ИНСТИТУТ КИБЕРНЕТИКИ, ИНФОРМАТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра «Электроэнергетика»
Направление 140400.68 «Электроэнергетика»
Программа «Автоматика энергосистем»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К диссертации на соискание степени (квалификации)
магистра техники и технологии на тему:
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДЛЯ ИНДУКЦИОННО-РЕЗИСТИВНОЙ СИСТЕМЫОБОГРЕВА ТРУБОПРОВОДОВ ВИХРЕВЫМИ ТОКАМИ
Выполнил ст. гр. АЭм-12-1 В.В. Коржень
Научный руководитель доцент, к.т.н. Е.П. Власова
Нормоконтролер доцент, к.т.н. О.А. Лысова
Магистерская диссертация допущена к защите в ГЭК
Руководитель программы О.В. Смирнов
Зав. кафедрой «Электроэнергетика» А.Л. Портнягин
Магистерская диссертация защищена с оценкой
Секретарь ГЭК О.И. Москвина
Тюмень, 2014 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 5
1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОГРЕВА ТРУБОПРОВОДОВ.. 10
1.1. Общие положения. 10
1.2. Описание системы электрического обогрева на основе греющего кабеля 11
1.3. Описание cкин-системы для обогрева труб. 14
1.4. Описание системы электрического обогрева трубопроводов с использованием индукционно-резистивного нагрева вихревыми токами. 17
2. РАЗРАБОТКА СТАБИЛИЗИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ИНДУКЦИОННО-РЕЗИСТИВНОЙ СИСТЕМЫНАГРЕВА ВИХРЕВЫМИ ТОКАМИ ВО ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОМ ИСПОЛНЕНИИ.. 21
2.1. Общие положения. 21
2.2. Разработка методики расчета стабилизированной конструкции. 22
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОГРЕВА ТРУБОПРОВОДА. ВЫБОР ТИПА РЕГУЛЯТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ. РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ НАСТРОЕК РЕГУЛЯТОРА.. 27
3.1. Теплотехнический расчет трубопровода. 27
3.2. Выбор типа регулятора температуры.. 31
3.2.2. Получение характеристик по кривой отклика. 32
3.2.3. Расчет передаточной функции объекта по кривой отклика. 33
3.2.4. Типы регуляторов и их настройки. 35
3.2.5. Оптимальные настройки регулятора. 37
3.2.6. Расчет оптимальных настроек регулятора. Расчет настроек дискретного ПИ-регулятора методом ограничения на частотный показатель колебательности. 38
4. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ.. 47
4.1. Описание устройств измерения и контроля. 47
4.1.1. Контроллер программируемый логический ПЛК 160. 48
4.1.2. Термопреобразователи сопротивления ДТС. 55
4.1.3. Контроллер Siemens RWX 62. 56
4.1.4. Температурный датчик кабельного типа QAP 21.3. 61
4.2 Сравнение и выбор устройств измерения и контроля. 63
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 65
СПИСОК ТРУДОВ МАГИСТРАНТА.. 68
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. 69
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. 71
АННОТАЦИЯ
Диссертация состоит из 68 страниц, 15 иллюстраций, 14 таблиц и списка использованных источников.
СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ДИЗАЙН, ВИХРЕВЫЕ ТОКИ, РЕГУЛЯТОР, ИНДУКЦИОННО-РЕЗИСТИВНАЯ СИСТЕМА НАГРЕВА, ТРУБОПРОВОД, ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОБОГРЕВ, ВЗРЫВОЗАЩИТА.
Рассмотрены системы электрического обогрева трубопроводов. Описаны их достоинства и недостатки.
Разработана методика расчета стабилизированной конструкции для ИРСН вихревыми токами, используя предложенный метод можно рассчитать оптимальное значение мощности нагревательного элемента и выбрать необходимое нагревательное устройство, а также рассчитать максимально возможную температуру нагревателя, по которой может быть осуществлено регулирование температуры в зависимости от требований предъявляемых классом взрывоопасной зоны.
Произведено исследование системы электрического обогрева на примере «Вакуумная компрессорная станция на УПСВ-7 Уренгойского нефтяного месторождения», рассчитано оптимальное значение мощности и максимально возможная температура нагревателя. Произведен выбор типа регулятора температуры, по методу ограничения на частотный показатель колебательности рассчитаны его настройки. Осуществлен выбор устройств регулирования и контроля.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Нефтяная промышленность является одной из важнейших составных частей топливно-энергетического комплекса. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.» предусматривает дальнейшее увеличение добычи нефти, как для внутреннего потребления, так и на экспорт, интенсивную реализацию организационных и технологических мер по экономии топлива и энергии [1].
