автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод оперативного контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб

На правах рукописи

ОРЛОВ Александр Игоревич

МЕТОД ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПРИ ОЧИСТКЕ ДЕМОНТИРОВАННЫХ НЕФТЕПРОВОДНЫХ ТРУБ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

- 3 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2011

4858490

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Иван Иванович Попов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Владимир Юрьевич Петухов (Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН)

кандидат технических наук, доцент Сергей Васильевич Венедиктов (Чебоксарский политехнический институт (филиал) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет»)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Марийский государственный

технический университет»

Защита состоится 18 ноября 2011г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного энергетического университета, с авторефератом - на сайте http://www.kgeu.ru.

Автореферат разослан « .» октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н.

Р.И. Калимуллин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Парафиновые отложения нефтепроводных труб являются одной из причин снижения эффективности нефтедобычи. Отложения в трубах приводят к снижению дебита нефти и вызывают перегрузки в работе насосных установок из-за возрастания сопротивления перекачки.

Наряду с мерами по предотвращению образования парафиновых отложений на внутренней поверхности нефтепроводных труб, значительное внимание уделяется очистке демонтированных нефтепроводных труб от парафиновых отложений при их ремонте с целью последующего использования. В настоящее время существует ряд методов удаления парафиновых отложений, из которых наиболее эффективными и производительными являются тепловые. Однако основным недостатком этих методов является высокая потребляемая мощность, связанная с необходимостью перевода в жидкое агрегатное состояние всей массы парафиновых отложений. Тепловые методы.очистки труб перспективны при условии решения задачи оптимизации затрат энергии. Наиболее эффективным путем решения этой задачи является создание системы управления технологическим процессом с применением контроля состояния парафиновых отложений.

Существующие электрические, радиометрические, оптические, тепловые и ультразвуковые методы определения толщины парафиновых отложений и иных диэлектрических покрытий, применительно к данной задаче, обладают недостатками, связанными с неудовлетворительным диапазоном измерения, сложностью оборудования или необходимостью соблюдения особых мер техники безопасности. Эти недостатки не позволяют обеспечить своевременное получение информации, необходимой для управления технологическим процессом очистки труб. В связи с этим исследования, посвященные разработке метода оперативного контроля момента образования жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений, толщины их жидкой и твердой фаз в режиме реального времени, являются актуальной научно-технической задачей, успешное решение которой позволит своевременно переключать секции нагревателя демонтированных нефтепроводных труб при ее очистке тепловым методом и выбирать оптимальный режим нагрева.

Объект исследования. Парафиновые отложения при очистке от них демонтированных нефтепроводных насосно-компрессорных труб, когда оплавление пристеночного слоя отложений производится без расплава их основной массы за счет последовательного нагрева труб по участкам и последующего извлечения отложений.

Предмет исследования. Метод контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб.

Цель исследования. Разработка метода и средства оперативного контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб тепловым методом.

Задачи исследования.

1. Разработка метода оперативного контроля толщины жидкой фазы парафиновых отложений и определения момента начала их фазового перехода из твердого в жидкое состояние при очистке демонтированных нефтепроводных труб.

2. Разработка математической модели и действующего макета устройства очистки демонтированных нефтепроводных труб от парафиновых отложений на основе индукционного нагрева труб.

3. Создание экспериментального стенда для физического моделирования метода контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб.

4. Разработка алгоритмов обработки первичной информации и управления позиционированием измерительного электрода для контроля толщины жидкой фазы парафиновых отложений, синхронно с последовательным разогревом участков трубы, с целью автоматизации контроля и энергетически эффективного последовательного разогрева трубы по участкам.

Методы исследования основывались на аналитическом и численном математическом моделировании тепловых, электростатических и электромагнитных процессов. Использовались экспериментальные исследования процесса формирования жидкой фазы парафиновых отложений в нефтепроводной трубе.

Методологическую основу исследования составляла теоретическая электротехника, теплофизика, физика неполярных диэлектрических материалов, методическое обеспечение обработки результатов измерений.

Научная новизна.

1. Показано, что в момент начала образования жидкой фазы парафиновых отложений в разогреваемой демонтированной нефтепроводной трубе имеет место минимум второй производной по времени от эквивалентной диэлектрической проницаемости пространства между трубой и измерительным электродом.

2. Продемонстрировано, что по эквивалентной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства и геометрическим размерам трубы можно определять толщину жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений на контролируемом участке разогреваемой демонтированной нефтепроводной трубы.

3. Показана возможность оперативного контроля состояния парафиновых отложений на каждом из последовательно разогреваемых участков демонтированной нефтепроводной трубы путем выделения вклада в эквивалентную диэлектрическую проницаемость, регистрируемую емкостным методом, диэлектрической проницаемости воздушного слоя, твердой и жидкой фазы парафиновых отложений в режиме позиционирования измерительного электрода на соответствующем участке трубы синхронно с его разогревом.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке внедряемых на рынок новой технологии и технологического оборудования для очистки насосно-компрессорных труб от парафиновых отложений, выполнявшихся по инновационному проекту «Разработка и исследование магнитных систем технологического комплекса очистки насосно-компрессорных труб от отложений парафина на основе электроиндукционного нагрева», поддержанному Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Старт-2010» (государственный контракт между Фондом содействия и ООО «Трубочист» № 7879р/11361 от 15 апреля 2010 года). Имеется соответствующий акт об использовании результатов работы.

Метод и прибор могут быть использованы для создания автоматической линии очистки демонтированных нефтепроводных труб. Полученные технические решения могут найти практическое применение при очистке любых ме-

таплических труб от отложений диэлектрических веществ с неполярными молекулами.

Лнчный вклад автора состоит в разработке и экспериментальном исследовании метода оперативного контроля состояния парафиновых отложений, включая определение момента начала их фазового перехода из твердого в жидкое состояние, толщину твердой и жидкой фаз. Автором разработаны алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости и управления позиционированием измерительного электрода для автоматизации контроля и энергетически эффективного последовательного разогрева трубы при ее очистке.

Положения, выносимые на защиту.

1. Момент начала фазового перехода пристеночного слоя парафиновых отложений из твердого состояния в жидкое в разогреваемой нефтепроводной трубе характеризуется минимумом второй производной по времени от эквивалентной диэлектрической проницаемости пространства между трубой и измерительным электродом.

2. Метод оперативного диэлектрического контроля состояния парафиновых отложений позволяет определять толщину их твердой и жидкой фаз в разогреваемой нефтепроводной трубе.

3. Предложенные алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости и управления позиционированием измерительного электрода позволяют автоматизировать процессы этого контроля и повысить энергетическую эффективность процесса очистки трубы.

Достоверность полученных результатов работы подтверждается согласием экспериментально регистрируемых значений диэлектрической проницаемости с экспериментальными данными, опубликованными в научной литературе; точностью применяемого прибора Е7-14; воспроизводимостью результатов, полученных с помощью разработанной методики определения толщины жидкой фазы парафиновых отложений; совпадением экспериментальных данных с расчетными.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научных школах «Наука и инновации» (Йошкар-Ола, 2009^2010 и 2011 гг.), Молодежных научных семинарах «Наука и инновации» (Йошкар-Ола, 2009, 2010 и 2011 гг.), VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2011 г.), Международных научных студенческих конференциях по ес-тественно-научным^и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2009, 2010 и 2011 гг.). Тема исследования поддержана грантами Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «У.М.Н.И.К.», государственный контракт №7280р/10130 от 31.08.2009 «Разработка и исследование методик контроля и коррекции экологических и биотехнологических параметров функционирования живых систем» по теме № Ю130и «Разработка математической модели технологического процесса и установки очистки демонтированных нефте-газопроводных труб от отложений парафина», и «Старт-2010», государственный контракт №7879р/11361 от 15.04.2010 «Разработка и исследование магнитных систем технологического комплекса очистки насосно-компрессорных труб от отложений парафина на основе электроиндукционного нагрева».

