Электрический способ подогрева нефтепродуктов в резервуарах

Электрический способ подогрева нефтепродуктов в резервуарах осуществляется с помощью электрических грелок (ЭГР) различной мощности - от трех киловатт до 100 квт, а трубопроводов — гибких нагревательных элементов (ГНЭ).

Для подогрева трубопровода применяются греющие кабели, гибкие нагревательные элементы (ГНЭ) и система подогрева, работающая на использовании скин-эффекта.

Греющие кабели обычно прокладываются вдоль поверхности трубопровода в специальной трубе-спутнике небольшого диаметра, приваренного к трубопроводу.

Гибкие нагревательные элементы обычно используются на небольших участках. ГНЭ изготавливаются в виде плоских тканных ремней, выполненных из стекловолокна, внутри которых проходит в несколько рядов электрическая проволока из нихрома. Снаружи ленты покрываются термостойким покрытием из полимерных материалов. ГНЭ изготавливаются различной длины (от 2,5 до 60 м) и разной мощности. ГНЭ могут навиваться на трубопровод по спирали с шагом, который устанавливается при разработке проекта с учетом необходимой мощности, приходящейся на 1 погонный метр трубы. ГНЭ также могут привязываться жгутом из стекловолокна к трубопроводу параллельно его оси до четырех рядов. Трубопровод вместе с ГНЭ покрывается теплоизоляцией. Подсоединяются ГНЭ к питающему электрическому кабелю, прокладываемому вдоль трубопровода через проходные клеммные коробки.

Подогрев трубопровода с применением гибких нагревательных элементов

Подогрев трубопровода с применением гибких нагревательных элементов

1 - трубопровод, 2 - теплоизоляция, 3 - ГНЭ, 4 - клеммные коробки, 5 - электропитающие кабели

На перевалочных нефтебазах такой способ подогрева применяется редко, только при подогреве нефтепродуктов в железнодорожных цистернах, так как он по стоимости дороже парового и при разогреве больших партий нефтепродуктов экономически не выгоден.

На распределительных нефтебазах, в отличие от перевалочных, отпуск высоковязких нефтепродуктов (масел и мазута) осуществляется периодически и небольшими партиями в бочки и автоцистерны. При таком режиме работы нефтебазы содержание котельной установки с большим персоналом экономически не выгодно. В этом случае выгодным становится электрический способ подогрева за счет своих главных преимуществ: надежности; возможности четкого планирования подогрева во времени; возможности широкого регулирования процесса подогрева, легкого включения и выключения; простоты конструкций подогревателей и т.д. Например, электрический подогреватель можно в любой момент выключить без боязни возникновения аварийной ситуации. При паровом же подогреве при выключении подогрева требуется подогреватели продувать большим количеством пара, чтобы в них не оставался конденсат, который может при низких температурах замерзнуть и разморозить секции подогревателя и запорную арматуру.

Учитывая опыт работы астраханских распределительных нефтебаз, можно рекомендовать при отпуске масел в бочки из горизонтальных резервуаров установку в них электрических подогревателей проходного типа ЭПН-5 мощностью 3,3 квт.

Для облегчения и удобства работ по наливу масел в бочки рекомендуется:

  • применять комплекс сооружений, состоящий из здания разливочной и группы горизонтальных резервуаров на требуемый ассортимент масел;
  • здание разливочной строить совместно с погрузо-разгрузочной площадкой на уровне платформы грузового автомобиля (1,1—1,15 м);
  • торцы горизонтальных резервуаров вводить внутрь помещения через глухую стену заднего фасада примерно на 0,7 м;
  • для сокращения трудоемких ручных работ по перекатыванию бочек перед каждым резервуаром устанавливать весы и непосредственно на них наливать бочки (при большой реализации).

При отпуске мазута в автоцистерны рекомендуется применять комбинированный способ подогрева в два этапа:

  • предварительный - в больших наземных резервуарах типа РВС;
  • окончательный - в расходных подземных горизонтальных резервуарах.

Первый комплекс по отпуску мазута в автоцистерны с реализацией 6 тысяч тонн в межнавигационный период с применением электрического способа подогрева был построен на одной из распределительных нефтебаз Астраханской области. На этом комплексе в промышленных условиях были испытаны стационарные врезные электрические грелки серии ЭГР и погружаемые грелки ЭПВГ. Комплекс проработал почти четверть века и показал высокую надежность в работе.

На рисунке показана технологическая схема отпуска мазута в автоцистерны, состав сооружений и размещение электрооборудования этого наливного пункта.

