Разработка конструкции и оценка параметров эффективного индукционного подогревателя нефти и нефтепродуктов

УДК 620.97

ББК 31.3

К. В. Трофименко, Н. Д. Шишкин

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ЭФФЕКТИВНОГО ИНДУКЦИОННОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

K. V. Trofimenko, N. D. Shishkin

DEVELOPMENT OF THE DESIGN AND ASSESSMENT OF PARAMETERS OF EFFECTIVE INDUCTION HEATER OF OIL AND OIL PRODUCTS

При транспортировке нефти и нефтепродуктов возникает проблема, связанная с охлаждением транспортируемой жидкости и отложением парафинов на стенках трубопроводов. Предложена конструкция подогревателя, позволяющая полностью предотвратить появление отложений парафина и сократить расходы на перекачку. Подогреватель состоит из блока управления процессом подогрева, изоляции обмотки, обмотки, полимерного корпуса цилиндрической формы, устройства ввода датчиков температуры и давления, а также металлического сердечника, являющегося нагревательным элементом. Расчеты показывают, что при подогреве нефти этим подогревателем затраты на перекачку нефти снижаются в 1,5-2,0 раза. Выявлены основные параметры процесса, отражающие эффективность работы подогревателя, и определены основные условия работы устройства автоматизации процесса индукционного подогрева. Разработана экспериментальная установка, которая позволит определять распределение температур, гидравлических сопротивлений и КПД подогревателя.

Ключевые слова: транспорт нефти и нефтепродуктов, отложение парафина, индукционный подогреватель, лабораторная установка, температурное поле, термометр сопротивления, КПД.

At transportation of oil and oil products there is a problem connected with cooling of transported liquid and adjournment of paraffin on the walls of pipelines. The heater design allowing completely to prevent emergence of deposits of paraffin and to cut down expenses on transfer is offered. The heater consists of the unit of control for the process of heating, isolation of winding, the polymeric case of a cylindrical form, the input equipment of temperature and pressure sensors, and also the metal core being a heating element. Calculations show that at heating of oil using this heater expenses on oil pumping decrease by 1.5-2.0 times. The key parameters of the process reflecting overall performance of the heater are revealed, the main operating conditions of the device of automation of the induction heating process are defined. Experimental installation that helps to define the distribution of temperatures, hydraulic resistance and heater efficiency is developed.

Key words: transport of oil and oil products, paraffin adjournment, induction heater, laboratory installation, temperature field, thermometer of resistance, efficiency.

При транспортировке нефти и нефтепродуктов по трубопроводам возникает проблема, связанная с охлаждением транспортируемой жидкости. Охлаждение жидкости приводит к увеличению её вязкости, что влечет за собой увеличение гидравлических потерь и негативное влияние на работу насосных станций. Кроме того, понижение температуры может привести к отложению парафинов на стенках трубопроводов, которые достаточно сложно удалить с помощью различного типа скребков. Для решения этой проблемы широко применяются подогреватели различных типов, в том числе индукционные. Однако большинство из них сложны в эксплуатации и не могут быть использованы в труднодоступных районах, а нагреватели простой конструкции, как правило, недостаточно эффективны. В результате анализа индукционных нагревателей [1, 2] были выявлены их основные недостатки: малая площадь поверхности теплообмена, большой зазор между обмоткой и нагревательным элементом, несовершенство нагревателей, у которых нагревательным элементом является корпус. Некоторые недостатки были устранены при разработке конструкции скребка с индукционным нагревателем [3, 4]. Но еще более эффективным представляется предлагаемое нами устройство для индукционного путевого подогрева.

Целью исследования являлась разработка и оценка параметров эффективного индукционного подогревателя нефти и нефтепродуктов, обладающего простой конструкцией (требования к эксплуатации минимальны).

