Установки разогрева и слива высоковязких нефтепродуктов
.jpg)
Испытание установки разогрева и слива высоковязких нефтепродуктов в Одессе
Проблема слива из железнодорожных цистерн высоковязких или с высокой температурой застывания продуктов в Украине возникает, практически, перед каждым потребителем указанных продуктов или стивидорной компанией, занимающейся их перевалкой.
За рубежом плохо текущие продукты доставляются к месту слива в специальных цистернах, оборудованных тепловой изоляцией, позволяющей, в процессе транспортировки, сохранять тепло, которое имел продукт при наливе в цистерну, либо в продукт при погрузке в цистерны вносят дорогостоящие присадки, снижающие вязкость и температуру застывания продукта.
В Украине, где для транспортировки вязких продуктов используются, как правило, обычные цистерны, для обеспечения слива из цистерны продукт вновь разогревают.
До недавнего времени в Украине повсеместно разогрев производился открытым паром, подаваемым непосредственно в продукт. В результате такого разогрева обводнение сливаемого из цистерн нефтепродукта в отдельных случаях достигало нескольких десятков процентов, что, в свою очередь, после слива продукта из цистерн требовало время на его отстой и применение дорогостоящих деэмульгаторов для удаления воды, снижающей его потребительские качества.
В последнее десятилетие на некоторых нефтебазах при сливе нефтепродуктов из железнодорожных цистерн стали применять системы циркуляционного разогрева, исключающие обводнение.
Все реализованные в настоящее время системы циркуляционного разогрева имеют замкнутый контур, в котором производятся следующие операции:
- отбор холодного продукта из цистерны в контур циркуляционного разогрева;
- прокачка этого продукта насосом через внешний теплообменник;
- возврат разогретого продукта в цистерну в место отбора продукта из цистерны в контур циркуляционного разогрева.
Отбор холодного продукта из цистерны и возврат разогретого продукта в цистерну может производиться как через нижний сливной клапан, так и через устройство, погружаемое в цистерну через верхний люк.
Необходимость в организации контура циркуляции, как через нижний сливной клапан, так и через верхний люк цистерны связана с тем, что в числе поступающих под разгрузку цистерн иногда попадаются цистерны с неисправным донным клапаном, который не открывается. В этом случае разогрев продукта в цистерне можно произвести только с помощью циркуляционного разогрева, организованного через верхний люк цистерны.
Существуют индивидуальные схемы циркуляционного разогрева, рассчитанные на разогрев каждой цистерны по отдельности, а также централизованные системы циркуляционного разогрева, рассчитанные на разогрев нескольких цистерн в одном контуре.
Получившие широкое распространение централизованные системы циркуляционного разогрева обладают существенными недостатками:
- возможностью пролива разогреваемого продукта через верхний люк цистерны из-за сложности организации на каждой цистерне баланса количества подводимого и отводимого продукта;
- наличием длинных коллекторов с горячим продуктом под высоким давлением с большим числом отборов, что создает вероятность пролива горячего продукта в окружающую среду;
- трудностью оптимизации процессов тепло- и массообмена внутри каждой цистерны.
- необходимость резервирования дорогостоящего насосного и теплообменного оборудования.
Несмотря на большое разнообразие реализованных схем циркуляционного разогрева, все они плохо работают при разогреве вязких и застывающих нефтепродуктов. Это связано с ошибочной концепцией тепло- и массообмена, лежащей в основе всех применяемых схем.
По предположению разработчиков этих систем, разогреть холодный продукт в цистерне можно, подавая в него высоконапорные струи горячего продукта, который перемешается с холодным и отдаст ему свою тепловую энергию, которую приобрел во внешнем теплообменнике со специально организованными каналами протекания и при высоком температурном напоре со стороны теплоносителя.
Однако, как показала практика, это предположение не соответствует действительности.
Для реализации указанного предположения необходимо внутри цистерны создать такие же эффективные условия теплопередачи, как во внешнем теплообменнике, но в этом, как раз, и заключается суть рассматриваемой проблемы.
Высоконапорные струи горячего продукта, подаваемые в застывший продукт, внедряются в него без заметного перемешивания и, в результате, подаваемый в цистерну горячий продукт либо пробивает толщу холодного продукта в цистерне и собирается на его поверхности, либо образует в объеме холодного продукта, вблизи места подвода горячего продукта, замкнутые полости с горячим продуктом.
Оба результата неблагоприятны с точки зрения эффективности работы системы, так как в первом случае в контур циркуляционного разогрева будет поступать плохо текучий продукт, который нельзя перекачать по контуру разогрева, а во втором случае в контур разогрева будет подаваться уже разогретый продукт, который дальше разогревать нельзя.
При этом в первом случае совершенно бесполезны оказались устройства нижнего слива (УСН) с рубашками обогрева на прямых участках, так как основные гидравлические потери из-за высокой вязкости продукта «садятся» еще до входа в УСН – в не обогреваемой трубе Ду200 длиной 0,5 м сливного прибора и в месте ее врезки в котел цистерны, что подтверждено простым опытом – в приемный оголовник УСН был врезан мановакуумметр, который показал практически одинаковое разряжение с мановакуумметром, установленным на входе в насос.
Оба эти случая можно привести к граничным условиям в зависимости от конструктивного исполнения сопловой насадки гидромонитора установки нижнего слива, которыми оснащаются, как правило, системы циркуляционного разогрева:
- при направлении сопел вверх под некоторым углом для обхода тарелки донного клапана – весь горячий продукт «уходит» в верхнюю область цистерны;
- при направлении сопел вертикально вниз – практически весь продукт возвращается в систему циркуляции.
