Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих методов и средств нагрева нефтепродуктов в транспортных емкостях и емкостях хранения . 13
1.1. Способы подогрева вязких нефтепродуктов в транспортных емкостях 13
1.2. Способы подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах 21
1.3. Использование гибких электронагревателей для операций с вязкими нефтепродуктами на нефтебазах 27
2. Моделирование тепловых процессов при разогреве трубопроводов и цистерн с застывшим нефтепродуктом 39
2.1. Применение модели теплопроводности 41
2.2 Модель теплопроводности с фазовым переходом 45
2.3. Модели конвективного теплообмена 55
2.4. Конвективный теплообмен с учетом фазового перехода Выводы по второй главе 66
3. Экспериментальные исследования по подогреву вязких нефтепродуктов при их транспортировке и хранении 67
3.1. Экспериментальные исследования по применению электроподогрева вязких жидкостей в трубопроводах (емкости неограниченной длины) 68
3.2. Экспериментальные исследования по применению электроподогрева в емкости хранения 76
3. 3. Промышленный эксперимент по применению электроподогрева в емкостях хранения 83 Выводы по третьей главе 97
4. Оптимизация электроподогрева железнодорожных цистерн для транспорта застывающих нефтепродуктов 98
ф 4.1. Оптимальные параметры равномерного электроподогрева 98
4.2. Учет неравномерности распределения электроподогрева по поверхности системы 101
4.3. Использование электронагревательных лент для циркуляционного подогрева вязких нефтепродуктов в группе резервуаров 104
Выводы по четвертой главе 107
Выводы и рекомендации 108
Список использованных источников
- Способы подогрева вязких нефтепродуктов в транспортных емкостях
- Способы подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах
- Конвективный теплообмен с учетом фазового перехода Выводы по второй главе
- Экспериментальные исследования по применению электроподогрева в емкости хранения
Введение к работе
Актуальность проблемы
Одними из наиболее сложных и трудоемких технологических процессов на предприятиях по обеспечению нефтепродуктами являются операции слива-налива вязких нефтепродуктов в транспортные емкости. Эти операции сопряжены со значительными материальными и энергетическими затратами, а также продолжительным простоем цистерн, находящихся под загрузкой (разгрузкой).
Налив и особенно слив высоковязких нефтепродуктов (масел, мазутов, битумов, тяжелых нефтей и др.) требует их предварительного разогрева, применения сливно-нал'ивного специального оборудования, а также оснащения цистерн средствами подогрева и в ряде случаев теплоизоляцией.
Нехватка либо техническое несовершенство средств подогрева высоковязких нефтепродуктов приводят к сверхнормативным срокам обработки цистерн и неполному сливу из них нефтепродуктов (в отдельных случаях остаток нефтепродукта в цистерне может достигать одной - полутора тонн). Часть этих остатков безвозвратно теряется из-за невозможности утилизации или реализуется как некондиционный продукт. Значительное количество нефтепродуктов остается на стенках транспортных емкостей, уменьшая их грузовместимость и ухудшая качество вновь принимаемого продукта.
Кроме того, во многих случаях применение средств подогрева без предварительной оценки их влияния на нефтепродукты приводит к значительному ухудшению качества нефтепродуктов из-за существенного перегрева в зоне контакта (температура достигает 100С и более).
Выбор типа теплоносителя и способа его применения для подогрева вязких нефтепродуктов при условии сохранения их
качества, выполнении нормативных показателей на разгрузку транспортных емкостей, обеспечивая необходимые технико-экономические показатели в современных условиях, является важной и актуальной задачей.
Целью работы является повышение эффективности транспорта и хранения нефтепродуктов на основе разработки средств и технологии электроподогрева.
Основные задачи исследования
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
Анализ применения различных средств подогрева и обоснование их применения при транспорте и хранении вязких нефтепродуктов в закрытых емкостях.
Исследование возможности использования существующих математических моделей и разработка на их основе новых направлений для проведения оценки процессов теплообмена при подборе технических средств.
Экспериментальные исследования применения электроподогрева вязких нефтепродуктов в емкостях транспорта и хранения.
Разработка оптимальных параметров электроподогрева емкостей для транспорта и хранения высоковязких нефтепродуктов.
Внедрение в промышленную эксплуатацию средств и технологии электроподогрева нефтепродуктов в емкостях.
