2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ........................................................... Ю
Глава 1. ТРАНСПОРТ НЕФТИ И ВЫСОКОВЯЗКИХ
НЕФТЕПРОДУКТОВ.......................................... 20
1.1 Перевозка нефти и нефтепродуктов морским транспортом.................................................. 22
1.2 Перевозка нефтепродуктов автотранспортом.................. 31
1.3 Перевозка высоковязких нефтепродуктов железнодорожным транспортом.................................................. 37
Глава 2. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ В ЕМКОСТЯХ ,........................................... 42
2.1. Теплообмен у вертикальных ограждающих поверхностей 47
2.1.1. Влияние зависимости вязкости жидкости от температуры на теплообмен................................................... 50
2.1.2. Теплообмен у неизотермической вертикальной пластины 62
2.1.3. Наклонная пластина..................................... 70
2.1.4. Горизонтальная пластина................................ 72
2.2. Теплообмен в придонной области емкости................... 75
2.3. Образование структурированной фазы на вертикальной поверхности емкости.......................................... 80
2.3.1. Результаты численных решений........................... 91
2.3.2. Экспериментальные исследования......................... 97
2.4. Теплообмен у горизонтального трубчатого подофева геля 102
2.5. Теплообмен у ограждающих поверхностей горизонтальной цилиндрической емкости....................................... ИЗ
2.5.1. Методика экспериментального исследования.
Экспериментальные установки................................... 49
2.5.2. Анализ экспериментальных данных и обобщение результатов.... 122
3
Глава 3. ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ ЕМКОСТИ НА ТЕПЛООБМЕН
ПРИ ПЕРЕВОЗКЕ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ..................... 132
3.1. Основные параметры колебаний................................... 132
3.2. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена в
емкости при колебаниях........................................ 134
3.2.1. Потенциальное движение идеальной жидкости в полости при колебаниях.................................................... 136
3.3. Влияние колебаний на теплообмен у вертикальных поверхностей емкости.......................................... 142
3.3.1. Теоретическое исследование теплообмена у вертикальной поверхности................................................... 143
3.3.2. Численные решения уравнения смешанной конвекции и анализ результатов................................................... 150
3.3.3. Влияние зависимости физических свойств жидкости от температуры на теплообмен при смешанной конвекции............. 159
3.3.4. Влияние неизотермичности поверхности на теплообмен при смешанной конвекции........................................... 168
3.4. Исследование теплообмена между нефтепродуктом и ограждающими поверхностями морских наливных судов при
качке......................................................... 173
3.5. Экспериментальные исследования влияния колебаний емкости
на теплообмен у вертикальных поверхностей................. 179
3.5.1. Оценка погрешности измерения плотности теплового потока тепломером при граничных условиях, изменяющихся во времени............................................... 185
3.5.2. Результаты экспериментальных исследований теплообмена у вертикальной поверхности емкости при колебаниях............... 189
3.6. Исследование теплообмена в придонной области емкости 202
3.6.1. Экспериментальные исследования теплообмена в придонной
области емкости............................................... 203
4
3.6.2. Влияние трубчатых подогревателей на интенсивность теплообмена в придонной области емкости.................... 220
3.6.3. Получение расчетных зависимостей для коэффициента теплоотдачи у днища колеблющейся емкости................... 223
Г лава 4. ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ ЕМКОСТИ НА ТЕПЛООБМЕН У
ТРУБЧАТОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ................................... 237
4.1. Влияние вибрации на теплообмен у горизонтального цилиндра.. 238
4.2. Исследования теплообмена при смешанной конвекции у горизонтальных цилиндрических подогревателей .............. 245
4.3. Экспериментальное исследование влияния колебаний емкости
на теплообмен у трубчатого подогревателя.................... 250
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТУПИКОВОГО
ПОДОГРЕВАТЕЛЯ.............................................. 263
5.1. Конс трукция и принцип действия тупикового подогревателя 263
5.2. Исследование процесса конденсации внутри труб................ 266
5.3. Предельные режимы в вертикальных и наклонных каналах при прогивоточном движении жидкости и газа..................... 276
5.4. Исследование предельных режимов работы тупикового подогревателя.............................................. 285
5.4.1. Экспериментальная установка и методика исследования ....... 285
5.4.2. Результаты исследований.................................... 289
Глава 6. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОПОТЕРЬ ЧЕРЕЗ
ОГРАЖДАЮЩИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЕМКОСТИ И СИСТЕМ ПОДОГРЕВА ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ.................... 300
6.1. Метод расчета теплопотерь нефтепродукта в окружающую среду в морских нефтеналивных судах........................ 301
6.1.1. Расчет теплопотерь через борт нефтеналивных судов.......... 304
6.1.2. Расчет теплопотерь через днище танков морских наливных судов...................................................... 307
6.1.3. Расчет теплопотерь через палубу нефтеналивного судна 311
5
6.2. Расчет теплопотерь через ограждающие поверхности авто и
железнодорожных цистерн..................................... 314
6.3. Расчет поверхности трубчатого подогревателя................ 317
6.4. Примеры расчета теплопотерь через ограждающие поверхности
танка нефтеналивного судна.................................. 325
6.4.1 Графоаналитический метод расчета теплопотерь через ограждающие поверхности .......................................... 325
6.4.2 Расчет по зависимостям и номограммам для коэффициентов теплопередачи через ограждающие поверхности танка судна... 331
6.5. Методы снижения теплопотерь при качке нефтеналивного судна 332
Глава 7. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
ПЕРЕВОЗКИ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ В ЕМКОСТЯХ................................................... 339
7.1. Определение параметров технологической схемы перевозки в морских танкерах................................................. 349
7.2. Расчет параметров процессов остывания и подогрева в
горизонтальных цилиндрических емкостях...................... 345
7.3. Совершенствование технологической схемы перевозки высоковязких жидкостей автотранспортом...................... 349
7.3.1. Определение минимальной температуры слива................. 352
7.3.2. Путевой подогрев нефтепродуктов в цистернах............... 355
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................... 363
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................. 367
6
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Размерные величины
А - амплитуда колебаний, м; а - коэффициент температуропроводности, м2/с;
В - ширина емкости, м;
I - длина, м;
Я-высота, м;
/ - характерный размер, м;
ЩЛ) = 2г0- диаметр трубы или емкости, м;
ИР - высота ребра жесткости, м;
Ир - шаг ребер жесткости, м;
Я - площадь поверхности, м2;
V- объем емкости, м3;
С - массовый расход, кг/с; т - масса жидкости в емкости, кг;
8 - ускорение свободного падения, м/с2; г - удельная теплота фазового перехода, Дж/кг;
Ср - удельная теплоемкость, Дж/(кг К);
\ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); р - динамическая вязкость, Па с;
V - кинематическая вязкость, м2/с; а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; р - плотность, кг/м3;
а - коэффициент теплообмена (теплоотдачи), Вт/(м2 К); р - коэффициент объемного расширения, 1/К; б - толщина слоя, м;
5С - начальная толщина слоя, м; г - время, с;
Т- период колебаний, с;
@о - угловая амплитуда колебаний емкости, рад (град);
0’с = 0|у/(В) - угловая амплитуда колебаний жидкости в емкости, рад (град); / - температура, °С;
/, - температура застывания нефтепродукта, °С;
<( - плотность теплового потока, Вт/м2;
Q - тепловой поток (мощность тепловой энергии), Вт;
К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К); и, у - проекции скорости на оси координат, м/с;
и*,- скорость движения жидкости вне пограничного слоя при колебаниях емкости
и*, =2*-0'о Л/Т, м/с;
Л - расстояние от центра масс полости до поверхности теплообмена, м; х, у, г - координаты прямоугольной декартовой системы, направленные соответственно вдоль потока, по нормали к поверхности и плоскости течения, м;
г, ф - радиальная и азимутальная координаты в цилиндрической системе, м, рад (град);
Безразмерные величины
Х^хЛ, У'* у/1, 2-2/1- координаты;
II = и/и.х>, Ут у/и*,- скорость;
А = Огх/Яех2 - параметр смешанной конвекции;
Т]4 - обобщенные переменные при вынужденной и свободной конвекции;
Ф *=Р=у!у-Ке0,*Хг/= ф/4\'-(Огх°'"/4) - функция тока при вынужденной, смешанной и свободной конвекции соответственно;
0 ш0ж ~0^0ж -(<) ~ температура;
8
Огл9 = ?&'—'* сох? - число Грасгофа;
Ни, = а, -х/Х, Ыи/ = а -І/А, N1^ = а -сі/А, = ах -А/А, - число Нуссельта;
Рг = у/а- число Прандтля;
Яа = вг-Рг, Яа* = вг’-Рг - число Релея;
Ке, = имх/у, Яе/ •»= ию1 /у, Яе,* = ■ \ix-df V, Яе^ = * и*-А /у - число Рейнольдса;
Ро = ат/І2 - число Фурье;
К = г/Ср(і. Чс) - число фазового перехода (число Косовича);
к = —щ> - критерий устойчивости;
4<г-ё\р’-р')
Кр = -----£—-- - критерий давления;
Мр'-р") 8_Ф
Яі = - . Р ^ . - критерий Ричардсона.
