EA026190B1 - Трубопроводная система с подогревом - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта и может быть использовано для поддержания температуры трубопроводов в рабочем диапазоне, а также для защиты от замораживания трубопроводов и стартового разогрева трубопроводов до рабочей температуры. Трубопроводная система с подогревом включает по меньшей мере один участок металлической футерованной изолирующим слоем трубы, электроды, соединенные с металлической трубой, и источник электрического тока с системой регулирования. Особенность трубопроводной системы заключается в том, что в качестве футерованной трубы используют металлическую трубу, футерованную внутри каменным литьем, причем по длине трубы выполнены сквозные отверстия, в которых герметично вставлены электроды, одни концы которых имеют контакт с металлической трубой, а вторые - с прокачиваемой пульпой.

Description

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта и может быть использовано для поддержания температуры трубопроводов в рабочем диапазоне, а также для защиты от замораживания трубопроводов и стартового разогрева трубопроводов до рабочей температуры.

Эксплуатация труб и трубопроводов, проложенных над землей или в земле на глубине замерзания, в холодный период года связана с определенными трудностями: сужается проходное сечение труб, падает температура и увеличивается вязкость транспортируемых жидкостей, образуются пробки, происходит замерзание продукта и возможно разрушение трубопровода. Использование качественного теплоизоляционного материала снижает прямое воздействие холода на трубопровод, но не может полностью защитить от замерзания или снижения температуры транспортируемой жидкости.

Наиболее экономичен и прост в управлении путевой электроподогрев с использованием системы прямого или косвенного подогрева.

При прямом импедансном подогреве переменное или постоянное напряжение подается к концам обогреваемого участка трубопровода.

Средства путевого подогрева обычно монтируют под слоем тепловой изоляции на поверхности трубы.

Для компенсации тепловых потерь на трубопровод монтируется нагревательный кабель. Нагревательный кабель подбирается таким образом, чтобы количество выделяемого им тепла было больше теплопотерь изолированного трубопровода на каждом участке трубы. Утеплитель нужно изолировать от воздействия влаги.

Прямой подогрев прост и надежен в эксплуатации, но применение его требует выполнения специальных технических решений, он небезопасен для обслуживающего персонала и применяется в критических ситуациях: при запуске в работу нефтепровода с застывшей нефтью и выходе из строя других средств путевого подогрева [Едигаров С.Г. Проектирование и эксплуатация нефтебаз и газохранилищ. Издательство Недра, Москва, 1973, с.199]. Кроме того, нагрев самой трубы требует хорошей тепловой изоляции от окружающей среды. К тому же такие трубы обладают невысокой стойкостью и имеют ограниченный срок эксплуатации.

При косвенном подогреве используют нагревательные элементы в виде лент и кабелей и коаксиальные нагреватели, расположенные на поверхности, либо внутри трубопровода.

Такой подогрев также требует хорошей теплоизоляции труб и имеет невысокую эффективность.

При внутреннем способе подогрева трубопровод-спутник располагается внутри трубопровода.

Такое решение также имеет свои недостатки. При этом уменьшается эффективное сечение трубопровода, а также повышаются требования к стойкости внутреннего трубопровода, снижается его ремонтоспособность.

Наиболее близким решением по формальным признакам является решение по патенту США 6292627. В этом решении трубопровод составлен из двух концентрических труб с электрическими контактами и изоляторами. При этом трубопровод может быть разбит на сегменты, а контакты могут быть присоединены в различных мечтах трубопровода.

Такое решение также обладает всеми перечисленными недостатками.

Задача изобретения - создание надежной и долговечной конструкции и системы трубопровода для транспортировки различных жидкостей и смесей в условиях холода и повышение эффективности такой системы.

Задача изобретения решается следующим образом.

