Сохранение технологических свойств битума при хранении связано с выбором температурного режима. Температура должна обеспечивать выполнение необходимых операций с продуктом и одновременно ограничивать его избыточный нагрев. Вязкость битума зависит от температуры, а его свойства могут изменяться при окислении и старении [1]. Поэтому совершенствование резервуарного оборудования предполагает не только установку нагревателей, но и согласование измерения температуры с управлением теплоподводом.

В качестве объекта для разработки предложения выбран резервуар для хранения битума Сальского битумного терминала в Ростовской области. Для такого объекта устойчивость температурного режима важна как в период накопления запасов, так и при подготовке битума к выдаче.

Цель исследования — разработать принципиальную схему трехзонного контроля температуры и управления подогревом резервуара применительно к условиям Сальского терминала. В работе использованы функциональный анализ системы хранения и качественное сопоставление вариантов регулирования. Результатом является проектное техническое предложение. Натурные измерения температурного поля, теплотехнический расчёт и экспериментальная проверка энергопотребления на данном этапе не выполнялись.

Для сравнения принята схема вертикального стального резервуара с теплоизоляцией и общим управлением подогревом. Нагревательные регистры в этом варианте расположены преимущественно в нижней части ёмкости. Чтобы адаптировать предлагаемую модернизацию к конкретному резервуару, потребуются сведения о его размерах, размещении теплообменных поверхностей и рабочих уровнях битума. Также необходимо уточнить параметры действующей термомасляной системы. Эти исходные данные необходимы для теплового расчёта подогрева при хранении и отпуске высоковязких нефтепродуктов [2, с. 424–427].

Один датчик позволяет судить о температуре битума только вблизи точки измерения. В удалённых от него участках температура может отличаться, поэтому общей команды на подогрев не всегда достаточно для поддержания нужного режима во всех зонах. Распределение температуры зависит от уровня заполнения резервуара, состояния теплоизоляции, циркуляции битума и работы нагревателей. Измерения на нескольких уровнях позволят учитывать различия, которые остаются незаметными при контроле в одной точке.

В предлагаемой схеме каждому уровню температурного контроля соответствует свой контур подогрева. Для этого по высоте резервуара выделяются три зоны: нижняя, средняя и верхняя. В каждой из них устанавливаются датчик температуры и нагревательный контур, работающий на термомасле. Такое разделение не требует внутренних перегородок: битум остаётся в общем объёме, а теплота передаётся между соседними слоями. Поэтому при раздельном управлении контурами необходимо учитывать их взаимное тепловое влияние.

Температуру в нижней зоне измеряет датчик T1, в средней — T2, в верхней — T3. Места установки выбирают так, чтобы на показания не оказывала определяющего влияния температура стенки или поверхности нагревателя. Датчики должны характеризовать состояние самого битума. Высоту их размещения и глубину погружения уточняют при проектировании, исходя из размеров ёмкости и рабочих уровней продукта. При выборе датчиков необходимо учитывать диапазон измерений, погрешность и динамические характеристики [3]. Расположение элементов предлагаемой системы показано на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема трехзонного контроля температуры и подогрева резервуара

На схеме обозначены: T1–T3 — датчики температуры; К1–К3 — контуры подогрева; V1–V3 — регулирующие клапаны; ПЛК — программируемый логический контроллер. Схема разработана авторами. Размеры элементов и монтажные соединения на рисунке не приведены.

По показаниям трёх датчиков можно сравнивать температуру битума на разных уровнях. Однако этих данных недостаточно для описания температурного поля во всём объёме ёмкости. Если при обследовании обнаружатся значительные различия температуры по радиусу или окружности резервуара, понадобятся дополнительные точки измерения. Окончательно оценить достаточность трёх датчиков можно при обследовании и наладке системы.

Подогрев битума у днища обеспечивает контур К1, в средней части резервуара — К2, в верхней — К3. Последний может работать только при заполнении соответствующей зоны продуктом. Все три контура подключаются параллельно к одной термомасляной установке через подающий и обратный коллекторы. На каждой ветви устанавливается свой регулирующий клапан — V1, V2 или V3. Благодаря этому подачу теплоносителя можно изменять отдельно для каждой зоны, ориентируясь на показания установленного в ней датчика.

Для управления подогревом предлагается двухпозиционный алгоритм с гистерезисом. Контроллер открывает подачу теплоносителя, когда температура опускается ниже нижнего установленного порога, и прекращает её при достижении верхнего. Пока температура находится между этими значениями, ранее выданная команда сохраняется. Такой порядок работы позволяет избежать частых переключений клапана при небольших колебаниях показаний [4, с. 315–316]. Пороговые значения задаются с учётом свойств конкретного битума и требований технологического регламента.

Например, если температура в заполненной верхней зоне опустилась ниже порога включения, а в нижней и средней остаётся в допустимых пределах, достаточно открыть клапан V3. При одновременной потребности в подогреве нескольких зон допускается совместная работа соответствующих контуров. Приоритеты их включения определяются располагаемой мощностью установки. Из-за тепловой инерции прекращение подачи теплоносителя не означает немедленного прекращения передачи теплоты, поэтому пороги и длительность переключений необходимо уточнять при наладке.

