Алгоритм автоматизации процесса индукционного подогрева нефти

УДК 681.322:[621.644:665.6]

Н. Д. Шишкин, К. В. Трофименко

АЛГОРИТМ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ИНДУКЦИОННОГО ПОДОГРЕВА НЕФТИ

N. D. Shishkin, K. V. Trofimenko

ALGORITHM OF AUTOMATION OF THE PROCESS OF INDUCTION OIL HEATING

Для достижения автономности систем индукционного подогрева парафинистой нефти предлагается использовать программируемые устройства обработки данных и контроля параметров. Основным технологическим параметром, характеризующим работу индукционного нагревателя нефти и нефтепродуктов, является установившаяся температура жидкости на выходе из нагревателя. Регулирование процесса индукционного подогрева должно осуществляться на основании следующих условий: средняя температура потока должна быть равна заданной оператором, значения температуры внутреннего и внешнего потоков должны быть равны. Влияние на процесс индукционного подогрева осуществляется изменением входных параметров - частоты тока и напряжения. 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. Разработан алгоритм работы автоматического контролирующего устройства, на основе которого должно осуществляться его программирование.

Ключевые слова: автоматизация, индукционный подогрев, нефть и нефтепродукты, автономность, алгоритм, частота тока, скин-слой, основной параметр, регулируемые параметры, термодатчик, условие регулирования.

For achievement of autonomy of systems of induction paraffinic oil heating it is offered to use programmed devices of the data processing and control of parameters. The basic technological parameter characterizing the work of the induction heater of oil and oil products is the fixed temperature of liquid at the exit from the heater. Regulation of the process of induction heating should be carried out on the basis of following conditions: the average temperature of the stream should be equal to the temperature set by the operator, temperature values of internal and external streams should be equal. Influence on the process of induction heating is made in the result of change of input parameters - frequency of current and pressure. The data from temperature-sensitive elements arrive in the data processing device; they are compared with the set parameters and conditions. On the basis of this comparison the task for change of this or that parameter arrives at the executing device. The algorithm of work of the automatic supervising device, on the basis of which its programming should be carried out, is developed.

Key words: automation, induction heating, oil and oil products, autonomy, algorithm, frequency of current, skin-layer, key parameter, adjustable parameters, temperature-sensitive element, regulation condition.

Одним из наиболее распространенных видов транспорта нефти и нефтепродуктов является трубопроводный транспорт. Число строящихся трансконтинентальных трубопроводов непрерывно растет. В настоящее время в Европе строятся или находятся в стадии проектирования трубопроводы для транспортировки нефти и нефтепродуктов общей протяженностью около 40 тыс. км. В топливный баланс во все больших объемах вовлекаются высоковязкие нефти с высоким содержанием парафина и асфальтосмолистых веществ, достигающем 6 % и более. Для их перекачки требуются совершенствование существующей и разработка новой технологии, совершенствование методов подготовки нефтей к транспортировке, эксплуатации самих трубопроводов и насосных станций.

При транспортировке нефти по трубопроводам в холодный период года возникает проблема, связанная с охлаждением транспортируемой жидкости, которая приводит к кристаллизации тяжелых фракций нефти и, как следствие, отложению парафинов и асфальтосмолистых веществ, а их избыточное накопление на стенках трубопроводов делает практически невозможной дальнейшую транспортировку. Поэтому весьма актуальным представляется совершенствование систем подогрева парафинистых нефтей, в частности, с использованием индукционного подогрева [1].

Преимуществами индукционного подогрева являются автономность и возможность автоматического управления его работой. Автономность работы такого устройства может быть основана на применении в качестве источника электроэнергии устройств и энергокомплексов, использующих возобновляемые источники энергии [2]. Система автоматизации процесса индукционного подогрева позволит:

— экономично использовать энергоресурсы, т. к. поддерживает значения параметров процесса индукционного подогрева равными или близкими к оптимальным;

— получать информацию о процессе индукционного подогрева в реальном времени;

— изменять температуру нагреваемой жидкости;

— осуществлять удаленное управление процессом подогрева;

— автоматически отключать индукционный нагреватель в случае превышения основными параметрами критических значений.