{,аи/4у\
Индексы
с.к. - смешанная конвекция;
в.к. - вынужденная конвекция при колебаниях;
с - свободная конвекция;
с - относится к температуре стенки;
ж - относится к температуре жидкости вне пограничного слоя; х - локальное значение;
п - теплообмен у неизотермической поверхности;
в - вода;
воз - воздух;
ср - окружающая среда;
б - борт отсека;
дн. - днище;
п - палуба;
9
мб. - межбортовое пространство; мд. - междудоиное пространство; пг. - подогреватель; т- тсплопроводоиос гь; т - танк;
к - при колебаниях; л - лучистый; рад. - радиационный; эфф. - эффективный; загр. - загрязнения; н - нефтепродукт; пл - пленка конденсата; нач. - в начале процесса;
- первая, вторая и третья производная соответствующей величины.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Проблема теплообмена и гидродинамики высоковязких жидкостей в транспортируемых емкостях в настоящее время весьма актуальна, маю изучена и весьма сложна с позиций гидродинамики, теплофизики и теплотехники.
Это связано с разнообразием конструкций емкостей, наличием разных механизмов теплопереноса одновременно, с различным направлением тепловых процессов в емкости (подогрев, остывание жидкости в емкости или поддержание постоянной температуры), а также с влиянием колебаний емкости на теплообмен и гидродинамику жидкости. Решение этой проблемы имеет не только научную ценность, но и практическую значимость, т.к. достоверные данные об интенсивности теплообмена между высоковязкой жидкостью и ограждающими поверхностями емкости, напрямую связаны с разработкой и выбором оптимальных вариантов технологической схемы перевозки жидких грузов морским, железнодорожным и автомобильным транспортом, а также при хранении высоковязких жидкостей.
Результаты исследований имеют особое значение для разработки методов V расчета систем подогрева жидких грузов в наливных судах и связанного с ними теплотехнического оборудования, а также расчета параметров отдельных операций технологической схемы перевозки высоковязких жидкостей, выполняемых для оптимизации транспортного процесса. Системы подогрева жидкого груза в транспортных емкостях, спроектированные без учета влияния колебаний емкости на теплообмен, не обеспечивают разогрев груза за требуемый промежуток времени, что приводит к существенному росту затрат на транспортировку высоковязких жидкостей.
Увеличение перевозок наливных грузов морским транспортом,' проектирование и строительство судов ледового и усиленного класса для перевозки жидких грузов из Северных районов России, создание
круглогодичной аркгической транспортной системы повышает актуальность данной проблемы.
Работа выполнялась в соответствие с координационными планами НИР и ОКР в рамках Всесоюзной программы и Программы Минрыбхоза СССР на 1975-1990 гт. «Экономия топливно-энергетических ресурсов», в рамках заказа ЦКБ «Балтсудопроект» на разработку Отраслевого стандарта ОСТ 5.524-82 (тема №483-80, № гос. регистрации 80076852), а также в соответствии с Приоритетным направлением фундаментальных исследований РАН (одобрено постановлением Президиума РАН от 13.01.98 г. №7 - поз.2.1.4 «Исследования в области энергосбережения и эффективных технологий») и планами НИР Отдела энергетики Поволжья СНЦ РАН на 2000-2002 г.г. и Лаборатории нетрадиционной энергетики ОЭП СНЦ РАН.
Цель исследования состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании особенностей процессов теплообмена и гидродинамики при перевозке и хранении высоковязких жидкостей в емкостях и разработке на этой основе надежных методов расчета систем подогрева жидкости, динамики и контроля теплового состояния жидкого фуза, оптимальных параметров технологической схемы перевозки, а также рекомендаций при проекгировании емкостей для перевозки и хранения высоковязких жидкостей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс следующих научных задач:
• разработать физическую и математическую модель процесса теплообмена в замкнутой колеблющейся емкости;
• теоретически и экспериментально изучить особенности гидродинамических и тепловых процессов в жидкости у офаждающих поверхностей емкости;
• теоретически исследовать влияние переменных свойств жидкости, нсизотермичности поверхности на гидродинамику и теплообмен у офаждаюших поверхностен емкости при свободной, вынужденной и смешанной конвекциях;
12
• теоретически и экспериментально исследовать влияние колебаний емкости на гидродинамику и теплообмен между жидкостью и твердыми поверхностями в процессах остывания, подогрева и поддержания температуры жидкости в емкости;
• выявить влияние различных факторов на динамику слоя структурированной фазы, образующего на ограждающих поверхностях емкости, при различных граничных условиях, изменяющихся во времени;
• исследовать процессы гидродинамики и теплообмена в горизонтальных цилиндрических резервуарах при хранении и транспортировке в них высоковязких жидкостей;
• обобщить полученные теоретические решения и экспериментальные данные в виде аналитических зависимостей для расчета процессов теплообмена в емкостях;
• разработать методы инженерного расчета тепловых процессов в транспортных емкостях.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на фундаментальных положениях теории конвективного теплообмена с применением численных методов решения дифференциальных уравнений, а также использование экспериментальных исследований, как на моделях, так и в натурных условиях.
Достоверность результатов. Полученные в работе результаты базируются на основе апробированных методов решений фундаментальных дифференциальных уравнений конвективного теплообмена, на экспериментальных исследованиях автора, как на различных экспериментальных установках, так и в натурных условиях, а также на данных других авторов. Согласование решений с экспериментальными данными позволяют говорить о достоверности полученных результатов. Методы расчета теплопотерь от жидкости в окружающую среду, разработанные на основе проведенных исследований, используются при проектировании систем
13
подогрева жидкого груза в морских нефтеналивных судах, и включены в Отраслевой стандарт Министерства судостроительной промышленности.
