книги из ГПНТБ / Кутыркин, В. А. Расчет параметров некоторых систем подогрева нефтепродуктов учебное пособие для курсов ИТР

ставляет поданным завода «III Интернационала» свыше60руб/м2 для змеевиковых и около 40 руб/м2—для прямоточных подогрева­ телей.

Загроможденность трубами подогревателей объема танков соз­ дает затруднения для механизации зачистных работ и несколько снижает провозную способность судна. Недостатком является и возможность обводнения нефтепродукта при неисправности труб, а также большая чувствительность к размораживанию и повреж­ дению при продольном колебании корпуса на волне. Обнаружить неисправность трубы подогревателя можно при продувке паром, но наличию мазута в конденсате или вообще по отсутствию кон­ денсата (холодная труба). Но это неудобно, так как нужен спе­ циальный источник пара.

Еще труднее установить конкретное место повреждения, гак как приходится спускаться в танк, в котором находятся остатки нефтепродукта. Если повреждение не устранено сразу же, то при погрузке вся труба заполняется нефтепродуктом и выходит из строя. На танкерах, где система подогрева постоянно эксплуати­ руется, за ее состоянием ведется определенный контроль со сто­ роны команды и практически каждый рейс устраняются, отмечен­ ные неполадки. На баржах такой ремонт, даже при желании, не всегда возможно выполнить.

Срок исправной работы подогревателей на баржах редко пре­ вышает 1—2 года, и зависит не от конструктивной их схемы, а от условий эксплуатации. Недолговечность паровых трубчатых подо­ гревателей связана, кроме всего прочего, с размораживанием их- в холодное время. Удалению конденсата в какой-то мере способ­

воздуха, которая стекает в более низкие участки трубы и при за­ мерзании разрывает ее. Если после продувки закрыть вентили, то при охлаждении внутри труб создается разрежение, прокладки отдельных фланцев втягиваются внутрь и опять-таки в образовав­ шиеся неплотности может попасть влажный воздух.

Из профилактических мероприятий, предупреждающих размо­ раживание, можно рекомендовать установку спускных кранов в наиболее низких местах, продувку воздухом уже остывших подо­ гревателей, заполнение или прокачку системы легкими нефтепро­ дуктами (например, дизельным или моторным топливом). Так, для заполнения системы подогрева танкера пр. 587 потребуется лишь 1,5 т жидкости. Кроме того, стальные трубы подвержены интен­ сивной коррозии с внутренней и внешней стороны. Особенно быст­ ро они выходят из строя при транспортировке мангышлакской нефти и бензина. В последнем случае система подогрева не-ис­ пользуется, а установленные при постройке трубы в течение од­ ной-двух навигаций полностью выходят из строя. Было бы раци-

29

овальнее у судов, предназначенных для перевозки маловязких нефтепродуктов, демонтировать трубопровод в танках.

Барботаж воздухом является одним из видов интенсификации подогрева. Он основан на улучшении отдачи тепла поверхностны­ ми подогревателями в результате замены естественной^ тепловой конвекции принудительной циркуляцией нагреваемого продукта. Циркуляция создается за счет подачи газообразного агента под нагревательные элементы. Действуя как эрлифт, воздух подни­ мает частички нефтепродукта, увеличивая скорость его переме­ щения относительно подогревателей. В результате испытаний бы­ ли получены значения коэффициента теплопередачи в 1,5—3 раза больше, чем при естественной конвекции [22]. Кроме того, улуч­ шаются условия выгрузки за счет размыва данных слоев нефте­ продукта. Снижается величина «мертвых остатков».

Однако следует отметить, что применение барботажа приведет и к увеличению потерь тепла, вследствие ускорения движения жидкости у охлаждающих поверхностей, поэтому для ожидаемого повышения к. п. д. установки в целом нет достаточных оснований.

