Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

При хранении нефти и нефтепродуктов на нефтебазах подогрев в резервуарах на протяжении исторического развития технологий транспорта и хранения осуществлялся различными способами, некоторые из которых уже вышли из применения, некоторые продолжают применяться и совершенствоваться. Несмотря на развитие трубопроводного транспорта, доли парафинистых и высокосмолистых высоковязких нефтей и нефтепродуктов (НиНП) в общем объеме транспортируемых грузов сравнительно не велика. Это объясняется рядом трудностей, связанных с особенностями свойств высоковязких и застывающих НиНП. Перекачка их осложняется в связи с высокой температурой застывания НиНП, и необходимостью внедрения усиленной теплоизоляции или подогрева емкостей для хранения нефти. Если вязкость возрастает вследствие понижения температуры, то усложняется пуск нефтепровода после остановки и возможно снижение пропускной способности нефтепровода.

Исследование

Несмотря на развитие трубопроводного транспорта, доли парафинистых и высокосмолистых высоковязких нефтей и нефтепродуктов (НиНП) в общем объеме транспортируемых грузов сравнительно не велика. Это объясняется рядом трудностей, связанных с особенностями свойств высоковязких и застывающих НиНП. Перекачка их осложняется в связи с высокой температурой застывания НиНП, и необходимостью внедрения усиленной теплоизоляции или подогрева емкостей для хранения нефти. Если вязкость возрастает вследствие понижения температуры, то усложняется пуск нефтепровода после остановки и возможно снижение пропускной способности нефтепровода.

Перекачка и хранение НиНП, вязкость которых и содержание парафина в них изменяются в широких пределах, имеет свои особенности. При перекачке, сливе и наливе высоковязких и высокозастывающих нефтей требуется подогревать или смешивать их с маловязкими и низкозастывающиминефтями и компонентами.

Номенклатура нефтей и нефтепродуктов, которые необходимо подогревать в основном определяется:

-    физическими свойствами НиНП (вязкостью, крутизной вязкостной кривой, пределом текучести, склонностью выделения парафина и отложения его на стенках трубопровода;

-    гидравлическими условиями (длиной нефтепровода, температурным режимом трассы, непрерывностью перекачки).

Прокачиваемость нефти зависит от содержания в ней парафина, который кристаллизуется при снижении температуры ниже 50 °С, нефтепродуктов - от их реологических свойств. Чтобы иметь возможность сливать НиНПиз резервуара в  трубопровод, необходимо повысить их текучесть путем снижения вязкости. На нефтебазах применяется в основном один способ снижения вязкости  - их подогрев.

Кроме технических проблем подготовка к приему и отгрузке НиНП на нефтебазах связана со значительными экономическими затратами, которые увеличивают издержки обращения на их перевалку и реализацию.

В качестве теплоносителей применяются: горячая вода; водяной насыщенный пар; горячие газы и электроэнергия.

Горячая вода применяется в случаях, когда ее имеется в большом количестве. Но применяется она редко, так как теплосодержание воды в 5-6 раз меньше теплосодержания насыщенного пара.

Водяной пар имеет наибольшее применение, так как обладает высоким теплосодержанием, хорошей теплоотдачей, легко транспортируется, не представляет пожарной опасности. Обычно используют насыщенный пар давлением 0,3-0,4 МПа (3—4кг/см2).

Горячие дымовые газы имеют ограниченное применение, так как они отличаются от других теплоносителей малым теплосодержанием, низким коэффициентом теплоотдачи и малой объемной удельной теплоемкостью, и поэтому требуется их выработка в больших количествах.

Электрическая энергия — наиболее прогрессивный, но в то же время наиболее дорогой теплоноситель на современном этапе. Но благодаря ряду своих преимуществ: возможности передачи на большие расстояния, простоте конструкции подогревателей, высокой технической эстетике и культуре производства и других качеств.

Для обеспечения возможности транспорта и хранения парафинистых и высокосмолистых высоковязких НиНП в условиях нефтебаз и магистральных насосных станций применяются следующие способы подогрева:

- подогрев острым паром. Этот метод заключается в том, что в подогреваемую жидкость подается водяной пар. Перемешиваясь с разогретой жидкостью и конденсируясь в ней, водяной пар отдает свою теплоту, одновременно обводняя продукт и понижая его вязкость;

- внутренний подогрев. Подогревательными устройствами внутри резервуаров служат змеевиковые или секционные подогреватели, устанавливаемые в нижней части резервуара;

- рециркуляционный подогрев. Подогрев высоковязкихНиНП методом рециркуляции является более эффективным, чем внутренний подогрев. При рециркуляционном подогреве НиНП откачивается насосом из нижней части резервуара, пропускается через внешний подогреватель и по напорному трубопроводу подается в нижнюю часть резервуара к центру или в сторону, противоположную отбору продукта;

- наружный подогрев. Данный вид подогрева применяется в случае, если недопустим контакт продукта с теплоносителем или греющей поверхностью. Конструктивные решения могут быть различными: нагревательные рубашки, змеевики вокруг резервуара или нагревательные элементы из труб, которые крепятся или привариваются к резервуару;

- электроподогрев. В настоящее время разработан комплекс различного электронагревательного оборудования: грелки для подогрева нефтепродуктов в железнодорожных цистернах; блок электронагревателей резервуарный и отдельные конструкции грелок для подогрева нефтепродуктов в резервуарах; грелки для подогрева нефтепродуктов в приемо-раздаточных патрубках резервуаров.

