книги / Типовые расчёты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов

Таблица 11.3

Термодинамические свойства кипящей воды и сухого насыщенного одяного пара

Таблица 11.4

Основные размеры секций подогревателей для резервуаров

При известной площади подогревателя и выбранном диаметре груб определяют полную длину труб змеевикового подогревателя

7td

Если подогреватель секционный, подбирают необходимое чис­ то секций (табл. 11.4). Секция подогревателя включает четыре тру-

439

бы, приваренные к двум коллекторам. Длина коллектора равна 0,45 м для всех типов подогревателей. Трубы для подогревателей диамет­ ром 60 мм с толщиной стенки 3,75 мм рассчитаны на давление 0,4 МПа при подогреве масел и нефтей, 0,6 МПа при подогреве тем­ ных нефтепродуктов и моторных топлив.

Если трубчатый подогреватель имеет змеевиковую конструкцию, необходимо учитывать конденсацию пара по длине трубы, так как наличие конденсата резко увеличивает гидравлические потери в трубах подогревателя. В связи с этим полученная по формуле (11.47) длина подогревателя должна быть меньше предельно допустимой £ш , по­

лученной в результате совместного решения уравнений теплопере­ дачи и гидравлических сопротивлений,

(11.48)

где d - внутренний диаметр трубы подогревателя; С2=1 1/м2 - по­

стоянный коэффициент; Хсм - коэффициент гидравлического со­ противления в трубах при движении пароводяной смеси; Р,, Р2 -

давления соответственно на входе и выходе из трубы змеевикового подогревателя; in, iKудельная энергия пара на входе в подогрева­ тель и конденсата на выходе из него; К, - коэффициент теплопере­ дачи от пара к нефтепродукту.

При £ > £т подогреватель сооружают из нескольких параллель­ ных секций. Число секций п = £/£пр.

Расчет трубчатых подогревателей для транспортных емкостей ана­ логичен расчету теплообменных аппаратов для стационарных емкостей. При интенсификации теплообмена (виброподогрев, перемешивание вин­ тами и т. д.) необходимо пользоваться специальными методиками.

Расчет циркуляционного подогрева При этом способе нефтепродукт нагревается в теплообменном

аппарате до высокой температуры, а затем насосом под высоким давлением подается в емкость. Горячая струя размывает застывший нефтепродукт, перемешивается с ним и нагревает его. Подогретый нефтепродукт из емкости откачивается насосом, одна часть его мо­ жет сливаться в хранилище, а другая —подаваться в теплообменник для подогрева и последующей закачки в емкость для размыва. Этот процесс продолжается до полного опорожнения емкости. Таким об­ разом, установка для циркуляционного подогрева должна быть уком­ плектована теплообменным аппаратом с поверхностью нагрева F и насосом, имеющим подачу Q. В этом случае целью расчета является определение продолжительности разогрева до заданной температу­

440

ры слива Тн. Время разогрева

G *ср

(Q"Q )'СР + K F

(11.49)

( Q - Q ' ) CP TT + K F T 0 - T K ’( Q - Q ' ) CP + K F ]

(Q - Q ') CP TT + K F T 0 - T H (Q-Q')C P + K F ]

где G, сР - соответственно масса нефтепродукта в емкости и его удель­ ная теплоемкость; Q' - количество нефтепродукта, отводимого из емкости при Тн; К —коэффициент теплопередачи от нефтепродукта в емкости в окружающую среду; Тт - температура нефтепродукта на выходе из теплообменника; Т0—температура окружающей среды.

Если Q' = 0, т. е. весь нефтепродукт разогревается в емкости, а затем сливается, также справедлива формула (11.49).

Расчет электроподогревателей Электроподогреватели в основном используют для разогрева неф­

тепродуктов, в которых недопустимо даже наличие следов воды. Элек­ трогрелки чаще всего применяют для разогрева нефтепродуктов в железнодорожных цистернах. Для более равномерного прогрева неф­ тепродукта в цистерне обычно используют два-три нагревательных прибора, которые располагаются у торцов цистерны и у сливного прибора. Количество тепла QT, которое должен сообщить электропо­ догреватель нефтепродукту, определяют по формулам (11.34) ...(11.37). Зная необходимое количество тепла, рассчитывают мощность одной электрогрелки: Q, = QT/z, где z —число электроподогревателей, уста­ навливаемых в емкости. При мощности электрогрелки до 10 кВт при­ меняют однофазный ток, а при большей —трехфазный. Силу тока J находят по известной мощности и выбранному напряжению:

- для однофазного тока

где U - напряжение питающей сети (127, 220 и 380 В); и ф - фазовое напряжение.

