CC BY
9
DOI: 10.18454/IRJ.2016.48.182 Балалаев А.Н.1, Куприянов П.В.2, Быков И.В.3
1ORCID: 0000-0003-0839-6858, Доктор технических наук, доцент, Самарский государственный университет путей сообщения
2ORCID: 0000-0002-5994-2962, аспирант, Самарский государственный университет путей сообщения, 3Бригадир (освобожденный) предприятий железнодорожного транспорта и метрополитена.
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ РАЗОГРЕВА ОСТАТКОВ ВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЦИСТЕРНАХ
Аннотация
В данной статье приводятся результаты сравнительных испытаний двух устройств для разогрева остатков вязких нефтепродуктов в железнодорожных цистернах. Первое устройство снабжено четырьмя инжекторами со сверхзвуковыми соплами, попарно направленными к торцам цистерны. Второе устройство имело два инжектора со сверхзвуковыми соплами, направленными к торцам цистерны, и сверхзвуковое сопло, направленное в сторону нижнего сливного прибора. Установлены следующие преимущества второго устройства над первым: уменьшение времени разогрева и пропарки на 19% по сравнению с традиционными методами; отсутствие выбросов пара через горловину разогреваемого объема (с применением устанавливаемого на горловину загрузочного люка защитного приспособления); высокая очистка внутренней поверхности котла и увеличение выхода разогретого продукта (до операции мойки) на 3-5% за счет размыва придонных осадков и отложений; снижение расхода пара на пропарку на 19%.
Ключевые слова: разогрев вязкого нефтепродукта, остатки груза, железнодорожная цистерна, энергетическая эффективность, парожидкостной инжектор.
Balalaev A.N.1, Kuprijanov P.V.2, Bykov I.V.3
1ORCID: 0000-0003-0839-6858, PhD in Engineering, Associate professor, Samara State Transport University 2ORCID: 0000-0002-5994-2962, Postgraduate student, Samara State Transport University 3The foreman (released) enterprises of railway transport and subway EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF THE HEATING PROCESS RESIDUES THICKENED VISCOUS OIL PRODUCTS IN RAILWAY TANK USING A VAPOR-LIQUID INJECTOR
Abstract
To this article the results of comparative tests of two devices are driven for the warming-up of bits and pieces of viscid oil products in railway cisterns. The first device is provided with four injectors with the supersonic nozzles in pairs directed to the butt ends of cistern. The second device had two injectors with the supersonic nozzles directed to the butt ends of cistern, and supersonic nozzle directed toward a lower downlow device. Next advantages of the second device are set above the first: reduction of time of warming-up and steaming-out on 19% as compared to traditional methods; absence of extrass of steam through the mouth of the warmed up volume (with the use of the loading hatch ofprotective adaptation set on a mouth); high cleaning of internal surface of caldron and increase of exit of warmed-up product (before the operation of washing) on 3-5%% due to washing away of benthic fallouts and sedimentations; decline of expense of steam on a steaming-out on 19%.
Keywords: heating of viscous oil, remnants of cargo, tank car, energy efficiency, vapor-liquid injector.
Эксплуатация в России железнодорожных цистерн, перевозящих вязкие нефтепродукты (мазут, соапсток, ГАЧ), сопровождается в холодный период года их загустеванием и неполным сливом. При разогреве и сливе остатков вязких нефтепродуктов из железнодорожных цистерн в процессе их подготовки к ремонту или под новый налив затрачивается большое количество теплоты.
В настоящее время разработано множество способов разогрева и слива вязких нефтепродуктов из цистерн [1, 1 -62], [2, 12 - 25], [3, 196 - 197], [4, 491], [5, 205 - 206], однако, по-прежнему данная технологическая операция остается энергетически затратной, длительной и взрывопожароопасной.
В связи с тем, что перевозка вязких нефтепродуктов на железнодорожном транспорте в России осуществляется большими объемами, оптимизация технологии разогрева остатков загустевшего нефтепродукта в цистерне является актуальной научно-технической задачей.
