Введение к работе
Диссертация посвящена разработке и исследованию конструкции и режимов работы индукционных установок подогрева нефти перед транспортировкой по трубопроводам.
Актуальность проблемы:
Трубопроводный транспорт становится все более популярным в мире, число строящихся трансконтинентальных трубопроводов растет. В топливный баланс во все больших размерах вовлекаются нефти, обладающие высокой вязкостью при обычных температурах или содержащие большое количество парафина и вследствие этого застывающие при высоких температурах. Для их перекачки требуются совершенствование существующей и разработка новой технологии, совершенствование методов подготовки нефтей к транспортировке, эксплуатации самих трубопроводов и насосных станций.
Протяженность магистральных трубопроводов России составляет 217 тыс. км, в том числе нефтепроводных - 46,7 тыс. км. По системе магистрального транспорта перемещается 99% добываемой нефти. Надежность систем магистрального трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов является важнейшим фактором стабильности и роста экономического потенциала России.
Высокопарафинистые нефти являются, как правило,
высокозастыпающими. Перекачка таких нефтей по трубопроводам обычным способом затруднена, поэтому для их транспортировки применяют специальные методы: перекачку с разбавителями, гидротранспорт высоковязких нефтей, перекачку термообработанных нефтей, перекачку нефтей с присадками, перекачку предварительно подогретых нефтей. Наиболее распространенным способом трубопроводного транспорта высоковязких и высокозастывающих нефтей в настоящее время является их перекачка с подогревом (горячая перекачка). Применяемые подогреватели для потока нефти используют энергию пара или сжигаемого в специальных печах жидкого или газообразного топлива. В настоящее время наиболее широко на тепловых станциях применяют огневые подогреватели, представляющие собой печь, топочная камера которой совмещена с теплообменным аппаратом для подогрева нефти. Применяемые огневые печи подогрева нефти, работающие на газе или нефти, являются источником повышенной пожаро и взрывоопасное. Огневые печи являются источником эмиссии углекислого газа и других вредных для здоровья человека выбросов, т.е. представляют определенную экологическую опасность. Кроме того, регулирование теплового режима печи представляет собой сложный процесс, требующий привлечения высококвалифицированного обслуживающего персонала.
Повысить экономическую эффективность, надежность работы систем и улучшить экологическую обстановку позволит замена огневых печей подогрева нефти на теплообменные аппараты с индукционным нагревом, обладающие известными преимуществами, такими, как, например.
возможность концентрации большого кол:
объеме, обеспечение высокой равномерности нагрева, простота и плавность регулирования, компактность, экологическая чистота и удобство обслуживания. Применение их может дать существенные технологические преимущества: более высокую точность стабилизации температуры, высокую степень автоматизации и удобство регулирования, более высокую надежность и долговечность. С этих позиций проблема создания индукционных систем для нагрева высоковязких нефтей при перекачке трубопроводным транспортом является актуальной.
Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР "Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева" (гос. регистрационный № 01200208264) по заданию Министерства образования РФ.
Делью работы является разработка оптимальной конструкции индукционной системы для непрерывного нагрева нефти в процессе ее транспортирования на основе результатов математического моделирования электромагнитных, гидродинамических и температурных полей в системе "индуктор-металл-жидкость", построение на базе проведенных исследований замкнутых систем управления, реализующих заданные технологические требования. Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете.
Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа, теории электромагнитного поля, теории автоматического регулирования, теории оптимального проектирования, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления и методы компьютерного моделирования.
Достоверность результатов работы оценивалась путем сравнения с результатами численных экспериментов и частично с данными, полученными в работах других авторов.
Научная новизна.
В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:
-математические модели процесса теплопроводности при косвенном индукционном нагреве вязких жидкостей в теплообменном аппарате непрерывного действия, ориентированные на решение задач проектирования и автоматического управления нагревательными комплексами;
методика расчета оптимальных параметров нагревателя непрерывного действия для косвенного индукционного нагрева вязких неэлектропроводных жидкостей;
- структура системы автоматической стабилизации температуры нефти на выходе из нагревателя.
Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров индукционных
нагревательных установок, выбора источника питания, расчета режимов работы и синтеза систем автоматического управления объектами индукционного нагрева в специализированных технологических процессах.
Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:
построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета электромагнитных, гидродинамических и тепловых полей при непрерывном косвенном индукционном нагреве потока жидкости с неравномерным по сечению распределением скорости потока жидкости;
разработаны рекомендации по проектированию индукционной системы для теплообменных аппаратов в установках технологического нагрева вязких жидкостей;
предложена методика определения передаточных функций для исследуемого теплообменного аппарата с индукционным нагревом;
предложена структура замкнутой системы автоматического управления температурным режимом работы нагревателя, реализованная на базе управляющей микропроцессорной техники;
на основании проведенных исследований разработана электротермическая установка непрерывного действия для подогрева нефти при транспортировке по трубопроводам.
Полученные электромагнитная, гидродинамическая и тепловая модели позволяют использовать их не только для решения конкретно поставленной задачи, но и для других практически важных задач технологического нагрева.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9-й межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 1999), на 8-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, 2002), на 2-й Международной конференции молодых учёных и студентов (г. Самара, 2001), на научно-технической конференции "Электротехнология на рубеже веков" (г. Саратов, 2001), на 11-й межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 2001), на 9-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, 2003), на 12-й межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 2002), на 10-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, 2004), на межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 2004).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста;
