Право менеджмент маркетинг Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Новая энергосберегающая

технология железнодорожных перевозок нефтепродуктов как фактор повышения экономической эффективности

В.Г. Долбенков,

генеральный директор ОАО «Конструкторское бюро специального машиностроения», академик Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (РАКЦ), кандидат технических наук

А.М. Воробьев,

заместитель генерального конструктора по науке ОАО «Конструкторское бюро специального машиностроения», лауреат Государственной премии СССР, член-корреспондент Российской академии ракетно-артиллерийских наук (РАРАН), доктор технических наук, профессор

В.И. Моисеев,

доцент кафедры «Математика и моделирование» ПГУПС,

кандидат технических наук

Рассматривается новая энергосберегающая технология железнодорожных перевозок, применимая в зимних условиях для вязких нефтепродуктов. Использование предлагаемой технологии позволяет существенно повысить эффективность данного класса железнодорожных перевозок за счет значительной экономии тепловой энергии, как при перевозках вязких нефтепродуктов, так и при очистке цистерн от их остатков.

Ключевые слова: экономическая эффективность, экономия тепловой энергии, железнодорожные перевозки, нефтепродукты, новая технология.

В настоящее время правительством Российской Федерации ставятся задачи по развитию энергосберегающих и экологически чистых технологий во всех сферах деятельности отечественного бизнеса.

На железнодорожном транспорте большие непроизводительные затраты энергии связаны с перевозками застывающих наливных грузов (ЗНГ) — мазутов, нефтей, масел и др. Эти продукты широко применяются речным и морским флотом, предприятиями, городскими коммунальными службами и объектами жизнеобеспечения воинских гарнизонов. За последние 10 лет общие объемы перевозок ЗНГ приблизились к 50 млн. тонн в год.

На предприятиях-производителях ЗНГ в жидком виде заливают в цистерны при температурах +80...+ 120 С. За время транспортирования они охлаждаются и приобретают вязкость настолько большую, что их выгрузка (слив самотеком) без предварительного разогрева, обеспечивающего восстановление текучести, становится невозможным.

Разогрев каждой цистерны с нефтепродуктом требует больших затрат тепловой энергии (~ 6-109 Дж), длительного простоя вагонов-цистерн под выгрузкой, организации на пунктах слива специальных сооружений с дорогостоящим оборудованием. Полная выгрузка ЗНГ даже на хорошо оборудованных сливных площадках не обеспечивается и в каждой цистерне после слива остается от нескольких десятков до нескольких сот килограммов высоковязких остатков. Для их удаления цистерну периодически очищают на промывочно-пропарочных станциях (ППС). Существующая технология очистки включает последовательно проводимые пропарку, промывку и дегазацию цистерн и тоже является одной из наиболее энергоемких и экологически несовершенных технологий вагонного хозяйства.

В зимнее время на очистку одной цистерны требуется до 3.5-109 Дж тепловой энергии. При пропарке цистерны в атмосферу выбрасываются огромные количества выпара (смеси паров воды и нефтепродукта), вызывающие загрязнение воздуха и уносящие до

ИННОВАЦИИ № 02 (136), 2010

ИННОВАЦИИ № 02 (136), 2010

25...60% общего количества тепла, вырабатываемого парогенератором, при промывке образуются большие количества жидких отходов, требующих утилизации.

Таким образом, общие затраты тепловой энергии, необходимые для обеспечения перевозок 50 млн. тонн ЗНГ превышают 600 тыс. тонн условного топлива, а суммарный годовой простой вагонов-цистерн под выгрузкой и на ППС составляет в среднем 1 млн. вагоно-часов.

