ГЛАВА 3 КОМПЬЮТЕРНО-ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ИНДУКЦИОННОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
И ЕЕ ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
При создании электротермической системы обеспечения тепловых режимов оборудования нефтяных месторождений необходимо решить задачи по моделированию электромагнитных и тепловых режимов, расчету параметров и оценки работы гибридного индуктора с ИВЭП.
Процессы индукционного нагрева описываются уравнениями электромагнитного поля или уравнения Максвелла [93]
(3.1) где
– магнитная индукция;
– электрическая индукция;
– магнитная проницаемость вакуума;
– относительная магнитная проницаемость;
– диэлектрическая проницаемость вакуума; – относительная диэлектрическая проницаемость; – плотность тока проводимости.
Основным критерием ИНС является эффективность процесса формирования тепловой энергии и КПД системы. При формировании моделей тепловых и электромагнитных процессов необходимо учитывать параметры объекта нагрева и параметры самого индуктора.
73
3.1 Моделирование работы индукционной нагревательной системы с
гибридным индуктором в программе Matlab 6.0
Большинство ИНС промышленной и средней частоты проектируется таким образом, что объект нагрева и ИВЭП расположены в непосредственной близости друг от друга, что значительно снижает потери при передаче энергии нагреваемому объекту. Однако существует ряд технологических процессов, при которых затруднительным является расположение источника питания ИНС в непосредственной близости к нагрузке. К таким системам можно отнести индукционные скважинные нагреватели, применяемые для увеличения нефтеотдачи месторождений с высоковязкой нефтью. В этом случае источник питания и нагрузка расположены на большом расстоянии друг от друга, глубина скважины может достигать 1000 м и более. К таким объектам также относятся технологические и магистральные трубопроводы протяженностью более 100 м.
Удаленное расположение индуктора и ИВЭП приводит к значительному увеличению потерь при передаче энергии [94].
Структурная схема ИВЭП для ИНС изображена на рисунке 3.1.
Источник питания
Инвертор
Индуктор
Система управления
Рисунок 3.1 – Структурная схема ИВЭП ИНС
Принципиальная электрическая схема ИВЭП ИНС представлена на рисунке 3.2.
Выбор схемотехнического решения осуществлен по результатам аналитического обзора в соответствии со следующими требованиями:
- высокий коэффициент мощности (до 0,95) во всем диапазоне регулирования, достигаемый путем использования неуправляемого выпрямителя и быстродействующего ключа вместо управляемого тиристорного выпрямителя;
- повышенные динамические показатели;
74
- уменьшенные масса и габариты входного инвертора;
- отсутствие циркуляции реактивной мощности внутри инвертора, соответственно, низкие потери мощности в транзисторах инвертора. Малые потери при передаче энергии по гибкому кабелю до резонансного контура.
U
50 Гц ф
С
.
к
.
р
С
1
VD
2
VD
4
VD
6
VD
3
VD
5
VD
7
VD
2
VT
1
VT
каб
R
каб
L
ИСП
L
ИСП
R
1
С
2
С
8
VD
Рисунок 3.2 – Электрическая схема ИВЭП для ИНС
На рисунке 3.3 представлена компьютерная модель ИВЭП ИНС реализованная в программе Matlab.
Рисунок 3.3 – Модель ИВЭП ИНС при локальном и локальном-попутном способах нагрева
На рисунке 3.4 представлена модель МИЭК при локальном способе нагрева, на рисунке 3.5 – при локально-попутном.
С помощью разработанной модели проведены исследования электромагнитных процессов в ИВЭП ИНС для системы локального и локально- попутного нагревов и получены осциллограммы процессов на всех основных узлах ИВЭП. На рисунках 3.6 – 3.9 приведены осциллограммы напряжений на
75 гибридном индукторе при локальном и локально-попутном нагревах соответственно.
Рисунок 3.4 – Модель МИЭК при локальном способе нагрева
Рисунок 3.5 – Модель МИЭК при локально-попутном способе нагрева
76
Рисунок 3.6 – Осциллограмма напряжения на гибридном индукторе при локальном нагреве
Рисунок 3.7 – Осциллограмма тока на гибридном индукторе при локальном нагреве
Согласно показаниям осциллографа, напряжение на гибридном индукторе при локальном нагреве составляет 33 В, что отличается на 3% от полученных экспериментальных данных, приведенных в главе 4. При локально-попутном нагреве данное расхождение составило 8%.