и испытана в производственных условиях на бункеровочной нефтестанции пр. 498 [9]. Положительным в электроподогреве мето­ дом голых шин является:

— хорошая равномерность подвода тепла, ввиду достаточно высокой относительной поверхности нагрева (порядка 0,054 м2/т), и практически одинаковой температуры нагревательных элемен­ тов;

—возможность использования на одних и тех же подогревате­ лях различных по мощности источников тока;

—отсутствие опасности обводнения нефтепродукта. Недостатки системы:

—- низкий к.п.д. в условиях оборудования на судне собствен­

ной энергетической установки;

— опасность в пожарном отношении при утечке тока, вследст­ вие появления случайных разрядов; утечкц^особенно велики при обводнении нефтепродукта, так как речная вода является хоро­ шим проводником тока;

— возможность разъедания металла корпуса судна блужда­ ющими токами.

- Длительная эксплуатация станции показала, что надежность такой системы подогрева низка. Подогрев на судне был заменен на традиционный паровой с трубчатыми элементами.

30

положенных в танках. К достоинствам данной системы следует отнести низкие затраты на топливо и установку оборудования. Однако применение ее затруднительно по следующим причинам:

— эксплуатация воздуходувки при высоких температурах га­ зов, засоренных механическими примесями, имеющими повышен­ ную химическую активность, протекает в исключительно тяжелых условиях; работоспособной воздуходувки для таких условий до сих пор не создано;

—в трубах возможно отложение сажи, что резко снижает коэффициент теплопередачи и вместе с тем эффективность си­ стемы;

—высокая неравномерность распределения тепла как по дли­ не трубы, так и по отдельным секциям, вследствие их возможного засорения и изменения сопротивления движению газов;

—попадание нефтепродукта в трубы полностью выводит подо­ грев из строя.

§ 2. Системы с концентрированными подогревателями, расположенными в массе нефтепродукта

— танки в меньшей степени загромождены элементами цагре-

ва;

—легко сделать систему разборной, что упрощает эксплуата­ цию и ремонт;

—упрощаются пути интенсификации теплообмена за счет по­ вышения коэффициента теплопередачи.

Установка концентрированных подогревателей всегда предпоч­ тительнее там, где физически приемлема, ибо она дешевле и удоб­ нее в эксплуатации. Но концентрированный подвод тепла не по­ зволяет осуществлять равномерный подогрев всей массы нефте­ продукта. Непрогретыми остаются, в основном, нижние удаленные от подогревателей объемы нефтепродукта, которые затем вообще не поддаются выгрузке. Использование таких подогревателей да­ же на судах, имеющих двойное дно, не может быть рекомендова­ но без создания дополнительных условий, обеспечивающих неко­

торое перемешивание (перемещение) масс нефтепродукта. Это до­ стигается различными способами.

Наиболее простым является подогрев «острым» паром. Отсут­ ствие необходимых систем или их неисправность на некоторых судах привело к тому, что в отдельных случаях подогрев прихо­ дится осуществлять паром, подводимым через металлические шланги и стояки с горизонтальными соплами непосредственно в массу нефтепродукта. Данная операция допустим а-%виду того, что мазуты можно сжигать при наличии в них 5— 10% воды. Время

31

предварительного подогрева «острым» паром, несмотря на то, что используется и тепло конденсата, не уменьшается. Наоборот, для обеспечения подогрева всей массы приходится подогревать мазут до более высоких температур, достигающих в конце выгрузки 70—75°С. Это приводит к повышению давления насыщенных па­ ров смеси нефтепродукт—вода и, в отдельных случаях, к резкому снижению подачи насосов. При подогреве «острым» паром достичь равномерного подогрева не удается, так как перемещение масс незначительно. В корпусе судна остается непрогретый нефтепро­ дукт. Естественно, что «мертвые остатки» здесь чаще всего превы­ шают нормы ГОСТа.

Другим примером является виброподогрев. Здесь в целях уве­ личения теплопередачи нагревательным элементам придается воз­ вратно-поступательное движение, за счет чего коэффициент тепло­ передачи возрастает в 10— 15 раз [3] по сравнению с неподвиж­ ными подогревателями. Очевидно, что для передачи одного и то­ го же количества тепла пропорционально может быть снижена поверхность нагрева, в результате чего подогреватели могут быть изготовлены легкими и компактными. Но вместе с этим высокая стоимость вибраторов, громоздкость системы, снижение к. п. д., связанное с дополнительной затратой энергии на работу вибрато­ ров, снижает эффективность системы в целом. Кроме того, пере­ мещение вибраторов не обеспечивает достаточного перемешива­ ния масс нефтепродукта. Практического применения на речном транспорте виброподогрев не нашел.