Целью данной работы является оценка эффективности модернизированного устройства для разогрева остатков вязких нефтепродуктов в железнодорожных цистернах, выработка рекомендаций по сокращению времени пропарки цистерн при их подготовке к новому наливу или ремонту.
Разжижитель (см. [6, 1]) предназначен для разогрева остатков вязких нефтепродуктов в цистернах с помощью тепловой энергии водяного пара (рис. 1). Данное устройство представляет собой четыре вращающихся струйных инжектора.
Упрощенный вариант разжижителя (четыре струйных инжектора без вращения), применяющийся в настоящее время на предприятии ЗАО "ЭКЗА", показан на рис. 2.
Рис. 1 - Разжижитель фирмы ООО "КВАРК ПромЭнергоСистемы"
Рис. 2 - Упрощенный вариант конструкции разжижителя ЗАО "ЭКЗА"
Принцип действия разжижителя ЗАО "ЭКЗА" следующий.
Устройство помещается внутрь котла цистерны (рис. 3) над поверхностью разогреваемых остатков загустевшего нефтепродукта.
Рис. 3 - Размещение штатного разжижителя ЗАО "ЭКЗА" внутри цистерны
Водяной пар через подводящий трубопровод подается в сверхзвуковые сопла. Истекая из сопел, сверхзвуковая струя водяного пара инжектирует воздух, находящийся в цистерне. За счет конвективного теплообмена в котле происходит нагрев стенок цистерны и вязкого нефтепродукта. Водяной пар конденсируется, смесь разогретого нефтепродукта и водяного конденсата стекает к нижнему сливному прибору. Для разжижения продукта в районе клапана нижнего сливного прибора снизу цистерны подводится пар также к сливному патрубку (рис. 4).
Рис. 4 - Процесс конвекции при работе штатного разжижителя
Модернизированное устройство для разогрева остатков вязких нефтепродуктов [7, 147] (далее разжижитель БАФЕК, рис. 5) предназначено для разогрева и перемешивания (в отличие от существующего варианта) вязких сред в цистернах с помощью тепловой и кинетической энергии водяного пара.
Рис. 5 - Модернизированный вариант разжижителя БАФЕК
В подводящий трубопровод БАФЕК подается пар, который распределяется по двум сверхзвуковым горизонтальным соплам, одному сверхзвуковому вертикальному соплу и восьми вертикальным дозвуковым соплам (четыре из них направлены вниз, остальные - вверх). Пар, прошедший через сверхзвуковые сопла, смешивается в камерах смешения с поступающей через отверстия камеры смешения разогреваемой средой (вязким нефтепродуктом).
Разжижитель БАФЕК погружается в разогреваемую жидкую среду, либо свободно помещается на поверхность загустевшего нефтепродукта.
В первом случае, истекая из сопел с высокой скоростью, активная среда инжектирует разогреваемую среду. В котле цистерны происходит нагрев вязкой среды, как от пара, так и от самой разогретой среды (рис. 6).
фПар
Рис. 6 - Процесс конвекции при работе разжижителя БАФЕК
В камерах смешения струйных инжекторов происходит конденсация водяного пара с передачей внутренней теплоты фазового перехода разогреваемой среде (вязкому нефтепродукту). Смесь водного конденсата и разогретого нефтепродукта вытекает из камер смешения струями, которые разогревают остатки загустевшего нефтепродукта, одновременно перемешивая его во всем объеме котла цистерны. При этом весь объем вязкого нефтепродукта разогревается равномерно, а стенки котла очищаются.
Водяной пар через направленные вниз сопла разогревает еще и среду у клапана нижнего сливного прибора, что ускоряет процесс освобождения его для слива полученной горячей смеси. Конструкция нижней части разжижителя БАФЕК (см. [8, 59]) показана на рис. 7 и 8.
