автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Разработка и экспериментательное исследование коаксиальных и аксиальных устройств для попутного электроподогрева газонефтепроводов и других объектов газонефтепромыслов

1, Перспективы развития обогрева газонефтепроводов и устройств для его осуществления

1,1, Состояние вопроса

1*2, Специфика технологических задач и области применения устройств.

1.3, Научная разработка вопроса на сегодняшний день *

1.4, Цель и задачи исследования.

2, Разработка экспериментальных образцов устройств и стенда для их испытаний.

2*1. Трубопроводный коаксиальный электроподогреватель

2.2, Трубчатые стальные электронагреватели.

2.3, Аксиальные устройства для попутного электроподогрева напорных трубопроводов.

2.4, Устройство для попутного электроподогрева низконапорных трубопроводов

2.5, Электрообогревающее устройство для очагового обогрева отдаленных объектов

2.6, Устройство для компенсирующего наружные теплопотери электрообогрева стальных резервуаров и других стальных конструкций.

2,7.Стенд для проведения экспериментальных исследований

3, Результаты экспериментальных исследований.

3.1, Методика проведения экспериментов.

3.2, Трубопроводный коаксиальный электроподогреватель

3.3, Трубчатые стальные электронагреватели

3.4, Аксиальные устройства для попутного электроподогрева напорных трубопроводов

3.5, Устройство для попутного электроподогрева низконапорных трубопроводов. . •

- 3

3.6, Электрообогревающее устройство для очагового обогрева отдаленных объектов

3.7, Устройство для компенсирующего наружные теплопотери электрообогрева стальных резервуаров и других стальных конструкций.

3.8, Оценка погрешностей.

3.9« Анализ' и некоторые обобщения результатов исследования

4, Разработка методик расчета устройств и рекомендаций по их проектированию.

4,1, Порядок и методика расчета трубопроводного коаксиального электроподогревателя.

4.2* Рекомендации по проектированию и методика расчета аксиального устройства для попутного электроподогрева напорных трубопроводов.

4.3, Рекомендации по проектированию и методика расчета устройств для попутного электроподогрева низконапорных трубопроводов

4.4, Рекомендации по применению и расчету электрообогре-. вающего устройства для очагового обогрева отдаленных объектов

4.5, Рекомендации по применению и методика расчета устройств для электрообогрева стальных резервуаров и других стальных конструкций

4.6, Эксплуатация устройств в экстремальных условиях ,.

5, Экономическая эффективность применения исследованных устройств

Выводы и основные результаты работы

Развитие газовой цромышленности не сдерживается в настоящее время ни сырьевой базой, ни потребителями, а зависит в основном от наличия и надежности газотранспортных систем и оборудования.

Продвижение основных газонефтедобывающих районов страны на Север, освоение месторождений со сложным составом газа, поставили перед специалистами газовой и нефтяной цромышленности ряд новых технических задач.

Одной из таких задач является обеспечение надежной работы внутрипромыслового трубоцроводного транспорта. Образование гидрат но -ледяных пробок в газопроводах сырого газа на мощных северных газовых промыслах, интенсивное отложение парафинов в промысловых коммуникациях на месторождениях высокопарафинистой нефти, большие затруднения при эксплуатации водозаборных сооружений цромыслов в районах вечной мерзлоты, водоводов и водостоков -все это поставило на повестку дня необходимость разработки простых, дешевых и надежных устройств для попутного подогрева трубопроводов и других объектов газонефтепромыслов, устройств, способных небольшим количеством дополнительной энергии, сообщенной извне, автоматически компенсировать наружные теплопотери, обеспечить надежную эксплуатацию систем промыслового трубоцроводного транспорта и оборудования.

