Натрупване на заряди в процеса на запълване на наелектризираща се течност в резервоар

 

Stefan Stefanov1, Ivan Prodanov2

 

1 University of Mining and Geology “St. Ivan Rilski”, 1700 Sofia,

2 University of Mining and Geology “St. Ivan Rilski”, 1700 Sofia, e-mail: enemko@mail.bg

 

ABSTRACT. This study observes the problem with charge accumulation in the process of filling of electrified liquid inside a reservoir, for which Ohm’s law applies.

 

Key words: static electricity, electrification

 

НаТРУПВАНЕ НА ЗАРЯДИ В ПРОЦЕСА НА ЗАПЪЛВАНЕ НА НАЕЛЕКТРИЗИРАЩА СЕ ТЕЧНОСТ В РЕЗЕРВОАР

 

Стефан Стефанов1, Иван Проданов2

1 Минно-геоложки университет “Св. Иван Рилски”, 1700 София,

2 Минно-геоложки университет “Св. Иван Рилски”, 1700 София, E-mail: enemko@mail.bg

 

Резюме. Разглежда се проблемът за натрупване на заряди в процеса на запълване на резервоар с наелектризиращи се течности, за които е справедлива „омическата” теория на електризация.

 

Ключови думи: статично електричество, електризация

 

Въведение

 

   При препомпване на нефтопродукти по тръбопроводи чрез помпи и филтри, в течностите се образуват електрически заряди. Запълването на резервоари се съпровожда от натрупване в обемите им на електрически заряди. В газовото пространство на резервоарите се създава електрическо поле с високо напрежение. Напрежението на електрическото поле често се оказва достатъчно за възникване на електрически разряди.

 

   Опасността от статичното електричество в нефтената промишленост, влиянието му на техническия прогрес в областта на транспорта и съхранението на нефта и нефтопродуктите налага разработка на методи за защита от това явление. В работата проблемите от статичното електричество при нефтобазовите операции се разглеждат в последователност, определена от технологичното производство: образуване и утечка на електрическия заряд в тръбопроводите; изчисляване на електрическото поле в резервоарите; методи за отстраняване опасността от статичното електричество.

 

   За определяне опасността от статичното електричество в резервоарите е необходимо разглеждане енергията на електрическото поле едновременно с изменение концентрацията на парите на нефтопродуктите в паровото пространство на резервоарите в процеса на нагнетяването на наелектризираните нефтопродукти [1].

 

   В доклада се разглежда проблема за натрупване на заряди в процеса на запълване на резервоар с наелектризиращи се течности, за които е справедлива „омическата” теория на електризация.

 

Изложение

 

1. Несекциониран резервоар.

 

   Изходното уравнение на зареждане във времето има вида [2, 3]

 

,   (1)

 

където: е изменението на заряда , , в резервоара за единица време , ; – изменение на заряда в резервоара за единица време, съответстващо на входния ток , , пренесен от потока на постъпващата в резервоара течност; – изменение на заряда за единица време, обусловен от релаксацията на заряда.

 

   За всеки момент от времето е вярно уравнение (1), описващо явлението релаксация. Използвайки това уравнение, можем да запишем

 

,    (2)

където е времеконстантата на релаксация на течността, .

 

   Записвайки с нови обозначения, уравнение (1) добива вида

 

,    (3)

 

   Решението на уравнение (3) е

 

,    (4)

 

където

 

   Плътността на заряда намираме разделяйки уравнение (4) на обема на течността

 

.   (5)

 

   За имаме

 

.    (6)

 

2. Секциониран резервоар.

 

   Разглеждаме характерния случай на разделяне на резервоара с преграда на две секции.

 

   Течността постъпва в първата секция и чрез отвор в преградата се прелива във втората секция. Нивото на течността в двете секции е еднакво.

 

   Изходното уравнение на първата секция има вида

 

,   (7)

 

където е изменението на заряда за единица време в първата секция; – токът на релаксация в първата секция; – токът пренесен от течността, постъпващ във втората секция.