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 научных публикациях, включая 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, 5 материалов докладов международных и всероссийских конференций, 1 статью во внутривузовском сборнике научных работ, 1 патент на изобретение (имеется положительное решение о выдаче патента).

Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий и затрагивает следующие области исследования:

1) метод оперативного контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб соответствует п. 1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» Паспорта специальности;

2) алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости и управления позиционированием измерительного электрода позволяют автоматизировать процессы этого контроля и повысить энергетическую эффективность процесса очистки трубы соответствуют п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля» Паспорта специальности.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 97 наименований, списка авторских публикаций, включающего 9 наименований. Работа изложена на 129 страницах, содержит 47 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, обозначен объект и предмет исследования, сформулированы цель работы, основные задачи и методы исследования, научная новизна, практическая значимость основных результатов, положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены особенности и недостатки методов контроля парафиновых отложений. Выполнен анализ возможности применения известных методов контроля толщины диэлектриков на ферримагнитном основании для контроля состояния парафиновых отложений в процессе очистки труб.

Вторая глава посвящена описанию методик и средств исследования, используемых в работе. Парафиновые отложения представляют собой смесь неполярных диэлектриков, основную долю которых составляют парафины. Диэлектрическая проницаемость разогреваемых парафиновых отложений при фазовом переходе из твердого в жидкое состояние резко падает.

Дано описание разработанного метода очистки демонтированных нефтепроводных труб, который, по сравнению с существующими, позволяет значительно экономить энергию за счет оплавления пристеночного слоя парафиновых отложений без расплава их основной массы путем последовательного нагрева трубы по участкам. Благодаря этому твердая масса отложений легко извлекается из трубы выдавливанием поршнем или под собственным весом при

наклонном положении трубы. Нагрев по участкам необходим для обеспечения свободного выхода жидкой фазы отложений, что снижает вероятность деформации трубы при тепловом расширении парафиновых отложений и выделении газов при их перегреве выше температуры кипения. Излагаются результаты моделирования и исследования методов электронагрева трубы, на основе которых показаны преимущества использования для этой цели индукционного нагрева.

Приводится описание разработанного экспериментального стенда для исследования метода контроля состояния парафиновых отложений. На рис. 1 (а) и (б) приведены устройство и размеры измерительных ячеек, использованных для моделирования состояния парафиновых отложений, контролируемых при термической очистке от них демонтированных нефтепроводных труб. Внешний электрод 1, моделирующий очищаемую нефтепроводную трубу, и внутренний электрод 2, моделирующий измерительный электрод, установлены на изолирующем основании 4. В измерительных ячейках моделируются ситуации полного заполнения межэлектродного пространства парафиновыми отложениями 3 без воздушной прослойки (рис. 1 а) и при ее наличии 5 (рис. 1 б). Измерительные ячейки имеют внутренний диаметр внешнего электрода 67 мм. Чувствительность устройства контроля к образованию жидкой фазы отложений зависит от соотношения внутреннего диаметра очищаемой трубы и диаметра измерительного электрода, потому в диссертации рассмотрены случаи наибольшего, наименьшего и ряда промежуточных значений этого соотношения, взятых, исходя из возможного практического применения, путем варьирования диаметра внутреннего измерительного электрода, который выбирался 59 мм для ячейки, показанной на рис. 1 (а), и 0,4-33 мм для ячейки - рис. 1 (б).

Рис. 1. Устройство и размеры измерительных ячеек для физического моделирования состояния парафиновых отложений в демонтированной нефтепроводной трубе.

Схема стенда для физического моделирования метода показана на рис. 2. Нагрев измерительной ячейки (ИЯ) производится индукционным нагревателем в продольном магнитном поле. Регулирование активной мощности нагревателя производится преобразователем частоты (ПЧ) путем изменения напряжения, подаваемого на индуктор (0-220 В) и частоты тока (50-2000 Гц).

В качестве измерителя емкости использован прибор типа Е7-14 с погрешностью измерения порядка 0,4 пФ, подключенный через устройство присоеди-

нительное (УП) к электродам измерительной ячейки, температура наружной поверхности которой контролировалась датчиком Т. Постоянство подаваемой мощности контролировалось ваттметром XV.

Разработана методика проведения измерений на экспериментальном стенде (рис. 2.).

Эквивалентная относительная диэлектрическая проницаемость пространства ег между демонтированной нефтепроводной трубой и помещенным внутри нее цилиндрическим измерительным электродом в каждый момент времени определялась как отношение:

С

Рис. 2. Схема стенда для физического моделирования метода контроля состояния парафиновых отложений.

(1)

2.2 2.1 2 1.9

Ч V,..........

_Е1,

* у-тгм -

50

100

150

Т, С

где С - емкость системы электродов с парафиновыми отложениями; С0 — емкость системы электродов без отложений.

Достоверность снимаемых на экспериментальном стенде значений диэлектрической проницаемости парафиновых отложений подтверждается совпадением полученных экспериментальных результатов и экспериментальных данных, взятых из научной литературы, приведенных в виде кривой на рис. 3.

Для получения первичной информации о состоянии парафиновых отложений по регистрируемым значениям эквивалентной диэлектрической проницаемости парафиновых отложений разработано устройство контроля состояния парафиновых отложений (рис. 4).

В состав устройства для непосредственного контроля состояния отложений на каждом разогреваемом участке нефтепроводной трубы (рис. 4) входит труба 1 с парафиновыми отложениями 2, помещенная внутрь теплоизолирующего кожуха 3, на котором установлены секции индукционного нагревателя. Вдоль оси трубы протянут внутренний измерительный электрод 6, который представляет собой электропроводящий цилиндр, имеющий длину, равную длине одной секции нагревателя, и свободно входящий в трубу с парафиновыми отложениями. Он удерживается соосно с трубой при помощи тонкой струны 5 из электропроводящего материала. Струна является выводом измерительного электрода и натянута вдоль оси трубы на роликах 7, расположенных по ее концам. Измерительный электрод имеет возможность перемещаться внутри трубы при переключении секций нагревателя. Измерительный электрод электрически соединен с измерителем емкости Е7-14, который через канал общего пользования (КОП) связан с устройством обработки (ПК).

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости парафиновых отложений от температуры с доверительными интервалами и вероятностью 0,95: точки «а», «б» и «в» - экспериментальные данные; линия - литературные данные.

Рис. 4. Схема устройства для непосредственного контроля состояния парафиновых отложений на разогреваемых участках нефтепроводной трубы.

Несмотря на высокое качество контроля состояния парафиновых отложений в демонтированной нефтепроводной трубе, устройство для непосредственного контроля состояния парафиновых отложений может вызывать ряд неудобств при эксплуатации, связанных с введением измерительного электрода и его выводов в трубу вдоль ее оси перед началом очистки. Этот недостаток устраняется, с некоторым снижением качества контроля, за счет применения устройства выборочного контроля состояния парафиновых отложений. Измерительный электрод в виде электропроводящего цилиндра соосно вводится в трубу с одного ее конца и не перемещается в процессе очистки. При одинаковом составе и свойствах парафиновых отложений вдоль длины трубы и разогреве каждого ее участка нагревателем с одинаковой мощностью контроль состояния отложений на одном (первом) участке трубы позволяет прогнозировать их состояние на последующих участках. Но недостатком этого устройства является невозможность непосредственного контроля состояния парафиновых отложений на каждом участке трубы, что влечет искажения информации о состоянии парафиновых отложений при неоднородном по толщине составе отложений вдоль трубы и различных тепловых потерях на концевых участках трубы и в ее середине.