Более интенсивное движение нефтепродукта наблюдается при барботаже воздухом концентрированных подогревателей, а также механическом перемещении его с помощью винта или других на­ сосов. Однако этот факт имеет и свои отрицательные стороны, так как резко возрастают теплопотери, что ведет к снижению к. п.д. Эффективность рассматриваемых способов подогрева резко па- - дает в заключительный этап выгрузки—период зачистки, когда особенно важно ускорить подтекание нефтепродукта, а возмож­ ности повышения его теплосодержания отсутствуют.

§ 3. Системы подогрева с вынесенными теплообменниками

Здесь холодный нефтепродукт из танков прокачивается насо­ сом через вынесенный теплообменник, где его температура повы­ шается. Возвращаясь обратно, он передает тепло грузу, осуществ­ ляя тем самым подогрев. Приемный и выкидной трубопроводы располагаются, как правило, в противоположных концах танков. Это обеспечивает некоторое перемещение масс нефтепродукта и прогреваются удаленные слои. НаибоЛе изученной является си­ стема подогрева, установленная на танкере «Великий», где пред­ принята попытка утилизировать тепло выхлопных газов; техниче­ ские характеристики входящего в ее состав оборудования приве-

32

дены в работе [2J. Рассматриваемая установка требовала провер­ ки в следующих направлениях:

— влияние концентрированного подвода тепла на качество выгрузки и величину «мертвых остатков»;

— влияние сопротивления газового тракта теплообменников на работу двигателей;

— достаточность тепла выхлопных газов для подогрева неф­ тепродукта.

Четырехлетняя эксплуатация позволяет в определенной степе­ ни оценить работоспособность системы. Концентрированный под­ вод тепла, естественно, не способствует равномерному подогреву нефтепродукта, а влияние струй лишь незначительно расширяет границы распространения нагретых масс. Таким образом, следо­ вало ожидать образования значительных величин «мертвых остат­ ков». На практике этого не произошло. Во-первых, сказывается

сколько изменена технология выгрузки. В носовых танках практи­ чески до конца выгрузки сохраняется определенный объем нефте­

вует низкое значение коэффициента теплопередачи от днища к во­ де ввиду наличия двойного дна. Для судов, не имеющих его, за­ труднено получение положительного результата без дополнитель­

принципиального вопроса—приемлемости системы подогрева с кон­ центрированными вынесенными теплообменниками для речных судов. Конечно, проблема утилизации тепла силовой установки для подогрева имеет самостоятельное важное значение. Для ра­ нее рассмотренного варианта это оказалось технически трудно вы­ полнимым мероприятием. В подогревателе, расположенном доста­ точно близко к двигателю, утилизировать телпо значительно лег­ че. Уже предварительные расчеты показали, что запаса тепла вы­ хлопных газов достаточно для поддержания температуры нефте­ продукта на уровне 48—50°С. При этом утилизируется около 580 кВт тепла.

Измерения, выполненные совместно с теплопартией паро­ ходства «Волготанкер», показали, что подогрев мазута в теп-

33

лообменнике существенным образом зависит от состояния по­ верхности теплообмена. В трубах, не очищенных от сажи, тепло­ передача снижается на 27—40% (табл. 2).

Qu ■— подача циркуляционного насоса.

В целом при использовании выхлопных газов получаемое тепло соответствует тому минимуму, при котором возможна транспор­ тировка вязких нефтепродуктов.

Противодавление выхлопу в определенной мере влияет на ра­ боту двигателя внутреннего сгорания. С ростом его, во-первых, падает среднее эффективное давление. Сохранение внешней на­ грузки (работа на гребной винт при постоянных оборотах) приве­ дет в известный момент к недопустимой перегрузке, что при ис­ пользовании всережимного регулятора вызывает повышение тем­ пературы выхлопных газов. Это, практически, единственный (в данном случае) критерий допустимости эксплуатации двигателя. Величина же сопротивления выхлопного тракта не может слу­ жить таким критерием.

