Печи подогрева

Одним из более распространенных способов перекач­ки высоковязких и высокозастывающих нефтей и нефте­продуктов является так называемая горячая перекачка, предусматривающая периодический нагрев жидкости по мере ее остывания в трубопроводе. Для этого использу­ются печи подогрева, устанавливаемые как на нефтепе­рекачивающих станциях, так и на промежуточных пун­ктах подогрева нефти (ППН).

Принципиальные схемы размещения печей подогре­ва в обвязке НПС приведены на рисунке ниже.

Принципиальные схемы возможного размещения печей подогрева в обвязке нефтеперекачивающих станций

а, б - НПС без резервуарного парка; в - НПС с резервуарным парком; 1 - печи подогрева; 2 - основная насосная; 3 - резервуарный парк; 4 - подпорная насосная

На НПС без резервуарного парка (рис. 2.32, а, б) печи подогрева 1 могут размещаться как до основной насос­ной, так и после нее. Первый вариант ис­пользуется в случае, если вязкость перекачиваемой не­фти на входе в НПС слишком велика, что приводит к ухудшению параметров работы основных (магистральных) насосов. В этом случае подогрев на входе в НПС позволя­ет увеличить их напор, подачу и коэффициент полезного действия. Недостатком данного варианта является умень­шение подпора основной насосной.

Второй вариант более предпочтителен при высокой температуре нефти на входе в НПС, когда параметры работы насосов не ухудшаются. Поэтому что­бы не создавать дополнительного гидравлического сопро­тивления на стороне всасывания насосов, печи подогрева размещают после основной насосной.

На НПС с резервуарным парком печи подогрева размещают и до насосных, и после них. В дан­ном случае печи подогрева, располагаемые на входе в НПС, служат для того, чтобы нагреть нефть, поступающую в резервуарный парк, до такой температуры, которая даже после остывания нефти в резервуарах обеспечит бескавитационную работу подпорных насосов. Печи, располагае­мые после основной насосной, обеспечивают нагрев нефти до температуры, обеспечивающей оптимальные условия ее перекачки на данном перегоне между НПС.

При «горячей» перекачке высоковязких и высокозастывающих нефтей, в основном, используются печи по­догрева Г9ПО2В и ПТБ-10.

Печь Г9П02В.

Марка печи означает: Г - верхний отвод газов сгорания: 9 - примерная длина печи в мет­рах; П - пламенное горение; О - объемно-настильный способ сжигания топлива; 2 - две камеры радиации; В - распыл топлива предусмотрен в основном воздухом.

Разрез печи показан на рисунке ниже.

Разрез печи Г9ПО2В

Она имеет несущий металлический каркас, внутри которого находится огнеупорная кладка. Внутреннее про­странство печи разделено на две камеры: радиации и конвекции. В камере радиации, разделенной пополам вертикальной настильной стенкой, находятся форсунки для сжигания газового или жидкого топлива, трубный змеевик, по которому движется нефть, и взрывные кла­паны, предназначенные для сброса давления в печи при нештатной ситуации («хлопки»). Трубный змеевик на­ходится и в камере конвекции.

Печь, должна быть снабжена сигнализацией, сраба­тывающей при прекращении подачи топлива к форсун­кам или при падении давления ниже установленных норм.

Возможно применение иных модернизированных систем.

Схема расположения змеевика печи Г9ПО2В приве­дена на рисунке ниже.

Схема расположения змеевиков печи Г9ПО2В

Он выполнен 4-поточным, расположение труб змее­вика Д_у 150 мм горизонтальное. Нефть движется по нему сверху вниз. Соединение труб в змеевике производится посредством калачей на сварке.

Печь оборудована 12 газомазутными форсунками (го­релками) с воздушным распылом топлива. Форсунки ус­тановлены под углом 45°.

На каждую печь устанавливаются два вентилятора подачи воздуха для поддержания процесса горения. Рас­ход вентиляторного воздуха - 600-2400 м³/ч на 1 горел­ку, в зависимости от производительности. Разряжение в топке печи должно быть в пределах 1-2 мм вод. столба. Коэффициент избытка воздуха в камере радиации - не более 1,2; после камеры конвекции - не выше 1,3.

