Перекачка предварительно подогретых нефтей
Подогрев нефти может быть осуществлен различными способами :
-электроподогревом;
-использованием тепловой интерференции;
-путевым подогревом паром или теплоносителем;
-предварительным подогревом нефти.
Выбор варианта и способа перекачки должен быть обоснован технико-экономическим расчетом.
Применение электроподогрева, тепловой интерференции, путевого подогрева может быть осуществлено в основном на коротких трубопроводах (нефтебазы, заводы).
Наиболее распространенным способом трубопроводного транспорта вязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов в настоящее время является перекачка предварительно нагретых жидкостей или так называемая горячая перекачка. При этом нефть нагревают до определенной температуры в начале трубопровода в специальных печах (теплообменниках) и насосами закачивают в магистраль. Через каждые 25-50 км по длине трассы трубопровода устанавливают промежуточные тепловые станции (ТС) , где остывшая при движении по трубопроводу нефть снова подогревается и т.д. При необходимости через каждые 50-100 км сооружаются промежуточные насосные станции, которые, как правило, совмещают с ТС. На ТС можно подогревать всю перекачиваемую нефть или ее часть, нагревая до более высокой температуры, а затем смешивать с основным потоком доводя до расчетной температуры.
Принципиальная технологическая схема “горячего” нефтепровода приведена на данном рисунке.
Перекачка нефти по «горячим» трубопроводам ведется с помощью обычных центробежных насосов. Это связано с тем, что температура перекачиваемой нефти достаточно высока, и поэтому ее вязкость невелика. При выталкивании остывшей нефти из трубопроводов используются поршневые насосы, например марки НТ-45. Для подогрева нефти используют радиантио-конвекционные печи, КПД которых достигает 77 %,
В настоящее время в мире эксплуатируются более 50 «горячих» магистральных трубопроводов. Крупнейшим из них является нефтепровод «Узень-Гурьев-Куйбышев».
6.1) Оборудование для подогрева нефти
Для подогрева нефти и нефтепродуктов на насосно-тепловых и тепловых станциях используют подогреватели различных конструкций. Резервуары головной станции оборудуют трубчатыми подогревателями ( змеевиковыми или секционными) для для предварительного подогрева нефти. Цель этого подогрева – снизить вязкость нефти до уровня, достаточного для выкачки ее из резервуара с заданным расходом; нагрев в резервуаре до температуры перекачки по трубопроводу нецелесообразен из-за больших потерь тепла от стенок резервуара в окружающую среду и увеличения потерь легких фракций за счет усиленного испарения при подогреве. В качестве теплоносителя применяется обычно водяной пар. Для снижения потерь теплоты резервуары можно оборудовать тепловой изоляцией.
Подогрев до температуры перекачки производится в паровых или огневых подогревателях. Наибольшее распространение получили многоходные теплообменники с плавающей головкой. Нефть в них проходит по трубам, а пар пар пропускают через затрубное пространство. Такое распределение потоков повышает коэффициент теплопередачи и уменьшает габориты теплообменника. Обычно на станциях устанавливают несколько теплообменников, которые модно включать последовательно и параллельно.
При подогреве нефти в теплообменниках наряду с контролем температуры нефти необходимо вести тщательный контроль за чистотой выходящего из подогревателей конденсата. Попадание в него нефти свидетельствует о неисправности теплообменника и следует немедленно прекратить подачу в теплообменник нефти. На горячих нефтепроводах широко применяют и огневые подогреватели ( впервые в СССР – Узень-Гурьев-Куйбышев ). Они представляют собой печи, топливом для которых может быть газ, перекачиваемый продукт или нефть. Рассмотрим принципиальную схему радиантно-конвекционной печи для подогревы нефти , представленную на следующем рисунке.
Все пространство печи, смонтированной в металлическом каркасе 1, разделено на две зоны: радиантную 1 и конвекционную 11. Радиантная зона в свою очередь разделена на две части стенкой 2 из огнеупорного кирпича, размещенной вдоль оси печи. В нижней части печи установлено по шесть форсунок 5 с воздушным распылением топлива. Топливом на нефтепроводе Узень-Гуйрев-Куйбышев является транспортируемая нефть. Однако форсунки являются газомазутными, что позволяет сжигать с их помощью и газообразное топливо. Воздух к форсункам подается по трубопроводу 6. Для предотвращения разрушения печи от «хлопка», возникающего при возобнавлении подачи топлива после кратковременного перерыва, в печи имеются хлопушки 3, у которых при ударной волне вылетают крышки 15. В радиантной зоне печи на кранштейнах 4 уложены трубы 11 змеевика, по которому течет нефть. Нагрев нефти в этой зоне осуществляется за счет конвекции. Из конвективной зоны печи продукты сгорания через дымовую трубу 8 выбрасываются в атмосферу. Регулирование разряжения (тяги) в печи осуществляется с помощью шибера7. Змеевиковые трубы в конвективной камере закреплены в средней 9 и торцовой 10 трубных решетках. Стены печи покрыты изнутри огнеупорной обмуровкой 13, а снаружи тепловой изоляцией 12. Для обслуживания печи, высота которой без дымовой трубы достигает 10,5м, установлена лестница 14. Для наблюдения за состоянием конвективных труб и их очистки при накоплении на них сажин, существенно снижающей коэффициент теплопередачи, предусмотрены люки с крышками 1б.
