СПОСОБ РАЗОГРЕВА И СЛИВА ВЯЗКИХ И ЗАСТЫВШИХ ПРОДУКТОВ ИЗ ЕМКОСТИ
METHOD OF HEATING AND DISCHARGE OF VISCOUS AND FROZEN PRODUCTS FROM CONTAINER

Изобретение относится к разгрузке высоковязких и высокозастывающих продуктов (нефтепродукты, патоки, жиры и т.д.) из емкостей для хранения и транспортирования.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ разогрева и слива высоковязких продуктов из емкости, при котором холодный продукт отбирают из донной части цистерны, разогревают во внешнем теплообменнике и возвращают в определенном соотношении расходов нагретый продукт в два места цистерны, одно из которых находится на входе в канал отбора холодного продукта из цистерны в систему нагрева, в это место нагретый продукт подается с расходом, обеспечивающим необходимую текучесть холодного продукта для перекачки по контуру циркуляции, который устанавливается по величине давления на входе в насос или по величине температуры продукта перед теплообменником, оставшийся разогретый продукт подают на поверхность продукта в цистерне в момент, когда весь продукт в цистерне разогрет, останавливают циркуляционный разогрев и сливают продукт из цистерны (RU 2260552 С1, 09.01.2004).
Однако известный способ нагрева и слива высоковязких продуктов не позволяет решить в полной мере задачу обеспечения минимального времени разогрева продукта из-за возможных остановок системы разогрева, связанных с выходом рабочих параметров за допустимые пределы. В частности, внешние условия, в которых реализуются все способы разогрева с использованием теплоносителя, например, создаваемые котельной, предъявляют требования по температуре среды в линии возврата теплоносителя, а именно температура теплоносителя в линии возврата должна быть не ниже минимально допустимой и не выше максимально допустимой для данного технологического объекта. Нарушение этих требований вызывает прекращение подачи теплоносителя, что в летнее время приводит к увеличению времени разогрева, а в зимнее время будет приводить к переохлаждению среды в линии возврата теплоносителя вплоть до промерзания. Кроме того, превышение потребляемой активной мощности (фазного тока) электродвигателя циркуляционного насоса также может привести к его аварийному отключению и длительному перерыву в выполнении разогрева и слива.
Задача изобретения заключается в том, чтобы достичь минимального времени разогрева в условиях реального технологического объекта и обеспечить надежность работы системы разогрева в холодное время года.
Технический результат, достигаемый в летнее время, состоит в предотвращении остановок обработки, вызванных перегревом теплоносителя или отключением электродвигателя насоса при превышении тока потребления, а в зимнее время еще и в предотвращении закупорки линии возврата теплоносителя и ее разрушения из-за замерзания.
Технический результат достигается тем, что в способе разогрева и слива высоковязких продуктов из емкости, заключающемся в отборе холодного продукта из донной части емкости с помощью насоса, циркуляционном разогреве его во внешнем теплообменнике путем подвода в него теплоносителя и подаче нагретого продукта в несколько мест емкости, одно из которых находится на входе в канал отбора холодного продукта из емкости в систему нагрева, причем подачу нагретого продукта в это место осуществляют с расходом, обеспечивающим необходимую текучесть холодного продукта для перекачки по контуру циркуляции, а подачу оставшегося нагретого продукта осуществляют в места, удаленные от места отбора холодного продукта из емкости, и когда весь продукт в емкости разогрет, прекращают циркуляционный разогрев и сливают весь продукт из емкости, согласно изобретению увеличивают расход теплоносителя, подаваемого в теплообменник, при снижении температуры продукта на входе в теплообменник ниже расчетного значения для теплообменника, или при увеличении расхода циркуляции продукта через теплообменник сверх расчетного значения для теплообменника, или при увеличении активной мощности (фазного тока) электродвигателя насоса сверх максимально допустимого значения, или уменьшают расход теплоносителя при повышении температуры продукта на входе в теплообменник выше расчетного значения для теплообменника, или при снижении расхода циркуляции ниже расчетного значения для теплообменника.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства для реализации способа.
