Влияние отложений в теплообменной аппаратуре на термические сопротивления и энергетические затраты на объектах промысловой подготовки нефти

ВЛИЯНИЕ ОТЛОЖЕНИЙ В ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЕ НА ТЕРМИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ НА ОБЪЕКТАХ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ

А.И. АНТИПОВ, Л.Г. ГОЛУБЕВ, Я.С. МУХТАРОВ

Представлены результаты экспериментального определения коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи и термического сопротивления отложений в теплообменных аппаратах объектов промысловой подготовки нефти. Приведены формулы для аналитического учета влияния загрязнений на технико-экономические показатели объектов подготовки нефти.

Практически вся нефть, добываемая способом поддержания пластового давления путём закачки воды в продуктивные пласты, содержит пластовую воду, являющуюся очень нежелательным балластом. При движении вода и нефть перемешиваются, образуя стойкие водонефтяные эмульсии. Получение безводной нефти представляет сложную и, вместе с тем, актуальную задачу, осуществляемую на различного рода объектах промысловой подготовки нефти. Эти объекты представляют сложные, металлоемкие и дорогостоящие сооружения, потребляющие значительное количество топливно-энергетических ресурсов. Эффективность технологических процессов промысловой подготовки нефти зависит от температурных режимов, достижение и поддержание которых во многом определяется теплообменом в теплообменной аппаратуре этих объектов [1]. Интенсивность теплопередачи в них в очень большой степени определяется величиной термического сопротивления отложений на их рабочих поверхностях. Образование отложений обусловлено, в основном, содержанием минералов в водной фазе эмульсий. В безводной нефти эти вещества практически нерастворимы. Толщина пограничного слоя при течении водонефтяных эмульсий значительно выше, чем при течении воды, не содержащей нефтяной фазы или безводной нефти при идентичных условиях. Расчёты по существующим методикам не учитывают этот фактор, в результате чего уже при выборе оборудования допускается неточность, что в ряде случаев приводит к снижению эффективности работы установок.

С целью получения данных по теплопередаче и термическим сопротивлениям в теплообменниках объектов промысловой подготовки нефти, которых не удалось найти в доступных литературных источниках, было проведено обследование теплообменников, объектов подготовки нефти ряда нефтегазодобывающих управлений ОАО «Татнефть» («Альметьевнефть»,

«Бавлынефть», «Лениногорскнефть», «Иркеннефть»). В результате были

определены следующие значения коэффициентов теплопередачи:

1) в теплообменниках «труба в трубе»:

а) «пар-нефть» 255...348 Вт/м2 °С;

б) «нефть-нефть» 140.175 Вт/м2 °С;

2) кожухотрубчатых теплообменниках:

а) «пар-нефть» 67.120 Вт/м2 °С;

б) «нефть-нефть» 42.80 Вт/м2 °С;

© А.И. Антипов, Л.Г. Голубев, Я.С. Мухтаров Проблемы энергетики, 2003, № 5-6

в) «вода-нефть» 46.103 Вт/м2 °С.

Представляет интерес сравнение приведенных данных с аналогичными, полученными в условиях нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) [2,3]. В [2, табл. 6.4] приводятся данные по теплопередаче в кожухотрубчатых аппаратах. Величины коэффициентов теплопередачи в них в среднем в 1,5 - 2,0 выше, чем в кожухотрубчатых аппаратах объектов промысловой подготовки нефти, служащих для подогрева сырой нефти, содержащей пластовую воду.

В [3, табл.34] приведены данные по теплопередаче в аппаратах «труба в трубе». Величины коэффициентов теплопередачи в них также в 1,5 - 2 раза выше. Рассмотренные данные относятся к аппаратам с вынужденным движением теплоносителей, в которых нагреваемыми средами были нефть или минеральное масло, греющими - керосин, гудрон, различные углеводородные фракции. Данных по теплопередаче в аппаратах «труба в трубе» при нагреве сырой нефти насыщенным водяным паром среди доступных литературных источников обнаружить не удалось.

Параметром, оказывающим наиболее существенное воздействие на теплопередачу, является скорость, то есть гидродинамический фактор. Степень влияния данного фактора в аппаратах кожухотрубчатых и типа «труба в трубе» различна. Так, в аппаратах «труба в трубе» при одинаковом, по сравнению с кожухотрубчатыми, изменении скорости темп изменения коэффициента теплопередачи в 1,5 - 3 раза выше. Это может быть объяснено исключительно влиянием гидродинамических факторов. Так, например, в кожухотрубчатых теплообменниках преобладает ламинарный режим течения (вычисленные значения Ие находились в пределах 283.2630). Значения этого параметра выше критических (Ие =2200.2300) наблюдались только в редких случаях. В теплообменниках типа «труба в трубе» значения числа Ие составляли от 13205 до 48480, т.е. находились в пределах, когда наиболее вероятным является развитый турбулентный режим течения. Наибольшие значения коэффициентов теплопередачи в аппаратах «труба в трубе» получены в случаях, когда греющим теплоносителем был насыщенный водяной пар («пар-нефть»). Их значения на 40.90% выше, чем в аналогичных аппаратах «нефть-нефть» (греющий теплоноситель- обработанная нефть). Данное отличие объяснимо различиями в интенсивности теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя.

