1470

нарному режиму при Т н= Ткр= const, нижняя часть кривой соответ­ ствует ламинарному режиму при Тн= const.

Оптимальная температура подогрева для конкретного случая на­ ходится следующим образом. По исходным данным вычисляют пара­ метр а / тс и величину ехр ( - а /тс), находят эту величину на горизон­ тальной оси exp (-a^,^) (точка п) и обратным построением (пунктирные линии) определяют оптимальные Тн и Из графика видно, что при этих значениях температур суммарные затраты на перекачку и подог­ рев в начале и конце перегона действительно равны. Так как найден­ ные Тн и Тк связаны между собой еще и формулой Шухова, то данное сочетание температур будет единственно возможным.

Численные значения Тн и Тк ограничиваются из технологических соображений. Для мазутов Тн не должна превышать 363 К (90°С), чтобы не было закоксовывания и сильного нагарообразования в теплообмен­ никах; для нефтей Тн должна быть ниже температуры начала кипения с целью сохранения легких фракций; для масел Тн колеблется в пре­ делах 293... 353 К (20... 80°С); чем легче масло, тем ниже должна быть Тн. Конечная температура должна быть на 5... 10 градусов выше тем­ пературы застывания перекачиваемого продукта, чтобы трубопровод не «заморозился» при кратковременных остановках.

§ 7.3. Применение тепловой изоляции

Нанесение тепловой изоляции на трубопрово­ ды и резервуары позволяет уменьшить теплопотери в окружающую среду, но увеличивает стоимость линейной части. В связи с этим возникает технико-экономическая задача определения оптималь­ ной толщины тепловой изоляции, при которой затраты на подог­ рев и на изоляцию минимальны.

Оптимальная толщина изоляции подземного магистрального нефтепровода

Для подземных магистральных трубопроводов с малой погреш­ ностью двумя первыми слагаемыми в правой части формулы (7.9) можно пренебречь и представить ее в виде

Kd

где Г, Е - расчетные коэффициенты, равные

229

Хиз - коэффициент теплопроводности изоляции.

С учетом данного выражения требуемое число пунктов подогре­ ва составит

Выразим величины капитальных и эксплуатационных расходов на подогрев.

Стоимость пункта подогрева пропорциональна площади повер­

где от —стоимость 1м2 поверхности нагрева с учетом стоимости вспо­ могательного оборудования и зданий тепловых установок.

Общая поверхность нагрева тепловых установок составляет

F _ QP CP(T H- T J а

(7.43)

я«лт г

где q, - теплоотдача 1 м2 поверхности тепловой установки; riT- к.п.д. тепловых установок; Др - коэффициент их резерва.

Нетрудно видеть, что величина К 1тс не зависит от диаметра теп­ ловой изоляции.

Эксплуатационные расходы по одному пункту подогрева скла­ дываются из амортизационных отчислений £тс-К1тс, а также заработ­ ной платы персонала и расходов на топливо, воду, смазку

^1тс = £тс К 1тс + А,, где ^ —норматив амортизационных отчислений для пунктов подо­

грева; А, —эксплуатационные расходы по одному пункту подогрева, независящие от D H3.

Общие приведенные затраты в пункты подогрева составят

Птс ^ТС ^ 1тс’

где П 1тс —приведенные годовые затраты в один пункт подогрева П,тс = (е„ + £тс) К 1тс + А,.

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

230

к „ = a . . p B J . (D2„ - D l) • L = A2D^ - A ,,

где оиз, риз - 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 те­ кущий ремонт £ИЗКИЗ, а также затрат, независящих от толщины теп­ ловой изоляции А4, т.е. равны

Таким образом, целевая функция суммарных приведенных го­ довых затрат в пункты подогрева и тепловую изоляцию может быть

Для определения оптимального диаметра тепловой изоляции продифференцируем полученное выражение по D H3 и приравняем результат нулю, что дает

Данное уравнение решается относительно D H3 методом последо­ вательных приближений или графоаналитически.

231

Определение толщины тепловой изоляции надземных трубопроводов

Для надземных трубопроводов толщина тепловой изоляции мо­ жет быть определена либо по заданным тепловым потерям, либо из условия предотвращения замораживания нефтепродукта, либо на основании технико-экономического расчета.

В первом случае толщина тепловой изоляции определяется из

(тср- т 0)

где Тсрсредняя по длине температура перекачиваемой жидкости; АТ - допускаемое падение температуры в надземном участке длиной £н.

