Simulation of the circulation method for discharging viscous petroleum products

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Нефть является одним из основных источников энергии. Нефтяная промышленность сталкивается со сложной задачей конкурентоспособности в связи с колебаниями спроса, цен на нефть и нефтепродукты. Поэтому нефтяные компания ищут дополнительные возможности по снижению себестоимости продукта.

Нефтепродукты проходят сложный путь от разработки месторождения и добычи сырой нефти до поставки конечному потребителю конечного продукта. Стоимость транспортных услуг напрямую зависит от вида нефтепродукта и способа его поставки [1-4].

В ассортименте нефтеперерабатывающей промышленности выделяют три основных группы: моторное топливо (карбюраторное, дизельное, реактивное), котельное топливо (котельное, к которым относится мазут и др., газотурбинное) и нефтяные масла (смазочные и не смазочные масла) [5].

Основным физико-химическим свойством котельного топлива является вязкость, величиной которой определяются полнота сгорания топлива и условия слива и налива и др. На вязкость влияет температура окружающей среды: при ее понижении вязкость нефтепродукта резко возрастает. В этом случае выгрузка самотеком нефтепродукта становится невозможной.

В условиях географических и климатических особенностей нашего государства наиболее перспективны железнодорожные поставки вязких нефтепродуктов [6]. Преимуществом такого способа транспортировки является всесезонность в отличии от поставок речным и морским транспортом. Железнодорожные перевозки способны обеспечить массовые поставки нефтепродуктов средним объемом 3000 тонн одним железнодорожным составом в то время как максимальный объем груза, перевозимого единицей автомобильного транспорта, составляет 25 тонн [7, 8]. Поставки вязких нефтепродуктов по трубопроводу возможны только на небольшие расстояния.

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ СЛИВА

В модели перевозки вязких нефтепродуктов, к которым относится мазут, наиболее затратным и энергоемким процессом является разогрев нефтепродукта перед сливом [9]. На данный момент при сливе применяют локальный пригрев пристенного слоя топлива с использованием стационарных теплообменников, входящих в конструкцию цистерны, пригрев всей массы топлива в цистерне через выносной стационарный теплообменник и комбинированный способ. Для разогрева мазута в железнодорожных цистернах в качестве теплоносителя используется как правило водяной пар и электроэнергия [10].

В данной работе рассматривается модель циркуляционный подогрева мазута, относящийся к пригреву всей массы топлива в цистерне. При применении этого способа разогрев мазута в железнодорожных цистернах производится горячим мазутом, подаваемым насосом через выносные стационарные теплообменники. Мазут, взятый из хранилища, в стационарных теплообменниках разогревается до температуры на 15̊ С ниже, чем температура вспышки, но не более 120̊ С. Продолжительность подготовительных процессов и слива мазута с одного котла вагона-цистерны в среднем длится в зимний период 15–20 часов, в то время как в летний период это время составляет 8–9 часов.

При этом способе слива нефтепродукты сливаются полностью и котел вагона-цистерны не нуждается в дальнейшей очистке при условии перевозки в нем того же вида топлива.

ОПИСАНИЕ НОВОЙ МОДЕЛИ ПЕРЕВОЗКИ

В работе предложен новый способ перевозки вязких нефтепродуктов, основанный на физических свойствах мазута, обладающего низкой теплопроводностью [11]. Данный способ позволяет снизить себестоимость транспортных расходов за счет предотвращения охлаждения груза при транспортировке по железной дороге.

Наиболее интенсивное охлаждение нефтегруза происходит в течение первых суток после налива в цистерну как результат смешанной свободно-вынужденной конвекции. Особенно интенсивно процесс охлаждения происходит в зимний период, который в некоторых регионах страны продолжается до 8 месяцев [7].

Суть метода в переводе нефтепродукта в устойчивое, но не равновесное состояние в момент загрузки, когда плотность в верхней части котла вагона-цистерны существенно меньше, чем в нижней. Такое состояние называется стратифицированным. При этом подходе естественная конвекция, которая является причиной быстрого охлаждения груза, практически исчезает. В местах взаимодействия нефтегруза со стенками котла вагона-цистерны образуется высоковязкий слой из застывшего груза, обладающий малой теплопроводностью, и выполняющий функции тепловой изоляции [12, 13].

При таком способе налива основная масса продукта остается в текучем состоянии. В этом случае в разогреве при выгрузке нуждается не более 10 % перевозимого груза. Предложенный метод позволяет процесс слива в зимнее время приблизить к нормативам летнего периода

ПОСТРОЕНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

Для разработки имитационной модели в качестве инструментальной среды использовалась отечественная платформа Business Studio. Данное программное обеспечение позволяет с помощью функционально стоимостного анализа оценить экономическую эффективность предложенного способа перевозки [14, 15].

 При моделировании использовались нотации BPMN и EPC, позволяющие максимально точно описать моделируемые бизнес-процессы.

Смоделируем процесс слива вязких нефтепродуктов циркуляционным способом, который состоит из следующих этапов:

1. Подача железнодорожной цистерны под эстакаду слива.
2. Замер количества прибывшего груза и отбор проб. В летний период данная процедура занимает 1 час, а в зимний период 2 часа.
3. Подключение устройств слива нефтепродуктов.
4. Заполнение системы слива нефтепродуктом из хранилища и подогрев его. При подогреве используется пар. Расход пара в зимний период в среднем 6 Гкал на слив одной железнодорожной цистерны, в летний период 3 Гкал.
5. Разогрев нефтепродуктов в зоне сливного клапана котла вагона-цистерны.
6. Слив 90–95 % объема нефтепродуктов в хранилище. В летний период данная процедура занимает 8 часов, а в зимний период 15–20 часов. После этого процедура слива останавливается.
7. Размывание остатков нефтепродуктов в железнодорожной цистерне и окончательный слив. Этот процесс занимает еще 4 часа в холодное время года и 2 часа в теплое время года.
8. Отключение сливного устройства.
9. Вывод железнодорожной цистерны из-под эстакады слива.

