Моделирование процесса заполнения резервуара нефтепродуктами

А.Ф. Максименко, С.С. Лоповок, журнал «Нефть, газ и бизнес»

В данной статье рассматривается один из методов сокращения потерь нефти и нефтепродуктов в резервуарах от испарения. Рассмотрена задача моделирования процесса заполнения резервуара с целью оптимизации времени закачки. Приведены условия, которые необходимо соблюдать при проведении эксперимента. Выведена формула для пересчета результатов модельных экспериментов на натуру.

В настоящее время очень актуальна проблема потерь нефти и нефтепродуктов в резервуарах от испарения. Существует множество способов сокращения потерь, таких как: сокращение объема газового пространства, хранение под избыточным давлением, уменьшение колебания температуры газового пространства, улавливание паров нефтепродуктов, организационно-технические мероприятия. В данной статье рассматривается один из методов сокращения потерь, а именно оптимизация (уменьшение) времени заполнения и опорожнения резервуара.

При уменьшении времени заполнения или опорожнения резервуара паровоздушная смесь в меньшей степени насыщается парами углеводородов. То есть конечная концентрация нефтепродуктов уменьшается. Следовательно при вытеснении паровоздушной смеси из резервуара вытесняется меньшее количество нефтепродукта. Поэтому очень важно оптимизировать время заполнения и опорожнения резервуара, чтобы уменьшить потери.

С одной стороны, необходимо увеличивать производительность закачки или откачки для уменьшения потерь. Но с другой стороны, в правилах технической эксплуатации резервуаров регламентирована максимально допустимая скорость заполнения. Таким образом, для уменьшения потерь, необходимо соблюдать оба условия. Чтобы заранее спрогнозировать время заполнения или опорожнения резервуара,предлагается смоделировать этот процесс на основе теории размерности.

Рассмотрим задачу, где резервуар (объемом) δ заполняется вязкой жидкостью (нефтепродуктом) плотностью ρ и динамическим коэффициентом вязкости μ до высотной отметки H. Необходимо определить время t заполнения резервуара через цилиндрическую горловину диаметром d с расходом нефтепродукта δ Λ. Размеры резервуара задаются характерным линейным размером d и отношениями к нему остальных линейных размеров.

Пусть этот нестационарный процесс моделируется с использованием емкости с линейными размерами в n раз меньшими, чем у натурного резервуара. Используя критерии подобия, укажем условия постановки эксперимента на выбранной модели, а также дадим формулу пересчета данных испытаний на натуру. Зависимость определяемого параметра t от определяющих параметров можно записать в следующем виде:

Формула 1

Выбирая в качестве параметров с независимыми размерностями величины d, ρ, g на основании П — теоремы получим

Формула 2

Рассмотрим теперь критерии подобия. Первый критерий определяет геометрическое подобие натурного и модельного резервуара и сливной горловины:

Формула 3

Из этого критерия следует, что уровень налива в модельном резервуаре должен быть равным:

Формула 4

Следующий критерий определяет связь между натурным и модельным объемом жидкости в резервуаре:

Формула 5

Еще один критерий подобия позволяет определить вязкость жидкости, используемой в эксперименте:

Формула 6

При выполнении условия gi = gί из этого критерия следует:

Формула 7

т.е. при проведении эксперимента должна использоваться жидкость, кинематическая вязкость которой в 23 n меньше вязкости натурной жидкости.

Расход нефтепродукта, закачиваемого в модельный резервуар определяется из последнего критерия подобия:

Формула 8

При соблюдении всех критериев подобия пересчет результатов модельных экспериментов на натуру при условии gi = gί производится по формуле:

Формула 9

t — время заполнения модельного резервуара.

Очевидно, что все требования, следующие из критериев подобия, легко выполнить, поэтому для данной задачи оказывается возможным моделирование с полным подобием явлений в натуре и на модели.

Таким образом, данный метод позволяет не только существенно упростить решение задачи и узнать время заполнения резервуара на примере модели, но и организовать более эффективную работу нефтебаз. Кроме того, используя результаты моделирования данного процесса, возможно создание таблицы, связанной с временем заполнения определенного типа резервуара жидкостью заданной вязкости.