Научная новизна работы.
1. Выполнен анализ сложной проблемы теплообмена высоковязких жидкостей в емкостях, в том числе с учетом колебаний. Показано наличие и взаимосвязь различных механизмов переноса теплоты, влияние гидродинамических факторов.
2. Теоретически исследовано влияние переменной вязкости на теплообмен и трение при свободной и вынужденной конвекциях у охлажденной поверхности в широком диапазоне изменения параметра Рж/Цс= 5-10-4- 5-102 и Ргж = 10 - со. Установлено, что влияние переменной вязкости на относительную теплоотдачу автомодельно относительно числа Ргж. Изменение вязкости жидкости в пограничном слое у охлажденной поверхности создает предпосылки к неустойчивости ламинарного течения в отличие от течения у на!ретой поверхности.
3. Выполнено исследование влияния неизотермичности поверхности на теплообмен при свободной, вынужденной и смешанной конвекциях. Установлена автомодельность относительного изменения теплоотдачи от числа 11рандтля (Рг).
4. Теоретически и экспериментально изучены закономерности роста и разрушения слоя структурированной фазы на ограждающих поверхностях емкости при граничных условиях 1,2 и 3 рода, зависящих от времени.
5. Исследованы процессы теплообмена в горизонтальных цилиндрических емкостях при хранении и транспортировке высоковязких жидкостей. Получены зависимости для расчета локальной и средней теплоотдачи при остывании, подогреве и поддержании постоянной температуры жидкости в емкости в широком диапазоне изменения безразмерных условий однозначности при различных уровнях жидкости в емкости.
6. Исследованы процессы теплообмена и гидродинамики у вертикальных и наклонных поверхностей емкости при совместном действии свободной и
14
вынужденной конвекции, вызванной колебаниями емкости. При этом разработана физическая и математическая модели исследуемого явления и получены численные решения для смешанной конвекции в широком диапазоне изменения смешанно конвективного параметра (Пг/Яе*2) от 0 до 100 и чисел Ргж = 100 - 10\ а также исследовано влияние нсизотсрмичности поверхности на теплообмен при смешанной конвекции.
Получены критериатьные уравнения для расчета интенсивности теплообмена при смешанной конвекции, обобщающие результаты численных решений и экспериментальные данные, определены границы влияния колебаний на теплообмен в зависимости ог параметра смешанной конвекции (Л) и числа Ргж.
Выявлено стабилизирующее действие вынужденной конвекции, вызванное колебаниями емкости, на ламинарный пограничный слой у поверхности. Установлено, что процесс теплообмена при колебаниях относится к теплообмену при стационарной смешанной конвекции.
7. Теоретически и экспериментально исследовано влияние угловых колебаний емкости на процессы теплообмена в придонной области емкости в процессе подогрева, остывания и поддержания температуры жидкости в емкости.
При отсутствии трубчатой системы подогрева в придонной области емкости выявлены три области влияния колебаний на теплообмен у дниша в зависимости от интенсивности колебаний. Границы областей определяются числом Ие. В первой области теплота передается преимущественно теплопроводностью, во второй - конвекцией при ламинарном режиме течения, а в третьей области при интенсивных колебаниях происходит разрушение устойчивого стратифицированного слоя у днища и переход к вихревому режиму течения по всей поверхности днища.
При наличии трубчатой системы подогрева исследованы взаимосвязанные процессы теплообмена у днища и трубчатого подогревателя, выявлены две зоны влияния колебаний на теплообмен у днища (угловая зона и зона подогревателя). Получены критериатьные зависимости для расчета локального
15
и среднего по поверхности коэффициента теплообмена между жидкостью и охлаждаемым днищем колеблющейся емкости, а также между на1рсватслсм и жидкостью в придонной области емкости.
Установлено, что процесс теплообмена у нагревателя, расположенного в колеблющейся емкости можно рассматривать как при смешанной конвекции, на интенсивность теплообмена у днища емкости и нагревателя существенное влияние оказывает относительный размер полости емкости.
8. Исследованы процессы теплообмена при конденсации в тупиковом подогревателе, получены расчетные зависимости для теплообмена при конденсации, установлены критические параметры нагревателя в зависимости от угла наклона и тепловой нагрузки, обеспечивающие устойчивую его работу.
9. Получены новые расчетные зависимости для коэффициентов теплопередачи через основные ограждающие поверхности для морских наливных судов в условиях качки, а также для цистерн в широком диапазоне условий однозначности, позволяющие аналитически рассчитывать потери тепловой энергии от жидкого груза в окружающую среду, а также рассчитывать динамику тепловых параметров фуза при транспортировке.
Практическая значимость работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут служить научной основой новых технических и технологических решений в промышленной теплоэнергетике, химической и нефтехимической промышленности, а также при хранении и транспортировке жидких фузов морским, автомобильным и железнодорожным транспортом.
Разработаны надежные методы расчета потерь тепловой энергии, систем подо1рсва. теплофизических параметров технологических схем транспортировки жидких фузов морским, автомобильным и железнодорожным транспортом, в результате чего повышена надежность проектирования и эффективность эксплуатации современных наливных судов (танкеры, нефтенавалочники, газовозы и т.п.).
Проведенные исследования позволяют:
16
уменьшить удельный расход тепловой энергии (топлива) на операции подогрева жидких высоковязких грузов при перевозке наливными морскими судами при качке и автотранспортом и оптимизировать параметры технологической схемы перевозки высоковязких жидкостей;
снизить величину поверхности трубчатой системы подогрева в морских нефтеналивных судах и как следствие уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты;
оценить эффективность тепловой изоляции ограждающих поверхностей транспортной емкости и оптимизировать геометрические размеры отсеков морских танкеров с точки зрения затрат тепловой энергии при транспортировке.
Реализация результатов исследований. Основные результаты работы использовались при разработке отраслевого стандарта ОСТ 5.5524-82 «Системы подогрева жидких грузов морских нефтеналивных судов. Правила и нормы проектирования» Министерства судостроительной промышленности, а также нашли практическое применение при проектировании системы подогрева груза и при разработке оптимальной схемы подогрева в первых большегрузных танкерах с двойной обшивкой корпуса типа «Борис Бутома» -грузоподъемностью 10000 т, «Победа» - 50000 т, морских танкерах проекта 1594, и «Зоя Космодемьянская» с двойным днищем, частично использовались в монографии Щербакова А.З. «Транспорт и хранение высоковязких нефтей и нефтепродуктов с подогревом» (М: Недра, 1981. 220 с.), а также в учебном процессе.
На защиту выносятся:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния переменной вязкости жидкости, нензотермичности поверхности на
динамические и тепловые характеристики ламинарного пограничного слоя при свободной и вынужденной конвекциях у охлажденной и нагретой поверхностей.
17
2. Полученные уточненные зависимости для расчета теплообмена и трения при свободной и вынужденной конвекциях у поверхности с учетом переменной вязкости жидкости и неизотермичности поверхности.