Разработана математическая модель состояния парафиновых отложений при нагреве демонтированной нефтепроводной трубы, основанная на вычислении распределения температуры в слое парафиновых отложений, расчете диэлектрической проницаемости и определении емкости системы электродов в произвольный момент времени. Расчетная толщина жидкой фазы парафиновых отложений в математической модели определяется как толщина слоя с температурой, превышающей температуру фазового перехода отложений из твердого состояния в жидкое.

Третья глава посвящена разработке метода контроля состояния парафиновых отложений в демонтированных нефтепроводных трубах и его экспериментальной проверке. Метод контроля состояния парафиновых отложений основан на свойстве отложений резко изменять свою диэлектрическую проницаемость при фазовых переходах из твердого состояния в жидкое.

По результатам математического моделирования установлено, что момент начала фазового перехода пристеночного слоя парафиновых отложений из твердого в жидкое состояние характеризуется минимумом второй производной по времени от эквивалентной диэлектрической проницаемости среды между трубой и измерительным электродом (рис. 5). Это вызвано с тем, что диэлектрическая проницаемость пристеночного слоя парафиновых отложений при фазовом переходе из твердого в жидкое состояние резко падает, что приводит к

увеличению скорости падения эквивалентной диэлектрической проницаемости среды между трубой и измерительным электродом.

При физическом моделировании на стенде (рис. 2) в условиях, совпадающих с параметрами математической модели, в момент начала фазового перехода, наблюдаемый визуально (при г = 160 с на рис. 5), получены аналогичные результаты, что подтверждает достоверность разработанной математической модели и возможность регистрации момента начала фазового перехода.

х 10

(6)

-1

О

§ "2 ~ -3

200

х 10

400 (, с (в)

600

1

о

1 0 сч

-1

600

800

400 600 800 200 400

1. с с

Рис. 5. (а) Эквивалентная относительная диэлектрическая проницаемость межэлектродного пространства от времени; (б) и (в) ее первая и вторая производные по времени соответственно: сплошные линии - экспериментальные данные с доверительными интервалами и вероятностью 0,95; пунктирные линии - результат математического моделирования.

г 3 ООЭДу!

о.

(а)

твердая фаза

(б)

воздух жидкая

^твердая фаза_ | фааз_

о га г гк

Рис. 6. Диэлектрическая проницаемость парафиновых отложений вдоль радиальной координаты: (а) до начала разогрева трубы; (б) в процессе разогрева трубы при образовании жидкой фазы парафиновых отложений.

Разработана методика определения толщины твердых парафиновых отложений в демонтированной нефтепроводной трубе до начала ее нагрева при равномерном распределении температуры и диэлектрической проницаемости в

слое парафиновых отложений. Граница «воздух - парафиновые отложения» вдоль радиальной координаты г делит диэлектрическую проницаемость межэлектродного пространства на 2 части (рис. 6 а).

Величина эквивалентной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства ег позволяет определить толщину твердых парафиновых отложений на участке демонтированной нефтепроводной трубы с известными геометрическими размерами в месте расположения внутреннего электрода:

= (2) где га - радиус внутреннего измерительного электрода; гь - радиус внутренней поверхности трубы; гс - радиус внутренней границы парафиновых отложений (рис. 6 а):

ЧоАр/Ч • 1л(г„/га) + £П!Ч,1п'«-1Пг„

- ехр

£ —Г

пар ваш

(3)

В последней формуле £В011 - диэлектрическая проницаемость воздуха; £пар -диэлектрическая проницаемость парафиновых отложений при температуре окружающей среды.

В работе также приведены выражения, позволяющие учесть влияние выводов измерительного электрода на эквивалентную емкость и диэлектрическую проницаемость межэлектродного пространства, а также на радиус гс.

Резкий перепад диэлектрической проницаемости парафиновых отложений при фазовом переходе использован для контроля толщины жидкой фазы парафиновых отложений. Для определения границ фазового перехода парафиновых отложений ^ (рис. 6 б) в произвольный момент времени в процессе обработки результатов измерений необходимо принять допущение о том, что в процессе фазового перехода из твердого состояния в жидкое диэлектрическая проницаемость меняется не плавно, а ступенчато. Тогда толщина жидкой фазы парафиновых отложений при известном исходном значении эквивалентной диэлектрической проницаемости £г и внутренней границе парафиновых отложений гс:

Мж=гь-г„, (4)

где - радиальная координата границы фазового перехода:

{ ¿•.оА^ж /Ч 'п (п, А,) - ¿-„¿ж ¡п (гс /г0) + 1п гс - етеп 1п гь е (е —£ \

ч во ад \ ж тв)

Здесь £ж и еп - диэлектрические проницаемости жидкой и твердой фаз парафиновых отложений соответственно.

Показано, что использование измерительного электрода большего диаметра относительно его выводов обеспечивает избирательность контроля: регистрация момента начала образования жидкой фазы отложений и толщины жидкой фазы пристеночного слоя происходит строго в месте расположения измерительного электрода.

В работе приведен ряд выражений, уточняющих формулу (4), для учета влияния выводов измерительного электрода на эквивалентную емкость, диэлектрическую проницаемость межэлектродного пространства и на радиус г,.

г„=ехр

(5)

Формулы (1-4) справедливы как для случая ровных соосных цилиндрических границ парафиновых отложений, так и при наличии отклонений.

Выполнено экспериментальное исследование метода контроля состояния парафиновых отложений на измерительной ячейке (рис. 2), моделирующей участок демонтированной нефтепроводной трубы. Результаты обработки экспериментальных данных показывают, что с увеличением диаметра измерительного электрода ошибка измерений значительно снижается.

На рис. 7 показана толщина жидкой фазы отложений, полученная в результате обработки экспериментальных данных (сплошная линия) и математического моделирования (пунктирная линия). Данные эксперимента получены в измерительной ячейке (рис.2) при диаметре измерительного электрода 26 мм. Обработка данных проведена с использованием формул (4) и (5). Результаты обработки экспериментальных данных по разработанной методике совпадают с результатами расчета по математической модели. Выполнен анализ погрешностей метода. На примере трубы диаметром 89 мм установлено, что допущение о постоянстве диэлектрической проницаемости жидкой и твердой фаз отложений и ее изменении с разрывом при фазовом переходе вызывает погрешность определения толщины жидкой фазы отложений, не превышающую 5,6% от верхнего предела измерения 5 мм. Отклонения от соосности измерительного электрода или парафиновых отложений на 3 мм вызывают погрешность 3,6%. Опускание под собственным весом парафиновых отложений при фазовом переходе из твердого состояния в жидкое на 0,5-Дс4 вызывает погрешность 16%. Отклонения от прямолинейности парафиновых отложений не оказывают влияния на погрешности метода. Результирующая методическая погрешность составляет 17,3%.

Для того чтобы не вносить существенных погрешностей в результат измерения, суммарная погрешность средства измерения должна бьггь на порядок меньше методической погрешности. В этом случае результирующая погрешность зависит лишь от методической погрешности и составляет не более 17,4%, что приемлемо для практического использования метода.

Таким образом, метод контроля состояния парафиновых отложений позволяет определять момент начала фазового перехода пристеночного слоя отложений из твердого состояния в жидкое, толщину их твердой и жидкой фазы на рассматриваемом участке нефтепроводной трубы по эквивалентной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов обработки первичной информации, представленной эквивалентной диэлектрической проницаемостью, и управления позиционированием измерительного электрода для кон-

у/

у/

-----

0 100 200 300 400 500 I. с

Рис. 7. Толщина жидкой фазы парафиновых отложений от времени: сплошная линия - результат расчета по разработанному методу и доверительный интервал с вероятностью 0,95; пунктирная кривая - результат математического моделирования; треугольный маркер - экспериментально определенный момент начала фазового перехода.

