Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
При осуществлении процесса бурения в зимний период, а также в северных широтах существует риск замерзания технологических жидкостей в участках трубопроводов и узлах оборудования морских буровых и нефтедобывающих платформ, подверженных воздействию холода. Для отогрева замороженного оборудования и трубопроводов предлагается использовать индукционный нагреватель, конструкция которого не имеет большинства недостатков, характерных для используемых методов отогрева бурового оборудования. В нагревателе КПД может составлять до 80 % за счет выделения тепла непосредственно в отогреваемом оборудовании, отогрев бурового оборудования и трубопроводов с помощью предлагаемого устройства в 5,7 раза эффективнее, чем использование парогенераторных установок.

Ключевые слова:
морская платформа, технологическая жидкость, дросселирование, зимний период, отогрев, индукционный нагреватель, парогенераторная установка
Текст
При осуществлении процессов бурения и добычи нефти в зимний период существует риск замерзания технологических жидкостей в участках трубопроводов и узлах оборудования морских буровых и нефтедобывающих платформ, подверженных воздействию холода, что зачастую приводит к остановке работ и, как следствие, непроизводительному времени эксплуатации оборудования. Замерзание оборудования в условиях открытого моря крайне нежелательно, т. к. отогрев требует дополнительного расхода энергии, а восстановление поврежденного оборудования приводит к длительным простоям и дополнительным затратам, связанным с длительной и дорогой транспортировкой запасных частей. Для осуществления отогрева подмороженных трубопроводов и элементов оборудования морских платформ используются различные способы, однако не все они одинаково хороши в различных условиях. Наиболее распространенным способом отогрева замороженного оборудования является использование парогенераторных установок (ПУ). Они характеризуются рядом недостатков, таких как дросселирование водяного пара, тепловое загрязнение окружающей среды, опасность короткого замыкания при использовании вблизи электрооборудования и т. д. Более целесообразным представляется использование индукционного подогрева [1–4]. Целью исследований являлась разработка конструкции и оценка параметров индукционного нагревателя для отогрева оборудования, определение возможности и экономической эффективности использования индукционного подогрева, а также сравнение такого способа отогрева оборудования с наиболее распространенными. Ниже рассматривается использование индукционного нагревателя оригинальной конструкции. Предлагаемое устройство (рис. 1) состоит из плоских катушек индуктивности, соединенных между собой в гибком корпусе, что позволяет устанавливать его на поверхностях различной геометрической конфигурации. Устройство действует следующим образом: на катушки 2 подается переменный электрический ток, создающий в них электромагнитное поле. Генерированное поле наводит ЭДС в металлическом теле 4 отогреваемого оборудования, и в результате эффекта Джоуля – Ленца выделяется теплота. Фактически принцип действия подобных нагревателей основан на полезном использовании токов Фуко. Таким образом, тепло генерируется непосредственно в металле, что является неоспоримым преимуществом данного метода нагрева, т. к. отсутствуют потери при теплопередаче от теплоносителя к металлу [1, 2]. Рис. 1. Принципиальная схема индукционного нагревателя: 1 – внешняя изоляция; 2 – обмотка плоской катушки индуктивности; 3 – гибкая основа индуктора, внутренняя изоляция; 4 – трубопровод; 5 – технологическая жидкость; 6 – технологическая жидкость в твердом агрегатном состоянии; 7 – замковое устройство; 8 – клеммы подвода электроэнергии По сравнению с ПУ индукционный нагреватель обладает многими преимуществами: более высокий КПД; большая площадь прогреваемой поверхности; больший тепловой поток и, следовательно, меньшее время отогрева; отсутствие шума; компактность, что особенно важно в ограниченном пространстве морских платформ; возможность использования на недоступных для ПУ участках буровой установки; возможность обеспечения постоянного подогрева проблемных участков; отсутствие намерзания конденсата; отсутствие потерь на дросселирование пара; низкое тепловое загрязнение окружающей среды. Конструктивное исполнение данного нагревателя позволяет монтировать его практически на любом оборудовании, корпус может быть выполнен как под определенное оборудование, так и для универсального использования. В рамках данного исследования проведена оценка параметров процессов теплообмена при использовании различных способов отогрева. Для сравнения эффективности отогрева трубопровода необходимо определить полезную мощность каждого из способов. Полезной мощностью в данном случае будет являться тепловой поток, направленный от стенки трубы к замороженной жидкости. Для ПУ тепловой поток можно рассчитать по формуле , (1) где ∆Т – разность значений температуры пара и замороженной жидкости, К; Rпар, Rст, Rлед – термические сопротивления соответственно при тепловых потоках от пара к стенке трубы, через стенку трубы и от стенки трубы к замороженной жидкости, К/Вт. Вышеуказанные термические сопротивления могут быть определены по следующим формулам [5, 6]: (2) где Dнар, Dусл – соответственно наружный и внутренний диаметры трубопровода, м; L – протяженность отогреваемой области, м; αпар, αж – коэффициенты теплопередачи соответственно от пара к стенке трубы, от стенки трубы к жидкости, Вт/(м2∙К); λпар, λмет, λлед – коэффициенты теплопроводности соответственно пара, материала трубы, льда, Вт/(м∙К); δк, δж – толщина слоев соответственно конденсата и талой жидкости, м. Определение коэффициента теплопередачи от пара к стенке трубы произведено следующим образом. Диаметр струи пара после полного расширения составляет , (3) где d1 – диаметр насадки ПУ, м; k – показатель адиабаты (для пара k = 1,31); р1 – давление пара в насадке, МПа; р2 – атмосферное давление, МПа [7]. Для простоты расчетов примем диаметр потока пара, обтекающего трубопровод, равным среднему диаметру потока: (4) Скорость истечения пара из сопла насадки определяется по формуле , (5) где h1 – h2 – разность энтальпий пара в сжатом и расширенном состоянии, кДж [7]. Числа Рейнольдса для потока пара в насадке и после расширения соответственно равны: , (6) , (7) где ν1 и ν2 – кинематическая вязкость пара до и после расширения соответственно, м2/с. Для простоты расчетов примем среднее число Рейнольдса потока пара, обтекающего трубопровод, равным среднеарифметическому от значений, полученных по формулам (6) и (7). Среднее число Нуссельта для потока пара, обтекающего трубопровод, , (8) где С, n, m – табличные коэффициенты, зависящие от значений Re, Pr [5]. Таким образом, коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене между потоком пара и трубопроводом определяется по формуле , (9) где λпар – коэффициент теплопроводности пара, Вт/(м∙ К). Коэффициент теплопередачи при конвективном теплообмене между внутренней стенкой трубы и слоем жидкости , (10) где В, i – табличные коэффициенты [7]. Если пренебречь потерей тепла в атмосферу, т. к. нагреватель исполняется в изоляции, а также отбросить термическое сопротивление при передаче тепла через стенку трубы, т. к. тепло генерируется непосредственно в металле, то тепловой поток для индукционного нагревателя определяется по формуле (11) На основе расчета по формулам (1)–(11) было проведено сравнение эффективности использования различных способов отогрева и получены графические зависимости эффективности от геометрических характеристик трубопровода. Полезную мощность индукционного нагревателя можно рассматривать как разницу полной мощности, подаваемой на обмотку катушек, и суммы потерь в обмотках и воздушном зазоре: (12) Согласно сложившейся практике применения индукционных нагревателей, коэффициент полезного действия подобных устройств обычно составляет ≈ 80 % [2], поэтому . С помощью формул (11) и (12) были проведены расчеты для индукционного нагревателя и получены результаты, приведенные на рис. 2 и 3. Можно сделать следующие выводы: при использовании для отогрева манифольда Ду-100 посредством ПУ с теплотворной способностью 1 091 кВт полезный тепловой поток составит только 192 кВт, таким образом, тепловой КПД составляет 18 %; при сообщении аналогичной мощности посредством электромагнитного поля полезный тепловой поток составит 1 091 кВт, таким образом, тепловой КПД (электромагнитные потери исключены) составляет 80 %, что связано со спецификой индукционного нагрева – тепло возникает непосредственно в оборудовании, а благодаря теплоизоляции нагревателя потери тепла в окружающую среду минимальны; использование индукционного способа нагрева в 5,7 раза эффективнее использования теплоносителя, в данном случае – пара. Как видно из графиков, КПД парогенераторной установки возрастает с увеличением объема отогреваемого оборудования, КПД индукционного нагревателя при этом остается практически постоянным. Таким образом, при отогреве небольших участков предпочтительным является метод индукционного нагрева, с увеличением объемов отогреваемого оборудования все более выгодным становится использование ПУ, т. к. индукционные нагреватели ограничены потребляемой мощностью. Кроме того, КПД парогенераторной установки возрастает с полной мощности ПУ, КПД индукционного нагревателя при этом остается практически постоянным. Таким образом, при краткосрочном отогреве предпочтительным является метод индукционного нагрева, с увеличением потребной мощности для отогрева все более выгодным становится использование ПУ. Рис. 2. Расчетная зависимость эффективности различных способов отогрева оборудования от внутреннего диаметра трубопровода Рис. 3. Расчетная зависимость эффективности различных способов отогрева оборудования от полной мощности устройств В заключение следует отметить следующее: 1. Разработана конструкция индукционного нагревателя, не имеющая большинства недостатков используемых методов отогрева бурового оборудования. 2. За счет выделения тепла непосредственно в отогреваемом оборудовании КПД нагревателя может составлять до 80 %. 3. Отогрев бурового оборудования и трубопроводов с помощью предлагаемого устройства в 5,7 раза эффективнее отогрева при использования ППУ.
Список литературы

