Сравнение и обзор технологий


Технология ThermoSonic разработана с учётом опыта применения других методов и лишена их недостатков и сложностей.

Разогрев паром

Чтобы не вводить острый пар в мазут, были сконструированы специальные цистерны с паровой рубашкой для обогрева нижних слоёв мазута. Такие цистерны позволяют значительно ускорить слив жидкого топлива без его обводнения и обеспечить полноту слива. Однако, вследствие того, что наружная стенка рубашки имеет температуру больше чем внутренняя, контактирующая с продуктом, и, соответственно, больший теплосъём, то эта система по сути в большей степени обогревает окружающее пространство, т.е. затраты пара не меньше, чем в первом случае.

Кроме того, часто перед подачей пара в рубашку необходим предварительный разогрев для освобождения замершего конденсата. Конструкция цистерны металлоемка и сложна, поэтому цистерн этого типа в железнодорожном транспорте очень немного, вследствие чего заводы вынуждены изыскивать иные пути, исключающие обводнение мазута: разогрев электротоком, размыв мазута в цистернах разогретым мазутом из специальных баков, применение давления при сливе мазута и др.



Циркуляционный разогрев

В последнее время при сливе нефтепродуктов из железнодорожных цистерн стали применять системы циркуляционного разогрева, исключающие обводнение, с замкнутым контуром, в котором производятся следующие операции:
• отбор холодного продукта из цистерны в контур циркуляционного разогрева;
• разогрев во внешнем теплообменнике;
• возврат разогретого продукта в цистерну.

Отбор холодного и возврат разогретого продукта в цистерну может производиться как через нижний сливной клапан, так и через устройство, погружаемое в цистерну через верхний люк.

Необходимость в организации циркуляции, как через нижний сливной клапан, так и через верхний люк, связана с тем, что в числе поступающих под разгрузку цистерн попадаются цистерны с неисправным сливным прибором. В этом случае разогрев продукта в цистерне можно произвести только через верхний люк.

Существуют индивидуальные схемы циркуляционного разогрева, рассчитанные на разогрев каждой цистерны по отдельности, а также системы циркуляционного разогрева, рассчитанные на разогрев нескольких цистерн одновременно.

На рынке предлагаются четыре схемы, реализующие внешний циркуляционный разогрев:

1. Централизованный циркуляционный разогрев, при котором холодный продукт отбирается одновременно из всех цистерн эстакады через нижние сливные приборы в общий приемный коллектор, из которого мощными насосами прокачивается через теплообменники и подается в напорный коллектор, откуда распределяется во всех цистернах через форсунки гидромониторов устройств нижнего слива УСН (первые реализации проектов циркуляционного разогрева).

2. Групповой циркуляционный разогрев, который отличается от централизованного тем, что на эстакаде организуется несколько контуров циркуляции, обслуживающих, как правило, по 5-6 цистерн (модернизация в предположении, что недостатки централизованного разогрева уменьшаются пропорционально уменьшению числа цистерн в одном контуре).

3. Индивидуальный циркуляционный разогрев через нижний сливной прибор цистерны ("нижний разогрев"), который отличается тем, что система внешнего циркуляционного разогрева индивидуальна для каждой цистерны (полностью исключаются недостатки централизованного и группового разогрева).

4. Индивидуальный циркуляционный разогрев через верхний люк цистерны ("верхний разогрев"), который отличается тем, что, отбор холодного продукта из цистерны и подача разогретого продукта в цистерну производится через верхний люк (индивидуальный циркуляционный разогрев для цистерн с неисправным нижним сливным прибором).



Групповой циркуляционный разогрев, как вариант централизованного, с присущими ему недостатками, оказался практически неработоспособным по перечисленным ниже причинам, основой которых является невозможность организовать равномерную обработку всех цистерн в группе.

1. Физически неизбежен перелив продукта через верхний люк цистерны из-за неуправляемого подвода горячего и отвода холодного продукта по каждой цистерне группы.

2. Для регулирования технологических параметров используется донный клапан цистерны, который совершенно для этих целей не пригоден по своим техническим параметрам и не может быть автоматизирован, что требует постоянного присутствия обслуживающего персонала.

3. С целью снижения вероятности перелива через верхний люк применяется ограничение производительности циркуляционного насоса до 15…30 м3/час на каждую цистерну, что увеличивает время разогрева.

4. С целью снижения вероятности перелива через верхний люк применяется частичный слив продукта из цистерны в резервуарный парк, что приводит к необходимости последующего замыва котла цистерны открытыми струями, либо повторному заполнению продуктом из резервуарного парка.

5. Применяемое оборудование имеет большие габариты и вес и при его размещении внутри строительной конструкции эстакады доступ к нему для проведения планового технического обслуживания или ремонта значительно затруднен. При невозможности проведения ремонта на площадке требуется использование грузоподъемного оборудования, что приведет к остановке эксплуатации всей эстакады.

6. При выходе из строя оборудования группового подогрева и слива не слитыми остаются все шесть цистерн группы, так как резервирование насосного и теплообменного оборудования не предусматривается.

7. Наличие циркуляционных коллекторов значительно увеличивает габарит эстакады.

Все реализованные схемы централизованного или группового разогрева, недостаточно хорошо работают при разогреве застывших продуктов, особенно в холодный период года.

Это связано с ошибочной концепцией, что разогреть холодный продукт в цистерне можно, подавая в него высоконапорные струи горячего продукта, который перемешается с холодным и отдаст ему свою тепловую энергию, которую приобрел во внешнем теплообменнике со специально организованными узкими проходными каналами и при высоком температурном напоре со стороны теплоносителя.

Как показала практика, это предположение не соответствует действительности, так как условия теплопередачи в цистерне гораздо хуже, чем во внешнем теплообменнике.

