Комплекс газодинамических устройств для сокращения потерь нефтепродуктов при сливе из цистерн

При техническом обслуживании железнодорожных цистерн на промы-вочно-пропарочных станциях (ППС) приходится решать различные, часто противоречащие друг другу задачи. Это, во-первых, наиболее полная очистка цистерн от остатков вязких нефтепродуктов. Данная задача требует значительных энергоресурсов в виде водяного пара (пропарка цистерн). Во-вторых, дегазация цистерн из-под светлых нефтепродуктов должна осуществляться с минимумом загрязнения окружающей среды, что диктуется не только стремлением сохранить экологию, но и требованиями пожарной безопасности. Третья задача является всеобщей для всех хозяйствующих субъектов, а именно, хозяйственная деятельность ППС должна протекать с минимумом финансовых затрат. Так как основные затраты на ППС связаны с потреблением энергии, то решение первых двух задач необходимо увязывать с требованием снижения потребления энергии.

Таким образом, применение энергосберегающих технологий на ППС в настоящее время является актуальной задачей.

В качестве таких технологий могут применяться различные способы использования потенциальной энергии давления водяного пара. В настоящее время при пропарке используется лишь тепловая энергия (давление водяного пара дросселируется до атмосферного) пара. Преобразование и использование потенциальной энергии давления водяного пара осуществляется в различных газодинамических устройствах (эжекторах, инжекторах, элеваторах), служащих для транспортировки жидких и газообразных сред. Эти устройства можно использовать на ППС для извлечения остатков груза из цистерн в жидкой или паровой формах.

Целесообразность извлечения остатков жидкого груза из цистерн с помощью газодинамических устройств обоснована в тех случаях, когда груз извлекается без обводнения, то есть без контакта с паром, когда пар, используемый в газодинамическом устройстве, утилизируется, то есть применяется по другому назначению, когда неисправен или отсутствует нижний сливной прибор. Извлекать жидкий груз без обводнения с помощью парового эжектора возможно, если на пути движения жидкости в эжектор разместить сепарационный циклон. Водяной пар, используемый в эжекторе, можно утилизировать в теплообменнике (например, в барботаж-ном аппарате) или подавать в цистерну, находящуюся на пропарке.

Целесообразность извлечения из цистерн паров нефтепродуктов с целью их утилизации обосновывается требованиями пожарной безопасности на ППС и защитой окружающей среды. Однако конденсация паров связана со значительными затратами энергии. Поэтому актуальной задачей является разработка способов и устройств, осуществляющих конденсацию паров с минимумом затрат.

Одним из возможных путей решения поставленных задач является разработка комплекса унифицированных газодинамических устройств, типа эжектор, сепарационный циклон, барботажный аппарат, используемых по нескольким назначениям (разогрев загустевшего нефтепродукта, слив жидкого груза из цистерны без нижнего сливного прибора, извлечение из цистерны и конденсация паров светлых нефтепродуктов).

Целью диссертационной работы является разработка и исследование комплекса газодинамических устройств, служащих для сокращения потерь нефтепродуктов при сливе из цистерн.

Для решения поставленной цели необходимо составить математические модели газодинамических аппаратов и теплообменных процессов разогрева и плавления загустевшего нефтепродукта, а также охлаждения и конденсации паров светлых нефтепродуктов. Исследование этих моделей позволит предложить экономичные схемы устройств, применяемых для сокращения потерь нефтепродуктов при сливе из цистерн, и выбрать оптимальные режимы их работы.

Задачами диссертационной работы являются:

1) Разработка математических моделей эжектора на «остром» водяном паре, циклона для конденсации паров углеводородов, усовершенствованного циклона с охлаждением его внутренней полости вихревой трубой.

2) Экспериментальное исследование комплекса газодинамических и теплообменных устройств с целью апробации их математических моделей.

3) Разработка на основе унифицированных газодинамических устройств конструктивных схем, применяемых для разогрева и плавления загустевшего нефтепродукта, а также охлаждения и конденсации паров светлых нефтепродуктов.

4) Исследование математических моделей газодинамических устройств, составляющих сложные технологические схемы, применяемые для разогрева и плавления загустевшего нефтепродукта, а также охлаждения и конденсации паров светлых нефтепродуктов, с целью оптимизации режимов их работы.