Научная новизна работы
1. Впервые проведены экспериментальные исследования с применением электронагревательных лент для анализа процессов теплопереноса в емкостях транспорта и хранения.
2. Разработан алгоритм определения температурных полей в емкостях с учетом фазового перехода при транспорте и хранении высоковязких нефтепродуктов. Ф 3. Решена задача оптимизации параметров системы электроподогрева емкостей при транспорте и хранении высоковязких нефтепродуктов.
Практическая ценность работы
Внедрены новые конструкционные и технологические решения для повышения эффективности применения средств электроподогрева на действующих объектах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:
*
111-й Международной конференции «Электромеханика и электротехнологии» (МКЭЭ-98), Клязьма, 1998 г.;
1-й Всероссийской научно-практической конференции «История науки и техники - 2000», Уфа, 2000г.;
Межрегиональной научно-методической конференции «Проблемы нефтегазовой отрасли», Уфа, 2000 г.;
Международной научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт - сегодня и завтра», Уфа, 2002 г.;
11-й Международной научно-технической конференции «Новоселовские чтения», Уфа, 2004 г.
Публикации и личный вклад автора
По теме диссертационной работы опубликовано печатных
работ, в том числе статей, 4 тезиса докладов. В
*
рассматриваемых исследованиях автору принадлежит постановка задач, участие в их решении, анализ полученных результатов и рекомендации по их внедрению.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, содержит 123 страниц машинописного текста, в том числе 12 таблиц, 46 рисунков, библиографический список
использованной литературы из 131 наименований.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследования, приведена научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы цели и задачи, дана общая характеристика диссертационной работы.
В первой главе проведен анализ существующих способов разогрева вязких нефтей и нефтепродуктов при их транспорте и хранении.
Изучением вопросов транспорта и хранения вязких нефтей и нефтепродуктов в разное время занимались Губин В. Е., Черникин В. И., Оленев Н. М., Юфин В. А., Свиридов В. П., Агапкин В. М., Еремин И.К, Бондаренко П. А., Кривошеий Б. Л., Тугунов П. И., Галлямов А. К., Фонарев 3. И., Щербаков А. 3. И др.
Известные способы подогрева высоковязких нефтепродуктов в транспортных емкостях (железнодорожных и автомобильных цистернах) и емкостях хранения' можно условно разделить на две основные группы:
подогрев через стенку котла цистерны (резервуара);
подогрев внутри емкости.
К первой группе относятся подогрев в цистернах с паровой рубашкой, терморадиационный и электроиндукционный подогрев.
Метод терморадиационного подогрева основан на использовании инфракрасных излучателей лампового типа для разогрева торцевой и боковой поверхности котла цистерны.
' - 6
Сущность электроиндукционного метода подогрева состоит в
создании переменного магнитного поля вокруг котла цистерны и
наводке в металле котла вихревых токов.
Щ Основными недостатками терморадиационного и электро-
индукционного методов являются: громоздкость конструкции, сложность эксплуатации, расход большого количества энергии, низкий к. п. д. и высокая стоимость. Весьма ограничено и применение цистерн, оборудованных паровыми рубашками, вызванное значительными теплопотерями из-за отсутствия тепловой изоляции котла и средств утилизации конденсата на пунктах слива.
* Значительно шире представлены методы разогрева вязких
нефтепродуктов внутри транспортных емкостей. К ним относятся
встроенные и передвижные подогреватели, действующие по
принципу свободной и вынужденной конвекции. В качестве
^ теплоносителя используется водяной пар, предварительно подогретый нефтепродукт, горячие газы, электроэнергия.
* Проблема уменьшения остатков нефтепродуктов в
железнодорожных цистернах является важной не только с точки
зрения увеличения провозной способности цистерны, но и с точки
зрения сохранения качества перевозимого груза. С этой целью
разработан ряд способов, основанных на циркуляции
предварительно подогретого нефтепродукта внутри цистерны.
ш В последнее время широкое применение для подогрева
технологического оборудования нефтехимических производств, трубопроводов и резервуаров находят гибкие нагревательные элементы: электронагревательные ленты и кабели.
