УДК 665.613 О. А. ВОРОНИНА, В. А. ЛОБАНОВА

УДК 665.613
О. А. ВОРОНИНА, В. А. ЛОБАНОВА
O. A. VORONINA, V. A. LOBANOVA
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СОСТОЯНИЕ
РЕЗЕРВУАРНОГО ПАРКА НЕФТЕПРОДУКТОВ
RESEARCH OF INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE CONDITION OF
RESERVOIR PARK OF OIL PRODUCTS
В данной статье авторы рассматривают основные температурные факторы,
влияющие на количество сырья и готового продукта в резервуарах различной геометрической
формы и математическая модель, позволяющая прогнозировать влияние температурных
факторов на изменение количество нефтепродуктов в резервуарном парке предприятия.
Ключевые слова: резервуарный парк нефтепродуктов, температура, метод ранговой
корреляции, нечеткая логика
In this article the authors examine the basic temperature factors influencing the amount of raw
materials and finished product storage tanks in various geometric shapes and mathematical model
allowing to predict the effect of temperature factors on the amount of oil in the tank farm enterprise.
Keywords: reservoir park of oil products, temperature, rank correlation method, fuzzy logic
В процессе хранения в резервуарном парке нефтеперерабатывающего предприятия
происходит изменение качественных и количественных показателей нефтепродуктов.
Существует понятие естественной убыли нефтепродуктов как потерь, являющихся
следствием физико-химических свойств нефтепродуктов, воздействия метеорологических
факторов и несовершенства существующих в данное время средств защиты нефтепродуктов
от испарения и налипания при транспортировании, приеме, хранении и отпуске. [1] Нормы
естественной убыли установлены для двух периодов года: осенне-зимнего и весенне-летнего;
типа резервуара и вида технологической операции: прием, хранение, отпуск. В реальных
условиях на резервуары влияют множество неучтенных факторов, тем самым, случайным
образом увеличивая естественную убыль нефтепродуктов.
Одним из вариантов снижения потерь при хранении является контроль состояния
резервуарного парка переработки и хранения нефтепродуктов, где главным фактором
является соблюдение температурного режима.
Исходные данные:
В реальных условиях эксплуатации температура оказывает следующее воздействие:
– при повышении температуры увеличивается объем продукта, может повышаться
содержание парафина в нефти;
– при понижении температуры объем НП уменьшается, а парафин оседает на стенках,
тем самым, уменьшая полезный объем резервуара.
Температура наиболее ощутимо влияет на надземные и полузаглубленные
резервуары, для подземных резервуаров степень воздействия на сам резервуар достаточно
мала и ей можно пренебречь.
Для резервуарного парка каждого нефтеперерабатывающего предприятия для
определения температурной зависимости объема нефтепродукта могут быть определены
следующие климатические условия: средняя температура в 13ч самого жаркого месяца (°С);
средняя температура самого жаркого месяца (°С); абсолютный максимум температуры летом
(°С); температура самой холодной пятидневки (°С); влажность  (%, средняя в 13 ч самого
жаркого месяца); сейсмический район (да/нет, в баллах); характеристика поверхностных вод;
геологические условия; состояние почвенно-растительного покрова.
Данные параметры позволяют оценить изменение температуры за большой временной
интервал, для этого необходимо собрать и обработать большое количество статистических
данных. На небольшом нефтеперерабатывающем предприятии собрать такую статистику не
всегда возможно и это требует дополнительных трудовых и материальных затрат.
Следовательно, необходимо отобрать те показатели, которые доступны для ежедневной
обработки и анализа, то есть основные метеорологические показатели.
Выбор доминирующих температурных факторов
Из большого количества действующих температурных факторов необходимо выявить
доминирующие. Для этого достаточно оценить влияние факторов качественно, так как
количественно оценить факторы достаточно точно. Для оценки используется метод ранговой
корреляции, который основывается на опросе мнения специалистов, работающих в данной
области [2].
На первом этапе составим перечень факторов. Выделим следующие группы
климатических условий, основываясь на мнении экспертов [3, 4, 5]:
X1 – время суток;
X2 – геологические условия;
X3– температура воздуха;
X4 – температура почвы;
X5 – наличие солнца и продолжительность воздействия;
X6 – наличие ветра и продолжительность воздействия;
X7 – наличие осадков (дождь, снег) и продолжительность воздействия;
X8 – влажность;
X9 – давление.
На втором этапе расположим факторы в порядке убывания степени их влияния на
изменение температуры стенки резервуара на основе экспертной оценки.
На третьем этапе результаты опроса представим в виде матрицы рангов (табл. 1), где
для каждого фактора укажем место, занимаемое им в анкете специалиста.
Таблица 1 – Матрица рангов
Специалист
1-й
2-й
3-й
4-й
5-й
6-й
7-й
Сумма рангов
X1
8
7
5
6
7
5
6
44
X2
7
8
6
5
5
6
5
42
X3
1
1
1
1
1
1
1
7
X4
5
6
7
8
6
7
7
46
Факторы
X5
X6
2
4
2
3
2
4
2
4
3
4
2
3
3
4
16
26
X7
3
4
3
3
2
4
2
21
X8
9
5
7
9
9
8
9
56
X9
6
9
9
7
8
9
8
54
На четвертом этапе обработаем полученные данные:
– вычислим сумму рангов данного фактора по формуле:
n
 a ji , где aij – место фактора в анкете специалиста (наиболее существенному
j 1
фактору присваивается ранг aij=1).
n
– подсчитаем среднее арифметическое значение суммы рангов  aij k ,
j 1
– рассчитаем абсолютное значение отклонения суммы рангов от их среднего
арифметического значения по формуле:
n
 a ji
n
j 1
  a ji .
k
j 1
– вычислим коэффициент конкордации для проверки согласованности мнений
опрошенных специалистов:
2
 n

