1 Общие понятия о нагреве нефти
1.1 Необходимость подогрева
Если светлые нефтепродукты (бензин, керосин) легко транспортируются по трубопроводам в любое время года и операции с ними не вызывают особых затруднений, то операции с темными нефтепродуктами (мазутом, смазочными маслами) вызывают значительные трудности. Объясняется это тем, что темные нефтепродукты при понижении температуры воздуха становятся более вязкими, теряют текучесть, и их транспортирование без подогрева становится невозможным. Значительное возрастание вязкости нефтепродуктов при охлаждении объясняется содержанием высокомолекулярных тяжелых углеводородов. Затвердевание парафинистых нефтепродуктов происходит в результате кристаллизации парафина.
В связи с этим высоковязкие нефтепродукты подогревают для понижения вязкости до значений, при которых достигается их подвижность и экономичность работы перекачивающих насосов и трубопроводных коммуникаций. Подогрев осуществляется как при хранении, так и при транспортировке и приемо-раздаточных операциях, включая отстой, осветление и регенерацию масел. [9]
Подогрев существенно изменяет физико-техническую характеристику нефтепродукта. В результате подогрева нефтепродукт расширяется, уменьшаются силы внутреннего трения, и увеличивается его подвижность, уменьшается гидравлическое сопротивление при перекачке.
При подогреве парафинистых нефтей и нефтепродуктов расплавляется парафин; сетка, образованная кристалликами парафина разрушается и продукт становится подвижным. Восстановление текучести нефтей и нефтепродуктов является необходимым условием для производства операций налива, слива и перекачки.
Однако значение подогрева не ограничивается этим – он необходим при выполнении следующих операций: деэмульсации нефтей, освобождении нефтей и нефтепродуктов от механических примесей, подготовке нефтетоплива к сжиганию под котлами, в печах и в двигателях внутреннего сгорания, смешении нефтепродуктов, регенерации отработанных масел, зачистке емкостей от отложений и др.
В качестве примера в таблице 1.1 приведено изменение вязкости, мм2/с, от температуры для бензина марки Аи-95 и минерального моторного масла М-63 10 Г.
Таблица 1.1 – Изменение кинематической вязкости нефтепродуктов от температуры.
Нефтепродукт,
вязкость, мм2/с Температура, оС
+20 +10 0 -10 -20
Бензин 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Моторное масло 100 300 1000 5000 10000
Из анализа таблицы 1.1 следует, что вязкость бензина практически не зависит от температуры, а вязкость масла резко возрастает с понижением температуры и при низких температурах оно нуждается в подогреве. [8]
Подогрев высоковязких и легкозастывающих нефтепродуктов следует производить до температуры, обеспечивающей его кинематическую вязкость не более 600 мм2/с.
Температура подогрева мазутов не должна превышать 90 оС, а для масел 60 оС.
Температура подогрева должна быть ниже температуры вспышки паров нефтепродукта, не менее чем на 25 оС.
В качестве теплоносителя следует использовать водяной насыщенный пар или перегретую воду. При соблюдении пожарной безопасности возможно применение электрического подогрева. [25]
1.2 Теплоносители
Для подогрева нефтепродуктов применяют различные теплоносители: водяной пар, горячую воду, горячие нефтепродукты и газы, а также электроэнергию. Наибольшее применение имеет водяной пар, обладающий высоким содержанием и теплоотдачей, легко транспортируемый и в большинстве случаев не представляющий пожарной опасности. Обычно используют насыщенный пар давлением 0,3-0,4 МПа (3-4 кгс/см2), обеспечивающий нагрев нефтепродуктов до 80-100 ?С.
Горячую воду применяют в тех случаях, когда она имеется в большом количестве, так как теплосодержание воды в 5-6 раз меньше теплосодержания насыщенного пара.