В третьем случае задача решается аналогично выбору оптималь­ ной толщины тепловой изоляции для подземного магистрального тру­ бопровода. Окончательное выражение для нахождения Ьиз имеет вид

Определение толщины тепловой изоляции для резервуаров

Решение оптимизационной задачи из условия минимума затрат на сооружение и эксплуатацию тепловых установок и тепловой изо­ ляции позволило получить следующие формулы для оптимальной толщины тепловой изоляции для стенки 5ИЗ с и кровли 5ИЗ к

v

232

К . а 2 0 + а г )

где ок —стоимость котельных установок со вспомогательным оборудованием и зданиями для них, отнесенная к 1м2 поверхности нагрева котлов;

о5 - заработная плата с начислениями, отнесенная к одному ко­ тельному агрегату;

а 6 —расходы на топливо, воду, смазку и т.д., отнесенные к еди­ нице поверхности нагрева котлов;

FKOTплощадь поверхности нагрева одного котла;

q - паросъем с 1 м2 поверхности нагрева котельного агрегата; in, iK—энтальпии соответственно пара и конденсата;

т|п - коэффициент, учитывающий потери тепла в паропроводе до резервуара;

ос1с, а 1к - коэффициенты теплоотдачи от нефтепродукта к стен­ ке и в газовое пространство резервуара;

5Г, А,Э1СВтолщина и эквивалентный коэффициент теплопровод­ ности газового пространства в резервуаре;

а2, а 20 - коэффициенты теплоотдачи от наружной поверхности изоляции на стенке и покрытии в окружающую среду;

а3 - коэффициент теплоотдачи излучением;

АТ - разность средних температур нефтепродукта и воздуха.

§ 7 .4 . Определение числа и расстановка станций на «горячем» трубопроводе

Расчетное число пунктов подогрева п^с равно отношению полной длины трубопровода L к расчетному расстоя­ нию между ними £'тс, т.е. n^c = LU'TC. Если принять для простоты рассуждений КЛ=К,.=К (что идет в запас надежности расчета), то

т - т г

233

Из данного выражения следует, что расчетное число пунктов подогрева прямо пропорционально коэффициенту теплопередачи и площади поверхности трубопровода rcDL, а также обратно пропор­ ционально массовому расходу нефти Q р.

Расчетное число насосных станций п’ находится как отношение полных потерь напора к напору одной станции, т. е.

н

Алгоритм расчета n' следующий:

1) определяют расчетное число пунктов подогрева п 'с;

2) находят критическую температуру нефти при проектном расходе;

3)вычисляют протяженность участков с турбулентным £ти лами­ нарным £п режимами течения нефти;

4)определяют потери напора на этих участках и в целом на перего­

не между пунктами подогрева; 5) находят п'.

Найденное число насосных и тепловых станций округляется доцелых чисел (птс и п соответственно). Округление числа станций лучше производить в большую сторону, т.к. это ведет к уменьше­ нию температуры подогрева нефти и повышению надежности рабо­ ты «горячих» трубопроводов в особых случаях (остановка станций, пуск трубопровода и др.).

Поскольку изменение температуры нефти не зависит от профи­ ля трассы, то пункты подогрева предварительно распределяются потрассе равномерно, через равные расстояния.

При расстановке насосных станций можно было бы воспользо­ ваться методом Шухова, заменив гидравлический треугольник фигу­ рой с параболическим характером изменения напора. Чтобы пост­ роить такую фигуру надо рассчитать потери напора как минимум для пяти точек (иначе, кривая будет построена неточно), что слож­ нее, чем строить гидравлический треугольник. Но самое главное это то, что после такого определения мест размещения насосных стан­ ций необходимо заняться уточнением мест размещения пунктов по­ догрева. Дело в том, что их по возможности стараются совмещать с насосными станциями, чтобы уменьшить затраты в социально-куль­ турную сферу. А после перемещения пунктов подогрева придется соответственно уточнять начальную и конечную температуры нефти, чтобы напора станций хватило на ведение перекачки.

Более простой метод расстановки станций заключается в исполь­ зовании среднего гидравлического уклона

234

Как видно из формулы (7.55), под icp понимается гидравличес­ кий уклон в изотермическом трубопроводе, эквивалентном рассмат­ риваемому.

В остальном расстановка насосных станций выполняется по ме­ тодике, описанной в главе 5.

Задача размещения пунктов подогрева, на первый взгляд, реша­ ется просто: достаточно по горизонтали в масштабе отложить сред­ нее расстояние между ними £п = L/nTC. Такое решение является вер­ ным лишь формально, т.к. не учитывает необходимости совмещения части пунктов подогрева насосными станциями. В этой связи пред­ лагается следующий алгоритм расстановки промежуточных пунктов подогрева.