Рис. 7 - Продольный разрез разжижителя БАФЕК [8, 59]: 1 - полый шток, 2 - струйные инжекторы, 3 - вихревой эжектор, 4 - тангенциальный сопловой ввод, 5 - противоточное кольцевое сопло, 6 - радиально-щелевой диффузор, 7 - суживающиеся сопла, 8 - осевое сверхзвуковое сопло
А - А
Рис. 8 - Сечение А-А разжижителя БАФЕК (обозначения как на рис. 7)
Особенности работы нижней части разжижителя описаны в [8, 59-60] и состоят в следующем. "Полый шток 1 опускается через верхний люк цистерны так, чтобы расположенный на его конце вихревой эжектор 3 был ориентирован в сторону нижнего сливного прибора и погружен в вязкую жидкость. Через полый шток 1 в вихревой эжектор 3 и осевое сверхзвуковое сопло 8 подается водяной пар. Пар, истекающий из осевого сверхзвукового сопла 8, разжижает вязкую жидкость путем ее нагрева и газодинамического воздействия.
Вязкость разогретой жидкости снижается, она поднимается к эжектору за счет силы Архимеда и подсасывается через противоточное кольцевое сопло 5 внутрь вихревого эжектора 3, так как внутри вихревого эжектора 3 создается разрежение из-за вращательного движения пара, истекающего из тангенциального соплового ввода 4. Смешиваясь в вихревом эжекторе 3 с паром, жидкость еще больше подогревается, приобретает вращательное движение и поступает в радиально-щелевой диффузор 6, где ее кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию давления. Из
радиально-щелевого диффузора 6 смесь жидкости и пара истекает через суживающиеся сопла 7 в сторону нижнего сливного прибора. Количество суживающихся сопел 7, симметрично расположенных по периферии радиально-щелевого диффузора 6, большее двух, что способствует более равномерному размыванию загустевшей жидкости вокруг клапана нижнего сливного прибора цистерны" - см. [9, 1].
За счет эффективной обработки горячими струями застойных придонных и пристеночных областей БАФЕК обеспечивает высокую степень очистки цистерн от особо вязких отложений и обеспечивает полный слив разогретой жидкости.
Если БАФЕК свободно помещается на поверхность загустевшего нефтепродукта, разогрев последнего осуществляется с помощью пара, истекающего через сверхзвуковое сопло, направленное вертикально вниз в сторону клапана нижнего сливного прибора. После разжижения нефтепродукта под разжижителем БАФЕК, последний погружается в нефтепродукт, и работает, как описано в первом случае.
Подробное обоснование преимуществ и особенностей работы разжижителя БАФЕК содержится в [8, 59 - 64], [10, 48], [11, 71].
Технические характеристики двух разжижителей сведены в табл. 1.
Таблица 1 - Технические характеристики разжижителей
Характеристика Штатный БАФЕК
Расход пара через разжижитель, Гкал/час 0,15 0,084
Время разогрева цистерны 60 м3, мин 240 (4 ч) 194 (3,24 ч)
Расход пара на одну цистерну, Гкал 0,6 0,27
Расход пара, Гкал/год 6132 2760
Присоединительный диаметр, Ду, мм 38 38
Масса, кг 8 15
Результаты сравнительных испытаний штатного разжижителя и разжижителя БАФЕК, проведенные в январе -феврале 2016 г. на участке пропарки цистерн из-под вязких нефтепродуктов ЗАО «ЭКЗА», представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Результаты сравнительных испытаний двух разжижителей
^ч. Дата Содержание работ 14- 1 5 .0 1 . 1 6 26.01. 28.01. 25.02.16
Продукт Соапсток Мазут Мазут ГАЧ
Разжижитель Штатный БАФЕК Штатный БАФЕК Штатный БАФЕК Штатный БАФЕК
Остаток, см 120 120 40 25 40 40 10 10
Пропарка котла цистерны Время начала 08.0014.01.16 12.2015.01.16 13.30 13.30 03.00 03.00 14.00 14.00
Время окончания 12.0015.01.16 19.4015.01.16 15.00 14.40 08.30 07.20 14.50 14.45
Общее время, мин (температура лобовых частей котла, С) 28час 7ч20ми н 90 (850) 70 (760) 330 (840) 260 (750) 50 (840) 45 (750)
Температура окружающей среды 0С -4...-2 -18 -18 + 1
Параметры пара Температура, 0С 150 150 150 140
Давление, МПа 0,7 0,8 0,8 0,6
Преимущества разжижителя БАФЕК перед штатным разжижителем:
- уменьшение времени разогрева остатков вязкого нефтепродукта на 19% по сравнению с применением штатного разжижителя;
- повышение качества очистки внутренней поверхности котла цистерны;
- увеличение выхода отделяемого из сборного обводненного нефтепродукта (СНО) на 15% за счет уменьшения доли водного конденсата;
- снижение потребного количества водяного пара в 2,22 раза.
