АДАПТИРУЮЩАЯСЯ УСТАНОВКА УЛАВЛИВАНИЯ ПАРОВ УГЛЕВОДОРОДОВ И ЛЕГКОКИПЯЩИХ ЖИДКОСТЕЙ ИЗ РЕЗЕРВУАРОВ ПРИ ИХ ХРАНЕНИИ ИЛИ ПЕРЕВАЛКЕ

Полезная модель относится к конструкции установок, предназначенных для хранения нефтепродуктов или легкокипящих жидкостей, используемых в нефтяной, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также других отраслях, связанных с хранением и оборотом легкокипящих, а следовательно легко испаряющихся жидкостей, например при хранении и розничной реализации бензинов на территории городских АЗС или нефтебазах.
Предложенное устройство может быть использовано там, где применяются системы хранения и выдачи нефтепродуктов: автозаправочные станции (АЗС), нефтебазы, нефтеперерабатывающие предприятия, автотранспортные предприятия, на территории которых осуществляется заправка транспорта и т.д.
Задачей является снижение потерь нефтепродуктов за счет улавливания паров углеводородов или легкокипящих жидкостей (ЛКЖ) из паровоздушной смеси (ПВС), выбрасываемой в атмосферу из подземных или наземных резервуаров, содержащих углеводородные жидкости (нефть, бензин, керосин и т.д.) путем конденсации углеводородных паров, что приводит к улучшению экологической и противопожарной обстановки в районе размещения резервуаров (наземных, подземных) с любой формой поперечного сечения с хранящимися в них нефтепродуктами. Последнее особенно важно для городов-мегаполисов, например таких как г.Москва, с большой концентрацией автомобильного транспорта и плотной городской застройкой.
Известно техническое решение, направленное на сокращение потерь легкоиспаряющихся продуктов, согласно которому паровоздушную смесь (ПВС) пропускают через двухступенчатую систему охлаждения. Первая ступень охлаждает ПВС до температуры плюс 0,5-1,5°С, вторая до минус 1-7°С (патент США №3266262, кл. 62-54). Недостатком данного изобретения является то, что указанная температура охлаждения недостаточна для эффективного (более 50%) улавливания углеводородов (см. книгу Константинов Н.Н., Борьба с потерями от испарения нефти и нефтепродуктов, М., "Гостоптехиздат", 1961, с.185). Кроме этого, температура выходящей ПВС отлична от температуры окружающей среды, что приводит к обмерзанию дыхательных клапанов (в теплое время года) и низкой термодинамической эффективности установки (затраты холода на выхолаживание окружающей среды).
Известно техническое решение, предусматривающее хранение нефтепродуктов с утилизацией паров (а.с. СССР №1406074, кл. B65D 90/30, 1988 г.), согласно которому конденсация ПВС производится путем барботажа последней через конденсатор, заполненный охлажденным нефтепродуктом. Предварительное охлаждение ПВС до 0°С обратным потоком холодного воздуха, позволяет как избежать ледяных пробок (при замерзании воды), так и уменьшить энергозатраты на предварительное охлаждение (до 0°С) ПВС. Недостатком данного способа охлаждения ПВС являются его ограниченные возможности, поскольку холода обратного потока выхоложенного воздуха оказывается недостаточно.
Известно техническое решение, также направленное на хранение нефтепродуктов с утилизацией паров (а.с. СССР №1406075, B65D 90/30, 1988 г.), заключающееся в отборе ПВС из газового пространства (ГП) резервуара, пропускании ее в режиме барботажа через слой того же нефтепродукта и возвращении воздуха после барботажа обратно в ГП резервуара. Охлаждение барботируемого нефтепродукта происходит до температуры, ниже температуры соответствующих придонных слоев нефтепродукта и выше температуры, соответствующей нулевому парциальному давлению паров, посредством охлаждения низкотемпературным хладагентом и термостатирования заглублением в грунт.
Однако данное решение обладает ограниченностью его применения для резервуаров с переменным сечением (цилиндрические типа РГС, трапецеидальные), поскольку в указанных типах резервуаров невозможно использование эффективных плавающих защитных покрытий. Последнее обстоятельство является важным, поскольку при обеднении ПВС в ГП, из-за конденсации углеводородов и возврате чистого воздуха в ГП резервуара, происходит донасыщение последнего углеводородами (дополнительное испарение с поверхности жидкости), что приводит к возрастанию внутрирезервуарного давления (обратный выдох). Несмотря на то, что возвращаемый, очищенный воздух имеет температуру более низкую, чем отбираемая смесь, данный эффект имеет место некоторое время, поскольку скорость охлаждения ГП возвращаемым воздухом, а следовательно и верхних слоев нефтепродуктов меньше, чем скорость испарения последних в пространстве ненасыщенными углеводородами. В указанном решении используется плавающее покрытие и поэтому возможно сколь угодно малое обеднение или выхолаживание ГП резервуара без ущерба для сохранности нефтепродукта. При этом скорость нарастания концентрации углеводородов в несколько раз меньше, чем над незащищенной поверхностью.