Допускаемая температура выхлопных газов для отдельных ци­ линдров двигателя 8ЫУД48А составляет [20] 400°С, при средней по цилиндрам 380°С. При испытании этого двигателя на танкере «Волгонефть-69М» (рис. 11) оказалось, что даже при противодав­ лении 1,25 м вод. ст. она не превышает рекомендуемой величины, а резкий рост ее намечается лишь при 1Д0— 1,29 м вод. ст.

34

Рис, 11. Зависимость средней температуры газет по цилиндрам от сопротивления выхлопного тракта

Влияние теплообменника на увеличение противодавления су­ щественно зависит от его технического состояния и в первую оче­ редь наличия сажи. Результаты испытания на танкере «Великий» показывают (табл. 3), что температура выхлопных газов не пре­ вышает нормы, а сопротивление непосредственно теплообменника составляет всего 0,250—0,260 м вод. ст., т. е. ниже расчетного со­ противления многих утилизационных котлов, применяемых на речном транспорте. Например, у котла УКВ-3 оно составляет [4] 0,17; УКВ-2—0,35, УКГ—0,32 м вод. ст. и т. д. В то же время сле­ дует отметить возрастание сопротивления более чем в два раза после некоторого периода эксплуатации. После очистки теплооб­ менника от сажи оно вновь опускалось до первоначальной вели­ чины. Все это говорит о возможности эксплуатации газовых теп-' лообменников без ущерба для двигателей. Снижение числа обо­ ротов последних при испытаниях замечено не было, так что на скорости движения танкера установка теплообменника практиче­ ски не отразилась. Конечно, если нагрузка на двигатель и без теплообменников уже соответствует предельному значению тем­ ператур (двигатель может быть и перегружен «тяжелым» вин­ том), то всякая, даже небольшая, дополнительная нагрузка на

35

него вызовет нежелательное повышение температуры выхлопных газов. При установке теплообменника на судно задачу необходи­ мо решать комплексно, заранее полагая некоторую (0,75-1-1% мощности) возможность дополнительной нагрузки двигателя.

В целом утилизация отходящего тепла судовой силовой уста­ новки, там где это технически достижимо без существенного ус­ ложнения, а, следовательно, и удорожания установок, является наиболее рациональным средством подогрева.

Помимо описанного частного случая весьма перспективно ис­ пользование подобных теплообменников на толкачах, предназна­ ченных длявождения барж, имеющих двойное дно. Даже тормо­ жение остывания или подогрев нефтепродукта лишь в отдельных

Примечание. В 1969 г. испытывались оборотные; в 1970— 1971 гг,—пролет­ ные теплообменники.

Иногда использование на подогрев высокотемпературного теп­ лоносителя, каким являются выхлопные газы, опасно в пожарном отношении. Это характерно, например, для транспортировки пара­ финистых сырых нефтей, температура самовоспламенения отдель­ ных фракций, которых ниже температурных выхлопных газов. Утилизация тепла и здесь возможна путем создания двух конту­ ров, в одном из которыхчтепло от выхлопных газов передается во-

36

де (пару). Конечно, затраты на оборудование здесь выше, а к. п.д. установки снижается. Частичную недостачу тепла, очевидно, при­ дется восполнять за счет других источников.

Вообще помимо выхлопных газов в теплообменнике возможно использование всех видов теплоносителей, перечисленных выше. Более того, он может быть обращен в агрегат, где тепло полу­ чается за счет сжигания в нем топлива (нефтяной котел). Это был бы наиболее рациональный вариант, но его решение сопря­ жено с некоторыми техническими трудностями, обусловленными высокой температурой пламени. При наличии котлоагрегатов на танкерах, а также для барж, применение в вынесенных теплооб­ менниках в качестве теплоносителя пара несомненно представляет особый интерес для подогрева нефтепродукта в судах с двойным дном и бортами. Эта установка будет иметь весьма высокий к. п. д., если обеспечить возврат конденсата, чистота которого у герметич­ ного теплообменника будет достаточно высокой для использова­ ния по замкнутому циклу. Здесь окажется возможной установка более дешевых водотрубных котлов,.весьма чувствительных к каче­ ству питательной воды. В то же время установка пожаробезопас­ на и проста. Теплообменник подвержен действию незначительных температурных напряжений и засоряется в малой степени. Он в принципе может быть установлен как на барже, так и на пародателе. В сочетании с подогревом в пути (утилизация тепла вы­ хлопных газов силовой установки толкача) такая схема наиболее эффективна длябарж.