3. Результаты экспериментальных исследований теплообмена высоковязких жидкостей в горизонтальном цилиндре в зависимости от степени заполнения в процессе остывания, подофева и поддержания температуры жидкости в ядре. Новые соотношения в обобщенных переменных для расчета интенсивности теплообмена в горизонтальной цилиндрической емкости.
4. Численное моделирование нестационарной теплопроводности в области с подвижной границей при граничных условиях 1, 2 и 3 рода, зависящих от времени, в условиях образования слоя структурированной фазы. Расчетные зависимости для определения толщины слоя структурированной фазы при хранении и перевозке застывающих жидкостей.
5. Разработанные физическая и математическая модели процесса конвективного теплообмена в емкости, совершающей гармонические колебания вокруг горизонтальной оси.
6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований теплообмена и гидродинамики у вертикальных и наклонных поверхностей при совместном действии свободной и вынужденной конвекции, вызванной колебаниями емкости, в широком диапазоне изменения смешанно конвективного параметра (ОгхЛ1е,2) от 0 до 100 и чисел Рг* - 100 - 104. Расчетные зависимости для теплообмена при смешанной конвекции с учетом неизотермичности поверхности и переменных физических свойств жидкости.
7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния колебаний емкости на теплообмен в придонной области при наличии трубчатого подофевателя и при его отсутствии, а также влияние колебаний на теплообмен у горизонтального трубчатого подофевателя, обобщенные расчетные зависимости для локального и среднего коэффициента теплообмена у днища и подогревателя.
18
8. Результаты экспериментального исследования границ режима «захлебывания» тупикового подогревателя в зависимости от угла наклона подоіревателя и теплообмена при конденсации, полученные расчетные зависимости.
9. Разработанные методы расчета тепловых потерь, параметров технологической схемы транспортировки в морских наливных судах при качке, а также в автомобильных и железнодорожных цистернах.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических советах ЦКБ «Балтсудопроект» и «Черноморсудопроект», на всероссийских и международных симпозиумах, конференциях, совещаниях и научных семинарах: Международной научной конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 1999); IV Международном форуме «Тепломассообмен- 2000 ММФ» (Минск, 2000); международном научном семинаре « Проблемы энерго и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2000); международной научной конференции (Астрахань, 2000); Международном экологическом симпозиуме « Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия» (Санкт-Петербург, 2000); Международном экологическом симпозиуме «Стратегия выхода из глобального экологического кризиса» (Санкт-Петербург, 2001); Российском национальном симпозиуме по энергетике (Казань, 2001); ежегодных научно-технических конференциях АГТУ с 1974 по 2001 гг. и научных семинарах Лаборатории нетрадиционной энергетики СНЦ РАН 2000 -2002 гг.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 работах, в том числе в монографии, брошюре и препринте.
В работах, опубликованных в соавторсгвс и приведенных в списке литературы, лично соискателю принадлежит: (118)- методики теплового и гидравлического расчета систем подогрева в условиях качки, а также примеры расчетов,
19
формулы и номограммы для коэффициентов теплопередачи через ограждающие поверхности при качке [195] - эксперименты и обработка опытных данных; в 1189, 191, 192, 194, 197,198] - методика исследования, эксперименты, обработка, анализ и обобщение данных, расчетные зависимости, методы расчета, выводы; (145, 146, 152, 193, 196] - физическая и математическая модели, методы решения и результаты решения, обобщение данных, расчетные зависимости, методы расчета, выводы; [199, 2001-эксперименты, обработка данных, аналитические зависимости для коэффициентов теплопередачи, методика расчета температуры налива, выполнение расчетов; [148, 256] - методика исследования, эксперименты, обработка, анализ и обобщение опытных данных, расчетные уравнения, выводы.
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы из 277 источников, содержит 392 страницы текста, включая 118 иллюстраций и 25 таблиц.
ГЛАВА 1.ТРАНСПОРТ НЕФТИ И ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ
География добычи, переработки и потребления нефти и продуктов ее переработки такова, что приходится нефть и нефтепродукты транспортировать на значительные расстояния. Это ведет к увеличению доли транспортных затрат на себестоимость нефти и нефтепродуктов. В настоящее время объем перевозок сырой нефти морским транспортом составляет 1490 мли. т, это примерно треть всего мирового объема перевозок морским транспортом, нефтепродуктов - 395 млн. т.
В 1990 - 1998 г.г. российский экспорт нефти и нефтепродуктов составлял ежегодно 130- 150 млн. т (3 % мировых поставок). В 1998 г. экспорт российской нефти через морские терминалы составил 64 млн. т (52,5%) [154]. В 1999 г. экспорт нефти и нефтепродуктов увеличился и достиг 180 млн. т, при этом морским транспортом перевезено 72 % , а на долю трубопроводного транспорта приходится 26 %. Экспорт мазута из России составляет около 14 млн. т. в год. В связи со строительством и вводом в эксплуатацию магистрального нефтепровода Тенгиз-Астрахань-Новороссийск-2 мощностью 64 млн. т в год экспортные перевозки нефти и нефтепродуктов морским транспортом возрастут, увеличится при этом и доля экспорта нефти через российские порты.
Основная масса высоковязких нефтепродуктов и нефти перевозится водным и железнодорожным транспортом. Однако использование возможностей водного транспорта высоковязких нефтепродуктов по-прежнему остается недостаточным, несмотря на то, что средняя себестоимость этих перевозок значительно меньше, чем железнодорожным транспортом. В отдельных случаях себестоимость перевозок нефтепродуктов внутренним водным транспортом даже ниже, чем трубопроводным. Из сравнительных данных по себестоимости транспортировки нефтегрузов различными видами транспорта в США и Великобритании (табл. 1.1) видно, что самыми
21
экономичными видами транспорта нефти и нефтепродуктов являются морской и трубопроводный [162].
Таблица 1.1.
Относительная себестоимость перевозок нефтегрузов различными видами транспорта в США и Великобритании.
Виды транспорта США Великобритания
Железнодорожный 11,5 8
Внутренний водный 2 5,33
Автомобильный 28-57 53
Морской 1 I
Трубопроводный 2 1,33
В нашей стране перевозки высоковязких нефтепродуктов автотранспортом приходятся в основном на поставки топлива районным котельным с распределительных нефтебаз и часто носят сезонный характер в пределах области или республики. В странах Западной Европы перевозки нефтепродуктов автотранспортом с перевалочных и распределительных нефтебаз находят широкое применение и в объеме внутренних перевозок достигают 30-35%. Объем перевозок нефтепродуктов различными видами транспорта зависит от исторически сложившихся традиций в стране, от степени развития того или иного вида транспорта, географических факторов данной страны и т.п. В табл. 1.2 приведены данные по перевозкам нефтепродуктов различными видами транспорта в СССР и США [123].
Из приведенных данных видно, что в США основная доля перевозок приходится на трубопроводный и водный транспорт (78,5% в 1980 г.), а в СССР - на железнодорожный транспорт.
Увеличение объема перевозок водным транспортом потребует, во-первых, качественного улучшения и увеличения численности нефтеналивного флота крупнотоннажными судами, большегрузными составами, буксирами-толкачами, судами смешанного плавания река - море, специализированными
22
судами для последовательной и одновременной перевозки наливных и навалочных грузов.
