автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Совершенствование подогревателей нефти и нефтяной эмульсии на основе разработки компактных поверхностей теплопередачи и применения комбинированного нагрева

На правах рукописи

ДЕНИСЕНКО ИРИНА ПЕТРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ НЕФТИ И НЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ КОМПАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО НАГРЕВА

Специальность 05.14.04. - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2013

005545610

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Печенегов Юрий Яковлевич

Официальные оппоненты: Фокин Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Волгоградский архитектурно-строительный университет» заведующий кафедрой «Энергоснабжение и теплотехника»

Тверской Алексей Константинович

кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по научной работе ООО «Научно-производственная фирма «Русь», г. Саратов

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский технологический университет»

Защита состоится « 7 »ноября 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « 4 » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор * Ларин Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В технологии обезвоживания и обессолива-ния эмульсионных нефтей на промыслах важное место занимает ее нагрев до температур 50н-90°С, который осуществляют в специализированных огневых подогревателях прямого (через разделяющую стенку) и косвенного (с использованием промежуточного жидкого теплоносителя) нагрева. Подогрев нефти осуществляется и для снижения вязкости при ее транспорте по нефтепроводам.

Свойства нефти и водонефтяной эмульсии как теплоносителей и условия эксплуатации подогревателей на нефтепромыслах, обычно удаленных от индустриальных районов, обусловливают ряд специальных требований, предъявляемых к нагревательным устройствам. Среди них - надежность и пожаробезопасность, минимальный вес и объем, высокая заводская готовность подогревателей, их энергоэффективность, недопущение образования отложений на стенках труб продуктовых змеевиков в процессе работы.

Выпускаемые отечественными заводами и зарубежными фирмами подогреватели нефти и нефтяной эмульсии имеют блочную компоновку, что удобно для транспортировки и монтажа, широкий спектр единичных тепловых мощностей (до 10 МВт) и относительно низкий тепловой КПД (до 70-^80%). Недостатком большинства устройств является высокая металлоемкость и громоздкость. В наибольшей степени этот недостаток свойственен пожаробезопасным подогревателям косвенного нагрева, где используются две поверхности теплопередачи - стенка жаровой трубы, через которую передается теплота от продуктов сгорания топлива к промежуточному жидкому теплоносителю и стенка продуктового змеевика, через которую передается теплота от промежуточного теплоносителя к нефти или водонефтяной эмульсии.

В современных рыночных условиях, когда снижение затрат топлива на нагрев нефти в технологии ее подготовки на промыслах экономически востребовано, и когда ресурсосбережение становится одним из условий успешного хозяйствования, необходимым является разработка способов и средств, позволяющих уменьшить металлоемкость, повысить компактность и энергоэффективность подогревателей. Отсюда вытекает важность и актуальность решаемых в диссертации задач.

Целью диссертационной работы является улучшение характеристик подогревателей нефти и нефтяной эмульсии на основе разработки компактных поверхностей теплопередачи с интенсифицированным теплообменом и применения комбинированного нагрева.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- проведение сравнительного анализа прямого и косвенного нагрева нефти и нефтяной эмульсии;

- разработка концепции комбинированного нагрева;

- разработка нового компактного продуктового змеевика;

- экспериментальное исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в поворотных камерах нового змеевика;

- проведение расчетно-теоретических исследований для определения оптимального диаметра жаровой трубы и максимально-допустимой температуры продуктов сгорания топлива, натекающих на продуктовый змеевик в подогревателях комбинированного нагрева;

- проведение заводских испытаний подогревателя комбинированного нагрева с улучшенными характеристиками.

Научная новизна работы:

- обоснованы преимущества комбинированного нагрева и установлены условия его осуществления в подогревателях нефти и нефтяной эмульсии;

- по результатам экспериментального исследования получена зависимость для коэффициента гидравлического сопротивления поворотов нового компактного продуктового змеевика в области изменения чисел Рей-нольдса от 200 до 104;

- экспериментальным путем выявлены закономерности теплообмена потока в поворотных камерах нового компактного продуктового змеевика при числах Рейнольдса до 104; получена зависимость для расчета теплообмена в поворотных камерах;

- по результатам технико-экономического анализа определены оптимальные параметры жаровых труб подогревателей.

Практическая значимость работы заключается в разработке нового компактного продуктового змеевика (патент на изобретение №2382973) для подогревателей. Установленные зависимости для коэффициента сопротивления и для числа Нуссельта поворотных камер предложенного нового змеевика рекомендованы к использованию в проектных расчетах. Показано, что применение разработанного нового компактного продуктового змеевика и жаровой трубы с оптимальным диаметром обеспечивают существенное улучшение удельных массогабаритных характеристик подогревателей.

Проведены заводские испытания головного серийного подогревателя нефтяной эмульсии комбинированного нагрева с оптимальным диаметром жаровой трубы и интенсифицированным теплообменом продуктов сгорания топлива, которые подтвердили правильность разработанных в диссертации рекомендаций по проектированию. Совокупность полученных закономерностей и количественных зависимостей, расчетных методик и рекомендаций составляют теоретическую основу создания подогревателей комбинированного нагрева с улучшенными характеристиками.

Полученные в работе результаты использованы в ОАО «Завод «Неф-темаш» в г. Сызрани при разработке типоразмеров нового подогревателя нефти типа ПНК комбинированного нагрева тепловой мощностью 0,63, 1,9

и 3 МВт и в ОАО «Завод «Нефтегазмаш» в г. Саратове при разработке промысловых подогревателей воды типа ВАР с номинальной тепловой мощностью 60, 300 и 900 кВт. Подогреватели имеют улучшенные характеристики по отношению к известным аналогам и при испытаниях показали высокую энергоэффективность.

Результаты диссертационного исследования приняты к использованию в проектах промысловых подогревателей нефти, которые в настоящее время разрабатываются в ОАО «Завод «Нефтегазмаш», г. Саратов.

Результаты исследования используются в Саратовском ГТУ им. Гагарина Ю.А. при чтении специальных учебных дисциплин для магистров и бакалавров по направлениям подготовки «Теплоэнергетика», «Технологические машины и оборудование», организации научно - исследовательской работы аспирантов и студентов, в дипломном проектировании.