В настоящее время для перевозки вязких нефтепродуктов (мазутов) используются специализированные цистерны, примером которых является модель 15-1566. Ее котел изготовляется из стальных листов толщиной 5ст= 9 мм, 11 мм и 10 мм (соответственно на верхней, нижней частях и на торцах цистерны). На нижней части котла имеется парообогревательный кожух, выполненный из стальных листов толщиной 5ст=3 мм, которые вместе со стенкой котла образуют камеру толщиной 5 = 36 мм и общей площадью S=40 м2. Котлы изготавливаются из стали 09ГС2, с плотностью рст=7800 кг/м3, теплопроводностью Хст=58 Вт/м град и теплоемкостью Сст=480 Дж/кг град. Перед и во время слива нефтегруза в камеру подается пар, для разогрева нижней части котла и зоны сливного прибора до 200 оС. При этом образуется маловязкий слой нефте-груза, по которому скользят основные его массы, сохраняющие низкую температуру и высокую вязкость. Дальнейший разогрев и подачу продукта в хранилище обеспечивает уже грузополучатель.

Рассмотрим охлаждение горячего ЗНГ, например, мазута в течение первых 12.20 часов после его налива в данную цистерну. Продукт имеет при этом высокую температуру и малую кинематическую вязкость (например, у мазута М40 при температуре Т=90 оС она равна vж=12•10-6 м2/с). При малом термическом сопротивлении стальной стенки (5 /X =1.5510-4 м2^град/Вт)

ст ст

теплоотдача в верхней части котла определяется коэффициентом конвективной теплоотдачи а , значе-

т т конвв

ние которого зависит от скорости движения цистерны, скорости ветра, наличия атмосферных осадков. Можно принять, что а =15.20 Вт/м2 град.

± ’ конв ' Г

к

1

верхн.

= 15...20-

Вт

м град.

К

(1)

В нижней части котла эквивалентный коэффициент теплоотдачи определяется термическим сопротивлением воздушного зазора в парообогревательном кожухе (5/X , =1.58- м2^град/Вт):

^ 4 воздух г / /

к„

1

= 0.46-

Вт

м град.

‘воздух

(2)

Как видно, теплоотдача в верхней части котла может быть в 30.40 раз больше, чем в нижней его части.

Все нефтепродукты имеют большое значение термического коэффициента объемного теплового расширения р~10-3 град-1, поэтому интенсивное охлаждение и обусловленный им рост плотности горячего мазута, имеющего малую вязкость, в верхней части котла приводит всю его массу в неустойчивое состояние, создавая интенсивное циркуляционное движение естественной конвекции.

В условиях циркуляции холодные стенки котла омываются горячим нефтепродуктом, и он быстро охлаждается во всей своей массе. Подавление конвекции горячего нефтепродукта можно обеспечить за счет уменьшения теплосъема в верхней части котла. Однако установка теплоизолирующей оболочки на наружную поверхность имеющихся цистерн невозможна хотя бы по двум обстоятельствам: из-за невозможности нарушений требований ГОСТа к габаритам подвижного состава, из-за увеличения с установкой теплоизоляции массы цистерны на 4.5 тонн.

Существует нетрадиционное решение проблемы, связанное с возможностью создания временной, легко удаляемой теплоизолирующей оболочки котла, на его внутренней поверхности полученной из самого перевозимого нефтепродукта. Назовем мазутным дисперсоидом (МД) среду, полученную из мазута с вязкостью v>10-4 м2/с при барботировании через него воздуха с одновременным его перемешиванием и переведенную в твердое состояние последующим охлаждением.

Слой МД наносится на внутреннюю поверхность в верхней части котла порожней цистерны с помощью стандартного струйного генератора применяемого в аппаратах химической технологии. Он включает лопастной насос типа Х90/85, подающую магистраль и устройство распыла, вводимое в цистерну через верхний наливной люк. Время распыла МД определяется мощностью насоса, время охлаждения и затвердевания — температурой наружного воздуха Т и интенсивностью принудительного обдува воздухом его свободной поверхности. При температурах воздуха Г=-10...-20 оС суммарная продолжительность операций нанесения слоя МД и его принудительного охлаждения не превышает 10 мин. в расчете на одну цистерну [2].

Теплопроводность и устойчивость МД зависят от его кратности и дисперсности. Кратность у представляет собой отношение объема дисперсоида Vд к объему мазута V ,пошедшего на его образование:

У =

д

V,

V + V

М б

V,.

(3)

где Vв — объем воздушных пузырей в дисперсоиде.

