автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Индукционная нагревательная система для нефтепроводов

На правах рукописи

ХЛЮПИН Павел Александрович

ИНДУКЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НЕФТЕПРОВОДОВ

Специальность: 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

28 0КТ 20)5

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2015

005563732

005563732

Работа выполнена на кафедре электротехники и электрооборудования предприятий ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Конесев Сергей Геннадьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Данилушкин Александр Иванович профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Шуляк Александр Анатольевич

директор ООО «НПП «Электротерм»

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский

государственный технический

университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск

Защита диссертации состоится 11 декабря 2015 г. в 12— часов на заседании диссертационного совета Д 212.288.02 на базеФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационныйтехнический университет» по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» и на сайте www.ugatu.su.

Автореферат разослан « 16 » октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., доцент ^—А. Ю. Демин

Общая характеристика работы

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 JI.P. Нейман, A.B. 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, C.B. Дзлиев, М.Н. Кудряш, Г.И. Бабат, A.M. 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, A.M. Батищев, Д.А. Зинатуллин, M.JI. Струпинский, H.H. 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:

1. 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.

2. Создание компьютерной модели ИНС с индуктивно-емкостным преобразователем и исследование на ее основе электрофизических процессов для определения наиболее эффективных режимов работы ИНС.

3. Разработка инженерной методики расчета источника питания и индуктора ИНС протяженных объектов и объектов со сложной поверхностью.

4. Разработка технических решений эффективной ИНС для подогрева взрывоопасных текучих сред при их транспортировке по нефтепроводам; практическая реализация и внедрение разработанных устройств.

Научная новизна

1. 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.

2. 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).

3. Разработана компьютерная модель источника вторичного электропитания ИНС с индуктивно-емкостным преобразователем (патент РФ на изобретение № 2407136), позволяющая исследовать процессы формирования энергии в индукторе.

4. Разработаны новые схемотехнические решения систем электротермического воздействия и их источников питания (патенты РФ на изобретение № 2415517, № 2417563, № 2325026, № 2407136, № 2412521 №2496281).

Практическая значимость работы

1. Разработаны математические модели, позволяющие определить оптимальные тепловые поля ИНС для различных технологических режимов нефтепроводов.

2. Получены результаты моделирования тепловых полей, позволяющие определять схемные решения и режимы работы ИНС.

3. Разработана инженерная методика расчета индукторов ИНС протяженных объектов сложной геометрии.

4. Разработанные схемотехнические решения новых устройств позволяют уменьшить массогабаритные показатели ИНС.

5. 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:

1. Компьютерные модели для определения тепловых полей ИНС с учетом технологических режимов течения жидкости в нефтепроводе и исследования тепловых процессов на их основе.

2. Результаты исследования функционирования системы «индуктор-трубопровод-текучая среда» для стационарных и динамических режимов на основе разработанных компьютерных моделей.

3. Результаты исследования работы источника вторичного электропитания ИНС в программном комплексе Matlab.

4. 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. Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность решаемых задач, приводятся основные положения и результаты, выносимые на защиту, отмечается их новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ проблем регулирования реологических свойств перекачиваемой нефти, а также проблем формирования теплового поля

и сформулированы научно-технические задачи исследования. Анализируются современные методы и устройства воздействия на вязкость нефти, эффективность их применения и недостатки. Рассматриваются существующие неэлектрические и электрические системы теплового воздействия на реологические свойства вязкой и высоковязкой нефти и отмечаются их недостатки. Обозначена необходимость разработки новых, энергоэффективных электротермических систем воздействия на реологические свойства вязкой и высоковязкой нефти.

Проведенный анализ подтвердил актуальность проблемы, позволил обосновать необходимость создания новой электротермической системы на основе индукционного нагрева и сформулировать основные задачи работы.

Во второй главе произведена оценка эффективности передачи тепла в существующих системах нагрева нефти. Разработаны компьютерные модели для различных технологических режимов при перекачке вязкой и высоковязкой нефти по промысловым и магистральным трубопроводам. Предложен алгоритм расчета теплового воздействия для индукционной нагревательной системы.

