Simulation of the operation of an oil loading terminal for viscous petroleum products

Full Text

${\rho }_{ж}$

ВВЕДЕНИЕ

По объему перевозок нефть и нефтепродукты занимают второе место в структуре перевозок РЖД, а по доходной ставке – первое. Несмотря на временное снижение добычи нефти, обусловленное межгосударственными соглашениями, в перспективе, по прогнозам экспертов, объемы перевозок нефти и нефтепродуктов должны возрастать [1, 2].

Нефтяные запасы России, способны полностью удовлетворять её внутренние потребности и обеспечивать высокий уровень экспорта, но качество нефти (за исключением Грозненского месторождения) не высокое.

Нефти России содержат свыше 40 % тяжелых фракций: парафинов, асфальтенов и др., а также таких вредных примесей как сера. Поэтому при переработке нефти и выделения из неё легких и самых ценных фракций: бензина и керосина, остается значительная доля темных нефтепродуктов: мазутов, масел, крекинг-остатков, гудрона, нефтебитумов и др.

Они используются как котельные топлива, применяются в строительстве, являются ценным сырьем при производстве пластмасс, необходимы в дорожном строительстве при приготовлении асфальтобетонов и т.д. Объемы добычи и переработки нефти неуклонно растут, а вместе с ними и объемы перевозок темных нефтепродуктов, составляя на настоящий момент десятки миллионов тонн в год. Более чем на 60 % их перевозки осуществляет железная дорога, около 30 % приходится на морской и речной транспорт, и лишь на 10 % автомобильный транспорт и трубопроводы.

Основные трудности в организации железнодорожных перевозок темных нефтепродуктов в РФ вызваны следующими факторами [3, 4]:

• географическим положением основных районов нефтедобычи (полуостров Ямал, Сибирь и Дальний Восток), удаленных от промышленных центров страны, где проживает основная часть населения и расположены большинство промышленных предприятий – потребителей нефтепродуктов;
• холодным континентальным климатом и продолжительным зимним периодом на большей части страны;
• физико-химическими свойствами темных нефтепродуктов, вязкость которых резко возрастает при охлаждении, при том, что их разогрев, для восстановления текучести также затруднен из-за пожарной опасности. В номенклатуре железнодорожных перевозок темные нефтепродукты относят к вязким нефтепродуктам (ВНП);
• низкой разветвленностью железнодорожной сети в большинстве регионов России; при этом средняя продолжительность перевозок нефтегрузов по Европейской части России составляет 7,5 суток, а с учетом её Азиатской части доходит до 15 суток;
• спецификой вагонного парка РФ, в котором доля вагонов-цистерн с тепловой изоляцией котла очень мала, их применяют для перевозок лишь небольшого количества затвердевающих наливных грузов.

Вязкие нефтепродукты наливают в котел вагона-цистерны в разогретом состоянии при температуре близкой к 100 ^оС, когда их вязкость мала, а время налива составляет около 60–90 мин.

За время транспортирования ВНП охлаждаются до перехода в высоковязкое состояние. Их выгрузка из вагона-цистерны и передача по наземным трубопроводам в нефтехранилища становятся невозможными без предварительного разогрева [5–7].

Теплофизические характеристики ВНП, на долю которых приходятся наибольшие (свыше 70 %) объёмы перевозок, представлены в Табл. 1.

 

Таблица 1. Теплофизические характеристики основных видов ВНП

Интервал температур Т ,оС	Плотность ρж, кг⁄м3		Теплоемкость Сж, Дж ⁄кгоС		Вязкость νж ∙106, м2 ⁄с	Теплопроводность λж, Вт ⁄моС		Коэффиц. теплового расширения, β∙ 104 град-1
Мазуты флотские (Ф-5; Ф-12)
+20…40	900…950		1880		96 …43	0,13		9,11
Мазуты котельные (М20, М-40)
+20…60	982…976		1863		220…60	0,105		9,31
Мазут котельный (М100)
+35…60	984…970	1860		825…193			0,105	9,57
Мазут котельный (М100 парафинистый)
+35…60	984…970	1863		3000-400			0,105	9,57
Крекинг-остатки (М200)
+40…60	1010…998	1848		3674…668			0,102	9,57

 

Для перевозок ВНП используют как специализированный подвижной состав (вагоны цистерны, имеющие средства разогрева нефтегруза перед выгрузкой), так и нефтебензиновые цистерны общего назначения, для выгрузки которых используют наземное оборудование, осуществляющее разогрев нефтегруза. Те и другие вагоны-цистерны возвращают на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) порожняком для проведения их очистки от высоковязких остатков. Это существенно увеличивает себестоимость доставки груза.