троля толщины жидкой фазы парафиновых отложений синхронно с последовательным разогревом участков трубы.

Разработана структурная схема системы управления позиционированием измерительного электрода при непосредственном контроле состояния парафиновых отложений на каждом из последовательно разогреваемых участков демонтированной нефтепроводной трубы (рис. 8) и структурная схема системы управления выборочным контролем состояния отложений в составе технологического комплекса очистки труб.

Рис. 8. Структурная схема системы управления дискретным позиционированием измерительного электрода для синхронного контроля состояния отложений с последовательным разогревом трубы по участкам: 1 - труба; 2 - парафиновые отложения; 3 - теплоизолирующий кожух; 4 - секция индукционного нагревателя; 5 - датчик температуры; 6 - измерительный электрод; 7 - электрический привод; 8 - блок обработки сигнала; 9 - блок автоматического управления; 10 - силовой преобразователь.

Алгоритм обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства состоит в следующем.

1. До начала фазового перехода парафиновых отложений из твердого в жидкое состояние определяется радиальная координата границы «воздух - парафиновые отложения» гс на рассматриваемом участке трубы по формуле (3).

2. Определяется момент образования жидкой фазы парафиновых отложений в процессе разогрева рассматриваемого участка трубы.

3. Корректируется величина относительной диэлектрической проницаемости твердой фазы парафиновых отложений для фиксации нулевой толщины жидкой фазы парафиновых отложений в момент начала фазового перехода.

4. Вычисляется радиальная координата границы раздела твердой и жидкой фаз парафиновых отложений Гц при разогреве трубы по формуле (5) и толщины жидкой фазы парафиновых отложений А¿4 по формуле (4) в режиме реального времени.

Алгоритм управления позиционированием измерительного электрода для оперативного контроля состояния парафиновых отложений состоит в следующем.

1. До начала разогрева первого участка трубы блок управления 9 подает сигнал блоку обработки 8 о запуске процесса измерения радиальной координаты границы «воздух - парафиновые, отложения» и толщины твердой фазы от-

ложений на первом участке. Блок управления подает сигнал силовому преобразователю 10 о включении процесса разогрева первого участка трубы.

2. Блок обработки сигнала 8 определяет момент начала фазового перехода парафиновых отложений. Корректируется величина относительной диэлектрической проницаемости твердых парафиновых отложений для фиксации нулевой толщины жидкой фазы отложений в этот момент.

3. С момента начала фазового перехода в режиме реального времени вычисляется толщина жидкой фазы парафиновых отложений. Блок обработки сигналов 8 передает информацию о толщине жидкой фазы отложений в блок управления 9.

4. Блок управления сравнивает толщину жидкой фазы с заданной величиной и в случае ее превышения заданной величины вырабатывает сигнал электроприводу 7 с шаговым двигателем о перемещении измерительного электрода на расстояние, равное длине одного разогреваемого участка трубы, ко второму ее участку.

5. Далее процесс контроля повторяется N раз (где N - количество секций нагревателя) аналогично для второго и последующих участков трубы до ее конца, обеспечивая оперативный контроль состояния парафиновых отложений на каждом из последовательно разогреваемых участков трубы. После запуска процесса измерения радиальной координаты границы «воздух - парафиновые отложения» на каждом следующем участке трубы включается процесс разогрева этого участка, и предыдущий участок переводится в режим поддержания постоянной температуры, не допуская затвердевания отложений.

Предложенные алгоритмы управления позиционированием измерительного электрода позволяет освободить человека от процесса получения информативных сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства и их преобразования для вычисления толщины жидкой фазы отложений, то есть автоматизировать процесс контроля.

Алгоритм автоматического управления процессом выборочного контроля аналогичен описанному. Он отличается тем, что при контроле состояния отложений на первом участке трубы фиксируется время, затраченное на достижение заданной толщины жидкой фазы отложений. При одинаковом составе и свойствах парафиновых отложений остальные участки трубы разогреваются в течение того же времени и требуют одинаковой мощности, что и первый участок.

Разработанная схема управления и алгоритмы ее работы реализованы в виде математической модели.

Показано влияние параметров системы управления на диапазон изменения контролируемой толщины жидкой фазы парафиновых отложений. Исследовано влияние диапазона изменения толщины жидкой фазы парафиновых отложений на энергетические затраты при очистке труб. Показано наличие оптимальных уровней управляющих сигналов в системе управления разогревом трубы, использующей разработанный метод контроля, которые обеспечивают минимальные затраты энергии на ее очистку.

Разработанный алгоритм управления дискретным позиционированием измерительного электрода позволяет своевременно переключать секции нагревателя, что обеспечивает снижение энергозатрат на очистку демонтированной нефтепроводной трубы от парафиновых отложений по сравнению с посекционным разогревом без перевода секций нагревателя в режим поддержания постоянной температуры подогрева или с задержкой перевода в этот режим. Пере-

ключенне секций при достижении толщины жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений 1 мм (против 5 мм) позволяет сократить энергозатраты в 2,8 раза. Перевод нагревателя в режим поддержания постоянной температуры подогрева дополнительно снижает энергопотребление в среднем в 1,5 раза.

Применение современных вычислительных средств, работающих в режиме реального времени, позволит оптимизировать процесс очистки нефтепро-водных труб от парафиновых отложений с наименьшими затратами энергии.

В заключении изложены основные результаты работы.

В работе получены следующие основные результаты.

1. Предложен метод очистки демонтированных нефтепроводных труб от парафиновых отложений на основе последовательного нагрева трубы по участкам, оплавления пристеночного слоя отложений и последующего их извлечения.

2. Разработан экспериментальный стенд для исследования метода контроля состояния парафиновых отложений, включая измерительные ячейки для физического моделирования состояния парафиновых отложений в демонтированной нефтепроводной трубе, а также методика проведения измерений.

3. Предложен метод снятия первичной информации об эквивалентной диэлектрической проницаемости парафиновых отложений в демонтированной нефтепроводной трубе, на основе которого разработано устройство контроля, включающее цилиндрический электрод, помещенный внутрь трубы с отложениями соосно с ней, обладающий возможностью перемещения вдоль оси трубы.

4. Разработана математическая модель формирования жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений при разогреве демонтированной нефтепроводной трубы. По результатам математического и физического моделирования установлено соответствие момента начала фазового перехода парафиновых отложений из твердого в жидкое состояние минимуму второй производной по времени от эквивалентной диэлектрической проницаемости пространства между трубой и измерительным электродом.

5. Разработан метод оперативного контроля состояния парафиновых отложений в демонтированной нефтепроводной трубе при ее очистке, позволяющий избирательно определять толщину твердых парафиновых отложений и их жидкой фазы на контролируемом участке демонтированной нефтепроводной трубы в месте расположения измерительного электрода. Достоверность разработанного метода подтверждается совпадением результатов эксперимента в пределах доверительного интервала с нормированной вероятностью с результатами расчета по математической модели. Методическая погрешность определения толщины жидкой фазы парафиновых отложений составляет 17,3%. Используемое средство измерения должно иметь суммарную погрешность на порядок меньшую методической. При этом результирующая погрешность определения толщины жидкой фазы парафиновых отложений не превышает 17,4%, что приемлемо для практического использования метода.

