Диссертация. Электротермическая система обеспечения тепловых режимов оборудования нефтяных месторождений
 Скачать 7.24 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» На правах рукописи КОНДРАТЬЕВ Эдуард Юрьевич ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Конесев Сергей Геннадьевич Уфа – 2018 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………… 4 Глава 1 Методы, системы и устройства теплового воздействия на объекты нефтегазовой отрасли…………………………………………………………… 11 1.1 Методы и устройства подавления аномальной вязкости нефти 11 1.2 Патентные исследования…………………………………………….. 22 1.3 Особенности функционирования объектов нефтегазовой отрасли в условиях ограниченного электроснабжения………………………………… 29 1.4 Классификация объектов по зонам и видам………………………… 30 1.5 Определение энергетической эффективности способов воздействия электротермических систем……………………………………… 32 1.6 Выводы по главе 1 и постановка задач исследования……………... 42 Глава 2 Разработка технических решений индукционных нагревательных систем для объектов нефтегазовой отрасли…………………………………… 45 2.1 Концептуальная проработка технических решений индукционной нагревательной системы………………………………………………………… 49 2.2 Разработанные способы и индукционные нагревательные системы…………………………………………………………………………... 51 2.3 Разработка рекомендаций по монтажу и наладке разработанных индукционных нагревательных систем………………………………………... 68 2.4 Выводы по главе 2……………………………………………………. 71 Глава 3 Компьютерно-имитационное моделирование индукционной нагревательной системы и ее отдельных узлов……………………………….. 72 3.1 Моделирование работы индукционной нагревательной системы с гибридным индуктором в программе Matlab 5.0……………………………… 73 3.2 Моделирование электромагнитных и тепловых процессов гибридного индуктора в программе Elcut 6.0…………………………………. 78 3.3 Моделирование электромагнитных и тепловых процессов в программе Comsol Multiphysics 4.4……………………………………………... 91 3 3.4 Разработка алгоритма проектирования индукционных нагревательных систем нефтепроводов………………………………………... 97 3.5 Выводы по главе 3……………………………………………………. 113 Глава 4 Стендовые и лабораторные исследования и экспериментальное подтверждение адекватности разработанных моделей..……………………… 116 4.1 Расчет параметров гибридного индуктора в программе MathCAD 15………………………………………………………………………………….. 116 4.2 Создание лабораторного испытательного стенда и исследование режимов работы индукционной нагревательной системы…………………… 118 4.3 Внедрение результатов диссертационной работы………………….. 140 4.4 Технико-экономическое обоснование эффективности внедрения индукционной нагревательной системы по объектам нагрева НГДУ……….. 145 4.5 Выводы по главе 4 …………………………………………………… 153 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………. 155 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………… 158 ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное). Термограммы при различных значениях температуры жидкости на забое и температуры ступени подогрева………………………………………………………………………… 171 ПРИЛОЖЕНИЕ Б (информационное). Технические характеристики тепловизора Flir i60……………………………………………………………... ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное). Акты внедрения результатов диссертационной работы………………………………………………………... 176 177 4 ВВЕДЕНИЕ Повышение энергоэффективности процесса перекачки вязкой и высоковязкой нефти при её добыче и транспортировке достигается снижением вязкости нефти, поскольку при этом обеспечивается уменьшение нагрузки на насосы и их приводы. Практически все существующие методы снижения вязкости нефти основаны на тепловом воздействии, которое реализуется с помощью различных нагревательных систем. Наиболее эффективными и безопасными нагревательными системами в этом случае являются электротермические системы. К ним относятся кабельные нагревательные системы, индукционно-резистивные системы skin-systems для попутного поддержания температуры, а также индукционные нагревательные системы (ИНС), работающие на промышленной и среднеповышенной частотах. Преимуществами применения таких систем являются возможность локального и попутного нагрева, простота монтажа и эксплуатации, высокие энергетические характеристики. К электротермическим системам предъявляются следующие требования: - обеспечение двух режимов: поддержания температуры и аварийного разогрева и, следовательно, широкий диапазон регулирования мощности нагревательной системы; - обеспечение автоматизации и реализация малолюдных технологий; - обеспечение теплового режима при ограничении электроснабжения. Применяемые в промышленности индукционные нагревательные системы представляют собой индуктор и источник питания со звеном повышенной частоты. Изменяя частоту коммутаций, можно регулировать мощность ИНС, а, следовательно, температуру и объем перекачиваемой жидкости. ИНС позволяет реализовать следующие основные способы нагрева трубопроводов: локальный, попутный, локально-попутный, локально-ступенчатый. Наиболее эффективным