Специализированный вагон-цистерна (модель 15-1566) для перевозок ВНП показан на Рис. 1 [8]. Вместимость его котла составляет 66 м³, наружный диаметр равен 3 м, теплоизолирующей оболочки котел не имеет. На нижней половине котла жестко укреплен парообогревательный кожух, охватывающий всю нижнюю половину. При выгрузке ВНП в зазор между корпусом котла и кожухом подают пар, которым и обеспечивается разогрев нефтегруза [9]. Разогрев ВНП является продолжительной и чрезвычайно энергозатратной операцией [10]. Подсчитано, что общий годовой простоя вагонов-цистерн вагонного парка России под сливом ВНП превышает 1 млн. вагоночасов, а на разогрев нефтепродукта расходуется свыше 600 тыс. тонн условного топлива.

На сегодняшний день наработано огромное число инженерных решений по совершенствованию операции слива ВНП, направленные на сокращение времени и снижение энергозатрат. Но кардинального прорыва в решении проблемы снижения себестоимости зимних перевозок ВНП так и не получилось.

 

Рис. 1. Вагон-цистерна для перевозки вязких нефтепродуктов модель 15-1566

 

В работе рассматривается новый и нетрадиционный способ снижения себестоимости транспортировки ВНП (на примере котельного мазута марки М100) за счет рационального использования, как его физических свойств, так и особенностей конструкций вагона-цистерны. Нефтепродукт предлагается перевозить в устойчивом, но неравновесном, так называемом стратифицированном состоянии. При этом плотность ВНП в нижней части котла вагона-цистерны постоянно поддерживается большей, чем в верхней его части. В этом случае сходит на нет естественная конвекция горячего жидкого нефтепродукта на холодных стенках котла. Конвекция особенно интенсивная в первые 15–20 часов после налива ВНП в котел цистерны, когда температура нефтепродукта велика, а вязкость мала. Конвективный теплоперенос является основным механизмом охлаждения нефтепродукта внутри вагона-цистерны, его молекулярная теплопроводность, как видно из Табл. 1 очень мала [11].

Перевод горячего ВНП в стратифицированное состояние осуществляется на стадии заполнения котла вагона-цистерны и достигается следующим образом.

Авторами разработан новый вариант установки сливного прибора на котел вагона-цистерны [12] при котором уплотнительная манжета, выполненная из масло и бензостойкой резины тепло изолируется от наливаемого горячего нефтепродукта.

Мероприятие позволяет повысить исходную температуру ВНП при наливе до +120…130 ^оС, т.е. до уровня значительно превышающего температуру кипения воды при нормальных условиях. Тогда налив ВНП можно одновременно совмещать с охлаждением нижней половины котла вагона-цистерны. Объем свободного пространства между парообогревательным кожухом и стенкой котла вагона-цистерны приблизительно составляет 4 м³, кроме того, он имеет патрубки для сброса пара в атмосферу. Если этот объем предварительно заполнить водой, то вода, при наливе ВНГ закипает, превращаясь в пар.

Кипение сопровождается поглощением большого количества теплоты, забираемой от наливаемого нефтепродукта. Образующийся пар сбрасывается в атмосферу, а наливаемый мазут охлаждается до температуры +50…+60 ^оС. Это охлаждение происходит только в нижней половине котла вагона-цистерны. Температура мазута в верхней его половине остается на уровне +120…130 ^оС. Как видно из Рис. 2 с понижением температуры до 80 ^оС плотность мазута увеличивается на           4–5 %. Нефтепродукт оказывается в стратифицированном состоянии.

