УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗОГРЕВА И СЛИВА ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ ИЗ ЦИСТЕРНЫ
DEVICE FOR HEATING AND DRAINING OF HIGH-VISCOUS OIL PRODUCTS FROM TANK

Группа изобретений относится к разгрузке застывающих высоковязких продуктов (таких как парафины и мазуты) из емкостей хранения или транспортировки, например, железнодорожных цистерн на объектах нефтехимии, нефтепереработки, нефтехранения и касается способа и устройства для разогрева и слива.
Слив вязких нефтепродуктов ведут растворением вязкого продукта более текучим растворителем при помощи подогрева продукта насыщенным водяным паром, с использованием СВЧ-установок, циркуляционным методом с использованием змеевиковых подогревателей, а также модификациями и комбинированием этих методов.
Подогрев продукта насыщенным водяным открытым паром невозможен для некоторых продуктов, не допускающих обводнения, например, мазута. В результате этого снижается эффективность горения мазута в топках котлов. Кроме этого пар, плохо перемешивающийся с мазутом, а также кипящая вода, конденсирующаяся из пара, на холодном мазуте вспенивают продукт, что может привести к выбросу продукта в люк.
Недостатком СВЧ является локальный перегрев, также связанный с низкой теплопроводностью продукта и отсутствием движения продукта в цистерне, что совершенно недопустимо для таких продуктов как битум, так как при нагреве битум, коксуется на теплообменной поверхности и становится непригодным для дальнейшего использования.
Существуют цистерны, оборудованные собственными рубашечными подогревателями, перевозящие мазут в горячем подвижном состоянии, позволяющие беспрепятственно проводить слив мазута, но стоимость таких цистерн очень велика, а полезная нагрузка таких цистерн значительно ниже полезной нагрузки обычных цистерн.
Основной недостаток змеевиковых подогревателей - локальный местный перегрев вблизи подогревателей и местный недогрев у стенок емкости, что приводит к необходимости зачистки последних.
Существует технология слива высоковязких нефтепродуктов, основанная на циркуляции продукта, сливаемого из цистерны через теплообменник, который греется паром или теплоносителем с использованием сливного устройства подключаемого снизу или вверху цистерны. При этом продукт не находится в непосредственном контакте с теплоносителем. Здесь, как недостаток можно указать достаточно большие первоначальные затраты на оборудование и сложность организации схемы работы таких систем.
Наиболее распространена схема разогрева слива нефтепродуктов из емкостей при помощи циркуляционного метода. Холодный продукт из цистерны насосом перекачивается через подогреватель и продукт возвращается в цистерну, и через сопла размывает холодный продукт в цистерне.
Известен способ разогрева и слива мазутов из железнодорожных цистерн (патент РФ №2112733, МПК B65G 69/20, B65D 88/74, опубл. 10.06.1998), заключающийся в том, что прокачивают мазут насосом из цистерны через теплообменник и подают разогретый мазут обратно в цистерну, перемешивают разогретый мазут с холодным, сливают разогретый мазут из цистерны. Часть разогретого мазута после теплообменника прокачивают насосом в обход цистерны. Причем процесс разогрева мазута в цистерне может продолжаться и при сливе. При этом часть мазута на слив направляют из цистерны самотеком в обход насоса или насосом в обход теплообменника.
При всех преимуществах этой схемы здесь используется лишь тепловая энергия, запасенная нефтепродуктом в теплообменнике, что увеличивает время начала старта слива цистерны.
Известен также способ разогрева и слива высоковязких продуктов из цистерны и устройство для его обеспечения, при которых циркуляцию нагретого продукта осуществляют в четырех системах замкнутой циркуляции, причем в начале процесса подачей из емкости накопителя при помощи циркуляционного насоса (патент РФ №2029718, МПК 69/20, B65D 88/74, опубл. 27.02.1995).
