СПОСОБ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОДУКТ, ТРАНСПОРТИРУЕМЫЙ ПО ТРУБОПРОВОДУ, НА ПУНКТАХ ПОДОГРЕВА НЕФТИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF THERMAL EFFECT ON THE PRODUCT, TRANSPORTED THROUGH PIPELINE AT THE OIL HEATING POINTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в частности к области тепловых и силовых воздействий на транспортируемый по трубопроводу продукт, с целью облегчения его транспортировки и подготовки к переработке, а также относится к технологическому оборудованию комплекса подготовки нефти и может быть использовано для нагрева нефтяных эмульсий и нефти.
Сложной энергосберегающей задачей для предприятий нефтяной промышленности является сокращение расхода топлива и снижение стоимости энергоресурсов на низкотемпературный подогрев (до температуры 200-250°С) и транспортирование нефти, вязких и застывающих нефтепродуктов, мазутов, битумов, гудронов, особенно в зимний период.
В настоящее время в России в общем балансе добычи нефти значительное место занимают высоковязкие и парафинистые нефти, доля которых неуклонно возрастает. Одной из проблем, осложняющих добычу нефти, является образование асфальтосмолопарафиновых отложений на скважинной арматуре.
Подобные отложения, которые происходят из-за снижения температурного режима потока нефти, встречаются практически во всех регионах нефтедобычи. Из-за отложений снижаются эффективность работы и производительность скважин, быстрее изнашивается оборудование, в несколько раз повышаются расходы на электроэнергию.
Повышение производительности транспортирования нефти при ее низкотемпературном нагреве, упрощение процесса нагрева и повышение стабильности процесса нагрева при сокращении расхода топлива и снижение стоимости энергоресурсов на нагрев - основная задача в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.
Известен способ теплового воздействие на продукты например нефти, транспортируемой по обогреваемому трубопроводу, путем преобразования электрической энергии в тепловую энергию, используя основу поверхностного эффекта, при котором передачу теплоты для подогрева продукта в обогреваемом трубопроводе производят от нагреваемой трубы, при прохождении по ней переменною электрического тока с неравномерно распределенной по сечению плотностью тока, при этом наибольшую плотность тока на внутренней поверхности создают выбором толщины стенки из условия превышения ее длины электромагнитной волны в стали при частоте тока 50 Гц. Известный способ изложен в работе Фонарев З.И. «Электроподогрев трубопроводов, резервуаров и технологического оборудования в нефтяной промышленности». - Л.: Недра, 1984. - 148 с.
Известно устройство для реализации известного способа, включающее обогревающую трубу с нефтью, нагревательную трубу, внутри которой проложен токоведущий кабель. Нагревательная труба закреплена снаружи обогреваемой трубы с помощью сварки и заключена в общую изоляцию. Один конец кабеля подключен к нагревательной трубе, а другой конец кабеля подключен к источнику питания переменною тока. Устройство изложено на рис. 1 страницы 7 книги Фонарев З.И. «Электроподогрев трубопроводов, резервуаров и технологического оборудования в нефтяной промышленности». - Л.: Недра, 1984. - 148 с.
Недостатком известного способа является высокая стоимость энергоресурсов для теплового воздействия на продукт, транспортируемый в обогреваемом трубопроводе. К недостаткам следует отнести необходимость применения высоковольтного напряжения (500 В - 3000 В) для эффективного нагрева нефти и теплостойкого кабеля, а также сложного и дорогостоящего оборудования.
Способы и методы обогрева, использующие в своей основе электричество, как правило, сложны и небезопасны в эксплуатации, а также более дорогостоящие по сравнению с другими обогревателями вследствие использования электричества как энергоносителя.
Известен способ теплового воздействия на продукт, например нефти, транспортируемый по трубопроводу путем воздействия теплом циркулирующего газового теплоносителя, образованного смешением продуктов сгорания топливного газа с избыточной частью отработанного теплоносителя подаваемого дымососом, при этом производят подогрев дутьевого воздуха теплом удаляемой части отработанного теплоносителя в атмосферу (дымового газа), Способ теплового воздействия на продукт, например нефти, изложен в патенте России RU №2090810, F27B 1/10, опубл. 20.09.1997 г.
Устройство, для реализации известного способа теплового воздействия на продукт, содержащее печь для нагрева нефти, содержащее вентилятор, воздухонагреватель, камеру сгорания топлива, теплообменные устройства, дымовую трубу, трубопроводы подачи нефти и топлива, газовод, причем газовод включает циркуляционный контур, соединяющий последовательно расположенные по ходу движения газообразного теплоносителя дымосос, циклонную топку трубчатые испарители, на газоводе установлен патрубок отвода отработанного теплоносителя, соединенный с всасывающим патрубком вентилятора, изложено в патенте России RU №2090810, F27B 1/10, опубл. 20.09.1997 г.