1. Слухотский А. Е. Индукторы для индукционного нагрева / А. Е. Слухотский, С. Е. Рыскин. Л.: Энергия, 1974. 263 с.

2. Rudnev V. Handbook of induction heating / V. Rudnev, D. Loveless, R. Cook, M. Black. New York: Marcell Decker, Inc., 2003. 362 с.

3. Шишкин Н. Д. Применение индукционного подогрева нефти при ее транспортировке от месторождений на Северном Каспии / Н. Д. Шишкин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 3. С. 52–56.

4. Шишкин Н. Д. Алгоритм автоматизации процесса индукционного подогрева нефти / Н. Д. Шишкин, К. В. Трофименко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2012. № 1. С. 79–84.

5. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление / С. С. Кутателадзе: cправочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

6. Шишкин Н. Д. Фазопереходные тепловые аккумуляторы с высокотеплопроводными инклюзивами / Н. Д. Шишкин, Ю. Ф. Цымбалюк. Астрахань: Саратов. науч. центр РАН. Отдел энергет. проблем. Лаборатория нетрадиц. энергетики, 2006. 120 с.

7. Баскаков А. П. Теплотехника: учеб. для вузов / А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К. Витт, Кузнецов Ю. В., Филипповский Н. Ф.; под ред. А. П. Баскакова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.