Статическое электричество при перекачке нефти по трубопроводам

Физика образования и накопления заряда

При соприкосновении двух тел, отличающихся фазовым состоянием, образуется двойной электрический слой.

Различают три причины образования двойного электрического слоя:
1) преимущественное перемещение носителей зарядов из одного тела в другое — диффузия;
2) на границе раздела имеют место абсорбционные процессы, когда заряды одной из фаз преимущественно оседают на поверхности другой фазы;
3) имеет место поляризация молекул хотя бы одной из фаз. Это приводит к поляризации молекул другой фазы. Причем поляризация во второй фазе может быть размытой (диффузной).

Двойной электрический слой зависит от удельного сопротивления вещества. Чем больше сопротивление вещества, тем более размытым в глубину является второй электрический слой.

Если рассматривать перекачку нефти, то размытый второй электрический слой может уноситься перемещением нефти и накапливаться в бункере. Чем больше скорость перемещения нефти, тем больше электризация нефти.

Величина зарядов статического электричества существенно зависит от условий, в которых происходит электризация и, в частности, от того, что поверхности соприкасающихся тел могут быть «загрязнены» другими веществами. Поэтому основой количественного анализа является эксперимент или, в лучшем случае, расчетно-экспериментальные исследования.

Технологический процесс транспортировки нефти

Статическая зарядка топлив стала резко проявляться примерно с 60-х — 70-х годов, когда начало применяться чистое топливо для улучшения экономичности работы и ресурса двигателей. На рис.1 показана технологическая цепочка транспортировки нефти.

Нарастание плотности заряда в нефти при прохождении по тракту
Рис.1. Нарастание плотности заряда в нефти при прохождении по тракту

Нарастание плотности заряда в нефти происходит в технологических устройствах, где осуществляется контакт нефти с материалами, приводящим к ее зарядке, и где увеличивается скорость течения нефти. Спад заряда наблюдается при движении нефти по заземленным трубопроводам.

При движении нефти по технологическому тракту вплоть до приемного резервуара опасности от накопления заряда статического электричества практически нет, так как воздушных промежутков в аппаратах здесь нет и нет возможности возникновения электрического пробоя в газе. Иная ситуация существует в приемном резервуаре, где обязательно наличие газового пространства над поверхностью нефти.

Заряд, накапливаемый в приемном резервуаре, можно определить из условия его увеличения за счет втекания в резервуар заряженной нефти с учетом релаксации (стекания) заряда на заземленные конструкции резервуара:

dQ/dt |общ = dQ/dt |вх + dQ/dt |релакс

Здесь релаксация заряда происходит по экспоненциальной зависимости:
Q(t) = Q0e-t/τ
где τ = εε0v — постоянная времени релаксации, а ε и γ — соответственно относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость нефти.

Отсюда:

dQ/dt |релакс = — Q0/τ ⋅ e-t/τ = -Q/τ

Перепишем исходное уравнение, учитывая, что dQ/dt |вх = Iвх, где Iвх — ток зарядов статического электричества на входе в резервуар.

dQ/dt |общ = Iвх — Q/τ

Решением дифференциального уравнения является:

Q = Iвхτ(1 — e-t/τ)

На рис. 2 приведены зависимости изменения плотности и суммарного объемного заряда нефти в приемном резервуаре.

Зависимость суммарного объемного заряда нефти в приемном резервуаре от времени наполнения
Рис.2. Зависимость суммарного объемного заряда нефти в приемном резервуаре от времени наполнения

Из зависимостей видно, что скорость роста заряда экспоненциально падает, а суммарный объемный заряд, увеличиваясь, экспоненциально стремится к предельному значению, определяемому произведением Iвхτ.

Поэтому для уменьшения заряда, накапливаемого в приемном резервуаре, есть два пути. Первый заключается в снижении постоянной времени релаксации путем добавления в нефть специальных присадок, увеличивающих ее проводимость. Данное направление выбрала голландская фирма «Shell». Недостатком метода является непрерывный контроль за количеством присадки в нефти и точная его дозировка, так как при очистке нефти фильтрами одновременно происходит удаление присадки.

Второй путь заключается в непосредственном уменьшении заряда, находящегося в приемном резервуаре. С этой целью используют специальные устройства, называемые нейтрализаторами статического электричества. Схема нейтрализатора статического электричества приведена на рис. 3.

Нейтрализатор статического электричества
Рис.3. Нейтрализатор статического электричества

Вокруг электродов, имеющих форму игл, в результате процессов ионизации образуются области с повышенным содержанием ионов, имеющих заряд противоположного знака избыточному заряду нефти (в нашем случае положительных ионов). В результате рекомбинации отрицательных и положительных ионов избыточный заряд нефти уменьшается.