Решению некоторых из этих задач, а именно, разработке и экспериментальному исследованию устройств, позволяющих попутно подогреть в трубоцроводе большие объемы агрессивного газа под высоким давлением, осуществить безищратный транспорт с*фого газа без ингибирования, автоматически поддерживать температуру воды в промысловом водоводе на оптимальном уровне, не допускающем замерзания, и т.п. и посвящена настоящая работа.

В диссертации рассмотрены перспективы развития обогрева га- 5 зонефтепроводов и устройств для его осуществления.

Впервые на специально созданном стенде и по специально разработанной методике эксперимента исследованы режимы работы обогревающих устройств с использованием корпуса обогреваемого трубопровода в качестве нагревательного элемента. Впервые экспериментально определены рабочие коэффициенты и получены графические зависимости основных параметров устройств очагового и непрерывного попутного подогрева для различных вариантов исполнения; определены целесообразные диапазоны их практического использования. Отработаны режимы автоматического управления устройствами и проведена длительная наработка в режимах поддержания заданных температур трубопровода.

На основе полученных экспериментальных зависимостей разработаны методики инженерного расчета систем и устройств для подогрева в процессе трубопроводного транспорта больших объемов газа под высоким давлением и пр,, даны рекомендации по их проектированию.

Экспериментально исследовано влияние положения внутреннего проводника устройств аксиального типа на их рабочие параметры; доказана независимость рабочих параметров от положения внутреннего проводника в диапазоне практически важных ( от 30 до 110 Вт/м) для таких устройств удельных тепловых нагрузок. По материалам работы опубликовано II статей и получено 2 авторских свидетельства.

Результаты работы внедрены в цроектнуго практику. Автор защищает результаты экспериментальных исследований и методики инженерного расчета исследованных устройств.- 6

вывода И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I» Проведенные на специально созданном стенде эксперимент тальные исследования позволили определить рабочие коэффициенты и получить графические зависимости основных параметров устройств очагового и непрерывного попутного подогрева для различных вариантов исполнения; определить целесообразные диапазоны их практического использования.

2, Эксперименты показали, что в устройствах аксиального типа доля мощности, выделяемая в виде тепла непосредственно в стальном трубопроводе при использовании его в качестве охватывающего проводника, изменяется в широких пределах от 85% до 43$ ( для труб из стали 20 Ду от 32 до 300 мм), уменьшаясь с увеличением диаметра трубопровода^

3. Стендовые исследования влияния аксиальности доказали, что рабочие параметры устройств аксиального типа не зависят от положения внутреннего проводника в диапазоне практически важных ( от 30 до НО Вт/м) для таких устройств удельных тепловых нагрузок^

4; Эксперименты позволили установить, что в устройствах аксиального типа тепловыделение, активное сопротивление и коэффициент мощности резко растут в области больших токовых нагрузок, Анализ результатов исследований показал, что экстремумы и перегибы на кривых рабочих параметров вызваны противоречивым влиянием в области слабых магнитных полей непостоянства магнитной проницаемости среднеуглеродистых сталей и гистерезисных явлений на активное сопротивление и коэффициент мощности устройст:

5* На основе полученных экспериментальных зависимостей для труб, применяемых на промысловых объектах нефтегазовой промышленности, разработаны методики инженерного расчета систем и устройств для подогрева в процессе трубопроводного транспорта болыпих объемов газа, нефти и пр. под высоким давлением, позво-воляющие обеспечить точность расчета таких систем и устройств в пределах 4%+5%.