Прием мазута осуществлялся из танкеров в шесть (после восемь) наземных резервуаров типа РВС-1000 по трубопроводу Ду-250 мм. Этот же трубопровод использовался для залива двух подземных расходных резервуаров типа РГС-100. Отпуск мазута в автоцистерны осуществлялся насосами типа РЗ-60 через наливной одиночный стояк. Подогрев мазута в каждом РВС-1000 осуществлялся с помощью двух грелок ЭГР-20 мощностью 20 кВт каждая, а в расходных резервуарах - вертикальными погружными грелками ЭПВГ- 60 мощностью 60 кВт.

Технологический режим подогрева был принят в два этапа. В первом этапе подогрев мазута осуществлялся в одном из резервуаров РВС только до температуры, снижающей вязкость застывшего мазута до момента наступления текучести. После этого мазут самотеком под действием гидростатического давления перетекал по подогреваемому трубопроводу 2 в подземные расходные резервуары типа РГС-100 (7 и 8). Во втором этапе мазут грелся в расходных резервуарах до температуры 55—60 °С. Время включения процесса подогрева в обоих этапах устанавливается таким образом, чтобы к началу рабочего дня в одном из РГС мазут был подогрет до требуемой температуры. Подземные РГС наполнялись примерно за 4 часа и столько же времени требовалось на подогрев его до температуры 55—60 °С.

Весь процесс подогрева осуществляется с дистанционного шита управления ЩСУ, установленном в помещении диспетчера. Щит ЩСУ выполнен в комбинированном, совмещенном варианте - с распределительным ЩР, управления ЩУ и сигнализации ЩС. К нему подходят все силовые кабели: от электрогрелок, электродвигателей и клеммных коробок ГНЭ, установленных около резервуаров и вдоль трубопроводов, разбитых на отдельные обогреваемые участки. На внутренней стороне щита монтируются магнитные пускатели, а на внешней — мнемосхема наливного пункта с указанием всех резервуаров и участков подогрева и пусковые кнопочные станции и ключи управления магнитными пускателями.

Процесс управления очень прост и рассчитан на операторов низкой квалификации (2—3 разряда). Например, если требуется заполнить подземные РГС из резервуара РВС № 1, то оператор включает на пульте щита одну или две грелки в резервуаре № 1 и участки подогрева трубопровода №№ 1, 2, 3 и 4. Если заполнение будет происходить из резервуара № 6, то включаются грелки этого резервуара и только участки № 3 и № 4 трубопровода, то есть те участки, по которым должен поступать мазут в подземный резервуар. После заполнения подземного резервуара или обоих резервуаров на высоту, превышающую поверхность нагревательных элементов на 0,5 м, включается грелка (грелки) этого резервуара. Во время отпуска соответственно включаются участки подогрева на отпускном трубопроводе и обогревающие кожуха насосов.

Принципиальная технологическая схема наливного пункта нефтебазы с электрическим подогревом мазута

Принципиальная технологическая схема наливного пункта нефтебазы с электрическим подогревом мазута
1 - резервуары для хранения мазута, 2 - трубопровод приемный от причала и для заполнения подземных РГС Ду 250-300 мм,
3 - подземные резервуары типа РГС-100, 4 - помещение подземной насосной станции,
5 - наливные насосы типа РЗ-60, 6 - наливной стояк с наливными трубопроводами Ду-80 100 мм

Достоинство этой схемы подогрева еще заключается в том, что она позволяет регулировать процесс подогрева с учетом конкретных условий работы и в зависимости от времени года. Например, как правило, резервуарный парк полностью заполняется только в конце навигации. В этот период и в первый последующий месяц продукт в резервуарах еще находится в горячем состоянии. Поэтому желательно отпуск мазута начинать с дальних резервуаров, так как не будет необходимости включать обе грелки в резервуаре, а подогрев трубопровода потребуется включать кратковременно. Также в летний период нет необходимости заливать дальние резервуары и, соответственно, включать нагревательные элементы трубопровода и т.д.

Таким образом, при проектировании наливных пунктов необходимо в каждом конкретном случае разрабатывать рациональную схему режима подогрева.

Для подогрева масел и темных нефтепродуктов разработан типовой ряд электрических грелок мощностью от 6 до 60 кВт — ЭГР-6, ЭГР-12, ЭГР-18, ЭГР-24, ЭГР-30, ЭГР-36, ЭГР-42; ЭГР-48; ЭГР-56, ЭГР-60. Грелки ЭГР - грелки горизонтального типа, устанавливаются на резервуаре на специальном патрубке с фланцем, который врезается в нижний пояс корпуса резервуара. Грелки ЭГР состоят из трех закрытых трубчатых электронагревательных элементов (ТЭН) и герметичной клеммной коробки. Грелки имеют автоматическую блокировку по допустимому уровню нефтепродукта над поверхностью ТЭНов (0,5 м) и по предельной температуре нагрева (200 °С). Для контроля этих параметров на ЭГР установлены датчики по уровню и температуре. Электрогрелки могут работать в общем режиме подогрева и в местном. Короба местных подогревателей могут выполняться из труб диаметром Ду-400-500 мм или из экранов.