На защиту выносятся:

- результаты сравнительного анализа характеристик подогревателей прямого и косвенного нагрева; концепция подогревателей с комбинированным нагревом продукции скважин;

- разработанная конструкция нового компактного продуктового змеевика (патент на изобретение РФ № 2382973) для использования в качестве поверхности теплопередачи;

- результаты экспериментальных исследований гидравлического сопротивления и теплообмена потока в поворотных камерах с нишами;

- результаты расчетно-теоретического исследования по определению оптимальных конструктивных характеристик жаровой трубы и максимально-допустимой температуры продуктов сгорания топлива, натекающих на продуктовый змеевик в подогревателе комбинированного нагрева;

- результаты заводских испытаний головного образца подогревателя типа ПНК комбинированного нагрева, имеющего улучшенные характеристики.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается использованием фундаментальных закономерностей гидромеханики, технической термодинамики и теплопередачи. При выполнении экспериментальных работ использовались поверенные и оттарирован-ные измерительные средства. Методики измерений и обработки опытных данных проверялись на адекватность путем проведения тестовых опытов на хорошо изученных объектах и сравнением полученных результатов с данными других авторов. Разработанные рекомендации и полученные расчетные зависимости нашли подтверждение при заводских испытаниях серийных подогревателей.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения» (Саратов, 2010); VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов акад. РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассобмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, сентябрь 2010); Седьмой Меж-

дународной теплофизической школе «Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (Тамбов, сентябрь 2010); Четвертой Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», (Москва, октябрь 2011); Международной научно-технической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» (Воронеж, сентябрь 2011); Третьей Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, май 2012); Восьмой Международной теплофизической школе «Теплофизические исследования и измерения в энерго- и ресурсосбережении и при контроле и управлении качеством процессов, продукции и услуг» (Таджикистан, Душанбе, октябрь 2012); VIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, октябрь 2012); Шестой школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, октябрь 2012); конференции «Проблемы теплоэнергетики» (Саратов, октябрь 2012); Н-ой Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (Курск, декабрь 2012); VI Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, апрель 2013); Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технология. Производство-2013» (Са-лават, май 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на изобретение № 2382973.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии из 109 наименований, из них 9 зарубежных работ, изложена на 119 страницах, содержит 46 рисунков, 4 таблицы, 8 приложений. Общий объем работы составляет 145 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, изложены цели и задачи, названы научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе «Анализ технических приемов нагрева нефти и нефтяной эмульсии в подогревателях. Задачи исследования» сравниваются характеристики прямого и косвенного нагрева. Определены условия работы подогревателей прямого нагрева без образования отложений на стенках продуктовых труб со стороны нагреваемого продукта. Построен параметрический график, позволяющий определять совокупность величин коэффициентов теплоотдачи нефтяной эмульсии аэм и продуктов сгорания топлива апг при различных температурах /г греющих продуктов сгорания,

обеспечивающую температуру разделяющей стенки допустимую по условию отсутствия образования отложений на поверхности стенки. Для подогревателей косвенного нагрева, с использованием метода дифференцирования, решена задача определения оптимальной величины температуры £°пт промежуточного жидкого теплоносителя, соответствующей минимуму удельной площади <2 суммарной поверхности Р' жаровой трубы и продуктового змеевика.

Проанализировано влияние температуры /г, изменяемой за счет их циркуляции, на £ м2/МВт, при прямом и косвенном нагреве. Показано, что с ростом г, отношение ^ооДпрям увеличивается, достигая величины 2,6 при /Г=1000°С.

Проанализированы достоинства и недостатки выпускаемых промышленностью подогревателей прямого и косвенного нагрева.

Предложена концепция подогревателя комбинированного нагрева, позволяющая сочетать преимущества как прямого, так и косвенного нагрева, уменьшить металлоемкость и размеры устройства.

Для повышения компактности подогревателей предложено использовать в качестве теплопередающей поверхности новый змеевик (рис. 1). Конструкция змеевика (патент на изобретение № 2382973) позволяет размещать трубы-шпильки с шагом, значительно меньшим, чем в традиционных змеевиках, где трубы соединены с помощью приварных крутоизогнутых отводов. Параметр компактности при этом возможно увеличить в три раза и выше.

4 2

Рис. 1. Разрез элемента однопоточного змеевика: 1 — прямые теплообменные трубы; 2 - отсеки поворотные; 3 - коллекторные соединительные трубы; 4 - перегородки дисковые

Достоинством предложенного нового компактного змеевика является и более высокая интенсивность внешнего теплообмена при тесном расположении труб. В предложенном устройстве устранена причина частых очаговых коррозионных повреждений и раскрытий крутоизогнутых отводов по нейтральной линии (боковые образующие) при наличии высокого внутреннего давления в трубах традиционных змеевиков.

Во второй главе «Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления поворотных камер продуктового змеевика» дано состояние вопроса о гидравлическом сопротивлении поворотов. Отмечается ограниченность данных. Приведено описание разработанной автором экспериментальной установки (рис. 2) для изучения гидравлического сопротивления поворотных камер предложенного нового компактного змеевика.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки (а) и рабочий участок (б): 1 - водопроводная труба; 2 - бак постоянного уровня; 3 - пьезометрические трубки; 4 - соединительные резиновые трубки; J - рабочий участок; 6 - термометр; 7 - мерный сосуд; 8 - сливная воронка; 9 - переливная труба; 10- входная труба; 11 — выходная труба; 12 - соединительная трубка; 13- дисковые ограничители ниш; 14- стержень; 15 — штуцер отбора давления; 16- пробка резьбовая; I + VII - сечения, где измерялось " статическое давление потока

В опытах варьировались межцентровое расстояние b между входным и выходным каналами и глубина ниш а и с. Диаметр d каналов поворотной камеры был равен 6 мм. Рабочей жидкостью служила вода комнатной температуры, подаваемая из бака постоянного уровня. Расход воды измерялся объемным способом и изменялся в опытах от 4,5 до 285 кг/ч. Статическое давление потока воды измерялось в семи сечениях поворотной камеры с помощью пьезометрических стеклянных трубок внутренним диаметром 10 мм.

По результатам измерений в опыте вычислялся коэффициент сопротивления поворотной камеры

2

рш

ТР^Д, '

(1)

где Ар - измеренная разность статических давлений потока в сечениях III и VII; Артр - рассчитанное значение потери давления потока на преодоление сил трения на длине А/ между сечениями III и VII (отчет длины производился по осевой линии канала).

Расчет Д/?тр проводился по уравнению Дарси-Вейсбаха с использованием формулы Гагена-Пуазейля для коэффициента сопротивления трения при числе Рейнольдса Re<103 и формулы Филоненко при Re>103. Переходная величина Re=103 определена путем сравнения и достижения сходимости рассчитанных Apw и измеренных в опытах Ар на участке между сечениями VI и VII, где течение приобретает установившейся характер.