На рисунке 1 представлена блок-схема процесса нагрева нефтепровода с учетом параметров ИНС.

Рисунок 1 - Блок-схема процесса нагрева нефтепровода с учетом параметров ИНС

При перекачке вязкой и высоковязкой нефти по трубопроводам возможны три технологических режима: аварийный режим, который характеризуется застыванием продукта в пространстве трубы («замерзший» трубопровод), режимы ламинарного и турбулентного течения.

В систему уравнений, описывающих передачу тепла в гидродинамических системах, входят уравнения теплоотдачи, неразрывности, энергии и движения.

1 режим - Аварийный режим, характеризующийся «замерзанием» жидкости в трубе. В данном случае текучая среда имеет твердое агрегатное состояние, что позволяет сделать ряд допущений, не сильно отражающихся на сути протекающих физических процессов. По результатам моделирования получены зависимости времени прогрева жидкости по всему сечению при различном внешнем температурном поле (рисунок 2) и график распределения температуры жидкости при достижении установившейся температуры в пристенном слое (рисунок 3).

Для расчета скорости распределения температурного поля используется пакет прикладных программ Ма11аЬ. Программа позволяет с допустимой точностью рассчитать требуемое значение температурного градиента (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2014618090).

2500 т. с

-40 -20 0 20 й, мм 40

Рисунок 2 - График зависимости времени нагрева от внешней температуры воздействия для трубы диаметром 80 мм

-40 -20 0 20 (1, мм 40

Рисунок 3 - График распределения температуры по диаметру трубы при достижении значения пристенного слоя 90 °С для трубы диаметром 80 мм

2 режим - ламинарный, при котором скорость в потоке жидкости изменяется от стенки трубы, значения близкие к нулю, до центра, максимальная скорость потока (1).

3 режим - турбулентный, при котором скорость в потоке жидкости практически одинакова и практически не изменяется по сечению (2).

Уравнение передачи энергии 01, в(, д! (д1! , 1 0( , 1 Л ^Л »V

Уравнения движения жидкости

дтг _ дт г дг г дц> г А / ?соЛ | 1 сГ(Ог Иг 2 дозф\ \г с>\ дг) г2 еф2 г2 г2 д<р) * оусОф _

^^ ¿?Шф ^ Шф с'Юф yjr wq, _ дт г дг г с*ф г

(I JLf ^уЛ | 1 д2юФ соф 2 ЗозЛ г дг\ дг J г2 дуг г- г2 /

gm.- Л 5 ( . '

Г дг г С'ф Vr дг \ дг) rL ) '

Уравнение неразрывности 1 есгш,) 11 г дг г д ф

Уравнение теплоотдачи «=" —(f)

,(1)

Уравнение передачи энергии

oi 5f /d2t I dt 1 Л о

—-Ко. —=а + —

ст " dz удг2 rar г- о(|г б-/ рс;, Уравнение движения жидкости „2

5шг mJ (и юг шД

бю,

И-

_^ ьу-Мф

(д2^ Шф'

8mz Seo. в2«,.

сог=0, шф=0 Уравнение неразрывности ош.

Уравнение теплоотдачи

,(2

где г, ф, г - параметры цилиндрической системы координат; сот, соу, со, - скорость движения жидкости (газа) в направлении осей х, у и I соответственно; qv - внутренний источник тепла, Вт/м3; V - кинематическая вязкость, м2/с; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К).

Модель передачи тепла от ИНС при ламинарном и турбулентном режиме течения жидкости позволяет провести анализ и получить результаты об участках расположения ИНС по длине нефтепровода. Для режимов ламинарного

(рисунок 4, а) и турбулентного (рисунок 4, б) течений представлены распределения температуры жидкости по длине трубопровода с участками воздействия ИНС и без.

Рисунок 4 - Распределение температуры по оси потока для различных диаметров труб теплообменника при ламинарном (а) и турбулентном (б) течении: 1 - с1вн=70 мм; 2 - ()вн=76 мм; 3 - с1,„=100 мм

Результаты моделирования позволяют определить необходимый температурный градиент и протяженность участков теплового воздействия ИНС с учетом режима течения жидкости.

