Файл: Путевой обогрев высоковязкой нефти с использованием скинсистемы.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.10.2023
Просмотров: 68
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Рис. 2. Схема электрообогрева трубопровода
К преимуществам технологии относится возможность её автоматизированное использование при возникновении такой необходимости, поскольку электрообогрев можно выключать и включать в любое время. При применении данного метода можно регулировать температурный режим транспортировки в широких пределах. Также способ удобен для обогрева трубопроводов сложной формы или большой протяжённости.
В качестве обогрева магистральных нефтепроводов, например, широко применяются трубы ППУ изоляции с проложенным в теплоизоляционном слое пенополиуретана электрическим кабелем. За счет этого трубы в ППУ изоляции, эффективно сохраняющие тепло по причине низких тепловых потерь, обеспечиваемых ППУ изоляцией, дополнительно обеспечиваются электрической системой подогрева, значительно повышающей надежность при эксплуатации магистрального нефтепровода
Данный способ, по сравнению с остальными намного экономичнее и существенно менее трудоемок
2. Анализ свойств систем электрообогрева
В своем историческом развитии системы обогрева нефтепроводов претерпели сильные изменения, основные ключевые события отображены на рисунке.
Во многом на развитие систем обогрева повлияло увеличение количества промышленных объектов в северных районах и сибирской части Российской Федерации. Существовала необходимость в уменьшении влияния отрицательных температур на термозависимые жидкости и эмульсии, которые при охлаждении образовывали на стенках трубопроводов АСПО и отложения солей.
В зависимости от конструктивного строения объекта применялись такие способы, как обогрев цистерн дымовыми газами с помощью труб, открытый способ подачи «острого» пара в нефтепродукт, обогрев резервуаров и трубопроводов подачей теплоносителя в полость «рубашки», подача теплоносителя во встроенные змеевики или секции. Основным решением оставалось применение пара.
Применение пара, несмотря на свою простоту, несет ряд отрицательных моментов, среди которых ключевыми являются короткий срок эксплуатации, малая длина «плеч» обогрева (не более 500 м), высокий уровень эксплуатационных расходов на генерацию пара и содержание рабочего персонала, отсутствие возможности автоматизации процесса обогрева, риск выхода из строя по причине замерзания парового конденсата.
Важную роль в применении вышеуказанных методов сыграло отсутствие в производстве на тот момент теплоизоляционных конструкций с высоким уровнем качества, что приводило к потребности в высокой тепловой мощности системы обогрева (от 300 до 1000 Вт/м).
Применение электрообогрева в 60-х годах 20 века было связано с рядом причин, среди которых было увеличение объемов генерации электроэнергии, а также развитие промышленных мощностей по производству теплоизоляции.
Востребованным техническим решением стало применение ленточных резистивных кабелей, в состав изоляции которых входили стеклянные и базальтовые волокна с пропитками типа ЭНГЛ, либо силиконовые резины и фторполимеры
На рисунке 3 представлен процесс передачи тепла трубопроводу резистивным нагревательным кабелем.
Рисунок 3– Принцип работы системы обогрева с резистивным кабелем
Появление в дальнейшем саморегулирующихся кабелей было связано с изучением угленаполненных пластмасс. Главное свойство таких систем – невозможность перегрева, главный недостаток – относительно низкая тепловая мощность (от 10 до 50 Вт/м) [6] и ограничения по длине.
Способ прямого резистивного нагрева, при котором ток пропускается по обогреваемой трубе, применяется при аварийном разогреве участков трубы небольшой протяженности. Недостатком его является пожаро- и взрывоопасность, поэтому он редко используется в нефтяной промышленности.
Существуют также системы индукционного нагрева в электромагнитном поле. Их целесообразно применять на трубопроводах малой длины, в основном на НПЗ и трубопроводах химических предприятий.
Огромным шагом в развитии технологии электрообогрева стало появление индукционно-резистивной системы обогрева, в основе которой лежит применение СКИН-эффекта.
Высокий уровень востребованности обрели СКИН-системы на территории Российской Федерации. В первую очередь, это обусловлено наличием в России большого количества протяженных трубопроводов, построенных и эксплуатируемых в условиях Арктики. На сегодняшний день производством СКИН-систем занимаются предприятия таких стран, как Российская Федерация, США, Германия, Великобритания и Япония.
3. СКИН-система для подогрева нефти.
Индукционно-резистивная система нагрева ИНРСН, или скин-система, предназначена для поддержания температуры продукта, защиты от замерзания и стартового разогрева магистральных трубовпроводов большой длины. Допускается надземная, прдземная и подводная прокладка, в том числе и во взрывоопасных зонах.
Единственная система, позволяющая обогревать трубопровод длиной до 60 км (без сопроводительной сети). Данная система обогрева может быть использована для обогрева трубовпроводов неограниченной длины при условии устройства сопроводительной питающей сети.
3.1 Конструкция СКИН системы
Состав СКИН-системы (рис.4) можно представить в виде ряда подсистем, к которым относятся:
1. Высоковольтная линия
2. Комплектная трансформаторная подстанция (КТП)
3. Индуктивно-резистивный нагреватель
4. Индуктивно-резистивный проводник
5. Теплоизоляция
6. Обогреваемый трубопровод
Рис.4 – Конструкция СКИН-систем.