Мазут будет охлаждаться как сплошное твердое тело и перейдет в высоковязкое состояние не во всем объеме котла вагона-цистерны, а лишь у его стенок, образуя теплоизолирующую корку толщиной 3–4 см и массой 5–6 тонн. При этом основная масса нефтегруза (свыше 60 тонн) сохранит свою высокую температуру и текучесть за все время перевозки и не потребует дополнительного разогрева при сливе [6].

 

Рис. 2. Температурная зависимость плотности ${\rho }_{ж}$ мазутов

 

Ниже рассмотрены математическая и имитационная модели, позволяющие оптимизировать работу крупного нефтяного терминала с объемом переработки десятки тысяч тонн.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Работа современного крупного нефтеналивного терминала, предназначенного для экспортных и внутренних перевозок вязких нефтепродуктов с годовым объемом в десятки тысяч тонн - это сложная система, в которой осуществляется прием доставленного нефтепродукта, его накопление в промежуточные емкости и последующую передачу потребителю. Накопление груза подразумевает выгрузку из цистерн, осуществляемую с подогревом и передачу его по наземным коммуникациям (Рис. 3). На втором этапе накопленный продукт перегружается, например, на плав средства (танкеры) для дальнейшей транспортировки до конечного потребителя с предварительным его разогревом.

Промежуточными операциями являются взятие проб, контроль работы сливного оборудования и наземных коммуникаций (мазутопровода), очистка котла вагона-цистерны и т.д.

 

Рис. 3. Операции при наливе нефтепродукта в цистерну

 

Рассматриваемой задачей является построение математической модели, описывающей процесс слива мазута марки М-100 с учетом допущений:

• На станцию слива ежедневно приходит М вагонов.
• Состав может прийти в любой момент времени в течение суток.
• Для разгрузки состава в наличии имеем К эстакад.

На организацию слива нефтепродукта влияние оказывают его физические свойства, а именно вязкость ν. Она оказывает влияние на продолжительность времени слива τ, расход пара и электроэнергии, необходимых для его разогрева. Для описания этой зависимости широко используются эмпирические данные, сведенные в Табл. 2 [13].

 

Таблица 2. Зависимость времени слива τ (мин.) от вязкости ВНП при диаметре сливного прибора 160 мм

ν*10⁴ м²/с	20	50	80	100	110	120	125
τ слива (мин)	45	60	80	110	130	160	180

 

В качестве числовых характеристик, описывающих процесс слива, рассмотрим время слива груза, расход пара и электроэнергии.

ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Введем множество T – тестируемый промежуток времени, t $\in$ T – определенный день.

         Пусть X(t) – функция, возвращающая для каждого t $\in$ T количество вагонов, прибывших на разгрузку.

Функция X(t) складывается из суммы функций:

$X\left(t\right)= X_1\left(t\right)+X_2\left(t\right),$(1)

где $X_1\left(t\right)$ – количество вагонов, пришедшие под разгрузку;

$X_2\left(t\right)$ - количество вагонов, оставшихся неразгруженными с прошедшего дня (t - сутки).

Зададим функцию W(t), возвращающую затраты времени, которые требуются для разгрузки имеющегося на момент времени t груза:

$W\left(t\right)= \frac{1}{К}X\left(t\right)Y\left(t\right),$ (2)

где К – количество эстакад.

Y определяем из следующего соотношения:

$Y=\frac{1}{F},$ (3)

где F – пропускная система одной эстакады, то есть количество вагонов, которое может быть разгружено на эстакаде в течение суток. F зависит от вязкости нефтепродукта и температуры окружающей среды.

График функции W(t) изображен на Рис. 4.

Очевидно, что для того, чтобы состав будет разгружен полностью при W(t)=1. Тогда время, необходимое для разгрузки оставшегося груза лежит выше прямой W(t)=1. А заштрихованная область, расположенная ниже этой оси, отражает время простоя оборудования.

Из (2), (3) следует, что необходимое количество эстакад можно найти по формуле:

$K=XY=\frac{X}{F} .$ (4)

Так как F зависит от температуры окружающей среды, то в теплое время года оборудование будет простаивать, а в холодное весь груз не будет разгружен за сутки полностью.