К недостаткам известного способа и устройства для его обеспечения относится то, что циркуляция в системе, выделенной позицией I, не участвует в процессе разогрева и слива, а служит лишь для вывода емкости 1, являющейся стартовой, в разогрев (сами авторы называют систему I автономной). Циркуляция в системе III не относится к циркуляции рабочего сливаемого продукта, а относится к циркуляции теплоносителя, который берется, например, из котельной. Система IV предназначена для слива продукта из цистерны и по сути не является циркуляционной. Системы I и II используют один насос 12. Система II используется для подачи разогретого продукта в область сливного приспособления и внутрь цистерны в трубы корпусов размывочных головок при помощи насоса 12 через теплообменный аппарат 17. Питание насосов, как насоса 12 системы II, так и насоса 5 системы слива IV может осуществляться жидко-твердой смесью, что может привести к проблемам закоксовывания и закупорки в трубах проточной части теплообменного аппарата 17 или повреждения насосов 5 и 12.
Известен также способ разогрева и слива высоковязких материалов и устройство для его обеспечения, при которых рабочая жидкость циркулирует через струйный насос, а отвод материала продолжают до тех пор, пока давление перед пассивным соплом струйного насоса не станет равным минимально допустимому (см., например, описание к авторскому свидетельству СССР №1411222, МПК B65D 88/74, опубл. 23.07.1988).
К недостаткам известного способа и устройства для его обеспечения относится то, что в последнем отсутствует фильтр, в теплообменник 3 и побудитель потока 6 самотеком может поступать холодная смесь с высоким содержанием примесей и неразбитыми и нерасплавленными кусками твердой фазы из камеры 8. Соответственно, к технологическим объектам (например, резервуарам), находящимся зачастую на больших расстояниях от сливной эстакады, смесь из камеры 8 поступает по трубопроводам неподготовленной: то есть требуются дополнительные мощности не только для ее перекачки (установка насоса), но также и для ее подготовки (например, организация циркуляционной линии от резервуарного парка и/или организация обогрева трубопроводов пароспутниками), что экономически нецелесообразно. Из-за возможности закупорки жидко-твердым материалом при циркуляции, например, теплообменника 3 возможен срыв работы побудитель потока 6. Камера 8, теплообменник 3, емкость 4 и побудителя потока 6 расположены последовательно. Для обеспечения давления на всасывающей магистрали побудителя потока 6 указанное оборудование должно быть расположено на разных высотах друг относительно друга с уклоном в сторону побудителя потока 6 (как и указано на фиг. 1). Такое расположение оборудования приводит к значительным строительным работам при возведении эстакады слива (заглубление оборудования либо подъем эстакады) и финансовым затратам.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ разогрева и слива высоковязких продуктов из цистерны (см. описание к патенту РФ №85457, МПК B65D 88/74, опубл. 10.08.2009), включающий отбор холодного продукта из донной части емкости, разогрев его во внешнем теплообменнике и подачу разогретого продукта с помощью насоса в донную часть емкости с использованием сопел, использование предварительно подогретого продукта на начальном цикле отбора холодного продукта, циркуляцию продукта, автоматическое регулирование расхода продукта в контуре циркуляции в зависимости от давления на входе насоса и температуры в системе циркуляции, причем в начале процесса предварительно подогретый продукт используют для разогрева продукта в сливаемой цистерне подачей при помощи циркуляционного насоса в ее донную часть через сопла, направленные внутрь сливаемой цистерны, затем по достижении температуры и давления продукта из цистерны в сливном приборе, достаточных для слива цистерны, предварительно подогретый продукт циркулирует через циркуляционный насос, струйный насос, функцию которого выполняет эжектор и сливное устройство, а при достижении давлением и температурой продукта значений, достаточных для перекачки, начинают отвод продукта к месту назначения.