Для решения этих задач предполагается использование метода моделирования газодинамических и теплообменных устройств с помощью идеальных термодинамических элементов, аналитических методов равновесной термодинамики, а также экспериментальных методов исследования теплообменных и газодинамических устройств.

В первой главе диссертации анализируются способы и устройства сбережения остатков нефтепродуктов при сливе из цистерн. На основе анализа источников выбран ряд унифицированных газодинамических устройств, используемых по нескольким назначениям (эжектор, циклон, теплообменник барботажного типа).

Во второй главе описываются модели эжектора, циклона, а также усовершенствованного циклона с охлаждением его внутренней полости.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований эжектора на сжатом воздухе и водяном паре, циклона на повышенных степенях расширения, теплообменного аппарата барботажного типа с рабочим телом — этиленгликоль.

В четвертой главе описываются математические модели устройства для отсоса остатков вязких нефтепродуктов и устройства для отсоса остатков светлых нефтепродуктов и конденсации их паров. Данные модели составлялись из моделей газодинамических устройств, описанных во второй главе и настроенных по экспериментальным данным третьей главы.

В пятой главе обсуждаются экономический и экологический аспекты применения установок для сокращения остатков вязких нефтепродуктов и конденсации паров светлых нефтепродуктов путем исследования их математических моделей.

На защиту выносятся следующие результаты теоретических и экспериментальных исследований:

1) Математические модели в идеальных термодинамических элементах комплекса газодинамических устройств: модель эжектора, работающего на «остром» водяном паре, и модель циклона, учитывающая конденсацию в нем паров светлых нефтепродуктов.

2) Результаты экспериментальных исследований циклона на повышенных степенях расширения и теплообменного аппарата барботажного типа с охлаждением жидкости-антифриза холодным воздухом из вихревой трубы.

3) Конструктивные схемы и математические модели установки для разогрева и слива загустевшего нефтепродукта из цистерн и установки для конденсации паров светлых нефтепродуктов после слива из цистерн.

5.3 Выводы по главе.

Предложено использовать установку [105] для разогрева и отсоса вязких нефтепродуктов из цистерн, имеющих ненормативные остатки застывшего груза.

Термо-экономический анализ установки для разогрева и отсоса остатков вязких нефтепродуктов позволил определить экономию энергии от ее использования по сравнению с применяемым на ППС способом пропаркицистерн, а также положительный произведенный эффект в виде дополнительной тепловой энергии от сжигания необводненного нефтепродукта, утилизированного установкой.

Согласно расчетам, дополнительная энергия от повышения кондиционности разогретых и слитых без обводнения остатков нефтепродуктов на одной ППС составляет 211,64 Гкал в год. Сокращение потребного количества теплоты на разогрев застывших нефтепродуктов с помощью предложенной установки по сравнению с пропаркой равно 267,69 Гкал в год. Затраты электроэнергии на привод шнекового насоса установки составляют 2542,5 кВт-ч.

Термо-экономический анализ установки [105] позволил установить минимальный объем ее внедрения с учетом затрат на разработку и изготовление. Он составил 6 установок (на шести ППС).

Предложено использовать установку [100], составленную из унифицированных с установкой [105] устройств, таких как эжектор, циклон, барботер, для конденсации и утилизации паров светлых нефтепродуктов из порожних цистерн на ППС.

Расчет приведенных затрат энергии при использовании установки. [100] показал: за 15 минут работы установки она способна утилизировать до 43% паров углеводородов с молекулярным весом около 100 (например, Н-Гептана), что для 4-х осной цистерны составляет 5,8 кг. Затраты энергии при этом составляют 50 кВт-ч.

Унификация устройств, входящих в состав установок [100] и [105], позволила снизить расходы на их разработку и расширить область применения установок. Так на ППС ст. Аллагуват внедрена установка, используемая для отсоса и слива загустевших нефтепродуктов из цистерн с ненормативными остатками, а также для удаления остатков жидких грузов. Годовой экономический эффект при этом составил 165,9 тысяч рублей.

Заключение

.

В диссертационной работе поставлена и решена задача разработки комплекса газодинамических устройств для сокращения потерь нефтепродуктов при сливе из цистерн. Предложенный унифицированный набор таких устройств, как струйный эжектор, циклон, вихревая труба и барботер может использоваться в установках для разогрева и отсоса остатков вязких нефтепродуктов, а также отсоса остатков и конденсации паров светлых нефтепродуктов из железнодорожных цистерн.