Поделив расстояния между насосными станциями на £п, нахо­ дят, сколько их необходимо для каждого перегона. Найденное число округляют в большую сторону до ближайшего целого nTCi, после чего находят окончательное среднее расстояние между пунктами подо­

При заданном расположении пунктов подогрева необходимо за­ ново определить оптимальные величины T Hi, TKi и D H3j в пределах каждого перегона между НС.

Алгоритм данного расчета следующий. Необходимые потери напора:

- для всех перегонов, кроме последнего, на эксплуатационном участке

где AZj — разность нивелирных высот конца и начала i-го перегона между насосными станциями.

Соответствующие необходимые величины средней кинематичес­ кой вязкости нефти

и ее средней температуры на i-том перегоне

235

то повторяя вывод аналогично (7.42)...(7.44), получаем целевую фун­ кцию годовых приведенных затрат в пункты подогрева и тепловую изоляцию для i-ro перегона

где Шу| - число Шухова между пунктами подогрева на рассматри­ ваемом перегоне между насосными станциями

Если неравенство (7.64) выполняется, то оптимальный диаметр тепловой изоляции на i-том перегоне находится из трансцендентно­ го уравнения

В случае, если применение тепловой изоляции нецелесообразно, то требуемая начальная температура нефти находится по формуле

а соответствующая величина Тп вычисляется по формуле (7.1). Приэтом величина UIyHi определяется по формуле (7.62), в которой ве­ личина D H3i заменена на D H.

Найденные величины THi и Td должны удовлетворять действую­ щим ограничениям на них.

236

§ 7.5. Общий случай определения оптимальных параметров «горячей» перекачки по теплоизолированному трубопроводу

При оптимизации температурного режима пе­ рекачки, толщины тепловой изоляции, числа пунктов подогрева и на­ сосных станций необходимо учитывать следующие ограничения:

1)число пунктов подогрева птс и насосных станций п должно быть целым;

2)толщина тепловой изоляции не должна быть меньше минимально допустимой (по технологическим соображениям) величины, т.е.

5„з^[8из]; 3) начальная и конечная температуры нефти не должны выходить

за пределы допустимых значений, то есть ТН£[ТН] и Тк>[Тк]; Ранее рассмотренные подходы к оптимизации отдельных пара­

метров «горячей» перекачки этих ограничений не учитывают. По­ этому нами был предложен следующий алгоритм одновременной оптимизации всех параметров «горячих» теплоизолированных тру­ бопроводов.

Из имеющегося опыта проектирования «горячих» трубопрово­

где (pN —средний коэффициент кратности числа пунктов подогрева числу НС: <pN>l и принимает только целые значения.

Таким образом, первое ограничение непосредственно вносится в алгоритм расчета.

При заданной производительности трубопровода выбор насосов и оп­ ределение их количества на НС производится следующим образом.

237

Вначале по часовой производительности перекачки высоковяз­ кой нефти производится предварительный выбор типа насосов. Затем вычисляется кинематическая вязкость vn, при превышении которой требуется пересчет напорной характеристики центробежных насосов

и для подпорных насосов. Найденная «переходная» кинематическая вязкость сравнивается с вязкостью нефти при условиях ее откачки из резервуаров и при условиях всасывания основных насосов.

Если для подпорных насосов температура выкачки нефти из ре­ зервуаров определяется только условием их бескавитационной рабо­ ты, то для основных насосов температура перекачиваемой нефти заранее неизвестна. Для первого варианта расчета ее можно принять равной максимально допустимой величине [Тн], что позволяет сразу учесть третье ограничение в решении оптимизационной задачи.

При принятой температуре находится вязкость нефти и при необ­ ходимости производится пересчет характеристики основных насосов.

С учетом различия температуры выкачки ТВЫ1Снефти из резерву­ аров и начальной температуры нефти рабочее давление головной

где рн, рВЬ1Кплотность нефти при температурах Тн и Твык; hMHV, H2v - напор соответственно основного и подпорного насосов при темпе­ ратуре перекачки.

При выполнении неравенства (5.5) напор одной насосной станции

Если же неравенство (5.5) не выполняется, то необходимо принять меры по уменьшению сначала H2v, а если этого недостаточно, то и hMHV.

Для определения конечной температуры нефти сначала из урав­ нения баланса напоров при заданном количестве насосных станций п находится величина средней вязкости нефти в трубопроводе

а затем —соответствующая средняя температура перекачки по фор­ муле (7.60), после чего —искомая величина

238