Трубопроводная система с подогревом, которая включает по меньшей мере один участок металлической футерованной изолирующим слоем трубы, электроды, соединенные с металлической трубой и источник электрического тока с системой регулирования. При этом в качестве футерованной трубы используют металлическую трубу, футерованную внутри каменным литьем. Причем по длине трубы выполнены сквозные отверстия, в которых герметично вставлены электроды, одни концы которых имеют контакт с металлической трубой, а вторые - с прокачиваемой пульпой.

В одном усовершенствовании электроды выполнены из графита.

В другом усовершенствовании поверхность электродов, контактирующая с пульпой, выполнена из графита.

На чертеже представлены продольный и поперечный разрезы предлагаемой системы.

Трубопровод или его сегмент выполнены из стальной трубы 1, футерованной изнутри каменным литьем 2, например, базальтовым литьем.

Между стальной трубой и каменным литьем может быть промежуточный слой из скрепляющего раствора или дополнительной теплоизоляции. Такие трубы серийно выпускаются и могу иметь длину от 1 до 11 м. ЗАО Завод конвейерного оборудования, 623107 Россия, Свердловская обл. г. Первоуральск, ул.Серова, 4А 1и1р:///ао/ко.ги/5Юге/32982/33006/. Также такие трубы выпускаются и другими фирмами, например футерованные трубы камнелитыми вкладышами Компанией ЕИТ1Т к.г.о. 1и1р://\у\у\у.сиО1.с//. Репд1а1 Ниаап ВакаБ Р1ре1те Со., Ий. Нйр://еп.ка/5д|.сп/. Но лучше всего подходят, цельнолитые трубы ООО Днепровский футеровочный завод на основе марганцевистого каменного литья ЛМТ (ул. Героев Чернобыля, 102/2, г. Никополь, Днепропетровская обл., 53221, Украина).

- 1 026190

Вдоль трубы с определенным расчетами шагом располагаются отверстия с герметично установленными электродами 3. Такие электроды могут быть выполнения из графита, или иметь графитовое покрытие, обеспечивающее инертность электрода по отношению к транспортирующей среде. При этом сама труба обычно подключается к заземленному полюсу источника тока 4, а электроды, посредством изолированных проводов 5 ко второму полюсу источника через регулирующее устройство 6 и электрод 7, контактирующий с транспортируемой средой.

Возможен также вариант поочередного подключения электродов. При этом часть электродов должна быть изолирована от внешней трубы.

Работает система следующим образом. При необходимости подогрева устройство регулирования подключает необходимый для этого ток к электродам 6 и 7 трубопровода. Этот ток действует на транспортируемую среду и разогревает ее непосредственно. Такой способ нагрева является наиболее эффективным, потому что вся его энергия тратится непосредственно на разогрев транспортируемой среды.

Трубы, футерованные изнутри каменным литьем имеют более длительный срок службы, высокую абразивную стойкость и достаточно высокую теплоизоляцию. При этом футеровочный слой является одновременно и электрическим и тепловым изолятором и защитным слоем и при подогреве.

Расчет тепловой эффективности приводится ниже.

1. Расчет таяния пульпы в трубопроводе по тепловому балансу.

Для расчета необходимого количества тепла для обеспечения таяния замерзшей пульпы определим условия теплового режима при аварийном останове в слоях пульпопровода (обозначим как состояние 0). Предположим, что пульпа остыла до некоторой средней температуры Т_ср и по сечению пульпы температура мало отличается от средней, т.е. для оценки, температуру на границе пульпы и футеровки Т₁ примем равной Тср.

Определим количество теплоты ц₁, проходящее через стенку трубы длиной 1. Для цилиндрической стальной трубы с внутренней футеровкой запишем:

Здесь Т₁ - температура на границе пульпы и футеровки,

Т₂ - температура на границе футеровки и стальной стенки,

Т₃ - температура на внешней границе стальной стенки,

Т_н - температура наружного воздуха, теплопроводность футеровки, теплопроводность стали, внутренний диаметр трубы (пространство, занятое пульпой), диаметр трубы с учетом толщины футеровки, внешний диаметр трубы, α - коэффициент теплопередачи от стальной трубы в окружающую среду.