6. Разработаны на уровне изобретений два новых коаксиальных устройства для попутного электроподогрева трубопроводов, оригинальность которых защищена авторскими свидетельствами,

7. Проведенные экспериментальные исследования и разработанная методика инженерного расчета явились научной основой дня проектирования системы обогрева технологических трубопроводов Ямбургского газового месторождения, пенопровода пожаротушения Оренбургского газоперерабатывающего завода, системы обогрева противопожарного водовода Казымской газокомпрессорной станции, системы подогрева внешгощадочных трубопроводов Среднеботуобинс-кого газового месторождения Якутии, системы подогрева технологических трубопроводов Уренгойской газокомпрессорной станции и системы подогрева азота на объекте спецтехники. Общий экономический эффект- более 2 млн, руб,, из которых на долю диссертанта цриходится около 200 тыс. руб,

8, Длительная опытная эксплуатация устройств в режиме автоматического управления показала возможность их использования на промысловых трубопроводах (в том числе, водоводах) для поддержания заданных оптимальных температур трубопроводного транспорта (например, исключающих замерзание)^

9, До результатам проведенной работы выпущены "Рекомендации по применению, проектированию и расчету коаксиальных и аксиальных устройств для попутного электроподогрева трубопроводов и других объектов" ( № гос, регистрации 81071058), на основе которых ведется промышленное внедрение разработанных устройств.

1. Альгаузен А.П., 1Утман М.Б., Малышев С .А., Свенчанский А.Д., Смоленский Л.А. Низкотемпературный электронагрев - Москва, Энергия, 1968.

2. Андреев В.А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей. -Ленинград, Энергия, 1971.

3. А.с.101.973 (СССР). Электронагреватель для грунта. ;Т.Ф.Бпа~ iynnco, Ю.Т.Бпа1ушко. ~ Опубл. в Б.И. 1955, № II.

4. А.с.117.598 (СССР). Ковш для подогрева металлов с црименени-ем электрического тока. Т.Ф.Бпагушко, Ю.Т.Елагушко. Опуб. в Б.И. 1959, № 2.

5. А.с.518.601 (СССР). Трубоцроводный электроподогреватель. А.В.Соннинский, Г.А.Дмитриева, Л.С.Рудакова, Л.В.Горлова, А.М.С1фотин. Опубл. в Б.И. 1976, № 23.

6. А.с.540.102 (СССР). Электронагреватель. А.В.Соннинский,

7. A.M.Сиротин, Г.А.Дмитриева, Л.С.Рудакова, Л.В.Горлова. Опубл. в Б.И. 1976, № 47.

8. Аркадьев В.К. Электромагнитные цроцессы в металлах. Часть 2. -ОНТИ, 1936.

9. Бабенко Н.Ф. и др. Ликвидация гидратных пробок в стволах газовых скважин. Газовая промышленность, 1967, J£ 3.

10. Бессонов Л.А. Электрические цепи со сталью. Москва, Энергия, 1948.

11. Болгарский A.B., Мухачев Г.Н., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. Москва, Высшая школа, 1964.

12. Братин С.М. Электрический и тепловой расчет кабеля. М.-Л., Энергия, I960.

13. Варгафтик И.Ё. Теплофизические свойства жидкостей и газов. -Москва, "Наука", 1972.-169

14. Бабенко И.Ф. и др. Ликвидация гидратных цробок в стволах газовых скважин. Газовая цромышленность, 1967, № 3.

15. Водолага B.C. Исследования динамики температурных полей вокруг подземного газопровода. Газовая промышленность, 1971, № И.

16. Герасимович А.Н., Мазуркевич В.Н., Бобко H.H. Исследования ферромагнитных нагревателей спутников для трубоцроводного транспорта. - В сборнике: Научные и црикладные проблемы энергетики, выпуск 4, Минск, Высшая школа, 1977.

17. Губанов Б.А. Обогрев трубопроводов надземного положения при помощи кабеля-нагревателя. Колыма, 1970, $ 9.

18. ГОСТ 1956-70. Жилы токоцроводящие медные круглые кабельных изделий с резиновой или пластмассовой изоляцией.18. 1^жов А.И. Совместный сбор и транспорт нефти и газа. -Москва, Недра, 1973.

19. Губин В.Е. Слив и налив нефтей и нефтепродуктов. Москва, Недра, 1972.