По результатам компьютерного моделирования произведен выбор параметров схемы ИВЭП: расчет показал, что требуемое напряжение ИНС должно составлять 33 В, частота резонансного контура при локальном нагреве
77 143 кГц, при локально-попутном нагреве 85 кГц, индуктивность индуктора равна
9,82 мкГн, емкость 160 мкФ. Рассчитанное значение индуктивности дросселя, выполняющего роль фильтра, уточнено в результате компьютерного моделирования и составляет 75 мГн.
Рисунок 3.8 – Осциллограмма напряжения на гибридном индукторе при локально-попутном нагреве
Рисунок 3.9 – Осциллограмма тока на гибридном индукторе при локально-попутном нагреве
Разработанное в диссертации техническое решение, описанное в главе 2 подпункте 2.2.1, позволяет располагать коммутационный блок инвертор в непосредственной близости с индуктором, представляющим собой единый
78 компонент – МИЭК. Особенности функционирования единого компонента позволяет
использовать типовой силовой кабель для питания, так как отсутствует необходимость в передаче тока высокой частоты.
Экспериментальные данные, подтверждающие адекватность разработанных моделей, приведены в главе 4.
3.2 Моделирование электромагнитных и тепловых процессов гибридного индуктора в программе Elcut 6.0 Для оценки эффективности применения способа регулирования реологических свойств высоковязкой нефти путем локально-ступенчатого нагрева необходимо изучить тепловые, электродинамические и механические процессы, происходящие в нагревательных элементах ИНС локально-ступенчатого нагрева.
Актуальной задачей является исследование эффективности нагрева с помощью одиночных индукторов в проводном и ленточном исполнении, используемых в качестве ступеней для построения локально-ступенчатой системы нагрева.
Конструктивно ленточный индуктор представляет из себя два слоя медной фольги, уложенных один поверх другого, разделенных полиимидной пленочной изоляцией (изоляция наносится поверх пленки) и выполненных в виде цилиндра, размещенного на трубопроводе. Размеры медной фольги и полиимидной изоляции, использовавшихся в ходе эксперимента приведены в таблице 3.1.
Обмотки индуктора в ленточном исполнении выполнены из медной пленки толщиной 20 мкм, шириной 10 см, в качестве изоляции использовалась полиимидная пленка толщиной 12 мкм, ширина 11 см. Обмотка проводного индуктора выполнена из медного провода сечением 2 мм
2
. На рисунке 3.10 приведены изображения проводного и ленточного индукторов.
79 а) б) а) проводной индуктор, б – ленточный индуктор
1 – медная пленка, 2 – полиимидная изоляция
Рисунок 3.10 – Конструкции проводного и ленточного индукторов
Таблица 3.1 – Характеристики медной пленки и полиимидной изоляции, использовавшихся в ходе эксперимента
Толщина, мкм
Ширина, см
Медная пленка
20 12
Полиимидная изоляция
10 11
Разработаны компьютерные модели ленточного и проводного индукторов, проведено их сравнение по эффективности нагрева в зависимости от различных параметров в программе ELCUT 6.0.
Для моделирования в программе ELCUT 6.0 требуется задать геометрические данные индукторов. В таблице 3.2 представлены показатели нагрева трубы, полученные в ходе моделирования при заданных параметрах
(U=40 В, f=100 кГц (для ленточного индуктора), f=50 Гц (для проводного индуктора), число витков=23).
Эксперименты проведены на макетном образце ИНС трубопровода, представляющем собой участок трубы с расположенным на нем ленточным индуктором и проводным индуктором (рисунок 3.11).
В таблице 3.2 приведены среднестатистические данные серии экспериментов с ленточным индуктором.
