УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗОГРЕВА И СЛИВА ВЫСОКОВЯЗКИХ ИЛИ ЗАСТЫВШИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ ИЗ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЦИСТЕРН

Полезная модель относится к устройствам для разгрузки высоковязких или застывших нефтепродуктов, например, мазутов М40 или М100, из емкостей для хранения и транспортирования.
Россия является крупнейшим экспортером вязких нефтепродуктов, поскольку нефть, добываемая на большинстве месторождений, содержит большое количество тяжелых углеводородов, типа асфальтенов и смол, обуславливающих высокую вязкость добытой нефти, а также парафинов и церезинов, которые повышают температуру застывания нефтепродуктов до +34°С. При перегонке подобной нефти остается большое количество тяжелых фракций, то есть мазута.
Транспортировка мазута в цистернах по сетям железных дорог в зимний период года происходит при средней температуре окружающей среды до -10°С, так что при поступлении цистерны под слив мазут может иметь минусовую начальную температуру. Кроме того, при транспортировке мазут расслаивается по высоте емкости на слои с разным удельным весом, внизу - асфальт, сверху - парафин.
Для сокращения времени разгрузки емкости и обеспечения полноты слива нефтепродуктов необходимо повысить их текучесть путем разогрева и обеспечить возможность полной разгрузки цистерны.
Из уровня техники известны устройства для разогрева и слива мазута из емкостей для хранения и транспортирования (цистерн), как через верхнее, так и через нижнее устройства слива, путем циркуляционного разогрева, основанного на нагреве отбираемого из емкости мазута во внешнем теплообменнике, где мазут не находится в непосредственном контакте с теплоносителем, и с возвратом разогретого мазута в емкость, где разогретый мазут должен передать тепло холодному, плохо текучему нефтепродукту (см. авторское свидетельство СССР №1551624, МПК В65D 88/74, 1990 г., патент РФ №2112733, МПК В65D 69/20 // В65D 88/74, 1998 г. и патент РФ №2204514, МПК В65D 88/74 // В65G 69/20, 2002 г.).
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является комбинированная установка для разогрева и слива высоковязких и застывших нефтепродуктов из цистерн, описанная в патенте РФ на полезную модель RU 60500, МПК В65D 88/74, 27.01.2007, которая позволяет использовать как верхний, так и нижний сливной клапан цистерны. Установка содержит устройство для нижнего слива, включающее всасывающий и напорный трубопроводы, энергоблок, содержащий последовательно установленные стартовую емкость, заполненную предварительно нагретым продуктом и соединенную с всасывающим трубопроводом через управляемый запорный клапан, насос и теплообменник с линией подвода теплоносителя, выход которого через управляемый запорный клапан соединен с напорным трубопроводом. Установка дополнительно содержит устройство для верхнего слива, включающее погружную трубу с дополнительными всасывающим и напорным трубопроводами, вводимую в цистерну через ее верхний люк, причем всасывающий трубопровод устройства для верхнего слива через управляемый запорный клапан соединен со входом стартовой емкости, а напорный трубопровод устройства для верхнего слива через управляемый запорный клапан соединен с выходом теплообменника. В установке в качестве насоса используется оседиагональный насосный агрегат, типа УОДН.
При эксплуатации данной установки требуются значительные энергозатраты, поскольку регулирование подачи насоса осуществляется путем изменения характеристик сопротивления трубопровода, кроме того возникают большие сложности на этапе запуска установки.
Разработка заявленной полезной модели направлена на решение задачи повышения производительности и снижения энергоемкости процессов разогрева и слива застывших нефтепродуктов при расширении диапазона исходных вязкостей разгружаемых жидкостей. Для решения поставленной задачи в конструкции заявленного устройства используется винтовой насосный агрегат с частотно-регулируемым приводом (ЧРП).
