Введение к работе
Актуальность работы. В технологии обезвоживания и обессоливания эмульсионных нефтей на промыслах важное место занимает ее нагрев до температур 5090С, который осуществляют в специализированных огневых подогревателях прямого (через разделяющую стенку) и косвенного (с использованием промежуточного жидкого теплоносителя) нагрева. Подогрев нефти осуществляется и для снижения вязкости при ее транспорте по нефтепроводам.
Свойства нефти и водонефтяной эмульсии как теплоносителей и условия эксплуатации подогревателей на нефтепромыслах, обычно удаленных от индустриальных районов, обусловливают ряд специальных требований, предъявляемых к нагревательным устройствам. Среди них – надежность и пожаробезопасность, минимальный вес и объем, высокая заводская готовность подогревателей, их энергоэффективность, недопущение образования отложений на стенках труб продуктовых змеевиков в процессе работы.
Выпускаемые отечественными заводами и зарубежными фирмами подогреватели нефти и нефтяной эмульсии имеют блочную компоновку, что удобно для транспортировки и монтажа, широкий спектр единичных тепловых мощностей (до 10 МВт) и относительно низкий тепловой КПД (до 7080%). Недостатком большинства устройств является высокая металлоемкость и громоздкость. В наибольшей степени этот недостаток свойственен пожаробезопасным подогревателям косвенного нагрева, где используются две поверхности теплопередачи – стенка жаровой трубы, через которую передается теплота от продуктов сгорания топлива к промежуточному жидкому теплоносителю и стенка продуктового змеевика, через которую передается теплота от промежуточного теплоносителя к нефти или водонефтяной эмульсии.
В современных рыночных условиях, когда снижение затрат топлива на нагрев нефти в технологии ее подготовки на промыслах экономически востребовано, и когда ресурсосбережение становится одним из условий успешного хозяйствования, необходимым является разработка способов и средств, позволяющих уменьшить металлоемкость, повысить компактность и энергоэффективность подогревателей. Отсюда вытекает важность и актуальность решаемых в диссертации задач.
Целью диссертационной работы является улучшение характеристик подогревателей нефти и нефтяной эмульсии на основе разработки компактных поверхностей теплопередачи с интенсифицированным теплообменом и применения комбинированного нагрева.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
проведение сравнительного анализа прямого и косвенного нагрева нефти и нефтяной эмульсии;
разработка концепции комбинированного нагрева;
разработка нового компактного продуктового змеевика;
экспериментальное исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в поворотных камерах нового змеевика;
проведение расчетно-теоретических исследований для определения оптимального диаметра жаровой трубы и максимально–допустимой температуры продуктов сгорания топлива, натекающих на продуктовый змеевик в подогревателях комбинированного нагрева;
проведение заводских испытаний подогревателя комбинированного нагрева с улучшенными характеристиками.
Научная новизна работы:
обоснованы преимущества комбинированного нагрева и установлены условия его осуществления в подогревателях нефти и нефтяной эмульсии;
по результатам экспериментального исследования получена зависимость для коэффициента гидравлического сопротивления поворотов нового компактного продуктового змеевика в области изменения чисел Рейнольдса от 200 до 104;
экспериментальным путем выявлены закономерности теплообмена потока в поворотных камерах нового компактного продуктового змеевика при числах Рейнольдса до 104; получена зависимость для расчета теплообмена в поворотных камерах;
по результатам технико-экономического анализа определены оптимальные параметры жаровых труб подогревателей.
Практическая значимость работы заключается в разработке нового компактного продуктового змеевика (патент на изобретение №2382973) для подогревателей. Установленные зависимости для коэффициента сопротивления и для числа Нуссельта поворотных камер предложенного нового змеевика рекомендованы к использованию в проектных расчетах. Показано, что применение разработанного нового компактного продуктового змеевика и жаровой трубы с оптимальным диаметром обеспечивают существенное улучшение удельных массогабаритных характеристик подогревателей.