Принципиальная схема предлагаемого индукционного подогревателя нефти и нефтепродуктов изображена на рис. 1. Он состоит из блока управления процессом подогрева 1, изоляции обмотки 2, обмотки (катушки индуктивности) 3, полимерного корпуса цилиндрической формы 4 с фланцами на торцах для присоединения к трубопроводу 6; устройства ввода датчиков температуры и давления 5, крепления нагревательного элемента (сердечника) 7 и металлического сердечника 8, расположенного внутри корпуса и являющегося нагревательным элементом.

Принцип действия подогревателя следующий. Электроэнергия подается на блок управления процессом подогрева 1, состоящий из автотрансформатора, инвертора частоты тока и блока обработки информации. На автотрансформаторе происходит регулирование напряжения тока. Ток необходимого напряжения поступает на инвертор, где регулируется его частота. Блок обработки информации необходим для считывания основных параметров потока (температура, давление, расход), отображения данных для обслуживающего персонала, записи изменения параметров процесса подогрева в электронный журнал. Кроме того, он используется для автоматического (с помощью компьютерной программы) регулирования процесса подогрева нефти в соответствии с заданными параметрами (температура на выходе из нагревателя) посредством изменения частоты и напряжения электрического тока. Преобразованный ток поступает на обмотку, создавая переменное магнитное поле, которое беспрепятственно проникает через полимерный корпус 4. Под воздействием этого магнитного поля в сердечнике наводится ЭДС и возникают токи Фуко, вследствие чего происходит его нагрев. Выделяющееся при этом процессе тепло передается жидкости, обтекающей нагревательный элемент. Через устройство 5 в поток жидкости после нагревателя вводятся датчики, необходимые для осуществления контроля над процессом подогрева.

Для сбора информации о процессе индукционного подогрева планируется использовать блок из трех термодатчиков. Два из них устанавливаются непосредственно за нагревательным элементом: один - в поток жидкости, выходящий из кольцевого пространства нагревателя; второй - в центральную часть потока, проходящую через полость нагревательного элемента. Третий датчик устанавливается в область, где температура потока выравнивается. Основной параметр, среднюю температуру потока, измеряет третий термодатчик, а первые два необходимы для определения разности значений температуры внутреннего и внешнего потока.

-©

-о

Рис. 1. Индукционный нагреватель нефти и нефтепродуктов:

1 - блок управления процессом подогрева; 2 - изоляция; 3 - обмотка; 4 - полимерный корпус; 5 - устройства ввода датчиков; 6 - трубопровод; 7 - крепление нагревательного элемента;

8 - металлический сердечник

Были проведены оценочные расчеты потребной мощности нагревателя. Мощность, необходимая для подогрева проточной жидкости от средней температуры 10 °С до необходимой температуры

V-л-р-Б2 , ч

N = — с (»1 - (2) ,

где V - средняя скорость течения жидкости в нефтепроводе, м/с; р - плотность нефти; Б - внутренний диаметр нефтепровода, кг/м3; с - теплоемкость нефти, МДж/(кг • К); (1, (2 - температура на входе и выходе из нагревателя, К; п - КПД индукционного нагревателя, п ~ 0,8.

Результаты расчетов в виде зависимости мощности от диаметра трубопровода изображены на рис. 2.

ш

О, м

Рис. 2. Зависимость мощности индукционного подогревателя от диаметра нефтепровода: ^ш, N1, - мощности, необходимые для подогрева малопарафинистой,

парафинистой и высокопарафинистой нефти

Как видно из рис. 2, потребная мощность, в зависимости от температуры подогрева и диаметра трубопровода, изменяется от 0,8-2,1 до 4,8-10,0 МВт. Использование нагревателя с необходимой мощностью на участке трубопровода, где начинается кристаллизация тяжелых фракций нефти, позволит полностью избежать отложений парафина. Кроме того, при нагреве нефти существенно снижается ее вязкость и, следовательно, потери мощности при перекачке. Предварительные расчеты показали, что мощность, необходимая для перекачки, снижается в 1,5—2,0 раза. При этом экономия мощности насосов при перекачке может составлять от нескольких сотен киловатт, при использовании труб без изоляции, до мегаватт, при использовании теплоизолированных труб.