Установлено, что изменение глубины ниш в поворотной камере (а и с в опытах изменялись в интервале от 3 до 5 мм) не влияет на В области малых значений чисел Рейнольдса находится в сильной зависимости от Re. В области Re>(6^8)-103 величина <f„ стабилизируется и становится

практически автомодельной по отношению к числу Рейнольдса (рис. 3).

Аппроксимация полученных опытных данных в интервале изменения числа Рейнольдса 11е=200-К2-104 привела к зависимости

£,= А + 8- 104Яе"1'5, (2)

где А=2,05 при Ш=1,33; А=1,8 при Ш=1,67; А=2,25 при Ш=3.

Рис. 3. Зависимость коэффициента сопротивления поворота на 180° от числа Рейнольдса: 1 - а=3 мм, ¿=8 мм, с=3 мм; 2-3 мм, 8 мм, 5 мм; 5 — 5 мм, 8 мм, 3 мм; 4 — 4 мм, 8 мм, 4 мм; 5 — 4,5 мм, 10 мм, 4,5 мм; 6 — 3 мм, 10 мм, 3 мм; 7 — 3 мм, 18 мм, 3 мм; 8 - по формуле (2)

2 . I еимтажУч» >»O»V4TW»"-

_I_I_1_t_I_i_I_l_1_i—1—I h i—I—I—l_J—I—I

0 2 4 6 S 10 12 14 16 18 Ksttt1

В области 800<Re<2000 максимальное отклонение опытных точек от обобщающей зависимости (2) (линии 8 на рис. 3) составляет 14%, а для области Re>2000 он не превышает 8%.

Параметр А в уравнении (2) представляет собой автомодельную величину зависящую от bld. На рис. 4 опытная зависимость Çn=f{b/d) сравнивается с расчетом по рекомендациям И.Е.Идельчика для П-образного поворота с острыми кромками без ниш. Видно, что ниши увеличивают гидравлическое сопротивление поворота. Минимум зависимости Çn=J{bld) при b/d~1 обусловлен перестройкой структур потока в повороте при изменении bld.

Рис. 4. Зависимость коэффициента сопротивления автомодельного по отношению к Re. от параметра bld\ 1 - по нашим опытам;

2 - по данным Идельчика И.Е. для П-образного поворота с острыми кромками, без ниш

i 2 3 Ш

Для практически важной области b/d= 1,2^-2,3 величина А в формуле (2) удовлетворяет зависимости

А=6,36-5,17(Ш)+1,45(Ш)2. (3)

-t-2 х-3

s-o а— 6

18 Rc Ш

В третьей главе «Экспериментальное исследование теплообмена в поворотных камерах» приведены общие сведения о теплообмене в коленах и поворотах. Имеющиеся в литературе ограниченные данные по данному вопросу указывают на значительно более высокую интенсивность теплообмена, чем в прямых трубах.

Для изучения теплообмена в П-образных поворотах с нишами была создана экспериментальная установка (рис. 5), включающая прямую трубу и четыре варианта поворотных камер, имеющих внутренний диаметр с! = 6 мм и толщину стенки (медь) ¿>=1 мм. Рабочая длина I прямой трубы составляла 320 мм. Варианты поворотных камер различались между собой конструктивными размерами а, Ъ и с (а=5-Н0,2 мм, 6=9-И8 мм и с=6-^8,9 мм). Прямая труба и поворотные камеры размещались в корпусе с водой, находящейся под атмосферным давлением, которая во время опытов приводилась в состояние активного кипения с помощью встроенного электронагревателя. Рабочей жидкостью (нагреваемый теплоноситель) служила вода, подаваемая из бака постоянного уровня (на рис. 5 не показан) в прямую трубу в серии тестовых опытов и в отдельности в каждую из поворотных камер при выполнении основных опытов. .е)

9 6 К)

щшаийЕ-

/4 В 12

\ - I

О 1

ы гч ^

/ ......"-«ц, иишши птцп н-

110 |

II и и

л)

о г ь д

1 И,..."..

/ Ч/ 9 1 т...........I" об

а»

Рис. 5. Схема экспериментальной установки: а - продольный разрез; б — поперечный разрез; в - вид сверху; г — поворотная камера; / - термопары для измерения температуры потока; 2 - смесительные камеры;

3 - термометры расширения; 4 - импульсные соединительные трубки; 5 - крышка; б - прямая труба; 7 - термопары для измерения температуры стенки трубы; 8 — и-образный дифманометр; 9-корпус; 10- поворотные камеры; 11 - электронагреватель; 12 - вольтметр; 13 - амперметр; 14 - автотрансформатор; 15 - уровень воды; стрелками показано направление движения потока

При установившихся режимах в опытах измерялись расход рабочей жидкости объемным методом, ее температура на входе и выходе исследуемого элемента с помощью дублирующих друг друга термометров расширения и термопар типа ХК. Для измерения температуры стенки прямой

Ыи

трубы использовались девять термопар типа ХК с диаметром электродов 0,2 мм, спаи которых зачеканивались и обжимались хомутами снаружи трубы в трех ее сечениях на рабочей длине. Вторичным прибором для термопар служил цифровой милливольтметр типа ТРМ 101 класса точности 0,5, проградуированный в °С. С помощью двух термометров расширения измерялась и контролировалась температура (7К=100°С) кипящей воды (греющий теплоноситель) в корпусе. Установленная при наладке установки мощность электронагревателя в опытах не изменялась, оставаясь постоянной.

В тестовой серии опытов проверялась одинаковость показаний термометров расширения и термопар в изотермических условиях (комнатная температура при неработающей установке и состояние кипения воды в корпусе в отсутствие рабочей жидкости в прямой трубе) и соответствие измеренного перепада давления Ар в прямой трубе расчету по известным зависимостям. На следующем этапе определялись характеристики теплообмена в прямой трубе. Получено согласование опытных данных с расчетом по известным формулам:

— для вязкостного режима течения при Яе<2330

/ <*\0'333 / ц\

1'55(Рет) (¿)

1

где поправка на длину трубы = 0,6 ■ 7 + 2,5 • ^;

— для переходного режима течения при 2330< Яе <104 (формула Хау-зена)

Г ^ 0,667-1

Ыи = ОД16(11е0'667 - 125)Рг0'333 1 + (у) ! (5)

— для турбулентного режима течения при Яе>8-103

/ и \од4

N11 = 0,023Ке°'8Рг°'4 . (6)

Определялся коэффициент теплоотдачи между кипящей жидкостью и стенкой прямой трубы по уравнению

1 г 1 1 Г1 ак~ Т+261к(11 + 5)~ай\ ' (7)

где к и а - опытные значения коэффициента теплопередачи и коэффициента внутренней теплоотдачи соответственно.