Таблица 1.2
Удельный вес отдельных видов транспортных средств в перевозках
нефтепродуктов
Вид перевозок СССР, % США, %
1960 1970 1975 1980 1960 1970 1975 1980
Всего перевозок 100 100 100 100 100 100 100 100
ТруООП ро водн ы м Железно дорожи. Водным Автомобильным 9 71,4 19,6 8,2 78,2 13,6 8,7 71,3 II 9 10,4 71,6 9,9 8,1 27,3 5,9 47,7 19,1 38,6 3 33.2 25.2 43 2.5 33 21.5 45,6 2 32,9 19.5
Увеличение объема перевозок водным транспортом потребует, во-первых, качественного улучшения и увеличения численности нефтеналивного флота крупнотоннажными судами, большегрузными составами, буксирами-толкачами, судами смешанного плавания река - море, специализированными судами для последовательной и одновременной перевозки наливных и навалочных грузов.
1.1. Перевозка нефти и нефтепродуктов морским транспортом
Основная доля мирового экспорта нефти приходится на страны ОПЕК, которые удалены от стран потребителей и мест ее переработки, и в основном перевозится морским транспортом. В табл. 1.3 приведена динамика морских перевозок нефтегрузов поданным [162, 166, 171, 204, 269,272,277]. Поданным Ллойда [228] в 1995 г. на долю нефтеналивного флота приходилась трель регистровой вместимости всего мирового флота, что составляет 145 млн. р. т. Изменился и грузовой состав танкерного флота. В 70-е гг. существовала тенденция к увеличению доли танкеров большой грузоподл»емности (удельный
23
вес танкеров дедвейтом свыше 125 тыс. т в 1976 г. составлял 67% [162]) и супертанкеров (из 638 танкеров дедвейтом более 200 тыс. т суммарной грузоподъемностью 170 млн. т 205 были построены до 1972 г., 407 - в 1973-1977 гг. и только 26 - в 1978- 81 гг. [166, 169, 204, 272]). В конце 80-х гг. увеличивается доля танкеров средней грузоподъемности и танкеров для перевозки нефтепродуктов. Число нефтспродуктовозов общим тоннажем 35 млн. т (17%) составляло 1078, в портфеле заказов судостроительных фирм насчитывалось 207 танкеров общим тоннажем 15,5 млн. т. В общем числе этих танкеров только 38 имеют грузоподъемность свыше 70 тыс. т, а основная масса - 30-35 тыс. т [166, 169, 204, 272]. Избыток танкерного флота в настоящее время все чаще используется (при соответствующей доделке) в качестве емкостей-накопителей при добыче нефти на шельфе морей, а также при перевалке нефтегрузов при доставке нефти и нефтепродуктов с континентальных районов не очень крупными партиями.
Таблица 1.3
Динамика мировых морских перевозок нефтегрузов
Показатели 1965 1970 1973 1975 1987 1995
Г рузоподъемность танкерного флота, млн. т 90,0 151,7 215,6 290 240 275
Г рузооборот, млрд. т-км 4593 10366 - 16449 9450 -
Объем перевозок, млн. т 552 995 1841 1450 1200 1845
Средняя дальность перевозок, км 8320 10418 - 13065 7880 •
Доля в общих морских перевозках,% 52 56 58 49 42 39
Россия, несмотря на значительное падение добычи нефти, остается достаточно крупным экспортером нефти и нефтепродуктов. Морские перевозки нефти и нефтепродуктов являются одним из наиболее дешевых способов транспортировки и во многом обеспечивают конкурентоспособность российской нефти на мировом рынке. Однако себестоимость такой транспортировки напрямую зависит от пропускной способности флота, которая в периоды наибольшего экспорта нефти и нефтепродуктов была весьма
24
неблагоприятной из-за значительных простоев судов в ожидании грузовых операций. Проблемы перевалки нефтегрузов обострились после распада СССР. Самые мощные нефтекомплексы на северо-западе - в портах Клайпеды, Вентспилс и на юге - в портах Одесса, Феодосия и Батуми - оказались на территориях других государств: Литвы, Латвии, Украины и Грузии. За пределами России оказались специализированны комплексы для наливных грузов Россия располагает теперь только тремя крупными нефтеперевалочными комплексами: в Новороссийске и Туапсе - на юге и Находке - на Дальнем Востоке. На них пришлась основная нагрузка по экспорту' нефти и продуктов ее переработки. В общей сложности на территории РФ осталась лишь половина морских пароходств и портов (около 40, из них только одиннадцать - федерального значения, перерабатывающие 70% внутреннего грузооборота и все внешнеторговые ірузьі) из тех, что находились на территории Советского Союза.
Не смотря на то, что перевозки нефти и нефтепродуктов транспортным флотом резко сократились из-за утраты части танкерного флота, нехватка пропускной способности российских портов составила около 40% от общей потребности России, а в перевалке внешнеторговых грузов - более 50%. Поэтому объем перевалочных работ в российских портах пришлось значительно увеличить. Так, например, благодаря интенсификации нефтсперевалочных комплексов (НПК) Новороссийска порта, удалось почти полноегью компенсировать потерю соответствующих мощностей в Вентспилсе и Одессе, избежав тем самым дополнительных затрат на транзит и перегрузку нефтегрузов.
В табл. 1.4. приведены данные о мощности нефтеперевалочных комплексов в морских портах России и потребность их в будущем.
В условиях острой нехватки пропускных способностей морских НПК отрицательным фактором стал так же выход на мировой рынок энергоносителей большого числа сравнительно мелких экспортеров,
25
повлекший за собой уменьшение партий отправляемых за рубеж груза и рост времени стоянки танкеров под вспомогательными операциями.
Таблица 1.4
Мощность НІ ІК морских портов России
НПК Наличие НПК Необходимый по годам, млн. т. объем
1998 2002 2007
Всего Н11К в морских портах
России: 79,0 107,0 112,0 147,0
в том числе:
для сырой нефти 40,0 64,0 61,0 78,0
для нефтепродуктов 39,0 43,0 51,0 69,0
Северный бассейн 6,5 0,9 1,5 2,2
сырая нефть - - - -
нефтепродукты 6,5 0,9 1,5 2,2
Балтийский бассейн 6,5 41,0 40.0 43,0
Сырая нефть 5,5 14,8 15,0 15,0
нефтепродукты 1,0 26,2 25,0 28,0
Черноморско-Азовский 48,5 60,5 62,0 87,5
Сырая нефть 40,0 48,9 46,0 61,0
11сфтепродукты 8,5 11,6 16.0 26,5
Дальневосточный 13,0 5,0 8,5 13,2
Сырая нефть - - - -
нефтепродукты 13,0 5,0 8,5 13,2
В декабре 1992 г. был издан указ президента РФ «О мерах по возрождению торгового флота России». Следом была разработана программа, утвержденная в 1993 г. Однако экономические положение страны не позволило выполнить программу. В 1999 г. проведена корректировка Программы возрождения торгового флота. В результате ее воплощения должны быть введены в эксплуатацию НПК. В Балтийском бассейне до 2005 г. будет введен в эксплуатацию НПК мощностью 20 млн. т в год. В г. Приморск, завершено строительство нового порта в бухте Батарейная, предназначенного для перевалки экспортных нефтепродуктов мощностью 15 млн. т (первая очередь -
7,5 млн. т). В Южном бассейне предусмотрено строительство нефтеналивного причала в Новороссийске. Строительство глубоководного причала для приема
26
крупнотоннажных танкеров в порту Туапсе; в порту "Кавказ" предусмотрено строительство 1Г11К комплекса для нефтепродуктов и реконструкция нефтебазы, в Железном Роге сооружение НПК мощностью 8 млн. т. Программой предусмотрено пополнение нефтеналивного флота в период с 2000 по 2005 г.г. судами грузоподъемностью 2640 тыс. т. В настоящее время грузоподъемность танкерного флота составляет 3 млн. т. [ 163].