Недостатком известного способа является низкая эффективность преобразования теплоты сжигаемого топлива в конвективном виде теплопередачи для низкотемпературного теплового воздействия на транспортируемый продукт в обогреваемом трубопроводе, т.к. значительная доля теплоты сжигаемого топлива выбрасывается в атмосферу.
К недостатку следует отнести также создание «жесткого» горячего теплоносителя с температурой 670°С, использование которого приводит к нежелательным эффектам структурных изменений перекачиваемой нефти в обогреваемом трубопроводе. Такие тепловые потоки способны вызвать процесс коксования, т.е. разложение нефти без доступа воздуха на летучие компоненты и твердый остаток - кокса в трубопроводе. Коксование нефтяного сырья происходит уже при температуре Т=450-540°С, которая является предельным уровнем нагрева продукта, что снижает эффективность теплового воздействия на продукт.
Недостатком устройства является низкотемпературная камера сгорания, которая выполнена в виде циклонной топки с тангенциальными горелками. Продукты сгорания топлива в топке имеют температуру 1200°С, что не обеспечивает минимальный расход топлива, т.к. не выдержаны стехиометрические соотношения окислителя и горючего используемого топлива, что в целом снижает эффективность.
Известен способ теплового воздействия на продукт, например нефти, транспортируемый по трубопроводу, путем передачи теплоты от продуктов сгорания топливной рабочей смеси, образованной подачей компонентов топлива, воспламенением и сжиганием их в полости камеры сгорания устройства, размещенного внутри трубопровода, при этом контакт продуктов сгорания с транспортируемым продуктом осуществляют выбросом продуктов сгорания топливной рабочей смеси из полости устройства в трубопровод. Способ теплового воздействия на продукт, например нефти, изложен в патенте России RU №2156916, F17D 1/18, опубл. 27.09.2000 г.
Недостатком данного способа является сложность контроля состояния возможных структурных изменений в трубопроводе при нагреве транспортируемого продукта, что снижает эффективность технологического процесса при эксплуатации.
Известно устройство теплового воздействия на продукт, транспортируемый по трубопроводу, содержащее корпус, в котором выполнена полость для сгорания рабочей смеси, и как минимум один патрубок для подвода компонента рабочей смеси в полость, при этом устройство снабжено стаканом, установленным в корпусе, и нагревательным элементом, смонтированным в стакане, причем полость для сгорания рабочей смеси образована наружной поверхностью стакана и внутренней поверхностью корпуса, стенка которого имеет патрубок для подвода в полость компонента рабочей смеси и сквозное отверстие для выброса продуктов сгорания из полости в трубопровод, при этом в стакане имеется продольный канал для подвода в полость компонента рабочей смеси, кроме того, отверстие в корпусе выполнено в виде сопла Лаваля. Устройство для осуществления способа теплового воздействия на продукт, например нефти, изложено в патенте России RU №2156916, F17D 1/18, опубл. 27.09.2000 г.
К недостаткам устройства относят трудоемкость качественного контроля состояния возможных структурных изменений транспортируемого продукта при нагреве за счет тепломассообмена введением высокотемпературных продуктов полного сгорания топлива в транспортируемую нефть. Сложность эксплуатации и ремонта оборудования при нарушении качества транспортируемого продукта снижает эффективность эксплуатации трубопроводного транспорта.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ подогрева нефти и нефтепродуктов на трубопроводах, когда частично объединяют технологические процессы трубопроводного транспорта нефти и технологические процессы пунктов подогрева нефти с помощью теплообменной системы.
Известны способ и установка подогрева нефти на трубопроводах с помощью теплообменной системы, установленной на пунктах подогрева нефти, включающий нагрев промежуточного теплоносителя и теплопередачу от промежуточного теплоносителя к перекачиваемому продукту, в котором в качестве теплоносителя используют воду, нагрев которой осуществляют в водогрейном котле по графику 110-80°С, нагретую воду направляют в трубное пространство первой теплообменной системы, в которой поддерживают температуру циркулирующей в жаротрубном пространстве воды по графику 100-70°С, и при помощи автоматики эту воду используют для нагрева перекачиваемого продукта до заданной температуры во второй теплообменной системе. Известное техническое решение изложено в патенте России RU №2336456, F17D 1/18, опубл. 20.10.2008 г.