Продвижение основных нефтегазодобывающих районов страны на Север поставили перед специалистами газовой и нефтяной промышленности ряд технических задач.
Одной из таких задач является обеспечение надежной работы внутрипромыслового трубопроводного транспорта. Образование ледяных пробок в газопроводах и нефтепроводах на мощных северных промыслах, большие затруднения при эксплуатации водозаборных сооружений промыслов в районах вечной мерзлоты, водоводов и водостоков все это поставило на повестку дня необходимость разработки простых, не дорогих и надежных устройств для подогрева трубопроводов и других объектов нефтегазопромыслов, устройств, способных небольшим количеством дополнительной энергии, сообщенной извне, автоматически компенсировать наружные теплопотери, обеспечить надежную эксплуатацию систем промыслового трубопроводного транспорта и оборудования [2, с. 4].
Системы промышленного электрообогрева установлены на большом количестве нефтяных и газовых месторождений России и стран СНГ, среди них [3]:
- Красноярский край. Ванкорское нефтяное месторождение (обогрев газопроводов и технологических трубопроводов общей длиной 30600 метров);
- Республика Коми. Южно-Шапкинское нефтяное месторождение (обогрев межплощадочных трубопроводов длиной 13 000 метров);
- Ямало-Ненецкий АО. Русское месторождение (обогрев нефтепроводов и водоводов длиной 11400 метров);
- Ненецкий АО. Харьягинское нефтяное месторождение (обогрев нефтепроводов, водоводов общей длиной 50 000 метров);
- Иркутская область. Восточная Сибирь-Тихий Океан (ВСТО). Нефтеперекачивающие станции (обогрев нефтепроводов длиной более 40 000 метров).
Освоение новых нефтяных и газовых месторождений, а так же модернизация и реконструкция старых, увеличит общее количество нуждающихся в обогреве трубопроводов, что в свою очередь приведет к увеличению спроса на системы промышленного обогрева.
Экономические реалии нашего времени требуют быстрого и качественного возведения трубопроводов даже в сложных условиях Крайнего Севера и Восточной Сибири, что успешно решается применением при их строительстве модулей труб в заводской теплоизоляции с нагревательными трубками. Применение систем обогрева на базе резистивных и саморегулирующихся кабелей за последние годы показали свою низкую надежность и эффективность, так как они требуют плотного прилегания к обогреваемой трубе, а при свободном размещении в нагревательных трубках не способны качественно передать тепло, по сути, обогревая только воздух вокруг себя. Так же существует система «Скин-эффект», преимуществом которой, по сравнению с вышеуказанными системами, является тот факт, что нагревателем является не сам кабель, а нагревательная трубка, которая включается в электрическую сеть контура обогрева. Однако высокие требования, предъявляемые к системе данного типа на этапах разработки, монтажа и пуско-наладочных работ и известные проблемы в её эксплуатации, имевшие место в последнее время, приводят к тому, что многие организации предпочитают отказываться от ее использования.
Правительство Российской Федерации утвердило государственную программу «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», направленную на обеспечение повышения конкурентоспособности, финансовой устойчивости, энергетической и экологической безопасности российской экономики, а также роста уровня и качества жизни населения за счет реализации потенциала энергосбережения и повышения энергетической эффективности на основе модернизации, технологического развития и перехода к рациональному и экологически ответственному использованию энергетических ресурсов [1]. Исходя из этого необходимы новые способы обогрева трубопроводов в заводской теплоизоляции, усовершенствование уже существующих методик расчета параметров электрического обогрева.
В последние годы появилась система электрического нагрева, являющаяся аналогом системы «Скин-эффект». Принцип работы предлагаемой в магистерской диссертации системы основан на индукционно-резистивном нагреве вихревыми токами, поэтому данная система и получила название – ИРСН система. Главное преимущество системы «ИРСН» заключается в том, что нагревательная трубка в электрическую сеть контура обогрева не включена и за счёт этого, она не обладает недостатками системы «Скин-эффект». Однако в настоящее время ИРСН используется только для обогрева водоводов, так как нет решения для применения данной системы во взрывоопасных зонах. Разработанный в данной работе стабилизированный дизайн для ИРСН позволяет решить ряд вышеописанных проблем в существующих обогревательных системах и расширить область применения ИРСН. Таким образом, тема диссертационного исследования является актуальной.