20. Дегтярев Б.В., Лутошкин Г.С., Бухгалтер Э.Б. Борьба с гидратами при эксплуатации газовых скважин в районах Крайнего Севера. Москва, Недра, 1969.

21. Дегтярев Г.П. Электрообогрев технического оборудования в газовой цромышленности. Транспорт и хранение газа. Реф. сборник ВНИИЭГАЗПРОМА, 1981, вып.9.

22. Донской A.B., Кулешов С.М. Электротермия. М.-Л., Энергия, 1961.

23. Донской A.B. О магнитной цроницаемости при индукционном нагреве. Электричество, 1951, $ 5.

24. Дружинин В.В., Куренных Л.К. О сравнении кривых намагничивания электротехнической стали, снятых в постоянных и переменных полях. Электричество, 1962, № 4.- 170

25. Дружинин B.B. Магнитные свойства электротехнической стали. М.-Л., Энергия, 1962.

26. Залесский A.M., Кукеков Г.А. Тепловые расчеты электрических аппаратов. Л., Энергия, 1967.

27. Иванов^Змоленский A.B., Абрамкин Ю.В. Оценка влияния поверхностного- эффекта на потери от вихревых токов и на гистерезис цри учете комплексной магнитной цроницаемости. -Электротехника, 1973, № 10.

28. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.-Л., Энергия, I960.

29. Инструкция по предуцревденшо и борьбе с гидратообразовани-ем в скважинах и цромысловых коммуникациях на месторождениях Крайнего Севера. Москва, Мингазцром, 1971.

30. Коган М.Г. Поверхностный эффект в неравномерно нагретом ферромагнитном цилиндре. Электричество, 1967, $ 8.

31. Кузнецкий P.C., Лихт М.К. Влияние температурной зависимости проводимости на электромагнитное поле и расцределение температуры в цроводнике. Известия АН СССР, Энергетика и транспорт, 1969, В 3.

32. Кутателадзе С.С., Боршанский В.М. Сцравочник по теплопередаче. -Москва, Энергия, 1959.

33. Мазуркевич В.Н. Исследование электрического обогрева трубопроводов (применительно к мазутопроводам электрических станций). Диссертация кандидата технических наук. - Минск; 1975.

34. Макогон Ю.Ф., Саркисьянц Г.А. Предупреждение образования гидратов цри добыче и транспорте газов. Москва, Недра, 1966.

35. Малофеев Г.Е., Сергеев А.И., Шейнман А.Б. Экспериментальное изучение электроподогрева призабойной зоны скважин. Нефтехимия, I960, № 12.- 171

36. Михеев M.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Москва, Энергия, 1973.

37. Мэре К.Ф. Электроподогрев трубопроводов для вязких цродук-тов. У международной нефтяной конгресс, том Гостоптех-издат, 1961.

38. Нейман Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. -Ленинград, Энергия, 1949.

39. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. М.-Л., Энергия, 1959.

40. Нейман Л.Р., Зайцев И.А. Опытное исследование поверхностного эффекта в трубчатых стальных шинах. Электричество, 1950, fê 2.

41. Нейман Л.Р. и др. О методе точного измерения активного сопротивления проводов сложной формы сечения. Электричество, 1969, № 9.

42. Нейман Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных проводах и магнитных цепях. Электричество, 1950, ib I.

43. Отмер Д.Ф., Гримсмен Д.У. Обогрев арктических трубопроводов. Инженер-нефтяник, 1971, $ 7.

44. Патент 343483 (ССОР). Устройство для подогрева трубопроводов. Андо Macao (Япония). Опубл. в Б.И. 1972, № 20.

45. Поливанов K.M. Теоретические основы электротехники. Часть Ш. Москва, Энергия, 1969.

46. Правила устройств электроустановок промышленных предприятий. М.'-Л., Энергия, 1971.

47. Рабинович З.Я. Обогрев трубопроводов, аппаратов и арматуры на газопроводах гибкими электронагревателями. Транспорт и хранение газа. Реф.сборник ВНИЙЭгазцрома, 1981, вып.8.

