перечисленных методов есть свои достоинства, но ни один из них не может гарантированно обеспечить улавливание ЛФУ [1].

В Институте проблем нефтехимпереработки АН Республики Беларусь была проведена сравнительная оценка названных методов в условиях товарно-сырьевых парков нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ). Сравнение выполняли по принципу нормирования (приведения массы выброса к эквивалентной массе диоксида серы), который используется в расчетах индекса загрязнения атмосферы (ИЗА).

Результаты сравнения эффективности различного оборудования для снижения потерь ЛФУ представлены ниже.

Как видно из приведенных данных, наиболее эффективно снижают выбросы паров нефтепродуктов в атмосферу установки улавливания легких фракций (УЛФ). В настоящее время существует множество таких установок, имеющих различные конструктивное исполнение и принципы работы. При высокой эффективности существующие установки такого типа обладают рядом недостатков: они дорогостоящи, имеют сложные оборудование, систему управления и т.д. [5].

В связи с этим вопрос о средствах сокращения выбросов паров нефтепродуктов при их хранении на нефтебазах остается открытым.

Автором разработаны новые, не имеющие аналогов в мире отечественные технологии по улавливанию ЛФУ на базе низкотемпературных холодильных машин Стирлинга (Стирлинг-технологии).

Предложенные технологии относятся к классу конденсационных (обеспечивающих улавливание ЛФУ путем их охлаждения с последующей конденсацией).

Низкотемпературные холодильные машины Стирлинга высокоэффективно работают при температуре до —250°С, что позволяет сжижать при атмосферном давлении весь спектр легких углеводородов. Эффективность применения низкотемпературных машин Стирлинга для охлаждения и конденсации газообразных углеводородов доказана многолетней эксплуатацией систем реконденсации на зарубежных многоцелевых газовозах типов «Pythagore», «Teviot», «Lincoln Ellsworth», «Thales», предназначенных для перевозки метана, этана, пропилена, пропана, бутана и т.д. Диапазон температур перевозки — 160...—10°С. В качестве ожижителей газов применяли машины Стирлинга фирм Werkspoor и Philips. Установки работают в автоматическом режиме без обслуживающего персонала [2].

Низкотемпературная машина Стирлинга отечественного производства, используемая в воздухоразделительпой установке ЗИФ-1002, имеет па уровне 223 К (-50°С) холодопроизводительность, обеспечивающую улавливание и конденсацию паров ЛФУ нескольких крупных резервуаров с нефтепродуктами [3].

На основе Стирлинг-технологий разработано несколько типов установок по долговременному хранению нефтепродуктов (все технические решения патентуются):

• установки с непосредственным сжижением ЛФУ в низкотемпературных машинах Стирлинга;
• установки с барботажем Л ФУ на основе КГМ Стирлинга и промежуточного азотного контура;
• установки термостатирования газового пространства резервуаров нефтепродуктов на основе КГМ Стирлинга и азотного контура.

Принципиально новый подход к проблеме улавливания Л ФУ при хранении нефтепродуктов может быть реализован на основе разделения паровоздушной смеси благодаря конденсации паров легких углеводородов в контактном теплообменнике при барботаже паровоздушной смеси через слой охлажденного продукта с использованием в качестве охлаждающей среды жидкого азота. Ранее данный способ не применяли на практике из-за трудоемкости доставки жидкого азота к месту хранения нефтепродуктов. Применение Стирлинг-технологий позволяет решить проблему путем регенерации жидкого азота непосредственно на нефтебазе. Это делает указанный способ улавливания высокорентабельным благодаря исключению транспортных расходов на доставку жидкого азота и безвозвратной потере азота, а также низкой себестоимости процесса улавливания паров легких углеводородов.

Установка для улавливания паров легких фракций углеводородов на основе криогенной машины Стирлинга и промежуточного контура с жидким азотом, представленная на рис. 1, работает следующим образом.

Рис. 1. Установка для улавливания паров легких фракции углеводородов на основе криогенной машины Стирлинга и промежуточного контура жидкого азота

Предварительно емкость 3 заполняется расчетным количеством жидкого азота, который в процессе работы установки с помощью насоса 6 по линии подачи жидкого азота 5 направляется в охладитель 9, расположенный в слое сжиженных паров легких фракций углеводородов 8 контактного теплообменника 7. Охлаждая слой 8, жидкий азот испаряется. Его пары поступают по линии 10 через дроссельный вентиль 11 в конденсатор 2криогенной машины Стирлинга 7. Сконденсировавшиеся пары азота самотеком сливаются из конденсатора 2 в емкость З по линии слива 4. Паровоздушная смесь ЛФУ из резервуара 12 по линии 13 поступает в раздаточную гребенку 14 и барботирует через слой сжиженных паров легких фракций углеводородов 8. При этом пары легких фракций углеводородов из паровоздушной смеси конденсируются, а оставшийся воздух по линии выброса воздуха 15 удаляется из контактного теплообменника 7 в атмосферу.

