Топочные устройства для горячей перекачки нефтей с озоновым наддувом



Технология «горячей» перекачки высоковязких и высокозастывающих нефтей предполагает нагрев выделенных участков нефтепровода. Для реализации технологии, разработано множество подогревателей, отличающихся различными техническими характеристиками.

Проведена оценка эффекта озонирования газо-воздушной среды в подогревателях средней и малой мощности.Расчет потребной мощности озонаторов для выбранных топочных устройств показал, что достаточно выходных характеристик серийно выпускаемых озонаторов для всех рассматриваемых печей нагрева.

Ключевые слова: подогреватели нефти, интенсификация горения, озон, энергопотребление нагревателя, энергопотребление озонатора, эффективность топочного устройства.

В целях подогрева вязких нефтей, а также нефтей, имеющую высокую температуру застывания, в выкидных линиях применяют нагреватели средней мощности: устьевые нагреватели НУС-0,1, УН-0,2 и ПТТ-2; в нефтесборных коллекторах — путевые нагреватели ПП-0,63; ПП-1,6 [1,2].

Перспективным способом повышения эффективности функционирования печей нагрева, представляет собой возможность добавления озона в газо-воздушную смесь. За счет использования озона можно добиться более полного сгорания природного газа, уменьшить выброс вредных веществ в атмосферу и, как следствие, значительно интенсифицировать процесс горения. Результаты экспериментов показывают, что положительный эффект, связанный с интенсификацией горения, достигается при концентрации озона в газо-воздушной смеси 90 ÷ 200 мг/м ³ [3,4].

Определим технические характеристики озонаторов, обеспечивающих создание озоно-воздушной смеси оптимальной концентрации для озонирования топочного пространства. Для этого рассмотрим процесс горения природного газа с участием озона в топочных устройствах, отмеченных выше.

Уравнение химической реакции горения, можно представить в виде [5]:

C _m H _n + (m + n/4) О ₂ = m CО ₂ + (n/2) H ₂ О (1)

где C _m H _n — углеводородные составляющие природного газа. Будем рассматривать следующий состав природного газа: метан (CH ₄ ) — 94 %; этан (C ₂ H ₆ ) –2 %; бутан (C ₄ H ₁₀ )– 1 %; пропана (C ₃ H ₈ ) — 2 %. В этом случае, объемная доля кислорода V _О2 необходимого для полного сгорания природного газа рассчитывается в соответствии с системой (1) для углеводородных составляющих C _m H _n (в долях ξ _mn ): метан (m = 0, n = 4; ξ ₀₄ = 0,94); этан (m = 2, n = 6; ξ ₂₆ = 0,02); бутан (m = 4, n = 10; ξ ₄₁₀ = 0,01); пропан (m = 3, n = 8; ξ ₃₈ = 0,02). Количество кислорода, необходимое для полного сгорания в течение 1 часа каждой из составляющих C _m H _n определяется как: V * ξ _mn * (m + n/4), затем суммируется по всем углеводородным составляющим природного газа (m,n):

V _О2 = V * (∑ ξ _mn * (m + n/4)) (2)

На основании технических характеристик отмеченных топочных устройств, можно оценить возможность реализации технологии озонирования газо-воздушной среды для всех рассматриваемых печей нагрева. Результаты вычислений приведены в таблице 1. Характеристика топочных устройств по теплопроизводительностиР [кВт], КПД — η [%], и расходу газа V [м ³ /ч], приведена согласно данным [1,2]. Считаем, что содержание кислорода в воздухе составляет 21 %. В этом случае, для полного сгорания природного газа в течение часа потребуется V _в = V _О2 / 0,21 воздуха. Значения V _в приведены в пункте 5 таблицы 1.

Таблица 1

Энергоэффективность печей с озоновым наддувом

№	Топочное устройство	НУС-0,1	УН-0,2М3	ППТ-0,2Г	ПП-0,63	ПП-1,6
1	Теплопроизводительность Р,кВт	100	200	290	730	1860
2	КПД η, %,не менее	75	70	80	80	80
3	Расход газа V, м 3 /ч	13,7	20	35	75	180
4	Количество кислорода V О 2 , м 3	28,96	42,3	74,03	158,63	380,7
5	Количество воздуха V в , м 3	137,98	201,43	352,5	755,36	1992,86
6	Необходимое количество озона m, г/ч	23	33	58	125	300
7	Мощность озонатора Р оз , кВт	0,3	0,525	0,9	1,875	4,5
8	Энергоэффективность Р эф , кВт	15,2	20,7	41,4	88,8	213,0

