6.2) Теплоизолированные трубопроводы

В некоторых случаях для повышения экономичности эксплуатации горячего трубопровода может оказаться целесообразным покрыть его теплоизоляцией. Изоляция снижает потери теплоты перекачиваемым продуктом, что позволяет сократить число тепловых станций. Правильный выбор материала, конструкции и толщины тепловой изоляции играет важную роль в повышении экономичности горячего трубопровода. Вначале выбирают материал и конструкцию тепловой изоляции, а затем переходят к определению её толщины. Решение последней задачи зависит от принятого критерия оптимальности или условия, которому должно удовлетворять решение (экономические критерии, недопущение застывания продукта при остановках определенной продолжительности, заданные потери теплоты).

Материалы, применяемые для тепловой изоляции, должны обладать следующими свойствами: низким коэффициентом теплопроводности, малой гигроскопичностью, малой плотностью, отсутствием химического взаимодействия с поверхностью трубопровода, негорючестью, биологической инертностью по отношению к плесени, паразитам и грызунам, термостойкостью, способностью многократно выдерживать охлаждение и нагревание, прочностью, долговечностью и однородностью. Кроме того, при выборе теплоизолирующего материала следует стремиться удовлетворить ряд дополнительных требований. Так, например, затраты на изоляцию должны быть невысокими и быстро окупаться, монтаж изоляции должен быть удобен. Обычно не удается удовлетворять все упомянутые требования. Многим требованиям, предъявляемым к изоляции трубопроводов, удовлетворяет тепловая изоляция из пенополиуретана, покрытая синтетическими плепками.

Определение оптимальной толщины изоляции является технико-экономической задачей, и в общем случае весьма сложной, поскольку приходится оптимизировать кроме толщины изоляции еще несколько параметров: температуры на выходе и входе тепловых станций, число подогревательных и насосных станций и т.п. Однако на практике с учетом опыта проектирования и эксплуатации горячих нефтепроводов задача оптимизации может быть упрощена. Во многих случаях температура нагрева Т_Н нефти на тепловых станциях принимается на основании опыта эксплуатации аналогичных трубопроводов или максимально допускаемой технологическими ограничениями (начало разгонки нефти, закоксовывание труб теплообменных аппаратов и т.п.); конечная температура Т_К в конце перегона между тепловыми станциями принимается для высокозастывающих нефтей на (3-5)˚С выше температуры застывания, а для высоковязких нефтей – на основании опыта эксплуатации аналогичных трубопроводов. Следовательно, на перегоне между тепловыми станциями должны быть заданы потери теплоты. Исследования показали, что минимальным расход (масса) изоляции будет, если толщина её на всей длине перегона постоянна. С увеличением толщины изоляции растут капитальные и эксплуатационные затраты на изоляцию, но одновременно снижаются теплопотери и соответственно уменьшается необходимое число тепловых станций и затраты на эти станции. Уменьшение толщины изоляции соответственно уменьшает затраты на изоляцию, но одновременно из-за увеличения потерь теплоты растет число тепловых станций и затраты за них. Оптимальным будет вариант, для которого сумма приведенных затрат на теплоизоляцию и тепловые станции будет минимальной.

В соответствии с формулой В.Г.Шухова для трубопровода длиной L и диаметром D₀ необходимое число тепловых станций

Где

- коэффициент теплопроводности соответственно металла трубопровода и изоляции; D₀ и D_N – соответственно внутренний и наружный диаметры трубопровода;

- толщина изоляции.

Для подземных трубопроводов внешний коэффициент теплоотдачи может быть определен с некоторыми упрощениями по формуле

Тепловое сопротивление на границе нефть-труба и сопротивление металла трубы незначительны по сравнению с тепловым сопротивлением изоляции и грунта, поэтому первыми двумя членами пренебрегаем и после подстановки (1) в (2) получаем

Тогда необходимое число тепловых станций

Расход тепла на нагрев перекачиваемой нефти на каждой тепловой станции

Поверхность нагрева тепловой установки где К_Р – коэффициент резерва теплового оборудования; – тепловое напряжение поверхности нагрева; - к.п.д. тепловых установок.

Стоимость сооружения тепловых станций

Где С_Т – стоимость сооружения тепловых установок, отнесенная к единице поверхности нагрева установки.

Эксплуатационные расходы для тепловых станций

Где α – годовые отчисления на текущий ремонт и амортизацию в долях единицы; а₁ – годовая заработная плата, приходящаяся на одну тепловую станцию; а₂ – расходы на воду, топливо, смазку и т.д. на единицу тепловой мощности станции.

Тогда приведенные затраты по тепловым станциям

=

Где Е – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;

Далее учтем затраты на изоляцию. Капитальные затраты представим в виде

Где V_ИЗ – объем изоляции; ῤ_ИЗ –плотность изоляции; С_ИЗ – стоимость единицы массы изоляции, включающая затраты на её сооружение.

Эксплуатационные расходы на содержание изоляции

Где β₁ – отчисления на амортизацию и текущий ремонт тепловой изоляции; b₁ – затраты, не зависящие от параметров трубопровода.

Тогда приведенные затраты на тепловую изоляцию

Суммарные приведенные затраты

Где

М₂… остальные слагаемые, не зависящие от толщины изоляции.

Приравняв к нулю, получим алгебраическое уравнение относительно

Которое решается численно или графически.

Из анализа уравнение следует, что оптимальная толщина тепловой изоляции не зависит от длины трубопровода и вязкости перекачиваемой жидкости, уменьшается при увеличении глубины заложения, диаметра, пропускной способности трубопровода, стоимости изоляции и увеличивается при увеличении коэффициентов теплопроводности грунта и изоляции.

В случаях если предусматривается циклическая эксплуатация горячих трубопроводов , то необходимо выполнить проверочный расчет для того, чтобы либо выбрать изоляцию такой толщины, которая позволила бы после остановки на заданное время начать перекачку без осложнений, либо оценить время возможной остановки трубопровода при данной толщине изоляции, при котором нефтепродукт по всей длине не охладится ниже заданной температуры.

В настоящее время в мире по описанному способу эксплуатируется около 50 трубопроводов. Одним из самых крупных « горячих» трубопроводов является « Узень – Атырау – Самара ».