  a ji

k  j 1
n
12 H

где
W
,
H  
  a ji  .
2 3
n k k
n
i 1
j 1







В данном случае W≈0,7 – мнение специалистов достаточно согласовано.
– по полученной матрице рангов и рассчитанным значениям сумм рангов строим
диаграмму рангов (рис. 1) и проводим ее анализ.
Рисунок 1 – Диаграмма рангов
Из рассмотренных факторов, наибольшее влияние на изменение температуры стенки
оказывают факторы с наименьшей суммой рангов:
1 – X3 – изменение температуры окружающей среды;
2 – X5 – наличие солнца;
3 – X7 – наличие осадков;
4 – X6 – наличие ветра.
Обработка и анализ влияния температурных факторов
Данные факторы можно представить в нечеткой форме как лингвистические
переменные:
1 – ΔТо.с. – X3 – изменение температуры окружающей среды;
2 – С – X5 – наличие солнечного нагрева;
3 – О – X7 – наличие осадков;
4 – В – X6 – наличие ветра.
В терминах нечетких переменных на входе:
– терм Tî .ñ.  T1 , T2 , T3, где ∆T1 – похолодало; ∆T2 – не изменилось; ∆T3 –
потеплело;
– терм C  C1 ,C2 ,C3 , где С1 – пасмурно, С2 –переменная облачность; С3 –ясно;
– терм O  O1 ,O2 ,O3 , где О 1 – нет осадков; О 2 – слабые; О 3 – сильные;
– терм B  B1 , B2 , B3, где В1 –штиль; В2 – слабый; В3 – сильный.
Таблица 2 – Преобразование параметров климатического воздействия в нечеткую форму
Т1
Т2
Т3
ΔТо.с.
Похолодало
В1
Не изменилось В2
Потеплело
В3
В
Штиль
Слабый
Сильный
О1
О2
О3
О
Нет осадков
Слабые
Сильные
С1
С2
С3
С
Пасмурно
Переменная облачность
Ясно
На выходе: терм TÑÒ  TÑÒ1 ,TÑÒ2 ,TÑÒ3, где ∆Тст1 – понижение, ∆Тст2 – не
изменится, ∆Тст3 – повышение.
Информация, характеризующая эти множества входных признаков, поступает на вход
блока оценки состояния от оператора АРМ по сводке погоды на текущий день и
преобразуется в векторы степеней принадлежности.
В блоке принятия решения осуществляется принятие решение о значении выходной
лингвистической переменной TÑÒ в зависимости от значений ∆То.с., В, О, и С.
TÑÒ1  T1  ( B2  B3 )  ( O2  O3 )  ( C1  C2 );
TÑÒ2  T2  B1  O1  ( C1  C2 );
TÑÒ3  T3  B1  O1  C3 ).
Значения выходной лингвистической переменной ∆Тст передаются в блок выдачи
управляющих воздействий, где в зависимости от принятого решения формируются
следующие управляющие сигналы, которые передаются на пульт оператора.
Таблица 3 – Признаки изменения температуры стенок резервуара
ΔТо.с.
Т1
Т2
Т3
В
О
С
В2 или В3 О2 или О3 С1 или С2
В1
О1
С1 или С2
В1
О1
С3
ΔТст
Ниже нормы
В норме
Выше нормы
Изменение
температуры
стенки
Понижение
Не изменится
Повышение
Температурное
поле
нестационарное
стационарное
нестационарное
Управляющие сигналы:
– при Tî .ñ.  TÑÒ1 , TÑÒ3– нестационарное температурное поле в резервуаре –
изменение объема нефтепродукта в резервуаре – перерасчет;
– при Tî .ñ.  TÑÒ2 – стационарное температурное поле в резервуаре – нет
изменений.
От состояния температурного поля зависит расчет теплопроводности резервуара с
нефтью.
В резервуарах из-за неравномерного нагрева поверхности стенки наблюдается
неравенство температур в различных точках нефтепродукта, следствием этого служит
самопроизвольный перенос теплоты от участков с более высокой температурой к участкам с
более низкой. Математически температурное поле определяется функциональной
зависимостью [6]:
t  f ( x, y , z , ) ,
где
t – температура данной точки;
x, y, z – координаты данной точки;
τ – время.
Можно выделить два основных состояния температурного поля в резервуаре:
– неустановившееся (нестационарное) – при этом температура меняется во времени,
– установившееся (стационарное) – когда температура не меняется.
Величина теплового потока Q, возникающего в резервуаре вследствие
теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках тела,
определяется по эмпирическому закону Фурье [6].
dQ  
dt
dFd ,
dn
(1)
где Q – количество тепла;
λ – коэффициент теплопроводности;
n – расстояние;