Недостатком данного технического решения является низкий температурный нагрев промежуточного теплоносителя, а следовательно, и низкий нагрев прокачиваемого продукта, приводящий к повышению вязкости транспортируемого по трубопроводу продукта и к снижению производительности трубопроводной системы.
Решаемой технической задачей изобретения является создание эффективного способа и устройства теплового воздействия на продукт, транспортируемый по трубопроводу путем повышения производительности транспортирования продукта за счет уменьшения вязкости и увеличения текучести продукта, при безопасном получении высокотемпературного теплоносителя в виде продуктов сгорания топлива.
Технический результат достигается тем, что в способе теплового воздействия на продукт, транспортируемый по трубопроводу, на пунктах подогрева нефти, включающий подачу транспортируемого продукта, регулируемую подачу компонентов топлива, воспламенение и сжигание топлива в печи, получение высокотемпературного теплоносителя в виде продуктов сгорания топлива, нагрев промежуточного теплоносителя в первой теплообменной системе, нагрев продукта во второй теплообменной системе, согласно которому промежуточным теплоносителем охлаждают высокотемпературный теплоноситель до температуры на 10-20°С ниже предельного уровня температуры нагрева транспортируемого продукта, исключив структурные изменения продукта, а затем охлажденными продуктами сгорания топлива нагревают транспортируемый продукт до температуры 200-250°С, с последующим нагревом компонента топлива - горючего в дополнительной теплообменной системе в виде утилизатора тепла, при этом тепловую энергию промежуточного теплоносителя преобразуют в электрическую с помощью турбокомпрессора и электрогенератора, для чего в качестве промежуточного теплоносителя используют сжатый в компрессоре воздух, с последующим использованием промежуточного теплоносителя в качестве компонента топлива - окислителя.
Технический результат достигается тем, что, осуществляют дополнительный индукционный нагрев продукта, охлажденного в результате транспортирования по трубопроводу, в интервале между пунктами подогрева нефти, используя электрическую энергию, полученную от части работы расширения промежуточного теплоносителя, нагретого в первой теплообменной системе при сжигании топлива.
Технический результат достигается тем, что в установке для осуществления способа теплового воздействия на продукт, транспортируемый по трубопроводу, на пунктах подогрева нефти, содержащей печь для сжигания топлива, систему подачи компонентов топлива, систему воспламенения, систему автоматики, первую теплообменную систему для нагрева промежуточного теплоносителя, вторую теплообменную систему для нагрева транспортируемого продукта, воздуховод, трубопроводы, запорную арматуру и дымовую трубу, согласно которой она снабжена турбокомпрессором, состоящим из турбины и компрессора с воздуховодом на входе, электрогенератором, индукционным нагревателем и утилизатором тепла, при этом выход компрессора сообщен с входом турбины через первую теплообменную систему, а выход турбины сообщен с входом в печь, при этом в канале газового тракта высокотемпературного теплоносителя в виде продуктов сгорания топлива последовательно за первой теплообменной системой установлена вторая теплообменная система, утилизатор тепла и дымовая труба, при этом холодный тракт утилизатора тепла сообщен на входе с устройством подачи компонента топлива - горючего, а выход сообщен с входом в печь, причем в качестве промежуточного теплоносителя используется воздух, турбокомпрессор является приводом электрогенератора, электрогенератор является источником питания индукционного нагревателя, установленного на участке трубопровода вне пункта подогрева нефти.
Использование в качестве промежуточного теплоносителя сжатого воздуха, нагреваемого в первой теплообменной системе, способного принять тепло от высокотемпературного теплоносителя в виде продуктов сгорания топлива и преобразовать эту теплоту в электрическую энергию, позволяет использовать электрическую энергию для нагрева транспортируемого продукта вне пункта подогрева нефти между пунктами подогрева нефти.
Нагрев компонента (горючего) топлива в утилизаторе тепла для увеличения теплосодержания сжигаемого топлива и увеличения соответственно количества получаемой электрической энергии, уменьшение одновременно тепловой нагрузки на экосистему при выбросе в атмосферу охлажденных продуктов сгорания топлива, позволяет утверждать о повышении энергосбережения, экономичности технологического процесса подогрева нефти в отрасли.
Высокий температурный нагрев прокачиваемого продукта, приводящий к снижению вязкости транспортируемого по трубопроводу продукта, способствует повышению производительности трубопроводной системы.
Выработанная электроэнергия может использоваться для нужд нефтепромысла, и этим также обеспечивается энергосбережение процесса подготовки нефти на нефтепромысле.