В исследованном интервале 11е=200-Н04 значения ак соответствовали 5500 Вт/(м2-К) с максимальным отклонением ± 5%.

Полученное значение ак использовалось при определении коэффициента теплоотдачи потока рабочей жидкости в поворотных камерах по уравнению

к(й + 5) ак(с( 4- 25)

где к = Gcp^ ^ ^tix+tBM^j' G н ср - расход и теплоемкость рабочей жидкости; tBX и Свых - температуры потока на входе и выходе поворотной камеры; F - площадь поверхности теплопередачи, F = n(d + ¿>)[0,5(d + 5) + (2а + Ь) + 2(с — 0,5d — S + 0,0016)]; a, b, с — размеры камеры (рис. 5); 0,0016 - толщина стальной стенки корпуса в м.

Относительная ошибка определения а по (8) составляла 7,9%.

Полученные опытные данные по теплообмену потока в поворотных камерах приведены на рис. 6 в виде зависимости числа Нуссельта от числа Рейнольдса. Там же для сравнения приведены линии характеризующие теплообмен в прямой трубе (линии 1 и 2) и в плавно изогнутом повороте на 180° (линия 3).

Опытные данные обобщены уравнением

Nu = cRenPr0'43, (9)

где для поворотной камеры №1 - с = 0,36 и п = 0,63, №2 - с = 0,66 и п = 0,59, №3 - с = 0,96 и п = 0,45, №4 - с = 0,89 и п = 0,47. Уравнению (9) соответствуют четыре верхних линий на рис. 6. Максимальное отклонение опытных точек от линий по уравнению (9) не превышает 8%.

Рис. 6. Зависимость N11 от Ле: 1 - расчет по (4); 2 - по (5); 3 - опытные данные В.К. Щукина и В.А. Филина для плавного поворота на 180°: 4 - поворотная камера № 1 (а=5 мм, Ь=9 мм, с=6 мм); 5 -№ 2 (а=6,3 мм, ¿=11,49 мм, с=7,3 мм); 6 - № 3 (а=8,1 мм, 6=15,8 мм, с=5,2 мм); 7-№ 4 (а= 10,2 мм, 6=18,5 мм, с=8,9 мм)

3-------------------------г.............,.„

Рис. 7. Зависимость Nu/Nu, от b/d: 1 - Re =103; i -4-103; 3 - 7-103

Из рис. 6 видно, что теплообмен в поворотных камерах с нишами имеет высокую интенсивность. Отношение чисел Нуссельта для поворот-

ных камер и для прямой трубы (Тч1и/МиПр) в зависимости от конструктивного параметра Ь/с1 имеет минимум (рис. 7), что связано с влиянием ниш и особенностями формирования вихревых зон потока в поворотных камерах при разных Ь/с1. В диссертации приведено физическое объяснение полученным результатам. Для практического использования рекомендована аппроксимирующая зависимость

N11 = [о,36 + 0,6 (%) 196]

Ие1

]рг0,43

(10)

полученная для области Яе=600^-8-10 в интервале Ь/с1= 1,5-^2,63. Определяющими в (10) являются диаметр канала и средняя температура потока жидкости. Зависимость (10) описывает средний теплообмен на всей площади поверхности каналов поворотных камер с максимальной погрешностью 9%.

В четвертой главе «Вопросы оптимизации и сравнительные характеристики предложенного и традиционного змеевиков» проанализировано влияние диаметра П жаровой трубы подогревателя без и при наличии на поверхности стенки элементов дискретной шероховатости - интенсифика-торов конвективного теплообмена продуктов сгорания на величину площади /•" поверхности теплопередачи при заданном расходе топлива. Установлено, что зависимость Г=АЩ) имеет максимум (рис. 8), величина которого меньше при более высоких температурах 1Г продуктов сгорания и наличии дискретной шероховатости в виде колец-турбулизаторов. Максимумы Р соответствуют минимумам зависимостей д-ЕгЛО), где - плотность суммарного теплового потока излучением и конвекцией от продуктов сгорания на стенку жаровой трубы.

С использованием выражения для годовых затрат получено, что экономически выгодные значения диаметра жаровой трубы находятся в области

£опт> £тп= 0,21к^'>и/ям)°'17, М, (11)

где коэффициент к=1,6; V - расход продуктов сгорания при средней их температуре, м3/с; я„ - коэффициент, учитывающий увеличение гидравлического сопротивления потоку продуктов сгорания, для гладкой трубы «и = 1, для трубы с кольцами-турбулизаторами ии= 4,2; им- коэффициент стоимости материала жаровой трубы, для углеродистой стали пм = 1, для коррозион-ностойкой стали им = 10. Показано, что

0.2 0.5 0.« 1.1 1,4 В,м

Рис. 8. Изменение в зависимости от Опри расходе топливного газа 0,5 м3/с: сплошные линии соответствуют температуре продуктов сгорания на выходе из жаровой трубы 1000°С; штриховые - 600°С; 1 - гладкая труба; 2 - труба с кольцами-турбулизаторами

применение колец-турбулизаторов для интенсификации конвективного теплообмена продуктов сгорания при £> > Отт обеспечивает снижение годовых затрат и экономически оправданно.

Проведено сравнение тепловых характеристик предложенного компактного и традиционного змеевиков. Предложенный новый змеевик имеет более высокие интенсивности внутреннего и внешнего теплообмена и позволяет обеспечить работу подогревателя без активного коксования внутренних поверхностей продуктовых труб при высоких температурах Гг продуктов сгорания, вплоть до 1000-И700°С.

В пятой главе «Характеристики нового подогревателя нефти и нефтяной эмульсии с комбинированным нагревом» приведены результаты заводских испытаний подогревателя нефти и нефтяной эмульсии комбинированного нагрева (рис. 9), номинальной тепловой мощностью 1,9 МВт, спроектированного с использованием результатов диссертационной работы. Продуктовый змеевик подогревателя имеет две последовательно соединенные части. Первая по ходу продукта часть размещена в среде промежуточного жидкого теплоносителя (реализован принцип косвенного нагрева), а вторая часть - в низкотемпературной зоне жаровой трубы, где трубы непосредственно омываются продуктами сгорания (прямой нагрев). Высокотемпературная зона жаровой трубы и трубы второй части продуктового змеевика имеют выступы - турбулизаторы для интенсификации конвективного теплообмена.