По результатам исследований, проведенных с помощью разработанных моделей предложены алгоритмы для расчета участков нагрева и охлаждения нефтепроводов. Алгоритмы позволяют определить участки расположения индуктора на объекте нагрева.

В таблице 1 приведены коэффициенты пересчета протяженности участков теплового воздействия ИНС, полученные по результатам моделирования теплопередачи для различных условных диаметров промысловых трубопроводов относительно рабочего диаметра 65 мм при разогреве жидкости на ДТ=40 °С.

Таблица 1 - Коэффициенты пересчета для участка трубопровода и градиента температурного воздействия

V», м/с Коэффициент пересчета-у"а"1" ти*ы "1- температурного градиента Кт

при рабочем диаметре технологического трубопровода, мм

65 80 90 100 125 150

0,1 1 1,6 1,68 1,8 2,28 2,64

1 1,11 1,19 1,28 2.4 1,82

0,5 5,36 7,6 8,08 8,4 10.32 11,6

1,53 2,05 2,99 4,12 8,16 16,73

1 10,48 12,32 13,16 13,76 15,6 17

2,68 3,16 5,18 6,47 11,24 19,53

Третья глава посвящена разработке и исследованию системы индукционного нагрева с различными вариантами исполнения источника питания в сочетании с индуктором сложной геометрии с учетом результатов исследования процессов передачи тепла, при различных гидродинамических режимах течения жидкости.

По результатам исследований тепловых моделей разработана методика расчета одновитковых индукторов сложной геометрии витка, учитывающая особенности траектории и поверхности нагреваемых объектов.

Особенность инженерной методики заключается в совместном нахождении параметров системы «источник-нагрузка» с учетом геометрии участка трубопровода, наличия узлов и элементов, требуемого температурного диапазона нагреваемого продукта. В отличие от существующих методик расчета сложная электрическая схема замещения «источник-индуктор-нагрузка» представлена в виде дробления на типовые участки нагрева и расчетов параметров отдельно взятых участков.

Разработан универсальный алгоритм для проведения инженерного расчета индукционной нагревательной системы, в котором заложен принцип дробления участков промыслового трубопровода на однотипные участки с одинаково протекающими процессами (рисунок 5).

Рисунок 5 - Алгоритм синтеза индукционной нагревательной системы

Для типовых участков нефтепровода определены варианты расположения индуктора, распределения магнитного поля и потоков (рисунок 6).

Разработаны и предложены магнитные и электрические схемы замещения для участков нефтепровода различной конфигурации. В качестве примера на рисунке 7 представлены магнитная и электрическая схемы замещения индуктора для участка «фланец».

Рисунок 7 - Магнитная (а) и электрическая (б) схемы замещений индуктора

Согласно инженерной методики, для согласованного режима работы источника и нагрузки для каждого участка трубопровода предложена методика расчета индуктивности нагревательного контура (таблица 2).

Таблица 2 - Индуктивность нагревательного контура для различных участков нефтепровода__

Объект нагрева Формула Примечание

1-.Л F- коэффициент в зависимости от расстояния между витками

Ц))))))))))',

-'/У? .......е^-из^зЦ ¿к - индуктивность кольца, и - индуктивность кривого участка, £ - коэффициент зависящий от угла

■ь Ягаг 1 Ь Ьц „п 2л(1п^-1,75) 2 • (Г;" Яз+^йз +->№+2 г)2

/ йпг К Л=1в+1е-2 М=«0ц0Д (1п - -1,75+, 2 ) +

Результирующее значение индуктивности контура сложной геометрии находится алгебраической суммой индуктивностей элементов обогреваемого трубопровода

где 5] Ья - сумма индуктивностей линейных участков с одним витком, £1в - сумма индуктивностей линейных участков с навитым индуктором, Е £ф - сумма индуктивностей участков «фланец», Ц L3 - сумма индуктивностей участков «задвижка», £ L0 - сумма индуктивностей криволинейных участков.

