Материалы к занятиям по дисциплине «Сооружение, транспорт, хранение и сбыт нефти, нефтепродуктов и газа».

Национальный исследовательский университет Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина Материалы к занятиям по дисциплине «Сооружение, транспорт, хранение и сбыт нефти, нефтепродуктов и газа» (для групп ЭЭ-19-01, ЭЭ-19-02, ЭЭ-19-03, ВМ-19-01) Голунов Никита Николаевич, к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов e-mail: golunov.n@gubkin.ru Москва, 2020 Национальный исследовательский университет Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина Лекция 5 Голунов Никита Николаевич, к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов e-mail: golunov.n@gubkin.ru Специальные технологии перекачки нефти Иногда добываемая нефть такова, что ее транспортировка по трубопроводам невозможна. Это случается, если вязкость нефти чрезмерно велика из-за большого содержания смол и асфальтенов, или если нефть содержит много парафинов и тогда застывает уже при температуре 15–25 ⁰С. В этих случаях применяют различные специальные технологии. • компаундирование (технология управляемого смешивание различных сортов нефти поступающих на головной пункт нефтепровода из разных месторождений) • применение разбавителей (основной разбавитель – газовый конденсат) • применение присадок (депрессорные присадки снижают температуру застывания парафиновых фракций) • применение воды (воду добавляют в нефти и перекачивают полученную эмульсию) • термообработка нефти (технология предусматривает нагрев нефти до температуры, превышающей температуру плавления парафинов и последующее охлаждение нефти) • горячая перекачка (подогрев нефти по пути ее транспортирования) 3 Запорная арматура (задвижки) на МН Задвижки не предназначены для регулирования расхода среды, они используются преимущественно в качестве запорной арматуры – запирающий элемент в процессе эксплуатации находится в крайних положениях «открыто» или «закрыто». Клиновая задвижка Шиберная задвижка Предназначены для применения в качестве запорного устройства на трубопроводах магистральных нефте- и продуктопроводов, в технологических схемах перекачивающих станций и резервуарных парках магистральных нефте- и продуктопроводов. В настоящее время некоторыми компаниями ограничено использование таких задвижек для нефти и нефтепродуктов. 4 Борьба с асфальтено-смоло-парафиновыми отложениями (АСПО) Асфальтено-смоло-парафиновые отложения  тяжелые компоненты нефти, отлагающиеся на внутренней поверхности нефтепромыслового оборудования и затрудняющие ее добычу, транспорт и хранение. Основными компонентами АСПО являются парафинонафтеновые и парафино-нафтено-ароматические углеводороды Способы предотвращения:  Ингибирование (ингибиторы АСПО)  Нагревательные кабельные линии («скин-системы»)  Антиадгезионные покрытия внутренней поверхности Способы очистки трубопроводов:  Запуск скребков  Промывка горячими теплоносителями  Промывка углеводородными растворителями  Микроволновая и ультразвуковая обработка  Точечный нагрев 5 Системы «горячей» перекачки нефти «Горячая» перекачка нефтей – способ перекачки, основанный на изменении реологических свойств нефти (в первую очередь, вязкости) путем предварительного подогрева жидкости. При «горячей» перекачке высокозастывающая (высокопарафинистая) нефть нагревается на головной НПС и перекачивается по трубопроводу. При движении нефти по трубопроводу ее температура снижается, что приводит к увеличению потерь напора на трение, что приводит к необходимости подогрева нефти на промежуточных НПС. Температура нагрева нефти +70…  +120 °С. Максимальная длина +25…  +80 км в зависимости от свойств нефти. Величина нагрева ограничивается стойкостью изоляции трубопровода, возможностью разрушения структуры нефти и ее коксованием в теплообменниках при нагреве. 6 Системы «горячей» перекачки нефти Заполярье  это перепад температур от минус 56 до плюс 34. Скорость ветра превышает 40 метров в секунду. Множество водных преград. Участки ММГ до 60 процентов протяженности трассы. Особо сложные – нестабильные, льдистые грунты (сохраняя твердость в морозы, при малейшем потеплении теряют несущую способность). Пункты подогрева нефти (ППН): 3 на НПС и 5 на ЛЧ МН. Самый крупный пункт находится на НПС № 2 «Ямал», его суммарная тепловая мощность — 54 МВт. На ГНПС № 1 «Заполярье» применена современная, адаптированная к условиям Крайнего Севера технология с использованием незамерзающего термального масла. Максимальная температура нефти на выходе из пункта подогрева достигает от +40 до + 60 градусов и контролируется датчиками. Чтобы нефть в резервуарах не остывала, их впервые в практике «Транснефти» покрыли теплоизоляцией — 100-миллиметровым слоем пеностекла, не боящегося ни влаги, ни морозов. НПС, как и ЛЧ МН, тоже пришлось ставить на сваи. На ГНПС «Заполярье» в мерзлый грунт было забито в общей сложности около 17,5 тыс. свай. На них покоятся все производственные и бытовые здания, а также резервуарный парк  8 емкостей объемом 20 тыс. куб. м каждая. 