Согласно приведенным в [8, 63] расчетам, затраты на обработку 2000 цистерн из-под мазута со сверхнормативными остатками (от 1 до 3 тонн), а также на отделение и очистку водного конденсата из СНО могут быть снижены на 405 тыс. руб. в ценах 2012 г.
Литература
1. Феклистов, А.Ю. Обзор патентов в области разогрева и слива нефтепродуктов из цистерн [Текст] / А.Ю. Феклистов / Самарский гос. универ. путей сообщ. - Самара, 2009. - 63 с. - Деп. в ВИНИТИ 27.08.09, № 534-В2009.
2. Совершенствование технологии разогрева и слива высоковязкого мазута из цистерн [Текст] / Н.Н. Копейкин // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.08 -Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки). - СПб.: ПГУПС, 1997. - 20 с.
3. Пат. на изобретение № 2053183 РФ, МПК6 B65G69/20, B65D88/74. Устройство для разогрева остатков нефтепродуктов в цистерне / А.Т. Ткаченко, В.Г. Лукьяненко, Е.П. Шапоров. - № 4916164/13; Заявлено 04.03.1991; Опубл. 27.01.1996; Приоритет 04.03.1991 // Изобретения. - 1996. - № 3 (II ч.). - С. 196-197.
4. Пат. на изобретение № 2260552 РФ, МПК7 B65D88/74, B65G69/20. Способ разогрева и слива высоковязких продуктов из емкости и устройство для его осуществления / Е.Л. Левченко, М.А. Елисеев, У.Н. Сабиров, Ю.В. Попов, А.И. Гамобрамов. -№ 2004100257/12; Заявлено 09.01.2004; Опубл. 20.09.2005; Приоритет 09.01.2004 // Изобретения. Полезные модели. - 2005. -№ 26 (III ч.). - С. 491.
5. Пат. на изобретение № 2118282 РФ, МПК6 B65D88/74. Устройство для разогрева и слива вязких продуктов из цистерны / А.В. Силенок, В.А. Малянов. - № 97103615/13; Заявлено 29.07.1997; Опубл. 27.08.1998; Приоритет 29.07.1997 // Изобретения. - 1998. - № 24 (II ч.). - С.205-206.
6. URL: http://www.kwark.ru/струйньIе-аппараты/устройства-разогрева-нефтепродуктов (дата обращения к странице 05.05.2016).
7. Патент РФ на полезную модель №91329, МПК B65D88/74. Устройство для разогрева и слива вязких жидкостей из железнодорожных цистерн / А.Н. Балалаев, А.Ю. Феклистов. - № 2009137185/22; Заявлено 07.10.2009; Опубл. 10.02.10; Приоритет 07.10.09 // Изобретения. Полезные модели. - 2010. - №4. - С. 147.
8. Балалаев А.Н., Летов А.С., Феклистов А.Ю. Пути снижения эксплуатационных затрат железнодорожных цистерн для перевозки высоковязких нефтепродуктов: монография. - Saarbrücken: Palmarium Academic Publishing, 2012. - 64 с.
9. URL: http://poleznayamodel.ru/model/9/91329.html (дата обращения к странице 05.05.2016).
10. Балалаев А.Н., Клепиков, А.В., Феклистов А.Ю. Влияние качества очистки железнодорожных цистерн на их эксплуатационные характеристики // Вестник транспорта Поволжья, 2010. - №3. - С. 48-54.