Потребляемый индуктором ток в зависимости от частоты, индукции и геометрии объекта определяется как

I |5ст('с1-'с2)(РстСсг(2Д(Д+^)-(Д-дг)2)-2Хст(Д-Д-2г))

и 4,44-wf-L N 2Rx-2Ax-x2 ' ^ '

где w - число витков, /- частота тока индуктора, L - индуктивность, I - длина объекта нагрева, 8СТ — удельное электрическое сопротивление стали, Д - глубина проникновения тока в объект нагрева, tc, - температура объекта нагрева на глубине Д, tc2 - температура внутренней стенки объекта нагрева, рст - плотность стали; сст -теплоемкость стали, R - внешний радиус объекта нагрева; x=R-(A-rx) - толщина участка трубы без тока; гу - условный радиус объекта нагрева; Яст- коэффициент теплопередачи трубы.

Разработана компьютерная модель источника вторичного электропитания ИНС с элементами на основе разработок автора (рисунки 8, 9).

Рисунок 8 - Система заряда ЕН: 1 - источник питания постоянного напряжения; 2 - инвертор напряжения; 3 - многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент; 4 — согласующий трансформатор; 5 — диодный мост; 6 — емкостной накопитель

Рисунок 9 - Модель системы заряда ЕН на базе мостовой схемы с ИЕП в среде МАТЬАВ

Для анализа эффективности разработанной индукционной нагревательной системы и подтверждения адекватности разработанных моделей создан экспериментальный стенд, состоящий из двух одинаковых труб, источниками нагрева которых были саморегулирующийся нагревательный кабель и индуктор.

90.26£ 1

О | -80 -60

У -20

1.15X5 1г1

Рисунок 10 - Термографическое изображение объекта с индуктором (а, б) через 90 минут

А

*

Рисунок 11 - Изменение температуры трубы во времени при использовании различных систем нагрева

Рисунок 12 - Потребляемый ток индукционной и резистивной системами нагрева в течение первой минуты

По результатам эксперимента определено, что разработанная индукционная нагревательная система в сравнении с нагревательным саморегулирующимся кабелем обеспечивает в 2,6 раза более быстрый нагрев объекта при низких значениях пускового тока. При этом обеспечиваются требования пожарной безопасности, так как температура индуктора повышается незначительно.

В четвертой главе приводятся описания разработанных новых технических решений системы индукционного нагрева для нефтепроводов на основе проведенных исследований и анализа эффективности индукционного нагрева. Также приведены разработки элементов, входящих в источник питания системы среднечастотного индукционного нагрева.

На рисунке 13 представлена схема магнитного генератора импульсов на основе многофункционального компонента, входящего в состав устройства преобразования и управления системой среднечастотного индукционного нагрева. Данная схема позволяет снизить массу и габариты установки за счет объединения ЬС-контура в единый многофункциональный компонент.

В качестве стабилизатора выходного тока в системе среднечастотного индукционного нагрева применяется трехфазный индуктивно-емкостной преобразователь (рисунок 14).

А 8 С

1_

Рисунок 13 - Схема магнитного генератора импульсов

(патент №2325026): 1 - источник питания, 2 - зарядный (токоформирующий) элемент, 3 — коммутирующий ключ, 4 — насыщающийся трансформатор, 5 - цепь нагрузки, 6,7 - проводящие обкладки многофункционального компонента свернутые в спираль, 8 - диэлектрик, 9 — магнитная связь вторичной обмотки насыщающегося трансформатора, 10,11,12,13 -токовыводы

Рисунок 14— Трехфазный индуктивно-емкостной преобразователь (патент №2412521): 1, 2, 3 - три ЬС-контура, выполненные в едином конструкторско-технологическом компоненте; 4 - нагрузка (индуктор)

Разработана установка индукционного нагрева трубопроводов с использованием системы среднечастотного индукционного нагрева трубопроводов вязкой и высоковязкой нефти с индуктором сложной конфигурации (патент № 2415517). При непосредственно участии автора разработана установка индукционного нагрева жидкости, теплообменник которой выполнен в виде змеевика для концентрации тепловой мощности (патент № 2417563).