Учитывая эти определения, тепловой поток, проходящий через поверхность трубы в единицу времени через единицу длины поверхности трубы, равен λι ^λ2 ' ά ^Д2 Дз

где К_тр - сопротивление теплопередаче стенок трубы,

ДТ - температурный напор от пульпы в окружающую среду.

Температуры на границах футеровки и стальной трубы с окружающей средой равны

В силу относительной малости толщины футеровки и стальной стенки для оценки положим, что внутри этих прослоек температура изменяется линейно.

Например, для футеровки

Τ^Τι-ίΤι-Τζ)-^^

Г2-П

Тогда теплосодержание единицы длины замерзшей пульпы:

Н „ = 0.5р„Ср„2эт] (Το +Т]) = та! ιρ_;,Ο„Τ ^еР футеровки (4)

- 2 026190 н°

0.5р^С ρψ2π(Γ₂ -η)(Τι +Τ:)=Ο.5ρφ6ρψπ(ά: -άι)(Τι +Τ>) (5) стальной стенки

Η_£™ =О.5р_ст,Сг_с,„2я(гз-г₂)(Т2-1-Тз) = О.5р_ст|Ср_с,„31(аз-<12)(Т2-1-Тз)

В момент, когда пульпа растаяла (состояние 1), теплосодержание трубы с растаявшей пульпой будет задаваться теплосодержанием стальной стенки, футеровки и растаявшей пульпы:

Н' = яа,р„С_й,Тр, (7) =Ο.5ρ_φϋ^π(ά₂ -άι)(Τι^] +Τ₂’), (8)

Η'™ =О.5р™С_Лт<а₃ -ά₂)(Τ₂> +Τ₃'). (9)

Здесь Т¹ср может быть равно температуре таяния пульпы (например, температура таяния льда 273 К), если необходимо растопить ее, а не нагревать.

Количество тепла, необходимое для нагрева единицы длины трубы с пульпой и ее перехода из состояния 0 в состояние 1, равно разности теплосодержаний с учетом тепла, затраченного на оттаивание снега Н¹т = пб₁р_пЬ_п:

О-Н,‘-Ηθ + Ηφ-Ηθ+н_£т-н°„ + н/„. (10)

Фактически эта разность определяет требуемую мощность нагревателей для обеспечения таяния пульпы.

В случае если имеем цилиндрической формы нагреватель, то удельная поверхностная мощность (Вт/м²), выделяемая в проводнике при прохождении электрического тока равна

4ЕР^{2 φ_}π²υ²ά³ где Р - объемная мощность нагревателя,

К - удельное сопротивление материала нагревателя, и - напряжение на нагревателе, ά - диаметр нагревателя.

Оценим минимальное необходимое количество нагревателей для обеспечения прогрева единицы длины трубы. Площадь поверхности нагревателя равна ^^нагр> тогда количество тепла, уходящего в систему в единицу времени равно ^ла^нагрЧ>Тогда за некоторый заданный промежуток времени Δΐ в трубу уйдет тепла ^С//нагрфМ, (11) тем самым для того, чтобы обеспечить прогрев пульпы на единице длины трубы до перехода в состояние 1 за промежуток времени Δί необходимо количество нагревателей не менее (а лучше с запасом) п = 0/(кС//нагрфДО. (12)

Для нагрева пульпы в трубе длиной 1 необходимо соответственно п1 нагревателей.

2. Пример расчета по представленным данным.

Данные:

ά₁ = 0.516 м, ά₂ = 0.616 м, ά₃ = 0.630 м

Пусть температура наружного воздуха Т_н = 243 К.

Предположим пульпа остыла до Т_ср = 263 К.