80 1 – проводной индуктор, 2 –
индуктор в ленточном исполнении,
3 – система управления
Рисунок 3.11 – Экспериментальный макет проводного и ленточного индукторов
Таблица 3.2 – Сравнение данных, полученных в ходе моделирования при U=40 В, f=100 кГц, n=23
Время, мин. Температура нагрева трубы под индуктором, °C Модель проводного индуктора Модель ленточного индуктора Эксперимент с ленточным индуктором 0 29 29 29 1
36,78 37,19 35,06 2
43,37 44,16 43,25 3
48,99 50,14 49,13 4
53,79 55,31 53,63 5
57,92 59,82 56,88 6
61,49 63,77 60,13 7
64,59 67,25 63,19 8
67,29 70,35 66,19 9
69,67 73,12 68,56 10 71,76 75,6 71,56
В результате моделирования получены данные о характеристиках нагрева для ленточного индуктора, которые представлены на рисунке 3.12.
81 1 – ленточный индуктор, 2 – изоляция, 3 – стенка трубы, 4 – труба
Рисунок 3.12 – Ленточный индуктор в ELCUT 6.0
Результаты исследования эффективности нагрева трубы, полученные в ходе экспериментов и моделирования представлены на рисунках 3.13 и 3.14.
Рисунок 3.13 – Термограмма ленточного индуктора, покрытого изоляцией
Рисунок 3.14 – Результаты по эффективности нагрева трубы, полученные в ходе экспериментов и моделирования
Адекватность разработанной модели подтверждена экспериментально.
Температура снималась с помощью цифровых датчиков типа dht22, расположенных на трубе по центру каждого индуктора. Данные с датчиков фиксировались в течение десяти минут. Наибольшее расхождение результатов,
82 полученных в ходе экспериментов по сравнению с результатами, полученными в ходе моделирования составило 6,2%.
С помощью разработанной модели произведена оценка характера нагрева трубы с помощью ленточного и проводного индукторов в зависимости от различных параметров. Показано, что при одних и тех же параметрах (значении индуктивности, число витков) ленточный индуктор, выполненный в виде гибридного индуктора, за 10 минут нагревает до большей температуры (на
5,08%), чем индуктор в проводном исполнении [95, 96].
3.2.1 Исходные данные для разработки модели
Среднечастотная индукционная нагревательная система состоит из источника питания и индуктора. Существует два основных способа расположения индуктора на трубопроводе: прокладка спиральной намоткой (рисунок 3.15, а) и параллельная прокладка вдоль трубопровода (рисунок 3.15, б). С точки зрения технологии монтажа наиболее простым способом является параллельная прокладка индуктора.
Лента крепежная
Индуктор а)
Индуктор
Лента крепежная б) а) в виде спиральной намотки, б) в виде параллельной прокладки
Рисунок 3.15 – Прокладка индуктора на трубопроводе
Для моделирования индукционной нагревательной системы использовалась программа ELCUT 5.1 Professional.
83
Процесс моделирования индукционной нагревательной системы состоит из двух совместных задач: электромагнитной и тепловой. Результатами данных задач являются картины магнитного и теплового полей, графики зависимости температуры во времени в зависимости от изменения положения индуктора, силы тока и частоты тока.
Параметры объекта моделирования и исходные данные представлены в таблице 3.3.
Таблица 3.3 – Исходные данные
Параметр
Среда труба нефть индуктор изоляция воздух
Наружный радиус трубы, мм
57
-
-
-
-
Толщина стенки трубы, мм
2,5
-
-
-
-
Толщина слоя изоляции, мм
50
-
-
-
-
Относительная магнитная проницаемость
200 1
1 1
1
Удельная электропроводность,
См/м
7 000 000
-
56 000 000
-
-
Теплопроводность, Вт/(К∙м)
50 0,14 401 0,04 0,026
Теплоемкость, Дж/(К∙кг)
462 1200 385 1470
-
Плотность нефти, кг/м
3 7800 850 8900
-
-
Начальная температура, К
217 217 217 217 217
Коэффициент конвективной теплоотдачи поверхности трубы,
Вт/(К∙м
2
)
50
-
-
-
-
Программа ELCUT 5.1 Professional позволяет решать двумерные задачи, поэтому в качестве объекта моделирования удобно использовать поперечное сечение трубопровода. На рисунке 3.2 представлено поперечное сечение трубопровода. Для построения графиков удобно наметить характерную точку А
(рисунок 3.16).