На схеме обозначены: всасывающий трубопровод 1; устройство слива - всасывающий патрубок 2 (показано условно, может быть как устройством нижнего слива через донный клапан емкости, так и верхнего слива, погружаемым через горловину верхнего люка емкости); емкость 3 с разогреваемым продуктом; стартовая емкость 4 с начальным запасом, трубопровод 5 начального заполнения высокотекучим продуктом из стартовой емкости 4; обходной трубопровод 8 мимо стартовой емкости 4; запорный клапан 9.1 коммутации схемы всасывания через стартовую емкость 4 (в открытом состоянии), или схемы всасывания с подключенной стартовой емкостью 4 (в закрытом состоянии); запорный клапан 9.2 коммутации схемы всасывания с подключенной стартовой емкостью 4 (в открытом состоянии) или схемы всасывания через стартовую емкость 4 (в закрытом состоянии); теплообменник 10; трубопровод 11 подачи теплоносителя от котельной; клапан 12.1 регулирования расхода теплоносителя через теплообменник 10, установленный на трубопроводе 11 подачи (один из вариантов органа регулирования подачи); клапан 12.2 регулирования расхода теплоносителя через теплообменник 10, установленный на трубопроводе обратного возврата теплоносителя в котельную трубопровода (один из вариантов органа регулирования подачи); насос 12.3 возврата теплоносителя в котельную с регулируемой подачей (один из вариантов органа регулирования подачи); датчик 13 температуры разогреваемого продукта после теплообменника 10; напорный трубопровод 14 горячего высокотекучего продукта после теплообменника 10; линия 15 подвода горячего высокотекучего продукта в область всасывания из емкости 3; линия 16 подвода горячего высокотекучего продукта в удаленную от всасывания область емкости 3; клапаны 17, 18, регулирующие подачу горячего высокотекучего продукта в разные части емкости 3; вариант участка 25.1 сливного трубопровода в безнапорный самотечный коллектор; вариант участка 25.2 сливного трубопровода в напорный коллектор с насосным сливом; клапан 26 запорно-регулирующий сливной; датчик 27 давления продукта на входе в насос 6; датчик 28 температуры продукта перед теплообменником 10.
Также на схеме показаны датчик 29 температуры теплоносителя после теплообменника 10 в линии его возврата в котельную; датчик 30.1 давления продукта на выходе насоса 6, в совокупности с показаниями датчика 27 давления на входе в насос 6 и известной степенью открытия регулирующих клапанов 17, 18 позволяющий выполнить косвенное измерение расхода циркуляции (по напорной характеристике насоса 6 и расходной характеристике нагруженной на него гидросистемы); датчик 30.2 расхода для альтернативного прямого способа измерения расхода; датчик 31 активной мощности электродвигателя насоса 6 (или датчик фазного тока).
Предложенный способ осуществляется следующим образом. В способе обеспечивается поддержание текучести разогреваемого продукта в емкости 3 на уровне, достаточном для его циркуляции через внешний теплообменник 10. Поддержание текучести обеспечивается смешиванием в области всасывающего патрубка 2 циркуляционного контура горячего высокотекучего продукта, поступающего после теплообменника 10, с холодным малотекучим продуктом в емкости 3. При естественном межпартионном разбросе теплофизических свойств разогреваемого продукта и, особенно, в процессе разогрева продукта в емкости 3 требуется изменение соотношения горячего и холодного продукта в смеси на входе во всасывающий патрубок 2 циркуляционного контура, а именно: снижение доли горячего продукта и увеличение доли разогреваемого (повышающего свою текучесть по мере разогрева) продукта в емкости 3.
Для изменения соотношения горячего и холодного продуктов в смеси происходит разделение горячего продукта после теплообменника 10 на две линии: по первой линии 15 горячий продукт подводится непосредственно в зону всасывания патрубка 2 и значительная его часть, смешиваясь с холодным продуктом, возвращается на вход теплообменника 10, по второй линии 16 горячий продукт подается в удаленную от всасывающего патрубка 2 область емкости 3, из которой он не может без охлаждения достичь области всасывания.
Если весь горячий высокотекучий продукт после теплообменника 10 подается по линии 15, то достигается максимальная температура и текучесть возвращаемой на вход в теплообменник 10 смеси, что в условиях ограничения температуры продукта на выходе из теплообменника 10 ограничивает подвод тепла к разогреваемому продукту в емкости.
Если весь горячий высокотекучий продукт после теплообменника 10 подается по линии 16, то на вход в теплообменник 10 возвращается продукт, охлажденный до актуальной на данный момент температуры в емкости 3, с минимальной на этот момент текучестью и температурой, но способный воспринять и передать максимальное количество тепла продукту в емкости 3 при условии сохранения циркуляции (при прекращении циркуляции тепло в емкость 3 не переносится и разогрев не происходит). Прекращение циркуляции при низкой текучести продукта происходит, в первую очередь, из-за кавитационного срыва насоса 6, вызванного пониженным давлением на входе в насос 6. Очевидно существует оптимальное на текущий момент разогрева соотношение горячего и холодного продуктов в возвращаемой смеси, обеспечивающее максимальный подвод тепла в разогреваемую емкость 6.
Для изменения соотношения расходов по линиям 15 и 16 используют запорно-регулирующие клапаны 17 и 18 соответственно.