 

   Записваме уравнение (7) с нови означения

 

,  (8)

 

където е общата производителност на запълване на първия резервоар.

 

   Въвеждаме означенията и и получаваме

 

.   (9)

 

   Решението на уравнение (9) има вида

 

.   (10)

 

   Графическата зависимост на е такава, че с нарастване на пропорционално нараства и . След определена стойност на , тази пропорционалност се нарушава и на голямо нарастване на , отговаря малко нарастване на . Графиката става почти успоредна на оста .

 

   Зарядът във втората секция на резервоара се определя по пътя на изменение на заряда в тази секция

 

, (11)

 

където – токът на релаксация във втората секция.

 

   След разделяне на уравнение (11) на получаваме

 

.   (12)

 

   За решението на уравнение (12) относно е необходимо да се разполага с числената зависимост на , определена от уравнение (7).

 

3. Приблизителна формула за определяне на обема на релаксационен съд.

 

   Изменението на количеството на заряда в нефтопродукта, нагнетяван в заземен релаксационен съд, се описва със следното уравнение:

 

,    (13)

 

където е токът, обусловен от движението на заредената диелектрична течност в тръбопровода; (където е абсолютната диелектрична проницаемост на празното пространство: , – относителната диелектрична проницаемост на течността, а е електрическата проводимост на течността, ).

 

   Вземайки под внимание, че в началния момент на нагнетяване на течността заряд в релаксационния съд отсъства, т.е. при също и , получаваме уравнението:

 

,   (14)

 

   Тъй като времето за пребиваване на течността в релаксационния съд , то за установения режим уравнение (13) приема вида:

 

,    (15)

 

   По такъв начин, количеството заряд, което се съдържа в целия обем на препомпвания нефтопродукт, намиращ се в релаксационния съд, приблизително е равен на тока по времето за релаксация на продукта . Тъй като скоростта на потока в такъв съд е малка, то генерирането на заряд в него може да се пренебрегне.

 

   При обем на релаксационния съд средната обемна плътност на заряда в течността се определя с израза:

 

,    (16)

 

   Стойността на тока, предизвикан от потока на течността, преминаващ в съда при скорост на нагнетяване е

 

,   (17)

 

   От израз (17) приблизително можем да определим необходимия обем на релаксатора, осигуряващ утечката на определено количество заряд при непрекъснато нагнетяване на нефтопродукта в резервоара:

 

,   (18)

 

където е количеството на остатъчния заряд в потока на нефтопродукта от първоначалната му стойност, .

 

   Следва да се отбележи, че при извеждане на формула (18) се предполага, че утечката на заряда в релаксационния съд става поради проводимостта на нефтопродукта и не се отчитат конвекционалния и дифузния токове в самия съд, които могат да влияят на утечката в него на заряда. В следствие на това фактическият необходим обем на релаксационния съд може да се различава малко от изчисления. Особено това се отнася до диелектричните течности със специфично обемно съпротивление от порядъка и повече.

 

Заключение

 

   Релаксационният съд е целесъобразно да се използва за отстраняване на опасно натрупване на електростатични заряди при нагнетяване в резервоар на горивни диелектрични течности, имащи специфична обемна електропроводимост от . На първо място той следва да се използва в тези случаи, когато течността с помощта на помпи и филтри, явяващи се източници на усилено генериране на електрически заряди, се зареждат в резервоар с газопарово пространство посредством къс тръбопровод, или тръбопровод, изпълнен от изолационен материал (например поливинилхлорид).

 

Литература

 

[1] Стефанов, С., И. Проданов. Статично електричество – теория и практика. С., Авангард Прима, 2013. (Stefanov, S., I. Prodanov. Statichno elektrichestvo – teoria i praktika. Sofia, Avangard Prima, 2013).

[2] Максимов, Б. К, А. А. Обух. Статическое электричество в промьшлености и защита от него. М., Энергия, 1978.

[3] Попов, Б. Г, В. Н. Верьовкин, В. А. Бондарь. В. И. Горшков. Статическое электричество в  химической промьшлености. Л., Химия, 1971.