84
А
Индуктор
Воздух
Изоляция
Трубопровод
Изоляция идуктора
Изоляция идуктора
α
Рисунок 3.16 – Поперечное сечение трубопровода
При протекании тока в индукторе вокруг него возникает электромагнитное поле, силовые линии которого пронизывают стенки трубы (рисунок 3.17). Данное поле наводит в заготовке вихревые токи, с помощью которых и происходит выделение тепла непосредственно в самой заготовке.
Рисунок 3.17 – Силовые линии магнитного поля и вектор магнитной индукции
Для расчетов предполагаем, что индуктор расположен максимально близко к стенке трубопровода.
На рисунке 3.18, а, показано распределение плотности тока в индукторе и трубопроводе. При моделировании частота питающего тока задавалась равной
2000 Гц. При такой частоте можно наблюдать картину неоднородности распределения плотности тока по индуктору. Также заметно, что ток в трубе
85 протекает не по всей толщине стенки, а только в поверхностном слое и преимущественно там, где индукция магнитного поля максимальна.
Рисунок 3.18 – Картина плотности тока в индукторе и трубопроводе (а), тепловыделение в трубопроводе (б)
На рисунке 3.19 представлена картина теплового поля трубопровода через различные промежутки времени с начала работы системы индукционного нагрева. Выделения тепла в трубопроводе наблюдается непосредственно в местах протекания вихревых токов (рисунок 3.19, б). а) б) в) а) времени нагрева t=0,5 ч; б) времени нагрева t=2,5 ч; в) времени нагрева t=4 ч
Рисунок 3.19 – Картина теплового поля при различном времени нагрева
Из рисунка видно, что зона наиболее интенсивного нагрева находится около индуктора, а далее – по убывающей, то есть чем дальше от индуктора, тем хуже нагрев. Трубопровод всегда разогревается в первую очередь из-за
особенностей распределения теплового потока, а через стенки трубопровода далее нагревается нефть, изоляция и воздух окружающей среды.
86
3.2.2 Исследование влияния различных параметров системы на
эффективность индукционного нагрева
Моделирование системы индукционного нагрева позволяет выявить влияние различных параметров на эффективность нагрева.
Чем выше частота питающего тока, тем больше вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки.
Соответственно плотность вихревых токов возрастает на поверхности, и заготовка разогревается. Остальные слои разогреваются за счет теплопроводности.
Сила тока в индукторе тоже значительно влияет на процесс нагрева.
Энергия, выделяемая в трубопроводе, прямопропорциональна току, индуцированному в нем. Следовательно, выделяемая энергия зависит от тока в индукторе.
Также положение индуктора относительно трубопровода влияет на эффективность нагрева.
Для отслеживания эффективности процесса нагрева при изменении различных параметров системы намечена характерная точка А (рисунок 3.16), находящаяся в непосредственной близости от центра разогреваемого объекта.
3.2.2.1 Влияние частоты тока на нагрев
На рисунке 3.20 показаны результаты моделирования индукционного нагрева при различных частотах тока от 500 Гц, до 5000 Гц. а) б) в) а) работа индуктора при частоте 500 Гц, б) работа индуктора при частоте 2000 Гц, в) работа индуктора при частоте 5000 Гц
Рисунок 3.20 – Картина теплового поля при изменении частоты
87
На рисунке 3.21 представлены графики изменения температуры нагрева трубопровода во времени при различных частотах тока.
Рисунок 3.21 – График зависимостей температуры во времени при изменении частоты тока
По рисунку 3.21 можно сделать вывод, что частота тока оказывает непосредственное влияние на быстроту разогрева трубопровода. При увеличении рабочей частоты индуктора скорость разогрева увеличивается.
Данный эффект объясняется тем, что при увеличении частоты тока уменьшается глубина проникновения тока в стали и, соответственно, увеличивается плотность тока на поверхности трубопровода, что приводит к более быстрому нагреву. Также по графикам можно сделать вывод, что эффективность разогрева при частоте тока равной 5000 Гц почти в два раза больше, чем при частоте тока 2000 Гц.