7 Системы «горячей» перекачки нефти. Скин-система Индукционнорезистивная система нагрева (ИРСН) или «Скин-система» предназначена для поддержания температуры продукта, защиты от замерзания и стартового разогрева магистральных трубопроводов длиной до 30 км с подачей питания с одного конца (без сопроводительной сети). 8 Технология последовательной перекачки нефтепродуктов смесь нефтепродукта № 2 и нефтепродукта № 3 нефтепродукт № 3 смесь нефтепродукта № 1 и нефтепродукта № 2 нефтепродукт № 2 нефтепродукт № 1 Направление перекачки Сущность технологии последовательной перекачки нефтепродуктов заключается в том, что нефтепродукты закачиваются в трубопровод последовательно друг за другом, а на конечной станции принимаются в отдельные резервуары. Основное преимущество - множество различных сортов нефтепродуктов перекачивают по одному и тому же трубопроводу, что позволяет полностью загрузить трубопровод и тем самым удешевить транспортировку крупных партий нефтепродуктов. Основной недостаток - при вытеснении одного нефтепродукта другим в зоне их контакта постоянно происходит процесс смесеобразования, что приводит к постепенному росту смеси, которая представляет собой нетоварный нефтепродукт. 9 Причины и схема смесеобразования при последовательной перекачке нефтепродуктов Направление перекачки R Х нефтепродукт № 2 нефтепродукт № 1 Причины смесеобразования в зоне контакта партий нефтепродуктов:  Неравномерное распределение скоростей по сечению трубопровода (скорость потока в центре больше, чем скорость у стенок), из-за чего в партию впередиидущего, вытесняемого, нефтепродукта как бы вклинивается последующий, вытесняющий, нефтепродукт  Турбулентная диффузия, перемешивающая жидкости по сечению трубопровода и способствующая тем самым росту объема смеси. Смесь – это нетоварный нефтепродукт, не является новой маркой нефтепродуктов 10 Способы уменьшения смеси при последовательной перекачке нефтепродуктов Особое направление в последовательной перекачке составляет поиск технологий уменьшения смеси при транспортировке нефтепродуктов, т.е. технологий, уменьшающих объем смеси. В общем случае, сущность такой технологии сводится к тому, чтобы поместить на границу контакта последовательно вытесняющих друг друга партий разделительное устройство, которое двигалось бы со средней скоростью потока, отделяя один нефтепродукт от другого, и являлось, по сути, подвижной перегородкой между ними. Преимущества:  «легкость» прохождения отводов, сужений, арматуры;  очистка внутренней полости от отложений Недостатки:  незначительное сокращение смеси из-за сложности обеспечения синхронности движения разделителя и потока нефтепродуктов;  интенсивные перетоки нефтепродуктов через неплотности между разделителем и внутренней поверхностью трубопровода;  сложности автоматизации запуска;  трудности при прохождении через насосные станции. а – дисковый; б – манжетный; в – литой манжетный; г – шаровый; 1 – штанга, 2 – металлический диск, 3 – диск из упругого материалы, 4 – манжета, 5 – оболочка, 6 – обратный клапан. Изменение режимов работы насоса при последовательной перекачке нефтепродуктов При увеличении вязкости и плотности перекачиваемой жидкости потери на трение увеличиваются, что приводит к снижению напора, КПД и увеличению затрачиваемой энергии 12 Утилизация смеси при последовательной перекачке нефтепродуктов Основная технология утилизации смеси – «раскладка», т.