Техническим результатом полезной модели является повышение производительности и снижение энергоемкости процессов разогрева и слива застывших нефтепродуктов при расширении диапазона исходных вязкостей разгружаемых жидкостей (в сторону больших вязкостей), при которых возможна разгрузка. Полезная модель позволяет упростить и сделать более надежной систему управления установкой, уменьшить ее габариты, материалоемкость и стоимость используемого оборудования. Помимо энергетической выгоды использование частотного регулирования позволяет уменьшить гидроудары в трубопроводной системе за счет плавного пуска и останова агрегата и снизить кавитационный износ насоса.
Для решения поставленной задачи заявлена новая установка для разогрева и слива высоковязких или застывших нефтепродуктов из железнодорожной цистерны, содержащая трубопровод циркуляционного разогрева нефтепродукта с запорной и регулирующей арматурой, устройство нижнего слива, соединенное с всасывающей и напорной линией трубопровода циркуляционного разогрева нефтепродукта, устройство верхнего налива, соединенное с линией ввода нагретого нефтепродукта в цистерну через верхний люк, энергоблок, содержащий последовательно установленные стартовую емкость, заполненную предварительно нагретым нефтепродуктом и соединенную с всасывающей линией трубопровода через управляемые запорные клапаны, насосный агрегат и теплообменник с трубопроводом для подвода теплоносителя. Трубопровод циркуляционного разогрева нефтепродукта заявленной установки содержит два контура: основной и вспомогательный, имеющие общий участок трубопровода, по меньшей мере, от входа всасывающей линии откачки холодного продукта из цистерны до поступления в теплообменник, с установленным на данном участке насосным агрегатом с частотно-регулируемым приводом, при этом основной контур обеспечивает подачу холодного нефтепродукта в теплообменник и возврат горячего нефтепродукта в цистерну через устройство верхнего налива, а вспомогательный контур обеспечивает подачу части разогретого в теплообменнике продукта через гидромонитор на вход всасывающей линии устройства нижнего слива.
Полезная модель иллюстрируется фигурами фиг.1-5.
На фиг.1 показана схема основного и вспомогательного контура трубопровода циркуляционного разогрева нефтепродукта заявленной установки.
На фиг.2 показана схема установки в процессе эксплуатации, когда застывший нефтепродукт уже частично замещен разогретым нефтепродуктом в железнодорожной цистерне.
На фиг.3 показан график изменения характеристик установки дросселированием.
На фиг.4 показан график изменения характеристик установки регулированием частоты вращения насоса при помощи частотно-регулируемого привод насосного агрегата.
На фиг.5 показана более подробная схема заявленной установки с указанием размещения на ней управляющих датчиков и запорной арматуры.
Основное отличие заявленного устройства при эксплуатации заключается в том, что известный из уровня техники принцип перемешивания холодного и горячего нефтепродукта с помощью высоконапорных струй, заменен принципом замещения, когда холодный нефтепродукт, отбираемый из цистерны во вспомогательный контур, замещается разогретым нефтепродуктом, возвращаемым по трубопроводу основного контура на свободную поверхность нефтепродукта в цистерне без их перемешивания. Для обеспечения откачки плохо текущего холодного нефтепродукта из цистерны часть разогретого в теплообменнике нефтепродукта подается на вход всасывающей линии для совместной откачки с холодным нефтепродуктом по трубопроводу, а остальная часть разогретого нефтепродукта без напора сливается на свободную поверхность нефтепродукта в цистерне.
На упрощенной схеме устройства (см. фиг.1), показано два контура: основной контур 1, в котором происходит замещение холодного нефтепродукта, отбираемого из цистерны, на разогретый, и вспомогательный контур 2, который обеспечивает возможность перекачки плохо текущего холодного нефтепродукта по трубопроводу.