Принципиальное условие работы верхнего и среднего контуров — учёт уровня продукта. В предлагаемом решении работа контура допускается только при полном покрытии его нагревательных поверхностей битумом. В предлагаемой схеме сигнал измерения уровня используется для разрешения работы соответствующей зоны. При недостаточном заполнении подогрев оголённого контура блокируется, а показание датчика, оказавшегося над продуктом, не используется для регулирования температуры битума.

Для измерительных каналов предусматриваются диагностика недостоверного сигнала и сообщение оператору. При отказе датчика соответствующая зона переводится в предусмотренное проектом безопасное состояние. Защита от превышения предельной температуры прорабатывается отдельно от обычного алгоритма поддержания режима.

Раздельное управление клапанами требует согласования с гидравлическим режимом установки. При закрытии части ветвей меняется распределение расхода теплоносителя. Необходимо проверить характеристику насоса, минимальный допустимый расход через нагреватель, потери давления и балансировку контуров. Если для поддержания допустимого гидравлического режима потребуется дополнительная циркуляция теплоносителя, в схему включают байпас либо применяют другое решение, согласованное с изготовителем оборудования.

Предлагаемая модернизация позволит получать данные о температуре на трёх уровнях и по этим данным управлять подачей теплоты в каждую зону. Если подогрев нужен только в одной части резервуара, остальные контуры могут оставаться отключёнными. За счёт этого появляется возможность ограничить дополнительный нагрев уже прогретого битума.

Возможное снижение энергозатрат требует отдельной оценки. Само разделение системы на три контура не уменьшает теплопотери через ограждающие конструкции при неизменных температурах продукта и наружного воздуха, состоянии теплоизоляции и остальных условиях теплообмена [5, с. 30–31]. Экономия может быть получена за счёт сокращения перегрева и более точного поддержания заданной температуры. Насколько она будет существенной, зависит от настроек управления, условий хранения и режима термомасляной установки. Без расчётов и эксплуатационных измерений определить величину экономии и срок окупаемости модернизации нельзя.

В таблице 1 сопоставлены возможности и ограничения исходной и предлагаемой схем. Приведённое сравнение относится к проектным решениям; результаты их промышленного применения на данном этапе не оценивались.

Таблица 1

Сопоставление исходной и предлагаемой схем подогрева

Проверить эффективность предлагаемой схемы можно при сравнительных испытаниях на одном резервуаре или на нескольких резервуарах с близкими характеристиками. Во время испытаний необходимо записывать температуру битума на разных уровнях, степень заполнения ёмкости и температуру наружного воздуха. Одновременно следует учитывать параметры теплоносителя, продолжительность открытия клапанов и расход энергии. Для сравнения нужно выбирать периоды с близкими условиями: одинаковой маркой битума, сопоставимыми массой продукта, начальной температурой и длительностью хранения. Существенные различия в объёмах приёма и отгрузки также могут повлиять на результат. Без учёта этих факторов будет трудно установить, связано ли изменение энергопотребления именно с новым способом управления.

При оценке результатов следует сопоставить наибольшую и наименьшую температуры в точках контроля, а также определить, как долго показания выходили за допустимые пределы. Дополнительно можно сравнить время подготовки битума к выдаче и удельные затраты энергии за сопоставимые периоды хранения. Измерения у стенки и вблизи нагревателей помогут установить, насколько полно три основных датчика отражают температурные различия внутри резервуара. Чтобы оценить сохранение качества битума, потребуется отбор проб и проверка их свойств.

Подготовку к внедрению на Сальском терминале следует начать с обследования выбранного резервуара. Полученные сведения станут основой для теплотехнического и гидравлического расчётов и подбора оборудования. При размещении дополнительных регистров, опор и вводов необходимо проверить прочность и герметичность конструкции, а также обеспечить доступ к новым элементам для обслуживания и ремонта. Проект должен учитывать существующие системы циркуляции, контроля уровня и технологических защит.

Таким образом, предложена принципиальная схема модернизации резервуара для хранения битума, объединяющая три уровня измерения температуры и три отдельно управляемых контура термомасляного подогрева. Её применение позволяет организовать регулирование по состоянию нижней, средней и верхней зон при соблюдении условий заполнения и допустимых режимов оборудования. Для Сальского битумного терминала решение может рассматриваться как направление дальнейшего проектирования. Подтверждение температурной равномерности, энергетической эффективности и экономической целесообразности требует расчётной и экспериментальной проверки.

Литература:

1. Гун Р. Б. Нефтяные битумы. — М.: Химия, 1973. — 432 с.
2. Тугунов П. И., Новосёлов В. Ф., Коршак А. А., Шаммазов А. М. Типовые расчёты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов: учебное пособие. — 2-е изд., перераб. — Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2002. — 658 с.
3. Шишмарёв В. Ю. Технические измерения и приборы: учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Юрайт, 2022. — 377 с.
4. Шишмарев В. Ю. Основы автоматического управления: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. — М.: Академия, 2008. — 352 с.
5. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача: учебник. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1975. — 488 с.