Также известны другие технические решения в рассматриваемой области, патент США №5476986, 1995 г.; патент США №5490873, 1996 г.; патент США №5185486, 1993 г.; патент Японии №08-048984, 1996 г.; патент РФ №2050170, 1995 г.; патент РФ №2193001, 2002 г.; патент РФ №2367494, 2006 г, патент РФ №2372955, 2008 г.
Однако все известные конструкции установок улавливания и утилизации паров углеводородов из резервуаров нефтепродуктов обладают рядом недостатков, связанных либо с большими затратами и сложностью их эксплуатации, либо с недостаточной эффективностью и ограниченностью использования.
3
Задачей предложенной полезной модели является снижение концентраций выбрасываемых паров углеводородов или ЛКЖ в атмосферу до величины 1…35 г/м, снижение потерь нефтепродуктов при хранении и перевалке, утилизация паров углеводородов или ЛКЖ для резервуаров с любой формой поперечного сечения при отсутствии плавающего покрытия-понтона при обороте нефтепродуктов или ЛКЖ с отличающимися упругостями паров.
Для решения поставленной задачи была разработана конструкция адаптирующейся установки улавливания паров углеводородов и легковоспламеняющихся жидкостей с различными упругостями, из соединенных системой трубопроводов резервуаров для хранения/перевозки нефтепродуктов, содержащая резервуар в виде емкости (1) с нефтепродуктом или легковоспламеняющейся жидкостью, к газоуравнительной линии (2) которого/ых подключены ресивер или газгольдер (3) выход которого по конденсату подсоединен к нижней части резервуара-сборника конденсата (4), а по газу ко входу газодувки (5), датчики предельных значений вакуума (6) и избыточного давления (7), газодувку-нагнетатель (5), подключенную входом к ресиверу (3) и байпасной линией с клапаном (8), а выходом по газу через обратный клапан (9) с испарителем-теплообменником (10), осуществляющим конденсацию паровоздушной смеси (ПВС) с установленными на выходе регулятором давления типа «до себя» (11), холодильную машину(12) для охлаждения и конденсации ПВС в испарителе-теплообменнике (11), соединенным через обратный клапан (13) с линией слива с резервуаром-сборником конденсата (4).
При этом для увеличения степени конденсации углеводородов, увеличения времени полезной работы и уменьшения количества вымерзающей влаги в теплообменниках испаритель-теплообменник (10) выполнен из двух ступеней, первая (10') из которой служит для охлаждения ПВС до температуры +0.5…+1°С, а вторая (10”) - до требуемой низкой температуры, в частности от -60 до -30°С, при этом у первой (10') ступени предусмотрен сепаратор - средство разделения и отвода воды (14), оснащенное гидростатическим затвором.
Для уменьшения потребляемой электрической мощности холодильной машиной (12), предотвращения выбрасывания холодного воздуха в атмосферу и обмерзания предохранительных (дыхательных) клапанов (11), увеличения термодинамической эффективности используется дополнительный теплообменник (15), охлаждаемый обратным потоком, двухпоточнный теплообменник (10') заменяется трехпоточным (16), уменьшающим время работы холодильной машины, причем на выходе двухпоточных теплообменников 10, 10” располагаются сепараторы (24) для осаждения аэрозолей - взвешенных частиц размером 0.3…0.5 мкм и капель размером более 10 мкм.
3
Для понижения температуры охлаждения ПВС, увеличения степени конденсации углеводородов или легковоспламеняющихся веществ и эффективного использования низкотемпературных фреонов, холодильная машина (12) выполняется из двух, первая (12') из которых служит для охлаждения ПВС до температуры +0.5…+1°С, а вторая (12”) - до требуемой низкой температуры, в частности от -30 до -60°С, зависящей от упругостей утилизируемых паров и допустимого уровня эмиссии паров углеводородов или ЛКЖ (1…35 г/м) в атмосферу. Данное решение позволит сэкономить электрическую энергию, для различных марках нефтепродуктах или ЛКЖ, отличающихся упругостями паров, концентрация (допустимый уровень эмиссии) углеводородов или ЛКЖ в выходном тракте контролируется датчиком-газоанализатором проточного типа (17), связанным по линии управления с ШИМ-регулятором (18) напряжения питания компрессора холодильной машины (12”), изменяющего холодопроизводительность посредством изменения частоты вращения коленвала компрессора холодильной машины.
