2.3.7.2. Применение тепловой изоляции

Одним из методов уменьшения затрат на подогрев перекачиваемой нефти является применение тепловой изоляции. В результате этого величина полного коэффициента теплопередачи уменьшается и, следовательно, при прочих равных условиях требуется меньшее число пунктов подогрева.

При использовании тепловой изоляции вначале выбирают материал и конструкцию тепловой изоляции, а затем переходят к определению ее толщины.

Материалы, применяемые для тепловой изоляции, должны обладать следующими свойствами: 1) малым коэффициентом теплопроводности; 2) низкой влагоемкостью и гигроскопичностью; 3) малой плотностью; 4) негорючестью; 5) биологической инертностью по отношению к плесени, паразитам и грызунам; 6) термостойкостью; 7) способностью многократно выдерживать охлаждение и нагрев; 8) прочностью и 9) долговечностью. Кроме того материал тепловой изоляции должен быть дешев и недефецитен. Этим требованиям в основном удовлетворяют пенополиуретан, пенополистирол, минеральная вата, стекловолокно, вермикулит, газобетон и другие материалы.

Наибольшее распространение при изоляции “горячих” магистральных трубопроводов в нашей стране и за рубежом получили пенополиуретаны (ППУ). Пенополиуретан стоек к нефти и ко всем видам нефтепродуктов, надежно работает в интервале температур от 80 до 400 К, обладает высокими теплоизоляционными свойствами и механической прочностью, малой водо- и паро-проницаемостью, повышенной адгезией к различным материалам.

Для образования ППУ необходим ряд компонентов. Основные из них - это эфир изоциановой кислоты (два типа: МДИ или ТДИ) и многоатомные спирты. При смешении этих двух компонентов в результате экзотермической реакции получают уретан. Чтобы получить ППУ необходимы агенты, непосредственно не участвующие в реакции, но способствующие образованию пор и приданию им правильной формы. Для порообразования используют низкокипящие жидкости, испаряющиеся при температуре изотермической реакции с образованием СО₂ (например, “рефрижерант 11”). Реакция образования ППУ протекает при обильном выделении СО₂, вследствие чего получающаяся масса вспенивается, расширяясь в 20...30 раз, а затем затвердевает.

Под агентами, контролирующими форму пор, подразумеваются добавки, благодаря которым не менее 90% пор закрыты, что повышает изоляционные свойства ППУ.

В нашей стране и за рубежом разработано много марок пенополиуретана, которые различаются соотношением компонентов наполнителей при получении ППУ. Это - ППУ-3С, ППУ-3Н, ППУ-17Н и др. (Россия), “Мобей” (США), “Байер” (Великобритания).

Соответствующая ППУ конструкция тепловой изоляции представляет собой концентрическую оболочку теплоизоляционного материала, покрытую защитным кожухом из полиэтилена, рубероида, бризола, экструдированного пластика, листовой стали или алюминия.

Как уже отмечалось, применение тепловой изоляции на магистральных трубопроводах позволяет сократить число пунктов подогрева и, следовательно, снизить затраты на их сооружение и эксплуатацию. Причем, чем толще тепловая изоляция, тем меньше число таких станций. Однако с увеличением толщины изоляции растут затраты уже на ее сооружение и эксплуатацию. Таким образом, для определения толщины тепловой изоляции требуется решить технико-экономическую задачу.

Рассмотрим стационарный режим эксплуатации “горячего” теплоизолированного трубопровода (расход Q, начальная и конечная температура перекачиваемой жидкости не изменяются во времени). Для определения толщины тепловой изоляции надо выразить через нее стоимость сооружения и эксплуатации как теплоизоляционного покрытия, так и пунктов подогрева.

Величина полного коэффициента теплопередачи для теплоизолированного трубопровода без внутренних отложений описывается формулой (2.15). Для подземных магистральных трубопроводов в общем случае ₂ находится с учетом сопротивления теплопереходу на границе “грунт-воздух” по формуле (2.16).

Тогда

. (2.38)

Для подземных магистральных трубопроводов с малой погрешностью двумя первыми слагаемыми в правой части (2.15) можно пренебречь. Тогда с учетом (2.38) его можно представить в виде

, (2.39)

где ;

.

С учетом данного выражения требуемое число пунктов подогрева составит

. (2.40)

Выразим величины капитальных и эксплуатационных расходов на подогрев.

Стоимость пункта подогрева пропорциональна площади поверхности нагрева тепловых установок F_т и равна

(2.41)

где _т - стоимость 1 м² поверхности нагрева с учетом стоимости

вспомогательного оборудования и зданий тепловых установок.

Общая поверхность нагрева тепловых установок составляет

,

где Q_т - затраты тепла на нагрев перекачиваемой нефти на каждом пункте подогрева;

q₁ - теплоотдача 1 м₂ поверхности тепловой установки;

_т - к.п.д. тепловых установок;

_р - коэффициент их резерва.

Нетрудно видеть, что величина не зависит от диаметра тепловой изоляции.

Эксплуатационные расходы по одному пункту подогрева складываются из амортизационных отчислений , а также заработной платы персонала и расходов на топливо, воду, смазку

, (2.42)

где _тс - норматив амортизационных отчислений для пунктов подогрева;

А₁ - эксплуатационные расходы по одному пункту подогрева,

независящие от D_из.

Общие приведенные затраты в пункты подогрева составят

, (2.43)

где - приведенные годовые затраты в один пункт

подогрева, .

Составим теперь функцию приведенных затрат для тепловой изоляции. Капиталовложения на ее сооружение пропорциональны весу затраченного материала и равны

, (2.44)

где _из, _из - соответственно стоимость единицы массы и плотность

тепловой изоляции;

А₂, А₃ - расчетные коэффициенты,

;

Эксплуатационные расходы на содержание тепловой изоляции трубопровода складываются из отчислений на ее амортизацию и текущий ремонт , а также затрат, независящих от толщины тепловой изоляции А₄, т.е. равны

. (2.45)

Следовательно, приведенные годовые затраты на тепловую изоляцию составляют

. (2.46)

Таким образом, целевая функция суммарных приведенных годовых затрат в пункты подогрева и тепловую изоляцию может быть записана в виде

, (2.47)

где S₁, S₂, S₃ - расчетные коэффициенты

; .

Для определения оптимального диаметра тепловой изоляции продифференцируем полученное выражение по D_из и приравняем результат нулю

.

Откуда

. (2.48)

Впервые данное уравнение было получено П.И. Тугуновым совместно с М.В. Нечвалем. Оно решается относительно D_из методом последовательных приближений.

Мы рассмотрели только один случай определения толщины тепловой изоляции - при стационарном режиме перекачки по подземному трубопроводу. Однако подобные задачи решены и для нестационарных условий, для различных способов прокладки, с учетом гораздо большего числа факторов (наличия отложений парафина, выделения тепла трения и т.д.). Об этих методах расчета, а также о зарубежном опыте применения теплоизолированных трубопроводов, конструкциях теплоизоляционных покрытий устройствах для нанесения тепловой изоляции можно прочесть, например, в монографии П.И. Тугунова “Тепловая изоляция нефтепродуктопроводов и резервуаров”.- М: Недра, 1985.-152 с.