Для повышения ремонтопригодности протяженных объектов и снижения затрат на монтажные работы индуктора на протяженных объектах был разработан способ монтажа индуктора на протяженных объектах (патент № 2496281).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны требования к электрофизическим источникам нагрева аномально вязкой нефти, созданы компьютерные модели передачи тепла от индукционной нагревательной системы аномально вязкой жидкости при различных технологических режимах течения в нефтепроводах, позволяющие проводить исследование процессов разогрева жидкости при различной конфигурации теплообменника. Показан процесс передачи тепла от индукционной нагревательной системы движущейся жидкости за счет регулирования сочетаний параметров скорость жидкости-рабочий диаметр-тепловой градиент. Определено, что с увеличением скорости течения нагреваемой жидкости свыше 1 м/с, требуемая длина нагреваемого участка превышает 250 м, что приводит к повышенному

потреблению энергии за счет увеличения температурного градиента более чем на 40 %. По результатам исследований предложены алгоритмы компьютерной программы для расчета и определения участков нагрева ИНС и охлаждения нефтепровода при заданном температурном диапазоне нагреваемой жидкости (свидетельство на программу ЭВМ № 2014618090).

2. Разработана компьютерная модель индукционной нагревательной системы с индуктивно-емкостным преобразователем, защищенным патентами РФ № 2407136, № 2412521. Особенностью модели является учет специфики объекта моделирования, заключающейся в исполнении индуктивно-емкостного преобразователя, с целью уменьшения массы и габаритов устройства, в виде гибридного электромагнитного компонента, выполняющего функции конденсатора, катушки индуктивности, коммутационного контура и первичной обмотки трансформатора. Исследование, с помощью модели, электрофизических процессов в разработанном источнике питания ИНС с одновитковым индуктором сложной геометрии позволило определить энергоэффективные режимы функционирования ИНС для протяженных объектов (более 100 м), и по результатам моделирования осуществить выбор оптимального схемотехнического решения источника питания ИНС, определить параметры индуктивно-емкостного преобразователя для заряда блока емкостных накопителей с КПД 89 %.

3. По результатам исследований компьютерных моделей разработана инженерная методика расчета индукторов объектов сложной геометрии для нефтепроводов. Методика учитывает особенности формирования неравномерных тепловых потоков одновитковым индуктором на протяженном нефтепроводе, состоящим из элементов с различными физико-геометрическими параметрами, при обеспечении глубины регулирования выделяемой тепловой мощности от 10 до 100 % от номинального значения мощности источника вторичного электропитания. По результатам промышленных внедрений произведена оценка точности методики, расхождения теоретических и экспериментальных данных, составило не более 15 %. Методика позволяет на стадии проектирования ИНС трубопроводов (патенты на изобретение № 2415517, № 2417563) определить конфигурацию индуктора, обеспечивающую формирование магнитного поля, индуцирующего вихревые токи в теле протяженного и неоднородного объекта нагрева и гарантирующего диапазон рабочих температур (30 - 80 °С) нефтепровода.

Предложен оригинальный способ монтажа индуктора, защищенный патентом на изобретение РФ № 2496281, позволяющий осуществлять эффективный монтаж индукторов на сложных протяженных объектах, производить ремонтные работы на трубопроводах без нарушения целостности индуктора. Разработаны рекомендации по созданию и проектированию индукционных нагревательных систем с индуктором сложной геометрии для нагрева нефтепроводов.