Для непрерывной работы при перевалке больших объемов нефтепродуктов или ЛКЖ в условиях нефтебаз, терминалов налива и т.д. добавляются дополнительные контуры теплообменников-испарителей (10,'” 16”), переключаемых между режимами «работа-оттайка» посредством соленоидных вентилей (19), управляемых по датчику-напоромеру (20) на входе системы. В случае обмерзания одного из трактов, гидравлическое сопротивление цепочки газодувка - дыхательный клапан резко возрастает, датчик-напоромер формирует сигнал переключения соленоидных вентилей (19) и начала оттайки замерзшего тракта.
В качестве периодически включающихся устройств оттайки конденсаторов-испарителей используются теплоизолированные снаружи плоские греющие нагревательные взрывозащищенные силиконовые армированные пластины (21), а трубопроводов слива и емкостей- ленты (22). По мере наполнения резервуара (4), конденсат подается по линии выкачки (23) на прием жидкостного насоса (на схеме не показан) в резервуарный парк (1).
2
3
Для уменьшения массогабаритных показателей в качестве конденсаторов-испарителей (10, 15, 16) используются пластинчато-ребристые теплообменники с компактностью поверхности более 2000 м/м.
Данная установка может быть использована при улавливании паров нефтепродуктов или ЛКЖ как из транспортных цистерн: автомобильные, железнодорожные и водные, так и стационарных: емкости подземного и/или наземного размещения любой формы поперечного сечения используемые на АЗС/АЗК, НПЗ, нефтебазах, базовых хранилищах, терминалах налива.
Сущность предложенной полезной модели иллюстрируется на представленных фиг.1-4:
Фиг.1 - изображение основной блок-схемы установки;
Фиг.2 - изображение блок-схемы установки с раздельным двухступенчатым испарителем-теплообменником 10`, 10`` и гидростатическим затвором отвода воды 14;
Фиг.3 - изображение блок-схемы установки с дополнительным рекуперативным теплообменником с трехпоточным испарителем-теплообменником 15 и с двумя холодильными машинами 12' и 12”, работающих на разных фреонах и температурных уровнях и;
Фиг.4 - изображение блок-схемы установки с дополнительным рекуперативным теплообменником, с трехпоточным испарителем-теплообменником 16 и с двумя холодильными машинами 12' и 12”, работающими на разных температурных уровнях и фреонах с датчиком газоанализатором выходного потока, ШИМ-регулятором 18 холодильной машины 12” управляемым по датчику 17, с дополнительным контуром конденсации 10 и 16 сепараторами 24, датчиком-напоромером 20 и устройствами оттайки 21, 22.
Обозначения на фиг.1-4:
1 - резервуар/ы (емкость) стационарный и/или транспортный;
2 - газоуравнительная система;
3 - ресивер (газгольдер);
4 - резервуар-сборник конденсата;
5 - газодувка-нагнетатель;
6 - датчик предельного значения вакуума;
7 - датчик предельного значения избыточного давления;
8 - байпасная линия с клапаном;
9 - механический обратный клапан;
10 - испаритель-теплообменник;
10' - двухпоточный среднетемпературный испаритель-теплообменник;
10” - двухпоточный испаритель-теплообменник низкотемпературный;
11 - регулятор давления «до себя»;
12 - холодильная машина (ХМ);
13 - обратный клапан (гидростатический затвор);
14 - средство разделения и отвода воды (сепаратор);
15 - дополнительный рекуперативный теплообменник;
16 - трехпоточный теплообменник;
17 - датчик-газоанализатор проточного типа;
18 - ШИМ регулятор напряжения питания компрессора ХМ;
19 - соленоидные вентили;
20 - датчик-напоромер;
21 - взрывозащищенный плоский подогреватель;
22 - греющие силиконовые кабели/ленты;
23 - линия возврата конденсата в резервуар (линия выкачки);
24 - сепаратор конденсата.
На Фиг.1 изображена схема предлагаемой установки. Установка работает следующим образом. В режиме хранения ПВС отбирается газодувкой 5, через ресивер-пароотделитель 3, после чего пары проходят через испаритель-теплообменник 10, охлаждаются, и через регулятор 11 вытесняются в атмосферу. Сконденсировавшиеся в испарителе-теплообменнике 10 углеводороды или ЛКЖ подается обратно в емкость 4 через обратный клапан 13, конструктивно представляющего собой столб конденсата в емкости 4. Движение ПВС по теплообменнику, и подача конденсата в резервуар происходит за счет давления, создаваемого газодувкой 5. Охлаждение ПВС в испарителе-теплообменнике 10, осуществляется циркулирующим фреоном холодильной машины 12.