Если резюмировать, то главный и парадоксальный недостаток заключается в том, что для того чтобы система стала ускоренно работать ее нужно предварительно разогреть и растопить пробки в цистерне, препятствующие теплообмену, т.е., по сути, разогреть цистерну другим способом (например, электронагревом) и восстановить в ней циркуляцию.



Электронагрев

При комплексном электроподогреве фронт слива вязких нефтепродуктов оснащают железнодорожными грелками и установками нижнего слива с электроподогревом. Слив производится в следующем порядке:
➢ через люк в цистерну погружают грелку железнодорожную и после полного погружения и раскладывания секций включают ее;
➢ к патрубку нижнего сливного прибора цистерны присоединяют установку нижнего слива с электроподогревом;
➢ открывают сливной прибор цистерны, при заполнении которого нефтепродуктом включают обогрев установки нижнего слива с помощью гибких электронагревателей;

Для перевозки застывающих химических продуктов используют цистерны со встроенными электронагревателями, устанавливаемых на поддонах в нижней части цистерны Обогрев производится конвекцией нагретого воздуха в зазоре (30 мм) между кожухом и цистерной.

Существенным недостатком электронагрева является опасно высокая температура на поверхности ТЭНов (в последнем варианте до 600°C) и низкая надежность (в погружных вариантах это усугубляется коксованием и налипанием на поверхность, что приводит к быстрому перегоранию). Частично эти проблемы решают стеклопластиковые нагреватели: на них замедлен процесс коксования и при должном контроле за температурным режимом они служат существенно дольше, чем обычные ТЭНы. Однако им также присущ эффект локального нагрева вязкого нефтепродукта с затруднённым тепломассообменом.

Применению гибких нагревательных кабелей препятствует необходимость обеспечения большой поверхности покрытия кабелями (для обеспечения приемлемой скорости нагрева согласно расчетам сопоставимой или даже большей поверхности цистерны). Общий недостаток – невозможность обеспечить, из-за энергетических ограничений и условий теплосъема, быстрый разогрев. Эти недостатки, в какой-то мере, устраняются в системах индукционного нагрева.



Индукционный нагрев

Низкочастотный индукционный нагрев, широко применяемый в промышленности, использует принцип действия, подобный действию трансформатора, в роли вторичной короткозамкнутой обмотки выступает нагреваемое изделие и поэтому содержит громоздкие магнитные системы. По этой причине, вообще говоря, для применений на цистернах непригоден, хотя и такие решения, как говорится, теоретически имеют право быть.

Например, известно запатентованное устройство, сущность которого сводится к следующему: для слива вязких продуктов открывают сливной прибор и накладывают индукционное устройство на нижнюю часть цистерны. Индукционное устройство обеспечивает низкотемпературный нагрев токами промышленной частоты и вибрацию стенок цистерны и прилегающего к ним тонкого слоя продукта, используя при сливе принцип скольжения холодного продукта по горячей вибрирующей поверхности. Индукционное устройство содержит раму, в которой установлен индуктор в виде обмотки и магнитопровода, и тепловой экран. Магнитопровод выполнен в виде отдельных ферромагнитных элементов, охватывающих сторону обмотки, подпружиненных относительно рамы с возможностью возвратно-поступательного перемещения и взаимодействия концевыми полюсами.

Однако высокочастотный нагрев, по сравнению с низкочастотным, имеет неоспоримые преимущества. Метод высокочастотного индукционного нагрева отличается от предыдущего тем, что использует волновую форму передачи электромагнитной энергии в диапазоне частот, соответствующем максимальной поглощающей способности металла, для чего глубина проникновения поля в металл, зависящая от частоты, должна быть не больше толщины металла (т. е должна соответствовать условию непрозрачности металла для поля), но и быть не меньше определенной величины, при уменьшении которой металл преимущественно отражает волну поля. Источником тепловой энергии являются вихревые токи, наведенные электромагнитным полем проникновения в металл.

Таким образом, источники тепла индуцируются в самом металле и тепло идет непосредственно от поверхности металла в нагреваемую среду, что позволяет обеспечить высокие энергетические показатели: высокую удельную мощность на поверхности нагрева (хотя кабель остается холодным), безопасную выработку мощности – из-за легкого автоматического частотного управления режимом и аварийными ситуациями, более экономичное по энергозатратам, вследствие переноса источников тепла без существенных потерь через стенку внутрь цистерны.

Необходимо отметить, что волновая форма передачи энергии возможна и на низкой частоте (для особо массивных сплошных изделий), но для цистерн это технически неприемлемо. В России в частности были созданы и применены действующие опытно-промышленные образцы систем ВЧ нагрева ж/д цистерн. Были выполнены работы по аварийному разогреву и сливу жидкой серы неисправных цистерн.

Однако, несмотря на достоинства систем высокочастотного нагрева, применительно к ж/д цистернам, широкого, а тем более массового применения они не нашли. Это связано с некоторыми техническими особенностями и факторами, препятствующими их расширенному применению.

Одним из них, и, может быть, самым существенным, является чувствительность системы к настройке нагрузочного контура, т.е. к изменению не только параметров индуктора, но и расположению его на цистерне, а перенастройка этого контура требует времени и участия высококвалифицированного специалиста. Для обеспечения «настила» индуктирующего тока и согласования нагрузочного контура без применения согласующих трансформаторов необходимы многовитковые конструкции индукторов, что исключает их оперативное использование, т.е. быстрый съем и установку.

Подвод высокочастотной энергии к цистернам должен осуществляться гибкими специальными высокочастотными кабелями (коаксиальной конструкции), разработка которых представляет самостоятельную техническую задачу.