Алибиев Д.Б., Кажикенова А.Ш.

Карагандинский государственный университет им. Е.А.Букетова, г.Караганда

 

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ РасчетЫ ДЛЯ ОПТИМАЛЬНЫХ перевозок НЕФТЕПРОДУКТОВ

 

Большинство научных разработок, представленных в данной статье, являются основой для введения в действия мероприятий, направленных на обеспечение безопасной, бесперебойной и устойчивой работы как магистрального, так и промышленного транспорта. Данная статья посвящена решению задач, соответствующих приоритетным направлениям государственной транспортной политики Казахстана, а именно: повышению качества транспортных услуг и снижению отрицательного воздействия транспорта на окружающую среду в сфере перевозок нефтяных грузов.

Качественные показатели работы транспорта наиболее полно отражают экономическую эффективность его работы. Важнейшими факторами, определяющими качество грузовых перевозок на железных дорогах Казахстана наряду с регулярностью перевозок и сроками доставки грузов являются безопасность движения, а также сохранность, то есть снижение потерь и порчи грузов. В этой связи важное значение приобретают исследования по разработке и внедрению дифференцированных норм налива нефти и нефтепродуктов при их отгрузке в регионы  РК. Анализ результатов вышеприведенных расчетов, подтверждаемый экспериментальной проверкой, позволяет сделать вывод, что недолив, имеющий место при заполнении цистерн по указанным нормам, не оказывает негативного влияния на их динамическую устойчивость.

Для анализа были собраны статистические данные по температурам нефтегрузов при наливе и сливе в пунктах погрузки и выгрузки. Анализ данных показал, что они подчиняются законам нормального распределения  [1], в соответствии с которыми с вероятностью Р = 0,99 были определены минимально возможные температуры груза в пунктах налива и максимально возможные – в пунктах слива по месяцам года.  Итоговые результаты представлены на рисунках 1, 2.

Как видно из представленных графиков, разность температур при наливе и сливе нефтепродуктов значительно выше температурного запаса на их тепловое расширение [2]. В результате имеют место путевые потери грузов, значительно превышающие нормы естественной убыли нефтепродуктов [3]. Данные по потерям автомобильного бензина при перевозках с Северных регионов на Южные  регионы приведены в таблице 1.

 

Рисунок 1-  Минимальные температуры бензина при наливе и при сливе по месяцам года

 

Рисунок 2 -  Минимальные температуры сырой нефти при наливе и при сливе по месяцам года

 

 

 

Таблица 1- Среднегодовые данные по несохраненным перевозкам автомобильного бензина со станции  А до станции Б

 

Наименование показателя

Бензин А-76

Бензин АИ-93

Средневзвешенное значение

Количество использованных цистерн N

2240

450

2690

Масса перевезенного груза, т

115920,5

24980,4

140900,9

Недостача по нормам, кг

34473

7331

41804

Недостача фактическая, кг

526066

195666

721732

Средняя загрузка цистерны Рст, т

51,7

55,5

52,4

Недостача по нормам i2, кг/т

 

0,3

 

Недостача фактическая i1, кг/т

4,5

7,8

5,1

 

Анализ условий перевозок бензина со станции А до станции Б за тот же период показывает, что разница между конечной и начальной температурами нефтепродукта при транспортировании оказывает существенное влияние на сохранность груза (рисунок 3).

 

Рисунок 3 -  Влияние  разницы конечной и начальной  температур бензина на потери, приходящиеся в среднем на одну отгружаемую  тонну

 

Собранные и обработанные данные были подтверждены результатами опытных перевозок.

Опытной перевозке подвергались 67 четырехосных вагонов-цистерн, загруженных сырой нефтью и 21 четырехосный вагон-цистерна, загруженные светлыми нефтепродуктами, все вагоны грузоподъемностью 50-68 т.

Испытания проводились в два этапа: в пунктах погрузки и в пунктах выгрузки под руководством межведомственной комиссии в составе представителей железной дороги, грузоотправителя (грузополучателя). В пунктах налива комиссионно проверялась исправность вагонов-цистерн в техническом и коммерческом отношении с заполнением актов. Подготовка цистерн под налив проводилась по технологии, принятой на станции налива. Налив осуществлялся в соответствии с действующими Правилами перевозок грузов.

