Расчет параметров нефтепродукта при транспортировке его в цистернах

Рисунок 5 – Погружной совмещенный насос-пароподогреватель ПГМП-4

Данный насос-пароподогреватель  включает в себя два трубчатых  подогревателя (1) со встроенными в  них шнековыми насосами (4). В качестве теплоносителя используется пар, подаваемый по трубе (7). Вращение шнеков осуществляется посредством электродвигателя (8) через  вал (6) и редуктор (3). Устройство в  сложенном состоянии погружается  в продукт через люк цистерны. Здесь под действием силы тяжести  трубчатые подогреватели, благодаря  шарниру (2), занимают горизонтальное положение. Поворот подогревателей в нерабочее  положение перед уборкой из цистерны осуществляется системой тросов. После  подачи пара в подогреватель, запускают  шнековые насосы, которые, забирая жидкость из внутренней полости теплообменников, подают ее в направлении к сливному прибору и к торцам цистерны, освобождая место для холодной жидкости, чем  обеспечивается интенсивная циркуляция (конвекция), увеличивающая теплообмен в 2..3 раза. Время, необходимое на подогрев уменьшается, соответственно ускоряется процесс слива.

 

3.3 Электроподогреватели

 

  Электроподогреватели представляют собой погружные электрогрелки в виде нагревателей сопротивления, смонтированных на изоляторах. Применяются несколько типов грелок, в том числе круглая и двойная раскладная (секционная).

Двойной раскладной электроподогреватель состоит из двух шарнирно-соединенных секций (рис. 5), которые раскрываются по мере разогрева  нефтепродукта, увеличивая тем самым  зону разогрева.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 – Общий вид двойного раскладного (секционного)  электроподогревателя 

Электрические подогреватели состоят из каркаса  из стальных прутьев, на которые надеты фарфоровые цилиндры со специальной  винтовой нарезкой. В пазы нарезки  уложен металлический проводник, обладающий высоким удельным омическим сопротивлением. Прутья с фарфоровыми цилиндрами укреплены в торцевых панелях, к  которым выведены концы нагревательных обмоток. [4]

Мощность  нагревательных элементов составляет 50-70 кВт. Обычно их применяют для  подогрева вязких нефтепродуктов (масел), имеющих высокую температуру  вспышки и коксуемость.

Для безопасного  обслуживания аппаратуру и оборудование (распределительные щиты, котел цистерны, железнодорожные пути) надежно заземляют. Тупик, на котором производится подогрев, разъединяют об общих путей изолированными стыками. Электроэнергия включается только после полного погружения электроподогревателя в жидкость. Слив производят после  окончания подогрева, выключения электроэнергии и удаления грелки из цистерны, так  как при включенном электроподогревателе может воспламениться нефтепродукт. Также недостатком электрогрелок  является значительная продолжительность  подогрева нефтепродукта в цистерне вследствие отсутствия перемешивающих устройств.

 

3.4 Специальные методы подогрева

 

Ряд методов  подогрева нефтепродуктов относят  к специальным, например электроиндукционный  метод, подогрев виброподогревателями, терморадиационный (инфракрасный) и  др. Эти методы подогрева применяют  на отдельных установках, они являются опытными, требующими усовершенствования и накопления опыта эксплуатации для их промышленного применения. [2]

Электроиндукционный нагрев. Сущность этого метода подогрева  заключается в том, что вокруг цистерны при помощи обмотки, по которой  пускают переменный ток, создают переменное электромагнитное поле. При этом происходит превращение электрической энергии в тепловую. Тепло от стенок цистерны передается нагреваемому нефтепродукту. [5]

Подогрев  виброподогревателями основан на том, что для увеличения интенсивности  теплоотдачи от переносных подогревателей им придается постоянное, на время  подогрева, вибрирующее колебание  в нагреваемой среде. Исследования опытных виброподогревателей показали, что при одной и той же поверхности  нагрева обогреваемой среды за счет возникающей вынужденной конвекции  ускоряется процесс слива по сравнению  с неподвижными подогревателями. В  качестве вибраторов применяют электрические, паровые или пневматические приводы, присоединяемые к подогревателям. Существенный недостаток опытных виброподогревателей  – неполный прогрев нефтепродукта  в торцах цистерн.