^ На основании анализа литературных источников можно
отметить, что до настоящего времени отбор застывшего нефтепродукта из резервуара хранения или слив из транспортных емкостей в условиях эксплуатации товарных и сырьевых парков
* является сложным, длительным и в большинстве случаев
практически не осуществляемым в полном объеме из-за отсутствия технических средств. Для выполнения этой задачи известно множество, способов, но наиболее часто в практических условиях используют тепловые методы , воздействия на застывший нефтепродукт.
При решении практических задач подогрева вязких нефтепродуктов большое значение имеет точность расчета параметров теплообмена в емкостях. Несмотря на большое количество теоретических работ, обобщенная модель теплообмена в закрытых емкостях в настоящее время не разработана. Не исследованы процессы теплообмена при внешнем разогреве цилиндрических емкостей с застывшим нефтепродуктом.
Во второй главе рассматриваются вопросы моделирования теплообмена в закрытых емкостях при транспорте и хранении. При хранении нефтепродукта в емкости основными механизмами переноса тепла являются свободная конвекция, обусловленная градиентом температуры и силы тяжести (для нефтепродукта в жидком состоянии) и теплопроводность (для застывшего нефтепродукта). Процессы конвективного теплообмена в данном случае имеют явную анизотропию Соответственно, для разных условий необходимо применять разные модели, описывающие теплообмен в остановленном нефтепроводе и рассмотрены в первом разделе второй главы.
При разогреве застывших нефтепродуктов возникает задача учета фазового перехода из твердой фазы в жидкость (задача Стефана). Во втором разделе главы, предложен конкретный алгоритм приближенного решения задачи Стефана. Двухмерная разностная схема записана в- декартовой системе координат. Разработаны алгоритм и программа решения разностной задачи на основе метода верхней релаксации. Показано, что рассматриваемые алгоритмы могут рассматриваться, как идентифи-
кационные модели для описания процесса разогрева нефтепродукта в горизонтальных цилиндрических закрытых емкостях.
Следует отметить, что для емкостей роль конвективного теплообмена имеет большое влияние на процессы теплопереноса. Простейшие модели конвективного теплообмена получаются на основе теплового баланса для усредненных по сечению температур нефтепродукта (G) и температуры стенки {G^ с эффективным коэффициентом теплоотдачи ki от нефтепродукта к стенке емкости. В приближении квазистационарного распределения температуры в тепловой изоляции задача описания нестационарных тепловых процессов сводится к системе двух обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Эту модель можно рассматривать как идентификационную модель для описания реальных процессов. В такой постановке модель дает хорошее согласие с экспериментальными данными по разогреву емкости с вязким нефтепродуктом.
При застывании нефти резко меняются ее физико-механические свойства. Процесс теплообмена с переходом нефти из застывшего состояния в текучее можно разбить на 3 стадии. В начальной и конечной стадиях процесса весь объем нефти находится или в застывшем, или в текучем состояниях. В средней стадии в емкости одновременно существует две фазы. Причем в последнем случае процесс теплообмена имеет наиболее сложный характер, так как в этом случае существенными являются и процессы теплопроводности, и процессы конвекции. Учитывая, что в текучем состоянии процессы конвективного переноса теплоты значительно превосходят кондуктивный перенос теплоты, для описания текучей фазы будем пользоваться усредненной температурой. Для описания теплообмена в застывшей фазе справедливо уравнение теплопроводности.
Для практических расчетов истинное распределение температуры по сечению трубы не имеет существенного значения. На практике необходимо иметь оценку относительного объема застывшей фазы, среднюю температуру жидкой фазы и температуру стенки емкости. Относительный объем застывшей фазы можно оценить по значению эффективного радиуса застывшего ядра г*.
Проведенный анализ показал, что не существует достаточно надежной детерминированной модели теплообмена в емкостях хранения. При проектировании систем электроподогрева емкостей хранения необходимо проведение натурных экспериментов. Для
повышения эффективности работы электро подогрева
нагревательные элементы должны располагаться вдоль нижней образующей трубопровода.
В третьей главе показаны наиболее характерные результаты проведенных экспериментов по подогреву вязких нефтепродуктов в трубопроводах и емкостях хранения. В качестве нагревательных элементов использовались электронагревательные ленты (ЭНГЛ-180).