Замеры высоты налива, температуры, плотности груза проводились в соответствии с ГОСТ 2517-85, ГОСТ 3900-85, таблицами калибровки железнодорожных цистерн.

После окончания налива на нефтяных пунктах производилась проверка качества герметизации сливо-наливного оборудования вагонов-цистерн. Вагоны, загруженные светлыми нефтепродуктами, пломбировались свинцовыми пломбами.

Результаты определения массы груза объемно-масовым статическим методом по ГОСТ 26976-86  были оформлены актами.

В пунктах выгрузки комиссионно проверялась исправность поступивших вагонов-цистерн в коммерческом и техническом отношении с заполнением актов, приведенных в прил. А, определялась масса груза объемно-массовым статическим  методом. В результате опытных перевозок было установлено следующее. Наполнение цистерн производилось в соответствии с действующими нормами налива нефтепродуктов. Вследствие превышения на 17°С конечной температуры груза  при перевозке над начальной в пунктах выгрузки наблюдалось повышение уровня груза на 3 – 8 см. В тех вагонах, где износ уплотнительных прокладок не превышал  25% и на крышке люка-лаза было закрыто не менее 6 болтов из 8, размеры потерь груза колебались в пределах от 28 до 1611 кг. Средняя величина недостачи на вагоне составила 542 кг.

В то же время у цистерн, имеющих неполный комплект закрытых откидных болтов люка-лаза (колпака), либо неисправную уплотнительную прокладку люка-лаза (порезы, некачественный стык, износ) или ее полное или частичное отсутствие, а также перекосы крышки  люка-лаза размеры недостачи составляли от 28 до 2092 кг, а на боковой поверхности котла имелись следы выплескивания перевозимого груза. Средняя величина недостачи в тех вагонах-цистернах, где герметизация не была обеспечена, составила 732 кг.

Как следствие ожидать, причиной потерь груза явилось превышение конечной температуры перевозки над начальной и, как следствие, расширение продукта, его утечка через крышку люка-лаза (колпака) и предохранительный клапан.

При нагревании нефтепродукта происходит увеличение его объема - тепловое расширение, которое необходимо учитывать при наливе вагонов-цистерн. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения β, т.е. тем добавочным объемом, на который происходит расширение нефтепродукта при нагревании на 1°С. Объем нефтепродукта при нагревании

 

                                                                                                   

 

где Vн – объем груза при наливе, м3;  Δt – разность температур, ◦С.

Преобразуем формулу (1) для определения первоначального объема нефтепродукта

 

                                                                                            

 

где Vп – полный объем котла вагона-цистерны, м3.

Коэффициент объемного расширения β, в соответствии с [4], определяется по формуле

 

                                                                                                           

 

где ρ15, ρ50  - плотность груза соответственно при 15°С и 50°С, т/м3.

Следует отметить, что чем меньшую плотность имеет нефтепродукт при 20◦С, тем большим коэффициентом объемного расширения он характеризуется. Наибольшие коэффициенты объемного расширения - у бензина и нефть, как у самых легких из нефтепродуктов.

В соответствии с приведенной методикой определяется степень наполнения цистерны в долях от полного объема котла [3].

Внедрение дифференцированных норм налива позволит существенно сократить путевые потери грузов, а кроме того снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций с такими грузами в процессе перевозки.

Расчет ожидаемого экономического эффекта от сокращения расходов, связанных с возмещением недостач нефтепродуктов, применительно к годовому объему перевозок автомобильного бензина производим по формуле

 

                                                                   

 

где i1 - доля потерь бензина в перевезенном объеме по статистическим данным;

 i2 - доля потерь бензина при перевозках с применением дифференцированных норм налива;

N - средний годовой объем перевозок бензина, ваг.;

Рст - средняя статическая нагрузка вагона-цистерны, т;

Цгр - средневзвешенная цена бензина, расчетных показателей/т.