На Фиг.2-5 изображены схемы предлагаемых модификаций установки. Поскольку, тепло ХМ 12, особенно при "больших дыханиях" тратится на охлаждение ПВС от температуры окружающей среды до отрицательной температуры конденсации нефтепродукта, то целесообразно использовать холод обратного потока для предварительного охлаждения ПВС. Для этой цели служит дополнительный рекуперативный теплообменник 15. В рекуперативном теплообменнике-испарителе осуществляется предварительное охлаждение вытесняемой ПВС до температур +10…+5°С, а также нагрев обратного потока (очищенная ПВС) до температуры близкой к температуре окружающей среды, что приводит к увеличению термодинамической эффективности установки, снижению потребляемой электроэнергии и отсутствию инея, наледи на выходном конце трубопровода выхода очищенных паров. Разделение испарителя-теплообменника 10 на два: 10` (со средством отвода воды 14) и 10`` позволяет избежать ледяных пробок в тракте прохождения ПВС.
Холодильная машина 12 служит для охлаждения-конденсации углеводородов в составе ПВС. Наиболее эффективными и надежными в настоящее время для достижения температур в диапазоне -60…0°С, являются парокомпрессионные холодильные машины, работающие на фреонах: R22, R134, R404, R507 и т.д., имеющих отличные друг от друга температуры кипения при постоянном давлении. С целью повышения надежности, термодинамической эффективности при различных уровнях термостатирования целесообразно использовать ХМ, имеющие отличные холодопроизводительности и соответствующие им фреоны. С этой целью ХМ 12 разбивается на две: 12'-среднетемпературную и 12”-низкотемпературную, управляемую ШИМ-регулятором 18 по сигналу, формируемым датчиком-газоанализатором 17. По сигналу датчика 17 происходит подстраивание (адаптация) установки под допустимый уровень эмиссии, посредством изменения нижней температуры охлаждения теплообменника 10, достигаемой при работе компрессора ХМ 12”. Охлажденная ПВС - аэрозоль со следами капельной влаги дополнительно доощищается от частиц размера 0.5…10 мкм. в сепараторе 24.
Для непрерывной работы при перевалке больших объемов нефтепродуктов или ЛЮК в условиях нефтебаз, терминалов налива и т.д. добавляется дополнительный контур теплообменников-испарителей 10, 16, переключаемый между режимами «работа-оттайка» посредством соленоидных вентилей 19, управляемых по датчику-напоромеру 20 на входе теплообменника 15. В случае обмерзания одного из трактов, гидравлическое сопротивление цепочки газодувка 5 - регулятор давления 11 резко возрастает, датчик-напоромер формирует сигнал переключения соленоидных вентилей 19 и начала оттайки замерзшего тракта и линий слива конденсата.
В качестве устройств оттайки конденсаторов-испарителей используются теплоизолированные плоские греющие нагревательные взрывозащищенные пластины (21), а трубопроводов слива и емкостей-ленты (22).
Следующие конкретные элементы могут использоваться для создания предложенной установки:
3
Резервуары (емкости) для хранения нефтепродукта производства ОАО "Уралтехнострой-Туймазыхиммаш", Республика Башкортостан либо ОАО «Резметкон», г.Батайск на 10, 25, 50, 75, 100 м, или серийно выпускаемые ГУП нефтебаза "Красный Яр", Новосибирская обл., резервуары типа РГС/РГСП, ЕП и т.д. Ресивер-пароотделитель производства ЗАО "Остров", г.Мытищи или эластичные газгольдеры производства ООО НПИК "ЗИРКА", Украина, г.Запорожье или ООО НПФ «Политехника», г.Москва. Вихревые компрессоры-газодувки марки ВВК производства ООО «НПФ «Энга», г.Москва. Холодильная машина производства ЗАО "Остров", г.Мытищи или фирмы "Норд", г.Москва, ЗАО «Фармина», г.Москва; датчики концентраций углеводородов или других веществ производства фирмы ФГУП НПП «Дельта» или Drager, Германия; электромагнитные вентили производства ООО «НПП «Сенсор», г.Зареченский, Пензенская область; тягонапоромеры производства ООО «НПО «Юмас», г.Москва; ШИМ-регуляторы производства ООО «ПО ОВЕН», г.Москва. Теплообменники (рекуперативный или конденсаторы-испарители) производства ООО «НПЦ «Современные теплообменные системы» или ЗАО «Газхолодтехника», г.Москва.
Использование предложенной адаптирующейся установки позволяет не только эффективно снизить концентрацию выбрасываемых углеводородов или ЛКЖ в атмосферу и потерю нефтепродуктов при хранении и выдаче. Но и эффективно утилизировать пары веществ с любой упругостью насыщенных паров в резервуарах с любой формой поперечного сечения с минимальными затратами электроэнергии, обеспечивая требуемый уровень эмиссии а также обеспечивает легкость переналадки имеющихся установок, простоту в обслуживании и ремонте.