§ 4. Системы подогрева, использующие элементы набора корпуса в качестве теплопередающих поверхностей

Вместо установки специальных подогревателей в качестве теплопередающих поверхностей можно использовать элементы набора корпуса, а также днище и борта. Наиболее простык яв­ ляется подогрев с подачей пара в междудонное пространство суд­ на. Поверхностью нагрева здесь служит днище корпуса и борта. Как показывают расчеты в этом случае только около 15% тепла идет на подогрев. В практике эксплуатации этот метод приме­ няется при выгрузке судов с неисправной системой подогрева. При этом обеспечивается интенсивное подтекание нефтепродукта, а «мертвых остатков» почти не образуется. Это свойство междудонного подогрева целесообразно шире использовать в зачистной период выгрузки. Несмотря на то, что к. п. д. подогрева с пода­ чей пара в междудонное пространство весьма низок, он окажется в данный период эффективнее штатных средств, так как полное использование их мощности обычно не представляется возмож­ ным. Сочетание его с теплообменниками, вынесенными за пределы танков, даст наибольший эффект. Вообще темп охлаждения неф­ тепродукта на судах с двойной обшивкой невелик и весьма часто,

37

как показывает опыт эксплуатации таЦкеров, можно обойтись без осуществления предварительного подогрева. Но' во время выгруз­ ки подогрев обязателен, иначе «мертвый остаток» будет значи­ тельным. Это получается ввиду того, что несмотря на весьма вы­ сокую среднюю температуру, придонные и бортовые слои нахо­ дятся в застывшем состоянии, да и темп охлаждения возрастает при уменьшении объема нефтепродукта. В рассматриваемой си­ туации прогрев этих слоев возможен только благодаря длитель­ ной работе системы подогрева. При использовании междудонного

Из опыта применения других теплоносителей следует несколь­ ко слов сказать об использовании выхлопных газов ДВС путем непосредственного подвода их в междудонное пространство. Темп охлаждения нефтепродукта при этом снижался, но эффект ока­ залсянезначительным. Да и вообще использование горячих вы­ хлопных газов в этой схеме неприемлемо, так как соприкоснове­ ние их с металлом в присутствии влаги ведет -к усиленной коррозци корпуса.

Принятие к исполнению того или иного варианта конструктив­ ного решения окончательно осуществляется после экономического сравнения различных схем подогрева. Но этим полностью не ис­ черпывается вопрос обеспечения рационального подогрева нефте­ продуктов. Требуют дополнительного рассмотрения такие поло­ жения:

—как технологически осуществлять подогрев;

—какой должна быть мощность источников тепла;

—до каких температур целесообразно осуществлять подогрев

вреальных условиях эксплуатации.

Глав а III ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ПОДОГРЕВА НЕФТЕПРОДУКТА

§ 1. Подогрев нефтепродукта в пути

Подогрев нефтепродуктов в зависимости от обеспеченности транспортных средств источниками тепла можно вести как в пу­ ти, так и в пункте выгрузки. Большинство танкеров оборудованы собственными котлоагрегатами, задача которых состоит в том, чтобы обеспечить подогрев нефтепродукта к моменту прихода в пункт выгрузки. На практике встречаются различные режимы работы нагревательных установок:

1) в начале рейса нефтепродукт остывает (или подогревается) до температуры наиболее выгодной для выгрузки— tti в. Далее

осуществляется подача тепла, равная тепловым потерям, темпе­ ратура нефтепродукта в этом случае поддерживается постоянной до конца рейса;

38