Перевозка нефти и нефтепродуктов внутренним водным транспортом по себестоимости приближается к трубопроводному, а в отдельных случаях себестоимость перевозок даже ниже. Компании, чьи основные производственные мощности расположены в бассейне крупных рек, без водной транспортировки нефти и нефтепродуктов не обойтись. Сегодня многие российские пароходства основательно увязли в долгах и отечественная доля перевозок из России медленно, но верно падает (в 1990 г. этот показатель составил 65%, а в 1995 г. снизился до 15%). Пароходство «Волготанкер» занимается не только внутренними перевозками нефти и нефтепродуктов, но и транспортировкой нефти и нефтепродуктов из Каспийского бассейна судами смешанного плавания на экспорт. Объемы перевозок пароходством «Волготанкер» в 1992 г. снизились на 60% по сравнению с 1991 г. и достигли минимального уровня. Возраст танкерного флота типа «река-море» в пароходстве достиг критической отметки - 19лет [5]. Перед пароходством стоит задача повышения эффективности перевозок, предполагающая в обновление наливного флота судами грузоподъемностью 4-6 тыс. т класса II Морского Регистра, создание единого технологическою транспортного бассейна, разработка оптимальных технологических схем транспортировки, сокращение тепловых и энергетических затрат при перевозке [5].
Поэтому нефтяная компания «Лукойл» стаза первой в России, которая на практике начала реализацию программы строительства собственного танкерного флота. Программа включает строительство 10 танкеров типа река-морс грузоподъемностью 6000 т. с двойной обшивкой корпуса. Они предназначены для перевозки нефтепродуктов с перерабатывающих заводов
27
Перми, Волгограда и Нижнего Новгорода, а в межнавигационный период -транспортировать нефтегрузы по Каспийскому, Черному и Средиземному морям. Данные танкеры наиболее эффективны при перевозке нефтепродуктов на расстояния до 1000-1500 км. Для перевозки на более дальние расстояния Лукойл заказал строительство еще 10 танкеров ледового класса для транспортировки нефти и нефтепродуктов по Балтийским и северным морям, грузоподъемностью 15000 т. и 20000 т. Последние могут использоваться в суровых условиях арктической навигации. Первые танкеры этой серии «Пермь» и «Астрахань» уже доставляли фузы по северному заказу [156].
Прибрежные регионы и шельф арктических морей - это кладовая полезных ископаемых и углеводородного сырья, которая в обозримом будущем может обеспечить потребности не только России, но и, в значительной степени всего мирового сообщества в энергоносителях. На шельфе арктических морей по оценки ученых сосредоточены запасы нефти, газа и конденсата, эквивалентные КЮмлрд. т условного топлива [109, 163].
Снижение затрат на транспортировку нефти и нефтепродуктов из Северных районов России в Европу и Азию напрямую связано с созданием круглогодичной арктической транспортной системы. Полярный арктический транспортный путь практически в 2 раза сократит расстояние между Европой и Азией, а также между районами добычи нефти и основными потребителями. Позволит решить проблему транспорта Европа-Азия и снизить транспортные затраты на 60% [109]. Кроме этого, в значительной степени решит проблему транспортировки российской нефти из северных районов добычи к перерабатывающим предприятиям, а также вывоз ее на экспорт. С другой стороны позволит осуществить круглогодичную доставку грузов в районы Крайнего Севера. Дтя этого необходимо создание порта в Усть-Идиге с нефтяным терминалом. Используя внутренние водные системы, а также Беломороско-Балтийскнй канал, можно будет обеспечить перевозку нефти и нефтепродуктов водным транспортом из других районов России на рынки
28
Западной Европы, а также для снабжения нефтепродуктами северных регионов России.
Практически доказана возможность круглогодичного вывоза нефти из западных районов Арктики. Компания «Лукойл-Артик-Танкер» ведет строительство серии танкеров ледового класса и усиленного ледового класса для работы в Арктике. В 2015 г. только с месторождения Тимано - Печерской провинции на экспорт будет вывозиться 25-30 млн. т сырой нефти. Первые построенные танкеры данной серии «Астрахань» и «Пермь» в 2000 г. вывезли первую партию нефти из Варандая. Повышение добычи нефти в Северо-западной части Баренцева моря до 15 млн. т в год потребует создание нефтяного перевалочного комплекса в Мурманске и строительство нефтеперерабатывающего завода на 3 млн. т и позволяет принимать танкеры грузоподъемностью 250 тыс.т.
Перевозки высоковязких и высокозастывающих грузов определяют некоторые особенности конструкции нефтеналивных судов и технологической схемы перевозок. В частности, суда оборудуют специальными системами подогрева нефтегруза с целью уменьшения его вязкости и обеспечения необходимой производительности погрузки и выгрузки, а технологическая схема транспортировки включает в себя операции подогрева нефтепродуктов в резервуарах нефтебаз перед погрузкой и предварительного подогрева в танках судна перед выгрузкой и в процессе ее. Поэтому необходимо найти оптимальные технологические схемы перевозок, чго связано с расчетами длительности отдельных операций с учетом теплового состояния груза при транспортировке и выгрузке.
В целом параметры отдельных технологических операций должны определятся в результате технико-экономических расчетов технологической схемы с целью уменьшения затрат на транспортировку. Один из главных элементов такого расчета - расчет теплообмена между нефтепродуктом и окружающей средой на всех этапах транспортировки, а также между нагревателем и нефтепродуктом в процессе подогрева и поддержания
29
температуры. Данные расчеты должны выполнятся еще на стадии проектирования с целью выбора оптимальной схемы эксплуатации этих судов, а также необходимых источников тепловой энергии и типа системы подогрева.
Классификация нефтеналивных судов [100] производится обычно по району плавания (морские, смешанного «река-море» плавания и речные), по способу передвижения (самоходные и несамоходные) и по роду перевозимого груза. По роду груза морские суда делят на танкеры, перевозящие сырую нефть и нефтепродукты, и на нефторудовозы или нефтенавалочники, предназначенные для перевозки не только нефти, но и навалочных грузов (руда, уголь, зерно и т.д.).
Нефтеналивные суда характеризуются следующими основными показателями (100): водоизмещением; дедвейтом - массой поднимаемого груза (транспортного и хозяйственного); грузоподъемностью, объемом фузовых танков; главными размерениями; скоростью хода; углом крена и периодом при качке; производительностью исрсфузочных средств.
При исследованиях теплообмена между нефтепродуктом и офаждаюшими поверхностями транспортной емкости и окружающей средой важной характеристикой является конструкция корпуса нефтеналивного судна. По этому признаку последние можно разделить на следующие группы:
• суда с одинарной обшивкой корпуса, в которых нефтепродукт отделен от окружающей среды только металлом собственно корпуса судна;
• суда с двойной обшивкой корпуса (двойные борта и двойное днище), в которых нефтепродукт отделен от окружающей среды воздушными прослойками в межбортовом и междудонном пространствах;
• суда с частичной или полной теплоизоляцией транспортной емкости.