Расхождение значений коэффициентов теплопередачи в исследованных различных кожухотрубчатых аппаратах, достигающее от 10 до 95,5, объяснимо влиянием загрязнений: их средняя толщина в некоторых трубах составляла 2.6 мм. Наиболее существенным фактором при этом является появление отложений со стороны нагреваемых водонефтяных эмульсий. Это обусловлено, главным образом, следующим:

1) минеральные соли, практически нерастворимые в безводной нефти, содержатся в водной фазе;

2) толщина пограничного слоя при течении эмульсий значительно выше, чем это имеет место при течении воды, не содержащей нефтяной фазы, или безводной нефти при идентичных условиях.

Кроме этого, данная величина зависит также и от размеров капель диспергированной среды. Следовательно, при нагреве этот слой находится при температуре, превышающей среднюю температуру в ядре течения потока.

С возрастанием содержания воды в эмульсиях и повышением температуры возрастает вероятность выпадения солей в виде шламов и твердых веществ, образующих отложения.

Рассмотренные факторы в совокупности приводят к тому, что скорость загрязнения (образования отложений) рабочих поверхностей со стороны эмульсий намного выше, чем это имеет место при движении других теплоносителей. Можно выделить следующие две составляющие механизма образования отложений.

1. Часть твёрдых взвешенных и смолистых веществ, содержащихся в «ядре потока», оказываясь на его периферии, попадает в переходный слой и далее в заторможенный, в котором, конгломерируясь с другими частицами, образует отложения. Благодаря большей (в сравнении с другими теплоносителями) толщине рассмотренных слоёв, в эмульсиях данный процесс происходит значительно интенсивнее.

2. Содержащиеся в глобулах воды карбонаты, попадая в переходный слой, оказываются при температурах выпадения солей временной жесткости. Образовавшийся в результате шлам частично задерживается в заторможенном слое.

Для выявления зависимости отложений от толщины заторможенного слоя были определены фактические значения коэффициентов теплоотдачи к эмульсиям в теплообменниках "труба в трубе” термохимической установки обезвоживания и обессоливания нефти управления "Бавлынефть".

Выбор был обусловлен следующими соображениями:

1) наличие одного потока, как это имело место в опыте, позволяет определять среднюю скорость эмульсии в теплообменниках с большей точностью, чем в кожухотрубчатых аппаратах, в которых на поток приходится от нескольких десятков до нескольких сот трубок;

2) существенное различие в диаметрах рабочих труб (в 5 - 7 раз) при одинаковых линейных скоростях движения и при прочих равных условиях ведет к тому, что в аппаратах "труба в трубе" числа Рейнольдса (Ие) будут соответственно выше, а толщины заторможенного слоя - ниже, то есть

У1Д1

= -^— = * 5...7,

Ие2 и 2 Д2 Д 2 8г

*2

где и - средняя скорость движения; Д - диаметр (внутренний) рабочей трубы; V -кинематический коэффициент вязкости нагреваемого теплоносителя; 8- толщина заторможенного слоя; индекс «1» соответствует аппаратам «труба в трубе»; индекс «2» соответствует кожухотрубчатым.

Греющим теплоносителем в аппаратах "труба в трубе" служил водяной пар, конденсирующийся на наружных поверхностях их внутренних труб, расположенных горизонтально. Именно этот случай в отношении теплообмена является одним из наиболее изученных. Поэтому средняя величина коэффициента теплоотдачи со стороны пара, вычисленная с учетом условий конденсации и других определяющих факторов, должна отличаться от фактической в пределах точности, обеспечиваемой примененными при исследованиях контрольноизмерительными приборами и расчетной формулой. Следовательно, данное расхождение будет меньшим, чем это имело бы место при использовании другого теплоносителя. Термическое сопротивление со стороны конденсирующегося пара ничтожно мало в сравнении с термическим сопротивлением со стороны

эмульсии [2, 3]. Поэтому ориентировочное значение термического сопротивления отложений может быть вычислено по формуле

1 1 м2 0 С ...

г3 *------------------------------------------------------------------------, -,

3 Кф К р Вт

где Кф, Кр - фактическая и расчетная величины коэффициентов теплопередачи, Вт/м2 0 С.