Управление соотношением расходов в основном и вспомогательном контуре производится с помощью регулятора 3, расположенного в месте разветвления потока разогретого нефтепродукта на основной и вспомогательный контуры. Причем, в качестве регулятора может быть использована, например управляемая механическая задвижка (одна или несколько). Суммарный расход обоих контуров равен производительности, обеспечиваемой насосом. Следовательно, при увеличении расхода нефтепродукта в одном контуре происходит снижение его расхода в другом.
Расход нефтепродукта в основном контуре определяет время разогрева всего объема нефтепродукта в цистерне. Чем выше расход горячего нефтепродукта в основном контуре, тем короче время разогрева цистерны. С другой стороны, чем хуже текучесть нефтепродукта в цистерне, тем больше требуется расход горячего нефтепродукта во вспомогательном контуре, и меньшее количество горячего нефтепродукта будет поступать в основной контур. По этой причине разогрев цистерны с застывшим нефтепродуктом занимает больше времени. Следовательно, для минимизации времени разогрева нефтепродукта в цистерне необходимо устанавливать некоторое оптимальное соотношение между расходами в основном и вспомогательном контурах. Это соотношение может регулироваться вручную или автоматически по сигналу от датчиков давления или температуры нефтепродукта на входе в теплообменник.
Из-за отсутствия перемешивания в цистерне будет существовать четкая граница раздела между холодным и горячим нефтепродуктом (мазутом), как показано на фиг.2, постоянно понижающаяся в процессе откачки холодного нефтепродукта. Слой горячего нефтепродукта, расположенный над холодным, в процессе снижения границы раздела полностью растапливает прилипший к стенкам холодный нефтепродукт, оставляя после опорожнения стенки цистерны совершенно чистыми.
3
В отличие от известного в заявленном устройстве отбор нефтепродукта (мазута) из цистерны производится при помощи винтового насосного агрегата с частотно-регулируемым приводом (ЧРП), с производительностью в диапазоне 25-60 м/ч, обеспечивающего подачу продукта в теплообменник и возврат горячего нефтепродукта (мазута) в цистерну для организации отбора смеси холодного и разогретого нефтепродукта в систему циркуляции и разогрева холодного нефтепродукта в цистерне путем теплообмена с горячим мазутом. Другое отличие заключатся в применении устройства для нижнего слива нефти и нефтепродуктов из железнодорожных цистерн (типа - УСН-175Г-04), дополнительно оснащенного гидромонитором.
3
3
2
3
2
3
Как упоминалось выше, регулирование подачи насосного агрегата и обеспечение его работы в требуемой точке возможно как путем изменения характеристики сопротивления трубопровода, так и путем изменения характеристики насоса. Наиболее распространенным методом изменения характеристики сети является дросселирование регулятором давления или задвижкой, установленной на выходе насосного агрегата. Этот путь является наиболее простым и не требующим установки какого-либо дополнительного оборудования. Но он является наиболее энергозатратным (см. фиг.3). Так, например, для обеспечения заданной подачи Q, требуется создать в системе напор, равный Н, но насос при этом будет развивать напор Н. Следовательно, энергия N=Q(Н-Н), рассеивается, а общая энергоэффективность насосного агрегата уменьшается.
Регулировать работу системы «насос-сеть» можно также изменяя характеристики насоса, а именно: частоту вращения рабочего колеса или геометрию проточной части.
3
При изменении скорости вращения насоса, характеристика Q-H смещается таким образом (см. фиг.4), что точка пересечения кривой насоса с характеристикой трубопровода соответствует требуемой в системе подаче Q. При низкой статической составляющей сопротивления сети данный способ регулирования режима работы насоса является наиболее энергетически эффективным и экономичным, при этом регулирование частоты вращения обеспечивает работу насосного агрегата постоянно в зоне максимального КПД.
Использование частотного регулирования дополнительно позволяет уменьшить гидроудары в системе за счет плавного пуска и останова агрегата и снизить кавитационный износ насоса.
Основные технические характеристики заявленной установки показаны в таблице 1.