3.2 Конструкция индуктивно-резистивного нагревателя.
Конструктивно индуктивно-резистивный нагреватель представляет собой проводник в изоляции, помещенный в специальную стальную ферромагнитную трубку. По причине большой протяженности всей системы обогрева обязательными элементами являются соединительные, питающие коробки, соединители проводников.
В конце плеча обогрева производится закорачивание изолированного проводника с ферромагнитной трубкой. В свою очередь в начале плеча при подаче питания с источника тока возникают переменные напряжения .
На рисунке 4 представлен нагревательный элемент в СКИН-системе электрообогрева. Когда происходит подача переменного напряжения Uип посредством проводника 1 от источника питания, а также ферромагнитной стальной трубки 3, протекающий в зазоре ток I формирует электромагнитное поле во внутренней поверхности нагревательной трубки. Данное электромагнитное поле характеризуется таким параметром, как магнитная напряженность H.
Рисунок 4 – Нагревательный элемент в СКИН-системе электрообогрева:
1 – жила в проводнике – индукторе, 2 – электроизоляция проводника,
3-трубка из стали, 4 – соединение трубки и проводника в конце линии
Ток, проходящий по проводнику внутри трубки, создает магнитное поле, которое в свою очередь вступает во взаимодействие с протекающим в трубке током противоположного направления. Нагрев ферромагнитного стального нагревателя 3 происходит в результате действия тока I проходящего по ней, а также индукционного нагрева в переменном электромагнитном переменном поле. Именно по причине комбинации двух принципов электрообогрева такие системы приобрели название индукционно-резистивных.
Индукционно-резистивный проводник выполняется из алюминия либо меди сечением 8…50 мм2. СКИН-трубка или индукционно-резистивный нагреватель выполняется из ферромагнитной стали с толщиной стенки не менее 3 мм и размерами от 15 до 60 мм.
Ток, применяемый для питания системы как правило имеет частоту 50 Гц. Ввиду продемонстрированного выше принципа работы СКИН - системы можно сделать вывод, что ток на внешней поверхности нагревательной трубки отсутствует, также как и потенциал, что говорит об электробезопасности системы. ИР - нагреватель и контур заземления, как правило, закорачивают в конце обогреваемого участка.
При монтаже нагревательной трубки на трубопроводе необходимо обеспечить тепловую связь, для этого служит специальная теплопроводящая паста. Она наносится между трубой и нагревателем с помощью пистолета и шпателя с целью улучшения теплового контакта.
3.3. Принцип действия СКИН системы.
ИР-проводник в конце плеча обогрева электрически соединяется с ИР-нагревателем, а в начале плеча между ИР-нагревателем и проводником подается переменное напряжение, величина которого рассчитывается исходя из необходимого тепловыделения и длины участка обогрева.
Токи ИР-проводника и ИР-нагревателя направлены встречно, и в системе имеют место поверхностный эффект и эффект близости. В результате ток в ИР-нагревателе протекает по внутреннему слою вблизи внутренней поверхности ИР-нагревателя, а напряжение на ИР-нагревателе отсутствует.
ИР-проводник выполняется немагнитным (медь, алюминий), заметного поверхностного эффекта в нем не возникает, а переменный ток течет по всему сечению ИР-проводника.
Основным тепловыделяющим элементом ИРСН является ИР-нагреватель, на него приходится до 80 % мощности системы.
Фактически, на распределение температуры в нефтепроводе в значительной степени влияют такие параметры, как тип трубопровода, глубина его заложения, начальная температура трубопровода, объем нефти, перекачиваемый за единицу времени, вязкость сырой нефти, температура окружающей среды и давление окружающей среды.
Исходя из диаметра трубы и необходимой температуры, может применяться однотрубная, двухтрубная и трехтрубная
СКИН-система.
Для проектирования электрической схемы и определения параметров СКИН - системы электрообогрева, таких как рабочая частота, выходное напряжение, ток и мощность необходимо определить цепь сопротивления нагрузки всей системы электрообогрева.
4.Результаты исследования проведенные с использованием СКИН-системы для подогрева вязкой нефти.
Опытным путем в научных работах доказана что эффективность обогрева системы зависит от распределенных параметров цепи и текущей частоты системы. В результате может быть получено изменение мощности нагревательной трубки и нагревательного кабеля в зависимости длины трубопровода при различных частотах тока (рис.6).
Рисунок 6– График зависимости мощности обогрева от частоты:
N – мощность нагрева каждого сегмента системы электрообогрева на основе скин-эффекта;
N0– тепловая мощность нагревательного кабеля и участка трубы обогрева на выходе
Из рисунка 6 видно, что при низкой частоте тока (200 Гц) емкость и индуктивность меньше, чем при больших частотах, тепловыделение системы электрического обогрева улучшается. В случае высокой частоты тока (1000 Гц) влияние емкостного реактивного сопротивления и индуктивного реактивного сопротивления становится все более и более значительным, а мощность системы электрообогрева на основе скин-эффекта демонстрирует возрастающее изменение.
График распределения температуры в трубопроводе при использовании СКИН- системы электрообогрева представлен на рисунке 7.