В танкерах с одинарной обшивкой набор корпуса судна расположен внутри емкости и в тепловом отношении ифает роль тепловых ребер теплообменной поверхности емкости, но с другой стороны затрудняет движение жидкости, как при теплообмене, так и при выгрузке нефтепродукта. Мировой танкерный флот в основном имел суда с одинарной обшивкой,
30
увеличивая чем самым полезный объем грузовых танков и увеличивая грузоподъемность. Эти суда, с точки зрения затрат тепловой энергии, менее эффективны по сравнению с танкерами, имеющие двойную обшивку корпуса, т.к. тепловые потерн в них в 2-4 раза выше, а при выгрузке нефтегруза его температура должна быть выше для уменьшения остатков. С точки зрения экологической безопасности танкеры, имеющие двойную обшивку корпуса, более предпочтительны по сравнению с танкерами с одинарным корпусом.
Наша страна одной из первых стала использовать для перевозки нефти нефтепродуктов суда с двойной обшивкой корпуса не только для смешанного района плавания (танкеры типа «Волгонефть»), но и в морских крупнотоннажных танкерах и нефтенавалочниках (типа «Победа», «Борис Бутома», «Маршал Буденный» и др.). Крупные аварии крупнотоннажных и супер-танкеров заставили международную комиссию по безопасности принять новый международный стандарт на строительство нефтеналивных судов. Согласно 1МО с 1.01.96 все новые танкеры дедвейтом свыше 2000 т, а с 1992 г. вес танкеры дедвейтом свыше 5000 т должные иметь двойную обшивку корпуса. С 1995 г. все танкеры, находящиеся в эксплуатации 25 лет и выше, должны иметь двойной корпус.
Как известно, для перекачки высоковязких жидкостей их подогревают для снижения вязкости, поэтому транспортные емкости оборудуют системами подогрева. Для систем подогрева транспортных емкостей важной задачей является не только обеспечение производительной выгрузки нефтепродукта, но и выгрузки с минимальным остатком.
Системы подогрева можно разделить на общие и локальные, по способу передачи теплоты - на поверхностные и смесительные. Рекуперативные системы подогрева могут быть с промежуточным теплоносителем и без него (электрические, индукционные и инфракрасные). Смесительные системы подогрева бывают обычно либо паровые, либо так называемые циркуляционные (горячеструйные), использующие в качестве промежуточного теплоносителя дымовые газы, пар, воду и т.д. В циркуляционной системе
31
подогрева нефтепродукт в емкости нагревается за счет смешения основной массы и горячей струи нефтепродукта, подогретого в теплообменнике и подающего в емкость через сопло.
В качестве основного теплоносителя в системах подогрева используется водяной пар, благодаря своим теплофнзическим свойствам. В последние годы за рубежом намечается более широкое применение высокотемпературных теплоносителей на основе минеральных масел.
В паровых смесительных системах жидкость подогревается открытым паром, и используются язя разогрева в основном котельных топлив перед сливом из железнодорожных и автоцистерн. Данный способ разогрева используется и при подогреве высоковязких нефтепродуктов в ямных хранилищах.
Горячеструйная система подогрева (ГСП) нефтепродуктов в последние годы находит широкое применение не только в речных нефтеналивных судах [98, 125, 188], но и в морских [28, 118, 188]. ГСП используется и при разо1реве нефтепродукта в вагонах-цистернах [63-66] и может применяться при попутном подогреве в автоцистернах с утилизацией теплоты отработавших газов и системы охлаждения ДВС автомобиля [137].
Электрические, электроиндукционные системы подогрева нашли широкое применение в трубопроводном транспорте высоковязких нефтепродуктов, в железнодорожном транспорте, а также для разогрева в небольших резервуарах.
В настоящее время наибольшее распространение в нефтеналивных судах нашла трубчатая система подогрева, в которой используются змссвиковыс и секционные подогреватели. Подробный обзор подогревателей приведен в работах [42, 63, 65, 66, 98, 126, 188].
1.2. Перевозка нефтепродуктов автотранспортом
Доставка нефтепродуктов небольшими партиями с распределительных нефтебаз различным потребителям большей частью осуществляется
32
автомобильным транспортом. Протяженность маршрутов изменяется в широком интервале и может достигать несколько сотен километров. 11еревозка нефтепродуктов производится автоцистернами, автоприцепами и контейнерами. Автоцистерны являются наиболее совершенными из этих средств. Они обеспечивают удобство и надежность перевозок и позволяют производить быстрый налив и слив нефтепродукта без существенных потерь и заметною ухудшения его качества. Автоцистерны рентабельны для хозяйств со значительным потреблением топлива. При малом потреблении топлива применение автоцистерн может быть нецелесообразным.
Наиболее широко распространены автоцистерны на базе автомобилей ГАЗ-53А, ЗИЛ-130 и КАМАЗ [85, 107, 135]. Эти автоцистерны имеют емкость эллиптического сечения, устанавливаются на шасси горизонтально или с небольшим наклоном к задней стенке для лучшего слива. Цистерны имеют калибровочный объем и заливаются полностью под горловину. Дальнейшее развитие автомобильного транспорта и его рациональная эксплуатация невозможна без увеличения грузо подъем и ости автотранспортной единицы. Это может быть достигнуто в результате использования автоцистерн большего объема, либо применения наливных автопоездов. По сравнению с одиночными цистернами наливные автопоезда обладают рядом технико-экономических преимуществ: более высокой удельной грузоподъемностью; меньшей удельной стоимостью; простотой изготовления и обслуживанием; гибким маневрированием подвижным составом в соответствии с условиями перевозок.
Основные геометрические характеристики автоцистерн, прицепов-цистерн и полуприцепов-цистерн приведены в табл. 1.5. Зависимость поверхности автоцистерн от объема (рис. 1.1) с погрешностью не более 2 % и доверительной вероятностью 0,95 имеет следующий вид:
F = 5,85 К0,7. (1.1)
Тяжелые нефтепродукты (мазуты, масла) для производства технологических операций при приеме, хранении и отпуске требуют подогрева
33
до температур, при которых они обладают текучестью, достаточной для перекачивания насосами по трубопроводам или слива их самотеком.
Таблица 1.5
Геометрические характеристики автоцистерн
№ п/п Тип автоцистерны Размеры цистерны V, м3 її, м2
длина ширина высота
1 АЦ-2,4-52 2,400 1,176 0,716 2,40 8,60
2 АЦ-4.2-53А 2,825 1,720 1,080 4,20 15,50
3 АЦ-4,2-130 3,454 1,600 0,960 4,20 16,50
4 ТСВ-6-130 3,530 2,100 1,080 6,00 21,66
5 АЦ-8-500А 3,830 2,180 1,230 8,00 25,10
6 АЦ-8-500АЭ 3,830 2,180 1,230 8,00 25,10
7 АЦ-4,4-131 2,735 1.900 1,100 4,40 16,40
8 АЦ-4,0-131 2,625 1,900 1,050 4,10 15,50
9 АЦ-8,5-255Ь 3,830 2,170 1,220 8,50 24,90
10 АЦ-9-5320 4,200 2,200 1,250 9,00 27,40
11 ГПД-4,2-754В 2,825 1,720 1,080 4,20 15,50
12 ГЩ-6.7-5207 4,160 1,750 1,128 6,70 22,10
13 ПЦ-5,5-817 3,765 1,720 1.080 5,60 19,70
14 ПЦ-9-8350 4,380 2,200 1,250 9,40 28,20
Обычно нагрев нефтепродукта производится на нефтебазе. Температура нагрева выбирается такой, чтобы груз в конце рейса сохранял текучесть, достаточную для слива груза из транспортного средства самотеком. При таких условиях исключается необходимость подогрева груза в пути или в пункте выгрузки. Начальная температура груза не должна быть и слишком высокой, т.к. это влечет за собой перерасход тепла на необоснованно высокий подогрев нефтепродукта.
