Конференция
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

Обоснование реконструкции системы циркуляционного разогрева мазута с заменой парового котла на водогрейный

К.т.н. В.А. Петрущенков, НИЛ “Промышленная теплоэнергетика”, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург

Введение

Для слива мазута М100 из цистерн на разгрузочной эстакаде широко используется циркуляционный метод локального разогрева мазута, описание которого приведено, например, в [1]. В настоящей статье на основе анализа работы конкретной системы слива мазута показано, что при существующей системе парового обогрева возможна и эффективна замена парового котла на водогрейный при сохранении теплообменника подогрева циркуляционного потока мазута.

Для разогрева мазута применяется рециркуляция подогретого в теплообменнике мазута. Часть подогретого потока мазута подается через линию 7 в линию всаса насоса 5 циркуляции мазута на смешение с мазутом, поступающим из цистерны по патрубку 2. В область забора мазута из цистерны для ее локального разогрева забираемого мазута подается по патрубку 3 часть потока мазута, разогретого в теплообменнике 4.

Исходные данные

В соответствии с проектным решением, в зимний период для разогрева мазута марки М100 в качестве греющего агента применяется насыщенный пар абсолютным давлением 1,7 бар, температурой 115 °С. Характеристики используемого для разогрева мазута пластинчатого теплообменника M15-MFG российского производства приведены в спецификации на теплообменник.

Расчётный расход греющего пара температурой 115 °С, абсолютным давлением 1,7 бар равен 3396 кг/ч. Потери напора по пару равны 1,11 кПа. Мощность теплообменника на расчётном режиме равна 2093 кВт. Расчётное давление по тракту греющего теплоносителя 3,5 бар, максимальное давление 4,6 бар.

Расчётный расход нагреваемого мазута марки М100 равен 77 тыс. кг/ч. Температура мазута на входе в теплообменник 40 °С, на выходе 90 °С. Потери давления в тракте мазута в теплообменнике равны 31,9 кПа. Расчётное давление по тракту мазута – 9 бар, максимальное давление – 11,7 бар.

Схема движения – противоток. Площадь поверхности теплообмена 146,3 м2, коэффициент теплопередачи 324 Вт/(м2·К), загрязнение не учитывается. Количество ходов по каждому теплоносителю – один.

Рассмотрим возможность замены греющего теплоносителя в виде насыщенного пара температурой 115 °С абсолютным давлением 1,7 бар на горячую воду с температурой на входе в теплообменник 115 °С, избыточным давлением 3,5 бар в существующем по проекту паро-мазутном теплообменнике. Противоточная схема сохраняется.

Схема разогрева мазута представлена на рисунке.

Рисунок. Схема циркуляционного разогрева мазута при сливе его из цистерны: 1- цистерна с мазутом, 2 – линия отбора мазута на нагрев, 3 – линия подачи нагретого мазута на локальный разогрев, 4 – пластинчатый теплообменник, 5 – циркуляционный насос, 7 – байпасная линия, 6, 8, 9, 10 - запорная и регулирующая арматура.

Для локального разогрева забираемого из цистерны 1 мазута в область его забора по патрубку 3 подается часть топлива, разогретого в теплообменнике 4.

Кроме того, небольшое количество разогретого мазута подаётся через линию 7 в линию всаса насоса 5 циркуляции мазута на смешение с мазутом, поступающим из цистерны по патрубку 2. Для подогрева охлаждённой в теплообменнике воды используется водогрейный жаротрубный котёл, выбранный на замену парового.

Характеристики котла следующие: мощность – 2500 кВт, максимальное избыточное давление воды на входе в котёл – 6 бар, максимальная температура воды на выходе из котла – 115 °С, минимальная температура на входе в котел – 70 °С. Потери давления по водяному тракту при расходе воды 143 м3/ч составляют 15 кПа.

Расчёты режимов работы теплообменника на греющей воде

Анализ данных спецификации на теплообменник M15-MFG показывает, что коэффициент теплопередачи теплообменника определяется исключительно теплоотдачей со стороны мазута, так как величина теплоотдачи при конденсации пара порядка 10 кВт/(м2·К). При замене пара на горячую воду коэффициент теплоотдачи воды имеет тот же порядок, поэтому можно ожидать очень слабое изменение коэффициента теплопередачи теплообменника при сохранении температуры мазута на входе и небольшом изменении его температуры на выходе из теплообменника при заданном расходе циркуляционного потока мазута.

Мощность теплообменника и расход мазута через теплообменник при заданных температурах мазута на входе t’м = 40 °С, на выходе t’’м = 90 °С определятся среднелогарифмическим температурным напором между греющей водой и мазутом.

Мощность котла в этом случае равна 2500 кВт, нагрев воды составляет 15 °С.

Примем температуру воды на входе в теплообменник равной t’в = 115 °С, на выходе из теплообменника t’’в =100°С.