В расчетах принималось значение концентрации озона в озоно-воздушной смеси ρ = 150 мг/м ³ . Потребная масса озона, необходимая для обеспечения концентрации 150 мг/м ³ , определяется как: m = ρ * V ₀ = 150 10– ³ * V ₀ , V ₀ = V + V _в . Значения массы озона m приведены в пункте 6 таблицы 1. Серийные озонаторы воздуха ALРHA ОzA (НПО «ЭКОЗОН») вполне подходят по своим техническим характеристикам для создания озоно-воздушной смеси с требуемой концентрацией озона [6]. Потребляемая мощность Р _оз таких озонаторов приведена в пункте 7 таблицы 1.

Как следует из результатов современных экспериментальных исследований, использование озоно-воздушной смеси позволяет производить экономию используемого топлива на 15 ÷ 20 %, в нашем случае природного газа, что является важным фактором повышения эффективности функционирования топочных устройств [7]. Таким образом, при добавлении озона в определенной концентрации, подачу газа и воздуха можно уменьшить до 20 % без риска уменьшения теплопроизводительности топочного устройства. Принимаем теплоту сгорания природного газа на нижней границе диапазона: Q = 35,5 ÷ 37,7 Мдж/м ³ [8], а экономию газа до 15 %. В этом случае зависимость мощности тепловыделения в результате сжигания сэкономленного топлива (0,15*V) в топочном устройстве запишется как Р _эф , кВт:

Р _эф = (0,15/3,6)* η* Q* V (3)

Значения Р _эф для рассматриваемых топочных устройств приведены в пункте 8 таблицы 1. При сжигании сэкономленного топлива в размере 15 % от исходного объема подачи V, при одних и тех же условиях функционирования печи в течение часа, мы получим дополнительную тепловую энергию в объеме: от 15 до 213 кВт ч, в зависимости от мощности печи нагрева Р. Дополнительная энергия значительно превышает объем энергии, затрачиваемой на получение озоно-воздушной смеси.

Таким образом, за счет использования озоно-воздушной смеси процесс горения природного газа можно значительно интенсифицировать: добиться более полного использования топлива и снизить выброс вредных веществ в атмосферу. Расчет потребной мощности озонаторов показал, реализуемость процесса озонирования газо-воздушной смеси в печах нагрева, в настоящее время, поскольку для этого вполне достаточно выходных характеристик серийно выпускаемых озонаторов. Имеется возможность преобразования сэкономленной тепловой энергии в электрическую и питания этой энергией электроозонатора.

Литература:

1. Созонов, Н. А. Подогреватели нефти и газа ООО «ТюменНИИгипрогаз» — ключевой элемент «безлюдных технологий»// ЭКСПОЗИЦИЯ НЕФТЬ ГАЗ.- 2013.- № 4(29).- С.24–25
2. Подогреватели нефти производства Курганхиммаш [Электронный ресурс]. — Режим доступа: httр://kurgankhimmash.ru/рrоductiоn /рrоduct_ catalоgs/sec/32/, свободный (Дата обращения: 25.09.2020 г.).
3. Андреев, С. А. Ресурсосберегающее автономное теплоснабжение объектов АПК / С. А. Андреев, Ю. А. Судник, Е. А. Петрова // Международный научный журнал. — 2011. — № 5. — С.83–91.
4. Андреев, С.А., Петрова, Е. А. Оценка энергозатрат на озонирование топочного пространства водогрейных котлов. / С. А. Андреев, Е. А. Петрова // Электроинтенсификация и автоматизация сельского хозяйства, Вестник № 2–2015. — С.33–36.
5. Васильев, Г.Г., Коробков, Г.Е., Коршак, А.А., и др. Трубопроводный транспорт нефти. Учебник для ВУЗов: В 2 т.- М.: ООО «Недра — Бизнесцентр», 2002. -Т.1.- 407 с.
6. Озонаторное оборудование. НПО «ЭКОЗОН» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: httрs://www.ecоzоn.рrо/, свободный (Дата обращения: 10.09.2020 г.).
7. Нормов, Д.А., Федоренко, Е.А., Драгин, В. А. Повышение эффективности сжигания печного топлива в малых котельных электроозонированием: монография/ Д. А. Нормов, Е. А. Федоренко, В. А. Драгин — Краснодар: КСЭИ. 2011. — 140 с.
8. Белоусов, В.Н., Смородин, С.Н., Смирнова, О. С. Топливо и теория горения. Ч. I. Топливо: учебное пособие/СПбТУПР.-СПб., 2011. -84 с.