Терморадиационный (инфракрасный) подогрев основан на том, что подогрев осуществляется посредством  инфракрасных излучателей, направляющих поток инфракрасных лучей на поверхность  железнодорожной цистерны. Металлическая поверхность цистерны, нагреваясь, передает тепло прилегающему к ней пограничному слою нефтепродукта, благодаря чему ускоряется процесс слива, так как при этом не требуется разогревать всю массу нефтепродукта. Инфракрасные подогреватели можно навешивать или накладывать на поверхность цистерны. Излучатели могут быть электрическими (ламповые, трубчатые) или с применением газов.

 

3.5 Оценка эффективности подогревателей

 

Экономическая эффективность любого подогрева  в значительной степени зависит  от типа подогревающих устройств  и принципа их действия, который  можно разделить на три большие  группы, в зависимости от того, какой  из способов конвективного теплообмена  является преобладающим: 1) подогрев при  естественной конвекции; 2) подогрев при  вынужденной конвекции; 3) подогрев при использовании одновременно естественной и вынужденной конвекции.

Основные  недостатки первого способа в  большой неравномерности прогрева и продолжительности самого процесса. Однако простота и дешевизна являются причиной достаточно большого распространения  этого способа.

Способ с  вынужденной конвекцией (механическое перемешивание) применяют реже вследствие повышенного расхода энергии  при отсутствии правильно организованных потоков жидкости.

Наиболее  эффективным является последний  способ, примером которого может служить  циркуляционный подогрев при сливе  из железнодорожных цистерн. Высокой  эффективностью также отличается подогрев вязких жидкостей в цистернах  с паровой рубашкой за счет особенностей этого типа подогревателей подплавлять  сливаемый нефтепродукт. [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Зарубежный опыт подогрева  нефтепродуктов в транспортных  емкостях

 

4.1 История подогрева нефтепродуктов  за рубежом

 

За рубежом  с 60-х годов XX века стали применяться паровые подогреватели.  Цистерны оснащались стационарным теплообменником, который подключался к парогенератору при сливе на эстакадах. 

Другой тип  подогрева, применявшийся в то же время, заключался в использовании электронагревательных элементов, проходящих по всей длине резервуара. Для предотвращения повреждения от случайных ударов нагревательные элементы были оснащены специальными амортизирующими креплениями. Данный метод был достаточно дорогим и требовал больших затрат электроэнергии.

Ещё один метод  заключался в подогреве нефтепродуктов выхлопными газами от двигателей внутреннего  сгорания. Отработанные газы проходили  через трубки по всей длине резервуара, обогревая его. Данная система применялась  для автоцистерн. Этот метод был  малоэффективен и наделен практическими  недостатками с точки зрения надежности и безопасности, были подвержены механическим повреждениям в процессе эксплуатации.

Одна из конструкций  стационарных подогревателей, разработанных за рубежом, представлена на рисунке.

 

Рисунок 7 – Стационарный теплообменник, оснащенный  электроподогревателем.

Данный подогреватель  был предложен в США в 80-х  годах XX века. Отличительная особенность данного теплообменника – наличие в верхней части котла цистерны электроподогревателя и насоса для перекачки теплоносителя, которым служит вода. При необходимости жидкость-теплоноситель перекачивается по замкнутому контуру, осуществляя подогрев нефтепродукта. Питание осуществляется от генератора, кроме того, имеются в  наличии аккумуляторы для плавной остановки системы. Данный вид подогревателей предназначен и для автоцистерн. Подобная конструкция не получила распространения ввиду достаточной сложности и сравнительно выской стоимости.[11]

В настоящее  время за рубежом применяются  электро- и пароподогреватели.

 

4.2 Электроподогреватели

 

Подогрев  высоковязких нефтепродуктов широко применяется  в их транспорте по всему миру. За рубежом наибольшее распространение  получили электроподогреватели.

Один из видов  применяемых электроподогревателей - взрывозащищенные промышленные погружные стеклопластиковые нагреватели X-therm, являющиеся экономичным решением непосредственного нагрева взрывоопасных жидких сред.

Нагреватель представляет собой трубу из стеклопластика, в качестве нагревательного элемента используется углеродный волокнистый материал, размещаемый внутри стенки трубы. Углеродный волокнистый материал обладает значительно большей, чем у металлических (никелево-хромовых) нагревателей поверхностью теплообмена. Это обеспечивает равномерный режим нагрева. Малая удельная поверхностная мощность позволяет применять нагреватели для разогрева поверхностно-активных добавок и нефтепродуктов с полимерными добавками.