Для этого могут быть использованы программируемые устройства обработки данных и контроля параметров. При разработке такого устройства, как индукционный подогреватель нефти (ИПН), прежде всего необходимо разработать алгоритм работы автоматического устройства, контролирующего процесс подогрева нефти.

Целью работы является разработка алгоритма автоматизации процесса индукционного подогрева нефти и нефтепродуктов. Для этого прежде всего необходимо определить основные регулируемые параметры процесса индукционного подогрева, регулирующие параметры и условия стабильной автономной работы ИПН.

В качестве контролируемого устройства выбран предлагаемый нами ИПН. Принципиальная схема данного аппарата изображена на рис. 1. Он состоит из блока управления процессом нагрева 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, а также металлического сердечника 8, расположенного внутри корпуса и являющегося нагревательным элементом.

Рис. 1. Индукционный подогреватель нефти: 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

Принцип действия нагревателя следующий. Электроэнергия подается на блок управления процессом подогрева 1, состоящий из автотрансформатора, инвертора частоты тока, а также блока обработки информации. На автотрансформаторе происходит регулирование напряжения и силы тока. Т ок 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 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 данного магнитного поля в сердечнике наводится ЭДС, вследствие чего, за счет потери мощности, происходит его нагрев. Выделяющееся при этом процессе тепло передается обтекающей нагревательный элемент жидкости. Через устройство 5 в поток жидкости после нагревателя вводятся датчики, необходимые для осуществления контроля над процессом подогрева.

Основным параметром, отражающим эффективность работы ИПН, является установившаяся температура жидкости на выходе из подогревателя. Для сбора информации о процессе индукционного подогрева можно 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.

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

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

N = и  I,

где и - напряжение; I - сила тока.

Изменение частоты тока позволяет регулировать толщину скин-слоя согласно формуле

А = 503 /—Г— ,

К • /

где р - удельное сопротивление металла нагревательного элемента; цг - относительная магнитная проницаемость металла нагревательного элемента; / - частота тока [3]. 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 [4], что приводит к увеличению температуры (Т^ потока жидкости в кольцевом пространстве. Уменьшение частоты приводит к равномерному прогреву обоих потоков.

Рассмотрим изменение толщины скин-слоя в нагревательном элементе, изготовленном из мягких марок сталей (р = 0,14 Ом • м; цг = 2 200) в зависимости от частоты электромагнитного поля. Эта зависимость приведена на рис. 2.

1, Гц

Рис. 2. Зависимость толщины скин-слоя от частоты индуцируемого тока

Как видно из графика, регулирование частоты наиболее эффективно в диапазоне от 50 до 200 Гц. При частоте свыше 200 Гц кривая толщины скин-слоя принимает более пологий характер, таким образом, изменение частоты тока приведет лишь к незначительному изменению глубины проникновения электромагнитного поля. На основе подобного графика, в зависимости от материала сердечника, выбирается диапазон частот для эффективного регулирования процесса подогрева.

На рис. 3 показано, как изменяется температура внешнего потока в зависимости от рабочей частоты.

Гц

Рис. 3. Зависимость температуры внешнего потока от частоты индуцируемого тока

Процесс нагрева внешнего потока жидкости происходит в основном за счет конвекции. 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 теплопроводностью в теле нагревательного элемента от внешних слоев, где индуцируется ток, к внутренним. Таким образом, зависимость температуры внутреннего потока от рабочей частоты носит совершенно другой характер (рис. 4).

1, Гц

Рис. 4. Зависимость температуры внутреннего потока от частоты индуцируемого тока

С уменьшением частоты толщина скин-слоя растет и стремится по величине к толщине нагревательного элемента, следовательно, процесс теплопередачи в теле металла сводится к минимуму, а температура на внутренней поверхности увеличивается, что улучшает теплообмен в полости нагревательного элемента.