Вертикальные грелки погружаемого в продукт типа выпускаются мощностью до 100 квт. В качестве нагревательных элементов в них также применяются ТЭНы. Вертикальные грелки имеют две клеммных коробки — погруженную в продукт и наружную, соединенные между собой вертикальной стойкой из трубы Ду-50—60 мм. Стойка является несущим каркасом грелки и в ней проходит электропроводка. К первой коробке снаружи с помощью резьбовых шарнирных соединений крепятся ТЭНы, внутри коробки подключается к клеммам провода или электрокабель. Наружная коробка проходного типа, располагается над люком резервуара, в нее выводится кабель из нижней коробки от ТЭНов и вводится питающий силовой кабель.

Подогрев нефтепродукта в трубопроводах, как было сказано выше, осуществляется с применением гибких нагревательных элементов (ГНЭ). При определении количества ГНЭ сначала разбивается весь трубопровод на обогреваемые и отключаемые участки по технологическому принципу. Затем, исходя из конкретной длины технологических участков, подбираются ГНЭ необходимой мощности, длины и определяется способ их монтажа. На нефтебазах в зависимости от скорости потока и диаметра трубопровода расчетная мощность ГНЭ принимается от 50 до 200 вт на 1 п.м. трубопровода. Ленты ГНЭ крепятся на трубопровод двумя способами: спиральной навивкой — для малых диаметров трубопровода; подвязкой к поверхности трубопровода лентой из стеклоткани в одну или несколько параллельных линий - для диаметров трубопроводов более 150 мм. Нагревательные ленты размещаются в общей изоляции трубопровода.

Для наглядности приводится пример расчета электрического подогрева в резервуарах на распределительной нефтебазе.

Пример расчета электрического подогрева мазута

Исходные данные для расчета: тип нефтебазы — водная распределительная; вид нефтепродукта — мазут М-100; суточная реализация мазута — 150 т/с; отпуск мазута — в автоцистерны с Q = 25 м3/час; режим работы нефтебазы по отпуску мазута — односменный (8 час); межнавигационный период — 90 суток.

Расчет

1.  Определяем объем резервуарной емкости и число резервуаров для хранения мазута. Принимаем коэффициент заполнения 0,95, коэффициент мертвого остатка 0,96, плотность мазута 0,95 т/м3.

V= n*G/p кзап мо = 90x150 / 0,95x0,95x0,95 = 16645 м3.                                                                      

Принимаем шесть резервуара типа РВС-3000 размерами: диаметр 18,980 м; высота 11,820 м; высота фундамента h = 1,0 м.

2.  Определяем диаметр приемного трубопровода с учетом завоза мазута танкерами «Волгонефть» с производительностью выкачки Qт — 400 м3/час из расчетной формулы:

Qт = ω*F = ω*π*d2/4= ω * 0,785 * d2,

где: ω — скорость потока жидкости, принимаем ω= 1,0 м/сек;

F - площадь поперечного сечения трубы в м2;

D=0,785 Q / 3600 * ω=0,785 * 400/3600 * 1= 0,295 м.

Принимаем трубопровод из стандартных трубы диаметром Ду=300 мм.

3.      Определяем диаметр отпускного трубопровода по аналогичной формуле:

D=0,785 * 36 / 3600 * 1 = 0,089 м.

Принимаем отпускной трубопровод Ду-100 мм из труб 114x3,5 мм.

4.      Определяем количество тепла для подогрева мазута в РВС- 3000.

Общее количество тепла на разогрев нефтепродукта определяется по формуле:

ΣQтеп Qмаз +Qпар + Qпот ,

где ΣQтеп - общее необходимое количество тепла, в ккал;

Qмаз - количество тепла, необходимое для подогрева мазута от температуры Т1 до Т2, в ккал;

Qпар — количество тепла, необходимое на плавление парафина, ккал;

Qпот - потери тепла в окружающую среду.

Поскольку парафин в мазуте М-100 содержится в небольшом количестве, затратами тепла на его плавление пренебрегаем.

Поскольку мазут греется в местном подогревателе только до степени подвижки и сразу же поступает в трубопровод, потери тепла на подогрева общей массы мазута практически не происходит, можно пренебречь также потерями тепла через стенку РВС, поскольку поверхность торцевой части местного подогревателя незначительна - всего около 1,5 м2.

Таким образом: ΣQ Qмаз .

Расход тепла на подогрев мазута определяется по формуле:

Qмаз c*G*(T2 -Т1 ),

где с — теплоемкость мазута, с=0,4—0,5 ккал/кг;

G — количество мазута в кг/с;

Т1 — вероятная температура мазута в резервуаре, °С, в конце навигации по практическим данным около 10 °С;

Т2— температура начала текучести мазута, для М-100 примерно Т2 =+30 °с.