Очевидно, что существует среднее положение, при котором часть продукта всплывает, а часть возвращается в систему циркуляции, что обеспечивает два, на первый взгляд противоречивых, условия нормальной работы системы:
- продукт достаточно горячий для обеспечения работы циркуляционного насоса без кавитации на полном расходе;
- продукт достаточно холодный для обеспечения возможности его нагрева в теплообменнике с учетом предела нагрева по требованиям безопасности.
Подобрать универсальное среднее положение не реально из-за большого разнообразия реологических свойств продукта даже одной марки и его состояния перед разогревом, зависящего от длительности транспортировки и времени года.
В последнее время, для устранения указанных проблем, технологическая схема централизованного разогрева была доработана и позволяет производить циркуляционный разогрев по технологии так называемого «частичного слива», когда часть горячего продукта после теплообменника не подается в цистерну, а удаляется из системы циркуляции – сливается в резервуар.
Принцип «частичного слива» можно реализовать только в том случае, когда подаваемый в цистерну горячий продукт образует в объеме холодного замкнутые полости вблизи места отбора продукта в систему циркуляции, т.е. используется насадка гидромонитора с соплами, направленными вниз и система оснащена регулирующим клапаном на трубопроводе слива.
Однако, кроме проблемы разогрева основной массы продукта в цистерне, при использовании «частичного слива» возникает проблема, связанная с очисткой котла цистерны по завершении работы.
Проблема возникает вследствие того, что струи горячего продукта, выходящие из сопел гидромонитора, направлены вниз для создания условия перемешивания горячего и холодного продукта в зоне донного клапана и отбора смеси в систему циркуляции. Очевидно, что размыть остатки на дне котла на расстоянии по 5 м в каждую сторону такими соплами не представляется возможным.
Кроме того, при разогреве с частичным сливом на стенках котла остается большой слой застывшего продукта, так как в процессе работы из цистерны сливается более жидкий продукт из середины, а пристеночный слой остается неподвижным.
Для решения проблемы размыва остатка на дне котла применяются комбинированные насадки, имеющие, кроме сопел, направленных вниз, пару сопел, направленных вдоль оси котла под углом около 5° вниз.
Проблема зачистки стенок котла решается двумя способами – либо зачистка стенок открытыми струями горячего продукта, что противоречит требованиям пожарной безопасности и значительно ухудшает экологическую обстановку, либо проведение операции повторного заполнения цистерны горячим продуктом из резервуара и включение системы разогрева на циркуляцию без частичного слива.
Первый способ запрещен, второй способ требует средств автоматизации по учету количества наливаемого продукта и контролю его уровня в цистерне с обеспечением двойного резервирования, а так же обустройства байпасных линий с установкой арматуры с контролем герметичности.
Необходимость указанных выше доработок стала очевидна после начала промышленной эксплуатации циркуляционных систем разогрева, время обработки подач на которых составляло иногда более 3-х суток и наиболее активно доработки стали внедряться после опубликования патента №2260552 от 09.01.2004 г. «Способ разогрева и слива высоковязких продуктов из емкости и устройство для его осуществления».
Сущность способа как раз и заключается в том, что при разогреве используется принцип замещения – холодный продукт, отбираемый из цистерны в контур разогрева, замещается разогретым продуктом, возвращаемым на свободную поверхность продукта в цистерне без перемешивания. Для обеспечения откачки плохо текущего холодного продукта из цистерны, часть разогретого в теплообменнике продукта подается непосредственно на вход в канал отбора холодного продукта из цистерны, а другая часть разогретого продукта наливается затопленными безнапорными струями на свободную поверхность продукта в цистерне.
Таким образом, при разогреве цистерны происходит постоянный отбор холодного мазута в приемный коллектор в объеме, в точности совпадающим с объемом горячего продукта, подаваемого в верхнюю область цистерны, где он и остается за счет меньшей плотности по сравнению с плотностью холодного продукта.
Отбор холодного продукта из цистерны производится с постоянным подмешиванием другой части горячего продукта, подаваемого через гидромонитор устройства нижнего слива, причем направление струй горячего мазута, выходящего из гидромонитора направлено вниз – по направлению выхода холодного продукта из цистерны в устройство нижнего слива.
Управление соотношением расходов горячего продукта, подаваемого в гидромонитор и в верхнюю зону цистерны, осуществляется регулятором на выходе теплообменника в автоматическом режиме по двух критериям - давлению на входе в насос, которое поддерживается не ниже -0,4 кгс/см2 и температуре продукта на выходе насоса, которая поддерживается в заданном пределе, например 45…55°С для мазута топочного М100.
Расход продукта, подаваемого в гидромонитор, определяется физическим состоянием продукта в цистерне. Чем выше вязкость или температура застывания продукта в цистерне, тем больше требуется расход горячего продукта в канал отбора холодного продукта из цистерны.
Расход продукта, подаваемого в верхнюю зону цистерны, определяет время разогрева всего продукта в цистерне. Чем выше расход, тем короче время разогрева цистерны.
В процессе разогрева в цистерне существует четкая, непрерывно понижающаяся, граница раздела находящимся сверху горячим продуктом и холодным продуктом, отбираемым в донной части цистерны. При этом слой горячего продукта над холодным в процессе снижения границы раздела полностью растапливает холодный продукт на стенках, оставляя их после опорожнения совершенно чистыми.
Циркуляционный разогрев по указанному принципу может быть организован как через нижний сливной клапан цистерны, так и через специальное устройство, погружаемое в цистерну через верхний люк до дна, для цистерн с неработающим сливным клапаном, либо комбинированный вариант индивидуальной установки.