При соединении проводов «треугольником» и ф = U, а при со­ единении «звездой»

441

Если все проводники в электроподогревателе соединены параллель­ но, то при г параллельных проводниках сопротивление электрогрелки

гт, — удельное сопротивление материала проводника при темпера­

г29з —удельное сопротивление материала проводника при 293 К; а Р - коэффициент линейного расширения материала проводника; t -

длина параллельно соединенных проводников, имеющих площадь поперечного сечения f.

Количество тепла, которое передается с поверхности нагрева элек­ тронагревателя нефтепродукту, выражается на основании закона

где a - осредненный по длине коэффициент теплоотдачи от повер­ хности греющего проводника к нефтепродукту: на основании опыта эксплуатации электрогрелок было установлено, что a « 1 10...170Вт/(м2 - к ) ; Тп - ТСР - средняя разность температур по­

верхности проводника и нефтепродукта (обычно Тп принимается на 10...20 К ниже температуры коксования и воспламенения нагреваемо­ го нефтепродукта и всегда ниже максимально допустимой рабочей тем­ пературы для данного материала проводника); ТСР=0,5(ТН+ТК), где Тп, Тк —температуры нефтепродукта в начале и конце процесса подогре­ ва; F —поверхность нагрева всех проводников электрогрелки

Если для нагревателя применяют проволоку, то из формулы (11.57) находят ее диаметр

442

Если для нагревателя применяют прямоугольную ленту с отно­ шением сторон Ь/а, =шр которое обычно колеблется в пределах 3..Л2 ,

то из формулы (11.57) получаем

Наиболее распространенными материалами для электрогрелок являются нихром, фехраль, железо и некоторые другие.

Найденное сечение проводника f проверяется на допустимую плотность тока

которая для нихрома не должна превышать 107 А/м2, а для других материалов — 12-106 А/м2.

Сопротивление ветви подогревателя определяют на основании закона Ома R = U0 /J , а необходимую длину проводника L - по формулам (11.55) и (11.56). Зная длину проводника, площадь его сечения, число проводников в одной фазе, можно рассчитать разме­ ры электрогрелки.

Расчет электроподогрева трубопроводов с помощью гибких электронагревательных лент

Целью расчета является подбор типа электронагревательной лен­ ты. Критерий выбора - необходимая линейная мощность электро­ подогрева qj, (Вт/м).

Величина qn находится в зависимости от конкретной технологи­

ческой задачи.

При решении задачи вытеснения нефтепродукта, застывающего в трубе, необходимо нагреть его пристенный слой до температуры Тн, при которой давления Р, развиваемого насосом, будет доста­ точно для преодоления начального напряжения сдвига тн, опреде­ ляемого по формуле

где d, L —внутренний диаметр и длина опорожняемого трубопровода.

443

Если задано время нагрева тнагр, то необходимая величина qj, равна

гдеА,Д3 —коэффициенты теплопроводности соответственно нефте­ продукта и теплоизоляции, Вт /(м град.); Ср1э Ср3 - их массовая теплоемкость, Дж/(кг град); р,,р3—плотность соответственно нефте­ продукта и теплоизоляции, кг/м3; Т0 - температура окружающей

среды К; Fo - число Фурье

Можно решать и обратную задачу: определение необходимого времени нагрева пристенного слоя нефтепродукта на величину АТ = Тн - Т0 при заданной линейной мощности электроподогрева

*d-(TH—Т0 )(-\/Ач -С,, *Pi +V ^ 3 'Срз ’Рз j

При необходимости разогрева нефтепродукта по всему сечению трубопровода

Т Н А ГР

где qP - удельные тепловые потери за время разогрева, Вт/м; Кп - коэффициент, учитывающий дополнительные потери тепла через опоры и арматуру, для трубопроводов, расположенных на открытых площадках, Кп = 1,4; в закрытых помещениях - Кп = 1,3; т ,, т 2 - масса соответственно нефтепродукта в 1 п.м. трубопровода и едини­

цы длины трубопровода, кг.

Если электроподогрев осуществляется с целью поддержания по­ стоянной температуры нефтепродукта в трубопроводе, то

444

* -(т „ -т 0)

По рассчитанной величине q л в соответствии с табл. 11.5 выби­ рается тип электронагревательной ленты.