Была также разработана схема управления процессом индукционного подогрева [5]. Регулирование процесса индукционного подогрева должно осуществляться на основании следующих условий: средняя температура потока должна быть равна заданной оператором (Т = Т3); значения температуры внутреннего (Т2) и внешнего (Т1) потоков должны быть равны (Т = Т2), что позволит избежать дополнительных гидравлических сопротивлений, вызванных тепловыми течениями. Контроль разницы значений температуры внутри и снаружи нагревательного элемента позволит также сделать выводы о характере неисправностей в случае их возникновения.

Далее были определены основные регулируемые параметры подогревателя. В данном случае влияние на процесс индукционного подогрева осуществляется изменением входных параметров -частоты тока и напряжения. Изменяя напряжение, можно регулировать мощность нагревателя:

N = и -1,

где и - напряжение; I - сила тока.

Изменение частоты тока позволяет регулировать толщину скин-слоя согласно формуле [1]:

Д = 503.

ІЦг • I

где р - удельное сопротивление металла нагревательного элемента; цг - относительная магнитная проницаемость металла нагревательного элемента; / - частота тока. Таким образом, увеличение частоты приводит к уменьшению толщины скин-слоя и, соответственно, глубины возникновения тепла. В результате нагрев внешней поверхности нагревательного элемента происходит более интенсивно, что приводит к увеличению температуры Т потока жидкости в кольцевом пространстве. Уменьшение частоты приводит к равномерному прогреву обоих потоков.

Процесс подогрева внешнего потока жидкости происходит в основном за счет конвективного теплообмена. Увеличение частоты приводит к уменьшению глубины проникновения магнитного поля и, следовательно, уменьшению массы прогреваемого металла, что, в свою очередь, приводит к увеличению температуры на внешней поверхности нагревательного элемента. Увеличение же разности значений температуры жидкости и сердечника приводит к интенсификации процесса конвекции.

Нагрев внутреннего потока жидкости связан не только с процессом конвекции, но и с процессом теплопроводности в теле нагревательного элемента (от внешних слоев, где индуцируется ток, к внутренним). С уменьшением частоты толщина скин-слоя растет и стремится по величине к толщине нагревательного элемента, а температура на внутренней поверхности увеличивается, что улучшает теплообмен в полости нагревательного элемента.

На рис. 3 изображена упрощенная блок-схема процесса передачи данных и управления процессом индукционного подогрева. Данные с термодатчиков поступают в устройство обработки данных, сравниваются с заданными параметрами и условиями. На основе этого сравнения на исполняющее устройство поступает задание на изменение того или иного параметра, в данном случае напряжения или частоты.

Рис. 3. Блок-схема управления процессом индукционного подогрева:

1 - индукционный подогреватель нефти и нефтепродуктов; 2 - блок термодатчиков

Р

Для исследования термодинамических процессов, протекающих при индукционном подогреве, определения эффективности разработанного подогревателя, а также для экспериментального выявления ожидаемых побочных положительных эффектов (интенсификация деэмуль-сации) разработана конструктивная схема лабораторной установки (рис. 4).

Установка состоит из задвижек 1, манометров 2, гибких шлангов 3, полимерной трубки 4, креплений нагревательного элемента 5, нагревательного элемента 6, обмотки 7, инверторного блока 8, блоков термодатчиков 9, многопозиционных переключателей 10, мультиметра 11, термометров сопротивления 12.