6. Разработаны структурная схема системы управления позиционированием измерительного электрода и алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства, а также алгоритмы управления позиционированием измерительного электрода, для автоматизации оперативного контроля состояния парафиновых отложений на рассматриваемом участке трубы.

7. Выполнено исследование метода контроля состояния парафиновых отложений в процессе функционирования технологического комплекса очистки труб. Установлено, что применение разработанного метода контроля и алгоритмов управления позволяет сократить энергетические затраты на разогрев трубы в 1,2-4,5 раза по сравнению с технологией очистки труб без применения контроля.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Орлов А.И., Попов И.И., Соловьев B.F. Электроиндукционный метод очистки нефтегазопроводных труб от отложений парафина // Чебоксары: Вестник Чувашского университета. 2009. № 2. С. 114-120.

2. Орлов А.И. Контроль фазового перехода парафиновых отложений по диэлектрической проницаемости при очистке нефтепроводных труб // Казань: Известия вузов. Проблемы энергетики. 2011. № 5-6. С. 135-139.

3. Орлов А.И., Попов И.И., Соловьев В.Г., Зелди И.П. Устройство очистки труб от асфальтосмолопарафиновых отложений // Патент на изобретение РФ МПК В08В 9/00. (Положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ от 27.07.2011. Заявка №2010114677/05(020730) от 14.04.2010)

4. Орлов А.И., Попов И.И., Зелди И.П. Особенности электроиндукционного метода очистки демонтированных нефтегазопроводных труб от отложений парафина И Йошкар-Ола: Материалы Четвёртой международной научной школы «Наука и инновации - 2009». 2009. С. 312-318.

5. Орлов А.И., Печеников Д.О., Попов И.И. Система диагностирования режимов и условий эксплуатации автоматизированного технологического комплекса очистки нефтепроводных труб от парафиновых отложений // Йошкар-Ола: Материалы Всероссийского молодежного научного семинара «Наука и инновации - 2010». 2010.С. 112-113.

6. Орлов А.И. Контроль индукционного метода очистки труб от парафиновых отложений по диэлектрическим характеристикам // Йошкар-Ола: Актуальные решения современной науки. 2010. Вып. 1.С 160-168.

7. Орлов А.И., Попов И.И., Соловьев В.Г. Сравнительное исследование способов электронагрева нефтепроводных труб при их очистке от парафиновых отложений // Йошкар-Ола: Материалы Пятой международной научной школы «Наука и инновации - 2010». 2010. С. 111-121.

8. Орлов А.И., Попов И.И., Соловьев В.Г. Система контроля и управления плавлением парафиновых отложений на локально-разогреваемом участке неф-тепроводной трубы // Йошкар-Ола: Материалы Пятой международной научной школы «Наука и инновации - 2010». 2010. С. 121-129.

9. Орлов А.И. Метод контроля процесса фазового перехода парафиновых отложений в нефтепроводных трубах по диэлектрической проницаемости // Казань: Материалы докладов VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». В 4 т.; Т. 2.2011. С. 13-14.

Лиц. ИД № 6434 от 10.12.2001 г.

Подписано к печати 07.10.2011 Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ. печ. л. 1,0 Усл. печ. л. 0,94 Уч.-изд. 1,0

Тираж 100 экз._Заказ № 1053_

Отпечатано в ООП ФГБОУ ВПО^«Марийский государственный университет» 424001, Йошкар-Ола, пл. Ленина, 1

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. Методы очистки нефтепроводных труб от парафиновых отложений.

1.2. Методы контроля толщины парафиновых отложений.

1.3. Методы контроля толщины диэлектрических материалов.

Выводы по главе 1.

2. МЕТОДИКИ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Характеристика парафиновых отложений и их свойства.

2.2. Принципы функционирования технологической установки для очистки демонтированных нефтепроводных труб от парафиновых отложений.

2.3. Экспериментальный стенд для исследования метода контроля состояния парафиновых отложений.

2.3.1. Устройство экспериментального стенда.

2.3.2. Методика проведения измерений.

2.4. Устройство для контроля состояния парафиновых отложений на разогреваемом участке демонтированной нефтепроводной трубы.

2.5. Математическая модель формирования жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений при разогреве демонтированной нефтепроводной трубы.

Выводы по главе 2.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ДЕМОНТИРОВАННЫХ НЕФТЕПРОВОДНЫХ ТРУБАХ.

3.1. Моделирование параметров жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений.

3.1.1. Математическое моделирование.

3.1.2. Физическое моделирование.

3.2. Методики контроля жидкой и твердой фаз парафиновых отложений на разогреваемом участке демонтированной нефтепроводной трубы и ее исследование.

3.2.1. Методика контроля толщины твердых парафиновых отложений.

3.2.2. Методика контроля толщины жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений.

3.3. Экспериментальное исследование метода.

3.4. Анализ погрешностей метода.

3.4.1. Методическая погрешность.

3.4.2. Инструментальная погрешность.

Выводы по главе 3.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ОЧИСТКИ ДЕМОНТИРОВАННЫХ НЕФТЕПРОВОДНЫХ ТРУБ.

4.1. Система управления позиционированием измерительного электрода в технологическом комплексе очистки труб.

4.2. Алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости и позиционирования измерительного электрода.

4.3. Математическая модель посекционного разогрева трубы с применением метода контроля состояния парафиновых отложений.

4.4. Исследование метода контроля состояния парафиновых отложений в демонтированных нефтепроводных трубах в процессе функционирования технологического комплекса для и-х очистки.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы

Парафиновые отложения нефтепроводных труб являются одной из причин снижения эффективности нефтедобычи. Отложения в трубах приводят к снижению дебита нефти и вызывают перегрузки в работе насосных установок из-за возрастания сопротивления перекачки.

Наряду с мерами по предотвращению образования парафиновых отложений на внутренней поверхности нефтепроводных труб, значительное внимание уделяется очистке демонтированных нефтепроводных труб от парафиновых отложений при их ремонте с целью последующего использования. В настоящее время существует ряд методов удаления парафиновых отложений, из которых наиболее эффективными и производительными являются тепловые. Однако основным недостатком этих методов является высокая потребляемая мощность, связанная с необходимостью перевода в жидкое агрегатное состояние всей массы парафиновых отложений. Тепловые методы очистки труб перспективны при условии решения задачи оптимизации затрат энергии. Наиболее эффективным путем решения этой задачи является создание системы управления технологическим процессом с применением контроля состояния парафиновых отложений.

Существующие электрические, радиометрические, оптические, тепловые и ультразвуковые методы определения толщины парафиновых отложений и иных диэлектрических покрытий, применительно к данной задаче, обладают недостатками, связанными с неудовлетворительным диапазоном измерения, сложностью оборудования или необходимостью соблюдения особых мер техники безопасности. Эти недостатки не позволяют обеспечить своевременное получение информации, необходимой для управления технологическим процессом очистки труб. В связи с этим исследования, посвященные разработке метода оперативного контроля момента образования жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений, толщины их жидкой и твердой фаз в режиме реального времени, являются актуальной научно-технической задачей, успешное решение которой позволит своевременно переключать секции нагревателя демонтированных нефтепроводных труб при ее очистке тепловым методом и выбирать оптимальный режим нагрева.

Объект исследования

Парафиновые отложения при очистке от них демонтированных нефтепроводных насосно-компрессорных труб, когда оплавление пристеночного слоя отложений производится без расплава их основной массы за счет последовательного нагрева труб по участкам и последующего извлечения отложений.

Предмет исследования

Метод контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб.

Цель исследования

Разработка метода и средства оперативного контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб тепловым методом.

Задачи исследования

1. Разработка метода оперативного контроля толщины жидкой фазы парафиновых отложений и определения момента начала их фазового перехода из твердого в жидкое состояние при очистке демонтированных нефтепроводных труб.