е. добавление смеси к исходным нефтепродуктам в малых количествах. Если перекачиваются родственные нефтепродукты (сорта бензинов или дизельных топлив), то их состав меняется незначительно и не представляет угрозы для их качества. Если происходит перекачка разносортных нефтепродуктов (бензинов и дизельных топлив), их смесь представляет собой нетоварный нефтепродукт, который непригоден ни для дизельных, ни для карбюраторных двигателей. Товарный нефтепродукт Добавляемый нефтепродукт Контрольные показатели товарного нефтепродукта Автобензины Дизельные топлива (ДТЛ, ДТЗ) Температура конца кипения, октановое число Авиационный керосин ТС-1 Дизельные топлива (ДТЛ, ДТЗ) Температура начала кристаллизации, температура начала кипения Дизельное топливо зимнее (ДТЗ) Автобензины, авиакеросин ТС-1 Температура вспышки, содержание серы Дизельное топливо летнее (ДТЛ) Автобензины, авиакеросин ТС-1 Вязкость, содержание серы Раскладка смеси бензинов и дизельных топлив осуществляется на основании предельно допустимых концентраций (ПДК) бензинов в дизельных топливах и дизельных топлив в бензинах при учете запаса качества каждого из нефтепродуктов. На практике известно, что если концентрации примесей составляют менее 0,15% по объему смеси, то, как карбюраторные, так и дизельные двигатели, мало чувствительны к примесям. 13 Изменение Q-H-характеристики (перераспределение) напоров в процессе смены жидкостей в трубопроводе при последовательной перекачке Нефтепродукт (вытесняемый) бензин Нефтепродукт (вытесняющий) диз.топливо №1 – №2 – А – трубопровод полностью заполнен бензином, насосы на НПС качают бензин В – трубопровод заполнен бензином, но насосы на НПС начинают качаться ДN С – в трубопроводе бензин постепенно вытесняется ДТ, насосы продолжают качать ДТ D – трубопровод еще заполнен ДТ, но насосы начали качать бензин 14 Скачок напоров в процессе смены жидкостей в трубопроводе при последовательной перекачке А) Плотность нефтепродукта №1 (вытесняющего), например, дизтопливо, больше плотности нефтепродукта №2 (вытесняемого), например, бензина Б) Плотность нефтепродукта №1 (вытесняющего), например, дизтопливо, меньше плотности нефтепродукта №2 (вытесняемого), например, бензина 15 Общие сведения о резервуарах и резервуарных парках Резервуар – емкость, предназначенная для хранения, приема, откачки и измерения объема нефти Резервуарный парк – группа резервуаров, предназначенных для приема, хранения и откачки нефти и размещенных на территории, ограниченной по периметру обвалованием или стенкой Резервуары предназначены для:  хранения нефти и нефтепродуктов;  учета нефти и ее приема от добывающих предприятий;  достижения требуемого качества нефти (отстаивание воды, осаждение примесей, смешивание нескольких различных марок);  компенсации неравномерности приема-отпуска нефти. Резервуарные парки размещаются:  на головной НПС;  на границах эксплуатационных участков;  в местах подкачки нефти с близлежащих месторождений;  в местах размещения крупных потребителей. 16 Общие сведения о резервуарах. Классификация резервуаров По типу материала:  металлические;  железобетонные;  неметаллические;  оборудованные в природных условиях. По объему:  1 (3а) класс – свыше 50 000 куб. м.;  2 (3б) класс – от 20 000 до 50 000 куб. м.;  3 (2а)класс – от 1 000 до 20 000 куб. м.;  4 (2б)класс – менее 1 000 куб. м. По назначению, для:  нефти и светлых нефтепродуктов;  темных нефтепродуктов;  нефтесодержащих жидкостей По схеме установки:  надземные;  наземные;  заглубленные . По температурному режиму:  при температуре окружающей среды;  с дополнительным подогревом;  изотермические. 17 Хранение нефтепродуктов в горизонтальных резервуарах • Наземная установка обеспечивает постоянный доступ ко всему резервуару, удобство монтажа и использования. • Подземная установка обеспечивает повышенную защищенность от воздействия негативных факторов окружающей среды. Способы установки горизонтальных резервуаров 18 Резервуары железобетонные Преимущества: • небольшая теплопроводность; • менее огнеопасные чем металлические; • более стойки к коррозии. Недостатки: • сложность диагностики дефектов; • недостаточная герметичность, в т.ч. проникновение осадков; • всплытие при высоком уровне грунтовых вод 19 Резервуары вертикальные стальные со стационарной крышей 20 Резервуары и резервуарные парки. Потери от испарения и потери качества нефтепродуктов «Большое» дыхание  процесс перемещения воздуха и паровоздушных смесей в резервуарах при полном их опорожнении («вдох») и наполнении («выдох»). При «вдохе» в резервуар через дыхательный клапан поступает воздух, который насыщается парами хранящейся в резервуаре нефти, а при «выдохе» паровоздушная смесь вытесняется в атмосферу. «Малое» дыхание  процесс перемещения воздуха и паровоздушных смесей в резервуарах в результате изменения температуры