с точки зрения надежности, простоты монтажа, энергетических показателей является способ локально-ступенчатого нагрева, заключающийся в нескольких 5 интенсивных подогревах вязкой текучей среды на коротких участках трубопровода. Последние годы индукционные системы нагрева текучих сред внедряются в нефтяную промышленность, но остается множество нерешенных вопросов и задач. Используемые на объектах нефтегазового комплекса системы индукционного нагрева работают на промышленной частоте, что значительно снижает энергоэффективность и КПД системы, а также снижает управляемость процессом нагрева. Отсутствуют системы индукционного нагрева, учитывающие особенности свойств нагреваемых текучих сред в объектах сложной геометрии большой протяженности (более 100 м). Отсутствуют инженерные методики расчета индукционных нагревательных систем (ИНС) для нефтепроводов. Следовательно, актуальной становится задача создания электротермической системы обеспечения тепловых режимов оборудования нефтяных месторождений с широким диапазоном регулирования мощности, позволяющей реализовать режимы поддержания рабочих температур и аварийного разогрева наземного и скважинного оборудования объектов нефтяных месторождений в районах Крайнего Севера, а также при добыче нефти высокой вязкости, в условиях ограничения электроснабжения. Степень разработанности темы исследования. Традиционно индукционный нагрев применяется для бесконтактной плавки, пайки, сварки, термообработки и закалки металлов. Значительный вклад в решение теоретических и практических задач в данной области внесли такие выдающиеся ученые как В. П. Вологодин, Л. Р. Нейман, В. Б. Демидович, К. З. Шепеляковский, Я. С. Вишневецкий, Н. И. Вишневецкий, М. А. Федин, М. Л. Струпинский, А. Б. Кувалдин, Н. Н. Хренков и другие. В сравнении с традиционным индукционным нагревом, исследованию и решению задач в области индукционного нагрева текучих сред уделяется недостаточно внимания. Научными исследованиями и решением практических задач в данном направлении активно занимаются ученые А. Н. Данилушкин, А. М. Батищев, Д. А. Зинатуллин, М. Л. Струпинский, Н. Н. Хренков, С. К. Земан, 6 С. Г. Конесев, В. И. Мельников, И. А. Макулов, Ю. А. Никитин, П. А. Хлюпин и другие. Разработкой и промышленным производством систем индукционного нагрева текучих сред на территории Российской Федерации и стран ближнего зарубежья занимаются такие предприятия как ООО «Газ-проект инжиниринг», г. Уфа, ФГУП «НКТБ «Вихрь», г. Уфа, ООО «Завод индукционных электрических нагревателей», г. Москва, компания «Специальные системы и технологии», г. Мытищи, ЗАО «Завод Сибирского Технологического Машиностроения», г. Новосибирск и др. Цель и задачи. Целью работы является создание и исследование электротермической системы на основе индукционных технологий, обеспечивающей режимы компенсации теплопотерь и аварийного разогрева промыслового оборудования нефтяного месторождения в условиях ограниченного электроснабжения. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: 1. Аналитический обзор и патентные исследования методов, систем и устройств теплового воздействия на объекты нефтегазовой отрасли. 2. Разработка новых способов и технических решений электротермических установок и систем на основе индукционных энергосберегающих технологий для объектов нефтегазовой отрасли (НГО) и исследование режимов их работы. 3. Создание инженерных методик расчета и алгоритмов проектирования разработанных индукционных нагревательных систем. 4. Разработка компьютерных моделей ИНС и исследование на их основе режимов работы ИНС. 5. Экспериментальное подтверждение результатов теоретических исследований, адекватности разработанных моделей, практическая реализация ИНС и внедрение разработанных способов и устройств. 7 Научная новизна 1 Предложены новые способы теплового воздействия на объекты НГО: способ ликвидации отложений и предотвращения их образования в нефтяной скважине (патент РФ № 2569102), способ электротермического воздействия на протяженные трубопроводы (патент РФ № 2584137). 2 Разработаны индукционные нагревательные системы (ИНС) для добычи и трубопроводного транспорта с учетом специфики добычи и перекачки высоковязкой нефти в условиях Заполярного НГКМ. Новые схемотехнические решения систем термического воздействия и их источников питания получили патентную защиту РФ (патент РФ на изобретения №2517137). 3 На основе созданных компьютерных и имитационных моделей показана эффективность использования гибридного индуктора в качестве источника нагрева и обоснована энергетическая эффективность локально-попутного способа нагрева объектов. Установлено, что максимальная мощность достигается при частоте свободных колебаний, как для системы, так и для отдельных гибридных индукторов. Определено, что работа гибридного индуктора в резонансном режиме обеспечивает коэффициент мощности выше 0,9, и он выступает в роли компенсатора реактивной мощности. Практическая значимость работы 1 Разработанные новые схемотехнические решения ИНС и их источников питания обеспечивают режимы компенсации теплопотерь и аварийного разогрева промыслового оборудования нефтяного месторождения в условиях ограниченного электроснабжения. 