Горячие газы имеют ограниченное применение, так как они отличаются малым теплосодержанием, низким коэффициентом теплоотдачи и малой объемной удельной теплоемкостью и поэтому требуются в больших количествах. Используются лишь при разогреве нефтепродуктов в автоцистернах и в трубчатых подогревателях при наличии отработанных газов.
Горючие масла в качестве теплоносителей применяют редко, когда требуется разогреть тугоплавкие нефтепродукты с высокой температурой вспышки, для которых малоэффективен или невозможен разогрев горячей водой и паром. [9]
Электроэнергия – один из эффективных теплоносителей, однако при использовании электроподогревательных устройств необходимо соблюдать повышенные противопожарные требования. Обнаженная электрическая грелка с накаленной проволокой способна вызвать воспламенение паров нефтепродуктов. Помимо этого, высокая температура проволоки может вызвать частичное коксование нефтепродукта. По этим соображениям электроподогрев сравнительно широко применяется лишь при подогреве нефтепродуктов с высокой температурой вспышки (главным образом для масел) в емкостях. Достоинство электроподогревательных устройств – компактность и удобство в эксплуатации.
Наиболее простой из представленных способов – подогрев паром. Он происходит при постоянной температуре и обеспечивает простое регулирование процесса. Существует несколько способов подогрева водяным паром: разогрев острым паром, трубчатыми подогревателями и циркуляционный подогрев.
Подогрев острым (открытым) паром заключается в подаче насыщенного пара непосредственно в нефтепродукт, где он конденсируется, сообщая нефтепродукту необходимое тепло. Этот способ применяют в основном для разогрева топочного мазута при сливе из железнодорожных цистерн. Недостаток данного способа – необходимость удаления в дальнейшем воды из обводнённого нефтепродукта.
Подогрев трубчатыми подогревателями заключается в передаче тепла от пара к нагреваемому продукту через стенки подогревателя, вследствие чего исключается непосредственный контакт теплоносителя с нефтепродуктом. Применяют этот способ во всех случаях, когда не допускается обводнение нефтепродукта как при хранении в резервуаре, так и при транспорте в железнодорожных цистернах, нефтеналивных судах и т.д. Пар, поступая в трубчатый подогреватель, отдает тепло нефтепродукту через стенку подогревателя, а сконденсировавшийся пар отводится наружу через конденсатоотводчики, благодаря чему исключается обводнение нефтепродукта.
Циркуляционный подогрев основан на разогреве нефтепродукта тем же нефтепродуктом, но предварительно подогретым в теплообменниках. Горячая струя подаваемого насосом в резервуар предварительно разогретого нефтепродукта, попадая в основную массу застывшего нефтепродукта, перемешивается с ним и отдает ему тепло, нагревая до требуемой температуры, обеспечивающей его текучесть. Циркуляционный подогрев применяют в основном при обслуживании крупных резервуарных парков с устройством централизованной теплообменной установки, а также при разогреве и сливе нефтепродуктов из железнодорожных цистерн. [21]
2 Разновидности подогревателей
Все подогреватели, в зависимости от назначения, делятся на: подогреватели при сливе нефтепродуктов из транспортных емкостей, подогреватели при хранении и подогреватели трубопроводов.
2.1 Отечественные подогреватели
2.1.1 Паровые подогреватели
Подогреватели острым паром – по конструкции представляют собой перфорированные трубчатые штанги, помещенные в толщу жидкости, при этом пар поступает через отверстия в штангах. Используются только для разогрева мазута, допускающего частичное обводнение.
Подогреватели глухим паром – подразделяются на переносные и стационарные. Переносные подогреватели помещают внутрь цистерны только на время разогрева, а по окончании их извлекают. Подогреватели, изготовленные из дюралюминиевых труб, состоят из трех секций – центральной и двух боковых (изогнутых), помещаемых в цистерну поочередно. В зависимости от типа цистерн и подогреваемого нефтепродукта применяют подогреватели поверхностью нагрева 4,5-23,2 м2 при давлении пара до 0,3 МПа.