 

Рис. 4. График W(t)

 

Время, требующееся для разгрузки состава в часах легко получить из (2)

$W΄\left(t\right)= \frac{24}{\text{К}}X\left(t\right)Y\left(t\right)$ (5)

 

Для разгрузки каждого вагона-цистерны требуется определенное количество пара $h_{п}^i$(t).

Обозначим через $H_{\text{п}}\left(t\right)$ расход пара для разгрузки всех вагонов:

$H_{п}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{}}{h}_{\text{п}}^i \left(t\right)$ (6)

где n – количество разгруженных цистерн за сутки.

Аналогично через $H_{ээ}\left(t\right)$ обозначим расход электроэнергии:

$H_{ээ}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{}}{h}_{ээ}^i\left(t\right)$ (7)

где $h_{ээ}^i\left(t\right)$ – расход электроэнергии, необходимой для разгрузки одного вагона.

Обозначим через H(t) – функцию затрат, сопоставляющую дате (суткам) затраты на ресурсы. H(t) определяем из (6) и (7) по формуле:

$H\left(t\right)= H_{п}\left(t\right)+H_{ээ}\left(t\right),$  (8)

Так как количество вагонов, пришедших под разгрузку, время разгрузки и затраты зависят от тестируемого периода, то связь может быть выражена в форме функциональной зависимости.

Введем функцию f, сопоставляющую определенной дате количество цистерн, нуждающихся в разгрузке (1), время их разгрузки (2) и количество затрат пара и электроэнергии (3) (t – дата, сутки):

$f : Т \to (X,W,H).$ (9)

Таким образом, для каждого  t $\in$ T функция f(t) показывает сколько вагонов необходимо разгрузить, сколько для этого потребуется времени и какое количество электроэнергии и пара необходимы для разгрузки.

 Если рассматривать поставки мазута за несколько дней, то функция (9) не претерпевает каких-либо изменений. Только оптимальное количество W(t), когда все вагоны, пришедшие на разгрузку, будут разгружены и оборудование не будет простаивать, равно количеству дней за период.

Расход пара и электроэнергии зависит от температуры груза, которая в свою очередь зависит от температуры окружающей среды и продолжительности перевозки. Время разогрева мазута, расход пара и электроэнергии определяются эмпирически. Принимая во внимание объемы поставок на терминале и их ежедневность, можно считать их случайными величинами, распределенными по нормальному закону. Поэтому для решения полученной задачи применяем имитационное моделирование.

ПОСТРОЕНИЕ ИМИТАЦИОНННОЙ МОДЕЛИ

Целью построения данной модели стала необходимость в процессе моделирования определить для заданного периода времени время, необходимое для его разгрузки, расход пара и электроэнергии (9) [14, 15].

Состав приходит ежедневно в количестве в среднем 15 вагонов. Регулярность поставок и большой объем поставляемого продукта дает возможность использовать нормальный закон при моделировании количества вагонов, приходящих ежедневно (Рис. 5).

Для разгрузки вагонов предусмотрены эстакады, функционирующие круглосуточно. Цистерны, ожидающие разгрузки, ожидают разгрузки на запасных путях.

Применяя имитационное моделирование определим оптимальное количество эстакад, необходимое для разгрузки всех вагонов с целью снизить расходы, связанные с простоем оборудования (Рис. 6).

Задаем параметры объектов с учетом данных, приведенных в Табл. 3.

Время, необходимое для замера количества груза, отбора проб, подготовительных работ перед сливом, разогрев продукта, процесс слива, размывка остатков груза определяется эмпирически и зависит от температуры окружающей среды. Это позволяет задать время выполнения данных процессов как случайную величину, подчиненную случайному закону.