или атмосферного давления. Из-за повышения температуры в дневное время суток в резервуаре наблюдается испарение легких фракций нефти (нефтепродуктов), приводящее к повышению давления в его газовом пространстве, что приводит к «выдоху»  выбросу паровоздушной смеси через дыхательный клапан в атмосферу. Снижение температуры в ночное время суток приводит к конденсации нефтяных паров в газовом пространстве резервуара и вакууму, приводящее к «вдоху» - поступлению атмосферного воздуха в резервуар. Из-за испарения легких фракций бензина: Склонность нефтепродуктов к испарению • Снижается октановое число 1. Бензины • Повышается температура начала кипения 2. Реактивные топлива 3. Дизельные топлива Из-за повышения температуры начала кипения бензина: 4. Газотурбинные топлива • Легкий запуск двигателя снижается с -20°С до -10 °С 5. Котельные топлива • Затруднительный запуск двигателя при -25 °С 6. Масла для реактивных двигателей • При дальнейшем понижении температуры запуск двигателя 7. Автомобильные масла возможен только после его подогрева 8. Мазуты • Износ двигателя увеличивается в 2-3 раза • Увеличивается количество несгоревшего топлива 21 Резервуары и резервуарные парки. Системы рекуперации паров Рекуперация (от лат. recuperatio − обратное получение) – возвращение части материалов или энергии для повторного использования в том же технологическом процессе. 22 Резервуары вертикальные стальные с понтоном (из алюминиевых сплавов) РВСП – резервуар вертикальный стальной с понтоном РВСПА – резервуар вертикальный стальной с понтоном из алюминиевых сплавов Понтон плавает на поверхности жидкости. Предназначен для уменьшения испарения за счет сокращения границы контакта фаз (жидкость – воздух) 23 Резервуары вертикальные стальные с плавающей крышей Резервуар вертикальный стальной с плавающей крышей (РВСПК) Плавающая крыша плавает на поверхности жидкости. Предназначена для уменьшения испарения. Опускается при опорожнении резервуара, поднимается при заполнении резервуара. Диаметр плавающей крыши на 100 – 400 мм меньше диаметра резервуара, а данное расстояние герметизируется с помощью уплотняющих затворов 24 Габариты и вместимость резервуаров с плавающими крышами 25 Оборудование резервуаров. Основное технологическое оборудование Классификация оборудования резервуаров: • учет качественных характеристик и количества хранимого продукта; • сокращение потерь хранимого продукта и регуляция давления в газовом пространстве резервуара; • проведение ремонтных работ и операций обслуживания; • очистка резервуаров; • осуществление сливоналивных операций; 26 Технологическое оборудование резервуаров Резервуары, в зависимости от их назначения, конструкции и места расположения, должны быть оснащены следующими устройствами:  приемо-раздаточными, имеющими местное или дистанционное управление  вентиляции резервуара  местного или дистанционного измерения уровня хранимых жидкостей  измерение температуры  автоматической сигнализацией верхнего и нижнего предельных уровней  отбора проб  удаления подтоварной воды Марки и типы оборудования определяются на этапе проектирования для конкретного резервуара в зависимости от вида хранимого продукта и характера технологических операций  подогрева высоковязких и застывающих нефти и нефтепродуктов Оборудование по исполнению и категории условий эксплуатации в зависимости от воздействия климатических факторов внешней среды должно соответствовать требованиям ГОСТ 15150  зачистки, проведения ремонтных работ Электрооборудование должно поставляться во взрывозащищенном исполнении и быть сертифицировано органами Ростехнадзора  предотвращения накопления отложений в резервуаре  обнаружения и тушения пожаров  молниезащиты  заземления и защиты от статического электричества 27 Технологическое оборудование резервуаров. Вентиляционное оборудование Дыхательный клапан Предназначен для герметизации газового пространства резервуаров и регулирования давления в этом пространстве в заданных пределах. Клапаны работают во время дыханий резервуара, исключая возможность его деформации. В остальное время надежно герметизируют внутреннее пространство, тем самым минимизируя потери продукта. Предохранительный клапан Предназначен для защиты резервуара от разрушения и деформаций при возникновении сверхнормативного избыточного давления. Устанавливается в комплекте с дыхательными клапанами. За счет использования в гидравлическом затворе