1 – центральный змеевик; 2 – боковые змеевики; 3 – трубы для подвода пара и конденсата
Рисунок 2.1 – Установка парового змеевикового подогревателя в цистерне
1 – центральный змеевик; 2 – боковые змеевики;
Рисунок 2.2 – Змеевик в сборе
Стационарные подогреватели находятся внутри цистерны постоянно. Они применяются двух типов:
1) Трубчатый подогреватель, смонтированный в нижней части цистерны, которая снаружи покрыта теплоизоляцией. Применяется для цистерн емкостью 34-50 м3, масса подогревателя около 1100 кг. Помимо внутреннего трубчатого подогревателя сливной прибор цистерны снабжен наружной паровой рубашкой, через которую осуществляется ввод пара в подогреватель. [14]
2) Стационарный подогреватель, состоящий из паровой рубашки вокруг котла цистерны и сливного патрубка. Они являются наиболее эффективными, так как сокращают расход пара, исключают обводнение топлива и уменьшают его остаток в нижней части котла
.
Рисунок 2.3 – Схема цистерны с паровой рубашкой и сливного прибора цистерны с паровой рубашкой
Пар под давлением 0,3 МПа подводится к штуцеру паровой рубашки цистерны, нагревает сливной патрубок, поступает в паровую рубашку цистерны. Вдоль нижней части паровой рубашки имеется желоб для отвода конденсата. За несколько минут температура стенки огреваемой части повышается до 80 ?С и холодный мазут начинает скользить по горячей поверхности к сливному патрубку.
Недостатком закрытых трубчатых подогревателей является то, что в первую очередь прогреваются слои нефтепродукта, примыкающие к трубам-змеевикам, а продолжительность нагрева основной массы жидкости весьма велика. Кроме того, они быстро выходят из строя вследствие коррозии. [21]
2.1.2 Циркуляционные подогреватели
1 – гидромониторное устройство; 2- шарнирный трубопровод; 3 – кран с лебедкой; 4 – гибкий шланг; 5 – установка нижнего слива; 6 – электродвигатель; 7 – винтовой насос; 8 – продуктопровод от теплообменника к насосу; 9, 11 – вентили; 10 – теплообменник.
Рисунок 2.4 – Установка циркуляционного подогрева и герметизированного слива
Циркуляционный подогрев основан на принципе передачи тепла от горячего нефтепродукта к холодному путем их интенсивного перемешивания. Подогреватель циркуляционного подогрева представляет собой теплообменную установку, расположенную близко от сливо-наливных устройств и предназначенную для подогрева нефтепродукта, подаваемого в виде горячей струи в железнодорожную цистерну.
Перед сливом нефтепродукта из цистерны на ее сливном патрубке закрепляется паровая рубашка. Забираемый из цистерны нефтепродукт поступает в теплообменник, откуда нагретый до 40-50 ?С забирается насосом и по шарнирному трубопроводу подается внутрь цистерны. Горячий нефтепродукт выходит из сопел под давлением 1,0-1,2 МПа и перемешивается с холодным.
Горячая струя нагревает и размывает мазут, который забирается из цистерны. Благодаря перемешиванию, происходит интенсивный разогрев основной массы нефтепродукта (мазута). Внутри цистерны устанавливают раскладывающееся гидромониторное устройство, осуществляющее возвратно-поступательное движение сопел вдоль нижней образующей цистерны для лучшего прогрева жидкости. Такую подогревательную установку применяют преимущественно для слива одиночных цистерн, так как при маршрутном сливе требуются теплообменники и насосное оборудование большой мощности.
Разновидностью подогревателей этого типа является совмещенный погружной насос-пароподогреватель.
1 – трубчатый подогреватель; 2 – шарнир; 3 – редуктор; 4 – шнековый насос; 5 – горизонтальный вал; 6 – вертикальный вал; 7 – паровые трубы; 8 – электродвигатель.