Использование ЭНГЛ обеспечило полный слив без остатка в емкости. При использовании погружного электронагревателя объем слитого продукта составил 80 %. При визуальном осмотре обнаружено, что значительное количество нефтепродукта осталось в районе днища. "Мощность, затраченная при использовании ЭНГЛ, была почти в 2 раза меньше. При этом температура нефтепродукта не превышала 50С, что сохраняет его качество {особенно это касается масел). Погружной электронагреватель создает в зоне контакта температуру более 100С, что является недопустимым. В случае применения ЭНГЛ пожарная безопасность обеспечивалась в полном объеме, поскольку отсутствовал прямой контакт между источником тепла и нефтепродуктом.
Следующим этапом экспериментальных исследовании явилось их проведение на действующей нефтебазе в горизонтальном резервуаре емкостью 66,4 м3, предназначенном для хранения автола (АК-15). Переход, от модельной жидкости к реальному нефтепродукту позволил оценить более точно процессы теплопереноса, происходящие при разогреве нефтепродуктов в действующих емкостях хранения и железнодорожных цистернах.
Полученные результаты подтверждают предположения, высказанные во второй главе, и показывают характер и направление изменения температур в емкостях хранения при использовании ЭНГЛ. Более интенсивный подогрев происходит в нижней части емкости, что будет обеспечивать возможность более раннего слива через нижний сливной прибор (железнодорожной цистерны) или сливной патрубок (горизонтальные и вертикальные резервуары). Рассмотренная технология подогрева вязких нефтепродуктов с использованием электронагревательных лент применена на действующей нефтебазе.
В четвертой главе рассматриваются задачи оптимизации железнодорожного транспорта высоковязких нефтепродуктов. Основной задачей оптимизации конструктивных решений является окупаемость финансовых затрат. Наиболее адекватным интегральным критерием экономической эффективности финансовых затрат является критерий определяющий чистый дисконтированный доход:
Для применения данного критерия необходимо составление конкретного бизнес-плана использования железнодорожных цистерн. Причем основные результаты (Rj) - определяются конкретными условиями организации перевозки нефтепродуктов. Поэтому при проектировании электроподогрева железнодорожных цистерн более предпочтительным критерием является минимум капитальных затрат на создание системы с заданными
эксплуатационными параметрами. Основным параметром, характеризующим систему электроподогрева, является заданный перепад температур нефтепродукта и окружающего воздуха (ДТ),
Произведена оценка оптимальных параметров для тепловой изоляции из пенополиуретана и электроподогрева с использова-ниєм электронагревательных лент ЭНГЛ-1. Увеличение стоимости железнодорожной цистерны за счет внедрения системы электроподогрева (ДТ=50С) составит приблизительно 3,3%.
В заключении рассмотрены различные подходы к обеспечению надежности выполнения сливо-наливных операций. Наряду с указанной выше технологией электроподогрева отдельного резервуара предложен способ совместной эксплуатации теплоизолированных емкостей с электроподогревом и емкостей, не оснащенных электроподогревом. Способ апробирован на действующей группе резервуаров.
Способы подогрева вязких нефтепродуктов в транспортных емкостях
Одними из наиболее сложных и трудоемких технологических процессов на предприятиях по обеспечению нефтепродуктами являются операции слива-налива вязких нефтепродуктов в транспортные емкости. Эти операции сопряжены со значительными материальными и энергетическими затратами, а также продолжительным простоем цистерн, находящихся под загрузкой щ (разгрузкой).
Налив и особенно слив высоковязких нефтепродуктов (масел, мазутов, битумов, тяжелых нефтей и др.) требует их щ предварительного разогрева, применения сливно-наливного специального оборудования, а также оснащения цистерн средствами подогрева и в ряде случаев теплоизоляцией.
Способы подогрева высоковязких нефтепродуктов в транспортных емкостях (железнодорожных и автомобильных цистернах) можно условно разделить на две основные группы: ? подогрев через стенку котла цистерны; ? подогрев внутри емкости.
К первой группе относятся подогрев в цистернах с паровой рубашкой, терморадиационный и электроиндукционный подогрев [35].