2 Разработаны инженерные методики расчета и алгоритмы проектирования разработанных ИНС, учитывающие особенности геометрии, технологических процессов функционирования объектов НГО. 3 Разработаны рекомендации по монтажу и наладке спроектированных ИНС. 8 4 Предложенные способы электротермического воздействия на объекты НГО (протяженные трубопроводы, скважины и резервуары), реализуют локальный, попутный, локально-попутный, локально-ступенчатый нагрев. 5 Разработанный способ монтажа протяженного индуктора (патент РФ № 2496281), позволяет сократить время монтажа в 3-4 раза, а также осуществлять вырезки и врезки трубопроводов, без демонтажа и повреждения кабеля – индуктора. Практическая ценность результатов работы подтверждается актами внедрения результатов на объектах нефтегазовой отрасли в компании ООО «Газпром добыча Ямбург» и производственных компаниях Башкортостана. Методология и методы исследования. Поставленные задачи решались аналитическими методами исследования магнитного и электрического полей, применялись методы теории дифференциального и интегрального исчисления, аналитические и численные методы анализа, компьютерного моделирования с использованием пакета Matlab, компьютерного моделирования тепловых полей методом конечных элементов (КЭ) в пакете Ansys, с использованием пакета Fluent для создания различных режимов течения, компьютерного моделирования магнитных и тепловых полей в пакете Elcut. Положения, выносимые на защиту: 1 Способ электротермического воздействия на протяженные трубопроводе и индукционная нагревательная система на основе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента для теплового воздействия на взрывоопасные вязкие текучие среды при их транспортировке по промысловым и магистральным нефтепроводам. 2 Новые технические решения индукционных нагревательных систем и результаты исследования функционирования гибридного индуктора в составе источника вторичного электропитания ИНС. 3 Алгоритм проектирования и инженерная методика расчета ИНС и их источников электропитания, учитывающие особенности геометрии, технологических процессов функционирования объектов НГО. 9 4 Результаты исследования ИНС на основе разработанных компьютерных моделей. Степень достоверности и апробация работы. Результаты исследований внедрены и используются на объектах нефтяной и газовой промышленности компанией ООО «Газпром добыча Ямбург», промышленными предприятиями – ООО НИЦ «Энергодиагностика», ЗАО «Уфа-Авиагаз». Результаты исследований используются в учебном процессе в УГНТУ для бакалавров направления подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника». Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: I Международной (IV Всероссийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий», г. Уфа, 2013 г., на заочной электронной конференции «Электротехнологии и силовая преобразовательная техника», РАЕ, 2013 г, на международной научно- практической конференции «Проблемы современных интеграционных процессов и пути их решения», г. Киров, 2016 г., на III Международной (VI Всероссийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий», г. Уфа, 2017 г., на XII Международной научно-технической конференции «Завалишинские чтения», г. Санкт-Петербург, 2017, на XI Международной IEEE научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 2017 г. Публикации. Список публикаций по теме диссертации включает 18 научных трудов, в том числе 8 статей, из них 6, в изданиях, индексируемых базами Scopus и Web of Science, и по перечню ВАК, 6 патентов РФ на изобретения и полезные модели, 4 материала конференций В выполненных в соавторстве работах соискателем лично получены следующие результаты: - в работах [14,20,64] проведен анализ существующих электрофизических методов регулирования реологических свойств вязких и высоковязких нефтей и современных технологий добычи высоковязких нефтей; 10 - в работе [81] выполнена оценка эффективности систем локального, попутного, локально-попутного и локально-ступенчатого нагрева; - в работе [95,96] выполнено исследование эффективности нагрева с помощью одиночных индукторов в проводном и ленточном исполнении; - в работах [61,66,70,86,105] предложены электротермические системы теплового воздействия на скважинное и промысловое оборудование; - в работе [106] проведены экспериментальные исследования влияния ИНС на основе компонента на сеть и качество электрической энергии и произведена оценка энергетических характеристик ИНС на гибридном индукторе; - в патенте [87] предложено использование одновиткового индуктора; - в патентах [57,58,85] предложены способы электротермического воздействия на протяженные трубопроводы, скважины и резервуары. - в патенте [91] предложен вариант монтажа индуктора на элементы трубопровода. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка, состоящего из 106 наименований. Работа изложена на 183 страницах машинописного текста, включая 124 рисунка, 30 таблиц, 3 приложения. 11 ГЛАВА 1 МЕТОДЫ, СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЪЕКТЫ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ 1.1 Методы и устройства подавления аномальной вязкости нефти Основные мировые запасы сосредоточены в месторождениях тяжелой (вязкой) и битуминозной нефти [1, 2, 3]. Процентное соотношение мировых запасов высоковязких нефти представлено на рисунке 1.1. Рисунок 1.1 – Процентное соотношение остаточных запасов высоковязких нефтей Нефти с высокой и сверхвысокой вязкостью обладают сложными реологическими свойствами непосредственно в месторождении, что сказывается на технологии добычи подобных жидкостей [4]. Такие нефти требуют улучшения реологических характеристик непосредственно перед началом разработки месторождения [5, 6, 7]. При разработке месторождений с вязкими углеводородами для увеличения нефтеотдачи пласта на месторождениях применяются различные методы, к которым можно отнести парагравитационный дренаж (SAGD – Steam Assisted Gravity Drainage), технологию выпаривания с помощью теплового затопления (Submerged Thermal Vaporizing Technology), термическое разложение при дренаже (TADD – Thermal Assisted Dissolver Drainage), газлифт (Gas lift), газовую инжекцию (Gas injection), закачку в пласт полимерной жидкости (Polymer fluid method), метод пластового горения (In-situ combustion) [8, 9, 10, 11]. В университете Реджина провинция Саскачеван Канада проводятся активные исследования по разработке и внедрению метода увеличения нефтеотдачи на месторождениях с высоковязкой нефтью методом обработки призабойной зоны 12 пласта раствором двуокиси углерода с водой (SACW – Solvent Assisted CO2 Process + Water) [12]. На рисунке 1.2 приведены методы увеличения нефтеотдачи пласта применяемые на территории Канады, Венесуэлы и других стран, обладающих месторождениями вязкой, высоковязкой и битуминозной нефти, а также нефтяных сланцев и битуминозных песков [4, 13, 14]. Рисунок 1.2 – Методы увеличения нефтеотдачи пласта Большое количество научно-исследовательских институтов в мире занимаются исследованиями технологий разработки месторождений с высоковязкой нефтью. Из мировых исследовательских центров можно привести: Alberta Research Council, C-FER, Saskatchewan Research Council, University of Alberta, University of Calgary (Канада), Institut Francais du Petrole (Франция), (Канада), Stanford University, University of Texas, Texas A & M, University of Houston (США) [15]. В России исследованиями проблем разработки месторождений с высоковязкой нефтью занимаются различные научно-исследовательские институты и университеты. К основным центрам относятся «Институт проблем нефти и газа. Российская академия наук» (г. Москва), «Западно-Сибирский институт проблем геологии нефти и газа» (г. Тюмень), ОАО «Сибирский научно- исследовательский институт нефтяной промышленности» (г. Тюмень), а также ведущие нефтяные ВУЗы РФ и крупные нефтяные компании [16]. Более чем 20-ти 13 летний опыт по разработке месторождений высоковязкой нефти имеет нефтяная компания ОАО «Татнефть». Первые опытные разработки по освоению месторождений с высоковязкими нефтями начались в конце 80-х годов ХХ века. Продукты переработки высоковязкой нефти в процентном соотношении перечислены на рисунке 1.3. Рисунок 1.3 – Продукты переработки высоковязкой нефти Асфальтены действуют на кристаллизацию парафинов точно также, как химические присадки поверхностного действия, а смолы – депрессаторы объемного действия [17, 18]. Температура застывания вязкой нефти зависит как от соотношения трех этих составляющих, так и от температуры нагрева, и от предыстории нагрева [19]. При нагреве можно оказать как положительное влияние на реологические свойства нефти, так и ухудшить их [20]. Несоответствие хотя бы одного из факторов может привести к тому, что реологические свойства могут ухудшиться [21]. При разработке месторождений с высоковязкой нефтью трудности также вызывает неоднородность коллекторов, которая также может стать причиной снижения продуктивности месторождения. В этом случае в дополнении к электрофизическим методам воздействия на пласт могут прибавляться биологическое и химическое воздействие [22]. На территории Российской Федерации применяются различные методы, способствующие увеличению нефтеотдачи месторождений с высоковязкой нефтью. В процессе анализа было установлено отсутствие нормативной 14 классификации методов и их объединение в группы условно. Ниже приведен один из вариантов классификации методов увеличения нефтеотдачи (МУН) месторождений высоковязкой нефти (рисунок 1.4) [23, 24]. Как видно из рисунка 1.4, применяемые МУН в России ничем не отличаются от мировых методов воздействия (рисунок 1.3) [25 – 29]. Рисунок 1.4 – Методы увеличения нефтеотдачи месторождений высоковязкой нефти |