Необходимо нагреть ее до температуры таяния, т.е. в состоянии 1 Т_ср = 273 К.

Теплопроводность футеровки λ! = 1.37, стали λ₂ = 47,

Теплоемкость футеровки 850 Дж/кг К.

Теплоемкость стали 500 Дж/кг К.

Плотность стали 7700 кг/м³'

Плотность футеровки 3000 кг/м³ (средняя).

Удельная теплота плавления льда Ь_п = 330000.

По параметрам для стальных труб коэффициент теплопередачи аппроксимируется в зависимости от диаметра при скорости ветра 6 м/с:

α = 27.54429-14.03χά₃+4.67857χά₃χά₃

В нашем случае α =20.56.

Теплоемкость пульпы рассчитывается в зависимости от плотности пульпы С_Рп = 12.48818 - 0.01151хр_п + 3.19828Е - 6хр_пхр_п

- 3 026190

Примем за расчетную плотность пульпы равную р_п = 1142 кг/м³.

Тогда теплоемкость равна С_Рп = 3520 Дж/кг К.

Размеры нагревателя ά= 0.057 м, нагр = 0.057 м.

3. Расчет таяния пульпы в трубопроводе по тепловому балансу.

1. Находим температурный напор в состоянии 1 и сопротивление теплопередаче в формуле (1):

ΔΤ= Т_ср-Тн = 20К,

К_тр = 0.3055.

2. Находим температуры слоев в состоянии 0 по формулам (2), (3):

Т₂ = 254.54 К,

Т₃ = 253.11 К.

3. Аналогично определим температуры для слоев в состоянии 1 по формулам (2) и (3):

Температурный напор равен ΔΤ= 30 К.

Т\ = 260.30 К,

Т\ = 258.16 К.

4. По формулам (4)-(9) находим разность теплосодержаний слоев и пульпы:

Н¹П - Н⁰П = 65164091.033 Н^!ф - Н⁰ф = 6312716.278,

Н^!ст - Н⁰ст = 915238.617.

5. Количество тепла на плавление пульпы

II¹,,, = πάιρ_ηΤ_η = 610603646.4.

6. Находим О по формуле (10):

О = 682995691.

7. Находим количество тепла от нагревателя по формуле (11) за время, например, за сутки = (3600x24) секунд при заданной удельной мощности φ поверхности нагревателя, которую возможно обеспечить.

8. Количество нагревателей рассчитывается по формуле (12).

Такая совокупность признаков, как сочетание свойств труб, футерованных изнутри каменным литьем, графитовых электродов и их соединения обеспечивают надежную и долговечную эксплуатацию трубопроводов в неблагоприятных условиях и в широком диапазоне температур, транспортируемых сред, в том числе с химически активными и абразивными компонентами. В аварийных случаях при замерзании пульпы такая система обеспечивает восстановление транспортировки, а также предотвращение таких ситуаций. При этом сочетание каменного литья и графитового нагревателя обладает выгодными температурными параметрами. Оба материала также химически стойки даже при высоких температурах. Могут также быть использованы и другие нагреватели, но графитовое покрытие такого нагревателя на поверхности контакта с перекачиваемой средой предпочтительно.

Таким образом, предлагаемое изобретение обладает новизной, изобретательским уровнем и технически осуществимо.

Claims (3)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Трубопроводная система с подогревом, включающая по меньшей мере один участок металлической футерованной изолирующим слоем трубы и источник электрического тока, полюса которого через систему регулирования соединены с металлической трубой и транспортируемой средой, отличающаяся тем, что в качестве футерованной трубы используют металлическую трубу, футерованную внутри каменным литьем, причем по длине трубы выполнены сквозные отверстия, в которых герметично вставлены электроды, одни концы которых имеют контакт с металлической трубой, а вторые - с прокачиваемой пульпой.
2. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что электроды выполнены из графита.
3. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что поверхность электродов, контактирующая с пульпой, выполнена из графита.