Цель работы. Целью данной диссертации является разработка методики расчета, позволяющей осуществлять расчет индукционно резистивной системы нагрева вихревыми токами для применения ее во взрывоопасных зонах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
¾ провести анализ существующих систем электрического обогрева трубопроводов;
¾ разработать методику, позволяющую осуществлять расчет индукционно резистивной системы нагрева вихревыми токами для применения ее во взрывоопасных зонах;
¾ произвести исследование предложенной методики;
Методы исследования. В работе использованы рекомендации по расчетам ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005, основные положения теории автоматического управления, а также методы компьютерного моделирования.
Научная новизна. Заключается в разработке метода расчета, позволяющего определять максимальную температуру нагревателя и оптимальную мощность нагревательного устройства. Получены формулы для нахождения данных величин соответственно.
На защиту выносятся:
- разработанная методика расчета, позволяющая осуществлять расчет индукционно резистивной системы нагрева вихревыми токами для применения ее во взрывоопасных зонах;
- разработанная схема САУ регулятора;
Практическая значимость работы состоит в том, что разработана методика расчета стабилизированной конструкции для ИРСН, по которому можно произвести предпроектные работы, рассчитать максимально возможную температуру нагревательного элемента, рассчитать необходимую мощность нагревательных устройств.
Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов физики, теории автоматического управления, корректными допущениями при составлении компьютерной модели и подтверждается проверкой результатов с помощью компьютерного моделирования.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных и специалистов «Новые технологии – Нефтегазовому региону», а также на молодежном научно-инновационном конкурсе Умник-2014.
Структура диссертации. Диссертация содержит 68 страниц машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка использованных источников из 34 наименований.
Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертационного исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна работы, подтверждена обоснованность и достоверность полученных результатов, а также их практическое значение.
В первой главе осуществлен обзор существующих систем электрического обогрева трубопроводов, описаны их достоинства и недостатки. Выявлено, что применение системы индукционно-резистивного нагрева является более предпочтительным, предлагается разработать стабилизированный дизайн для данной системы.
Во второй главе разработана методика расчета стабилизированной конструкции для индукционно резистивной системы нагрева вихревыми токами во взрывозащищенном исполнении.
В третьей главе произведено исследование системы электрического обогрева трубопровода, а именно: произведен расчет стабилизированного дизайна на конкретном примере и построена компьютерная модель обогрева трубопровода. Осуществлен выбор типа регулятора температуры, а также выполнен расчет оптимальных настроек регулятора.
В четвертой главе произведено сравнение программируемых логических контроллеров и соответствующих им датчиков температуры, по итогам сравнения проведен выбор необходимого оборудования.
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОГРЕВА ТРУБОПРОВОДОВ
Общие положения
В настоящее время в эксплуатации находится большое количество трубопроводов, выполняющих самые разнообразные функции и размещаемые по способу прокладки подземно, наземно и над землей [4]. Один из критериев правильной эксплуатации работающего трубопровода является качественная система обогрева труб и ее комплектующих. Особенно остро вопрос поддержания необходимого температурного режима труб при помощи современных технологий прогрева встает в зимний период. Из практики следует, что обогревать необходимо практически все известные типы трубопроводов – нефте и газопроводы, системы водоснабжения и канализационные системы.
Принцип действия систем электрического обогрева (ЭО), предназначенных для поддержания технологической температуры, состоит в компенсации тепловых потерь трубопровода. В отдельных случаях подобную систему используют для разогрева трубопроводов с целью повышения температуры содержащейся в них жидкости, одновременно с компенсацией тепловых потерь, имеющих место в данном процессе. Оба варианта могут иметь место как для трубопроводов в режиме останова, так и для трубопроводов с постоянной прокачкой продукта. Несмотря на то, что системы электрообогрева прочно заняли свое место в российской промышленности, вопросы проектирования систем электрообогрева, в частности, расчет тепловых потерь обогреваемого объекта, практически не освещен в нормативных документах, действующих на территории РФ [5].
В мировой практике широко используют системы ЭО трубопроводов на основе греющих кабелей, скин-систему, индукционно-резистивную, которые имеют ряд своих преимуществ и недостатков.