48. Руцкий А.И. Железные шины распределительных устройств. -Минск, Белгосиздат, 1947.

49. Руцким А.И. Динамическая кривая намагничивания и комплексная магнитная проницаемость стали. В сборнике ЕЛИ, выпуск 46, Минск, 1954.

50. Руцкий А.И. Определение поверхностного эффекта в стальных трубах. Известия ВУЗов СССР - Энергетика, 1972, ih 9.

51. Руцкий А.И., Герасимович А.Н., Румянцев Ю.Г., Мазуркевич В.Н. Определение магнитной проницаемости конструкционных сталей.-Известия ВУЗов СССР Энергетика, 1974, ih 3.

52. Руцкий А.И. Герасимович А.Н., Румянцев Ю.Г.,Мазуркевич В.Н. Оцределение мощности потерь в конструкционных сталях цри намагничивании переменным током. Известия ВУЗов СССР -Энергетика, 1974, № 4.

53. Руцкий А.И., Герасишвич А.Н., Румянцев.Ю.Г., Мазуркевич В.Н. Расчет мощности потерь на вихревые токи и гистерезис в конструкционных сталях. Известия ВУЗов СССР - Энергетика, 1974, В II.

54. Руцкий А.И. Сопротивление массивных проводников цри переменном токе. В сборнике БПИ, выпуск 61, Минск, 1957.

55. Руцкий А.И., Румянцев Ю.Г., Герасимович А.Н., Мазуркевич В.Н. Электрический нагрев трубопроводов. Известия ВУЗов СССР -Энергетика, 1973, № 2.

56. Соннинский A.B. Трубопроводный транспорт жидкой серы. Газовая цромышленность, 1978, № 5, с.27-30.

57. Соннинский A.B. Электрообогреваемые цродуктоцроводы. Газовая цромышленность, 1978, № 12, с.22-25.

58. Соннинский A.B. Обогревающий элемент. Газовая цромышленность, 1979, № II, с.41-43.

59. Соннинский A.B. Трубоцроводный коаксиальный электрообогреватель. Газовая цромышленность, 1980, № 8, с.50"-53.

60. Соннинский A.B., Сиротин A.M., Васильев Ю.Н. Попутный электроподогрев трубоцроводов. Газовая промышленность, 1981, № 4, с.54-57.

61. Сонинский A.B. Местный электроподогрев участков газопровода. В кн.: Совершенствование техники и технологии промысловой и заводской обработки газа и конденсата на месторождениях со сложным составом газа. Москва, 1980, с.15-22.

62. Соннинский A.B., Устройство для электроподогрева стальных резервуаров. Транспорт и хранение нефти и нефтецродуктов, 1981, № 5, с.30-34.

63. Соннинский A.B., Сиротин A.M., Васильев Ю.Н. Попутный электрообогрев низконапорных продуктопроводов. Газовая цромыш-ленность, 1981, $ 12.

64. Соннинский A.B. Устройство для попутного электрообогрева теплоизолированных водоводов. Транспорт и хранение нефти и нефтецродуктов, 1981, № 7, с.24-27.

65. Соннинский A.B. Трубчатый стальной электронагреватель для трубоцроводов и для скважин. В кн.: Новое оборудование и технология цроцессов подготовки и переработки газа и конденсата. Москва, ВНИИГАЗ, 1981, с.127-135.

66. Тимонин В.И., Демко Т.Т. Добыча, сбор и внутрипромысловый транспорт высокопарафинистых нефтей на месторождениях Южного Мангышлака. Москва, ВНЙИОЭНГ, 1973.

67. Третьяк Г.T., Лысов H.E. Основы тепловых расчетов электрической аппаратуры. -М.-Л., ОНГИ ЖТП СССР, 1935.