Таблица 11.5

Техническая характеристика гибких электронагревательных лент

При намотке электронагревательных лент на трубопровод по спирали с шагом Ьл их суммарная длина должна быть

где - длина одной электронагревательной ленты.

§ 11.4. Расчёт паро- и конденсатопроводов

Трубопроводы для подачи пара и конденсата со­ оружают в основном из бесшовных труб и снабжают стальной армату-

445

рой и стальными фасонными деталями. Надежная эксплуатация трубо­ проводов достигается при правильном выборе и размещении опор и кон­ денсаторов. Опоры для таких трубопроводов подразделяют на непод­ вижные, которые обеспечивают жесткое закрепление трубопровода и воспринимают усилия, возникающие в трубе в результате температур­ ных деформаций и внутреннего давления, и подвижные, воспринимаю­ щие только вес трубопровода. Расстояние между опорами колеблется от 3,5 до 7 м в зависимости от диаметра и веса труб.

Горизонтальные участки паропроводов укладывают с уклоном i >0,001 в сторону движения пара. Предусматривается непрерывный отвод конденсата с помощью конденсатоотводчиков из нижних то­ чек паропровода и из всех тупиковых участков.

При нагреве или охлаждении трубопровод удлиняется на величину

где ар=0,000012 1/К - коэффициент линейного расширения стальных труб; L — длина трубопровода при температуре его монтажа; АТ -

изменение температуры стенок трубы в эксплуатационных условиях. Компенсация тепловых удлинений трубопровода обеспечивает­

ся специальными устройствами. Для паропроводов низкого давле­ ния (до 0,5 МПа) применяют сальниковые или линзовые компенса­ торы. Компенсирующая способность сальниковых компенсаторов равна 200...500 мм, линзовых - определяется по результатам специ­ альных испытаний по данным завода-изготовителя и на одну волну составляет от 5 до 35 мм. Число волн в линзовом компенсаторе не должно превышать 12 во избежание продольного изгиба. В боль­ шинстве случаев для теплопроводов применяют гнутые компенсато­ ры, имеющие П-образную, лирообразную и другие формы. Их изго­ товляют на месте монтажа из тех же труб, что и трубопровод. Наибольшее распространение получил П-образный компенсатор.

Для прямого участка трубопровода, защемленного с двух концов, температурные напряжения от определяют на основании закона Гука

(11.73)

где Е - модуль упругости материала трубы (для стали Е=2,06-10п Па). В результате возникновения термических напряжений участок тру­

бы, защемленный между опорами, будет действовать на них с силой

где F —площадь поперечного сечения металла трубы.

446

При расчетах компенсаторов прежде всего определяют длину тру­ бопровода, деформацию которого необходимо компенсировать, за­ тем по формуле (11.72) - деформацию трубопровода в зависимости от изменения температур, зная деформацию, выбирают габаритные размеры сальниковых или линзовых компенсаторов. Гнутые ком­ пенсаторы на «горячих» трубо- и паропроводах устанавливают с пред­ варительной растяжкой (сжатием) на 0,5Д.

Гнутые П-образные компенсаторы характеризуются следующи­ ми параметрами: вылетом плеча LK, створом (шириной плеча) Ь, ра­ диусом гнутья Rr, длиной прямой вставки вылета L'Kи длиной пря­ мой вставки плеча компенсатора Ь' П-образные компенсаторы рассчитывают по формуле

где D H- наружный диаметр труб компенсатора; m2 = L K/Ь.

При заданном А размеры LKи b могут выбираться в зависимости от местных условий. Выгоднее увеличивать Ь, так как при этом не увеличивается длина трубопровода.

Формула (11.75) представлена в виде номограммы (рис. 11.1), кото­ рая составлена с учетом предварительной растяжки компенсатора на 0,5А при расчетном значении допускаемого напряжения [а]=6,867107Па. При малых температурных удлинениях и ломаном профиле трассы использу­ ют самокомпенсацию (рис. 11.2). При нагревании за счет удлинения от­ дельные участки трубопровода примут положение, показанное пунктир­ ной линией. Для того чтобы во всех сечениях температурные напряжения не превышали допустимых значений, всю трассу разбивают на отдель­ ные участки и закрепляют их на неподвижных («мертвых») опорах. Сле­ довательно, участки между неподвижными опорами можно рассматри­ вать как своеобразные гнутые компенсаторы. Наибольший изгибающий момент и наибольшее изгибающее напряжение получают на неподвиж­

447

Рис. 11.1. Номограмма для расчета П-образных гнутых компенсаторов

(в скобках указана толщ ина стенок компенсатора)

448