Рис. 9. Схема подогревателя: I - корпус; 2 и 3 - высокотемпературная и низкотемпературная зоны жаровой трубы; 4 - поворотная камера; 5 -горелка; 6-дымовая труба; 7- часть продуктового змеевика, размещенная в промежуточном теплоносителе; 8- часть продуктового змеевика, обтекаемая продуктами сгорания топлива; 9 - кольца-турбулизаторы; 10 - выступы-турбулизаторы

Испытания проводили на заводе-изготовителе «Нефтемаш» в г. Сызрани. Головной серийный образец подогревателя был оборудован средствами для измерения температур рабочих сред и конструкционных элементов, расходов топлива (природный газ) и нагреваемой жидкости (вода), а так же параметров уходящих продуктов сгорания (компонентный состав, коэффициент избытка воздуха, температура, КПД - по обратному балансу).

Испытания подтвердили правильность использованных при проектировании рекомендаций диссертационной работы и показали соответствие измеренных характеристик расчетным их значениям. Приведены полученные по результатам испытаний графические зависимости от расхода топлива полезной тепловой мощности подогревателя, температуры продуктов сгорания при входе в пучок труб второй части змеевика и на выходе из подогревателя, долей тепловой мощности, воспринимаемых частями змеевика, эффективных коэффициентов теплопередачи частей змеевика, КПД подогревателя. Расход топлива изменялся в интервале 0,2 -5-1 от номинального значения. Величина КПД в этом интервале находилась в пределах 94,5 -=-88%.

Испытанный подогреватель превосходит известные аналоги по КПД и другим важным характеристикам. Так, выпускаемые отечественной промышленностью подогреватели с промежуточным теплоносителем тепловой мощностью =1>9 МВт имеют удельный весовой показатель (?0 = Ю (где б — полная масса подогревателя) в интервале от 0,114 МВт/т (подогреватель ПНПТ - 1,6) до 0,0465 МВт/т (подогреватель ПП - 1,6), а для испытанного подогревателя Оз = 0,343 МВт/т. Удельный объемный показатель Оу = (2 /V (где V - габаритный объем подогревателя) для выпускаемых серийных подогревателей мощностью 1,9 МВт изменяется от 0,067 МВт/м3 (подогреватель ПБТ - 1,6 М) до 0,0361 МВт/м3 (подогреватель ПП -1,6 МГ). Для испытанного подогревателя 0/ = 0,133 МВт/м3.

Удельные показатели и Оч для аналогичных зарубежных устройств также существенно уступают показателям испытанного нового подогревателя.

Таким образом, использование в новом подогревателе принципа комбинирования способов нагрева и максимизации конвективного теплообмена позволило достичь высоких показателей и удельных характеристик устройства. Высокое значение КПД подогревателя дополнительно обеспечивает энергосберегающий эффект. Из приведенного сравнения удельных показателей следует, что подогреватель с комбинированным нагревом имеет примерно в три раза меньшую металлоемкость и в 4-8 раз меньший объем, чем выпускаемые промышленностью аналоги.

Успешная работа новых подогревателей на нефтепромыслах в сложных природных условиях Западной Сибири подтвердила их высокие эксплуатационные характеристики.

выводы

1. Показано, что совмещение способов прямого (через разделяющую стенку) и косвенного (с участием промежуточного теплоносителя) нагрева в одном огневом подогревателе (комбинированный нагрев), применение нового компактного продуктового змеевика и оптимизированных поверхностей теплопередачи с интенсифицированным теплообменом позволяют значительно улучшить основные характеристики промысловых подогревателей нефти и нефтяной эмульсии.

2. Выполнен анализ тепловых режимов подогревателей прямого и косвенного нагрева. Для подогревателей прямого нагрева построена диаграмма, связывающая между собой коэффициенты теплоотдачи эмульсии и греющих продуктов сгорания топлива, их температуру, позволяющая определять рабочие области допускаемых значений и сочетаний данных характеристик подогревателя при определенной температуре стенки продуктовых труб, исключающей активное образование отложений на внутренней их поверхности. Для подогревателей косвенного нагрева решена задача определения оптимального значения температуры промежуточного жидкого теплоносителя, соответствующего минимуму удельной суммарной площади поверхности жаровой трубы и продуктового змеевика. Получено аналитическое выражение для оптимального значения температуры промежуточного жидкого теплоносителя. На основе сравнения характеристик прямого и косвенного нагрева определены предпочтительные области их использования и ограничения на параметры подогревателей.

3. Предложен новый компактный продуктовый змеевик с малым шагом размещения прямых труб, объединенных П-образными поворотными камерами коллекторного типа (патент на изобретение № 2382973). Выполнено экспериментальное исследование гидравлического сопротивления П-образных поворотных камер с нишами. Установлено, что наличие ниш увеличивает гидравлическое сопротивление поворота. Глубина ниш в исследованном интервале их изменения не оказывает влияния на коэффициент сопротивления поворотных камер.

Для области чисел Рейнольдса Яе=200-ь2-104 и интервала изменения относительной длины соединительного участка поворота от 1,2 до 2,3 получено опытное уравнение для коэффициента гидравлического сопротивления, которое обобщает опытные точки с погрешностью до 8%.

4. Экспериментально установлено, что интенсивность теплообмена в поворотных камерах с нишами предложенного змеевика выше, чем в плавно изогнутых отводах традиционных змеевиков. Получено обобщенное эмпирическое уравнение теплообмена потока в поворотных камерах для интервалов Яе = 600-8 103 и изменения относительного шага труб в предложенном змеевике от 1,5 до 2,63.

5. Решена задача определения оптимального диаметра жаровой трубы подогревателей. Показано, что применение дискретных элементов шероховатости в гладкой трубе, интенсифицирующих конвективный теплооб-

мен и одновременно повышающих гидравлическое сопротивление, уменьшает годовые затраты и экономически оправдано.

6. Показано, что допустимая максимальная температура натекающих продуктов сгорания, соответствующая началу процесса отложения загрязнений продуктовых труб, имеет большую величину для предложенного нового змеевика, чем для традиционного змеевика.

