1470
.pdfнарному режиму при Т н= Ткр= const, нижняя часть кривой соответ ствует ламинарному режиму при Тн= const.
Оптимальная температура подогрева для конкретного случая на ходится следующим образом. По исходным данным вычисляют пара метр а / тс и величину ехр ( - а /тс), находят эту величину на горизон тальной оси exp (-a^,^) (точка п) и обратным построением (пунктирные линии) определяют оптимальные Тн и Из графика видно, что при этих значениях температур суммарные затраты на перекачку и подог рев в начале и конце перегона действительно равны. Так как найден ные Тн и Тк связаны между собой еще и формулой Шухова, то данное сочетание температур будет единственно возможным.
Численные значения Тн и Тк ограничиваются из технологических соображений. Для мазутов Тн не должна превышать 363 К (90°С), чтобы не было закоксовывания и сильного нагарообразования в теплообмен никах; для нефтей Тн должна быть ниже температуры начала кипения с целью сохранения легких фракций; для масел Тн колеблется в пре делах 293... 353 К (20... 80°С); чем легче масло, тем ниже должна быть Тн. Конечная температура должна быть на 5... 10 градусов выше тем пературы застывания перекачиваемого продукта, чтобы трубопровод не «заморозился» при кратковременных остановках.
§ 7.3. Применение тепловой изоляции
Нанесение тепловой изоляции на трубопрово ды и резервуары позволяет уменьшить теплопотери в окружающую среду, но увеличивает стоимость линейной части. В связи с этим возникает технико-экономическая задача определения оптималь ной толщины тепловой изоляции, при которой затраты на подог рев и на изоляцию минимальны.
Оптимальная толщина изоляции подземного магистрального нефтепровода
Для подземных магистральных трубопроводов с малой погреш ностью двумя первыми слагаемыми в правой части формулы (7.9) можно пренебречь и представить ее в виде
— » r + ElnD„, |
(7.40) |
Kd
где Г, Е - расчетные коэффициенты, равные
229
г = |
+ |
1п4Н- |
InD. Е = — ■ |
(7.41) |
2сс0Н |
2Хг.ср |
2Х„ |
2 \^из |
'г ср у |
Хиз - коэффициент теплопроводности изоляции.
С учетом данного выражения требуемое число пунктов подогре ва составит
пТС |
nL |
|
- Т |
1 |
Т |
|
(7.42) |
||
|
QpCp ■In 1 |
н |
1 О |
Г + Е • In DH3 |
|
Т |
- Т |
|
|
|
1 |
к |
1 о |
|
Выразим величины капитальных и эксплуатационных расходов на подогрев.
Стоимость пункта подогрева пропорциональна площади повер
хности нагрева установок FTи равна |
|
K,I t =CTTFTl |
(7.42а) |
где от —стоимость 1м2 поверхности нагрева с учетом стоимости вспо могательного оборудования и зданий тепловых установок.
Общая поверхность нагрева тепловых установок составляет
F _ QP CP(T H- T J а
(7.43)
я«лт г
где q, - теплоотдача 1 м2 поверхности тепловой установки; riT- к.п.д. тепловых установок; Др - коэффициент их резерва.
Нетрудно видеть, что величина К 1тс не зависит от диаметра теп ловой изоляции.
Эксплуатационные расходы по одному пункту подогрева скла дываются из амортизационных отчислений £тс-К1тс, а также заработ ной платы персонала и расходов на топливо, воду, смазку
^1тс = £тс К 1тс + А,, где ^ —норматив амортизационных отчислений для пунктов подо
грева; А, —эксплуатационные расходы по одному пункту подогрева, независящие от D H3.
Общие приведенные затраты в пункты подогрева составят
Птс ^ТС ^ 1тс’
где П 1тс —приведенные годовые затраты в один пункт подогрева П,тс = (е„ + £тс) К 1тс + А,.