Для решения задачи по предотвращению возгорания паров нефти из-за разрядов статического электричества необходимо определить величину и распределение зарядов в приемном резервуаре в зависимости от параметров системы транспортировки, рассчитать распределение поля и определить возможность возникновения разрядов и воспламенения паров в зависимости от минимальной энергии, необходимой для воспламенения. Если вероятность воспламенения велика, то должны использоваться нейтрализаторы или вводиться ограничения на режимы перекачки (например, ограничения скорости перекачки). Опасность возникновения разрядов статического электричества зависит от размера и формы используемых резервуаров (рис.4).

Виды резервуаров
Рис.4. Виды резервуаров
а) прямоугольный; б) горизонтальный цилиндрический; в) вертикальный
цилиндрический; г) вертикальный цилиндрический с ценральной стойкой

Воспламенение паров нефти

Заряд нефти, поступающей в резервуар, распределен по объему неравномерно. Это связано с релаксацией заряда на заземленные стенки конструкции. Поэтому, чем дальше рассматриваемый объем нефти от стенки резервуара, тем больше заряд в объеме. Кроме того, на поверхности нефти заряд релаксирует медленнее (особенно при приближении уровня к верхней стенке резервуара) в связи с влиянием большой величины емкости между поверхностью нефти и верхней стенкой.

Это означает, что на поверхности нефти в наиболее удаленной точке от стенок резервуара накапливается большой заряд, который создает электрическое поле между этой точкой поверхности нефти и заземленными стенками резервуара. По мере накопления заряда растет напряженность электрического поля вплоть до значения равного величине, при которой начинается разряд. В развивающемся разряде выделяется энергия, накопленная в нефти. Для того, чтобы пары нефти воспламенились, необходима определенная энергия равная минимальной энергии воспламенения. Для разных веществ она различается:

Минимальная энергия воспламенения паро-воздушных
и кислородных (в скобках) смесей (мДж)


Ацетилен 0,011 (0,0002)
Метан 0,29 (0,0027)
Ацетон 0,25
Пентан 0,18
Бензин Б-70 0,15-0,394
Толуол 0,60
Бензин «Калоша» 0,234-0,309
Пропан 0,25 (0,0021)
Водород 0,013
Топливо Т-1 0,202
Гексан 0,23
Сероуглерод 0,077
Гептан 0,24
Этан 0,24
Керосин 0,48
Этилен 0,1
Этиловый спирт 0,14


Энергия, выделяющаяся при прибое газового промежутка, определяется по формуле:

W = ∫Uidt

где соответственно U — напряжение на промежутке и i — ток, протекающий через промежуток.

Микроразряды статического электричества не приводят к сколь-нибудь заметному изменению напряжения из-за очень малой длительности самих разрядов и их малой энергии. Тогда приближенно можно считать, что U ≈ const. Следовательно

W = U∫idt = Uq

т.е. энергия пропорциональна величине заряда, протекающего через канал.

На рис. 5 показаны зависимости величины зарядов, приводящих к воспламенению паров нефтепродуктов, от диаметра заземленного шара при положительном и отрицательном зарядах статического электричества.

Воспламеняющие способности разрядов в зависимости от диаметра заземленного шара
Рис.5. Воспламеняющие способности разрядов в зависимости
от диаметра заземленного шара

Воспламеняющую способность разрядов статического электричества обычно определяют, помещая заземленный сферический электрод вблизи поверхности жидкости. Видно, что воспламеняющая способность разрядов резко снижается, если диаметр сферы становится меньше 20 мм. Наименьшее значение воспламеняющего заряда соответствует электроду диаметром 20-30 мм. При отрицательной полярности заряда нефти и нефтепродукта энергия воспламенения ниже, чем при положительной. В табл. 1 представлены параметры групп топлив по воспламеняемости.
Таблица 1. Группы топлив по уровню воспламеняемости

Группы топлива Температура вспышки Вероятность образования горючей смеси Допустимая вероятность воспламенения Топливо «+» Топливо «-«
q, мкКл Uдоп, кВ q, мкКл Uдоп, кВ
I >50 0 1 не огр. не огр. не огр. не огр.
II 35-50 2,1⋅10-3 4,7⋅10-5 < 0,31 <84 <0,07 <31
III 20-35 1,2⋅10-1 8,3⋅10-7 <0,20 <60 <0,046 <27
IV 18-20 0,95 10-7 <0,16 <54 <0,04 <25

Зависимость допустимой скорости перекачивания нефтепродуктов от накапливаемого удельного заряда и проводимости нефтепродуктов
Рис.6.Зависимость допустимой скорости перекачивания нефтепродуктов от накапливаемого удельного заряда и проводимости нефтепродуктов

Исследования показали, что процесс заполнения резервуара является безопасным, если потенциал на поверхности жидкости не больше 25 кВ для «-» заряженного топлива и не больше 54 кВ — для «+» заряженного топлива.

Исходя из режимов работы перекачивающих нефтепродукты систем и условий их безопасной работы, определяется допустимая производительность при накоплении определенного заряда в нефтепродуктах (рис. 6).


Оставить комментарий





Статистика

Рейтинг@Mail.ru