Система приборов контроля и автоматики позволяет оператору следить за ходом процесса подогрева нефти и обеспечивает автоматическую защиту печи при нарушении заданного технологического режима. Присутствие обслуживающего персонала во время работы печи обязательно. Пропускная способность одной печи составляет 600 м³/ч, при этом нефть нагревается от 30 до 65˚С.Максимальное рабочее давление нефти на входе в змеевик не должно превышать 6,5 Мпа. Мощность печи составляет 10500 кВт, а к.п.д достигает 0,77, что свидетельствует о высокой тепловой эффективности печи.
Подогрев нефти на насосно-тепловых и тепловых станциях накладывает ограничения на конструкцию и эксплуатационную гибкость горячих трубопроводов. Так, из-за ограничения температуры подогрева нефти условиями нормальной работы теплообменных аппаратов в ряде случаев расчетное расстояние между тепловыми станциями может оказаться небольшим, что вынуждает увеличивать их число и соответственно приводит к повышению капитальных затрат. Длительная остановка перекачки может привести к застыванию нефти в трубопроводе, и в этом случае возобновление перекачки связано с большими затратами. Указанные недостатки могут быть устранены применением путевого подогрева горячего нефтепровода. Для коротких трубопроводов получил распространение путевой подогрев с помощью трубопроводов-спутников, представляющих собой трубопроводы малого диаметра, уложенные параллельно нефтепроводу и прилегающие к нему (на нефтепровод и горячий водопровод накладывается общий на них теплоизоляционное покрытие) ;по ним перекачивается горячая вода.
Перспективным является электроподогрев трубопровода с использованием скин-эффекта. Как известно, при пропуске переменного тока по стальной трубе он не распределяется равномерно по поперечному сечению стенки трубы, а концентрируется из-за скин-эффекта ближе к внутренней поверхности трубы. Глубина концентрации тока зависит от частоты последнего. Однако благодаря высокой электропроводности стали в ней даже при промышленных частотах переменного тока в высокой степени проявляется скин-эффект. Так, при частоте 50 Гц глубина скин-эффекта (основной показатель интенсивности этого явления, показывающий, какой толщиной металла, измеряемой от его поверхности, ограничена зона прохождения тока) составляет для стали всего 1 мм.
Система для подогрева трубопровода с помощью скин-эффекта включает нефтепровод 1 (рис. 8.5), к которому вплотную прилегает нагревательная труба 2 диаметром от 6 до 40 мм; внутри трубы проходит медный кабель 3 с поперечным сечением проводников от 8 до 60 мм2.Кабель имеет теплостойкую изоляцию. Источник переменного тока промышленной частоты присоединен с одной стороны к внутреннему кабелю и с другой - ко второму кабелю 4, конец которого присоединен к нагревательной трубе. Второй конец внутреннего кабеля присоединен к противоположному от источника тока концу нагревательной трубы. Поскольку электрический ток концентрируется в очень малой по площади поперечного сечения зоне трубы, сопротивление трубы возрастает и выделяется большое количество теплоты. Обычно 80-90% общего количества теплоты, выделяемой в контуре, генерируется в нагревательной трубе, а остальное – во внутреннем кабеле. Нефтепровод и нагревательная труба покрыты общей теплоизоляцией. Нагревательный трубопровод приварен к нефтепроводу и теплота, генерируемая в нагревательном трубопроводе, свободно переходит в нефтепровод. В то же время, поскольку ток проходит только по внутренней поверхности нагревательного трубопровода, он может быть заземлен.
Такая система путевого подогрева обладает высоким К.П.Д., так как теплота от нагревательной трубы и внутреннего кабеля идет на нагрев нефтепровода. По данным испытаний разность температур нагревательной трубы и нефтепровода не превышает 283К , выход теплоты составляет от 15 до 150 Вт на 1 м для одной нагревательной трубы. На трубопроводах большого диаметра можно укладывать несколько нагревательных труб.