Подача топлива к горелкам осуществляется по цир­куляционной схеме (емкость - насос - горелки - ем­кость) с постоянным учетом расхода сжигаемой нефти через счетчик типа «Турбоквант» диаметром 50 мм. Для придания гибкости системе топливоснабжения подпитка должна осуществляться с «горячего» коллектора диамет­ром 800 мм (500 мм).

На случай «хлопка» в печи на торцевых стенках пре­дусмотрены взрывные клапаны. Нижний застопоренный ряд клапанов с гляделками служит для наблюдения за состоянием трубных подвесок, кладки и продуктового змеевика, во время ремонта используется как лазы.

Каркас печи является несущей конструкцией и вос­принимает нагрузки от обмуровки печи, трубного змееви­ка с нефтью, а также дымовой трубы. Каркас рассчитан и может быть применен в условиях III ветрового района с сейсмичностью до 8 баллов при расчетной температуре не ниже минус 40 °С.

Основные технические параметры печи Г9ПО2В при­ведены в таблице ниже.

Печь ПТБ-10.

Марка печи обозначает: П - печь; Т - трубчатая; Б - блочное исполнение; 10 - номинальная тепловая мощность в млн ккал/час.

Печь трубчатая блочная ПТБ-10 представляет собой комплексное изделие, состоящее из двух основных бло­ков: печи трубчатой ПТ-10 и системы автоматизации печи.

Печь трубчатая ПТ-10 поставляется и транспортиру­ется к месту ее применения в разобранном виде. В комп­лект поставки входят три крупногабаритных блока (сбо­рочные единицы): камера теплообменная, блок основа­ния печи и блок вентиляторного агрегата. Кроме того, в комплект поставки входят колена ввода и вывода нефти, угольники, дымовые трубы, площадка обслуживания, стремянка, вставка воздуховода, камерная диафрагма, монтажные детали, прокладки, крепежные и другие из­делия.

Схема теплообменной камеры печи ПТБ-10

1 - каркас; 2 - обшивка внешняя; 3 - тепловая изоляция; 4 - обшивка внутренняя; 5 - змеевик; 6 - направляющая дефлектора; 7 - камера сгорания; 8 - труба дымовая; 9 - предохранительный (взрывной) клапан

Корпус теплообменной камеры (рисунок выше) представ­ляет собой металлическую пространственную конструк­цию, состоящую из каркаса, сваренного из профильного проката, наружных и внутренних ограждающих обши­вок, пространство между которыми заполнено теплоизо­лирующим материалом. Наружная обшивка, выполнен­ная из листовой стали толщиной 4 мм, герметична и вос­принимает как механические нагрузки, так и нагрузки от действия избыточного давления продуктов сгорания топлива в теплообменной камере. Внутренняя обшивка корпуса камеры выполнена из жаропрочной стали тол­щиной 0,7 мм. Так же как и наружная обшивка, она выполнена сплошной, но не является герметичной, а слу­жит для защиты теплоизоляционного материала от раз­рушения. Крепление тепловой изоляции и внутренней обшивки к наружной осуществлено при помощи штырей из жаростойкой стали.

В верхней части корпуса расположены три люка для размещения вкладышей предохранительных клапанов и их крышек.

В нижней части (в днище) корпуса камеры располо­жены четыре отверстия для установки и крепления ка­мер сгорания.

Торцы корпуса камеры закрываются крышками, при­крепленными к корпусу сваркой.

Передняя торцевая крышка имеет восемь отверстий для прохода труб змеевиков, а задняя снабжена двумя смотровыми лючками с защитными кварцевыми стекла­ми для осмотра внутреннего пространства теплообмен­ной камеры в процессе работы печи.

Внутри теплообменной камеры расположены четыре змеевика, состоящих из стальных бесшовных труб диамет­ром 159 мм со спиральным оребрением, соединенных меж­ду собой при помощи отводов. Змеевики расположены сим­метрично, слева и справа от продольной оси камеры.

Оребренные трубы змеевиков по концам и в середине опираются на трубные доски, изготовленные из жаростой­кой стали, и имеют возможность удлиняться при нагреве.

Принцип работы теплообменной камеры заключает­ся в том, что от горячих продуктов сгорания топлива тепло через стенки труб змеевиков передается нагревае­мой среде.