Выпускаемые в настоящее время железнодорожные цистерны для вязких нефтепродуктов моделей 15-1566 и 15-897 [59,100] оборудованы специальным парообогревательным кожухом (рубашкой) из стального листа толщиной 3 мм, который охватывает нижнюю часть котла и перекрывает приблизительно половину его поверхности. Зазор между кожухом и наружной поверхностью котла составляет 36 мм. Пространство, образованное парообогре-вательной рубашкой и нижней части котла сообщается с парообогревательным кожухом сливного прибора. Пар для разогрева продукта перед сливом подается через штуцер паро-обогревательного кожуха универсального сливного прибора, а конденсат выходит через два патрубка, расположенных по концам паровой рубашки в нижней ее части. При подогреве цистерны с паровой рубашкой образуется пристенный разогретый слой нефтепродукта, что значительно сокращает сопротивление движению потока. На основании решения дифференциального уравнения истечения нефтепродукта из железнодорожной цистерны с паровой рубашкой А. С. Едигаровым [37] получено выражение для времени полной разгрузки цистерны емкостью 60 м3 хп = ,U4U W?7 Vr/ + 250, 976 (0,06 -vx+ 0,2 -vr) л; - g 5 d; где vx - вязкость холодного ядра нефтепродукта; vx - вязкость горячего пристенного слоя; 5 -толщина разогретого пристенного слоя; d - диаметр патрубка сливного прибора. Для перевозки застывающих химических грузов разработаны железнодорожные цистерны специальных конструкций, укомплектованные стационарными подогревателями. Цистерна модели 15-1532 для перевозки пека [100] оборудована термоизолированным котлом, в нижней части которого размещены ниши для установки электронагревателей. Горячий воздух, конвергируемый от трубчатых электронагревателей (ТЭН), равномерно разогревает котел по всей его поверхности. Электронагреватели для удобства монтажа и снятия объединены в съемные секции, суммарная мощность которых составляет 90 кВт. і
В США [32] создана специальная цистерна с подогревающим устройством, обеспечивающим поддержание в пути следования высокой начальной температуры продукта. С наружной стороны боковых стенок котла приварены трубы, по которым циркулирует горячее масло. Цистерна оборудована подогревательной щ установкой, которая расположена с боковых сторон рамы вагона, и состоит из расширительного масляного бака, насосного агрегата, горелки, топливного баллона для сжиженного пропана и контрольно-регулирующей аппаратуры. Цистерна имеет термоизоляционный слой стекловолокна и металлический кожух. Следует отметить значительную массу тары цистерны, высокую стоимость установки подогрева, а также необходимость постоянного контроля ее исправности.
Метод терморадиационного подогрева основан на использовании инфракрасных излучателей лампового типа для разогрева торцевой и боковой поверхности котла цистерны [35].
Сущность электроиндукционного метода подогрева состоит в создании переменного магнитного поля вокруг котла цистерны и наводке в металле котла вихревых токов. С этой целью на поверхность котла накладывается специальный соленоид из изолированного медного провода, по которому пропускается переменный ток. Индуктированный в металле ток преобразуется в тепло и нагревает стенку цистерны.
Как отмечается в работе [76], основными недостатками терморадиационного и электроиндукционного методов являются: громоздкость конструкции, сложность эксплуатации, расход большого количества энергии, низкий к. п. д. и высокая стоимость. Весьма ограничено и применение цистерн, оборудованных паровыми рубашками, вызванное значительными теплопотерями из-за отсутствия тепловой изоляции котла и средств утилизации конденсата на пунктах слива.
Значительно шире представлены методы разогрева вязких нефтепродуктов внутри транспортных емкостей. К ним относятся встроенные и передвижные подогреватели, действующие по принципу свободной и вынужденной конвекции. В качестве теплоносителя используется водяной пар, предварительно подогретый нефтепродукт, горячие газы, электроэнергия.
Способы подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах
Подогрев вязких нефтепродуктов в резервуарах в большинстве случаев осуществляется с помощью стационарных трубчатых подогревателей (змеевиковых или секционных), которые представляют собой систему из тонкостенных труб, уложенных виде змейки или отдельных секций в нижней части резервуара. Для разогрева всей массы нефтепродукта в резервуаре используются подогреватели общего назначения, а для нагрева в зоне отбора -местные подогреватели [3, 58, 62, 85, 98, 99]. В качестве теплоносителя используется водяной пар и редко горячая вода. Давление пара на входе в стационарные подогреватели не должно превышать 0,4 МПа. Для отвода конденсата трубы подогревателя располагаются под углом 0,5...1,5 к горизонту.
Передвижные горизонтальные резервуары для масел и других вязких нефтепродуктов оснащаются паровым трубчатым подогревателем типа «труба в трубе» или секционным подогревателем [60]. В последнее время трубные секции подогревателей передвижных . резервуаров выполняются с оребрением.