Одним из первых способов нагрева и остающимся самым распространенным на данный момент является обогрев открытым острым паром, подаваемым непосредственно в продукт. Его отличает относительная простота и большое количество недостатков:

-          необходимость в больших человеческих и технологических ресурсах;

-          отсутствие возможности регулировки температуры продукта;

-          проблема возврата водяного конденсата, неизбежно образующегося при использовании пара;

-          высокая температура опасна для персонала;

-          низкий коэффициент полезного действия;

-          возникает необходимость в получении большого количества пара, что влечет дополнительные затраты.

Для снижения количества недостатков применения открытого острого пара при подогреве продукта в стальных вертикальных резервуарах предлагается следующая методика расчёта теплопотерь и расхода пара.

Расчет теплопотерь целесообразно вести по участкам, отличающимся условиями теплообмена между нефтепродуктами и окружающей средой.

Для стального вертикального цилиндрического резервуара можно выделить следующие участки:

- крыша резервуара (теплообмен между нефтепродуктом и наружным воздухом через газовоздушную прослойку над свободной поверхностью нефтепродуктом);

- боковую поверхность резервуара (теплообмен между нефтепродуктом и наружным воздухом);

- днище резервуара (теплообмен между нефтепродуктом и грунтом) [1].

Уравнение баланса тепловых потоков от крыши резервуара аналогично уравнению для палубы судна с одинарными бортами и днищем [2,3]

 

                                   (1)

 

где - поток тепловых потерь (ПТП) от нефтепродукта к внутренней поверхности крыши резервуара, Вт/м²; - ПТП от нефтепродукта к внутренней поверхности крыши резервуара при конвекции, Вт/м²;- ПТП через изоляцию, слой загрязнений крыши резервуара, Вт/м²;  - ПТП конвекцией от крыши в наружный воздух Вт/м²;  - ПТП излучением от крыши в наружный воздух Вт/м²; - ПТП от солнечной радиации, Вт/м²; - коэффициент, учитывающий экранирующее влияние облачности.

Уравнение баланса тепловых потоков [2,3]:

 

,                                   (2)

 

где - ПТП от нефтепродукта к боковой поверхности резервуара, Вт/м²; - ПТП через изоляцию, слой загрязнений Вт/м²;  и - ПТП конвекцией и излучением от боковой поверхности, Вт/м²;  - ПТП от солнечной радиации, Вт/м²; - коэффициент, учитывающий экранирующее влияние облачности.

Уравнение баланса тепловых потоков через днище резервуара:

 

,                                                            (3)

 

где  - ПТП от нефти к поверхности днища, Вт/м²; - ПТП от поверхности днища в грунт, Вт/м².

Для расчета теплопотерь нефтепродукта в окружающую среду целесообразно использовать величину среднего коэффициента теплопередачи kср, Вт/(м²∙К) [2,3]:

 

    (4)

 

где ,, ,  - коэффициенты теплопередачи соответственно через крышу, боковую поверхность омываемую нефтепродуктом, боковую поверхность не омываемую нефтепродуктом, днище резервуара, Вт/(м²∙ К); Н - высота резервуара, м; d - диаметр резервуара, м; Тн – температура нефтепродукта, K; Твоз – температура окружающего воздуха, K, Тг – температура грунта, K, Hвз- высота взлива нефтепродукта в резервуаре, м.

Методом аппроксимации результатов численного решения уравнений баланса тепловых потоков получено полуэмпирическое выражение среднего коэффициента теплопередачи применительно к вертикальным стальным резервуарам:

 

  (5)

 

Уравнение теплового баланса нефтепродукта в резервуаре:

 

                                          (6)

 

где Gн - масса нефтепродукта, кг; Сн- удельная теплоемкость нефтепродукта, Дж/(кг∙К); = m- средний темп подогрева нефтепродукта, К/c, Qпг - тепловая нагрузка подогревателя, Вт; Нвз- высота взлива в резервуаре, м; Тн – температура нефтепродукта, К; Твоз – температура окружающего воздуха,К; Fобщ - площадь наружной поверхности резервуара, м².

Если ввести безразмерные переменные , то получим

 

,                                        (7)

              (8)

  (9)

        (10)

 

где А3, В3 – безразмерные коэффициенты.

Средний расход пара  на подогрев нефтепродукта:

 

                   (11)

 

где D – средний расход пара на подогрев нефтепродукта в резервуаре (кг/c), m - средний темп подогрева нефтепродукта, К/c; hх, hк – энтальпии пара на входе и конденсата на выходе из подогревателя резервуара, Дж/кг.     

Заключение. Уравнение 11 позволяет рассчитать средний расход пара на подогрев нефтепродукта в зависимости от теплопотерь нефтепродукта в окружающую среду, которые определяются с учётом среднего коэффициента теплопередачи через элементы резервуара. Применение полученных уравнений в практике должно привести к возможности регулирования температуры подогреваемого продукта за счёт дозирования необходимого расхода пара для достижения заданной температуры.

Рецензенты:

Земенков Ю.Д., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Транспорт углеводородного сырья» ФГБОУ ВО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;

Торопов С.Ю.,д.т.н., профессор кафедры «Транспорт углеводородного сырья» ФГБОУ ВО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.