4. На основе разработанных компьютерных моделей исследованы различные технологические режимы промысловых и магистральных трубопроводов, получены результаты формирования и передачи тепловой энергии от индукционной нагревательной системы нагреваемому объекту. Показана

эффективность применения распределенных по длине трубопровода источников низкоградиентного нагрева для регулирования реологических свойств текучих сред, перекачиваемых по нефтепроводам. Определено, что при увеличении температуры воздействия на 25%, длина нагреваемого участка уменьшается на 31%, а при 40% - на 44%. При разогреве система обладает высокой скоростью, превышающей в 2,6 раза скорость нагрева системой с саморегулирующимся кабелем. Доказана энергетическая эффективность индукционной нагревательной системы с индуктором сложной геометрии. ИНС потребляет в 2,9 раза меньше энергии, чем система с нагревательным саморегулирующимся кабелем. Показано, что применение ИНС уменьшает совокупное энергопотребление «насосный агрегат-ИНС» при перекачке вязкой нефти в 1,21 - 1,36 раза при температурном градиенте 25 СС за счет замены насоса на насос с меньшей мощностью при неизменной производительности. Учитывая затраты энергии на нагрев, суммарное потребление в год снизится при подаче насоса 50 м3/ч - в 17,5 раз, 60 м3/ч - в 18,4 раза, 70 м3/ч - в 19,1 раза, 80 м3/ч - в 19,8 раз.

Разработаны и внедрены схемотехнические решения элементов источника вторичного электропитания и электротехнических устройств, которые легли в основу индукционной нагревательной системы для нефтепроводов, защищенные патентами на изобретение.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях по перечню ВАК:

1. Хлюпин П.А. Математическая модель тепловых режимов изотермических трубопроводов / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2008. - №3(13). - С. 46-47.

2. Хлюпин П.А. Экологичные нагревательные системы для объектов транспорта и хранения вязкой нефти / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин // Безопасность жизнедеятельности. 2012. - №7. - С. 43^17.

3. Хлюпин П.А. Оценка эффективности теплового воздействия электротермических систем / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин // Научно-технический журнал. Нефтегазовое дело. 2012. Т. 2. -№3. - С. 92-95.

4. Хлюпин П.А. Анализ динамики патентования методов и устройств регулирования реологических свойств высоковязкой нефти / С.Г. Конесев, Р.Т. Хазиева, П.А. Хлюпин, Э.Ю. Кондратьев // Нефтегазовое дело: электрон, науч. журн - 2013. - №5. URL: http://wvyw.ogbus.ru/authors/KonesevSG/KonesevSG 1 .pdf.

5. Хлюпин П.А. Индукционные нагревательные системы для протяженных нефтепроводов / С.Г. Конесев, Р.В. Кириллов, Э.Ю. Кондратьев, М.Р. Садиков, Р.Т. Хазиева, П.А. Хлюпин // Научно-технический журнал. Нефтегазовое дело. -2014. Т. 12,-№4.-С. 40-47.

6. Хлюпин П.А. Разработка алгоритма инженерного расчета индукционной нагревательной системы нефтепроводов / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин // Современные проблемы науки и образования, 2015,-№ 2; URL: www.science-education.ru/122-21282.

7. Хлюпин П.А. Разработка алгоритма эффективного теплового воздействия индукционной нагревательной системы для нефтепроводов при

перекачке вязкой нефти / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин // Современные проблемы науки и образования, 2015-№ 2. URL: www.science-education.ru/122-21341.

Патенты:

8. Хлюпин П.А. Магнитный генератор импульсов и его вариант / С.Г. Конесев, В.Ю. Алексеев, П.А. Хлюпин: Пат. 2325026 РФ, МПК H03K3/53, Заявлено 23.10.2006; Опубл. 20.05.2008. Бюл. №14.

9. Хлюпин П.А. Электрогидроимпульсное скважинное устройство / С.Г. Конесев, В.Ю. Алексеев, П.А. Хлюпин: Пат. 2337237 РФ, МПК Е21В 43/25, Е21В 28/00, Заявлено 03.10.2006; Опубл. 27.10.2008. Бюл. №30.

10. Хлюпин П.А. Индуктивно-емкостной преобразователь / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин: Пат. 2407136 РФ, МПК Н02М5/06, Заявлено 27.04.2010; Опубл. 20.12.2010. Бюл. №35.

11. Хлюпин П.А. Трехфазный индуктивно-емкостной преобразователь / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин, И.С. Конесев: Пат. 2412521 РФ, МПК Н02М5/06, Заявлено 11.01.2010; Опубл. 20.02.2011. Бюл. №5.