Графическим решением уравнения относительно средней температуры потока жидкости на выходе из нагревателя и оптимальной частоты является точка пересечения кривых Т1 и Т2.

На рис. 5 изображена упрощенная блок-схема процесса передачи данных и управления процессом индукционного подогрева.

Автотрансформатор

nz:

ИнВертер

Исполняющее

устройство

Ж

Устройство обработки данных

) П . )

)

Рис. 5. Блок-схема управления процессом индукционного подогрева: 1 - ИПН; 2 - блок термодатчиков

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.

На рис. 6 изображен алгоритм работы устройства автоматизации работы ИПН. Оператор производит пуск индукционного нагревателя, задает необходимую температуру нагрева жидкости. При достижении заданной температуры включается устройство автоматической регуляции параметров процесса индукционного подогрева.

Рис. 6. Алгоритм автоматизации ИПН

Данные с термодатчика 3 сравниваются с заданной температурой. В случае если температура жидкости ниже заданной, производится повышение напряжения - увеличивается мощность нагревателя, следовательно, увеличивается температура. Когда температура жидкости и заданная выравниваются, устройство возвращается в рабочий режим с новым значением напряжения. Если температура остается меньше заданной, устройство уведомляет об этом оператора посредством вывода сообщения на встроенный дисплей и на пункт обслуживания посредством GPS.

В случае повышения напряжения до заданного для данной модели нагревателя критического значения производится аварийная остановка нагревателя. При превышении температурой жидкости заданного значения осуществляется понижение напряжения. Если температура остается выше заданной, устройство уведомляет об этом оператора, выводя сообщения на встроенный дисплей и на пункт обслуживания посредством GPS. В случае превышения температурой жидкости заданного для данной модели нагревателя критического значения производится аварийная остановка нагревателя.

Данные с термодатчиков 1 и 2 сравниваются между собой и в случае, если расхождение значений температуры больше, чем заданное предельное расхождение, устройство автоматизации начинает изменять частоту тока. Если температура внешнего потока жидкости больше температуры внутреннего, производится уменьшение частоты тока, если меньше, то производится увеличение частоты. В случае сохранения разницы значений температуры потоков устройство уведомляет об этом оператора, выводя сообщения на встроенный дисплей и на пункт обслуживания посредством GPS. При выходе из диапазона рабочих частот в процессе регуляции параметров устройством автоматизации производится аварийная остановка нагревателя.

Таким образом, разработанные схемы управления процессом индукционного подогрева и алгоритм автоматизации ИПН позволят обеспечить его стабильную автономную работу в оптимальном режиме.

В заключение необходимо отметить следующее:

1. Определены основные регулируемые параметры процесса в ИПН: заданная температура подогрева нефти и нефтепродуктов Т3; значения температуры внешнего Т1 и внутреннего Т2 потоков, отражающие эффективность работы нагревателя, а также регулирующие параметры: напряжение U, частота тока/, изменение которых приводит к изменению регулируемых параметров.

2. Выявлено влияние частоты тока на толщину изменения скин-слоя А, температуру внешнего потока Т1 и температуру внутреннего потока Т2.

3. Заданы основные условия автоматизации процесса индукционного подогрева, на основе которых разработана упрощенная блок-схема процесса передачи данных и управления процессом индукционного подогрева.

4. Разработан алгоритм работы контролирующего устройства ИПН, на основе которого должно осуществляться его программирование для стабильной автономной работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 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.

2. Шишкин Н. Д. Системный подход к анализу энергокомплексов с возобновляемыми источниками энергии // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2009. - № 2. - С. 29-35.

3. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. - М.: Высш. шк., 1983. - 463 с.

4. Handbook of induction heating / V. Rudnev, D. Loveless, R. Cook, M. Black. - N. Y.: Marcell Decker, Inc., 2003.

Статья поступила в редакцию 9.11.2011, в окончательном варианте - 15.12.2011

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

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.

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