Как отмечается в работе [106], горизонтальное расположение труб подогревателя обеспечивает равномерный разогрев нефтепродукта от плоскости подогревателя вплоть до свободной поверхности нефтепродукта в емкости. В то же время слои нефтепродукта, расположенные ниже плоскости подогревателя, прогреваются значительно хуже, что требует большего времени разогрева и, следовательно, увеличения эксплуатационных расходов. Для предотвращения выхода из строя системы подогрева в зимний период требуется обеспечивать непрерывную подачу пара. Кроме того, Б случае нарушения герметичности подогревателей в резервуаре неизбежно обводнение хранимого нефтепродукта и, следовательно, потеря качества последнего.
Повышение надежности эксплуатации трубчатых подогре-вателей достигается применением комплексных систем подогрева (КСП) с промежуточным незамерзающим теплоносителем [9, 10, 11, 65, 67] (рис. 1.3.а). КСП позволяет производить подогрев вязких нефтепродуктов периодически по мере необходимости. Использование в качестве промежуточного теплоносителя маловязкого масла продляет срок службы трубопроводов системы подогрева из-за отсутствия активного-коррозионного разрушения (в случае применения пара или воды). Разогрев промежуточного теплоносителя в рекуперативных паровых теплообменниках позволяет работать по замкнутому циклу, обеспечивая практически полный возврат конденсата в котельную. Применение КСП снижает энергозатраты и сокращает выброс вредных веществ в атмосферу.
Для снижения энергозатрат, особенно в летний период, рекомендуется применять КСП с использованием солнечной энергии (рис. 1.3.6), которая позволяет получить ощутимый эффект в районах с достаточно высоким уровнем солнечной радиации (предпочтительно южнее 60 северной широты) [13]. Подогрев промежуточного теплоносителя в солнечных коллекторах может достигать 110С. При малой интенсивности солнечной радиации работа солнечных коллекторов дублируется дополнительными паровыми теплообменниками.
Снижению энергозатрат на подогрев вязких нефтепродуктов может способствовать КСП с дополнительным тепловым насосом [12, 68], который работает за счет источников с низкопотенциальной теплотой (рис. 1.3.в). В качестве теплового насоса предлагается использовать серийные холодильные машины (парокомпрес-сионные теплонаносные установки). Источниками вторичной теплоты для теплового насоса могут быть легкоиспаряющиеся маловязкие нефтепродукты, вода из артезианских скважин, сбросная вода после ТЭС. Снижение температуры легкоиспаряю-щегося продукта позволяет сократить его потери от испарения.
Наряду с трубчатыми подогревателями вязких нефтепродуктов в резервуарах применяются различные электрические стационарные и переносные подогреватели.
Электрогрелка ГТ18Ц [113] мощностью 18 кВт предназначена для разогрева вязких нефтепродуктов (масел) в горизонтальных емкостях. Две шарнирно сочлененные нагревательные секции ТЭН погружаются в верхний люк резервуара и раскладываются внутри, обеспечивая местный подогрев.
Для разогрева нефтепродуктов, в раздаточных резервуарах емкостью до 75 м3 предназначена стационарная электрогрелка типа ГР-9, разработанная как для наземных (ГР-9Н), так и для подземных (ГР-9П) горизонтальных резервуаров [93]. Подогреватель грелки ГР-9 мощностью 9 кВт конструктивно совмещен с подъемной трубой резервуара и предназначен для нагрева той части продукта, которая подлежит отпуску. При этом основная часть нефтепродукта в резервуаре остается холодной.
Аналогично устроен поплавковый трубчатый электронагреватель НП12 [90], который в отличие от ГР-9 оснащен ограничительной камерой, совмещенной с поплавком. Подогрев нефтепродукта происходит в объеме ограничительной камеры. Мощность электронагревателя НП12 составляет 12 кВт.
Конвективный теплообмен с учетом фазового перехода Выводы по второй главе
Проведение оценки изменения температуры нефтепродукта с использованием математических моделей показало, что в большинстве случаев моделирование процессов теплопереноса не обеспечивает получение реальных результатов, которые могли бы быть использованы в практических условиях. По этой причине необходимо экспериментально оценить изменение температуры в резервуаре (цистерне) при использовании электронагревательных лент и по результатам экспериментов принять окончательное решение.