Вычисленная таким образом величина Г3 находится в пределах

0,00113...0,0022 м°С/Вт. Правомерность такого подхода оправдана тем, что при вычислении значения Кр учитываются:

— отношение наружного и внутреннего диаметров труб;

— термические сопротивления отложений со стороны пара и стенки трубы;

— коэффициенты теплоотдачи как со стороны греющего, так и нагреваемого теплоносителей.

При условии, что скорость образования отложений со стороны эмульсии во многом определяется толщиной заторможенного слоя, можно полагать, что ориентировочные значения термического сопротивления этого слоя в кожухотрубных теплообменниках могут быть найдены из соотношения (1), то есть

Г31 * Ие2,

г3.2 Ие1

Ие1 м2 -° С

отсюда Г3 2 = Г3 1 —1 = (5...7) Г31 = 0,00565...0,011, -------.

Ие2 Вт

Полученные величины находятся в значительном противоречии с данными, приведенными в [4], где указывается, что Г3 находятся в пределах от 0,0004 до

0,0008 м2 °С/Вт.

Основными причинами такого существенного различия являются:

1) приведенные в [4] данные соответствуют условиям НПЗ, на которые поступает нефть уже прошедшая промысловую обработку. Следовательно, содержание солей в этой нефти значительно ниже, чем это имеет место в нефтепромысловых условиях;

2) работа теплообменного оборудования в условиях НПЗ существенно отличается от условий, имеющих место на промысловых объектах подготовки нефти. В заводских условиях несопоставимо легче поддерживать требуемые величины скоростей теплоносителей, их давления, межремонтные сроки и др.

Следовательно, приведенные в [4] значения термических сопротивлений можно рассматривать применительно к объектам промысловой подготовки нефти в качестве ориентировочных.

Рассмотрим влияние загрязнений на удельные затраты. Пусть в единицу времени со стороны нагреваемой эмульсии образуется слой осадка толщиной Д8э.3 , тогда за время работы т толщина данного слоя составит

83 = Д8э.з • т, м.

Коэффициент теплопередачи при этом может быть выражен как

1

8

К ЛЭ.З

К3 = 1 Д8э • 151

, 7Э.З _

-----1----------•т

где К, К з - коэффициенты теплопередачи до и после образования слоя отложений,

Вт/м2 •“ С; Лэ.з - коэффициент теплопроводности отложений со стороны

нагреваемой эмульсии, Вт/м2 •“ С.

Из формулы (5) очевидно, что К3 < К. Для сохранения теплового потока в аппарате на прежнем уровне необходимо увеличить расход греющего теплоносителя либо его среднюю температуру.

Рассмотрим возможности реализации двух перечисленных условий. Влияние изменения расхода греющего теплоносителя (агрегатное состояние его не меняется) на теплопередачу можно учесть через коэффициент теплоотдачи

К

(и

иг.з

а

иг

Ч г

Л

э.з

аЭ

1

1

где аг, аэ - коэффициенты теплоотдачи от греющего теплоносителя и к

нагреваемой эмульсии, Вт/м2 С; гг - совокупное термическое сопротивление

слоя отложений со стороны греющего теплоносителя и металла трубок,

Вт/м2 *° С; иг, иг.з - скорости движения греющего теплоносителя до и после

образования отложений, м/с; т - показатель степени. При турбулентном режиме т = 0,8 ; при ламинарном - т = (0,3...0,5).

Необходимое увеличение расхода греющего теплоносителя (ДСг) определяется формулой

Д&Г =

где а г , РГ - расчетное живое сечение рабочей части теплообменника для греющего теплоносителя и его плотность.

Для реализации второго случая необходимо выполнение условия

к¥Д1^ = 0^э = К 3 ^зД згз = 2э..з = оэсэ

где ¥, ^з, у ,фз - соответственно суммарная рабочая поверхность включенных в работу теплообменников до и после образования отложений и степени полноты их

© Проблемы энергетики, 2003, № 5-6

омывания потоками теплоносителей; Л), Д)з - средние разности температур теплоносителей до и после образования отложений; Qэ , 2э.з - тепловые потоки, воспринимаемые в теплообменниках нагреваемой эмульсией до и после

образования отложений; Оэ , сэ - массовый расход и средняя массовая удельная

теплоемкость эмульсии; )э , )э - температура входа эмульсии в узел

теплообменников и минимальная допускаемая (по технологическим условиям) температура ее нагрева.

Для выполнения условия (8) должно соблюдаться равенство

иг 'Щ. •Сг • рг -гг)=игз •агз •Сгз • Ргз ,

При аг « агз , сг » сгз , рг « ргз имеем

• и Г , - и Г , -

гтз = ~ГТ

и гз и гз

• ”

где )г и )г - температуры греющего теплоносителя на входе и выходе из

0 ‘ ”

теплообменников до образования отложений, С; )гз и )гз - то же после

образования отложений, 0С; сг , сгз - удельная массовая теплоёмкость греющего

теплоносителя до и после образования отложений, кДж/кг0С.