Таким образом, предлагаемое техническое решение имеет существенные отличия от известных решений и прототипа.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема установки для осуществления способа теплового воздействия на продукт, транспортируемый по трубопроводу, на пунктах подогрева нефти с разделенным воздуховодом на выходе (параллельное питание сжатым нагретым воздухом с одинаковым давлением при разных расходах) для каждого из двух приводов роторов.
На фиг. 2 приведена принципиальная схема установки для осуществления способа теплового воздействия на продукт, транспортируемый по трубопроводу, на пунктах подогрева нефти с воздуховодом на выходе (последовательное питание сжатым нагретым воздухом с одинаковым расходом при разных давлениях) для каждого из двух приводов роторов.
На фиг. 3 приведена принципиальная схема установки для осуществления способа теплового воздействия на продукт, транспортируемый по трубопроводу, вне пункта подогрева нефти.
На фиг. 1-3 обозначено:
1 - печь;
2 - система воспламенения;
3 - система автоматики;
4 - первая теплообменная система;
5 - вторая теплообменная система;
6 - утилизатор тепла;
7 - трубопровод подачи горючего;
8 - дымовая труба;
9 - трубопровод подачи воздуха;
10 - турбина привода электрогенератора;
11 - вал;
12 - электрогенератор;
13 - турбина привода компрессора;
14 - вал;
15 - компрессор;
16 - пункт подогрева нефти;
17 - магистральный трубопровод с транспортируемым продуктом;
18 - индукционный нагреватель;
19 - переключатель;
20 - элементы автоматики контроля температуры и параметров электрической сети для нагрева транспортируемого продукта;
21 - источник питания.
Установка содержит печь 1 для сжигания топлива, систему воспламенения 2 для розжига печи 1 с использованием пускового топлива, систему автоматики 3 для обеспечения устойчивого воспламенения и горения при заданном стехиометрическом соотношении компонентов. В печи 1 получают высокотемпературный теплоноситель в виде продуктов сгорания топлива. В газовом тракте высокотемпературного теплоносителя установлена первая теплообменная система 4 с промежуточным теплоносителем в виде воздуха, Воздух подают по воздуховоду, на фиг. 1, 2, изображенному в виде связей с указанием направления движения воздуха. За первой теплообменной системой 4 последовательно установлена вторая теплообменная система 5 для нагрева транспортируемого продукта. Направление движения продуктов сгорания топлива из печи 1 в атмосферу показано совокупностью стрелок.
В газовом тракте высокотемпературного теплоносителя за второй теплообменной системой 5 выполнена полость, в которой установлен утилизатор тепла 6, к входу холодного тракта которого подсоединен трубопровод 7 подачи горючего, а выход холодного тракта другим участком трубопровода 7 соединен через агрегаты автоматики с печью 1. Выход горячего тракта утилизатора тепла 6 сообщается с атмосферой дымовой трубой 8. Печь 1 на входе сообщена воздуховодом в виде системы трубопроводов 9 подачи воздуха из атмосферы. Турбина 10 соединена валом 11 с электрогенератором 12. Турбина 13 соединена валом 14 с компрессором 15. Входы турбин 10, 13 сообщены с выходом компрессора 15 через первую теплообменную систему 4.
Воздуховод турбокомпрессора в виде системы трубопроводов 9 подачи воздуха условно представляет «обвязку» системы подачи окислителя в установке, в которой вход компрессора 15 имеет общий канал питания воздухом и выход компрессора 15 сообщен с первой теплообменной системой 4. На выходе перовой теплообменной системой 4 воздуховод разделен для питания сжатым нагретым воздухом турбин 10, 13.
Вход турбины привода электрогенератора 10 сообщен с первой теплообменной системой 4 с промежуточным теплоносителем в виде сжатого воздуха, также как вход турбины привода компрессора 13 сообщен с первой теплообменной системой 4 с промежуточным теплоносителем, создавая разделенное, параллельное подсоединение турбин (фиг. 1). Питание турбин возможно и при последовательном их подсоединении, когда выход турбины 13 сообщают с входом турбины 10 (фиг. 2). При последовательном или параллельном подсоединении турбин выходы турбин 10, 13 сообщены с входом печи 1.
Установка выполнена и имеет возможность вырабатывать энергоресурсы для нагрева продукта, транспортируемого по трубопроводу, вне пункта подогрева нефти.