Рабочий процесс в теплообменной камере происходит следующим образом. Раскаленные продукты сгорания топлива из четырех камер сгорания через сопла-конфузоры, находящиеся в верхних частях последних, в виде плоских струй поступают во внутреннее пространство теплообменной кафедры. Скорость струй у устьев сопел-конфузоров составляет 100-120 м/с, а температура 1873-1973 К (1600-1700 °С).

Струи инжектируют уже охлажденные дымовые газы из нижних боковых зон теплообменной камеры, созда­вая интенсивную рециркуляцию продуктов сгорания, смешиваются с ними и охлаждаются. Таким образом, омывание труб змеевиков происходит охлажденными продуктами сгорания, имеющими температуру от 973 до 1173 К (700-900 °С).

Кратность рециркуляции продуктов сгорания в теп­лообменной камере составляет 2,5-3,0.

Продукты сгорания двигаются в камере поперек змее­виковых труб, проходя между их ребрами, что обеспечи­вает достаточно хороший конвективный теплообмен и исключает местный перегрев труб змеевиков.

Камера сгорания печи ПТБ-10 (рисунок ниже) является источником-генератором тепловой энергии для осуществ­ления процесса нагрева нефти, поступающей в змеевики печи. Она подает тепло в теплообменную камеру в виде высокоскоростного потока продуктов сгорания топлива с высокой температурой.

Схема камеры сгорания печи ПТБ-10

1 - корпус камеры; 2 - фланец присоединительный; 3 - труба жаровая; 4, 7 - труба визирная; 5 - люк смотровой; 6 - днище камеры; 8 - тройник; 9 -горелка; 10 - свеча; 11 - люк ручного розжига

Камера сгорания состоит из следующих сборочных единиц: корпуса, трубы жаровой, днища и горелки запальной, соединенных между собой при помощи свар­ных и болтовых соединений.

Корпус камеры сгорания состоит из цилиндрической и конических обечаек, сваренных встык. Верхняя часть корпуса снабжена штуцером с фланцем и улиткообраз­ным вводом воздуха, а также фланцем для подсоедине­ния камеры сгорания к днищу теплообменной камеры. Нижняя суженная часть конической обечайки корпуса снабжена фланцем для присоединения днища. На боко­вой стенке корпуса установлена визирная трубка фото­датчика.

Жаровая труба выполнена из жаропрочной стали 20Х23Н18 и состоит из двух основных частей: диффузо­ра и сваренного из отдельных деталей конфузора. Ниж­няя часть диффузора снабжена решеткой с круглыми отверстиями. Жаровая труба размещается внутри кор­пуса камеры и соединяется с ними при помощи двух по- лудисков.

Днище представляет собой фланец, сваренный с трой­ником для подачи топливного газа, решеткой с круглы­ми отверстиями и визирной трубой для установки допол­нительного фотодатчика. Визирная трубка снабжена штуцером для подсоединения трубки подачи воздуха на охлаждение фото датчика.

Из радиального вентилятора воздух, необходимый для горения, по воздуховоду подается в улиткообразный тан­генциальный ввод камеры сгорания и поступает в кольце­вое пространство «а», образованное внутренней поверх­ностью корпуса и внешней поверхностью жаровой трубы. По этому пространству воздух спиралеобразно движется вниз к днищу камеры, где смешивается с топливным га­зом, поступающим в камеру через тройник.

Далее топливная смесь поступает в пространство «б» жаровой трубы, в котором происходят ее сгорание и вих­реобразное движение вверх к конфузору.

Вращение потока воздуха с большой скоростью обес­печивает его движение с высокой турбулентностью в ниж­ней части камеры сгорания в зоне ввода топливного газа. В результате происходит интенсивное смешение воздуха с газом и обеспечивается высокая степень сгорания топ­ливной смеси.

При входе в жаровую трубу быстро вращающаяся смесь газа с воздухом внезапно расширяется, и спирале­образный поток создает вихрь, движущийся по направ­лению к выходу из камеры сгорания по периферии жа­ровой трубы. Эти газы затем рециркулируются в обрат­ном направлении по центру вихря. Между этими двумя зонами потоков образуется газообразный слой, который остается неподвижным, потому что чем быстрее движут­ся газы в первом случае, тем быстрее рециркулирующие газы вихрем оттягиваются вниз. Таким образом, газовые потоки проходят в различных направлениях относитель­но друг друга. Вихри играют роль держателей пламени, которое не гаснет даже в том случае, когда скорость дви­жения горючей смеси в жаровой трубе во много раз пре­вышает скорость распространения пламени.