7. С использованием полученных в диссертации научных результатов и практических рекомендаций на ОАО «Завод «Нефтемаш» в г. Сызрани разработан типоряд новых промысловых подогревателей комбинированного нагрева, которые серийно выпускаются. Новые подогреватели имеют более высокий КПД, примерно в 3 раза меньшие удельные (на 1 МВт мощности) металлоемкость и в 4-8 раза - объем по отношению к известным отечественным и зарубежным подогревателям прямого и косвенного нагрева. Проведены заводские испытания головного подогревателя тепловой мощностью 1,9 МВт.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Денисенко И.П. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления поворотов в компактном змеевике / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Промышленная энергетика. 2011. №3. С. 37-40.

2. Денисенко И.П. К выбору диаметра жаровой трубы в подогревателях нефти с промежуточным жидким теплоносителем / Ю.Я. Печенегов, И.П.Денисенко // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012. №2. С. 17-19.

3. Денисенко И.П. Характеристики нового подогревателя нефтяной эмульсии с комбинированным нагревом / Ю.Я. Печенегов, И.П.Денисенко // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012. №11. С. 3-5.

В других изданиях

4. Денисенко И.П. Компактный змеевик с малым шагом размещения труб / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 60-63.

5. Денисенко И.П. Змеевиковая поверхность теплопередачи с тесным расположением труб / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: материалы докладов VII школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. Казань, 2010. С. 263-264.

6. Денисенко И.П. Гидравлическое сопротивление П-образных поворотов с нишами / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг: материалы Седьмой

Междунар. теплофиз. школы. Ч. I. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2010. С. 143-144.

7. Денисенко И.П. Однопоточный компактный змеевик / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Прогрессивные технологии, материалы и режущие инструменты в машиностроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 25-27.

8. Денисенко И.П. Интенсификация теплообмена и энергетическая оптимизация теплопередачи / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко, М.В. Дубровин, В.А. Денисов, Е.М. Гамаюнов и др. // Прогрессивные технологии, материалы и режущие инструменты в машиностроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 28-30.

9. Денисенко И.П. Гидравлическое сопротивление двух последовательно установленных резких поворотов с нишами / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: тезисы докл. четвертой Междунар. конф. М.: МЭИ, 2011. С. 163.

10. Денисенко И.П. Сравнительные характеристики подогревателей нефтяной эмульсии при прямом и косвенном нагреве продуктами сгорания топлива / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и Химических производствах: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 2011. С. 241-245.

11. Денисенко И.П. О влиянии погрешностей при определении вязкости и теплопроводности на точность теплогидравлических расчетов / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко, H.H. Лысенков // Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология: материалы третья Всероссийской студ. науч.-техн. конф. Казань, 2012. С. 264265.

12. Денисенко И.П. Характеристики тепловой работы промысловых огневых подогревателей нефтяной эмульсии / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Теплофизические исследования и измерения в энерго- и ресурсосбережении и при контроле и управлении качеством процессов, продукции и услуг: материалы восьмой Междунар. теплофиз. школы. Таджикистан, Душанбе, 2012. С. 89-92.

13. Денисенко И.П. Энергетическая эффективность теплообмена при течении вязкой нефти при течении в трубе с закрученной лентой / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: труды VIII школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. Казань, 2012. С. 244-246.

14. Денисенко И.П. Энерго и ресурсосберегающий подогреватель нефтяной эмульсии / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Энергосбережение -теория и практика: тр. шестой школы-семинара молодых ученых и специалистов. М., 2012. С. 93-94.

15. Денисенко И.П. Подогреватель нефтяной эмульсии комбинированного нагрева с оптимальными конструктивными характеристиками / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Проблемы теплоэнергетики: сб. науч. тр. Саратов, 2012. С. 313-319.

16. Денисенко И.П. Однопоточный змеевик для подогревателей нефтя-

ной эмульсии / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Современные материалы, техника и технология: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. Курск, 2012. С. 96-98.

17. Денисенко И.П. К расчету максимально допустимой температуры дымовых газов, натекающих на продуктовый змеевик в подогревателях нефтяной эмульсии / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Современные материалы, техника и технология: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. Курск, 2012. С. 206-208.

18. Денисенко И.П. Энергоэффективный промысловый подогреватель нефтяной эмульсии / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности: материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. Ульяновск, 2013. С. 406-408.

19. Денисенко И.П. Теплообмен в поворотных камерах компактных змеевиков коллекторного типа / Ю.Я. Печенегов, И.П. Денисенко // Наука. Технология. Производство-2013: тез. докл. Междунар. науч-техн. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых. Салават, 2013. С. 53-55.

20. Патент на изобретение № 2382973 от 27. 02. 2010 г. Однопоточный трубчатый змеевик / Печенегов Ю.Я., Денисенко И.П. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, г. Москва МПК Р28Р1/00.

Подписано в печать 01.10.13 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 146 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

Саратовский государственный технический университет

им. Ю.А.Гагарина

На правах рукописи

04201364225 Денисенко Ирина Петровна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ НЕФТИ И НЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ КОМПАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО НАГРЕВА

Специальность 05.14.04. - промышленная теплоэнергетика Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Ю.Я.Печенегов

Саратов 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,

СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ.......................................... 5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 7

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ НАГРЕВА НЕФТИ И НЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ В ПОДОГРЕВАТЕЛЯХ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................ 11

1.1. Нагрев нефти при ее перекачке и нефтяной эмульсии в технологии ее первичной обработки на промыслах................................11

1.2. Способы нагрева нефти и нефтяной эмульсии продуктами сгорания топлива................................................................. 15

1.2.1. Нагрев продуктами сгорания через разделяющую стенку... 15

1.2.2. Нагрев с использованием жидкого промежуточного теплоносителя...................................................................... 20

1.2.3. Сравнение характеристик прямого и косвенного нагрева нефтяной эмульсии............................................................... 26

1.3. Основные характеристики подогревателей и их недостатки..... 30

1.4. Комбинирование приемов нагрева - как средство улучшения характеристик подогревателя.................................................. 36

1.5. Новый компактный продуктовый змеевик...................... 37

1.6. Выводы по главе и задачи исследования.......................... 40

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОВОРОТНЫХ КАМЕР НОВОГО ПРОДУКТОВОГО ЗМЕЕВИКА.................. 43

2.1. Общие сведения о гидравлическом сопротивлении поворотов потока в каналах................................................................... 43

2.2. Экспериментальная установка и рабочий участок.................. 48

2.3. Методика измерений и обработки опытных данных.............. 50

2.4. Погрешности измерений и обработки опытных данных......... 52

2.5. Результаты экспериментов и их обобщение..................................................52

2.6. Выводы по главе....................................................................................................................57

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ПОВОРОТНЫХ КАМЕРАХ....................................................................................................59