 

Рис. 5. Свойства начального события

 

Рис. 6. Осуществление разгрузки на нескольких эстакадах

 

Таблица 3. Продолжительность этапов процесса слива мазута марки М-100 циркуляционным способом

Этап процесса	Продолжительность процесса
Проверка наличия свободных эстакад	1 мин
Проезд к эстакаде	4 мин
Ожидание на запасных путях	Время моделируется системой автоматически
Замер количества груза и отбор проб	Нормальный закон распределения Математическое ожидание – 1 ч Дисперсия  – 10 мин
Подготовительные работы перед сливом	Нормальный закон распределения Математическое ожидание – 30 мин Дисперсия – 5 мин
Слив мазута с предварительным разогревом.	Нормальный закон распределения Математическое ожидание – 8 ч Дисперсия – 1 ч Время выполнения зависит от температуры окружающей среды. В зимнее время увеличивается до 10 ч. Причем основное время уходит именно на разогрев нефтепродукта.
Размывка остатков груза	Нормальный закон распределения Математическое ожидание – 2 ч Дисперсия – 30 мин

 

Проведем имитационное моделирование с количеством эстакад равным 4, 7 и 10, которое задается как материальный ресурс.

Результаты имитационного моделирования приведены на Рис. 7(а), 7(b) и 7(с) соответственно.

 

Рис. 7(a). Результат имитации при наличии 4 эстакад

 

Из 16 вагонов разгружены только 7. Среднее время ожидания на запасных путях составляет 13 ч 46 мин. Этап, на который тратится наибольшее количество времени – ожидание на запасных путях. Решением сложившейся ситуации может быть увеличение количества эстакад.

 

Рис. 7(b). Результат имитации при наличии 7 эстакад

 

Из 16 вагонов разгружены уже 13, а среднее время ожидания 10 ч.

 

Рис. 7(с). Результат имитации при наличии 10 эстакад

 

Все 16 вагонов разгружены. Среднее время ожидания сократилось до 3 ч 40 мин. Общее время, затраченное на разгрузку менее 24 ч, а значит, оборудование будет простаивать.

ВЫВОДЫ

Анализ результатов имитационного моделирования показывает, что при сохранении начальных условий и увеличении количества эстакад процесс разгрузки состава протекает быстрее (большее количество вагонов разгружается). Но этот ожидаемый результат очевидно требует капиталовложений на строительство дополнительного оборудования. Альтернативой строительства новых эстакад и применения нового оборудования будет перевод нефтепродукта в стратифицированное состояние в момент налива. Из Табл. 2 следует, что при снижении вязкости уменьшается время слива. Этот факт позволяет на тех же площадях, без привлечения дополнительного оборудования увеличить производительность нефтяного терминала.

Предложен способ перевода продукта в стратифицированное состояние с использованием парообогревательного кожуха. Это позволяет увеличить плотность нефтепродукта в нижней части котла вагона-цистерны, что способствует образованию теплоизолирующей корки и сохранении высокой температуры и текучести груза на протяжении всего пути.

Обзор литературы показал, что при построении математических моделей при решении транспортных задач широко используется система массового обслуживания, которая позволяет оптимизировать работу по сливу нефтепродукта, но не дает никакой информации о сопутствующих затратах. В работе построена функция, которая за конкретный период показывает количество разгруженных вагонов, расход пара и электроэнергии.

Использование Business Studio при построении имитационной модели позволяет сделать ее гибкой и достаточно легко получать новые результаты при изменении входных данных (количество вагонов, пришедших на разгрузку, затраты электроэнергии и пара) в зависимости от региона, в котором находится предприятие, и его размеров, а также проанализировать работу предприятия при привлечении дополнительного оборудования.

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

About the authors

Tatyana S. Karpova

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Author for correspondence.
Email: t.s.karpova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8755-5396
SPIN-code: 9676-3790
https://www.pgups.ru/sveden/employees/karpova-tatyana-sergeevna

Candidate of technical Sciences, associate Professor

Russian Federation, Saint-Petersburg

Vladimir I. Moiseev

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: moiseev_v_i@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-0558-6242
SPIN-code: 6925-1107
https://www.pgups.ru/sveden/employees/moiseev-vladimir-ivanovich

Doctor of Technical Sciences, associate professor

Russian Federation, Saint-Petersburg

Vera A. Ksenofontova

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: koc-vera@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3085-3771
SPIN-code: 2747-2890
https://www.pgups.ru/sveden/employees/ksenofontova-vera-alekseevna

Assistant

Russian Federation, Saint-Petersburg

References

Supplementary files