68. Тугунов П.И., Новоселов В.Ф. Транспортирование вязких нейк-тей и нефтепродуктов по трубоцроводам. Москва, Недра, 1973.

69. Фонарев З.И., Богданов A.A., Коняев В.Г. Эксплуатация и монтаж нагревательных лент. Транспорт и зфанение нефти и углеводородного сырья, 1969, №1.

70. Химняков C.B. Практические расчеты тепловой изоляции цромыш-ленного оборудования и трубопроводов. М.-Л., Энергия, 1964.

71. Хоропшлов В.А., Дегтярев Б.В., бухгалтер Э.Б. Теплоизоляция шлейфов для обеспечения безгидратного сбора газа на сверхмощных цромыслах Севера. Э.И. Мингазпрома, 1969, № 15.

72. Черникин В.И. Перекачка вязких и застывающих нефтей. -Москва, ГОСТоптехиздат, 1958.

73. Чернышев Е.Т.,: Чернышева Н.Г., Чучурина E.H. Магнитные измерения на постоянном и переменном токе. Москва, Стандарт-гиз, 1962.

74. Шейнман А.Б., Сергеев А.И., Малофеев Г.Е. Электротепяовая обработка цризабойной зоны нефтяных скважин. Москва, Гостоп-техиздат, 1962.

75. Юфин В.А. и др. Применение скин-эффекта для обогрева нефтив узле учета. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, 1981, № 5.1. ШпУо. ££есЫс //еи^ у ^-Уфа/т С/>етс-а£ж,

76. С /ЯАаеЬ. ££ееЫс ф-Ца^г-ЯжДряо*я // ££СТ ^¿са£1. РР9. Шт(о. ¿0* Ме Раралме имга^. № апоГщ ль?,г /т/.РпЖ. Ftectг¿c■ Реа^ пМ1. Сипа*

77. Рилл/р/ы/. /¡tfc/û, ТЪ/iû.г.Мыагв. /û/st/jPS

78. Pú¿sí4 ¿y/e¿¿e/7. Asrtfí?, /Т/сШ^ Jû/оАажг / S¿cr/?a/r ) SS. /¿¿¿¡ VZ

79. Г fa¿e/r¿^c/h¿f/ /№'¿>¿0-" {в#0)

80. V¿?2*l¿C/lt¿/77(f ZíSZ Áú/77¿¿r/¿et¿t/7 /¿ei'nû/гел шс/

81. Ge^е/гМfícé/7, arte /¡//¿fa, //Уаляаfa/va fja/?aef. /¿7 /-еЗгиаъ /РеР.renl/r^eztez fücf^ez a/r¿¿/fej?e/?ae>t bj/ra/rw/rß. AMÛ; /7/алщ yûfo/iûwa, /fa/rcrß#wcr ffa/M/r).fbfo/ùcfuff г /à? S3/ fsfib).

82. Vó>Zzlc/?f¿/^ ßefe/ze/r с/ег ¿?fez/fá'cfe/r rû/r fîcruffîfe/r.1. Аж/û, /ffa¿a¿?, fjû/aerj.2<?. /77¿hz 96. fcrteríe 2 m f^гежшле)fzücec/e /rot/Ъ c-fa¿///ez с/ел с/е ¿fûï/ve.c'û/npâ'jfJ/èe. Û/?ùsiû Ctftyffïcrû'ûff /Oûpû/f).91 РаШе <?#//

83. Pmáfe cé efauf/eye c/e crm/¿¿aú'¿?/?¿ efe /йш/^/^91 Ые/îtâ Pm m ffzcMCCUAe).

84. Pzûeécfè efe efe cm#f¿4¿zt¿¿m efeet e/e f¿/¿/mx e/rye/zefcrs/t efe fa cfafe^z ¿?¿/ /¡r¿?¿/f/7 efeсгтш? а ///e/ ¿fe /mee. CfUt¿? cû^ûèaàW/г /jfyraq).