Более подробная схема заявленной установки показана на фиг.5.
Установка для разогрева и слива высоковязких или застывших нефтепродуктов из железнодорожной цистерны 4 содержит устройство нижнего слива, соединенное с всасывающей 5 и напорной 6 линией трубопровода циркуляционного разогрева нефтепродукта. Устройство верхнего налива 7 соединено с линией 8 ввода нагретого нефтепродукта в цистерну через верхний люк цистерны 4. Энергоблок 9 содержит последовательно установленные стартовую емкость 10, заполненную нагретым нефтепродуктом и соединенную с всасывающей линией трубопровода через управляемые запорные клапаны 11-13, винтовой насосный агрегат 14, оснащенный частотно регулируемым приводом и теплообменник 15 с трубопроводом 16 для подвода теплоносителя. Трубопровод циркуляционного разогрева нефтепродукта содержит основной 1 и вспомогательный 2 контуры, имеющие общий участок трубопровода с установленным на данном участке насосным агрегатом 14 с частотно-регулируемым приводом. Работа установки поясняется на примере использования мазута в качестве разгружаемого нефтепродукта.
3
Стартовая емкость 10 предназначена для запуска установки и начала процесса разогрева нефтепродукта (мазута) в цистерне 4 и для поддержания температуры мазута, контролируемой прибором 17, оснащенным механическим датчиком температуры. Стартовая емкость 10 имеет небольшой объем. Количества мазута 1,3 м в стартовой емкости 10 уже достаточно для заполнения линии всасывающего трубопровода насосного агрегата 14 с целью предотвращения «сухого» режима работы при запуске процесса циркуляции мазута. Для контроля уровня нефтепродукта на линии всасывающего трубопровода насосного агрегата 14 установлен датчик уровня продукта 18. Температура мазута в стартовой емкости 10 поддерживается автоматически при помощи пара, подаваемого в змеевик 19, установленный внутри стартовой емкости 10. Подача пара в стартовую емкость 10 регулируется управляемым трехходовым клапаном 20, оснащенным электроприводом. Отвод пара осуществляется через обратный клапан 21, далее через вентиль пара 22 и конденсатоотводчик 23. Для безопасности работы стартовая емкость 10 дополнительно оборудована воздуховыпускным клапаном 24 постоянного действия, предохранительным клапаном 25, обратным клапаном 26. Для контроля давления стартовая емкость оборудована датчиком давления 27.
Частотно-регулируемый привод (ЧРП) насосного агрегата 14 предназначен для управления характеристиками винтового насосного агрегата. При этом на начальных стадиях разогрева винтовой насосный агрегат 14 перекачивает мазут с низкой температурой и высокой вязкостью, а ЧРП автоматически регулирует частоту оборотов электродвигателя с целью обеспечения работы насосного агрегата 14 в бескавитационном режиме. ЧРП интегрирован в систему автоматического управления так, что задаваемая частота оборотов зависит от температуры и давления мазута на входе в насос. С увеличением температуры и давления на входе в насос система автоматики повышает частоту оборотов до номинальной 1500 об/мин. Старт установки и ее работа с номинальной частотой без применения ЧРП при реализации данного алгоритма разогрева - невозможна.
Теплообменник 15 предназначен для подогрева циркулирующего мазута до заданной температуры, контролируемой датчиком 28. Датчик 28 - это механический датчик температуры. Теплообменник 15 на трубопроводах подвода мазута и пара дополнительно оборудован фильтрами механической очистки сред - фильтром мазута 29 и фильтром пара 30.
Для отвода конденсата на выходе из теплообменника 15 на трубопроводе отвода пара установлен конденсатоотводчик 31, служащий для повышения эффективности работы теплообменника 15.
Трубопроводы мазута в «верхней» и «нижней» точке оборудованы технологическими патрубками с резьбовыми заглушками, для слива и очистки от остатков нефтепродуктов.