Анализ источников по проблеме сбережения остатков нефтепродуктов при сливе из цистерн выявил основные направления решения проблемыэто разогрев загустевших нефтепродуктов в цистернах со сверхнормативными остатками и снижение потерь от парообразования светлых нефтепродуктов при сливе. Причем, один и тот же набор газодинамических и те-плообменных устройств может использоваться и для разогрева загустевшего нефтепродукта с помощью его разогретой рециркулирующей части, и для отсоса паров светлых нефтепродуктов из цистерны с последующей их конденсацией и сепарацией.

В целях оптимизации режимов работы разрабатываемых установок для сокращения потерь нефтепродуктов при сливе из цистерн разработаны математические модели базового набора газодинамических и тепло-обменных устройств.

Математическая модель струйного эжектора в идеальных термодинамических элементах для случая использования в качестве активного га-. за — «острого» водяного пара дополнена возможностью учета конденсации части пара. Уточнено выражение адиабатного КПД парового эжектора. Согласно расчетам, максимальное увеличение коэффициента эжекции у парового эжектора по сравнению с газовым наблюдается при значениях степени сжатия пассивной среды яс=1,25. 1,5 и не превышает 20%.

Математическая модель циклона в идеальных термодинамических элементах уточнена для случая использования в качестве рабочего теласмеси воздуха и паров углеводородов. Расчеты процесса конденсации смеси паров Н-Пентана и Н-Гептана из воздуха по уточненной модели циклона с помощью разработанной программы для ЭВМ показали:

— наличие низкокипящего углеводорода в смеси не оказывает влияния на степень конденсации высококипящего углеводорода, которая находится в диапазоне ф2=0,12.0,32 при исходной величине паросодержания с1г=50.75 г/кг и степени расширения паровоздушной смеси в циклоне тс=1>03.1,05;

— степень конденсации низкокипящего углеводорода снижается в присутствии высококипящего углеводорода в смеси при повышении паросодержания последнего и становится заметной при степени расширения паровоздушной смеси в вихревом циклоне %? 1,15.

В целях повышения степени конденсации паров из рабочей среды циклона автором, совместно с А. Н. Балалаевым, предложено устройство, включающее циклон и вихревую трубу для охлаждения внутренней полости циклона. Для нового устройства уточнена математическая модель циклона. Расчеты с использованием последней показали: охлаждение внутренней полости циклона с помощью вихревой трубы оказывает заметное влияние на процесс конденсации паров высококипящего углеводорода при исходном влагосодержании более 50 г/кг. Степень конденсации при этом повышается на 50.60%.

Для апробации математических моделей были проведены экспериментальные исследования газодинамических и теплообменных устройств.

Испытания струйного эжектора на режиме с нулевым коэффициентом эжекции позволили подобрать оптимальную геометрию сверхзвукового активного сопла и оптимальный зазор между срезом сверхзвукового сопла и камерой смешения при заданных диаметрах подводящей магистрали и камеры смешения. Максимальная степень сжатия составляла яс=5,5.

Производительность струйного эжектора на водяном паре по подъему жидкости (смеси воды и нефтепродуктов) с поверхности земли на высоту 3,5 м (высоту эстакады ППС), согласно опытным данным, составила Gn=2,5 л/сек.

Испытания вихревого циклона на степенях расширения я=1,05.1,25 с охлаждением его внутренней полости показали, что степень конденсации водяных паров из сжатого воздуха может быть повышена на 20.30%, при этом расход воздуха для охлаждения должен быть соизмерим с расходом осушаемого воздуха. Степень конденсации водяных паров в циклоне практически не повышается при увеличении степени расширения больше 1,15 и составляет q>=0,85.

Экспериментальные исследования процессов теплообмена в барботере позволили определить коэффициенты критериальных уравнений для случая барботажа жидкости-антифриза (этиленгликоля) холодным потоком воздуха из вихревой трубы.

Настройка моделей эжектора, циклона и барботера по опытным данным позволила использовать их для моделирования сложных технологических установок для сокращения потерь нефтепродуктов при сливе из цистерн.

Совместно с А. Н. Балалаевым были предложены: установка для отсоса остатков светлых нефтепродуктов и конденсации их паров и установка для разогрева и слива загустевающей жидкости из цистерны.