2. Разработка математической модели и действующего макета устройства очистки демонтированных нефтепроводных труб от парафиновых отложений на основе индукционного нагрева труб.

3. Создание экспериментального стенда для физического моделирования метода контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб.

4. Разработка алгоритмов обработки первичной информации и управления позиционированием измерительного электрода для контроля толщины жидкой фазы парафиновых отложений, синхронно с последовательным разогревом участков трубы, с целью автоматизации контроля и энергетически эффективного последовательного разогрева трубы по участкам.

Методы исследования

Методы исследования основывались на аналитическом и численном математическом моделировании тепловых, электростатических и электромагнитных процессов. Использовались экспериментальные исследования процесса формирования жидкой фазы парафиновых отложений в нефтепроводной трубе.

Методологическую основу исследования составляла теоретическая электротехника, теплофизика, физика неполярных диэлектрических материалов, методическое обеспечение обработки результатов измерений.

Научная новизна

1. Показано, что в момент начала образования жидкой фазы парафиновых отложений в разогреваемой демонтированной нефтепроводной трубе имеет место минимум второй производной по времени от эквивалентной диэлектрической проницаемости пространства между трубой и измерительным электродом.

2. Продемонстрировано, что по эквивалентной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства и геометрическим размерам трубы можно определять толщину жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений на контролируемом участке разогреваемой демонтированной нефтепроводной трубы.

3. Показана возможность оперативного контроля состояния парафиновых отложений на каждом из последовательно разогреваемых участков демонтированной нефтепроводной трубы путем выделения вклада в эквивалентную диэлектрическую проницаемость, регистрируемую емкостным методом, диэлектрической проницаемости воздушного слоя, твердой и жидкой фазы парафиновых отложений в режиме позиционирования измерительного электрода на соответствующем участке трубы синхронно с его разогревом.

Практическая ценность работы

Результаты диссертационной работы использованы при разработке внедряемых на рынок новой технологии и технологического оборудования для очистки насосно-компрессорных труб от парафиновых отложений, выполнявшихся по инновационному проекту «Разработка и исследование магнитных систем технологического комплекса очистки насосно-компрессорных труб от отложений парафина на основе электроиндукционного нагрева», поддержанному Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Старт-2010» (государственный контракт между Фондом содействия и ООО «Трубочист» № 7879р/11361 от 15 апреля 2010 года). Имеется соответствующий акт об использовании результатов работы.

Метод и прибор могут быть использованы для создания автоматической линии очистки демонтированных нефтепроводных труб. Полученные технические решения могут найти практическое применение при очистке любых металлических труб от отложений диэлектрических веществ с неполярными молекулами.

Личный вклад автора

При непосредственном участии автора разработан и исследован метод очистки демонтированных нефтепроводных труб от парафиновых отложений, основанный на оплавлении пристеночного слоя парафиновых отложений без расплава их основной массы путем последовательного нагрева трубы по участкам и дальнейшего извлечения отложений.

Автором разработан и экспериментально исследован метод оперативного контроля состояния парафиновых отложений, включая определение момента начала их фазового перехода из твердого в жидкое состояние, толщину твердой и жидкой фаз. Автором разработаны алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости и управления позиционированием измерительного электрода для автоматизации контроля и энергетически эффективного последовательного разогрева трубы при ее очистке.

Положения, выносимые на защиту

1. Момент начала фазового перехода пристеночного слоя парафиновых отложений из твердого состояния в жидкое в разогреваемой нефтепроводной трубе характеризуется минимумом второй производной по времени от эквивалентной диэлектрической проницаемости пространства между трубой и измерительным электродом.

2. Метод оперативного диэлектрического контроля состояния парафиновых отложений позволяет определять толщину их твердой и жидкой фаз в разогреваемой нефтепроводной трубе.

3. Предложенные алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости и управления позиционированием измерительного электрода позволяют автоматизировать процессы этого контроля и повысить энергетическую эффективность процесса очистки трубы.

Достоверность

Достоверность полученных результатов работы подтверждается согласием экспериментально регистрируемых значений диэлектрической проницаемости с экспериментальными данными, опубликованными в научной литературе; точностью применяемого прибора Е7-14; воспроизводимостью результатов, полученных с помощью разработанной методики определения толщины жидкой фазы парафиновых отложений; совпадением экспериментальных данных с расчетными.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научных школах «Наука и инновации» (Йошкар-Ола, 2009, 2010 и 2011гг.), Молодежных научных семинарах «Наука и инновации» (Йошкар-Ола, 2009, 2010 и 2011 гг.), VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2011г.), Международных научных студенческих конференциях по естественно-научным и техническим дисциплинам

ЧУ

Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2009, 2010 и 2011 гг.).

Тема исследования поддержана грантами Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «У.М.Н.И.К.», государственный контракт № 7280р/10130 от 31.08.2009 «Разработка и исследование методик контроля и коррекции экологических и биотехнологических параметров функционирования живых систем» по теме № 10130и «Разработка математической модели технологического процесса и установки очистки демонтированных нефтегазопроводных труб от отложений парафина», и «Старт-2010», государственный контракт № 7879р/11361 от 15.04.2010 «Разработка и исследование магнитных систем технологического комплекса очистки насосно-компрессорных труб от отложений парафина на основе электроиндукционного нагрева».

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 9 научных публикациях, включая 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, 5 материалов докладов международных и всероссийских конференций, 1 статью во внутривузовском сборнике научных работ, 1 патент на изобретение (имеется положительное решение о выдаче патента).

Соответствие диссертации научной специальности

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий и затрагивает следующие области исследования:

1) метод оперативного контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб соответствует п. 1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» Паспорта специальности;

2) алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости и управления позиционированием измерительного электрода позволяют автоматизировать процессы этого контроля и повысить энергетическую эффективность процесса очистки трубы соответствуют п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля» Паспорта специальности.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 97 наименований, списка авторских публикаций, включающего 9 наименований. Работа изложена на 129 страницах, содержит 47 рисунков.

Выводы по главе 4

Разработана структурная схема системы управления позиционированием измерительного электрода при непосредственном контроле состояния парафиновых отложений на каждом из последовательно разогреваемых участков демонтированной нефтепроводной трубы и структурная схема системы управления выборочным контролем состояния отложений в составе технологического комплекса очистки труб.

Разработаны алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства, а также алгоритмы управления позиционированием измерительного электрода, для оперативного контроля состояния парафиновых отложений на рассматриваемом участке трубы. Предложенные алгоритмы позволяют автоматизировать процесс контроля.

Разработана математическая модель посекционного разогрева трубы с применением метода контроля состояния парафиновых отложений, которая позволяет поддерживать заданную температуру трубы, не допуская ее перегрева или остывания, управлять подачей мощности для обеспечения заданного режима нагрева.

Выполнено исследование метода контроля состояния парафиновых отложений в процессе функционирования технологического комплекса очистки труб, показаны взаимосвязи параметров системы управления. Установлено, что параметры системы управления позволяют прогнозировать диапазон изменения толщины жидкой фазы отложений в зависимости от условий протекания процесса очистки труб. Показано наличие оптимальных уровней управляющих сигналов температуры поверхности трубы, обеспечивающих минимальные затраты энергии на очистку трубы. Применение разработанного метода контроля и алгоритмов управления позволяет сократить энергетические затраты на разогрев трубы в 1,2-4,5 раза по сравнению с технологией очистки труб без применения контроля.

120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты.

1. Предложен метод очистки демонтированных нефтепроводных труб от парафиновых отложений на основе последовательного нагрева трубы по участкам, оплавления пристеночного слоя отложений и последующего их извлечения.