Составим теперь функцию приведенных затрат для тепловой изоляции. Капиталовложения на ее сооружение пропорциональны весу затраченного материала и равны
230
к „ = a . . p B J . (D2„ - D l) • L = A2D^ - A ,,
где оиз, риз - соответственно стоимость единицы массы и плотность тепловой изоляции; А2> А3 - расчетные коэффициенты,
A 2 = < J „ - p „ ~ - L ; A, = A2 -D2. |
(7.44) |
Эксплуатационные расходы на содержание тепловой изоляции трубопровода складываются из отчислений на ее амортизацию и те кущий ремонт £ИЗКИЗ, а также затрат, независящих от толщины теп ловой изоляции А4, т.е. равны
^из ^эиз^из |
^4* |
Следовательно, приведенные годовые затраты на тепловую изо |
|
ляцию составляют |
|
П из = (£н + U |
Киз + А4. |
Таким образом, целевая функция суммарных приведенных го довых затрат в пункты подогрева и тепловую изоляцию может быть
записана в виде |
|
|
|
|
|
П = |
Г + Е • In D. |
' + S 2 ‘ ° и з + S 3 * |
(7.45) |
|
|
|
||
где S,, S2, S3 - |
расчетные коэффициенты |
|
||
S ,= |
тиШ1тс |
; S2 = А2- (ен+^из); S3 = А4-А3- Ш |
(7.46) |
|
|
||||
QpC |
-In |
|
|
|
|
Т -Т „ |
|
|
Для определения оптимального диаметра тепловой изоляции продифференцируем полученное выражение по D H3 и приравняем результат нулю, что дает
D „ - ( r + E - l n D j = Щ . |
(7.47) |
Данное уравнение решается относительно D H3 методом последо вательных приближений или графоаналитически.
231
Определение толщины тепловой изоляции надземных трубопроводов
Для надземных трубопроводов толщина тепловой изоляции мо жет быть определена либо по заданным тепловым потерям, либо из условия предотвращения замораживания нефтепродукта, либо на основании технико-экономического расчета.
В первом случае толщина тепловой изоляции определяется из
формулы |
|
|
|
|
|
1 . DH3 |
1 |
|
7 lL |
|
(7.48) |
------In—1- + ----- |
|
|
|
||
2Х.„ D.. CC-.D |
|
• 1ПТ” |
Т° |
a,D |
|
|
2^„э QpC |
р |
|
||
|
Г |
m |
гр |
|
|
|
|
|
1 к — А0 |
|
|
методом последовательных приближений. |
|
|
|||
Во втором —расчет ведется по формуле |
|
|
(тср- т 0)
In — = 2 п \ |
QpC -АТ |
(7.49) |
D„ |
a 27cDF |
где Тсрсредняя по длине температура перекачиваемой жидкости; АТ - допускаемое падение температуры в надземном участке длиной £н.
В третьем случае задача решается аналогично выбору оптималь ной толщины тепловой изоляции для подземного магистрального тру бопровода. Окончательное выражение для нахождения Ьиз имеет вид
+ — |
In 5* |
(7.50) |
D. v a ,D 2Х.„ |
D. “ 2D». / |
2S 2D ; V2Х. “ 2D »., |
Определение толщины тепловой изоляции для резервуаров
Решение оптимизационной задачи из условия минимума затрат на сооружение и эксплуатацию тепловых установок и тепловой изо ляции позволило получить следующие формулы для оптимальной толщины тепловой изоляции для стенки 5ИЗ с и кровли 5ИЗ к
г |
|
1 Л 0,5 |
|
X. АТ- |
(^с+О -ак+Т Г ^ + аб |
|
|
5Ю,= |
^Н.из)’ |
-х„ |
; (7.51) |
(^м |
" 0п О-Лп |
Ча 1с а , + а , |
v
232
(£ к |
+ Б н к ) 'а к + 7 Г ~ +СТ6 |
L |
FKOT |
(5 ю
1 S
+ е н ю ) 'Р ю СТ|а Я '0 „ |
— |
• "Пп |
|
|
|
|
(7.52) |
' 1 |
8 r |
\ |
) |
— |
н— -— ь ---------------- |
|
|
К . а 2 0 + а г )
где ок —стоимость котельных установок со вспомогательным оборудованием и зданиями для них, отнесенная к 1м2 поверхности нагрева котлов;
о5 - заработная плата с начислениями, отнесенная к одному ко тельному агрегату;
а 6 —расходы на топливо, воду, смазку и т.д., отнесенные к еди нице поверхности нагрева котлов;