Как было отмечено выше, при проектировании систем электроподогрева для емкостей и трубопроводов необходимо учитывать свойства нефтепродукта, конструкцию емкостей и подогревательных элементов, а также необходимо обязательное проведение экспериментальных исследований для определения механизма теплопереноса и разработки модели теплообмена в каждом конкретном случае.
Подогрев трубопроводов и резервуаров с использованием пара и жидких теплоносителей за последние годы существенных изменений не претерпел. Основное усовершенствование касалось только использования новых типов теплоизоляционных материалов. Применение электрической энергии для подогрева нефтей и нефтепродуктов в трубопроводах и резервуарах находит все более широкое применение и получает свое развитие. Одним из направлений применения электрической энергии является использование электрических подогревательных устройств - гибких лент, кабелей, коаксиальных нагревателей и т. п.
В 1986-1988 годах в Уфимском нефтяном институте проводились экспериментальные исследования по применению гибких электронагревательных лент (ЭНГЛ) [29]. Основные характеристики таких лент, выпускаемых в России, приведены в таблице 3.1.
На рис. 3.1 представлена экспериментальная установка, состоящая из емкости 1 (D=0, 27 м; L=1 м), приемной емкости 2, насоса 3, трубопроводов 4, изоляционного покрытия 5, погружного электронагревателя 6, стяжных хомутов 7, сливного патрубка 8, гибких электронагревательных лент 9, источника питания 10 и соединительных кабелей 11.
Для обеспечения направленного теплового потока гибкие нагревательные ленты покрываются теплоизоляционным покрытием из пенополиуретана, которое закрепляется на поверхности цистерны с помощью стяжных хомутов. Эксперименты проводились при двух уровнях мощности электроподогрева — основном N=400 Вт и уменьшенном N=200 Вт. Подогрев нефтепродукта осуществлялся как гибкими электронагревательными лентами, так и погружным электронагревателем. В экспериментальных исследованиях применялись ленты ЭНГЛ удельной мощностью 60 Вт/м и 80 Вт/м исполнения «И».
В качестве электрического нагревателя в экспериментах использовался электронагреватель погружной марки ЭПО-1,2/220, потребляемая мощность которого составляет 1,2 кВт. В экспериментальных исследованиях использовалась рабочая жидкость, представляющая собой 20% раствор парафина в трансформаторном масле. Выбор рабочей жидкости основывался на следующих положениях: - сокращение времени проведения экспериментов. Рабочая жидкость имеет следующие характеристики: вязкость Щ (v5o-c=8P154 мм2/с; v6oc=6,008 мм2/с); плотность (р35с=840 кг/м3; р4ос=839 кг/м3; р50с=832 кг/м3; р60 с=822 кг/м3); температура застывания 32С.
При температурах ниже 32С рабочая жидкость приобретает неньютоновские свойства. Дополнительные реологические исследования рабочей жидкости ниже температуры застывания проводились на ротационном вискозиметре «Реотест-2» по двум методикам.
Первая методика (рис. 3.2; зависимость 1). Рабочая жидкость в вискозиметре охлаждалась до низкой (порядка 10С) температуры и выдерживалась до полного образования твердой структуры парафина в масле. Затем создавалось начальное напряжение , сдвига при 10С. Повышая температуру рабочей жидкости, фиксировали уменьшение напряжения сдвига, которое становилось равным нулю при температуре 31...32С. при дальнейшем повышении температуры рабочая жидкость обретала свойства ньютоновской.
Вторая методика. Определение касательных напряжений в зависимости от температуры при различных градиентах напряжения на срез Dr=1,5 с"1 (зависимость 3) и Dr=40,5 с"1 (зависимость 2). По мере уменьшения температуры касательные напряжения возрастают. Но при градиенте Dr=1,5 с1 наблюдается колебание значений касательных напряжений. Поведение кривой при градиенте Dr=1,5 с"1 объясняется неустойчивостью измерений, Щ связанное с тиксотропией жидкости.