Рис. 4. Лабораторная установка для исследования процесса индукционного подогрева:

1 - задвижка; 2 - манометр; 3 - гибкий шланг; 4 - полимерная трубка;

5 - крепление нагревательного элемента; 6 - нагревательный элемент; 7 - обмотка;

8 - инверторный блок; 9 - блок термодатчиков; 10 - многопозиционный переключатель; 11 - мультиметр; 12 - термометр сопротивления

Принцип действия лабораторной установки следующий: производимый инверторным блоком 8 высокочастотный переменный ток подается на обмотку 7, в которой возникает электромагнитное поле. Под воздействием данного магнитного поля в металлическом сердечнике 6 наводится ЭДС, вследствие чего происходит его нагрев. Тепло передается протекающей по полимерной трубке 4 жидкости. С помощью термодатчиков сопротивления 12 (при использовании термодатчиков данного типа магнитное поле оказывает наименьшее влияние на качество измерений) осуществляется измерение температуры нагреваемой жидкости в разных участках нагревателя - как по длине, так и по площади сечения. Посредством многопозиционных переключателей 10 осуществляется переключение между отдельными термодатчиками.

Таким образом, данная конструкция лабораторной установки позволяет исследовать изменения температурных полей, на основе которых и будет производиться эмпирическое изучение процесса индукционного подогрева проточной жидкости. Кроме того, измерение температуры жидкости на входе и выходе из нагревателя позволит эмпирически определить полезную мощность нагревателя, а следовательно, и его КПД.

С помощью манометров 2 можно определить падение давления в индукционном нагревателе при использовании той или иной формы нагревательного элемента. На основе полученных данных и известных параметров потока можно эмпирически определить коэффициенты гидравлического сопротивления сердечников разных типов. Определение влияния формы сердечника на эффективность нагрева жидкости позволит сделать анализ соотношения вновь создаваемых устройством гидравлических потерь и их редукции за счет уменьшения плотности жидкости при нагреве.

В заключение необходимо отметить следующее:

1. Существующие конструкции индукционных подогревателей характеризуются рядом недостатков, таких как малая площадь поверхности теплообмена, большой зазор между обмоткой и нагревательным элементом, несовершенство нагревателей, у которых нагревательным элементом является корпус. Предложена конструкция подогревателя, лишенная этих недостатков, позволяющая полностью предотвратить появление отложений парафина и сократить расходы на перекачку.

2. Расчеты показывают, что при подогреве нефти потребуются мощности от 800 кВт до 12 МВт, в зависимости от диаметра трубопровода и состава нефти, а затраты на перекачку нефти в этом случае снижаются в 1,5—2,0 раза.

3. Выявлены основные параметры процесса, отражающие эффективность работы подогревателя, а также определены основные условия работы устройства автоматизации процесса индукционного подогрева.

4. Разработана схема лабораторной экспериментальной установки для изучения процесса индукционного подогрева жидкости. Она позволит опытным путем определить распределение значений температуры, гидравлическое сопротивление и КПД подогревателя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. - М.: Высш. шк., 1983. - 286 с.

2. Handbook of induction heating / V. Rudnev, D. Loveless, R. Cook, M. Black. - New York: Marcell Decker, Inc., 2003. - 362 р.

3. Трофименко К. В., Шишкин Н. Д. Разработка скребка с индукционным нагревателем для трубопровода парафинистой нефти нефтедобывающей платформы // Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечения безопасности экосистем Каспийского шельфа: материалы II науч.-практ. конф. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2011. - С. 137-141.

4. Шишкин Н. Д. Применение индукционного подогрева нефти при её транспортировке от месторождений на Северном Каспии // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. -

2011. - № 3. - С. 52-56.

5. Шишкин Н. Д., Трофименко К. В. Алгоритм автоматизации процесса индукционного подогрева нефти // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. -

2012. - № 1. - С. 79-84.

Статья поступила в редакцию 6.04.2012

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Трофименко Константин Викторович - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов»; konstantintrofimenko@mail.ru.

Trofimenko Konstantin Victorovich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Machines and Equipment of Oil and Gas Fields"; konstantintrofimenko@mail.ru.

Шишкин Николай Дмитриевич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов»; n.shishkin-53@mail.ru.

Shishkin Nickolay Dmitrievich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Head of the Department "Machines and Equipment of Oil and Gas Fields"; n.shishkin-53@mail.ru.