Рисунок 2.5 – 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.
2.1.3 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. 2.6), которые раскрываются по мере разогрева нефтепродукта, увеличивая тем самым зону разогрева.
Рисунок 2.6 – 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. [14]
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 надежно заземляют. Тупик, на котором производится подогрев, разъединяют от 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 вследствие отсутствия перемешивающих устройств.
2.1.4 Устьевые подогреватели
Применяют для подогрева продукции скважин в выкидных линиях. Состоит из наклонного цилиндрического сосуда 8 с батареей тепловых трубок 5, газовым сепаратором 6, патрубками ввода нефти 7, топки 1 с газовой инжекционной двухсопловой горелкой 2 и дымовой трубкой 3 с кожухом 4 для защиты обслуживающего персонала отожогов.
Рисунок 2.7 - Подогреватель нефти типа ПТТ-0,2
Поступающая в сосуд подогревателя нефтегазовая смесь нагревается тепловыми трубами и выходит из подогревателя. Часть газа, выделившегося из нефти, очищаясь в сепараторе, поступает через узел регулирования на горелку. За счет сжигания газа в топке происходит нагрев топочных концов тепловых труб. Тепловая труба представляет собой толстостенную цельнотянутую стальную трубу, заполненную на 1/3 своего внутреннего объема дистиллированной водой и герметически заваренную с обоих концов. Во избежание замораживания труб во время возможной остановки печи в них добавлено некоторое количество этилового спирта. Трубы в подогревателе расположены с наклоном в сторону топки, равным 100 мм на 1 м трубы, и приварены к одному из днищ сосуда таким образом, что один конец длиной 2 м находится внутри сосуда, а другой - длиной 1 м в топке.
Подогреватель нефти ПТТ-0,2 оснащен приборами контроля и автоматического регулирования, поставляемыми комплектно с нагревателем: ртутным техническим термометром АН3-1°-110-220, манометрами ОБМ1-100, регулятором температуры РТ-П25-2 и регулятором давления РД-32М. Комплекс приборов обеспечивает регулирование температуры жидкости в сосуде, давления топливного газа перед горелкой и запальником, а также технологический контроль за температурой и давлением.
Таблица 2.1 - Технические характеристики подогревателя ПТТ-0,2.
Наименование параметра Значение
Пропускная способность по жидкости, т/сут до 100
Вместимость сосуда, м3 1
Давление в сосуде рабочее, МПа -1,6
Температура нагрева жидкости, ?С 70
Топливо нефтяной газ
Расход газа, расчетный, м3/ч 25
Масса подогревателя без футеровки, кг 2550
2.1.5 Трубопроводные нагреватели
Принцип работы: подготовленная в инжекционных горелках газовоздушная смесь поступает на пламераспределитель. Полученный при сгорании газа тепловой поток, проходя через конвективную камеру, омывает оребрённую поверхность труб калорифера, нагревая продукт, проходящий по трубам. В верхней части конвективной камеры отходящие газы подогревают сепаратор и змеевик топливного газа.
Источником топливного газа может быть сама нагреваемая среда, а если она не горюча или имеет низкий свободный газовый фактор, то необходимо подключаться к внешнему источнику питания.
Таблица 2.2 - Техническая характеристика подогревателей ПТ-Р/Д
Показатели ПТ-25/100 ПТ-16/150 ПТ-6,4/200 ПТ 16/100МЖ
Тепловая производительность, МДж/ч 465 1860 3500 465
Пропускная способность до 40?С, тыс. м3/сут:
нефти
0,57
2,30
4,3
0,4
воды
газа 0,24
490 0,96
2000 1,8
3600 0,2
410
2.1.6 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. [9]
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. [21]
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 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.
2.1.7 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. [9]
2.2 Зарубежный опыт подогрева нефтепродуктов в транспортных емкостях
2.2.1 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.