2. Разработан экспериментальный стенд для исследования метода контроля состояния парафиновых отложений, включая измерительные ячейки для физического моделирования состояния парафиновых отложений в демонтированной нефтепроводной трубе, а также методика проведения измерений. Х

3. Предложен метод снятия первичной информации об эквивалентной диэлектрической проницаемости парафиновых отложений в демонтированной нефтепроводной трубе, на основе которого разработано устройство контроля, включающее цилиндрический электрод, помещенный внутрь трубы с отложениями соосно с ней, обладающий возможностью перемещаться вдоль оси трубы.

4. Разработана математическая модель формирования жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений при разогреве демонтированной нефтепроводной трубы. По результатам математического и физического моделирования установлено соответствие момента начала фазового перехода парафиновых отложений из твердого в жидкое состояние с минимумом второй производной по времени от эквивалентной диэлектрической проницаемости пространства между трубой и измерительным электродом.

5. Разработан метод оперативного контроля состояния парафиновых отложений в демонтированной нефтепроводной трубе при ее очистке, позволяющий избирательно определять толщину - твердых парафиновых отложений и их жидкой фазы на контролируемом участке демонтированной нефтепроводной трубы в месте расположения измерительного электрода. Достоверность разработанного метода подтверждается совпадением результатов эксперимента в пределах доверительного интервала с нормированной вероятностью с результатами расчета по математической модели. На примере трубы диаметром 89 мм установлено, что результирующая методическая погрешность не превышает 17,3%. Используемое средство измерения должно иметь суммарную погрешность на порядок меньшую погрешности метода. При этом результирующая погрешность определения толщины жидкой фазы парафиновых отложений не превышает 17,4%, что приемлемо для практического использования метода.

6. Разработаны структурная схема системы управления позиционированием измерительного электрода и алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства, а также алгоритмы управления позиционированием измерительного электрода, для автоматизации оперативного контроля состояния парафиновых отложений на рассматриваемом участке трубы.

7. Выполнено исследование метода контроля состояния парафиновых отложений в процессе функционирования технологического комплекса очистки труб. Установлено, что применение разработанного метода контроля и алгоритмов управления позволяет сократить энергетические затраты на разогрев трубы в 1,2-4,5 раза по сравнению с технологией очистки труб без применения контроля.

1. Балакирев В.А., Сотников Г.В., ТкачЮ.В., Яценко Т.Ю. Удаление парафиновых пробок в оборудовании нефтяных скважин // Электромагнитные явления. 2001. Т. 2 № 3, С. 380-399.

2. Губин В.Е., Губин В.В. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. М.: Недра, 1982. 167 с.

3. Пат. №2124117 РФ, Е21В 37/00 Способ очистки труб от асфальтосмолопарафиновых отложений и устройство для его осуществления / Г.П. Абражеев; Н.Г. Воробьев; В.Ф. Гусев; М.М. Залятов; Г.А. Морозов (РФ). 2003. 8 с.

4. Голонский П.П. Борьба с парафином при добыче нефти. М.: Гостоптехиздат, 1960. 88 с.

5. Полезн. модель № 3104, В08В 9/00, 9/02, 1995.

6. Пат. № 2052303 РФ, В08В 5/00, 9/00 Способ очистки труб / М.М. Бикчантаев (РФ). 1994. 5 с.

7. Геофизические методы контроля разработки нефтяных месторождений / Ю.В. Коноплев, Г.С.Кузнецов, Е.И.Леонтьев и др. М.: Недра, 1986. 221 с.

8. Косарев В.Е. Контроль за разработкой нефтяных и газовых месторождений. Казань: КГУ, 2009. 145 с.

9. Кузнецов Г.С., Леонтьев Е.И., Резванов P.A. Геофизические методы контроля разработки нефтяных и газовых месторождений. М.: Недра, 1991. 223 с.

10. Орлинский Б.М. Контроль за разработкой залежей нефти геофизическими методами М.: Недра, 1997. 239 с.

11. Чухарева Н.В. Расчет изменения гидравлических параметров транспорта нефти в результате отложений парафина на внутренней стенке трубопроводов. Томск: Изд-во ТПУ, 2010. 11 с.

12. Завьялкин Ф.М. Радиометрический метод гамма-дефектоскопии с использованием заполнителей. Дисс-я на соискание ученой степени канд.техн.наук. Томск 1969, 150 с.

13. Карцев Е.А. Состояние и тенденция развития датчиков физических величин // Измерительная техника. 1991. № 12, С. 8-10.

14. Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика. М.: Машиностроение, 1995. 438 с.

15. Методы неразрушающих испытаний / Под ред. Р. Шарпа. М.: Мир, 1972. 495 с.

16. Sheppard N. Electrical Conductivity Measurement Using Microfabricated Electrodes. / N. Sheppard, R. Nucker, C. Wu // Analytical Chemistry. 1993. Vol. 65.

17. Бухаров C.B. Измерение диэлектрической проницаемости цилиндрических образцов резонаторным методом // Вестник Днепропетровского университета, серия «Физика. Радиоэлектроница». 2007. Вып. 14. № 12/1. С. 26-29.

18. ЛевшинаВ.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин Д.: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.

19. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение. 1986. Кн. 1.488 с; Кн. 2. 352 с.

20. Kolyshkin А.А. Method of solution offorward problems in eddy-current testing / Journal of Applied Physics. 1995. Vol. 77, P. 4903-4912.

21. Nair S.M. Electromagnetic induction (eddy-currents) in a conducting halfspace in the absence and presence of inhomogeneity's: a new formalism / S.M. Nair, J.Rose // Journal of Applied Phisics. 1990. Vol.68. №12, P. 5995-6009.

22. Pat. 2004177274 JP., Int. CI7G01R 27/02. Non-contact electric conductivity measurement system /Kyo Akira, Saka Masumi, Abe Hiroyuki (JP). Tohoku techno arch со. LTD (JP). №2002-343833. Publ. date 24.06.2004.

23. A. c. № 1608422. МПК GO IB 7/06. Вихретоковый способ двухпараметрового контроля / В.Г. Беликов, В.Г. Тимаков; опубл. в БИ,1990, №43.

24. А. с. № 1619007. МПК G01B 7/06. Устройство для двухпараметрового неразрушающего контроля / В.Г. Беликов, В. Г. Тимаков; опубл. в БИ,1991, № 1.

25. А. с. № 1619007. МПК G01B 7/06. Устройство для двухпараметрового неразрушающего контроля изделий / Е.Т. Беликов, JI.K. Тимаков; опубл. вБИ, 1991, № 1.

26. А. с. № 1627822. МПК G01B 7/06. Способ вихретокового контроля расстояния до электропроводящего изделия и устройство его осуществления / Л.Я. Новиков, В.Ф. Бобров; опубл. в БИ, 1991, № 6.

27. Богданов Н.Г., Иванов Б.Р., Щекотихин С.Н. Контроль толщины немагнитных покрытий на ферромагнитной основе // Заводская лаборатория. 2007. Т. 73. № 12. С. 30-33.

28. Баранов В.А. Комбинированная модель диэлектрического материала // Материалы IV Всерос. научн. техн. конф. «Методы и средства измерений», 2002. С. 20.

29. Горбова Г.М. Расчет частичной емкости трехэлектродного П-образного первичного измерительного преобразователя микроперемещений // Электромеханика. 1996. №3, С. 90-91.

30. Епифанов С.Н., Красных A.A. Электроизмерительные приборы. Справочно-методическое пособие. Киров: Изд. ВятГТУ, 2005. 42 с.