Для  определения параметров i1, N, Рст  составим таблицу 2, пользуясь данными, представленными в таблице 1.

Таблица 2 -  Расход  некоторых  материалов (реагентов), применяемых при обезвреживаний  проливов  нефтепродуктов (в перерасчете на 1 т  бензина)

 

Наименование  материала

Количество, кг

Возможность регенерации

УДП

300-500

есть

VaPEX

200-800

нет

CaO/MgO

1000

нет

 

Таким образом, в ценах на конец 1999 г. получим

 

тыс. расч. показателей                     

Расчетный показатель (РП) это коэффициент для исчисления платежей в соответствии с законодательством Республики Казахстан, устанавливаемый законом о бюджете на соответствующий год. Любые деньги со временем обесценивается. Если прописывать фиксированные суммы, выраженные в тенге, то через какое-то время в результате инфляции в эти суммы придется вносить изменения. Поэтому вместо указания конкретных сумм используется этот коэффициент. Размер РП рассчитывается при планировании бюджета, исходя из ожидаемого размера инфляции в будущем году.

При перевозке нефтепродуктов необходимо обеспечить предотвращение проливов, так как в результате проливов опасных грузов класса 3 поверхность территории может быть загрязнена различными нефтепродуктами: бензином, керосином, дизельным топливом, нефтью и др. Степень загрязненности зависит от количества пролитого груза, физико-химических свойств вещества, температуры окружающей среды и т.д. и обуславливает затраты на проведение нейтрализованных мероприятий [5].

При проведении мероприятий по базовой цепочке [1] операций величина затрат З будет складываться из стоимости работ по

- изоляции проливов нефтепродуктов Зи;

- обвалованию грунта Зо;

- срезке загрязненного слоя грунта Зс;

- сбору и вывозу святого слоя грунта Зв:

 

.                                                                                                 

 

Стоимость операции определяется:

 

                                                                                                                   

 

где δi – удельная стоимость работ по одной операции, расчетных показателей/кг*ч;

Mi –масса переработанного материала, кг;

ti –время, затраченное на переработку, ч.

Величина затрат на проведение нейтрализации может меняться при изменении базовой цепочки. Дополнительные операции могут заключаться в выжигании нефтепродуктов с поверхности почвы, химической нейтрализации, перепахивании почвы, ее рекультивации.

Небольшие проливы на ограниченной поверхности территории могут быть выжжены или засыпаны инертным материалом с последующим сбором и утилизацией; проливы, занимающие значительную площадь, с точки зрения экологической безопасности целесообразнее нейтрализовать химическим способом. В настоящее время существует ряд материалов различной химической природы, позволяющих обезвредить проливы опасных грузов: модицированные ультрадисперсные порошки металлов (железа, алюминия), полимерный адсорбент VaPEX, кальциевая известь, препараты “Нутидойл”, “Олеоворин” и т.д.

Нейтрализаторы равномерно распределяются по загрязненной поверхности  и виде порошков, которые вступают с нефтепродуктом и химическую реакцию или адсорбируют его. Расход нейтрализатора (см. таблицу 3) при обезвреживании территории зависит его свойств и вида обрабатываемого нефтепродукта [5].

Таблица 3 - Результаты оценки затрат при проведении мероприятий по нейтрализации проливов нефтепродуктов в летнее время  (в пересчете на 1 т бензина),  тыс. р.п.

 

Наименование затрат

С использованием ручного

труда

С применением реагентов

(адсорбентов)

С использованием средств

механизации

Изоляция проливов

15

15

25

Обвалование

30

30

45

Срезка грунта

60

-

60

Сбор и вывоз срезанного грунта

30

-

40

Засыпка свежим грунтом

40

-

60

Химическая нейтрализация проливов (реагенты, оборудование, средства индивидуальной защиты)

 

-

 

150

 

-

 

Всего

Вариант I

175

Вариант II

195

Вариант III

230

 

В этом случае затраты зависят от количества нейтрализующего вещества и его стоимости, которая может колебаться в пределах от 10 до 150 расчетных показателей за килограмм:

 

                                                                                                   

где δхим - удельная стоимость работ: включающая стоимость нейтрализатора, расчетных показателей/кг;

m - масса нейтрализатора, кг.

