Сокращение эмиссии летучих органических соединений (далее – ЛОС), образующихся в процессе операции погрузки танкера, – это прежде всего экономия ценного ресурса, а не только дань модной экологической повестке. Среди крупных нефтяных компаний, активно внедряющих системы рекуперации паров, в качестве лидеров отрасли можно выделить ПАО «НК «Роснефть», ПАО «Транснефть», ПАО «Лукойл» и др. Мелкие компании также постепенно начинают внедрять подобные установки, причем не только на морских терминалах, но и на нефтебазах, ж/д эстакадах, автозаправочных станциях.
В отечественной практике установки рекуперации паров нефти и нефтепродуктов (далее – УРП), как правило, являются проблемными. Об этом свидетельствует накопленный опыт крупных нефтяных компаний. Это обусловлено высокими затратами на закупку оборудования (в большинстве случаев иностранного), низкими штрафами за выброс, а также непрозрачностью конкурирующих технологий и сложностями при их коммерческой оценке. Таким образом, эти проекты не обладают инвестиционной привлекательностью. Вместе с тем ведущим экспертам отрасли приходит понимание того факта, что реализация экологических мероприятий может носить не только имиджевый эффект заботы об экологичности производств, но при определенных обстоятельствах позволяет получать прибыль от инвестиционного проекта.
Существует несколько основных способов улавливания паров: адсорбционный, абсорбционный, конденсационный, мембранный.
Остальные способы рассматривать в настоящей статье не имеет смысла в силу того, что на практике они применяются редко или находятся в стадии опытной эксплуатации. В качестве дополнения важно упомянуть, что сжигание на факеле не рассматривается, поскольку этот способ не может быть в полном смысле считаться улавливанием).
Первичный опыт эксплуатации установок рекуперации паров в портах Российской Федерации носит крайне противоречивый характер: при крупных капитальных вложениях и потребности в дорогостоящем ремонте, дооснащении или замене адсорбента, адсорбционные установки, как правило, были неэффективными. Так, например, на начальном этапе опыт эксплуатации УРП производства CarboVac в нефтеналивном порту Козьмино показал следующее [1]:
– УРП не обеспечивает требуемый уровень допустимого выброса паров (не более 10 г/м3);
– с момента пробного пуска УРП при нагрузке ряда танкеров был зафиксирован уровень выбросов 140 г/м3 и выше;
– химический анализ использованного в УРП активированного угля показал, что он поражен продуктами окисления и сажей, в результате чего его адсорбирующие свойства существенно снизились;
– отмечались многочисленные отказы оборудования УРП, средств измерений, сбои систем автоматики.
В то же время было показано, что безаварийная эксплуатация УРП возможна, в т.ч. в суровых условиях побережья Дальнего Востока и, что самое важное, имеет определенный резерв по повышению их эксплуатационной эффективности путем проведения дооснащения и научно-обоснованного управления их работой [2].
Еще в 2001 году в отчете по заказу Еврокомиссии [3] была дана оценка эффективности технологий рекуперации паров (см. рисунок 1). Несмотря на существенное изменение ценовой конъектуры и геополитических аспектов за 20 лет, принципиальных изменений по сей день не произошло.
Из рисунка 1 видно, что данный график больше применим для ж/д эстакад, чем для морских терминалов, поскольку для крупных морских терминалов объемный расход паров может составлять 10000…15000 м3/ч. Однако, очевидно, что мембранная технология совершенно не подходит для таких целей, а стоимость конденсационной возрастает по степенному закону, что ставит рациональность ее применения под сомнение. Последнее утверждение весьма спорно, поскольку в результате наблюдения авторами фактических режимов работы конденсационной установки [4] наблюдалась ее сравнительно высокая эффективность, но при определенных условиях. Подводя итог краткому обзору технологий, можно заключить, что фактически двумя конкурирующими технологиями являются адсорбционная и абсорбционная.
В работе [5] предлагается подход сравнения конкурирующих технологий на основе чистого дисконтированного дохода – ЧДД (примечание: в западной практике NPV – Net present value). Данный подход соответствует действующим в компаниях рекомендациям по оценке экономической эффективности проектов. В соответствии со сложившейся практикой после сбора технико-коммерческих предложений заказчик получает большое количество документов с требуемыми в соответствии с техническим заданием и опросным листом параметрами. Однако, по сути, заказчик не имеет возможности оценить достоверность представленных ТКП, а также не может в полной мере учесть все риски, которые могут возникнуть на этапе эксплуатации. Оценка этих рисков либо сильно затруднена, либо невозможна в принципе. В этой связи авторы полагают, что оценка ТКП исключительно по экономическим параметрам, даже с учетом выявления скрытых факторов и, что маловероятно, корректной оценки рисков, не является универсальным способом выбора систем рекуперации паров. В связи с этим для случая внедрения установки в действующую инфраструктуру терминала рекомендуется предусмотреть этап получения мотивированного отчета по предпроектному обследованию, в т.ч. содержащего научно-обоснованные выводы и рекомендации, выполненному квалифицированными экспертами. Кроме того, рекомендуется в рамках договорных обязательств четко определить критерии и способы проверки параметров работы УРП.
Рассмотрим принципиальную схему вытеснения паров из танкера во время операции погрузки (см. рисунок 2). Образующиеся пары вытесняются через стендер отвода газовой фазы (или рукав) по трубопроводу отвода газовой фазы к установке рекуперации паров.
Примерный объем паров можно оценить через коэффициент превышения (отношение величины фактически вытесненного объема паров по сравнению с общим объемом внутреннего пространства танкера). Данный коэффициент нелинейно меняется в процессе операции погрузки. Несмотря на это, зачастую принято использовать среднеинтегральное значение, которое составляет 1,25 (в т.ч. по оценкам морских терминалов в США и ряда рекомендаций).
