Раздел 2. Тепловой расчёт технологических установок промысловой подготовки нефти [28].

2.1 Общие положение теплового расчёта.

Одним из важных условий для обеспечения требуемых качеств продукции объектов промысловой подготовки являются соблюдение соответствующих температурных режимов. Как правило, это может достигаться только при соответствующем тепловом расчёте. Он позволяет, не прибегая к экспериментам, с достаточной для многих целей точностью определять ряд важных параметров в том числе:

а) температуры рабочих тел и потоков, различных узлах и точках технологических линий при различных режимов;

б) расходы топливно- энергетических ресурсов, как на отдельные операции, так и на технологические процессы в целом;

в) энергетические балансы технологических узлов, блоков и установок;

г) нормативные величины удельных расходов топливно- энергетических ресурсов с дифференциацией по ряду признаков;

д) эффективность использования технологического оборудования, работа которого связана с использованием топливно- энергетических ресурсов.

Как известно, с такими «тепловыми» параметрами, как температуры сред и тепловые потоки, практических во всех звеньях технологических процессов на объектах промысловой подготовки нефти неразрывно также связаны технологические параметры, как скорость нагрева или охлаждения, вязкость различных сред и потоков, скорость осаждения, эффективность химических реагентов, упругость паров, доля отгона и др.

Следовательно, объективность результатов тепловых расчётов в значительной степени способствуют повышению эффективности использованию оборудования, материальных и технических ресурсов, а также получения необходимого качества получаемой продукции. По результатам тепловых расчётов можно, не прибегая к экспериментам, определять ряд перечисленных выше параметров и характеристик при изменениях режимов работы оборудования, расхода, водосодержания и качества сырья, а также внешних условий и др. Сопоставляя эти результаты с другими, например, номинальными (паспортными) параметрами работы выбранного оборудования (при проектных расчётах) или установленного оборудования (при поверочных расчётах), можно более объективно судить о его соответствии имеющимся условиям (печи, теплообменники, конденсаторы, отстойники и др.).

Тепловые расчёты объектов подготовки нефти можно вести двумя методами: аналитическим и методом последовательных приближений.

Аналитический метод основывается на составлении и совместном решении уравнений материального и теплового баланса установок и уравнений, описывающих интенсивность теплообмена в них. При расчёте этим способом получаются громоздкие системы уравнений, требующие значительной траты времени для вычислений. При изменении технологического режима (технологических параметров) рассчитываемой установки система уравнений пересматривается или составляется заново. В расчётной практике аналитический метод может быть применён только в простейших случаях. При расчёте сложных схем (практически всех объектов подготовки нефти) неизбежно принятие ряда допущений, что существенно снижает преимущества метода. Метод последовательных приближений даже при ряде допущений позволяет получать результаты с точностью, вполне достаточной для подавляющего большинства случаев. Поэтому он является более предпочтительным.

Последовательность теплового расчёта определяется поставленной целью. В принципе все возникающие при этом задачи можно разделить на следующие два вида:

1. Для проектируемого объекта с заданными значениями технологически параметров (производительность, распределение температур, количество сырья и готовой продукции) выбрать состав и определить количество единиц теплотехнического оборудования. Лимитирующими факторами являются технологические параметры: расход, качество и температура поступающего на обработку сырья, температуры технологических процессов, количество и температура промывочной воды, ассортимент готовой продукции.

2. Для существующего объекта необходимо определить допускаемые значения расходов и распределение температур в технологической цепи при изменениях водосодержания, температуры поступления сырья и количества пресной воды, вводимой в нефть, без изменения состава и количества находящегося в работе теплотехнического оборудования. Ограничивающими (лимитирующими) факторами являются тепловая мощность генераторов тепла и размеры рабочих поверхностей теплообменной аппаратуры.

В первом случае в качестве исходных принимаются параметры, обеспечивающие заданный технологический режим работы установки: расходы и качество теплоносителей, температуры в отдельных точках, узлах и блоках, обеспечивающие осуществление технологических процессов. Величинами, подлежащими определению, являются граничные температуры греющих теплоносителей, типы и количества применяемого оборудования. Поэтому расчёт целесообразно вести в последовательности «от температур низких к температурам высоким».

Во втором случае исходным параметром является тепловая мощность генератора тепла (печь, котел, котельная). Решая уравнения материального баланса и теплообмена, определяются граничные температуры в частях и узлах технологической схемы в последовательности «от температур высоких к низким». Последовательность расчёта узлов теплообменников определяется наличием заданных параметров, значения которых должны выдерживаться при любых условиях работы. Например, таковыми являются температуры нефти в аппаратуре по её обезвоживанию и обессоливанию, а также готовой продукции, уходящей из установки. Совершенно очевидно, что эти температуры определяются из условия осуществления отдельных технологических операций и достижения необходимого качества получаемой продукции. Остальные температуры являются зависящими от названных. Исходя из этих заданных температур, тепловой мощности генератора тепла, размеров рабочих поверхностей теплообменников и особенностей технологической схемы, методом последовательных приближений определяются допускаемые условия работы установки.

В обоих рассматриваемых случаях теплового расчёта составляются тепловые балансы отдельных узлов, участков или блоков и проверяется их увязка. Неувязка балансов допускается в пределах не более двух процентов. Если это условие не соблюдается, расчёты повторяют, задаваясь другими значениями температур. При увязке балансов отдельных узлов и блоков составляется тепловой баланс всей установки с учётом неизбежных потерь теплоты в окружающую среду. Сходимость общего теплового баланса установки является подтверждением правильности проведённых расчётов.

К существенной экономии времени приводит использование для данной цели компьютеров и специально составленных программ, что даёт возможность проводить анализ нескольких возможных режимов или вариантов, а также оценивать влияние ряда факторов. В сочетании с данными, приведенными в технической литературе - это существенно повышает возможности расчетного метода и надежность получаемых результатов, так как при этом могут учитываться практически все влияющие факторы, в том числе: теплофизические и реологические характеристики сырья, поступающего на обработку, а также изменение этих параметров под влиянием каких-либо причин; режимы течения нагреваемых или охлаждаемых потоков в теплообменной аппаратуре; количество теплообменной аппаратуры включенной в работу, а также условия его эксплуатации (периодичность выведения в ремонт, промывку, чистку и др.)

особенности технологических схем объектов, протяжённость коммуникаций;

сезонность, т.е. влияние времени года и др.

Изложенная выше методика позволяет также учитывать особенности теплофизических свойств нагреваемых обводненных нефтяных жидкостей, в большинстве своём представляющих водонефтяные эмульсии, которым, как известно, присущи ряд специфических свойств, учитываемых посредством специальных формул и методик.