Из камеры сгорания продукты сгорания топлива вы­ходят в виде высокоскоростной плоской струи инертных газов с температурой до 1973 К (1700'С).

Теплообменная камера (рисунок выше) устанавливается на блок основания печи и крепится к нему при помощи бол­тов. На фланцах, расположенных на боковых стенках теп­лообменной камеры, установлены четыре дымовых трубы.

Для осмотра состояния предохранительных (взрыв­ных) клапанов, расположенных в верхней части тепло­обменной камеры, печь снабжена площадкой обслужи­вания, а для доступа на нее и осмотра внутреннего про­странства камеры через смотровые лючки, находящиеся на задней торцевой крышке, - стремянкой.

Для принудительной подачи воздуха к камерам сго­рания в составе трубчатой печи предусмотрен блок вен­тиляторного агрегата.

Трубчатая печь ПТБ-10 работает следующим образом. Холодная нефть по трубопроводу ввода нефти в печь по­ступает в коллектор теплообменной камеры. Из коллек­тора нефть потоками поступает в нижние ветви змееви­ков, расположенных параллельно в корпусе теплообмен­ной камеры, проходит по змеевикам и собирается в выходном коллекторе.

При своем движении по змеевикам нефть нагревает­ся за счет тепла, отдаваемого продуктами сгорания топ­ливного газа, сжигаемого в четырех камерах сгорания.

Применение для змеевиков оребренных труб, опреде­ленным образом расположенных в пространстве теплооб­менной камеры, обеспечивает высокую теплоотдачу по­верхности нагрева. Интенсивная рециркуляция продук­тов сгорания в печи достигается созданием высокой скорости движения продуктов сгорания во внутреннем объеме теплообменной камеры, получаемой в результате сжигания топлива в специальных камерах сгорания и установки дефлекторов.

Сжигание топливного газа в камерах сгорания осу­ществляется с принудительной подачей воздуха радиаль­ным вентилятором.

Технические данные печи ПТБ-10 представлены в таблице ниже.

Параметры	Величина
Назначение	Нагрев нефтяных эмульсий и нефти
Нагреваемая среда	Нефтяные эмульсии, нефти с массовой долей серы до 1%, массовой долей сероводорода в попутном газе до 0,1%
Характеристика нагреваемой среды	Взрывоопасная, высокотоксичная
Номинальная тепловая мощность, МВт (ккал/ч)	11,6 (10х106)
Номинальная производительность при НЙГреве эмульсии, содержащей 50% пластовой воды, кг/с (т/ч)	115,7 (416,6)
Температура, К (°С) - нагрева среды, не выше - расчетная стенки, змеевика - окружающей среды (средняя наиболее холодной пятидневки) не ниже	363 (90) 523 (250) 233 (минус 40)
Давление для змеевика и элементов нефтепроводов, МПА (кгс/см2) - рабочее, не более - расчетное 7,0 - пробное гидравлическое	6,4 (64) 7,0 (70) 8,0 (80)
Давление для трубопроводов топливного газа (до регулятора давления), МПа (кгс/см), не более	1,0 (10)
Давление для трубопроводов топливного газа (перед камерами сгорания), МПа (кгс/см2), не более	0,05 (0,5)
Количество камер сгорания, шт.	4
Топливо	Природный или попутный нефтяной газ с содержанием сероводорода, г/100 м3, не более 2
Тягодутьевое устройство	Вентилятор радиальный В-Ц6-28-10
Количество вентиляторов, шт.	1
Двигатель привода вентилятора	Электродвигатель 4А250S4У3
Количество электродвигателей, шт.	1
Количество блоков печи трубчатой ПТБ-10, шт. в том числе: - камера теплообменная - блок основания печи - блок вентиляторного агрегата - система автоматизации	4 1 1 1 1
Масса, кг, не более - камеры теплообменной - блока основания печи - блока вентиляторного агрегата - системы автоматизации	29050 9000 1400 2000
Габаритные размеры (длина х ширина х высота), мм - камеры теплообменной - блока основания печи - блока вентиляторного агрегата - системы автоматизации	30775x3250x3580 11830x3150x2712 2400x1320x2025 3080x2000x2450
Число потоков продуктового змеевика	4