Общий объем газовоздушной смеси определяется как
где 
– объемный расход газовой фазы; 
– объемный расход закачки нефти/нефтепродукта (т.н. «рейт»), 
– безразмерное время погрузки (доля от общей продолжительности).
Общий объем вытесненных паров (оценка по верхней границе) составит [6]
где – атмосферное давления; – газовая постоянная, – площадь зеркала нефтепродукта, 
– температура газовой фазы, 
– начальное значение массоотдачи (условное), 
– безразмерный параметр, учитывающий вклад испарения в вытеснение газовоздушной смеси.
На основе уравнений (1) и (2), по данным для танкеров класса Aframax, установлено, что за одну погрузку может испариться вплоть до 22,5 т нефти, что при эффективности работы УРП в 95 % составит 21,4 т. К сожалению, фактическая эффективность работы УРП крайне далека от этих значений и составляет порядка 70…80 %. Виной этому большой перечень эксплуатационных проблем. Приведем основные для адсорбционных УРП, как наиболее распространенных:
- требуется дорогостоящая замена активированного угля (адсорбента), а вопрос его длительной службы или регенерации по-прежнему остается открытым;
- не решен вопрос учета уловленного продукта;
- существующая система контроля содержания ЛОС на выходе, состоящая из газоанализатора не предназначена для измерения пиковых концентраций в процессе погрузки, к тому же алгоритм расчета заказчику, как правило, не предоставляется;
- газодувка настроена только на преодоление сопротивлений внутри обвязки УРП, включая адсорберы, а при протяженных трубопроводах отвода газовой фазы основная часть гидравлических сопротивлений приходится на них;
- система переключения режимов работы адсорберов нуждается в оптимизации при большом числе адсорберов;
- продолжительность работы адсорберов в одном цикле должна быть не жестко заданной, а управляться системой автоматики;
- энергозатраты на вакуумирование являются неоправданно завышенными;
- не решен вопрос о допустимости улавливания применяемыми адсорбентами паров иных наливных грузов (метанол и др.)
- отсутствие систем измерения расхода на каждую фазу.
Основываясь на выявленном перечне проблем, можно заключить, что перспективными вопросами для разработки установок рекуперации паров являются вопросы импортозамещения, создание конкурентноспособных отечественных аналогов с учетом технологических аспектов. В качестве предложения по совершенствованию данных систем выдвигаются следующие положения:
– необходимость создания маломасштабного экспериментального стенда с целью повышения эффективности и независимой оценки конкурирующих технологий;
– разработка системы управления режимами работы УРП (см. рисунок 4).
Представленный вариант системы позволяет оптимизировать процесс управления режимами работы УРП за счет рационального переключения адсорберов (концентрация на входе и выходе измеряется поточным хроматографом) и снижения энергопотребления вакуумных насосов (до 30 %).
Выводы
Развитие и внедрение установок рекуперации паров на нефтеналивных морских терминалах происходит повсеместно, однако эффективность их работы оставляет желать лучшего, что подтверждается опытом их эксплуатации и мнениями ведущих экспертов отрасли. Отечественная промышленность должна сфокусироваться на разработке и совершенствовании коммерчески и технологически эффективных аналогов, при этом соблюдая фундаментальную этапность проведения работ: начиная с научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и заканчивая разработкой актуальной нормативной базы. Определенная часть этой работы уже проделана, но достаточное свободное поле для конкурентных решений сохраняется. При выполнении исследований по улавливанию паров следует опираться на экспериментально подтвержденные результаты, что обуславливает необходимость создания маломасштабного стенда по исследованию адсорбции в условиях, приближенных к реальным. Это также позволит изучить способность наиболее распространенных технологий на других продуктах, перевозимых судами танкерного флота. Внедрение систем управления процессом отвода паров позволит в будущем существенно повысить энергоэффективность установок рекуперации паров.
Литература
1. Коршак А.А. Влияние эксплуатационных факторов на работу адсорбционных установок рекуперации паров нефти / А.А. Коршак, Н.А. Выходцева, М.Т. Гайсин [и др.] // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2019. – Т. 9, № 5. – С. 550–557. – DOI 10.28999/2541-9595-2019-9-5-550-557.
2. Коршак А.А. Методология выбора оптимального режима работы адсорберов при улавливании паров нефти и нефтепродуктов / А.А. Коршак, А.А. Коршак, М.Т. Гайсин // Нефтяное хозяйство. – 2022. – № 8. – С. 140–143. – DOI 10.24887/0028-2448-2022-8-140-143.
3. Measures to Reduce Emissions of VOCs during Loading and Unloading of Ships in the EU / A report produced for the European Commission, Directorate General – Environment Howard J Rudd & Nikolas A Hill, 2001.
4. Пшенин В.В. Опыт эксплуатации установки рекуперации паров конденсационного типа / В.В. Пшенин, Д.О. Нагорнов, В.С. Густов, А.В. Борисов // Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2023. – № 1 (83). – С. 4–9.
5. Коршак А.А. Оценка области применения установок рекуперации паров нефтепродуктов по зарубежным данным / А.А. Коршак, А.А. Коршак, А.В. Захарченко // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2023. – Т. 13, № 3. – С. 252–260.
6. Пшенин В.В. Определение общего объема вытесненной газовоздушной смеси за одну операцию погрузки танкера / В.В. Пшенин, Г.С. Закирова, А.А. Антонов, А.А. Скоробогатов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2022. – № 5 (139). – С. 122–128. – DOI 10.17122/ntj-oil-2022-5-122-128.