Коэффициент теплопроводности МД определяется его кратностью у теплопроводностью мазута Хм -0.13 Вт/м град. и воздуха Лв~0.024 Вт/м град, согласно формуле [1]:

^ ^+о —я

3у у

(4)

1

1

Дисперсность (размер пузырьков) МД влияет на его устойчивость, но не на теплопроводность. При малой кратности (у=2...3) слой МД достаточно устойчив и вместе с тем имеет теплопроводность Лэ=0.07...0.05 Вт/м град, близкую к теплопроводности таких теплоизолирующих материалов как стекловата. Дальнейшее увеличение кратности МД нецелесообразно из-за ухудшения его устойчивости.

После нанесения слоя МД цистерна подается под налив основной массы нефтепродукта. В работе [2] показано, что при заполнении цистерны горячим мазутом происходит лишь частичное растворение слоя МД: на поверхности котла остается слой дисперсои-да толщиной 5м~ 3.5 см и даже более в зависимости от температуры наружного воздуха. Такая теплоизолирующая оболочка недостаточна для сохранения высокой температуры нефтегруза в течение всего времени транспортирования, но она способна блокировать его естественную конвекцию. Нециркулирующий нефтепродукт, как показано в работе [3] в силу своей малой теплопроводности (А^~ 0.13 Вт/м град) охлаждается с переходом в высоковязкое состояние лишь частично, образуя на стенках котла затвердевший слой толщиной 10.15 см. Основная масса продукта (до 90%) сохраняет при перевозках высокую температуру и подвижность. Разогрев цистерны перед сливом требует уже существенно меньших времени и энергозатрат.

Рассмотрим теперь задачу снижения теплопотерь при очистке цистерн от загустевших остатков при низких температурах воздуха, она тоже решается при создании слоя МД на внутренней поверхности котла

Предварительно оценим, как влияет наличие пузырьков воздуха на площадь теплоотдающей поверхности, находящейся на фронте разжижения нефтепродукта. Выделим в слое затвердевшего мазута некоторый кубик со стороной I. Площадь грани кубика S=l2,объем кубика, У=13, аналогичный кубик выделим в слое МД. Пусть МД имеет кратность у=2 и весь воздух содержится в одном пузырьке радиуса R. Очевидно, что выполняется соотношение:

1 =

= 2

Пусть на внутренней поверхности котла находится затвердевший слой МД толщиной 5 . Внутрь котла подается пар имеющий температуру Тп. Теплота, поступающая с паром при постоянном его расходе Gп, частично расходуется на разогрев стенок котла и остатков нефтепродукта, частично уходит в окружающее пространство вместе с выпаром, а также за счет теплопередачи через стенки котла. Пусть Gв и Gк — соответственно массы пара, выходящего из цистерны в единицу времени вместе с выпаром и превращающиеся в конденсат.

Запишем уравнение теплового баланса для средней температуры стенки со слоем нефтепродукта:

(МспСсп + тс)^ = ВДТ -Тсп) -к2Р2(Тст -Т&)

(5)

йх

Здесь М , т, С и с соответственно массы сталь-

стт ’ ст

ного котла, нефтепродукта на его стенках и удельные теплоемкости стали и нефтепродукта, F1 — площадь внутренней поверхности котла (по поверхности нефтепродукта), F2 — площадь наружной поверхности котла м2, k1 — коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к стенке котла, k2 — коэффициент теплоотдачи от стенки котла наружному воздуху Вт/м2 град., Т' — температура окружающей среды, град. Обозначим через тр — характерное время разогрева (постоянную величину, обратную темпу разогрева), а через 0 — температуру, отвечающую равновесному состоянию цистерны при ее непрерывном разогреве:

0

МстСст + тС .

V7! + 72 ’ к1 ^ + к2 F2Tg к 1 ^ + к 2 ^2

(6)

(7)

После элементарных преобразований уравнение (5) приводится к виду:

■ + Тст =0

Я = з— = 0.49/

Отсюда следует, что * .