3.1. Общие сведения о теплообмене потоков в коленах и поворотах 59

3.2. Экспериментальная установка............................................................................61

3.3. Тестирование экспериментальной установки........................................65

3.4. Методика обработки опытных данных и погрешности определения коэффициента теплообмена......................................................................72

3.5. Результаты экспериментов и их обобщение..................................................73

3.6. Выводы по главе........................................................................................................................80

4. ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ И СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДЛОЖЕННОГО И ТРАДИЦИОННОГО ЗМЕЕВИКОВ............................................................................................................................................82

4.1. Определение наивыгоднейшего диаметра жаровой трубы................82

4.2. Критерии энергетической оптимизации поверхностей с интенсифицированным теплообменом..............................................................................90

4.3. Сравнение тепловых характеристик предложенного компактного и традиционного змеевиков....................................................................91

4.4. Выводы по главе..............................................................................................................94

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ НОВОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ НЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ С КОМБИНИРОВАННЫМ НАГРЕВОМ................................96

5.1. Конструкция подогревателя........................................................................................96

5.2. Измерения при испытаниях подогревателя..................................................97

5.3. Результаты испытаний........................................................................................................99

5.4. Сравнение характеристик испытанного и известных подогревателей......................................................................................................................................104

5.5. Выводы по главе....................................................................................................................106

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................................................................................107

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................110

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Результаты экспериментов по исследованию

гидравлического сопротивления поворотных камер с нишами..................120

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты тестовых опытов по измерению

гидравлического сопротивления прямой трубы....................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты тестовых экспериментов по

исследованию теплообмена в прямой трубе............................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Результаты экспериментов по исследованию

теплообмена в поворотной камере № 1..............................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Результаты экспериментов по исследованию

теплообмена в поворотной камере №2................................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Результаты экспериментов по исследованию

теплообмена в поворотной камере №3..............................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Результаты экспериментов по исследованию

теплообмена в поворотной камере №4..............................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Акт о внедрении результатов исследования.... 145

ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Акт о внедрении результатов исследования.... 146

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ,

ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

с — теплоемкость, Дж/(кг-К);

о

В - расход топлива, м /ч; И - диаметр жаровой трубы, м; с! -диаметр труб, м; Т7 - площадь поверхностей, м2;

Г - удельная площадь поверхности теплопередачи, м /Вт; О - массовый расход воды, кг/с; g - ускорение свободного падения, м/с2

о

к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м -К); / -длина, м;

Ар - разность статических давлений потока, Па; . количество теплоты, Дж;

•у

ц— плотность теплового потока, Вт/м ; К - радиус, м;

гсо2, гн20 ~ объемные доли диоксида углерода и водяных паров; t, Г-температура, °С; К;

At - среднелогарифмическая разность температур, °С;

л

V- объемный расход, м/с; V- объем, м3;

иг - средняя скорость, м/с; а — коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м -К);

д — толщина стенки, м; £ - степень черноты;

Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); р - плотность, кг/м3;

£ - коэффициент гидравлического сопротивления; ¡л - динамический коэффициент вязкости, Па-с;

v=[l/p - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; т — время, с;

А - поглощательная способность; 3 — годовые расчетные затраты, руб./год; К - кратность рециркуляции;

Безразмерные комплексы:

ё-Р - А Ь-р

Сг =--число Грасгофа;

И-

Ъе = 11е • N

а

— — число Дина;

а • б.

_ —--число Нуссельта;

Л

С ' р -МУ ' (I

ре =---число Пекле;

Я

с • ц

Рг = —--число Прандтля;

Я

<иг • й - р

Ие =--число Рейнольдса.

А*

Индексы: в - вода; вх - вход; вых - выход; г - продукты сгорания; доп - допустимая; ж.т - жаровая труба; к - капитальные затраты, кипение; колл - коллекторная труба; кор - коридорная; кс - косвенный; н - нагнетатель; м - материал; о - отвод; опт - оптимальная; п - поворот; п.г.- продукты горения; пр - прямая; см - смесь; р - разбавление продуктов горения; ср - среднее значение; ст - стенка; теор - теоретическая; тр - трение; ух - уходящих газов; шах - шахматная; эм - эмульсия; э -эксплуатационные затраты; эл - электроэнергия; эф - эффективная;

ВВЕДЕНИЕ

Добываемая на промыслах нефть, помимо растворенных в ней газов, содержит примеси - частицы песка, глины, кристаллы солей и воду. Содержание твердых частиц в неочищенной нефти обычно не превышает 1,5%, а количество воды может изменяться в широких пределах. С увеличением продолжительности эксплуатации месторождения возрастает обводнение нефтяного пласта и содержание воды в добываемой нефти. В некоторых старых скважинах жидкость, получаемая из пласта, содержит 90% воды. В нефти, поступающей на переработку, должно быть не более 0,3% воды.

Присутствие в нефти механических примесей затрудняет ее транспортирование по трубопроводам и переработку, вызывает эрозию внутренних поверхностей труб нефтепроводов и образование отложений в теплообменниках, печах и холодильниках, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи, повышает зольность остатков перегонки нефти (мазутов и гудронов), содействует образованию стойких эмульсий. Кроме того, в процессе добычи и транспортировки нефти происходит потеря легких компонентов нефти (метан, этан, пропан и т.д., включая бензиновые фракции) - примерно до 5% от фракций, выкипающих до 100°С.

С целью понижения ущерба, вызванного потерей легких компонентов и чрезмерным износом нефтепроводов и аппаратов переработки, добываемая нефть подвергается первичной обработке на промыслах.

От качества подготовленной нефти зависят эффективность и надежность работы магистрального трубопроводного транспорта, стоимость товарной нефти и качество полученных из нее продуктов.

Первичная подготовка нефти на промыслах заключается в отделении газов, механических примесей, основной части воды. Одним из звеньев первичной подготовки является ее подогрев.

Выпускаемые в настоящее время промышленностью подогреватели не в полной мере отвечают требованиям и концепциям первичной подготовки нефти. Нефтяная промышленность страны остро нуждается в надежных и экономичных подогревателях нефти, имеющих высокие рабочие показатели и отвечающие требованиям комплектно-блочного обустройства промыслов.

Преимущественно на промыслах применяют огневые трубчатые подогреватели нефти, в которых в качестве топлива обычно используется попутный нефтепромысловый газ.