FKOTплощадь поверхности нагрева одного котла;
q - паросъем с 1 м2 поверхности нагрева котельного агрегата; in, iK—энтальпии соответственно пара и конденсата;
т|п - коэффициент, учитывающий потери тепла в паропроводе до резервуара;
ос1с, а 1к - коэффициенты теплоотдачи от нефтепродукта к стен ке и в газовое пространство резервуара;
5Г, А,Э1СВтолщина и эквивалентный коэффициент теплопровод ности газового пространства в резервуаре;
а2, а 20 - коэффициенты теплоотдачи от наружной поверхности изоляции на стенке и покрытии в окружающую среду;
а3 - коэффициент теплоотдачи излучением;
АТ - разность средних температур нефтепродукта и воздуха.
§ 7 .4 . Определение числа и расстановка станций на «горячем» трубопроводе
Расчетное число пунктов подогрева п^с равно отношению полной длины трубопровода L к расчетному расстоя нию между ними £'тс, т.е. n^c = LU'TC. Если принять для простоты рассуждений КЛ=К,.=К (что идет в запас надежности расчета), то
K - 7 1 - D L |
(7.53) |
п = |
|
Т |
- Т |
Q-P -C -in н |
0 |
т - т г
233
Из данного выражения следует, что расчетное число пунктов подогрева прямо пропорционально коэффициенту теплопередачи и площади поверхности трубопровода rcDL, а также обратно пропор ционально массовому расходу нефти Q р.
Расчетное число насосных станций п’ находится как отношение полных потерь напора к напору одной станции, т. е.
hnL+A z + H |
- Н 2 v |
(7.54) |
п = |
|
н
Алгоритм расчета n' следующий:
1) определяют расчетное число пунктов подогрева п 'с;
2) находят критическую температуру нефти при проектном расходе;
3)вычисляют протяженность участков с турбулентным £ти лами нарным £п режимами течения нефти;
4)определяют потери напора на этих участках и в целом на перего
не между пунктами подогрева; 5) находят п'.
Найденное число насосных и тепловых станций округляется доцелых чисел (птс и п соответственно). Округление числа станций лучше производить в большую сторону, т.к. это ведет к уменьше нию температуры подогрева нефти и повышению надежности рабо ты «горячих» трубопроводов в особых случаях (остановка станций, пуск трубопровода и др.).
Поскольку изменение температуры нефти не зависит от профи ля трассы, то пункты подогрева предварительно распределяются потрассе равномерно, через равные расстояния.
При расстановке насосных станций можно было бы воспользо ваться методом Шухова, заменив гидравлический треугольник фигу рой с параболическим характером изменения напора. Чтобы пост роить такую фигуру надо рассчитать потери напора как минимум для пяти точек (иначе, кривая будет построена неточно), что слож нее, чем строить гидравлический треугольник. Но самое главное это то, что после такого определения мест размещения насосных стан ций необходимо заняться уточнением мест размещения пунктов по догрева. Дело в том, что их по возможности стараются совмещать с насосными станциями, чтобы уменьшить затраты в социально-куль турную сферу. А после перемещения пунктов подогрева придется соответственно уточнять начальную и конечную температуры нефти, чтобы напора станций хватило на ведение перекачки.
Более простой метод расстановки станций заключается в исполь зовании среднего гидравлического уклона
234
|
H2v + nHCTVAz - H, |
ep |
(7.55) |
L |
Как видно из формулы (7.55), под icp понимается гидравличес кий уклон в изотермическом трубопроводе, эквивалентном рассмат риваемому.