Экспериментальные исследования по применению электроподогрева в емкости хранения
Дальнейшее развитие экспериментальных исследований получило в последние годы. Для проведения работ экспериментальная установка. была переоснащена более современными техническими средствами. Вместо термометров использовались температурные датчики ТСМ 5095-01 с регистрационными приборами «ТЕХНОГРАФ-100», что позволяло контролировать процесс непрерывно и в значительно большем количестве контрольных точек в различных сечениях рассматриваемой установки. Изменение температуры в различных сечениях контролировалось в течение всего эксперимента, окончанием которого являлось полное опорожнение емкости. После опорожнения контролировалось наличие остатка или его отсутствие по объему слитого продукта, а также визуально. В качестве средств подогрева использовался бытовой погружной электронагреватель мощностью 1,2 кВт и электронагревательные ленты, размещенные {40 вдоль емкости и закрытые изоляционными полосами, изготовленными из пенополиуретана. Устанавливалось пять лент типа ЭНГЛ-180 длиной 1 м с общей мощностью 0,55 кВт. Между полосками изоляции поверхность емкости была открытой, что безусловно имело влияние на процесс разогрева.
Использование ЭНГЛ обеспечило полный слив без остатка в емкости. При использовании погружного электронагревателя объем слитого продукта составил 80 %. При визуальном осмотре обнаружено, что значительное количество нефтепродукта осталось в районе днища. Мощность, затраченная при использовании ЭНГЛ, была почти в 2 раза меньше. При этом температура нефтепродукта не превышала 50С, сто сохраняет его качество (особенно это касается масел). Погружной электронагреватель создает в зоне контакта температуру более 100С, что является недопустимым. В случае применения ЭНГЛ пожарная безопасность обеспечивалась в полном объеме, поскольку отсутствовал прямой контакт между источником тепла и нефтепродуктом.
Все вышеизложенное подтверждено результатами исследований на рис. 3.4. Применение ЭНГЛ обеспечивает прогрев всего объема до температур, обеспечивающих слив нефтепродукта. На рис. 3.8. приведены наиболее характерные точки в трех исследуемых сечениях, по которым достаточно полно показан весь процесс подогрева.
Новым этапом экспериментальных исследований явилось их проведение на действующей нефтебазе в группе горизонтальных резервуаров емкостью 50 м3 каждый, предназначенных для хранения масел. Эксперименты проводились на двух резервуарах для хранения автола (АК-15), характеристика которого приведена в табл. 3.4. Переход от модельной жидкости к реальному нефтепродукту позволил оценить более точно процессы теплопереноса, происходящим при разогреве нефтепродуктов в действующих емкостях хранения и железнодорожных цистернах.
При проведении промышленных экспериментов ставились цели оценки процессов теплообмена в емкостях большого объема и исследование возможности циклического режима работы системы электроподогрева. Последнее имеет большое значение при оптимизации управления электроподогревом с учетом тарифов на электроэнергию. В отличие от лабораторной установки при проведении промышленных экспериментов режимы разогрева застывшего нефтепродукта не исследовались. При температуре застывания автола минус 10С, температура в резервуаре не опускалась ниже минус 1С. Диаметр резервуаров 2,6 м, длина 9,6 м. Резервуар оборудовался гибкими лентами ЭНГЛ-180 как показано на рис. 3.9 (всего установлено 47 лент). Внутри резервуара был установлен электроподогреватель (рис. 3.10) на технологическая обвязка и установлены центробежные насосы (рис. 3.11). Внутри резервуара устанавливались термопреобразователи ТСМ-0595, выходной сигнал которых регистрировался приборами «ТЕХНОГРАФ-100». Схема размещения термопреобразователей.показана на рис. 3.12.
В качестве тепловой изоляции была использована стекловата, покрытая снаружи листами оцинкованного железа. Результаты одного из экспериментов, наиболее характерного для проведенной серии, представлен в табл. 3.5 - 3.9.
Условия проведения эксперимента: - начальная температура нефтепродукта минус 0,4С; - температура окружающей среды минус 5С. обозначение контрольных точек на рис. 3.13 - 3.17 соответствуют расположению мест установки термопреобразователей в рассматриваемых сечениях, представленных на рис. 3.12.
Полученные результаты подтверждают предположения, высказанные во второй главе и показывают характер и направление изменения температур в емкостях хранения при использовании ЭНГЛ. Более интенсивный подогрев- происходит в нижней части цистерны (рис. 3.18, 3.19), что будет обеспечивать возможность более раннего слива через нижний сливной прибор (железнодорожной цистерны) или сливной патрубок (горизонтальные и вертикальные резервуары).