31. Истомин A.C. Измерение толщины покрытий в процессе их нанесения с помощью емкостного датчика // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2006. № 2, С. 49-51

32. Пронин В.П. Электроемкостные системы в электрофизике. Саратов: СГСХА. 1997. 311 с.

33. Бугров A.B. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. М.: Машиностроение, 1982. 94 с.

34. Пат. №1810745 РФ, G01B 7/14 Емкостный измеритель расстояния до токоведущей поверхности / И.Н. Глушко (РФ). 1993. 8 с.

35. Танеев Э.А., Пронин В.П. Электроемкостная дефектоскопия диэлектриков // Труды Всероссийского электротехнического конгресса. 1999. Т. 2, С. 472-174.

36. Михлин Б.З. Высокочастотные емкостные и индуктивные датчики. M .ал.: ГЭИ, 1960. 74 с.

37. Пат. №1803723 РФ, G01B 7/34 Емкостный датчик шероховатости /

38. B.Г. Щербинский, М.Д. Берман, С.А. Заборцев, Е.Е.Петров (РФ). 1993. 7 с.

39. Новицкий Г.Ю. Неразрушающие магнитные методы измерения толщины покрытий. М.: Оборонгиз, 1959. 158 с.

40. Самойлович Г.С. Неразрушающий контроль металлов и изделий: Справочник. М.: Машиностроение, 1986. 456 с.

41. Валитов A.M., Шилов Г.И. Приборы и методы контроля толщины покрытий. М.: Машиностроение, 1970. 120 с.

42. Касимов Г.А., КулаевЮ.В. Накладной электромагнитный преобразователь над объектом контроля с изменяющимися по глубине электрическими и магнитными свойствами // Дефектоскопия. 1978. №6.1. C. 81D84.

43. Кукарин C.B. Электронные СВЧ приборы. 2-е издание. М.: Связь, 1981. 272 с.

44. Левченко A.C. Измерение параметров радиопоглощающих плёночных материалов в сантиметровом диапазоне сверхвысоких частот // Вестник студенческого научного общества. Краснодар: КубГу. 2004. С. 22-23.

45. Жданов К.Т. Об образовании смолопарафиновых отложений в нефтепроводах // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. М.: ВНИИОЭНГ, РНТС, 1981. Вып. 3. С. 11-12.

46. Казакова Л.П. Твердые парафины нефти. М.: Химия, 1986. 171 с.

47. Рыбак Б.М. Анализ нефти и нефтепродуктов. М.: ГНТИНГТЛ, 1962. 880 с.

48. Мазепа Б.А. Изучение характера парафинизации нефтесборных систем и промыслового оборудования. М.: Недра, 1965. 234 с.

49. Сергиенко С.Р., Таиманов Б.А., ТалатаевЕ.И. Высокомолекулярные неуглеводородные соединения нефти. М.: Наука, 1979. 154 с.

50. Александрова Э.А. Исследование модифицирующего действия ПАВ на процесс кристаллизации и структурообразования парафиносодержащих систем // Труды VII международного конгресса по поверхностно-активным веществам. М.: Наука, 1978. Т. 3, С. 46-51.

51. Ибрагимов Н.Г. Повышение эффективности добычи нефти на месторождениях Татарстана. М.: Недра, 2005. 316 с.

52. Агеева Н.Д., Винаковская Н.Г., Лифанов В.Н. Электротехническое материаловедение. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006. 76 с.

53. Плотников В.П. Физика проводников и диэлектриков. Тамбов.: Изд. ТГТУ, 2004. 68 с.

54. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергия, 1982. 320 с.

55. Григорьев Б.А. Теплофизические свойства нефти, нефтепродуктов; Таблицы физических величин. Справочник. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

56. Мустафаев P.A. Теплофизические свойства углеводородов при высоких параметрах состояния. М.: Энергоатомиздат, 1991. 312 с.

57. Сараев Д.В., Лунев И.В., Юсупова Т.Н., Тагирзянов М.И., Якубов М.Р., Гусев Ю.А., Романов Г.В. Диэлектрическая спектроскопия в исследовании структурной организации нефтяных дисперсных систем // Нефтегазовое дело. 2005.

58. Справочник по электротехническим материалам: В. 3 т. / Под ред. Ю.В. Корицкого и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. Т. 1. 368 с.; Т. 2. 464 е.; Т. 3. 728 с.

59. Электрические свойства полимеров / Б.И. Сажин, A.M. Лобанов, О.С. Романовская и др. Л.: Химия, 1986. 224 с.

60. Шимони К. Теоретическая электротехника. М.: Мир, 1964. 775 с.

61. Добряков Д.Д. Классификация низкотемпературных индукционных нагревателей. // «Изв. АН Латвийской ССР». 1957. № 9 (122), с. 115-124.

62. Боровик Е.С. Лекции по магнетизму. Изд. 3-е. М: Физматлит, 2005. 512 с.

63. ГОСТ 22372-77 Материалы диэлектрические, методы определения диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь. М.: Изд.-во стандартов, 1979. 19 с.

64. ГОСТ Р 52203-2004 Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия. М.: Изд.-во стандартов, 2004. 50 с.

65. Бурдун Г.Н. Основы метрологии. М.: Изд-во стандартов, 1985. 256 с.

66. Гришин В.К. Статистические методы анализа и планирования экспериментов. М.: МГУ. 1975. 127 с.

67. ГОСТ 8.207-76 ГСИ Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. М.: Изд.-во стандартов, 1977. 10 с.

68. МИ 2083-90 ГСИ. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешности. М.: Изд.-во стандартов, 1991. 16 с.

69. Худсон Д. Статистика для физиков. М.: Мир. 1970. 295 с.

70. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972. 672 с.

71. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1983. 414 с.

72. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высш. шк., 1975. 654 с.

73. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. СПб.: Лань, 2009. 432 с.

74. Формалев В.Ф., Ревизников Д.Л. Численные методы. М.: Физматлит, 2004. 400 с.

75. МИ 2365-96 ГСИ. Шкалы измерений. Основные положения. Термины и определения. М.: Изд.-во стандартов, 1996. 14 с.

76. РМГ 29-99 Метрология. Основные требования и определения. М.: Изд.-во стандартов, 2000. 51 с.

77. Чертов А.Г. Единицы физических величин. М.: Высш. шк, 1977. 287 с.

78. Рапопорт Э.Я. Анализ и синтез систем автоматического управления с распределенными параметрами. М.: Высш. шк., 2005. 292 с.

79. Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование объектов и систем с распределенными параметрами. М.: Высш. шк., 2003. 299 с.

80. Севрюгин H.H. Аппаратные и программные средства систем управления. Рыбинск: РГАТА, 2003. 90 с.

81. Сорочкин Б.М. Автоматизация измерений и контроля размеров деталей. Д.: Машиностроение, 1990. 365 с.

82. Наладка средств измерений и систем технологического контроля / Под ред. A.C. Клюева. М.: Энергоатомиздат, 1989. 368 с.

83. СПИСОК АВТОРСКИХ ПУБЛИКАЦИЙ

84. AI. Орлов А.И., Попов И.И., Соловьев В.Г. Электроиндукционный метод очистки нефтегазопроводных труб от отложений парафина // Чебоксары: Вестник Чувашского университета. 2009. № 2. С. 114-120.

85. А5. Орлов А.И. Контроль индукционного метода очистки труб от парафиновых отложений по диэлектрическим характеристикам // Йошкар-Ола: Актуальные решения современной науки. 2010. Вып. 1. С 160-168.

86. А7. Орлов А.И. Контроль фазового перехода парафиновых отложений по диэлектрической проницаемости при очистке нефтепроводных труб // Казань: Известия вузов. Проблемы энергетики. 2011. № 5-6 (в печати).