В устройстве для осуществления известного способа, принятого за прототип, в сливном трубопроводе перед циркуляционном насосом установлен фильтр грубой очистки, а перед эжектором - датчик температуры с низкой инерционностью, выход которого соединен с системой управления. Однако эффективность работы примененного фильтра 21 низкая из-за возможности его закупорки жидко-твердым продуктом или механическими частицами, поступающим из цистерны, и вследствие этого возможен срыв работы насоса 18. Если насос 18 и способен протолкнуть жидко-твердый продукт через фильтр 21, то при закупорке крупными механическими примесями фильтрующего элемента на фильтре 21 будет необходима аварийная остановка работы всего устройства. Насос 18 установлен непосредственно на сливной магистрали после фильтра и сливного устройства, дающих значительные гидравлические сопротивления, что дает дополнительную нагрузку на насос 18. Указанный насос является вакуумным и при замкнутой циркуляции через эжектор 20 и/или гидромонитор 15 насос 18 работает "на себя", что снижает эффективность работы системы, так как отсутствует целесообразность применения эжектора именно как независимого насоса. В устройстве, эффективно работая как смеситель горячего и холодного продукта, эжектор не является насосом. В известном устройстве теплообменник 9 установлен после насоса 18, что отрицательно влияет на эффективность работы мониторов 15 при разогреве цистерны, эжектора 20, вследствие потери давления на теплообменнике 9. Поэтому при помощи известного устройства можно передавать продукт на небольшие расстояния или необходима установка дополнительного насоса.
Задачей, положенной в основу настоящей группы изобретений, является сокращение продолжительности процесса слива вязких нефтепродуктов из емкости и уменьшения энергозатрат, необходимых на разогрев нефтепродуктов.
Задача, положенная в основу настоящей группы изобретений, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в способе разогрева и слива высоковязких нефтепродуктов из цистерны, включающем отбор холодного нефтепродукта из донной части емкости, разогрев его во внешнем теплообменнике и подачу разогретого нефтепродукта с помощью насоса в донную часть емкости с использованием сопел, использование предварительно подогретого нефтепродукта на начальном цикле отбора холодного нефтепродукта, циркуляцию нефтепродукта, автоматическое регулирование расхода нефтепродукта в контуре циркуляции в зависимости от давления на входе насоса и температуры в системе циркуляции, причем в начале процесса предварительно подогретый нефтепродукт используют для разогрева нефтепродукта в сливаемой цистерне подачей при помощи циркуляционного насоса в ее донную часть через сопла, направленные внутрь сливаемой цистерны, затем по достижении температуры и давления нефтепродукта из цистерны в сливном приборе, достаточных для слива цистерны, предварительно подогретый нефтепродукт циркулирует через циркуляционный насос, струйный насос, функцию которого выполняет эжектор и сливное устройство, а при достижении давлением и температурой нефтепродукта значений, достаточных для перекачки, начинают отвод нефтепродукта к месту назначения, в начале процесса нефтепродукт из емкости-накопителя, предварительно подогретый в контуре разогрева, включающем насос перекачки и теплообменник, используют для разогрева нефтепродукта в цистерне подачей из емкости-накопителя при помощи циркуляционного насоса в ее донную часть через сопла, направленные внутрь цистерны, затем по достижении температуры и давления нефтепродукта из цистерны в пассивном сопле струйного насоса, достаточных для слива цистерны, предварительно подогретый нефтепродукт из емкости-накопителя циркулируют через контур циркуляционного насоса, струйного насоса и сливного устройства в емкость-накопитель, причем пока температура нефтепродукта в емкости-накопителе и давление перед циркуляционным насосом не станут больше заранее заданных для условий разогрева и слива значений, осуществляют перекачку нефтепродукта из емкости-накопителя через контур разогрева обратно в емкость-накопитель, а при достижении давлением и температурой нефтепродукта в емкости-накопителе значений, достаточных для перекачки, начинают отвод нефтепродукта к месту назначения, который продолжают до тех пор, пока давление нефтепродукта перед пассивным соплом струйного насоса не станет равным минимально допустимому.
Кроме того, при превышении давления в емкости-накопителе предельных значений начинают отвод нефтепродукта к месту назначения при помощи насоса перекачки, а также циркуляционного насоса.