Для случая обвязки узла теплообменников по противоточной схеме можно написать

Д)» 0,5[

где )г, )э - средние температуры греющего теплоносителя и эмульсии до образования отложений.

После образования отложений эта величина составит

Дз » 0,5[(ггз +ггз) — ()эз + гЭз)].

При подстановке (6), (10) и (11) в выражение (8) получим

1

1

а

и.

г.з

_ +ГГ+Д*эГ+±_ \т х а

10,5

и

(г - 1"г)+)"г

иГ.З

Из полученного уравнения можно найти значения скоростей для соответствующих условий.

Если удельные затраты на перемещение единицы массы горячего теплоносителя до и после образования отложений равны, соответственно, егп и

зз

ег.п.з, то затраты на перемещение необходимых количеств греющего теплоносителя с требуемыми скоростями составят:

Ег.п = егп • иг • рг • шг 3600, руб/ч;

Ег.п.з = ег.п.з • иг.3 • Рг.з • шг.з 3600, руб/Ч.

Величина егпз при изменении скорости вследствие образования отложений не остается постоянной, т.к. потери на гидравлические сопротивления нелинейны по отношению к изменению скорости. В общем случае, когда не известен характер движения, можно принять

Возрастание данной статьи затрат вследствие образования отложений составит

При увеличении средней температуры греющего теплоносителя также возрастут затраты топлива на его подогрев вследствие необходимости увеличения температурных перепадов в генераторе тепла. Например, в трубчатых печах это приведет к необходимости увеличения температуры продуктов сгорания топлива и , следовательно, к некоторому снижению их теплового к.п.д. Возрастание затрат на топливо будет равно

где Ет и Етз - затраты на топливо до и после образования отложений, руб; ет -

теплоносителя до и после образования отложений, кг/ч; п, Пз " коэффициенты, учитывающие тепловые потери оборудования в окружающую среду до и после образования отложений; пп, Пп.з - тепловые к.п.д. генератора тепла до и после

образования отложений; 2н - теплотворная способность топлива (низшая), кДж/кг, кДж/м3.

Если затраты на проведение очистки теплообменника составят Е0, а длительность цикла работы от одной очистки до другой равна тц часов, частота чисток в течение года составит

стоимость единицы количества топлива, руб/кг, руб/мз; В, В з - расходы топлива до и после образования отложений, кг,мз; Ог, Огз - расходы греющего

п0 = (365 • 24)/тц .

Затраты на проведение очистки, отнесенные к одному часу работы теплообменников, составят

Е0 = Е0/тц , руб/ч.

Увеличение затрат на подогрев нефти без учета зарплаты обслуживающего персонала, различных отчислений и других статей расходов, значения которых остаются практически постоянным при образовании слоя отложений, может быть определено следующим выражением:

Данную методику можно использовать в практических расчетах по определению расходов топливно-энергетических ресурсов и количества теплотехнического оборудования для проведения технологических операций промысловой подготовки нефти.

Introduced effects (results) of experimental definition of coefficient of a heat transfer, convective hat exchange and thermal resistance of depositions in heat exchange vehicles of plants of trade opening-up of oil. Here are formulas for the analytical account of influencing of impurities on technical and economic indexes ofplants of opening-up of oil.

1. Каспарьянц К.С., Кузин В.И., Григорян Л.Г. Процессы м аппараты для объектов промысловой подготовки нефти и газа.- М.: Недра, 1977.-255 с.

2. Амиров Р,Я., Уракаев И.М., Гареев Р.Г. и др. Технические системы. - Уфа: Гилем, 2000.-600с.

3. Багиров И.Т., Кардаш И.М. Пути снижения энергозатрат на нефтезаводах.- М.: Гостоптехиздат.- 1962.-212с.

4. Плетницкая А.Б. Методика теплового и гидравлического расчёта кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с вынужденным движением нефтепродуктов.-М.: ГИПРОНЕФТЕМАШ, 19бз.-101с.

5. Кучеров В.Г. Теплофизические свойства водонефтяных эмульсий и методика их расчёта для сбора и подготовки нефти. Кандидатская диссертация МИНГ им. И.М. Губкина.- М.,1987.

6. Саттаров У.Г., Фаррахов Э.З., Газимов М.Г. Теплофизические свойства нефтей и водонефтяных эмульсий Татарии//Нефтепромысловое дело.- 1972-№8.

АЕ з = АЕг.п + AЕт + Е 0.

Summary

Литература