В подогревателях широко используются змеевиковые поверхности нагрева, составленные из прямых труб, соединенных отводами. Выпускаемые отечественной промышленностью стандартные отводы имеют минимальный радиус изгиба равный наружному диаметру соединяемых труб. Это обстоятельство является ограничением для достижения высокой компактности подогревателей и сдерживает увеличение площади поверхности труб змеевиков в единице занимаемого ими объема.

В современных подогревателях с промежуточным жидким теплоносителем одним из основных элементов, определяющим массогабаритные и другие характеристики подогревателей является жаровая труба. Анализ показывает, что в серийных подогревателях конструктивные характеристики жаровых труб назначаются произвольно, без достаточного обоснования, и это часто приводит к неэффективным и неэкономичным решениям для всего подогревателя в целом.

Данная ситуация обусловлена, прежде всего, отсутствием систематизированных и научно-обоснованных расчетных методик по определению основных рабочих показателей таких специфических устройств, как подогреватели нефти, а также новых разработок и рекомендаций по созданию эффективных поверхностей теплопередачи. Часто применяемая разработчиками подогревателей нефти методология проектирования, созданная для котельных установок и не учитывающая особенности нагреваемого продукта - нефти, обычно приводит к техническим решениям с невысокими показателями.

Актуальным является разработка компактных поверхностей теплопередачи с интенсифицированным теплообменом и оптимальными конструктивными характеристиками.

Цель работы состоит в улучшении характеристик подогревателей нефти и нефтяной эмульсии на основе разработки компактных поверхностей теплопередачи с интенсифицированным теплообменом и применения комбинированного нагрева.

Научная новизна работы:

- обоснованы преимущества комбинированного нагрева и установлены условия его осуществления в подогревателях нефти и нефтяной эмульсии;

- по результатам экспериментального исследования получена зависимость для коэффициента гидравлического сопротивления поворотов нового компактного продуктового змеевика в области изменения чисел Рейнольдса от 200 до 104;

- экспериментальным путем выявлены закономерности теплообмена потока в поворотных камерах нового компактного продуктового змеевика при числах Рейнольдса до 104; получена зависимость для расчета теплообмена в поворотных камерах;

- по результатам технико-экономического анализа определены оптимальные параметры жаровых труб подогревателей.

Практическая значимость:

- разработан новый компактный продуктовый змеевик (патент на изобретение №2382973) для подогревателей;

- установленные зависимости для коэффициента сопротивления и числа Нус-сельта поворотных камер предложенного нового змеевика рекомендованы для использования в проектных расчетах;

- показано, что применение разработанного нового компактного продуктового змеевика и жаровой трубы с рекомендуемыми оптимальными конструктивными параметрами обеспечивают улучшение удельных массогабаритных характеристик подогревателей в несколько раз;

- проведены заводские испытания головного серийного подогревателя нефтяной эмульсии комбинированного подогрева с оптимизированными конструктивными параметрами жаровой трубы и интенсифицированным теплообменом продуктов сгорания топлива, которые подтвердили правильность разработанных в диссертации рекомендаций по проектированию;

- совокупность полученных закономерностей и количественных зависимостей, расчетных методик и рекомендаций составляют теоретическую основу создания подогревателей комбинированного нагрева с улучшенными характеристиками.

В процессе работы по теме диссертации автор получала советы и консультации научного руководителя, доктора технических наук, профессора Ю.Я.Печенегова, заведующего кафедрой ПАХТ, кандидата технических наук, доцента Н.А.Устинова, за что автор выражает им свою благодарность. Полезным было обсуждение отдельных вопросов с сотрудниками кафедр «Машины и аппараты нефтегазовых и химических производств», «Промышленная теплотехника», «Процессы и аппараты химических производств» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. Всем лицам, содействовавшим написанию работы автор выражает свою признательность.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ НАГРЕВА НЕФТИ И НЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ В ПОДОГРЕВАТЕЛЯХ.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Нагрев нефти при ее перекачке и нефтяной эмульсии в технологии ее первичной обработки на промыслах

Для уменьшения затрат энергии на перекачку нефти по магистральным и распределительным трубопроводам широко применяют распределенный по трассе подогрев нефти. При этом используются трубчатые печи или специальные путевые подогреватели различной тепловой мощности. Уменьшение вязкости транспортируемой нефти при ее нагреве обеспечивает снижение затрат на преодоление гидравлического сопротивления в трубопроводах. Затраты энергии на нагрев нефти в данном случае экономически оправданы [1, 3, 75]. Нагрев нефти в путевых подогревателях осуществляется обычно до 40-т-50°С.

Нефть, извлекаемая из скважин, всегда содержит в себе попутный газ, механические примеси и пластовую воду, в которой растворены различные соли, чаще всего хлориды натрия, кальция и магния, реже - карбонаты и сульфаты. Обычно в начальный период эксплуатации месторождения добывается безводная или мало-обводненная нефть, но по мере добычи ее обводненность увеличивается и достигает 90...98 %. Такую «грязную» и сырую нефть, содержащую к тому же легколетучие органические и неорганические (Н28, С02) газовые компоненты, нельзя транспортировать и перерабатывать на нефтеперерабатывающих заводах без предварительной ее промысловой подготовки [9, 22, 48, 75].

В пластовых условиях нефтяные эмульсии не образуются. Образование эмульсий начинается при движении нефти к устью скважины и продолжается при дальнейшем движении по промысловым коммуникациям, то есть эмульсии образуются там, где происходит непрерывное перемешивание нефти и воды. Интенсивность образования эмульсий в скважине во многом зависит от способа добычи

нефти, которая в свою очередь определяется характером месторождения, периодом его эксплуатации и физико-химическими свойствам самой нефти.

Различают два типа эмульсий - «нефть в воде» и «вода в нефти». Тип образующейся эмульсии в основном зависит от соотношения объемов двух фаз, дисперсионной средой стремится стать та жидкость, объем которой больше. На практике наиболее часто (95%) встречаются эмульсии типа «вода в нефти» [9].

На способность эмульгирования нефти и воды кроме соотношения фаз оказывает влияние присутствие эмульгаторов. Эмульгаторы - это вещества, высокомолекулярные компоненты, присутствующие в нефти, которые способствуют образованию эмульсии.

Нефтяные эмульсии характеризуются вязкостью, дисперсностью, плотностью, электрическими свойствами и стойкостью. Вязкость нефтяной эмульсии изменяется в широких диапазонах и зависит от собственной вязкости нефти, температуры, соотношения нефти и воды.

Нефтяные эмульсии, являясь дисперсными системами, при определенных условиях могут обладать аномальными свойствами, т.е. становятся