Кроме того, при превышении давления в емкости-накопителе предельных значений отвод нефтепродукта к месту назначения осуществляют за счет эжекции нефтепродукта из емкости-накопителя через пассивное сопло дополнительного струйного насоса путем подачи нефтепродукта через его активное сопло при помощи насоса перекачки.
Кроме того, при превышении давления в емкости-накопителе предельных значений отвод нефтепродукта к месту назначения осуществляют за счет эжекции нефтепродукта из емкости-накопителя через пассивное сопло дополнительного струйного насоса путем подачи нефтепродукта через его активное сопло при помощи насоса перекачки, а также циркуляционного насоса.
Задача, положенная в основу настоящей группы изобретений, с достижением заявленного технического результата, решается также и тем, что устройство для слива высоковязких нефтепродуктов из цистерны, содержащее сливное устройство, монитор с сопловой головкой, сливной трубопровод, циркуляционный насос, выходной конец трубопровода которого соединен с теплообменником, фильтр, датчики температуры и давления, связанные с блоком управления, снабжено емкостью-накопителем, насосом перекачки и струйным насосом, установленным в сливном устройстве под сливным прибором цистерны, в трубопроводе которого установлен связанный с блоком управления кран, связывающий циркуляционный насос либо со струйным насосом, либо с монитором, а в трубопроводе насоса перекачки нефтепродукта из емкости-накопителя установлен кран, связывающий указанный насос либо с коллектором слива, либо через теплообменник с емкостью-накопителем.
Кроме того, фильтр размещен в емкости-накопителе с возможностью ее разделения на секции, в одной из которой происходит отбор нефтепродукта к насосам, а в другую секцию поступает нефтепродукт из цистерны через сливное устройство, причем нефтепродукт из теплообменника возвращается в каждую секцию.
Кроме того, емкость-накопитель разделена фильтром на секции, в одной из которых происходит отбор нефтепродукта к насосам, а в другую поступает нефтепродукт из цистерны через сливное устройство, а нефтепродукт из теплообменника возвращается в одну из секций.
Кроме того, коллектор слива и трубопровод циркуляционного насоса связаны трубопроводом с установленным на нем краном.
Кроме того, на коллекторе слива установлен дополнительный струйный насос, пассивное сопло которого связано с емкостью-накопителем, а активное с напорным трубопроводом насоса перекачки нефтепродукта.
Главным отличием предлагаемого способа является то, что в изобретении используется струйный насос, позволяющий сократить температуру начала слива (т.е. начальное время до слива нефтепродукта из цистерны) за счет использования кинетической и тепловой энергии циркуляционной жидкости, подающейся циркуляционным насосом по напорному трубопроводу (активное сопло струйного насоса) непосредственно в эжектируемый объем, прямо под сливным патрубком цистерны (пассивное сопло струйного насоса). Наличие рабочего сопла струйного насоса под сливным патрубком позволяет не только разбивать нерасплавленные куски нефтепродукта и избежать закупорки нерасплавленными фрагментами нефтепродукта трубопровода, но и за счет создания разрежения "вытягивать" нефтепродукт из патрубка цистерны, а также избежать значительной потери давления в коленах трубопровода сливного устройства. При этом не требуется разогрева нефтепродукта в цистерне до такой высокой температуры перекачки как в прототипе, что сокращает время нагрева и слива емкости. При этом в сливной магистрали (в сливном устройстве), в которой возможно наличие кусков холодного нефтепродукта отсутствует приводной насос, что позволяет избежать его поломок. Задача потока горячего нефтепродукта, из теплообменника поступающего в емкость-накопитель, разрушать еще целые куски нефтепродукта, попавшие в емкость-накопитель в секцию до фильтра, что позволяет минимизировать длину теплоизолированных трубопроводов сливной магистрали и уменьшить толщину их изоляции.