При технико-экономической и экологической оценке эффективности технологий с применением реагентов (адсорбентов) необходимо учитывать возможность их регенерации, которая существенно понижает стоимость обработки.

Базовый показатель стоимости проводимых работ устанавливается для ручного труда, однако все операции по нейтрализации могут осуществляться с применением различных машин и механизмов: бульдозеров, скреперов, автогрейдеров, пескоразбрасывателей, насосного оборудования.

Стоимость работ при использовании техники

 

                                                                                                

где δi – удельная стоимость работ на одной операции с применением техники, расчетных показателей/кг*ч;

Mi – масса обработанного грунта, кг;

ti – время, затраченное на обработку, ч.

Удельная стоимость работ в этом случае зависит от ряда факторов: капитальные вложения К, нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений Е, затраты на обслуживание технических средств Цтех.

 

                                                                                                       

 

Результаты оценки затрат при проведении нейтрализации груза, не обладающего высокой активностью, приведены в таблице 3. При этом не учитывались расходы на определение степени чистоты территории после обработки.

Корректный сравнительный расчет вариантов нейтрализации может быть проведен и на основе согласованных технологических карт работ в различных условиях при наличии стоимостных нормативов всех видов работ, услуг и материалов [8].

Величину ожидаемого экономического эффекта от предотвращения проливов применительно к годовому объему перевозок бензина определяем по данным таблиц 2 и 3.

 

                                                                                  (1)

 

где Пф - потери груза фактические, т;

Пн - потери груза в соответствии с нормами естественной убыли, т,

λ - доля проливов нефтепродуктов в общем объеме потерь;

Зi – величина затрат на нейтрализацию проливов по соответствующему варианту, расчетных показателей.

Пользуясь формулой (1), получаем:

 - по варианту I

 

 тыс. расч. показателей             

 

- по варианту II

 

 тыс. расч. показателей                              

-по варианту III

 

   тыс. расч. показателей                               

Итоговая величина ожидаемого экономического эффекта от внедрения дифференцированных норм налива складывается из сокращения расходов, связанных с возмещением недостач нефтепродуктов, и экономии средств, необходимых для нейтрализации проливов данных грузов:

 

                                                                                                (2)

 

Пользуясь формулой (2) по  каждому из вариантов проведения мероприятий по нейтрализации проливов получим:

- при выполнении аварийных работ вручную

 

 тыс. расч. показателей                                   

- при проведении нейтрализации с применением химических соединений (реагентов и адсорбентов)

 

 тыс. расч. показателей                                 

 

- при производстве работ с использованием средств механизации

 

 тыс. расч. показателей.                                           

Список литературы

 

1.        Федотов Н.И., Быкадоров А.В.  Применение теории вероятностей в транспортных расчетах. – Новосибирск: НИИЖТ, 1969. - 188с.

2.        Дифференцированные нормы налива светлых нефтепродуктов при отгрузке в районы Средней Азии и Южного Казахстана: Указание МПС № ЦМКУ 18/52 от 11.09.89; дополнения № ЦМКУ 18/12 от 27.06.91 и № ЦМКУ 12/47 от 10.03.92

3.        Христолюбов А.В., Макаров А.П., Черняков С.В. Совершенствование технологии перевозок наливных грузов, отгружаемых на Красноярской железной дороге.// Совершенствование работы Красноярской железной дороги. Материалы науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию Красноярской железной дороги. Красноярск - Новосибирск, 1999. -  С. 71-77.

4.        Современные конструкции верхнего строения железнодорожного пути. Под ред. В.Г.Альбрехта и А.Ф.Золотарского М.: Транспорт, 1975. - 280 с.

5.        Христолюбов А.В., Гурский Б.И.,  Черняков С.В. Разработка специальных условий перевозок легковоспламеняющихся жидкостей.// Новые технологии на Восточно-Сибирской железной дороге. Сб. науч. трудов (СГУПС). - Новосибирск, 1999. - С. 152-158.

6.        ГОСТ 8.207-76. ГСИ. "Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения".