Содержание к диссертации
Введение
1 Методы и системы регулирования реологических свойств вязкой и высоковязкой нефти при транспортировке по нефтепроводам 11
1.1 Обзор и сравнительный анализ существующих способов регулирования реологических свойств вязкой и высоковязкой нефти 12
1.2 Обзор и сравнительный анализ электротермических нагревательных систем нефтепроводов 20
1.3 Обзор и сравнительный анализ систем индукционного нагрева нефтепроводов 29
1.4 Анализ методов исследования тепловых процессов и расчета индукционных нагревательных систем для нефтепроводов 36
Выводы по главе 1 и постановка задач исследования 38
2 Компьютерные модели передачи тепла и формирование оптимального теплового поля 40
2.1 Оценка эффективной передачи тепла в устройствах нагрева нефти. Постановка задачи 41
2.2 Модель передачи тепла в трубе с застывшей жидкостью 42
2.3 Модель передачи тепла в трубе с движущейся жидкостью 2.4 Формирование оптимального теплового поля для трубопроводов сложной конфигурации 70
2.5 Оценка эффективности теплового воздействия электротермических систем 75
Выводы по главе 2 79
3 Разработка индукционной нагревательной системы 81
3.1 Определение требований к ИНС нефтепроводов 81
3.2 Разработка алгоритма расчета ИНС нефтепроводов 86
3.3 Расчет основных элементов ИНС 93
3.4 Моделирование источника вторичного электропитания ИНС 108
3.5 Оценка эффективности применения индукционной нагревательной системы 114
Выводы по главе 3.. 120
4 Способы и устройства индукционного нагрева вязкой жидкости 122
4.1 Установка индукционного нагрева трубопроводов 122
4.2 Установка индукционного нагрева жидкостей 126
4.3 Способ монтажа индуктора на протяженных объектах 128
4.4 Элементы источника вторичного питания индукционной нагревательной системы нефтепроводов 130
Заключение 140
Список литературы 143
- Обзор и сравнительный анализ электротермических нагревательных систем нефтепроводов
- Модель передачи тепла в трубе с застывшей жидкостью
- Расчет основных элементов ИНС
- Способ монтажа индуктора на протяженных объектах
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Высокая температура застывания, сложные реологические свойства вязкой и высоковязкой нефти усложняют процесс добычи, подготовки и транспорта углеводородов в нефтегазовой отрасли (НГО).
На сегодняшний день эффективным методом регулирования реологических свойств вязких и высоковязких углеводородов в трубопроводном транспорте является термический, обеспечивающий нагрев нефтепровода локально либо попутно.
Наиболее эффективными, безопасными и экономичными системами формирования и передачи тепла являются электротермические системы, которые применяются в нефтяной промышленности с середины прошлого столетия. К ним относятся нагревательные кабели и ленты постоянной и переменной (саморегулирующиеся) мощности, индукционно-резистивные системы (skin-systems) для попутного поддержания температуры, а также индукционные системы на промышленной частоте.
Нагрев вязкой и высоковязкой нефти связан с требованием соблюдения температурного диапазона и градиента температурного воздействия, пожарной и промышленной безопасности. Существующие системы нагрева имеют низкую энергоэффективность и инерционность, не позволяют создать теплопередачу с высоким КПД, осуществить регулирование процессом нагрева на всей протяженности объекта. Кроме того, объекты НГО требуют обеспечения работы нагревательных систем в двух основных режимах: аварийного разогрева и поддержания температуры и, следовательно, нагревательные системы должны иметь глубокую (10-15 кратную) регулировку по мощности.
Обеспечение пожарной и промышленной безопасности процесса передачи тепла вязкой и высоковязкой нефти на магистральных и промысловых трубопроводах может быть достигнуто с помощью разработки и внедрения систем низкоградиентного индукционного нагрева.
Следовательно, актуальной становится задача создания электротермической системы низкоградиентного индукционного нагрева вязкой и высоковязкой нефти для нефтепроводов, с широким диапазоном регулирования мощности и способной реализовать локальный и попутный нагрев, с учетом особенностей объекта НГО, его протяженности, промышленной, пожарной и экологической опасности.
Степень разработанности темы исследования. Традиционно индукционный нагрев применяется в металлургической промышленности, при плавке, пайке и сварке металлов, термообработке металлических заготовок, поверхностной закалке. Большой вклад в исследование теоретических и практических задач в данной области внесли такие выдающиеся ученые как Л.Р. Нейман, А.В. Донской, Н.М. Родигин, А.Б. Кувалдин, В.Б. Демидович, С.А. Горбатков, А.Е. Слухоцкий, Н.П. Глуханов, К.З. Шепеляковский, Ю.И. Блинов, В.В. Царевский, С.В. Дзлиев, М.Н. Кудряш, Г.И. Бабат, А.М. Вайнберг и другие.
В сравнении с традиционным индукционным нагревом, исследованию и решению задач в области индукционного нагрева текучих сред уделяется
недостаточно внимания. Научными исследованиями и решением практических задач в данном направлении активно занимаются ученые А.Н. Данилушкин, А.М. Батищев, Д.А. Зинатуллин, М.Л. Струпинский, Н.Н. Хренков, С.К. Земан, С.Г. Конесев, И.А. Макулов, Ю.А. Никитин и другие.
Разработкой и промышленным производством систем индукционного нагрева текучих сред на территории Российской Федерации и стран ближнего зарубежья занимаются такие предприятия как ООО «Газ-проект инжиниринг», г. Уфа, ФГУП «НКТБ «Вихрь», г. Уфа, ООО «Завод индукционных электрических нагревателей», г. Москва, компания «Специальные системы и технологии», г. Мытищи, ЗАО «Завод Сибирского Технологического Машиностроения», г. Новосибирск и др.
Последние годы индукционные системы нагрева текучих сред внедряются в нефтяную промышленность, но остается множество нерешенных вопросов и задач. Используемые на объектах нефтегазового комплекса системы индукционного нагрева работают на промышленной частоте, что значительно снижает энергоэффективность и КПД системы, а также снижает управляемость процессом нагрева. Отсутствуют системы индукционного нагрева учитывающие особенности свойств нагреваемых текучих сред в объектах сложной геометрии большой протяженности (более 100 м). Отсутствуют инженерные методики расчета индукционных нагревательных систем (ИНС) для нефтепроводов. Недостаточно изучен физический процесс передачи тепла от индукционных нагревателей к текучей среде.
Таким образом, разработка и проектирование ИНС для подогрева нефти является актуальной проблемой.
Цель и задачи. Целью работы является разработка высокоэффективной индукционной нагревательной системы для совершенствования процесса теплового воздействия на аномально вязкие текучие среды при их транспортировке по нефтепроводам.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
-
Определение требований к электрофизическим источникам нагрева аномально вязкой нефти, создание компьютерных моделей и исследование процессов нагрева индукционной нагревательной системой аномально вязких текучих сред с учетом их особенностей.
-
Создание компьютерной модели ИНС с индуктивно-емкостным преобразователем и исследование на ее основе электрофизических процессов для определения наиболее эффективных режимов работы ИНС.
-
Разработка инженерной методики расчета источника питания и индуктора ИНС протяженных объектов и объектов со сложной поверхностью.
-
Разработка технических решений эффективной ИНС для подогрева взрывоопасных текучих сред при их транспортировке по нефтепроводам; практическая реализация и внедрение разработанных устройств.
Научная новизна
-
Разработаны компьютерные модели для исследования процессов передачи тепла от ИНС при технологических режимах нагрева текучих сред в цилиндрическом пространстве, новизна которых заключается в учете сложной конфигурации нагреваемого объекта и широкого диапазона по уровню тепловых потоков на различных участках большой площади воздействия.
-
По результатам исследований разработаны алгоритмы для расчета и определения участков нагрева ИНС и охлаждения нефтепровода при заданном температурном диапазоне нагреваемой жидкости (свидетельство на программу ЭВМ № 2014618090).
-
Разработана компьютерная модель источника вторичного электропитания ИНС с индуктивно-емкостным преобразователем (патент РФ на изобретение № 2407136), позволяющая исследовать процессы формирования энергии в индукторе.
-
Разработаны новые схемотехнические решения систем электротермического воздействия и их источников питания (патенты РФ на изобретение № 2415517, № 2417563, № 2325026, № 2407136, № 2412521, № 2496281).
Практическая значимость работы
-
Разработаны математические модели, позволяющие определить оптимальные тепловые поля ИНС для различных технологических режимов нефтепроводов.
-
Получены результаты моделирования тепловых полей, позволяющие определять схемные решения и режимы работы ИНС.
-
Разработана инженерная методика расчета индукторов ИНС протяженных объектов сложной геометрии.
-
Разработанные схемотехнические решения новых устройств позволяют уменьшить массогабаритные показатели ИНС.
-
Разработаны рекомендации по расчету и проектированию ИНС нефтепроводов.
Практическая ценность результатов работы подтверждается актом внедрения результатов на объектах нефтегазовой отрасли в компаниях ОАО АНК «Башнефть», ОАО «Лукойл», актом внедрения результатов в учебный процесс кафедры электротехники и электрооборудования предприятий ФГБОУ ВПО УГНТУ.
Методология и методы исследования. Поставленные задачи решались аналитическими методами исследования магнитного и электрического полей, применялись методы теории дифференциального и интегрального исчисления, аналитические и численные методы анализа, математическое моделирование с использованием пакета Matlab, компьютерного моделирования тепловых полей методом конечных элементов (КЭ) в пакете Ansys, с использованием пакета Fluent для создания различных режимов течения, компьютерного моделирования электромагнитных и тепловых полей в пакете Elcut.
Положения, выносимые на защиту:
-
Компьютерные модели для определения тепловых полей ИНС с учетом технологических режимов течения жидкости в нефтепроводе и исследования тепловых процессов на их основе.
-
Результаты исследования функционирования системы «индуктор–трубопровод–текучая среда» для стационарных и динамических режимов на основе разработанных компьютерных моделей.
-
Результаты исследования работы источника вторичного электропитания ИНС в программном комплексе Matlab.
-
Новые схемотехнические решения систем электротермического воздействия и их источников питания.
Степень достоверности и апробация работы. Результаты исследований внедрены в учебный процесс в УГНТУ для бакалавров направления подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника». Результаты исследований внедрены и используются на объектах нефтяной, химической и газовой промышленности, компаний ОАО АНК «Башнефть», ОАО «Лукойл».
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, республиканских научно-технических конференциях: на международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 2007, на всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий», г. Уфа, 2009, на международной научно-практической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях», г. Омск, 2010, на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2011, на XIV международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2013», г. Ухта, 2013, на II международной научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий», г. Уфа, 2015, на научном семинаре «Электрические системы и комплексы», г. Магнитогорск.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано более 25 печатных работ, в том числе 20 научных статей (из которых 7 статей в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК, получено 7 патентов РФ на изобретения, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка, состоящего из 137 наименований. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, включая 81 рисунок.
Обзор и сравнительный анализ электротермических нагревательных систем нефтепроводов
Нефть состоит из смеси различных углеводородов парафинового, нефтенового, ароматического рядов и небольшого числа кислородных, азотных и сернистых соединений. Из всех характерных свойств нефти основательно изучены вязкостно-температурные свойства [6, 70, 73, 111]. Знание вязкостно-температурных свойств нефти необходимо для повышения эффективности процесса добычи и перекачки нефти. Углеводородные жидкости, обладающие сложными реологическими вязкостно-температурными свойствами, сложно добывать, но еще сложнее транспортировать.
По реологическим свойствам различают ньютоновские и неньютоновские жидкости. К ньютоновским жидкостям преимущественно относятся вода, светлые нефтепродукты, нефти с низким содержанием парафина и смол. В одну группу их объединяет низкое напряжение сил трения на поверхности соприкосновения слоев жидкости вследствие малой динамической вязкости. Реологические свойства большинства жидкостей относятся к неньютоновским, которые делятся на пластичные (бингамовские), псевдопластичные, дилатантные. Это нефти с большим процентным содержанием асфальтосмолистопарафиновых (АСП) веществ [69].
В зависимости от месторождения у нефти меняется химический состав от парафиновых, состоящих из парафиновых углеводородов, до нафтеновых и асфальтеновых, содержащих циклопарафиновые углеводороды. Парафиновые нефти, в сравнении с нафтеновыми (асфальтеновыми), обычно содержат больше бензина и меньше серы и являются главным сырьем для получения смазочных масел и парафинов. Нафтеновые же, в свою очередь, содержат больше серы и мазута, а также асфальта. Например, бакинская нефть богата циклопарафинами и сравнительно бедна предельными углеводородами. Значительно больше предельных углеводородов в грозненской и ферганской нефти. При всех этих достоинствах и парафиновые, и нафтеновые нефти с высокой концентрацией парафинов и асфальтенов имеют сложные реологические свойства. Эти нефти создают ряд трудностей и ставят множество задач перед нефтедобычей и транспортом нефти.
В недрах земли нефть находится под давлением и при высокой температуре и ее свойства соответствуют характеристикам ньютоновской жидкости в независимости от процентного содержания в ней АСП веществ. Поднимаясь на поверхность, нефть остывает и переходит в состоянии жидкости со сложными реологическими свойствами. При этом происходит оседание парафинов и смол на поверхностях нефтедобывающего и транспортирующего оборудования, что резко ухудшает их производительность.
Пространственный анализ выявил, что с каждым годом вязкой нефти, динамическая вязкость которой более 35 мм2/с, будет добываться все больше. По оценкам специалистов мировой суммарный объем оценивается в 810 млрд. тонн, что почти в пять раз превышает объем остаточных извлекаемых запасов нефти малой и средней вязкости, составляющий лишь 162,3 млрд. т. Наиболее крупными запасами высоковязкой и битуминозной нефти располагает Канада (522,5 млрд. т); провинции Альберта (347,5 млрд. т), Атабаска (131,1 млрд. т), Вабаска (16,9 млрд. т). Второй страной по запасам высоковязкой нефти является Венесуэла (пояс Оринок 177,9 млрд. т). Россия, Мексика, США, Кувейт и Китай также располагают запасами высоковязких, битуминозных углеводородистых жидкостей [77]. Процентное соотношение мировых запасов высоковязкой нефти представлено на рисунке 1.1. Канада
По оценкам специалистов «Schlumberger», запасы тяжелой нефти в России составляют 13,4 млрд. т, природных битумов – 33,4 млрд. т. Институт неорганической химии РАН оценивает российские запасы тяжелой высоковязкой нефти в 6,3 млрд. т, при этом 71,4% от общего объема залежей «трудных» углеводородов находятся в Волго-Уральском и Западно–Сибирском нефтегазоносных бассейнах. Волго–Уральская битумонефтегазоносная провинция – безусловный лидер в рейтинге «тяжеловесов»: в недрах этого региона содержится 60,4% от общероссийских запасов тяжелой и 70,8% – вязкой нефти [46]. На территории Российской Федерации высоковязкая нефть залегает в таких бассейнах, как Тимано-Печорский (средняя бассейновая вязкость 122,15 мм2/с), Южно-Каспийский (49,22 мм2/с), Волго-Уральский (47,13 мм2/с), Прикаспийский (109,71 мм2/с) [97]. Особенность высоковязкой нефти в том, что из нее можно получить низкотемпературные масла, ракетное топливо, специальный электродный кокс, используемый в высоких технологиях, но содержание легких углеводородных фракций в ней мало.
Вязкость нефти определяется процентным содержанием парафина, смол, асфальтенов и серы. Влияние АСП веществ в большей степени зависит от температуры, в частности, от температуры кристаллизации. Механизм процесса кристаллизации вещества в качестве предварительной стадии включает изменение структуры жидкой фазы при снижении температуры. При достаточно глубоком снижении температуры растворимость парафина в углеводородной среде снижается. Это приводит к увеличению вязкости углеводородной жидкости, отложению АСП веществ на стенках нефтепромыслового оборудования и труб. Как следствие, снижение рабочего сечения, что приведет к снижению пропускной способности трубопровода. Возникает необходимость решения проблемы транспортирования нефти с вязкостью более 35 мм2/с. Процесса перекачки усложняется тем, что некоторые месторождения содержат в себе нефти, которые застывают при температуре выше 0 оС. Например, нефти Казахстанских месторождений (+18 … +27 оС), ставропольского края (+24 … +35оС) [70].
Из вышесказанного следует, что остановка трубопровода с нефтью, обладающей кинематической вязкостью более 35 мм2/с, может привести к выходу трубопровода из строя и последующей замене его основных технологических узлов.
Модель передачи тепла в трубе с застывшей жидкостью
Система индукционного нагрева для нефтепроводов также должна соответствовать требования нормативно-технической документации [19].
С учетом особенностей применения индукционной нагревательной системы для обогрева нефтепроводов на объектах нефтяной и газовой отрасли были сформулированы требования.
Для обеспечения промышленной, пожарной и экологической безопасности с помощью индукционной нагревательной системы необходимо формировать низкоградиентное температурное поле, способствующее значительно снизить возможность возгорания взрывоопасных смесей возле объекта, сократить тепловые выбросы в окружающую среду, повысить долговечность системы и свести к минимуму аварийные ситуации, связанные с прогаром технологических труб и разливом нагреваемого продукта.
Формирование низкоградиентного температурного поля возможно благодаря равномерному распределению теплового потока по поверхности нагреваемого объекта и увеличению площади теплового воздействия [51], что недоступно с применением других нагревательных систем и устройств.
Благодаря особенностям технического исполнения и реализации различной конфигурации теплообменника с помощью ИНС можно организовать мощный тепловой поток (локальное нагрев) и распределенный поток на протяженном участке (попутный нагрев). При этом каждая из систем имеет ряд особенностей, связанных с формированием теплового поля, которые отражаются на исполнении источника питания и расположении индуктора на поверхности объекта нагрева [50, 58]. Объекты нагрева представлены в Приложении Д.
Применение индукционных технологий нагрева позволяет реализовать следующие основные способы нагрева: локальный, попутный, локально-попутный, локально-ступенчатый. Графические зависимости распределения температуры, для перечисленных систем, представлены в приложении Е (рисунки Е3.1, Е3.2, Е3.3) [50].
Исследования показали [50], что наиболее энергоэффективным является система локально-ступенчатого нагрева, при построении которой требуется определение ступеней нагрева.
В данной работе автором рассматриваются только локальный и попутный системы нагрева. Оставшиеся системы предмет дальнейших научных исследований. Индукционная нагревательная система локального воздействия. Для повышения эффективности внедрения и модернизации объектов нефтегазового комплекса используется технологический змеевик пламенной факельной печи в качестве теплообменника локальной ИНС (рисунок А.2 Приложение А).
Индуктора располагается на продуктовом змеевике одним или несколькими витками сложной геометрии для обеспечения интенсивного теплового потока на сравнительно небольшой площади воздействия. Так как создание мощного ИВЭП для ИНС связан с использованием дорогостоящих полупроводниковых коммутационных ключей, то возможно исполнение локальной ИНС с несколькими источниками малой мощности.
В зависимости от объекта нагрева возможно расположение индуктора на поверхности продуктового змеевика одним витком сложной геометрии (рисунок 3.1, а), либо навитием (рисунок 3.1,б). При расположении индуктора одним витком (рисунок 3.1, а) возможно изменения значения интенсивности теплового потока посредством изменения конфигурации силовой части за счет смещения прямого и обратного проводника друг относительно друга по радиусу. Где максимальное значение создаваемого теплового потока будет на максимальном расстоянии равном радиусу трубопровода, а минимальное при расположении встречного и обратного проводника в непосредственной близости друг относительно друга.
Для согласования источника питания и индуктора в схеме необходимо использовать согласующий трансформатор.
Задача попутной индукционной нагревательной установки в компенсации тепловых потерь, тем самым температурный градиент здесь имеет небольшое значение и не превышает 100 оС. Однако, разрабатываемые системы индукционного нагрева рассчитываются таким образом, что могут реализовать режим экстренного разогрева, когда необходимо разморозить застывший участок трубопровод.
На рисунке 3.2 приведена типовая схема участка промыслового трубопровода, состоящая из линейных участков трубопровода, змеевика, фланцевых соединений, задвижек с расположенным на них индуктором. В отличие от системы локального воздействия в схеме попутной индукционной нагревательной установки отсутствует согласующий трансформатор.
Проведена проверка расположения прямого и встречного проводника с помощью компьютерной имитационной модели построенной в программе «Elcut», постановка задачи и алгоритм решения которой приведены в приложении Ж.
Получены графические зависимости температуры от времени в характерных точках при изменении положения прямого провода индуктора относительно обратного (рисунок 3.3).
При =0 индуктор расположен симметрично по вертикали, при этом нагрев верхней и нижней частей трубопровода абсолютно одинаковый (рисунок Ж.3, Приложение Ж). Такое расположение индуктора идеально подходит для поддержания температуры, пристеночный слой нефти в таком случае прогревается наиболее равномерно. Максимальный нагрев происходит при =75, данное расположение оптимально подходит для случая, когда необходимо как можно быстрее нагреть и протолкнуть нефть по трубопроводу (рисунок Ж.4, Приложение Ж). При 75 интенсивность и степень нагрева уменьшаются, а при почти плотном расположении индукторов и вовсе практически не наблюдается (рисунок Ж.5, Приложение Ж). Рисунок 3.3 – Кривые нагрева т. С1 при различных положениях индуктора При близком расположении проводников с разным направлением тока происходит компенсация магнитного поля одного проводника магнитным полем другого, из-за разнонаправленности векторов магнитной индукции. Вихревые токи в металле теплообменника не наводятся, отсутствует нагрев.
Особенность инженерной методики заключается в совместном нахождении параметров системы «источник – индуктор – нагрузка» с учетом геометрии участка трубопровода, наличия узлов и элементов, требуемого температурного диапазона нагреваемого продукта.
В общем виде систему «ИВЭП-индуктор» можно представить, как колебательный контур параметры которого определяются активным и индуктивным сопротивлением индуктора и разрядной емкостью источника (рисунок 3.4). Ск
Расчет основных элементов ИНС
На сегодняшний день известно много способов нагрева жидкости с помощью индукционных систем нагрева. Эффективность систем зависит не только от источника питания, но и от конфигурации и исполнения индуктора на объекте нагрева и при правильном расчете индукционного контура можно достичь оптимального нагрева жидкости с максимальным КПД и наименьшими энергетическими затратами.
Данная глава посвящена разработке новых индукционных систем нагрева, исполнения индуктора и их источников питания.
Результатом предлагаемых технических решений являются высокая эффективность, экологическая безопасность и электромагнитная совместимость.
Для поддержания температурного режима трубопровода на расстоянии применяются «СКИН-системы», в которых, помимо резистивного нагрева, используется косвенный индукционный нагрев. СКИН-система содержит нагревательный элемент, трубу из углеродистой стали, внутри которой располагается проводник из немагнитного материала (меди или алюминия). Проводник с одного конца надежно соединяется со стальной трубой, а с другого конца между трубой и проводником подается переменное напряжение, величина которого рассчитывается исходя из необходимого тепловыделения и длины участка обогрева.
К недостаткам данных систем обогрева относятся небольшая вырабатываемая погонная мощность (в пределах 150 Вт/м) и невысокая поддерживаемая рабочая температура (до 200С), плохая управляемость процессами тепловыделения и теплопередачи, низкая ремонтопригодность, большие масса и габариты трансформаторно-преобразовательных устройств.
Расширить функциональные возможности формирования теплового поля системы обогрева, улучшить ремонтопригодность, повысить управляемость процессом тепловыделения, уменьшить массу и габариты устройства, а также повысить надежность работы позволяет система среднечастотного индукционного нагрева с интегрированной силовой пассивной частью и устройством преобразования и управления выполненного на основе автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией.
В свою очередь нагревательный элемент представляет собой многожильный медный проводник в термостойкой изоляции расположенный вдоль оси трубопровода, либо под углом к этой оси, одним витком, образующим контур сложной геометрии или включенными параллельно витками нескольких контуров для формирования температурного поля (рисунок 4.1) [121]. – устройство преобразования и управления, 2 – нагревательный контур,
Варианты расположения индуктора на объектах нагрева: а, б) на трубопроводе, в) задвижке, д) на фланцевом соединении Установка работает следующим образом. От системы преобразования и управления с автономным инвертором тока импульсами подается переменное синусоидальное напряжение на виток многожильного медного проводника, образующего нагревательный контур сложной геометрии. Под воздействием вихревых токов, возникающих в металлической трубе, происходит разогрев и тепло передается от стенок трубы к разогреваемой текучей жидкости. Площадь температурного воздействия зависит от длины витка, количества этих витков, а также расположение и расстояние между прямым и обратным медным многожильным проводником. При превышении заданных параметров значений температуры нагреваемой жидкости происходит автоматическое снижение мощности или отключение системой управления.
Можно также регулировать температурное поле за счет перемещения проводника одного контура по сечению трубопровода. При расположении проводника прямого направления относительно обратного на максимальном расстоянии равном диаметру трубы передача тепла будет максимальной, по всему сечению трубопровода, по мере сближения прямого и обратного провода по сечению трубопровода уменьшается и температурное поле воздействия (рисунок 4.2).
Вариант расположения прямого и обратного провода одного контура Установка индукционного нагрева трубопровода позволяет расширить функциональные возможности формирования теплового поля системы обогрева, улучшить ремонтопригодность, повысить управляемость процессами тепловыделения, уменьшить массу и габариты, повысить надежность ее работы.
Повысить эффективность теплопередачи, а также увеличить площадь теплового воздействия позволяет установка индукционного нагрева жидкостей. Главное отличие в том, что в установке индукционного нагрева трубопроводов, помимо устройства преобразования и управления, выполненного на основе автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией, теплообменник представляет собой змеевик, выполненный из трубопровода, внутри которого по всей длине, радиально расположены пластины из магнитных материалов (рисунок 4.4) [120].
Способ монтажа индуктора на протяженных объектах
Основными элементами установки индукционного нагрева УИНС является шкаф управления (ШУ), функционально представляющий собой преобразователь частоты (ПЧ), к которому подключается индуктор, выполненный из кабеля марки РКГМ 6.00-660, располагаемый непосредственно в месте, где необходимо произвести нагрев. ШУ преобразует напряжение силовой сети в импульсное напряжение, питающее кабель-индуктор, расположенный на обогреваемом участке трубы. Кабель-индуктор создает электромагнитное поле, воздействие которого на металлическую поверхность приводит к ее нагреву (греющий элемент в данной системе обогрева – это поверхность трубы). Кабель-индуктор (гибкий многожильный медный провод) не является нагревающим элементом, а только служит проводником переменного электрического тока и обеспечивает бесконтактную передачу тепла нагреваемому объекту. Срок эксплуатации многожильного провода в кремнийорганической или фторопластовой изоляции составляет 10 лет (при эксплуатации в соответствии с ТУ).
Шкаф управления предназначен для контроля над параметрами нагрева (КИПиА) и предотвращения аварийных ситуаций (КЗ индуктора).
Шкаф управления в металлическом корпусе, внутри которого размещена система автоматики.
Контроль температуры в зоне нагрева осуществляется при помощи поверхностных датчиков температуры. Поверхностные датчики температуры представляют собой термопреобразователи сопротивления ДТС014-50М.В3.20/1.5т с диапазоном измерения температуры от –50 оС до +150 оС, помещенные в латунный корпус. Поверхностные датчики подключаются к ТРМ.
В случае повышения температуры выше допустимой (температура устанавливается в зависимости от условий эксплуатации), происходит срабатывание исполнительного реле ТРМ. В результате срабатывания исполнительного реле напряжение питания снимается с ПЧ и происходит останов нагрева. При снижении температуры вновь включается.
Внешний вид шкафа управления установки приведен на рисунке В.1. ШУ представляет собой щит общепромышленного исполнения с установленным в него индикаторами и кнопками управления установкой. В ШУ установлен вольтметр для измерения напряжения питающей сети и амперметр для измерения тока потребления ШУ. С ШУ предусмотрена возможность сигнализации и управления параметров нагрева по интерфейсу RS485 протокол Modbus RTU. Также предусмотрена возможность подключения осциллографа для снятия сигнала с датчика тока индуктора.
При включении автоматического выключателя SF1 загорается индикатор «сеть» и установка переходит в режим ожидания до нажатия кнопки «ПУСК» управления нагревом на передней панели ШУ.
После нажатия кнопки «ПУСК» управления нагревом поступает управляющий сигнал на схему управления преобразователя частоты (ПЧ) и преобразователь включается. На панели ШУ загорается индикатор «РАБОТА», свидетельствующий о том, что установка включена. При достижении предельной температуры срабатывает исполнительное реле ТРМ, которое подает сигнал управления на ПЧ, переводя его в режим ожидания. При возвращении исполнительного реле в исходное положение ПЧ снова запускается. Система переходит в автоматический режим работы. Условием выхода из этого режима является нажатие кнопки «СТОП» управления нагревом либо срабатывание системы защиты в ШУ при аварийной ситуации. При нажатии кнопки «СТОП» управления нагревом происходит подача управляющего сигнала на схему управления ПЧ, вследствие чего происходит снятие тока питания индуктора. Схема управления переходит в режим ожидания нажатия кнопки «ПУСК». Полное отключение напряжения питания ПЧ осуществляется автоматическим выключателем SF1 (рисунок В.3).
Не загорается индикатор «работа» нагрев, после нажатия кнопок «ПУСК» (при включенных ВА) Отсутствует напряжение на входной клемме ШУ. Неисправен индикатор. Неисправен ПЧ. Проверить напряжение на входе установки. Пригласить представителя предприятия-изготовителя
Во время работы произошло внезапное отключение установки, нагрев прекратился Произошло замыкание индуктора на «землю» (сработала защита УЗО). Сработала защита ПЧ Устранить замыкание индуктора на «землю». Повторить пуск, в случае повторения сбоя пригласить представителя предприятия-изготовителя
При нажатии кнопки «ПУСК» нагрева загорается индикатор «АВАРИЯ» (на дисплее ПЧ отображается причина аварии) Сработала защита ПЧ из-за:- обрыв фазы питания;- перегрузка ПЧ;- перегрев ПЧ;- обрыв индуктора;- неисправен ПЧ В соответствии с отображенной причиной аварии на дисплее ПЧ:- устранить замыкание;- проверить соединениеиндуктора;- проверить параметрыиндуктора
Относительная магнитная проницаемость стали трубы = 200. Относительная магнитная проницаемость проводников индуктора, тепловой изоляции и воздуха = 1.
Удельная электропроводность стенки трубы = 7 000 000 См/м. Удельная электропроводность проводников обмотки = 56 000 000 См/м. Действующее значение плотности тока в индукторе J = 200 А. Частота тока f = 2000 Гц. Теплопроводность нефти = 0,136 Вт/(Км); Теплопроводность материала трубы = 50 Вт/(Км); Теплопроводность изоляции = 0,04 Вт/(Км); Теплопроводность воздуха = 0,026 Вт/(Км); Теплоемкость материала трубы C=462 Дж/(Ккг); Теплоемкость материала изоляции C=1470 Дж/(Ккг); Теплоемкость нефти C=1700 Дж/(Ккг); Плотность нефти =1050 кг/м3; Температура окружающей среды T0 = 0 С. Время нагрева t=120 минут.
Коэффициент конвективной теплоотдачи поверхности трубы = 50 Вт/м2К Координаты характерных точек по умолчанию:
Также рассмотрено изменение во времени температуры стенки трубопровода и нефти в характерных точках. Точки D и D1 будут постоянно передвигается вместе с индуктором, и температура в них практически не изменяться. Для удобств введен угол , равный центральному углу между точкой В и текущим положение индуктора (рисунок Ж.2).
При =0 индуктор расположен симметрично по вертикали, следовательно, нагрев верхней и нижней частей трубопровода будет абсолютно одинаковым (рисунок Ж.3). При увеличении угла симметричность будет нарушена, и нижняя половина будет нагреваться больше, чем верхняя. Максимальный нагрев наблюдается при угле =75 (рисунок Ж.4).