Для выбора оптимальной температуры подогрева груза необходимо знать, какое количество теплоты будет потеряно при транспортировке груза. Теплопотери будут зависеть от целого ряда факторов, среди которых: температура груза и окружающей среды, размеры и форма транспортной емкости, физические свойства груза и условия транспортировки.
34
Рис. 1.1. Зависимость поверхности автоцистерны от ее
объема.
М1 / Мг
Рис. 1.2. Данные по вывозу мазута автоцистернами в
течение года
35
Слив нефтепродукта из цистерны осуществляется самотеком через патрубок, расположенный в нижней части задней стенки. Для более полного и быстрого слива груза автомобили устанавливается наклонно. После слива нефтепродукта остаток составляет не более 6-5 кг. Автомобили-цистерны не имеют изоляции.
Затраты на перевозку высоковязких нефтепродуктов автотранспортом самые высокие, они в 10 раз превышают самые экономичные виды транспорта (см. табл. 1.2). Однако автотранспорт занимает определенную нишу в общем потоке перевозок нефтепродуктов. Если в нашей стране доля перевозок автотранспортом незначительна, то в странах Западной Европы перевозится достаточно большие объемы нефтегрузов. Так во Франции в 1987 г. на долю перевозок автотранспортом с перевалочных нефтебаз приходилось 21,1 млн. т. (31,9%) нефтепродуктов. Больше приходилось только на трубопроводный транспорт, а на железнодорожный - 11,5%. [270J, а в 1996 г. доля перевозок автотранспортом увеличилась и достигла 32,5%, а железнодорожным снизилась и составила 8,1% [237]. Автотранспорт является главным конкурентом железнодорожного транспорта не только на короткие и средние расстояния (400-500 км), но и набольшие. Основными преимуществом автотранспорта перед другими является его большая гибкость, прием и доставка груза в любой пункт. Автотранспорт является перспективным средством перевозок нефтяных грузов. Однако в нашей стране перевозкам высоковязких нефтепродуктов автотранспортом уделяется мало внимания как с целью усовершенствования схем перевозок, так и процессам теплообмена в автоцистернах. Одним из путей снижения затрат на перевозки:
• укрупнение и специализация автохозяйств;
• организация смешанных автомобильно-железнодорожных перевозок;
• увеличение грузоподъемности автоцистерн с использованием цистерн-полуприцепов и прицепов в составе тяжелых и скоростных автопоездов;
• использование теплоизолированных цистерн при перевозках на дальние расстояния и при низких температурах окружающего воздуха;
36
• применение мягкой тары;
• применение путевого подогрева с утилизацией теплоты выхлопных газов автомобиля, а также теплоты системы охлаждения двигателя.
В Астраханской области автомобильным транспортом обеспечивается доставка нефтепродуктов потребителям, расположенным как в городской черте, так и в районах области. Основным видом высоковязких нефтепродуктов, перевозимых автомобильным транспортом, является мазут марок М-40 и М-100. При доставке нефтепродуктов в районы области используются автомобили малой грузоподъемности на базе автомобиля ГАЗ-53А. Это объясняется малой емкостью хранилищ в пунктах назначения.
Анализируя данные по пунктам назначения в районах области, расстоянию и времени преодоления этих расстоянии можно видеть, что небольшое число пунктов назначения удалено от нефтебаз на расстояние 40-70 км, а самыми удаленными являются потребителями па севере области, расположенные на расстоянии 200-400 км.
Большинство городских потребителей расположены на расстоянии 13-23 км от нефтебазы № 2 и на расстоянии 21-30 км от нефтебазы № 6. Из статистических данных по вывозу мазутов марок М40 и М100 автоцистернами видно, что годовой вывоз мазута Мг в течение 6 лет оставался практически на одном уровне Мг = 69000 -г 91916 т. Месячный вывоз мазутов М( меняется весьма существенно как в течение каждого календарного года, так и в течение ряда рассматриваемых лет. Например, в июне 1989 г. вывоз составил 2951 т, а в декабре этого же года - 13731 т. В марте 1990 г. вывоз составил 9866 т, а в том же месяце 1991 г. - всего лишь 2973 т. Месячный вывоз мазута зависит от множества факторов. Данные по относительному вывозу М* / М г (средние за 1987-1992 г.) приведены на рис. 1.2. Из рис. 1.2 видно, что неравномерность месячного вывоза велика и достигает 3,5. Наибольший вывоз мазута приходится на холодный период года, что вполне естественно, хотя с точки зрения затрат выгоднее осуществлять завоз в теплый период года при наличии необходимой вместимости емкостей хранения.
37
1.3. Перевозка высоковязких нефтепродуктов железнодорожным
транспортом
В нашей стране исторически сложилось так, что основная доля внутренних перевозок нефтепродуктов приходится на железнодорожный транспорт (70-71%). Экономический кризис, охвативший нашу страну, затронул и железнодорожный транспорт. Так за прошедшее десятилетие из транспортного оборота выведено около 45000 вагонов-цистерн. Увеличение стоимости перевозок нефтепродуктов ведет к снижению транспортного потока, а, следовательно, к увеличению доли транспортных расходов на перевозку.
Нефть и нефтепродукты железнодорожным транспортом перевозят в основном в вагонах-цистернах и только незначительное количество перевозят в мелкой таре и в сухогрузных вагонах. За последние годы парк железнодорожных цистерн претерпел существенные изменения. В настоящее время для перевозки высоковязкой нефти и нефтепродуктов, как правило, используются большегрузные четырехосные вагоны цистерны моделей 15-021, 15-150, 15-121 и т.д. объемом 50, 60, 75 м3. Основными технико-экономическими показателями железнодорожных цистерн являются грузоподъемность, объем цистерны, коэффициент тары, нагрузка на ось, нагрузка на метр пути и т.д. В настоящее время применяются и цистерны грузоподъемностью 120, 140 и 160 т. однако эти цистерны используются в основном для перевозки светлых нефтепродуктов. Создание большегрузных железнодорожных цистерн обосновывается целесообразностью более полного использования грузоподъемности стандартных колесных пар. Т. к. диаметр цистерн ограничивается величиной 3,0 -3,2 м, то вместимость цистерны возрастает в основном за счет увеличения длины котла цистерны.
Для обеспечения наиболее рациональной организации перевозок наливных грузов большее значение имеет дальнейшее усовершенствование цистерны. Для увеличения скорости движения состава необходимо повышать устойчивость цистерн за счет понижения цен-фа тяжести цистерны. Для
- Київ+380960830922