Среднелогарифмический температурный напор, °С, в противоточной схеме между водой и мазутом в этом случае будет равен

. (1)

При использовании в качестве греющего теплоносителя насыщенного пара температурой 115 °С средний температурный напор равен ∆tолог = 45,5 °С.

Тепловая мощность теплообменника при использовании в качестве греющего потока горячей воды с указанными температурами определится температурным напором, а также коэффициентом теплоотдачи со стороны мазута. При заданных температурах мазута коэффициент теплоотдачи мазута уменьшается в связи с уменьшением мощности теплообменника из-за снижения температурного напора и уменьшения расхода мазута, его скорости в каналах теплообменника. Зависимость коэффициента теплоотдачи со стороны мазута от его скорости в каналах принимается для турбулентного режима течения (во всем исследованном диапазоне параметров Re > 50) в соответствии с [2, 3] для пластинчатых теплообменников в виде критериального уравнения

Nu = 0,135Re0,73 × Pr0,43 × (Prж/Prст)0,25, или k » αм ~ w0,73. (2)

Уравнение теплового баланса для мазута и уравнение теплопередачи для нагрева мазута паром в теплообменнике с заданной геометрией имеют вид:

, (3)

для нагрева мазута водой:

. (4)

Для заданных температур мазута и греющей воды, приведённых выше, тепловая мощность теплообменника и расход мазута через теплообменник составят часть от соответствующих значений при подогреве паром:

. (5)

Как видно из приведённого соотношения, тепловая мощность теплообменника и расход мазута падают весьма существенно – на 38%.

Пренебрежём изменением функции А(tсрм) в связи с небольшим изменением аргумента в диапазоне 60-65°С при рассмотренной температуре нагретого мазута 80-90°С, достаточной для локального разогрева мазута в цистерне.

Если при нагреве водой сохранять температурный напор ∆tлог = ∆tолог, то температура мазута на входе в теплообменник равна 40 °С, температура мазута на выходе из теплообменника равна 82 °С, относительный расход мазута равен:

. (6)

Следовательно, тепловая мощность теплообменника увеличится на 60%:

Приведённые оценки показывают, что замена греющего теплоносителя с пара на воду с температурой на входе в теплообменник 115 °С, на выходе 100 °С позволяет обеспечить нагрев мазута. Причём, расход мазута и тепловая мощность теплообменника очень сильно зависят от температуры мазута на выходе из теплообменника.

При сохранении температуры мазута на выходе на уровне 90 °С расход мазута и тепловая мощность теплообменника уменьшатся на 38% в сравнении с вариантом нагревом паром температурой 115 °С.

При снижении температуры мазута на выходе из теплообменника до 82 °С температурный напор между водой и мазутом такой же, как и между паром и мазутом, расход мазута возрастает на 91%, тепловая мощность теплообменника возрастает на 60%.

В таблице приведены результаты расчетов для разного нагрева мазута t’’м в диапазоне от 80 °С до 90 °С в соответствии со следующими зависимостями для расхода мазута и мощности теплообменника:

, . (7)

При температуре мазута на выходе из теплообменника на уровне 85,9 °С расход мазута возрастает на 9%, тепловая мощность теплообменника остается неизменной.

Таблица. Результаты расчета для нагрева мазута водой в пределах 80-90 °С.

, °С Dtлог, °С Dpм, кПа Dpв, кПа
80 46,38 2,451/188,7 1,961/4104 235 192 20,9
82 45,17 1,860/143,2 1,562/3270 187 110 13,2
84 43,92 1,407/108,4 1,239/2592 149 63,2 8,4
85,9 42,70 1,090/83,9 1,0/2093 120 37,9 5,4
86 42,64 1,070/82,4 0,984/2060 118 36,5 5,3
88 41,33 0,814/62,7 0,782/1637 94 21,1 3,4
90 39,98 0,619/47,6 0,619/1295 74 12,2 2,1

Из данных таблицы видно, что максимально возможный расход мазута определится максимальной тепловой мощностью водогрейного котла, принятого на замену парового, в данном случае – 2500 кВт.

Следовательно, достижимый диапазон работы системы подогрева мазута при подогреве мазута от 40 °С до величины 84,4-90 °С, при этом мощность теплообменника будет находиться в диапазоне от 2500 кВт до 1295 кВт.

Ниже показано, что при расходе циркуляционного потока воды 230 т/ч экспериментально измеренные потери напора воды на теплообменнике составили 20 кПа. Исходя из этого, определены потери напора по водяному тракту на других режимах.

Сохранение мощности теплообменника, температуры нагретого мазута и его расхода возможно при увеличении количества пластин теплообменника в 1,138 раза (в рассматриваемом варианте увеличение пластин составит 33 штуки: с 238 до 271).

Анализ результатов испытаний работы теплообменника на греющей воде

Приведём результаты измерений одного режима работы системы разогрева мазута при использовании водяного теплоносителя и принятого к установке водогрейного котла.