В остальном расстановка насосных станций выполняется по ме тодике, описанной в главе 5.
Задача размещения пунктов подогрева, на первый взгляд, реша ется просто: достаточно по горизонтали в масштабе отложить сред нее расстояние между ними £п = L/nTC. Такое решение является вер ным лишь формально, т.к. не учитывает необходимости совмещения части пунктов подогрева насосными станциями. В этой связи пред лагается следующий алгоритм расстановки промежуточных пунктов подогрева.
Поделив расстояния между насосными станциями на £п, нахо дят, сколько их необходимо для каждого перегона. Найденное число округляют в большую сторону до ближайшего целого nTCi, после чего находят окончательное среднее расстояние между пунктами подо
грева на каждом перегоне |
|
Ci = Vn„, |
(7.56) |
При заданном расположении пунктов подогрева необходимо за ново определить оптимальные величины T Hi, TKi и D H3j в пределах каждого перегона между НС.
Алгоритм данного расчета следующий. Необходимые потери напора:
- для всех перегонов, кроме последнего, на эксплуатационном участке
h; = HCTVAzj; |
(7.57) |
- для последнего перегона на эксплуатационном участке |
|
hi —^2v + HCTV Нкп AZj, |
(7.58) |
где AZj — разность нивелирных высот конца и начала i-го перегона между насосными станциями.
Соответствующие необходимые величины средней кинематичес кой вязкости нефти
h; -d |
5 - m |
(7.59) |
|
V cpi = 1,02-p-Q |
2 - m |
||
' T ci J |
и ее средней температуры на i-том перегоне
235
Тф = Т . - - 1 п ^ Й - . |
(7.60) |
|
u |
V, |
|
Учитывая, что |
Т0)ШУ|, |
|
т* - т„ = (Tcpi - |
|
то повторяя вывод аналогично (7.42)...(7.44), получаем целевую фун кцию годовых приведенных затрат в пункты подогрева и тепловую изоляцию для i-ro перегона
П. = |
+ ^2^«3i + S3 > |
(7.61) |
Г + Е ■In D„ |
|
где Шу| - число Шухова между пунктами подогрева на рассматри ваемом перегоне между насосными станциями
|
|
HIyi = |
________ |
(7.62) |
|
|
'(Г + E lnD nl) |
||
|
|
Q 'P 'C |
|
|
S0i - |
расчетный коэффициент |
|
|
|
|
So, |
= <Тт' Я-— -— |
-(ен + 5 те)*(Тчй - Т 0) |
(7.63) |
|
|
ЯгЛт |
|
|
|
Условие целесообразности применения тепловой изоляции: пер |
|||
вая |
производная |
от функции (7.62) по диаметру изоляции |
при |
|
D H3j = D Hдолжна быть меньше нуля, что дает неравенство |
|
|||
|
|
D . ( T + E . | n D . ) < ^ J . |
(7.64) |
Если неравенство (7.64) выполняется, то оптимальный диаметр тепловой изоляции на i-том перегоне находится из трансцендентно го уравнения
D ^ r + E In D 4 ) = J U - |
(7-65) |
В случае, если применение тепловой изоляции нецелесообразно, то требуемая начальная температура нефти находится по формуле
Тй = Т 0 + (Тф - Т 0) ~ ^ - , |
(7.66) |
а соответствующая величина Тп вычисляется по формуле (7.1). Приэтом величина UIyHi определяется по формуле (7.62), в которой ве личина D H3i заменена на D H.
Найденные величины THi и Td должны удовлетворять действую щим ограничениям на них.
236
§ 7.5. Общий случай определения оптимальных параметров «горячей» перекачки по теплоизолированному трубопроводу
При оптимизации температурного режима пе рекачки, толщины тепловой изоляции, числа пунктов подогрева и на сосных станций необходимо учитывать следующие ограничения:
1)число пунктов подогрева птс и насосных станций п должно быть целым;
2)толщина тепловой изоляции не должна быть меньше минимально допустимой (по технологическим соображениям) величины, т.е.