При помощи устройства нижнего слива, установленном на донном клапане цистерны 4, осуществляется подача разогретого мазута в цистерну через гидромонитор 32 (см. фиг.2) в зону отбора, где происходит смешивание с холодным мазутом и обратный забор мазута во вспомогательный контур 2 для разогрева.
Для контроля давления мазута на выходе насосного агрегата 14 применяется гидрозаполненный манометр 33 с пределом измерения 0 - 2,5 МПа, класса точности 1,5 с присоединительной резьбой М20×1,5 или манометр, имеющий аналогичные характеристики.
Для контроля давления мазута на входе насосного агрегата 14 применяется датчик избыточного давления 34, например, датчик фирмы YОКОGАWА ЕJХ530А-ЕВS9N-014DN/КF21/ТМN/QR в комплекте мембранным разделителем WА-1-G3/2В-А, или датчик, имеющий аналогичные характеристики, который при увеличении давления более 0,2 МПа выдает сигнал в систему автоматического управления на отключение.
Для измерения давления пара перед теплообменником 15 применяется гидрозаполненный манометр 35 с пределом измерения 0-1,0 МПа, класса точности 1,5 с присоединительной резьбой М20×1,5 или манометр, имеющий аналогичные характеристики.
Для контроля температуры мазута на входе и выходе теплообменника 15 применяются датчики температуры 28 и 36. Дополнительно установка оборудована электронными датчиками, измеряющими температуру, давление и уровень нефтепродукта в стартовой емкости. Сбор и обработка сигналов с этих датчиков ведется системой автоматического управления установки, которая предназначена для автоматизации процесса разогрева и слива мазута.
Система автоматического управления обеспечивает сбор и обработку информации с датчиков, расположенных на установке с последующим формированием управляющего воздействия на исполнительные механизмы установки.
Система автоматического управления установки интегрирована с комплексом автоматического управления железнодорожной эстакады, причем автономный автоматизированный режим работы не предусмотрен. При нарушении связи с верхним уровнем управления работы на установке проводятся оператором-сливщиком в ручном режиме управления.
При запуске установки для разогрева и слива высоковязких или застывших нефтепродуктов (мазута) из железнодорожной цистерны по трубопроводу 16 подают теплоноситель в змеевик 19 стартовой емкости 10 и нагревают, размещенный в ней нефтепродукт до заданной температуры (40-90°С). Затем открывают задвижки 11 и 12 и запускают насосный агрегат, который подает нагретый нефтепродукт через теплообменник 15 на развилку 37 трубопровода, от которой потоки нагретого нефтепродукта поступают в основной 1 и во вспомогательный контур 2 трубопровода циркуляционного разогрева в соответствии с режимом, установленным регулирующим устройством 3. Далее по напорной линии основного контура, через устройство верхнего налива горячий нефтепродукт попадает на верхний слой застывшего нефтепродукта имеющегося в цистерне 4. Другая часть горячего нефтепродукта по напорной линии вспомогательного контура и устройство нижнего слива, оснащенное гидромонитором, подается в цистерну на вход всасывающей линии трубопровода, (которая является общей линией для основного и вспомогательного контура). Осуществляя прокачку нефтепродукта одновременно по 1 по 2 контурам установка позволяет осуществить полное замещение застывшего нефтепродукта, размещенного в цистерне 4 на разогретый нефтепродукт с последующим полным сливом жидкого нефтепродукта в подготовленную емкость (на чертеже не показана).
При использовании заявленной полезной модели достигается повышение производительности и снижение энергоемкости процессов разогрева и слива застывших нефтепродуктов, в частности, мазутов М40 и М100, характеризующихся высокой вязкостью. Кроме того, использование винтового насосного агрегата, оснащенного частотно регулируемым приводом, позволяет уменьшить гидроудары в системе за счет плавного пуска и остановки агрегата и снизить кавитационный износ насоса.