В качестве субоптимальных критериев изменения соотношения горячего и холодного продуктов в возвращаемой смеси в прототипе используются сигналы датчиков 27 и 28 давления РС1 и температуры ТС2, причем по сигналу от датчика 27 давления РС1 изменяется сопротивление линии 16 регулирующим клапаном 18, а по сигналу датчика 28 температуры ТС2 изменяется сопротивление линии 15 регулирующим клапаном 17. Температура на входе в теплообменник 10 поддерживается на минимальном уровне, обеспечивающем приемлемую текучесть продукта, давление (разрежение) на входе в насос 6 поддерживается на минимальном уровне, исключающем кавитацию в насосе 6.
Ограничение температуры продукта на выходе из теплообменника 10 максимальным уровнем, исключающим кипение и термическое разложение разогреваемого продукта, осуществляется изменением расхода теплоносителя через теплообменник 10 по сигналу от датчика 13 температуры ТСЗ. Расход теплоносителя может изменяться последством запорно-регулирующих клапанов 12.1 или 12.2, расположенных в трубопроводе подачи или возврата теплоносителя соответственно, либо циркуляционным насосом 12.3 с изменяемой производительностью.
Процесс разогрева начинается с заполнения полости насоса 6 и части циркуляционного контура горячим продуктом из стартовой емкости 4, затем включается циркуляция продукта через теплообменник 10 с одновременным подводом теплоносителя к нему. Процесс разогрева может сопровождаться или перемежаться частичным сливом, если температура продукта на входе в теплообменник 10 достигла допустимого для частичного слива уровня. Существенным фактором, обеспечивающим высокую полноту слива продукта из емкости 3, является разогрев пристенного слоя продукта емкости 3 до температур с текучестью, обеспечивающей отекание продукта со стенок емкости 3 одновременно с понижением уровня продукта при его сливе из емкости 3. Поэтому одним из признаков завершения процесса разогрева является повышение температуры стенок емкости 3 до уровня, близкого к температуре разогретого продукта.
В процессе разогрева после повышения температуры продукта на выходе из теплообменника 10 до максимально допустимого уровня либо при достижении конечной температуры разогреваемого продукта в емкости 3 подача теплоносителя понижается вплоть до полного прекращения его подачи.
По окончании разогрева производится полный слив продукта из емкости 3 при открытом клапане 26 по сливному трубопроводу 25.1 самотеком (насос 6 отключен) в безнапорный коллектор (на схеме не показан) либо по сливному трубопроводу 25.2 с включенным насосом при сливе в напорный коллектор.
В известном способе в этот момент циркуляция продукта через теплообменник 10 и подача теплоносителя при сливе прекращается. Однако известный способ разогрева не обеспечивает в полной мере нахождение ряда параметров технологического процесса в допустимых пределах.
Например, при выборе значения температуры ТС2 (датчик 28) в области температур с ненормируемой вязкостью (текучестью) продукта и при возможном значении вязкости на входе в насос 6, близком к предельно допустимому для используемого насоса 6, возможны превышение потребляемой активной мощности насоса 6 с электроприводом сверх допустимых для электродвигателя значений и остановка электроприводного насоса 6 по срабатыванию токовых (тепловых) защит. Причем повторное включение электронасоса возможно по истечении промежутка времени, существенно превышающего время его работы до отключения.
Другой важный параметр, не контролируемый в известном способе разогрева и контролируемый в предложенном способе, - это температура теплоносителя ТС4 (датчик 29) в трубопроводе возврата.
Со стороны внешней котельной всегда накладываются требования по температуре ТС4 (датчик 29) обратно возвращаемого теплоносителя, которая должна находиться в расчетном диапазоне не ниже минимально допустимой и не выше максимально допустимой.
При использовании теплообменника 10 с противоточной схемой течения температура теплоносителя ТС4 в трубопроводе возврата с некоторым превышением отслеживает температуру ТС2 продукта на входе в теплообменник 10. В прямоточных схемах течения в теплообменнике 10 температура теплоносителя ТС4 в трубопроводе возврата с некоторым превышением отслеживает температуру ТС3 продукта на выходе из теплообменника 10.
Причины, вызывающие отклонения температуры теплоносителя ТС4, идентичны для обеих схем течения в теплообменнике 10.
К повышению температуры ТС4 приводит смещение интенсивности теплообмена (по сравнению с расчетной) в сторону подвода тепла от теплоносителя относительно теплосъема со стороны разогреваемого продукта, что, в свою очередь, может быть вызвано со стороны продукта повышенной его температурой на входе в теплообменник 10 или пониженным расходом циркуляции продукта, а со стороны теплоносителя завышенными энергетическими параметрами теплоносителя (повышенные температура, давление и расход на входе в теплообменник).