Рисунок 8 – Общий вид нагревателя X-therm

Система подогрева  для стационарных емкостей и резервуаров с предельной температурой нагрева до 250°С на основе погружных стеклопластиковых нагревателей обеспечивает высокоточный и безопасный нагрев без коксования и обводнения, контроль и поддержание температуры в границах технологического диапазона без участия человека вне зависимости от изменения параметров окружающей среды. 
Система предназначена для нагрева, поддержания температуры и защиты от замерзания различных продуктов, являющихся диэлектриками (разогрев дизельного топлива, битума, мазута и других вязких и застывающих нефтепродуктов, химических веществ, смол и т. д.). С помощью данной системы так же производится обезвоживание мазута, битума и нефтешламов.

Комплексное решение включает в себя: 
— стеклопластиковые нагреватели;

— автоматическая система управления нагревом (шкаф управления и датчики); 
— крепежные и соединительные элементы; 
— термо-маслостойкий провод; 
— теплоизоляционные материалы;

Рисунок 9 – Система промышленного подогрева X-Therm для железнодорожных цистерн

Основными преимущества данной системы:

-нагреватели устанавливаются в емкость и контактируют непосредственно с нагреваемой средой, обеспечивая максимальный КПД электрического нагрева;

-за счет исполнения нагревателей в виде трубы, поверхность теплообмена на порядок больше, чем у металлических (нихромовых) нагревателей, т. е. теплопередача происходит как на внешней, так и на внутренней стенках нагревателей;

-использование стеклопластиковых нагревателей не приводит к разрушению (коксованию) фракционного состава нагреваемого продукта за счет малой удельной поверхностной мощности нагревателей (0,62 Вт/см2)

-происходит активное перемешивание нагреваемой среды за счет совместного эффекта двух физических процессов: 
— эффект свободной (естественной) конвекции, при котором нижние слои вещества нагреваются и всплывают вверх, а верхние слои остывают и погружаются вниз. Процесс повторяется снова и снова, обеспечивая процесс передачи тепла путем перемешивания. 
— эффект Вентури, при котором скорость потока вещества увеличивается при попадании внутрь нагревателя-трубы, а дополнительный нагрев вещества от внутренних стенок нагревателя значительно усиливает этот эффект. [6]

 

4.3 Паровые подогреватели

 

За рубежом  также применяется несколько  способов подогрева паром. При подогреве  острым паром в цистерну вводятся перфорированные трубы с отверстиями  диаметром 5…6 мм, через которые в  нефтепродукт подается пар. Центральная  труба предназначена  для разогрева  нефтепродукта в зоне сливного прибора цистерны. В первоначальный момент разогрева, если нефтепродукт застыл до такой степени, что боковые штанги нельзя завести в цистерну, в нее устанавливают только центральную щтаигу, которая прогревает нефтепродукт в центральной части цистерны, что в свою очередь вызывает его частичный подогрев и в торцах цистерны. Одновременно с этим в цистерну постепенно заводят боковые штанги. Данный вид подогрева применяется в основном для топочных мазутов.

Для масел  и нефтепродуктов не допускающих  обводнения в основном применяются  переносные змеевики, устанавливаемые  в цистерне перед операциями слива  через верхний люк. Змеевики изготавливаются  из тонкостенных труб, один конец которых присоединяется к паропроводу, а второй служит для выхода конденсата. Их основные недостатки – небольшая площадь нагрева, кроме того, они разогревают нефтепродукт лишь в центральной зоне цистерны.

 

4.4 Система подачи воздуха Pulseair

 

Данная система  разработана одноименной Канадской компанией. Ее суть заключается в непосредственной подаче сжатого воздуха или газа в цистерны через специальные патрубки снизу при подогреве нефтепродукта.

Система Pulseair работает вместе с паровыми подогревателями и применяется для вязких нефтепродуктов, а также различных высоковязких полимерных соединений. В цистерну подается сжатый воздух по специальному патрубку в нижней части. Это способствует перемещению нагретого нефтепродукта от паровых змеевиков и ускоряет теплообмен.

 По заявлению производителя, данная система обладает следующими преимуществами:

- ускорение  процесса теплообмена и более  равномерный нагрев нефтепродукта;

- снижение  расхода пара и затрат энергии;

- является  удобной и безопасной в процессе  эксплуатации. [12]