Между двумя пунктами подогрева нефти 16 участок магистрального трубопровода 17 представляет собой достаточно сложный технологический участок с остывающим продуктом, приводящий к увеличению вязкости, следовательно, к увеличению энергозатрат и уменьшению пропускной способности транспортируемого продукта (фиг. 3). К особенности данного технического решения относится транспортируемый продукт, весьма чувствительный к тепловому воздействию при нагреве. Для «мягкого» теплового воздействия на продукт вне пункта подогрева нефти используют электрическую энергию, полученную в пункте 16 подогрева нефти. На трубопроводе 17 с транспортируемым продуктом устанавливают индукционный нагреватель 18 с переключателями 19 и агрегатами автоматики 20 контроля температуры и параметров электрической энергии. Источником питания 21 является электрогенератор 12.
Установка работает следующим образом. Топливо (горючее), например, в виде попутного нефтяного газа, подогретое в утилизаторе тепла 6, подается в печь 1 и сжигается в ней в атмосфере воздуха, поступившего из турбин 10, 13. Воздух после турбины 10, 13 при температуре, ориентировочно, Т=400°С смешивается с нагретым в утилизаторе тепла 6 горючим, обеспечивает устойчивое воспламенение и горение с образованием теплоносителя в виде продуктов сгорания топлива при заданном соотношении компонентов топлива, в том числе стехиометрическом, обеспечивая высокую полноту сгорания топлива.
Продукты сгорания топлива в качестве высокотемпературного теплоносителя поступают в первую теплообменную систему 4, где нагревают промежуточный теплоноситель в виде сжатого воздуха (при давлении Р=0,4-0,6 МПа) до температуры Т=800-900°С. Высокотемпературный теплоноситель, охлаждаясь в первой теплообменной системе 4 ориентировочно до величины температуры, равной Т=400-450°С, т.е. до температуры ниже предельной температуры структурных изменений, во второй теплообменной системе 5 нагревает транспортируемый по трубопроводу продукт до величины температуры, равной ориентировочно Т=200-250°С. В газовом тракте высокотемпературного теплоносителя, охлажденные в двух теплообменных системах 4 и 5 продукты сгорания топлива поступают в утилизатор тепла 6, в котором остаточная (не использованная) теплота продуктов сгорания топлива передается путем теплопередачи горючему, например, попутному нефтяному газу. Нагретое в утилизаторе тепла 6 горючее поступает в печь 1 для сжигания при безопасном давлении, равном величине Р=0,1-0,12 МПа. Затем продукты сгорания топлива через дымовую трубу 9 поступают в атмосферу, обеспечивая тягу в печи 1.
Воздух, сжатый в компрессоре 15, затем нагретый в первой теплообменной системе 4 до высокой температуры, направляют на вход турбин 10, 13. Работа турбин 10, 13 на чистом сжатом воздухе не требует больших затрат на ее эксплуатацию. Работа расширения сжатого воздуха в турбинах 10 и 13 используется для привода компрессора 15 и электрогенератора 12.
После турбин 10, 13 воздух, имеющий температуру ориентировочно Т=400°С, поступает в печь 1. Электрогенератор 12 вырабатывает переменный электрический ток с частотой 50 Гц для нужд нефтепромысла. В то же время выработка электрической энергии позволяет установке создать возможность сопровождения теплового воздействия на транспортируемый продукт вне пункта подогрева нефти путем передачи электрической энергии на большие расстояния, при больших расстояниях размещения пунктов подогрева нефти. Примером такого воздействия является использование схемы дополнительного нагрева транспортируемого продукта индукционным нагревателем 18. Сопровождение теплового воздействия заключается в перемещении по линии электропередач выработанной электрической энергии, полученной в электрогенераторе 12. Вокруг трубопровода 17 с транспортируемым продуктом вне пункта подогрева нефти закрепляют индукционный нагреватель 18. При замыкании электрической цепи выключателем 19 система автоматики 20 обеспечивает необходимые параметры электрической мощности источника питания 21 переменного тока, для индукционного нагревателя 18, и осуществляется тепловое воздействие на транспортируемый продукт вне пункта подогрева нефти. Нагрев транспортируемого продукта на трассе уменьшает вязкость нефти, увеличивает скорость движения транспортируемого продукта, что позволяет уменьшить количество пунктов подогрева нефти, снизить стоимость технологической операции.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить производительность транспортирования нефти, упростить процесс нагрева нефти, сократить расход топлива и снизить стоимость энергоресурсов на нагрев,
По сравнению с известными аналогами в заявляемом техническим решении поэтапное охлаждение продуктов сгорания топлива, связанное с отбором и преобразованием тепловой энергии сжигаемого топлива в электрическую, с возможностью более позднего использования ее вне пункта подогрева нефти для теплового воздействия на транспортируемый продукт, позволяет повысить эффективность технологического процесса подогрева нефти, путем увеличения производительности транспортирования нефти, сокращения расхода топлива, а также снижения стоимости энергоресурсов на нагрев.