3.2.2.2 Влияние силы тока на нагрев На рисунке 3.22 показаны результаты моделирования индукционного нагрева при различных силах тока: 10 А, 48 А, 100 А.
88 а) б) в) а) при силе тока 10 А, б) при силе тока 48 А, в) при силе тока 100 А
Рисунок 3.22 – Картина теплового поля при изменении силы тока
На рисунке 3.23 представлены графики изменения температуры нагрева трубопровода во времени при различных силах тока.
Рисунок 3.23 – График зависимостей температуры во времени при изменении силы тока
По рисунку 3.23 можно сделать вывод, что изменение силы тока оказывает непосредственное влияние на быстроту разогрева трубопровода. При увеличении рабочего тока индуктора скорость разогрева увеличивается. Данный эффект объясняется тем, что при увеличении силы
тока на индукторе увеличивается и индуктивность, что приводит к более быстрому нагреву. Также по графикам
89 можно сделать вывод, что эффективность разогрева при силе тока равном 100 А в два раза больше, чем при силе тока 48 А.
3.2.2.3 Влияние положение индуктора на нагрев
На рисунке 3.24 показаны результаты моделирования индукционного нагрева при различных положениях индуктора. Для удобства введен угол α, равный центральному углу между индукторами. а) б) в) а) при α=180°, б) при α=90°, в) при α=30°
Рисунок 3.24 – Картина теплового поля при различных положениях индукторов
При α=180° положение индукторов симметрично по горизонтали, поэтому и нагрев будет происходить симметрично в правой и левой половинах трубопровода.
При α=90° симметричность нагрева нарушается, и на рисунке 3.24, б, заметно, что нижняя половина нагревается больше, чем верхняя.
При α=30° эффективность нагрева падает в сравнении с другими вариантами расположения индукторов. Это можно объяснить тем, что при приближении индукторов друг к другу магнитные поля, возникающие вокруг индукторов, начинают компенсировать друг друга, так как токи в индукторах направлены противоположно, что резко снижает эффективность нагрева.
На рисунке 3.25 представлены графики изменения температуры нагрева трубопровода во времени при положениях индукторов.
По рисунку 3.25 можно сделать вывод, что изменение положение индукторов оказывает непосредственное влияние на быстроту разогрева трубопровода. При α=180° индукторы расположены симметрично по горизонтали,
90 что обеспечивает симметричный и равномерный разогрев трубопровода. При
α=90° наблюдается более эффективный нагрев, в сравнении с другими рассмотренными положениями индуктора. При α=30° эффективность нагрева резко снижается. Дальнейшее уменьшение угла нецелесообразно, так как магнитные поля проводов индуктора начинают компенсировать друг друга и нагрева не происходит.
Рисунок 3.25 – График зависимостей температуры во времени при изменении положения индукторов
Выявлено, что частота тока оказывает непосредственное влияние на быстроту разогрева трубопровода. При увеличении рабочей частоты индуктора скорость разогрева увеличивается. Данный эффект объясняется тем, что при увеличении частоты тока уменьшается глубина проникновения тока в стали и, соответственно, увеличивается плотность тока на поверхности трубопровода, что приводит к более быстрому нагреву. По графикам можно сделать вывод, что эффективность разогрева при частоте тока равной 5000 Гц почти в два раза больше, чем при частоте тока 2000 Гц.
Установлено, что при увеличении рабочего тока индуктора скорость разогрева увеличивается. По графикам можно сделать вывод, что эффективность разогрева при силе тока равном 100 А в два раза больше, чем при силе тока 48 А.
91
Также можно сделать вывод о влиянии изменения положения индукторов на быстроту разогрева трубопровода. При α=180° индукторы расположены симметрично по горизонтали, что обеспечивает симметричный и равномерный разогрев трубопровода. При α=90° наблюдается более эффективный нагрев, в сравнении с другими рассмотренными положениями индуктора. При α=30° эффективность нагрева резко снижается. Дальнейшее уменьшение угла нецелесообразно, так как магнитные поля индукторов начинают компенсировать друг друга и нагрева не происходит.
Скачать 7.24 Mb.