Разработана математическая модель устройства отсоса и конденсации паров углеводородов из цистерн, позволяющая определять оптимапь-. ные режимные параметры данного устройства из условия максимума эксергетического КПД при задании исходного паросодержания углеводородов в цистерне.

Максимум эксергетического КПД данного устройства, согласно расчетам, равен т|е=0,1 442, наблюдается при значении исходного паросодержания Н-Гептана d=80 г/кг и значениях режимных параметров: — соотношения расходов сжатого воздуха, подаваемого в вихревую трубу, и смеси воздуха с парами углеводорода на входе в циклон Gвт/ Gn=0,115- степени сжатия эжектора пс=1,365- относительной доли холодного потока вихревой трубы |Л=0,32. Степень конденсации при этом равнялась ср=0,684.

Расчет приведенных затрат энергии при использовании установки для отсоса остатков светлых нефтепродуктов и конденсации их паров показал: за 15 минут работы установки она способна утилизировать до 43% паров углеводородов с молекулярным весом около 100 (например, Н-Гептана), что для 4-х осной цистерны составляет 5,8 кг. Затраты энергии при этом составляют 50 кВт-ч.

Разработана математическая модель устройства для разогрева и отсоса остатков вязких нефтепродуктов, позволяющая сравнивать по эксер-гетическому КПД существующий процесс пропарки цистерн и процесс с использованием предложенного устройства. Согласно расчетам, значения эксергетического КПД предложенного устройства более чем в 1,5 раза выше значений эксергетического КПД процесса пропарки цистерны.

Исследования математической модели показали, что за счет уменьшения расхода пара в предложенном устройстве на 26,7%, а также снижения времени разогрева остатков нефтепродукта в цистерне на 10,7% потребное количество тепла по сравнению с процессом пропарки уменьшается на 34,5%.

Термо-экономический анализ установки для разогрева и отсоса остатков вязких нефтепродуктов позволил определить экономию энергии от ее использования по сравнению с применяемым на ППС способом пропарки цистерн, а также положительный произведенный эффект в виде дополнительной тепловой энергии от сжигания необводненного нефтепродукта, утилизированного установкой.

Согласно расчетам, дополнительная энергия от повышения кондиционности разогретых и слитых без обводнения остатков нефтепродуктов на одной ППС составляет 211,64 Гкал в год. Сокращение потребного количе-. ства теплоты на разогрев застывших нефтепродуктов с помощью предложенной установки по сравнению с пропаркой равно 267,69 Гкал в год.

Унификация устройств, входящих в состав предложенных установок для сокращения потерь нефтепродуктов при сливе из цистерн, позволила снизить расходы на их разработку и расширить область применения установок. Так на ППС ст. Аллагуват внедрена установка, используемая для отсоса и слива загустевших нефтепродуктов из цистерн со сверхнормативными остатками, а также для удаления остатков жидких грузов. Годовой экономический эффект при этом составил 165,9 тысяч рублей, что отражено в акте внедрения диссертационной работы.

В диссертации получены следующие основные результаты. 1. Разработаны математические модели эжектора на «остром» водяном паре, циклона для конденсации паров углеводородов, усовершенствованного циклона с охлаждением его внутренней полости вихревой трубой, позволяющие вести расчет характеристик устройств с погрешностью не более 5%, что обеспечивается настройкой эмпирических коэффициентов по опытным данным.

2. Экспериментально определена степень конденсации паров воды в циклоне на повышенных степенях расширения с охлаждением внутренней полости циклона вихревой трубой, при я>1,15 она составила ф=0,85. Установлены коэффициенты критериальных уравнений теплообмена при бар-ботаже этиленгликоля воздухом.

3. Разработаны конструктивные схемы и математические модели установок для разогрева и отсоса остатков вязких нефтепродуктов, а также для конденсации паров светлых нефтепродуктов из железнодорожных цистерн на основе унифицированных газодинамических устройств.

4. Исследованы математические модели установок для разогрева и отсоса остатков вязких нефтепродуктов, а также для конденсации паров светлых нефтепродуктов из железнодорожных цистерн, определены оптимальные режимы работы установок из условия максимума эксергетического КПД, который для первой установки составил г|е=0,33, а для второйЛе=0,1 442.