Как показывают исследования, при длительном хранении нефти эффективное снижение выбросов ЛФУ может быть достигнуто также при охлаждении газового пространства резервуара [6].

Из представленного на рис. 2 графика видно, что при температуре в газовой полости резервуара -20°С конденсируется до 80% массы испарившегося газа. В связи с этим представляет интерес создание установок для охлаждения газовой полости резервуара с нефтью [4] (рис. 3).

Рис. 2. Процент массы сконденсировавшегося резервуарного газа К при различной температуре в газовом пространстве t

Рис. 3. Установка для охлаждения газовой полости резервуара с нефтью

В состав установки входит криогенная машина Стирлинга 1 (рабочее тело — гелий), резервуар для хранения нефти 2 и замкнутый контур азота, состоящий из линии жидкого азота 3 с сосудом Дьюара 4 и насосом высокого давления 5, а также линии газообразного азота 6 с дроссельным клапаном 7, расширительной емкостью 8. Линии 3 и 6 соединяются через конденсирующий змеевик 9, расположенный в газовой полости резервуара с нефтью 2, и криогенную машину Стирлинга 7.

Установка работает следующим образом. Замкнутый азотный контур заполняется азотом с повышенным давлением. При увеличении давления испарившихся ЛФУ в резервуаре для хранения нефти 2 включают криогенную машину Стирлинга 7. При этом в конденсаторе КГМ Стирлинга сжижается азот, создавая разрежение в линии газообразного азота 6. Жидкий азот по линии 3 сливается в сосуд Дьюара 4 и насосом 5 подается в змеевик 9. Температура в газовом пространстве резервуара 2 снижается, пары ЛФУ конденсируются, и давление в газовой полости снижается до атмосферного. Испаряющийся в змеевике жидкий азот по линии 6 поступает в расширительную емкость 8 через дроссельный клапан 7, где охлаждается, а затем направляется в конденсатор КГМ машины Стирлинга 7.

В настоящее время в России и за рубежом серийно выпускается достаточно много различных модификаций высокоэффективных низкотемпературных машин Стирлинга холодопроизводительностью от 0,9 до 46 кВт для температур около 77 К (-196°С), которые могут быть использованы при создании установок по улавливанию Л ФУ из резервуаров с нефтью и нефтепродуктами.

Предварительные расчеты показали высокую экономическую и экологическую эффективность данной технологии. Результаты технико-экономического расчета приведены ниже.

Общая стоимость проекта, млн руб.                                                                                                                    27,0

Эксплуатационные годовые расходы, млн руб.                                                                                                    4,19

Стоимость сэкономленных за год нефтепродуктов, млн руб.                                                                                19,08

Стоимость предотвращенных годовых штрафных санкций за выбросы ЛФУ в окружающую среду за год. млн руб 0,872 Годовой экономический эффект от внедрения системы, млн руб.                                                                         15,76

Срок окупаемости системы утилизации ЛФУ с учетом штрафных санкций за экологический ущерб, мес                 20

Для экспериментального подтверждения технико-экономической эффективности применения систем улавливания ЛФУ на основе предлагаемых технологий использовался резервуарный парк нефтебазы «Ручьи»-ПТК (Санкт-Петербург).

В настоящее время разработанные автором технические решения предполагается применить на ряде объектов нефтегазового комплекса, в частности, при создании нефтяного терминала в Высоцке, нефтеперерабатывающей установки в Павлограде (Украина), на нефтебазах и АЗС Санкт-Петербурга.

Применение установок улавливания ЛФУ на основе Стирлинг-технологий позволит:

• сохранить произведенные с большими затратами нефтепродукты, часть которых ранее терялась безвозвратно в связи с отсутствием современных эффективных средств утилизации ЛФУ;
• получить дополнительную прибыль от реализации сохраненной части продукции;
• улучшить условия труда обслуживающего персонала и экологическую обстановку не только на самих нефтебазах, но и в рядом расположенных жилых массивах;
• уменьшить пожароопасность нефтебаз;
• повысить срок службы резервуаров и т.д.

About the authors

N. G. Kirillov

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com

Candidate of Technical Sciences

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Installation for vapor recovery of light hydrocarbon fractions based on a Stirling cryogenic machine and an intermediate circuit of liquid nitrogen

Download (2MB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Percentage of mass of condensed tank gas K at different temperatures in the gas space t

Download (2MB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Installation for cooling the gas cavity of an oil tank

Download (1MB)

Indexing metadata