незамерзающей жидкости работает при любых погодных условиях. Для максимального уменьшения потерь от испарения нефти и нефтепродуктов клапан может быть оснащен диском-отражателем. Вентиляционный патрубок Устанавливается на крыше резервуаров с малоиспаряющимися продуктами. Предназначены для сообщения газового пространства резервуара с атмосферой, а также для проветривания надпонтонного пространства. Аварийный клапан Предназначен для аварийного сброса избыточного давления, возникающего из-за неисправности дыхательного оборудования или из-за интенсивного нагрева хранимого продукта, вследствие пожара на данном или соседнем резервуаре. Совмещенный аварийный клапан имеет возможность срабатывания на вакуум. Это позволяет производить ускоренную откачку продукта из резервуара без риска деформации и повреждения. 28 Технологическое оборудование резервуаров. Патрубки и краны Приемо-раздаточный патрубок Кран сифонный предназначен для удаления воды, образовавшейся в результате отстоя нефти в резервуаре, а также промывке резервуара при проведении ремонтных работ предназначен для подсоединения запорной арматуры для закачки и откачки продуктов из резервуара Система компенсации нагрузок Система водоспуска плавающей крыши служит для компенсации пространственных перемещений соединяемых трубопроводов, транспортирующих жидкие среды и сохранения их герметичности предназначена для отвода воды с плавающих крыш резервуаров 29 Технологическое оборудование резервуаров Пробоотборное оборудование Хлопуша предназначено для отбора как смешенной, так и дискретной (с каждой определенной высоты) пробы нефти и нефтепродуктов по всей высоте резервуара с нормальным и избыточным давлением. предназначена для предотвращения потерь нефти и нефтепродуктов из резервуара в случаях разрыва технологических трубопроводов или выхода из строя размещенных на нем запорных устройств Отбор пробы осуществляется через каждые 1000 мм либо с высот, указанных заказчиком. Устройства для размыва донных отложений предназначены для размыва донных отложений в резервуарах и емкостях с нефтью и нефтепродуктами, а также для предотвращения образования таких отложений. 30 Технологическое оборудование резервуаров. Проведение ремонтных работ и оборудование для очистки резервуара Люк-лаз – предназначен для ремонта, внутреннего осмотра и очистки резервуаров. С помощью люк-лаза в резервуар доставляется необходимое оборудование и извлекаются донные отложения при ручной очистке. 31 Технологическое оборудование резервуаров. Оборудование системы пожаротушения и охлаждения Для РВС без понтона: • подача пены в нижнюю часть резервуара • подача пены сверху • подача пены на поверхность продукта. Для РВСП: • подача пены в слой продукта и сверху • выброс пены в зазор и на поверхность понтона • выброс пены только сверху Для РВСПК: • выброс пены в круговой зазор • одновременный выброс пены и в зазор и в толщу продукта • подача специального газа в зазор и выброс пены в толщу продукта Для защиты резервуаров совместно со с противопожарными установками используют системы охлаждения резервуаров. Данная установка охлаждает как горящий резервуар, так и остальные резервуары группы. Состоит система из кольца орошения , размещенного в верхнем поясе резервуара, стояков и сети горизонтальных трубопроводов для подачи воды. 32 Технологическое оборудование резервуаров. Предотвращение и защита от разливов в случае утечек Резервуар с защитной стенкой ГОСТ Р 53324-2009. Ограждения резервуаров. Требования пожарной безопасности Использование резервуаров с защитной стенкой рекомендуется при повышенных требованиях к безопасности, например при расположении резервуаров вблизи жилых зон или по берегам водоемов, а также на производственных площадках, при недостаточности места для устройства обвалования вокруг резервуаров. По периметру отдельно стоящего резервуара или каждой группы наземных резервуаров необходимо предусматривать замкнутое ограждение. Ограждение должно быть рассчитано на гидростатическое давление разлившейся при разрушении резервуара жидкости. Обвалование резервуаров Ограждающая стена резервуара 33 Строительство резервуаров. Метод рулонирования Установка рулонирования Разворачивание рулона Транспортировка рулона 34 Строительство резервуаров. Полистовой монтаж Кондуктор для сборки резервуара Сборка стационарной крыши Сборка резервуара с плавающей крышей Сварка горизонтального шва стенки резервуара 35