11. Балалаев А.Н., Клепиков, А.В., Феклистов А.Ю. Математическая модель парожидкостного инжектора на основе идеальных элементов // Вестник транспорта Поволжья, 2010. - №3. - С. 71-78.
References
1. Feklistov, A.YU. Obzor patentov v oblasti razogreva i sliva nefteproduktov iz cistern [Tekst] / A.YU. Feklistov / Samarskij gos. univer. putej soobshch. - Samara, 2009. - 63 s. - Dep. v VINITI 27.08.09, № 534-V2009.
2. Sovershenstvovanie tekhnologii razogreva i sliva vysokovyazkogo mazuta iz cistern [Tekst] / N.N. Kopejkin // Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk po special'nosti 05.22.08 - EHkspluataciya zheleznodorozhnogo transporta (vklyuchaya sistemy signalizacii, centralizacii i blokirovki). - SPb.: PGUPS, 1997. - 20 s.
3. Pat. na izobretenie № 2053183 RF, MPK6 B65G69/20, V65D88/74. Ustrojstvo dlya razogreva ostatkov nefteproduktov v cisterne / A.T. Tkachenko, V.G. Luk'yanenko, E.P. SHaporov. - № 4916164/13; Zayavleno 04.03.1991; Opubl. 27.01.1996; Prioritet 04.03.1991 // Izobreteniya. - 1996. - № 3 (II ch.). - S. 196-197.
4. Pat. na izobretenie № 2260552 RF, MPK7 V65D88/74, B65G69/20. Sposob razogreva i sliva vysokovyazkih produktov iz emkosti i ustrojstvo dlya ego osushchestvleniya / E.L. Levchenko, M.A. Eliseev, U.N. Sabirov, YU.V. Popov, A.I. Gamobramov. - № 2004100257/12; Zayavleno 09.01.2004; Opubl. 20.09.2005; Prioritet 09.01.2004 // Izobreteniya. Poleznye modeli. - 2005. - № 26 (III ch.). - S. 491.
5. Pat. na izobretenie № 2118282 RF, MPK6 V65D88/74. Ustrojstvo dlya razogreva i sliva vyazkih produktov iz cisterny / A.V. Silenok, V.A. Malyanov. - № 97103615/13; Zayavleno 29.07.1997; Opubl. 27.08.1998; Prioritet 29.07.1997 // Izobreteniya. - 1998. -№ 24 (II ch.). - S.205-206.
6. URL: http://www.kwark.ru/strujnye-apparaty/ustrojstva-razogreva-nefteproduktov (data obrashcheniya k stranice 05.05.2016).
7. Patent RF na poleznuyu model' №91329, MPK B65D88/74. Ustrojstvo dlya razogreva i sliva vyazkih zhidkostej iz zheleznodorozhnyh cistern / A.N. Balalaev, A.YU. Feklistov. - № 2009137185/22; Zayavleno 07.10.2009; Opubl. 10.02.10; Prioritet 07.10.09 // Izobreteniya. Poleznye modeli. - 2010. - №4. - S. 147.
8. Balalaev A.N., Letov A.S., Feklistov A.YU. Puti snizheniya ehkspluatacionnyh zatrat zheleznodorozhnyh cistern dlya perevozki vysokovyazkih nefteproduktov: monografiya. - Saarbrücken: Palmarium Academic Publishing, 2012. - 64 s.
9. URL: http://poleznayamodel.ru/model79/91329.html (data obrashcheniya k stranice 05.05.2016).
10. Balalaev A.N., Klepikov, A.V., Feklistov A.YU. Vliyanie kachestva ochistki zheleznodorozhnyh cistern na ih ehkspluatacionnye harakteristiki // Vestnik transporta Povolzh'ya, 2010. - №3. - S. 48-54.
11. Balalaev A.N., Klepikov, A.V., Feklistov A.YU. Matematicheskaya model' parozhidkostnogo inzhektora na osnove ideal'nyh ehlementov // Vestnik transporta Povolzh'ya, 2010. - №3. - S. 71-78.