Q1маз = 0,5*150*1000 * (30 -10) = 1 500 000 ккал.

Часовой расход будет согласно технологическому режиму

Qмаз/час = 1 500 000 :16 = 93750 ккал/час.                                                                                                             

5.      Определяем мощность электрогрелок. В резервуарах РВС. Тепловой эффект электрического тока при прохождении его по проводнику определяем по формуле:

Qт= 0,864* U* I * τ,

где QT — тепловой эффект тока в ккал/час;

U - напряжение в В;

I - сила тока в А;

τ - время прохождения тока в часах.

Эту же формулу можно выразить в мощности

Qт = 0,864 * P * cos q * τ , где Р — мощность в в Вт;

соs q = 1, так как при подогреве используется только активная мощность. Отсюда общая мощность электрогрелок будет равна

Р = Qr / 0,864 • τ = Q1теп / 0,864*16 = 1500 000 / 0,864*16 = 108507 Вт = 108,4 кВт.

Принимаем для установки в РВС-3000 по три электрогрелки типа БЭР-36 мощностью 36 квт каждая. Для питания каждой грелки применяем четырехжильный кабель. В каждой фазе величина тока при напряжении 220 вольт трехфазного тока будет равна:

I = Р: U = 36 000 : 3 * 220 = 55 А.

По справочной литературе допустимое сечение одной жилы для медного кабеля будет равно 10 мм2, для алюминиевого 16 мм2. Принимаем для питания каждой электрической грелки медный бронированный кабель марки АБ-Зх10+1x6. Все три подогревателя на каждом резервуаре подключаем к клеммной коробке, питание которой предусматриваем силовым 4-жильным кабелем от электрощита.

6.   Определяем количества тепла и мощности электрических грелок для подогрева мазута в РГС-100. Расчет количества тепла проводим по той же методике, принимая: коэффициент передачи тела от стенки резервуара к грунту к=1,25 ккал/м2 * час * °С; время подогрева перед началом смены — 4 часа; температуру начальную 30 °С, конечную 55 °С.

Q2маз = с * G * (Тк —Т2) = 0,5 * 100 *1000 * (50 - 30) = 100 000 ккал. Удельные потери тепла в фунт при засыпке котлована песком для влажного песка составляют к= 1,25 ккал/м2 * час * °С. Потери через общую поверхность S резервуара РГС-100 составят 

qгр = к * S = к * (2 0,785 d2 +3.14 d * L) = 1,25 * (2 * 0,785 * 3,22 + 3,14 * 3,2 * 12,5) = 1.25 *141 = 176 ккал/час.

Соответственно — за 4 часа 705 ккал,

где S — поверхность резервуара РГС-100 в м2;

d— диаметр РГС-100, в м;

L — длина РГС-100, в м.

Общий расход тепла:

ΣQ2теп= 100 000 + 706 = 100 706 ккал.

Определяем потребную мощность электрической грелки Р = Qт / 0,864 * t = 100 706 / 0,864*4 = 29 140 Вт.

Принимаем для установки в РГС-100 одну грелку погружаемого типа ближайшего большего типоразмера мощностью 36 кВт. Тогда фактическое время разогрева мазута в РГС составит τ = 100706 / 0,864 * 36000 - 3,2 часа.

Во втором резервуаре типа РГС-100 устанавливаем аналогично одну грелку мощностью 36 кВт. В каждой фазе грелки величина тока при напряжении 220 вольт трехфазного тока будет равна:

I = Р U = 36 000 / 3 * 220 = 54 А.

Принимаем для питания каждой грелки медный бронированный кабель марки АБ-Зх10+1x6. Подогреватели подключают соответственно к клеммным коробкам КК-7 и КК-8.

7.  Расчет подогрева мазута в трубопроводах.

Подогрев мазута в трубопроводах при его движении в трубопроводах из резервуаров РВС-3000 в расходные резервуары предусматриваем с помощью гибких нагревательных элементов типа ГНЭ. Для этого разделяем трубопроводы на 6 отключаемых участков.

Расстояние между стенками РВС-3000 принято выше согласно СНиП, равным 0,5D диаметра резервуара, т.е. 10 м; расстояние от стенок РВС до обвалования — равным 3 м. РГС-100 размещаем за обвалованием на расстоянии 10 м от стенок РВС-3000; расстояние между РГС-100 принимаем 1 м; расстояние от заглубленной насосной станции до наливного стояка принимаем 20 м. Каждый участок подогрева трубопроводов делим на три — четыре части и соответственно подбираем длины и мощность ГНЭ. Мощность ГНЭ принимаем согласно рекомендациям и опыту эксплуатации 50 вт на 1 погонный метр трубопровода, Ду 100 мм и 100 вт для ДуЗОО мм. Результаты расчета сводим в таблицу.