Данные измерений давления в обвязке водяного насоса, производившего подачу воды на теплообменник разогрева мазута: на напорной линии – 4 бар, на всасе – 2,8 бар. Исходя из характеристики насоса, расход воды равен 230 м3/ч.

Температура воды на входе в теплообменник – 97 °С, на выходе – 94 °С, мощность теплообменника равна 0,69 Гкал/ч (802 кВт).

Давление воды на входе в теплообменник – 3 бар, на выходе – 2,8 бар.

Температура мазута на входе в теплообменник 34 °С, на выходе 78 °С, расход мазута Gм= 8,3 кг/с = 30 т/ч.

Давление мазута на входе в теплообменник 2,2 бар изб., на выходе 2,1 бар изб.

Среднелогарифмический температурный напор в теплообменнике равен °С.

Тепловая мощность расчетная по приведенному выше соотношению равна 824 кВт. Отличие от тепловой мощности, определенной по балансовому соотношению водяного тракта, равной 802 кВт, составляет 3%, что можно считать вполне удовлетворительным.

Полученные расчетные оценки и их соответствие данным измерений показывают, что система уравнений, приведенная выше, достаточно точно описывает работу системы обогрева мазута на разных греющих теплоносителях при различных режимах работы системы обогрева, что позволяет прогнозировать работы системы обогрева мазута при замене пара на горячую воду.

Выводы

1. Для разогрева в цистернах мазута марки М100 горячей водой возможно использование теплообменника M15-MFG существующей системы парового обогрева мазута без его реконструкции и без увеличения количества пластин при сохранении противоточной схемы движения теплоносителей.

2. В качестве греющего теплоносителя предлагается использовать поток воды, нагреваемой в водогрейном котле от 100 °С до 115 °С при давлении воды до 3,5 бар изб.

3. Расход нагреваемого мазута и мощность теплообменника при заданной температуре мазута на входе в теплообменник 40 °С и начальной температуре воды 115 °С будут сильно зависеть от температуры, до которой нагревается мазут.

4. При температуре мазута на выходе из теплообменника 90 °С тепловая мощность и расход мазута будут меньше на 38 % в сравнении с вариантом обогрева насыщенным паром температурой 115 °С.

5. При температуре мазута на выходе из теплообменника 84,4 °С мощность теплообменника составит 2500 кВт, что превышает мощность при паровом обогреве на 20%. Расход нагреваемого мазута в этом случае на 35% больше в сравнении с паровым обогревом.

6. Установка насоса циркуляции мазута производительностью до 110 т/ч и напором порядка 30 м в. ст. обеспечит работу системы обогрева в интервале температуры нагретого мазута 84,4-90 °С при тепловой мощности теплообменника 2500-1295 кВт.

7. Возможно сохранение расхода и температур циркуляционного греющего потока мазута по аналогии с паровым обогревом при увеличении количества пластин теплообменника с 238 до 271 пластин.

Литература

1. Патент RU 2112733 «Способ разогрева и слива мазутов из железнодорожных цистерн», Авторы патента: Левченко Е.Л., Жиров А.И., Шаранов А.С., Иноземцев В.В., Дубинкин Б.Н., Кудеяров В.Н., Елисеев М.А., Веялис С.А., Забулдин Б.В., Ляхин Е.Ф. Дата публикации 10.06.1998.

2. СП 41-101-95. Проектирование тепловых пунктов.

3. РД 26-01-107-86. (с изм. 1) Теплообменники пластинчатые. Методы тепловых и гидромеханических расчетов. УкрНИИхиммаш.

В.А. Петрущенков , Обоснование реконструкции системы циркуляционного разогрева мазута с заменой парового котла на водогрейный

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №02 (198), 2017 г. , www.rosteplo.ru/nt/198

Коментарии

дмитрий, ооо гандрас енергоефектас [ 12:03:49 / 13.03.2017]

К сожалению,имеем огромный , отрицательный опыт . Выкинули пластинчатые теплообменники и поставили трубчатые . Если хотите разгружать быстро ( и экономить энергию ) берите насосы не менее 200000 сантистоксов . Если строить новый котел - берите на термо масле до 300 градусов . Если что пишите . Расскажем про грабли .

Валерий Александрович, ООО Невэнергопром [ 17:04:46 / 04.04.2017]

Добрый день. Вид теплообменника, на мой взгляд, не так важен. Главной неожиданностью оказалось, что переход с пару на воду с той же температурой может привести и к большей мощности теплообменника на водке в сравнении с паровым обогревом, если на несколько градусов поступиться температурой нагреваемого мазута. Правда, расчеты выполнялись в предположении турбулентного режима течения мазута, а в кожухотрубном теплообменнике реализуется обычно вязкостно-гравитационный режим. Для него другие критериальные уравнения, поэтому для этого типа теплообменников результаты нужно уточнять.

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи:

Подбор теплообменника!

Теплообменник ТТАИ для ГВС, отопления, промпроизводств. Эффективней пластинчатого!

+7(495)741-20-28, info@ntsn.ru

Программы Auditor