Причиной отклонения в сторону понижения температуры ТС4 является смещение интенсивности теплообмена в сторону съема тепла продуктом по отношению к подводу тепла от теплоносителя на расчетных режимах, что может быть вызвано разогревом переохлажденного продукта в емкости, но обладающего достаточной текучестью при пониженных температурах продукта на входе в теплообменник или повышенным расходом циркуляции, или недостаточными энергетическими параметрами теплоносителя (пониженные температура, давление и/или расход на входе в теплообменник).
Выход температуры возвращаемого обратно теплоносителя за верхний или нижний пределы допустимого диапазона приводит к отключению автоматикой котельной циркуляции теплоносителя через теплообменник 10 (таким образом, прекращению разогрева продукта в емкости), снижению ее тепловой мощности и переводу циркуляции на внутренний контур котельной. Повторное включение циркуляции через теплообменник 10 производится при восстановлении температурного режима, что, как и любой тепловой процесс, занимает заметное время и оценивается по приборам котельной, удаленным от места разогрева емкости. Вынужденные перерывы в работе схемы разогрева приводят к увеличению времени разогрева, а в зимнее время - к локальной заморозке линии теплоносителя с возможным ее разрушением.
Для предотвращения нежелательных последствий, вызванных недопустимым повышением температуры теплоносителя ТС4 в линии его возврата после теплообменника 10, предлагается управлять подачей теплоносителя в зависимости от регистрируемых значений температуры теплоносителя и продукта на входах и выходах теплообменника 10.
Подача теплоносителя должна снижаться как при непосредственном недопустимом повышении температуры теплоносителя ТС4 в линии его возврата после теплообменника 10, так и при росте температур теплоносителя на входе в теплообменник 10 и/или продукта на входе и выходе из теплообменника 10 сверх расчетных для теплообменника значений. Также подача теплоносителя должна снижаться при снижении расхода циркуляции ниже расчетного для теплообменника значения. Величина упреждающего снижения расхода теплоносителя по расходу циркуляции и перечисленным выше температурам, за исключением ТС4, складывается как сумма составляющих, каждая из которых пропорциональна величине превышения соответствующей температуры над своим расчетным значением и/или пропорциональна величине снижения расхода циркуляции от своего расчетного значения.
Снижение расхода теплоносителя, направленное на непосредственное понижение температуры теплоносителя ТС4 в линии его возврата, прекращается, как только эта температура понижается до допустимых значений.
Расход теплоносителя снижается следующими способами, применяемыми раздельно или совместно в произвольном сочетании: - увеличением гидравлического сопротивления линии теплоносителя за счет прикрытия регулирующих клапанов 12.1 и/или 12.2, расположенных в трубопроводе подачи или возврата теплоносителя соответственно; снижением производительности циркуляционного насоса 12.3 с изменяемой производительностью.
В случае недопустимого снижения температуры теплоносителя ТС4 в линии его возврата после теплообменника также предлагается управлять подачей теплоносителя в зависимости от регистрируемых значений температуры теплоносителя и продукта на входах и выходах теплообменника 10.
Подача теплоносителя должна повышаться как при непосредственном недопустимом снижении температуры теплоносителя ТС4 в линии его возврата после теплообменника 10, так и при снижении температур теплоносителя на входе в теплообменник 10 и/или продукта на входе и выходе из теплообменника 10 сверх расчетных для теплообменника значений, а также превышении расхода циркуляции над своим расчетным значением. Величина упреждающего повышения расхода теплоносителя при расходе циркуляции и перечисленным выше температурам, за исключением ТС4, складывается как сумма составляющих, каждая из которых пропорциональна величине понижения соответствующей температуры от своего расчетного значения и/или пропорциональна величине превышения расхода циркуляции над своим расчетным значением.
Повышение расхода теплоносителя, направленное на непосредственное повышение температуры теплоносителя ТС4 в линии его возврата, прекращается, как только эта температура повышается до допустимых значений.
Для предотвращения нежелательных последствий из-за аварийного отключения электродвигателя насоса 6 при увеличении его активной мощности (фазного тока) сверх максимально допустимого значения подача теплоносителя повышается пропорционально превышению величины активной мощности (фазного тока) сверх своего номинального значения. Увеличение подачи теплоносителя при отклонении этого режимного параметра должно иметь высший приоритет относительно упреждающего снижения подачи теплоносителя при снижении температуры продукта на входе в теплообменник 10 или снижении расхода циркуляции ниже расчетных для теплообменника значений.
Повышение расхода теплоносителя, направленное на снижение активной мощности (фазного тока), прекращается, как только этот параметр снижается до допустимых значений.
Расход теплоносителя повышается следующими способами, применяемыми раздельно или совместно в произвольном сочетании: - снижением гидравлического сопротивления линии теплоносителя за счет открытия регулирующих клапанов 12.1 и/или 12.2, расположенных в трубопроводе подачи или возврата теплоносителя соответственно; повышением производительности циркуляционного насоса 12.3 с изменяемой производительностью.