 

Модель данного бизнес-процесса приведена на Рис. 1. Процесс подготовительных мероприятий и непосредственно самого слива встроен как декомпозиция в данную модель.

 

Рис.1. Модель процесса слива вязких нефтепродуктов циркуляционным способом

 

При новом способе загрузки схема слива груза значительно упрощается (Рис. 2).

 

Рис. 2. Модель процесса слива нефтепродуктов циркуляционным способом при новом способе загрузки

 

ПРОВЕДЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО СТОИМОСТНОГО АНАЛИЗА

Для проведения функционально стоимостного анализа задаем свойства объектов. Железнодорожные цистерны приходят на станцию ежедневно в разное время в течение суток в количестве 20 штук в среднем. Этот факт отражен на Рис. 3.

 

Рис. 3. Свойство стартового события

 

Платформа Business Studio позволяет смоделировать частоту возникновения стартового события. Результат показан на Рис. 4.

Задаем параметры объектов с учетом данных, приведенных в описании, и даты наступления события, а также условия возникновения события Зимний период и Летний период (Рис. 5).

Время выполнения процессов Слив в зимнее время и Слив в летнее время задаем как случайную величину с нормальным законом распределения.

Проведем имитационное моделирование процесса слива вязкого нефтепродукта в период с 30 сентября по 2 октября, что позволит нам наблюдать работу модели в летний и зимний период. Результаты имитации приведены на Рис. 6.

Здесь же мы можем наблюдать количество реализаций каждого процесса: сколько запущено, сколько завершено и выполняется (Рис. 7).

 

Рис. 4. Моделирование моментов возникновение экземпляров стартового события

 

Рис. 5. Свойства условия Зимний период

 

Рис. 6. Результаты имитации

 

Рис. 7. Расчет количества запущенных процессов

        

Business Studio позволяет задавать расход пара как переменную величину или продукт. В первом случае мы можем наблюдать, какое количество пара расходуется при сливе каждого котла вагона-цистерны. И сколько пара потребовалось для слива всего груза. В виду большого количества данных приведем часть таблицы расхода пара в летний период (Табл. 1) и в зимний период (Табл. 2), импортированных в Excel. Это еще одна возможность, представляемая разработчиками данного программного обеспечения.

 

Таблица 1. Расход пара в летний период

Экземпляр процесса	Дата и время	Операнд (количество используемого пара в одном процессе)	Значение на выходе
А1.5 Слив груза в летний период, экз. №01	30.09.2019 9:00:00	2,0813	2,0813
А1.5 Слив груза в летний период, экз. №04	30.09.2019 11:40:00	3,1313	5,2126
А1.5 Слив груза в летний период, экз. №03	30.09.2019 12:10:00	3,2206	8,4332

 

Таблица 2. Расход пара в зимний период

Экземпляр процесса	Дата и время	Операнд (количество используемого пара в одном процессе)	Значение на выходе
А1.5 Слив груза в зимний период, экз. №01	01.10.2019 14:30:00	6,7017	70,2761
А1.5 Слив груза в зимний период, экз. №04	01.10.2019 15:30:00	8,5487	78,8248
А1.5 Слив груза в зимний период, экз. №03	01.10.2019 15:50:00	6,8391	85,6639

 

Задав количество потребляемого пара как продукт, были получены следующие данные, приведенные на Рис. 8.

 

Рис. 8. Статистика по продукту Пар

 

При задании пара как продукта, произведенного в процессе слива нефтепродуктов, подсчитывается только количество пара, учитывая завершенные процессы. Отсюда видна разница потребления пара в первом (120,63 Гкал) и во втором (106,15 Гкал) случаях.

На следующих рисунках приведены результаты имитации за тот же период при новой схеме налива (Рис. 9–11, Табл. 3).

 

Рис. 9. Результат имитационного моделирования при новой схеме налива

 

Рис. 10. Расчет количества запущенных процессов при ново схеме налива

 

Таблица 3. Расход переменной Пар при новой схеме налива

Экземпляр процесса	Дата и время	Операнд (количество используемого пара в одном процессе)	Значение на выходе
А3 Слив груза, экз. №36	01.10.2019 21:30:00	4,2596	102,3337
А1.5 Слив груза, экз. №36	01.10.2019 23:10:00	2,8673	105,2011

 

Рис. 11. Расход продукта Пар при новой схеме налива

 

ВЫВОДЫ

Построены имитационные модели слива вязких нефтепродуктов циркуляционным способом, позволяющие оценить количество ресурсов, необходимых при сливе. Новый способ налива позволяет сэкономить затраты на расход пара в среднем на 2 млн рублей ежемесячно в зимний период.

Преимущества построенной модели:

 

1. Впервые использован новый метод для моделирования физических процессов.
2. Для построения имитационной модели использовался новый инструмент, который до этого применялся исключительно для моделирования организационных бизнес-процессов.
3. Использована отечественная платформа Business Studio в качестве инструментальной среды.
4. Данные, полученные в результате имитационного моделирования, соответствуют данным, предоставленным профильной работающей организацией.

Новая схема слива зависит только от способа налива вязких нефтепродуктов, поэтому ее можно применять не только при циркуляционном способе слива.

About the authors

Tatiana 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