Таким образом, в процессе работы энергию нефтепродукта, подающегося циркуляционным насосом, используют для откачки полученной подогретой смеси при помощи эжекционного подсоса, а оставшуюся энергию струи используют для разогрева (размыва) цистерны через монитор. Окончательный нагрев, необходимый для транспортировки нефтепродукта, а также окончательного разбиения и расплавления кусков, осуществляется в емкости-накопителе после поступления горячего нефтепродукта от теплообменника из контура разогрева. При этом изобретение можно использовать для слива нескольких цистерн (маршрута), используя всего одну емкость-накопитель и один контур разогрева (насос перекачки и теплообменник), что сокращает материальные затраты при строительстве эстакады.
Другим отличием способа от прототипа является то, что разогрев холодных нефтепродуктов в цистерне через сопла головки монитора происходит сразу же после начала работы. Это позволяет при начальном затруднении открытия сливного прибора разогреть нефтепродукт около него.
Техническим результатом группы изобретений является то, что она позволяет сократить время опорожнения цистерн с вязкими нефтепродуктами за счет увеличения эффективности процесса разогрева, разбиения и откачки нефтепродукта из цистерны.
Перечисленные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого группа изобретений явным образом не следует для специалиста в области систем разогрева и слива высоковязких нефтепродуктов из цистерны, показал, что она неизвестна. Из уровня техники не выявлены решения, которые имели бы признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого технического решения, поэтому последнее отвечает условию патентоспособности «изобретательский уровень». Предложенное техническое решение промышленно применимо, так как может быть изготовлено промышленным способом, не требует разработки нового оборудования и переоснащения существующих производств, а используемые средства широко применяются в нефтяном машиностроении, что подтверждает возможность практической реализации и достижения технического результата, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером выполнения предлагаемого способа разогрева и слива высоковязких нефтепродуктов из цистерны и устройства для его осуществления, который наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения, определенные прилагаемой формулой.
Представленный вариант исполнения группы изобретений описывается далее на основе представленных чертежей, где:
- на фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства для разогрева и слива высоковязких нефтепродуктов из цистерны;
- на фиг. 2 то же, второй вариант;
- на фиг. 3 то же, третий вариант.
Устройство для разогрева и слива высоковязких нефтепродуктов из цистерны содержит сливное устройство 1, трехходовой кран переключения 2 и 13, циркуляционный насос 3, циркуляционный трубопровод 4, монитор 5, струйный насос 6, трубопровод слива 7, емкость-накопитель 8, фильтр 9, трубопровод насоса перекачки 10, насос перекачки 11, теплообменник 12, коллектор слива 14, датчик температуры 15 и 16, датчик давления 17 и 18, блок управления 19 и дополнительный струйный насос 20.
На сливном приборе цистерны установлено устройство нижнего слива 1, содержащее телескопический монитор 5 с соплами в головке и эжектор 6, расположенный под сливным патрубком цистерны. Переключение подачи подогретого нефтепродукта из циркуляционного контура к монитору 5 или рабочему соплу струйного насоса 6 осуществляется с помощью трехходового крана 2, по показаниям датчиков давления 18 и температуры 15. Секция с отфильтрованным при помощи фильтра 9 нефтепродуктом в емкости-накопителе 8 связана с циркуляционным насосом 3 и трехходовым краном 2 при помощи трубопровода 4. Трубопровод слива 7 связывает сливное устройство 1 с секцией емкости-накопителя 8 с неотфильтрованным нефтепродуктом. Насос перекачки 11, установленный на трубопроводе 10, связан при помощи крана 13 с коллектором слива 14 и теплообменником 12, горячий нефтепродукт от которого поступает в секцию емкости-накопителя 8 с неотфильтрованным нефтепродуктом. Управление положением запорных органов кранов 2 и 13 осуществляется при помощи приводов, управляемых программой, заложенной в блок управления 19 по данным, полученным от датчиков 15, 16, 17, 18.
Способ реализуется следующим образом.
