Разработка конструкции и расчет основных параметров индукционного подогрева нефти

Астраханский Государственный  Технический Университет

 

 

Кафедра «Нефтегазовое дело»

 

 

 

 

 

Реферат

на тему:

«Разработка конструкции и расчет основных параметров индукционного подогрева нефти»

 

 

 

                                                                       Выполнил:

                                                                                                    Ст.гр.ДНТМ-11м Югай Д.В.

                                                                     Проверил:

                                                                               доц. Синяк С.В. 

 

 

 

 

 

 

Астрахань, 2013

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………..3

Принцип индукционного нагрева…………………………………………4

Скоростной подогреватель  нефти…………………………………………5

Предлагаемый индукционный нагреватель………………………………7

Заключение…………………………………………………………………12

Список используемой литературы…………………………….…………13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

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.

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.  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.

Принцип индукционного  нагрева

Индукционный нагреватель  представляет собой установку, схожую по устройству с трансформатором, который состоит из двух контуров. Первичный контур - катушки обмотки, вторичный контур - теплообменное устройство.

                       

Рис 1. Индукционный нагрев

Под воздействием переменного  магнитного поля, создаваемого катушкой, в металле теплообменного устройства индуцируется токи, вызывающие его  нагрев. Тепло от нагретых поверхностей теплообменного устройства передается нагреваемой среде. 

Установки индукционного  нагрева - это лучшая, с точки зрения надежности, безопасности и энергоэффективности, альтернатива другим типам нагревателей. Однако индукционные нагревали еще до недавнего времени не находили широкого распространения из-за сложности обеспечения достаточных энергетических характеристик при использовании токов промышленной частоты.

 

Скоростной подогреватель  нефти (СПН)

Подогрев нефти – многогранная и серьезная проблема для многих нефтедобывающих компаний. Нагревать  нефть приходится довольно часто  – в различных условиях и для  различных целей: перед узлами учета, при зимней эксплуатации низкодебитных скважин и в ряде других случаев.

Скоростной подогреватель  нефти (СПН и СПН-М) используется для нагрева жидкостей (нефти  и нефтяной эмульсии) в технологических  трубопроводах при помощи промежуточного теплоносителя (тосола, этиленгликолевой смеси, воды).

                           

Рис 2. СПН

СПН представляют собой комплектную  установку, состоящую из узла  нагрева "Титан", скоростного теплообменного устройства и теплотехнической "обвязки".

В модульном исполнении (СПН-М) узлы нагрева размещаются в компактных транспортабельных контейнерах, оснащенных автономным отоплением и освещением.

При разработке СПН особое внимание уделялось безопасности, надежности и неприхотливости установки. Оборудование отлично зарекомендовало себя в  самых неблагоприятных условиях Крайнего Севера. С помощью установки  СПН можно производить подогрев:

- Высоковязкой нефти;

- Нефти при зимней эксплуатации низкодебетных скважин;

- Нефти перед узлами  учета; 

- Нефти при перекачке.

 

Таблица 1. Параметры СПН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предлагаемый  индукционный нагреватель

В качестве контролируемого  устройства выбран предлагаемый нами ИПН. Принципиальная схема данного аппарата изображена на рис. 3. 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.

 

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. 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 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 (Т1)  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:

                                                        

где U – напряжение; I –  сила тока.

Изменение частоты тока позволяет  регулировать толщину скин-слоя согласно формуле

                                                     

где ρ – удельное сопротивление  металла нагревательного элемента; µr

 – относительная магнитная проницаемость металла нагревательного элемента; f – 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 (Т1) 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 (ρ = 0,14 Ом · м; µr = 2 200) в зависимости от частоты электромагнитного поля. Эта зависимость приведена на рис. 4.

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. 5 показано, как изменяется температура внешнего потока в зависимости от рабочей частоты.

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. 6).

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

1. При перекачке парафинистых нефтей от морских нефтедобывающих платформ к подводным хранилищам нефти, на внутренней поверхности труб образуются АСПО,  которые существенно затрудняют транспортировку нефти,  увеличивая гидравлические сопротивления и, следовательно,  энергозатраты.  Уровень АСПО может стать критическим,  что сделает невозможной дальнейшую перекачку нефти.

2. Индукционный подогрев для предотвращения образования АСПО может быть реализован в электромагнитном депарафинизаторе с индукционным нагревом, представляющем собой модуль-секцию части нефтепровода.  Преимущества предлагаемого устройства:  более высокая эффективность совместного воздействия магнитного поля и индукционного нагрева, исключение применения химических реагентов, возможность эксплуатации нефтепроводов при низких значениях температуры, а также возможность управления режимом технологического процесса  с помощью подключения контроллера.