При прохождении фронта разжижения через кубик с пузырьком его площадь становится равной S*=l2+пR2~l2(1+л/4) =1.785S. Таким образом, наличие пузырьков воздуха в МД с кратностью у=2 увеличивает площадь его контакта с паром при разжижении в £= S*/S = 1.785 раз. Аналогичные выкладки показывают, что для МД с кратностью у=3 площадь контакта с паром увеличивается в ^=1.92 раза.

дх (8)

В начальный момент времени т=0 температура стенки котла равна температуре воздуха:

Т (0) = Т ;

ст\ У г’ (9)

Решение уравнения (8) при начальном условии (9) имеет вид:

Тст =©- (0- Т ё )е/ т

Коэффициент теплоотдачи k2 равен:

к -______1____

к2" 1 5

-----+ -

(10)

(11)

С увеличением термического сопротивления (д/Х.) слоя МД коэффициент теплоотдачи k , характе-

3

I

ИННОВАЦИИ № 02 (136), 2010

ИННОВАЦИИ № 02 (136), 2010

ризующий потери тепла в окружающее пространство уменьшается, величины тр и 0 возрастают, второе слагаемое в правой части (10) уменьшается и, следовательно, температура стенки котла на стадии его пропарки принимает большее значение.

Считая, что температура цистерны при ее пропарке достигла равновесного значения 0 и дальнейшего аккумулирования тепловой энергии стенками котла не происходит, запишем закон сохранения энергии, рассматривая поступающий в цистерну пар и покидающий ее вместе с выпаром:

GJT - Oeie - (Оп - Ов)i*= klFl(Tr - Tcm)

(12)

Здесь Gп =0.246 кг/с — установленный Нормами расход пара, подаваемого в цистерну под давлением Р=4 ата., Gg — расход выпара, Тпначи I нч начальные температура и энтальпия пара, подаваемого в цистерну, I* — энтальпия насыщенного пара при атмосферном давлении, I = I начх +(1—х ) I* — энтальпия выпа-

7 в п в 4 в/

ра, определяемая степенью его сухости хв

Подставляя (10) в (12), учитывая то, что г = г™4 — 7 — теплота парообразования, получим выражение, определяющее количество образующегося в единицу времени выпара:

On (in - і*) - kiFi

TT-0 + (0-Tg )e'

Отсюда видно, что количество образующегося вы-пара зависит от площади поверхности нефтепродукта F1, контактирующего с паром. Как отмечалось выше, у дисперсоида с кратностью у =2.3 эта площадь возрастает в ^=1.785.1.92 раза, что обуславливает существенное уменьшение выбрасываемого выпара и связанных с ним теплопотерь.

Выводы: из приведенных материалов следует, что применение мазутного дисперсоида в качестве временной тепловой изоляции цистерн обуславливает значительную экономию тепловой энергии как при перевозках вязких нефтепродуктов (и других видов ЗНГ), так и при очистке цистерн от их остатков, повышая экономическую эффективность железнодорожных перевозок

Литература

1. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М., Химия, 1983.

2. Воробьев А.М., Моисеев В.И. Дисперсоид как тепловая изоляция стенок транспортной емкости для вязких нефтепродуктов // Вопросы оборонной техники. 2006, вып. 1-4. С. 117-121.

3. Моисеев В.И. и др. Модернизация универсальных цистерн для зимней транспортировки темных нефтепродуктов // В сб. «Материалы второй научно-технической конференции «Подвижной состав ХХ1 века: идеи, требования, проекты». СПб, ПГУПС, 2001. С. 31-35.

(13)

New energy-saving technology of rail transportation of mineral oil as economic factor

The new energy-saving technology of rail transportation for the winter conditions for viscous mineral oil is considered. Use of offered technology allows to raise essentially efficiency of the given class of rail transportation due to significant economy of thermal energy, both at transportations of viscous mineral oil, and at clearing tanks of their rests.

Keywords: rail transportation, viscous mineral oil, tanks clearing, new technology, economy of thermal energy, black oil dispersion.

ЖУРНАЛ ОБ ИННОВАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ИННОВАЦИИ

в Интернете

Редакция журнала «Инновации» предлагает своим читателям электронную версию журнала в сети Internet по адресам: http://innov.eltech.ru http://www.mag.innov.ru