Первоначально емкость-накопитель 8 содержит некоторое количество разогретого нефтепродукта. Сливное устройство 1 обслуживающим персоналом присоединяют к сливному прибору цистерны и отрывают затвор сливного прибора. Включается циркуляционный насос 3, через кран 2 нефтепродукт поступает к монитору 5. При затруднении открытия сливного прибора нефтепродукт при помощи насоса 3 поступает через сопла головки монитора 5 к затвору сливного прибора, разогревая его поверхность и нефтепродукт в цистерне, контактирующий с ним, что позволит его открыть. При подаче разогретого нефтепродукта в цистерну через сопла головки монитора 5 он смешивается с холодным нефтепродуктом в цистерне, частично расплавляя, растворяя и разрушая его. Смешанный нефтепродукт, обладая минимально необходимой жидкотекучестью и максимально допустимой вязкостью (значительно большей, чем в схемах с насосом расположенным на сливном трубопроводе), стекает в патрубок сливного прибора (пассивное сопло струйного насоса). При этом, если значения температуры и давления столба этой смеси, определяемые при помощи датчиков 15 и 18, достигнут номинального заданного значения, по команде 19 привод крана 2 переведет его запорный орган так, что свяжутся трубопроводы 4 и 7. Разогретый нефтепродукт, нагнетаемый насосом 4 из емкости-накопителя 8, поступит к рабочему соплу струйного насоса 6, что позволит при помощи эжекционного подсоса принудительно откачивать смешанный нефтепродукт из сливного прибора цистерны через сливное устройство 1 в секцию емкости-накопителя 8, расположенную до фильтра 9. При снижении температуры и давления нефтепродукта в емкости-накопителе 8 в секции после фильтра 9, определяемых по показаниям датчиков 16 и 17 до заранее заданных значений, в работу включается насос перекачки 11, подающий нефтепродукт из этой секции емкости-накопителя 8 через кран 13 и теплообменник 12 в секцию емкости-накопителя 8 до фильтра 9. Разогретый в теплообменнике нефтепродукт разбавляет нефтепродукт в секции емкости-накопителя 8 до фильтра 9, снижает сопротивление на фильтре 9, а также расплавляет и разрушает куски нефтепродукта, попавшие из сливного прибора на фильтр 9. При закупорке механическими примесями фильтрующего элемента на фильтре 9 подача нефтепродукта с помощью 11 через кран 13 и теплообменник 12 в емкость-накопитель 8 позволяет очистить поверхность фильтрующего элемента от примесей (перевести во взвешенное состояние) и продолжить слив нефтепродукта без остановки. В квазистационарном режиме с течением времени работы установки давление перед насосами 3 и 11 и температура нефтепродукта в емкости-накопителе 8 будут увеличиваться (количество нефтепродукта в установке увеличивается при постоянной производительности перекачки циркулирующего нефтепродукта за счет поступления нового нефтепродукта из цистерны, температура растет за счет разогрева нефтепродукта циркулирующего через теплообменник). При увеличении давления (уровня нефтепродукта) и температуры в емкости-накопителе 8, определяемых по показаниям 16 и 17, до определенных значений, трехходовой кран 13 переключается приводом по команде 19 на соединение секции емкости-накопителя 8 после фильтра 9 с коллектором слива 14. Нефтепродукт из емкости-накопителя 8 насосом перекачки 11 нагнетается в коллектор слива 14 и поступает к месту назначения. Прекращение слива нефтепродукта из цистерны осуществляется отключением насосов 3 и 11 при снижении давления, определяемого датчиком 17, до значения равному минимально допустимому давлению.
Если производительность насоса перекачки 11 не позволяет перекачать весь нефтепродукт, переданный струйным насосом 3 в емкость-накопитель 8 возможно подключение магистрали трубопровода 4 после насоса 3 к напорному коллектору слива 14 (см. фиг. 2) при помощи трубопровода. Это позволит интенсифицировать откачку нефтепродукта из емкости-накопителя 8 к потребителю. Для этой же цели в схеме, когда слив ведется не в напорный коллектор, а приемную емкость, может быть использован дополнительный струйный насос, соединяющий своим пассивным соплом емкость-накопитель с коллектором слива, а активное сопло с напорным трубопроводом насоса перекачки (см. фиг. 3).