Проведены заводские испытания головного серийного подогревателя нефтяной эмульсии комбинированного нагрева с оптимальным диаметром жаровой трубы и интенсифицированным теплообменом продуктов сгорания топлива, которые подтвердили правильность разработанных в диссертации рекомендаций по проектированию. Совокупность полученных закономерностей и количественных зависимостей, расчетных методик и рекомендаций составляют теоретическую основу создания подогревателей комбинированного нагрева с улучшенными характеристиками.
Полученные в работе результаты использованы в ОАО «Завод «Нефтемаш» в г. Сызрани при разработке типоразмеров нового подогревателя нефти типа ПНК комбинированного нагрева тепловой мощностью 0,63, 1,9 и 3 МВт и в ОАО «Завод «Нефтегазмаш» в г. Саратове при разработке промысловых подогревателей воды типа ВАР с номинальной тепловой мощностью 60, 300 и 900 кВт. Подогреватели имеют улучшенные характеристики по отношению к известным аналогам и при испытаниях показали высокую энергоэффективность.
Результаты диссертационного исследования приняты к использованию в проектах промысловых подогревателей нефти, которые в настоящее время разрабатываются в ОАО «Завод «Нефтегазмаш», г. Саратов.
Результаты исследования используются в Саратовском ГТУ им. Гагарина Ю.А. при чтении специальных учебных дисциплин для магистров и бакалавров по направлениям подготовки «Теплоэнергетика», «Технологические машины и оборудование», организации научно – исследовательской работы аспирантов и студентов, в дипломном проектировании.
На защиту выносятся:
результаты сравнительного анализа характеристик подогревателей прямого и косвенного нагрева; концепция подогревателей с комбинированным нагревом продукции скважин;
разработанная конструкция нового компактного продуктового змеевика (патент на изобретение РФ № 2382973) для использования в качестве поверхности теплопередачи;
результаты экспериментальных исследований гидравлического сопротивления и теплообмена потока в поворотных камерах с нишами;
результаты расчетно-теоретического исследования по определению оптимальных конструктивных характеристик жаровой трубы и максимально–допустимой температуры продуктов сгорания топлива, натекающих на продуктовый змеевик в подогревателе комбинированного нагрева;
результаты заводских испытаний головного образца подогревателя типа ПНК комбинированного нагрева, имеющего улучшенные характеристики.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается использованием фундаментальных закономерностей гидромеханики, технической термодинамики и теплопередачи. При выполнении экспериментальных работ использовались поверенные и оттарированные измерительные средства. Методики измерений и обработки опытных данных проверялись на адекватность путем проведения тестовых опытов на хорошо изученных объектах и сравнением полученных результатов с данными других авторов. Разработанные рекомендации и полученные расчетные зависимости нашли подтверждение при заводских испытаниях серийных подогревателей.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения» (Саратов, 2010); VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов акад. РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассобмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, сентябрь 2010); Седьмой Международной теплофизической школе «Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (Тамбов, сентябрь 2010); Четвертой Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», (Москва, октябрь 2011); Международной научно-технической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» (Воронеж, сентябрь 2011); Третьей Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, май 2012); Восьмой Международной теплофизической школе «Теплофизические исследования и измерения в энерго- и ресурсосбережении и при контроле и управлении качеством процессов, продукции и услуг» (Таджикистан, Душанбе, октябрь 2012); VIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, октябрь 2012); Шестой школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика» (Москва, октябрь 2012); конференции «Проблемы теплоэнергетики» (Саратов, октябрь 2012); II-ой Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (Курск, декабрь 2012); VI Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, апрель 2013); Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технология. Производство-2013» (Салават, май 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на изобретение № 2382973.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии из 109 наименований, из них 9 зарубежных работ, изложена на 119 страницах, содержит 46 рисунков, 4 таблицы, 8 приложений. Общий объем работы составляет 145 страниц.