12. Хлюпин П.А. Установка индукционного нагрева трубопроводов / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин, И.А. Макулов, Ю.А. Никитин: Пат. 2415517 РФ, МПК Н05В6/00, F17L53/00, Заявлено 11.01.2009; Опубл. 27.03.2011. Бюл. №9.

13. Хлюпин П.А. Установка индукционного нагрева жидкостей / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин, И.А. Макулов, Ю.А. Никитин: Пат. 2417563 РФ, МПК Н05В6/00, Заявлено 28.07.2009; Опубл. 27.04.2011. Бюл. №12.

14. Хлюпин П.А. Способ монтажа индуктора на протяженных объектах / С.Г. Конесев, М. Р. Садиков, П. А. Хлюпин, Э. Ю. Кондратьев: Пат. 2496281 РФ, МПК Н05В6/02, Заявлено 07.03.2011; Опубл. 20.10.2013, Бюл. № 29.

Свидетельство на программу ЭВМ:

15. Хлюпин П.А. Одномерное распределение передачи тепла в трубе с застывшей жидкостью / П.А. Хлюпин, С.Г. Конесев // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014618090. Зарегистрировано 08.08.2014.

Статьи в других изданиях:

16. Хлюпин П.А. Электротехнологии как средство повышения надежности и безопасности систем трубопроводного транспорта / С.Г. Конесев, И.А. Макулов, П.А. Хлюпин // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: Материалы научно-практической конференции. Уфа, 2007, С. 375-376.

17. Хлюпин П.А. Системы индукционного нагрева для магистральных нефтепроводов / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Сборник научных трудов Всероссийской НТК. Уфа: УГНТУ, 2007, С. 127-130.

18. Хлюпин П.А. Проблемы и способы решения трубопроводного транспорта вязкой нефти / И.А. Макулов, С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Сборник научных трудов II Всероссийской НТК. Уфа: УГНТУ, 2009. Т.2, С. 16-20.

19. Хлюпин П.А. Высокотехнологичные системы индукционного нагрева на ДНС / И.А. Макулов, С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин // Электротехнологии,

электропривод и электрооборудование предприятий: Сборник научных трудов II Всероссийской НТК. Уфа: УГНТУ, 2009. Т.2, С. 21-25.

20. Хлюпин П.А. Сравнительный анализ индукционной и пламенной систем нагрева объектов нефтегазовой отрасли / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин // Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях: Сборник трудов Международной НТК. Омск, 2010, С. 252-255.

21. Хлюпин П.А. Математическая модель процесса теплопередачи в системе нагрева вязкой нефти // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических комплексов и систем: Межвузовский сборник научных трудов. Уфа, УГНТУ, 2010, С. 127-138.

22. Хлюпин П.А. Модель передачи тепла в системе безопасного нагрева вязкой нефти И Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тезисы докладов Семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. М.: Издательский дом МЭИ, 2011, С. 224—226.

23. Хлюпин П.А. Анализ эффективности применения нагревательных систем при перекачке вязких нефтей / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин, М.Р. Садиков // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: Сборник научных трудов III Всероссийской НТК (с международным участием). Уфа: УГНТУ, 2011, С. 212-219.

24. Хлюпин П.А. Регулирование реологическими свойствами вязких текучих сред / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин, К.И. Муслимов, Э.Ю. Кондратьев // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: Сборник научных трудов I Международной (IV Всероссийской) НТК. Уфа: Нефтегазовое дело, 2013, С. 194-199.

25. Хлюпин П.А. Современные технологии добычи высоковязких нефтей / С.Г. Конесев, М.И. Хакимьянов, П.А. Хлюпин, Э.Ю. Кондратьев //

Электротехнические системы и комплексы. 2013. - №21. - С.301-307.

/__

Диссертант П.А. Хлюпин

ХЛЮПИН Павел Александрович

ИНДУКЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НЕФТЕПРОВОДОВ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 08.10.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 244. ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»