5„з^[8из]; 3) начальная и конечная температуры нефти не должны выходить
за пределы допустимых значений, то есть ТН£[ТН] и Тк>[Тк]; Ранее рассмотренные подходы к оптимизации отдельных пара
метров «горячей» перекачки этих ограничений не учитывают. По этому нами был предложен следующий алгоритм одновременной оптимизации всех параметров «горячих» теплоизолированных тру бопроводов.
Из имеющегося опыта проектирования «горячих» трубопрово
дов известно, что насосные станции |
на них удалены друг от друга |
||||||||
на расстояние от 50 до 150 км. Это |
позволяет назначить |
пределы |
|||||||
варьирования числа НС от |
= j ~ |
Д° |
|
nm« = ^ - |
Найденные зна |
||||
чения округляем до ближайших целых |
птт < |
и nmin < |
. Со |
||||||
ответственно расстояние между НС будет находиться в пределах |
|
||||||||
от £ |
пип |
= - —- до |
£ |
шах |
= — . |
|
(7.67) |
||
|
^ |
|
|
|
v |
' |
|||
|
|
^ шах |
|
|
|
^min |
|
|
|
Полагая число пунктов подогрева кратным числу насосных стан |
|||||||||
ций, можем найти |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n, = <pN |
п, |
|
|
|
(7.68) |
где (pN —средний коэффициент кратности числа пунктов подогрева числу НС: <pN>l и принимает только целые значения.
Таким образом, первое ограничение непосредственно вносится в алгоритм расчета.
При заданной производительности трубопровода выбор насосов и оп ределение их количества на НС производится следующим образом.
237
Вначале по часовой производительности перекачки высоковяз кой нефти производится предварительный выбор типа насосов. Затем вычисляется кинематическая вязкость vn, при превышении которой требуется пересчет напорной характеристики центробежных насосов
|
« |
ТТ2 |
м 0,305 |
v |
П • Д 2 |
"пс |
|
П |
|
(7.69) |
|
|
|
19-10 |
|
Расчет по формуле (7.69) |
выполняется как для основных, так |
и для подпорных насосов. Найденная «переходная» кинематическая вязкость сравнивается с вязкостью нефти при условиях ее откачки из резервуаров и при условиях всасывания основных насосов.
Если для подпорных насосов температура выкачки нефти из ре зервуаров определяется только условием их бескавитационной рабо ты, то для основных насосов температура перекачиваемой нефти заранее неизвестна. Для первого варианта расчета ее можно принять равной максимально допустимой величине [Тн], что позволяет сразу учесть третье ограничение в решении оптимизационной задачи.
При принятой температуре находится вязкость нефти и при необ ходимости производится пересчет характеристики основных насосов.
С учетом различия температуры выкачки ТВЫ1Снефти из резерву аров и начальной температуры нефти рабочее давление головной
насосной станции |
|
P = g * (p H mHH hMHV+ pBbIK H 2v), |
(7.70) |
где рн, рВЬ1Кплотность нефти при температурах Тн и Твык; hMHV, H2v - напор соответственно основного и подпорного насосов при темпе ратуре перекачки.
При выполнении неравенства (5.5) напор одной насосной станции
= тпин ЪЫИУ. |
(7.71) |
Если же неравенство (5.5) не выполняется, то необходимо принять меры по уменьшению сначала H2v, а если этого недостаточно, то и hMHV.
Для определения конечной температуры нефти сначала из урав нения баланса напоров при заданном количестве насосных станций п находится величина средней вязкости нефти в трубопроводе
vЧ» |
= |
(H2v + пН^. - Az - Hm ) - d4.75 |
|
0,0246-Q1,75 |
(7.72) |
||
|
|
L |
а затем —соответствующая средняя температура перекачки по фор муле (7.60), после чего —искомая величина
238