F – поверхность, нормальная к поверхности теплового потока;
τ – время.
Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и в общем случае
зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Так как при
распространении теплоты температура в различных частях тела различна, то в первую
очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Для
большого числа материалов эта зависимость оказывается почти линейной, т. е. можно
принять [6]:
  0 1  b( t  t0 ) ,
(2)
где λ – коэффициент теплопроводности для данного твердого тела при данной температуре;
λ0 – коэффициент теплопроводности для того же тела при температуре t0;
b – температурный коэффициент, определяемый опытным путем.
В расчетах необходимо учитывать, что коэффициент теплопроводности газов с
повышением температуры возрастает, а коэффициент теплопроводности для большинства
жидкостей с повышением температуры убывает. Теплопроводность нефти и нефтепродуктов
в 3-6 раз ниже воды, а теплоемкость в 1,5-2,5 раза. Коэффициент теплопроводности
строительных и теплоизоляционных материалов с повышением температуры возрастает. Как
правило, для материалов с большей плотностью коэффициент теплопроводности имеет более
высокие значения. Он зависит также от структуры материала, его пористости и влажности.
Для влажного материала коэффициент теплопроводности может быть значительно выше,
чем для сухого материала и воды в отдельности. Для большинства металлов с повышением
температуры или при наличии разного рода примесей коэффициент теплопроводности
убывает. Вязкие нефтепродукты должны храниться в резервуарах, имеющих
теплоизоляционное покрытие и оборудованных средствами подогрева, которые
обеспечивают сохранение качества нефтепродуктов и пожарную безопасность.
Необходимо провести расчеты и исследовать степень влияния теплопроводности
резервуара при стационарном режиме, при нестационарном режиме. За расчетную
температуру окружающего воздуха принимают среднюю температуру наиболее холодной
пятидневки.
Проведение предлагаемых расчетов позволит снизить естественные потери
нефтепродуктов в процессе хранения в резервуарах, которые составляют основную долю
потерь на протяжении технологического процесса приема, переработки и хранения
нефтепродуктов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РД 153-39.4-033-98 Нормы естественной убыли нефтепродуктов при приеме,
транспортировании, хранении и отпуске на объектах магистральных нефтепродуктопроводов
http://www.nge.ru/info/norm.htm
2. Блохин В.Г. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов
/ В.Г. Блохин, О.П. Глудкин, А.И. Гуров, М.А. Ханин; Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Радио и
связь, 1997 — 232 с.
3. Система управления резервуарными парками переработки и хранения
нефтепродуктов / Н. Балин, А. Демченко, М. Лавров // Современные технологии
автоматизации – 2001– №2 – с. 24-31.
4. Автоматизированная система управления нефтеперерабатывающим мини-заводом. /
И.Г. Горин, В.В. Столяров, В.М. Левшин, П.П. Семиволос, Ю.П. Кочур // Приборы и системы
управления, контроль, диагностика – 2001 –№ 11 – с. 13-15.
5. Архитектура и основные принципы построения АСУТП установок первичной
переработки нефти. / Б. Е. Сельский, С. В. Егоров, В. П. Мешалкин, С. А. Смотрич. //
Приборы и системы управления – 1996 – №9 – с. 19-23.
6. Михеев М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева – М.: Энергия,
1977 – 344с.
Воронина Оксана Александровна
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орел
к.т.н., доцент кафедры «Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность»
Тел.: +7(4862) 45-57-57, E-mail: [email protected]
Лобанова Валентина Андреевна
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орел,
к.т.н., профессор кафедры «Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность»
Тел.: +7(4862) 45-57-57, E-mail: [email protected]