CC BY
99
Морозов Н.Н., Кашкатенко Г.В. Микроволновый разогрев нефтепродуктов...
УДК 62-225; 553.9.082.74
Микроволновый разогрев нефтепродуктов в трубопроводах
1 2
Н.Н. Морозов , Г.В. Кашкатенко
1 Политехнический факультет МГТУ, кафедра физики
2
Естественно-технический факультет МГТУ, кафедра механики сплошных сред и морского нефтегазового дела
Аннотация. Нагрев нефтепродуктов высокочастотными электромагнитными волнами является эффективным методом объемного разогрева. Современные исследования показали его эффективность в различных условиях применения. Однако эти публикации носят в большинстве случаев теоретический характер, рассматривая трубопровод как волновод для электромагнитных полей. Такой подход не эффективен, прежде всего, из-за значительных затуханий волн в среде, приводящих к уменьшению скорости прогрева асфальтово-парафиновых пробок из-за неравномерного распределения энергии вдоль трубопровода. Введением несимметричной полосковой линии внутрь трубопровода проблема равномерного прогрева может быть в значительной мере решена.
Abstract. Oil product’s high-frequency electromagnetic heating is an effective tool of volume heating. Present-day researches demonstrate the efficiency of this heating method. But most researches represent pipelines as a certain feeder ducting electromagnetic energy. From our point of view such approach is not effective due to great attenuation of electromagnetic waves giving it a considerable loss of time in elimination of asphalt-paraffin plugs. The asymmetrical strip line enclosed into the pipe can be used for solution to the problem of uniform heating.
Ключевые слова: СВЧ излучение, трубопровод, объемный разогрев, несимметричная полосковая линия Key words: microwave radiation, pipeline, volumetric heating, asymmetric strip line
1. Введение
В печати стали появляться проекты (Фатыхов, 2002; Фатыхов, Багаутдинов, 2007) применения ВЧ и СВЧ излучения для прогрева нефтепродуктов и газогидрата в скважинах и участках нефтепроводов, простаивающих из-за образования газогидратных и парафиновых пробок. Применение этих методов обусловлено рядом преимуществ их по сравнению с градиентными методами переноса тепла. При распространении электромагнитных волн в диэлектрической среде, ограниченной проводящими стенками, возникает направленный поток энергии, который частично диссипируется средой за счет диэлектрических потерь. В результате в среде появляются объемные тепловые источники, позволяющие решить задачу восстановления трубопроводов.
2. СВЧ разогрев нефтепродуктов при их транспортировке трубопроводами
В вышеуказанных проектах электромагнитная энергия поступает с торца трубы и канализируется по трубе, которая играет одновременно роль волновода. Такой подход обладает рядом недостатков. Волновод является диспергирующим устройством, то есть в нем наблюдается частотная дисперсия, которая может приводить к отсечке канализации энергии в зависимости от частоты электромагнитных колебаний и геометрии волновода. При резких границах раздела сред, а также при значительных затуханиях волн возникают отражения, которые пагубно влияют на источник излучения. Мощные источники СВЧ излучения не могут работать при коэффициентах стоячей волны более трех. К недостаткам такого метода подвода энергии можно отнести также и большое время восстановления трубопроводов, которое даже при значительных энергиях излучения исчисляется сутками (Фатыхов, 2002).
Для решения задачи восстановления трубопроводов в критических точках (выход трубопровода на поверхность земли или в местах глубокого промерзания) предлагается использовать введенную в трубопровод при его монтаже систему взаимодействия волн СВЧ диапазона с нефтепродуктами, связанную электрически с источником СВЧ энергии. Система взаимодействия представляет собой тефлоновую вставку, покрывающую внутреннюю поверхность трубопровода, фольгированную медной полосой в виде спирали, которая играет роль полосковой линии передач, с распределенными вдоль нее щелевыми излучателями (рис. 1; рис. 2).
Несимметричная полосковая линия передач (НПЛ) - двухпроводная полосковая линия с поперечным сечением в виде параллельных прямых, имеющая одну плоскость симметрии, параллельную направлению распространения энергии.
974
Вестник МГТУ, том 13, №4/2, 2010 г.
стр.974-976
Рис. 1. Система взаимодействия СВЧ-энергии с нефтепродуктами в трубопроводе
1 - труба
2 - тефлоновая вставка
3 - спиральный электрод полосковой линии
передач с щелевыми излучателями
Рис. 2. Узел ввода СВЧ-энергии
1 - труба
2 - тефлоновая вставка
3 - электрод полосковой линии
4 - фланец
5 - коаксиальный фидер
Стандартные СВЧ тракты коаксиального типа имеют волновое сопротивление Z=50 Ом. Для согласования полосковой линии с трактом её волновое сопротивление должно быть таким же. Относительная диэлектрическая проницаемость подложки е (тефлона) отличается от относительной диэлектрической проницаемости окружающего пространства (нефть или газ). Рассчитаем ширину полоски W и высоту подложки диэлектрика h (Бахарев и др., 1982):
d = (Z / 60)-[(е + 1)/2]05 + [(е - 1)/(е + 1)]-(0.226 + 0.12/е), d1 = 60-n2/Z-e 05,
W/h = (2/ n)-(dj - 1) - (2/ п) -log(2d1 - 1) + [(е - 1)/п-е]-[0.293 - (0.517/е) + log(d1 - 1)],
W / h = 3.26.
Такой подход позволяет вводить энергию равномерно в весь объем трубопровода и решает проблему согласования нагруженного фидера с источником излучения, а также использовать сравнительно маломощные (до 25 кВт) источники излучения, тем самым решить проблему СВЧ пробоев.
Полосковая линия, как и коаксиальный кабель, является широкополосным фидером. Это позволяет использовать энергию как СВЧ, так и ВЧ диапазонов, что делает эффективным электромагнитный нагрев для разных углеводородных систем.
Наиболее остро проблема прогрева трубопровода встает при образовании газогидратов в процессе транспортировки газа газопроводами. Это связано с конденсированными образованиями в трубе при достижении критических температур, когда газогидрат образует нарост на внутренней поверхности трубы, закупоривающий трубопровод (Дектярев, Бухгалтер, 1976).
В предположении, что тепловые источники распределены равномерно в объеме трубы, и пренебрегая градиентными потерями тепла, время прогрева до разложения газогидрата можно оценить, используя уравнение теплового баланса
ср (T - T0) + Lp = Wt/V,
где с и р - теплоемкость и плотность газогидрата; T и Т0 - температуры разложения газогидрата и начальная температура соответственно; W - мощность источника СВЧ излучения; V - прогреваемый объем и время нагрева до разложения газогидрата; L - удельная теплота фазового перехода.
Используя теплофизические параметры газогидрата, приведенные в книге (Гройсман, 1985), и температуру фазового перехода при определенном давлении в трубопроводе и уравнение параметров гидратообразования (Дектярев, Бухгалтер, 1976) можем получить соотношение между температурой T в градусах Цельсия и давлением P в атмосферах:
T = Th - lgP - 0.7, (1)
где Th - эмпирический параметр, имеющий размерность температуры и зависящий от состава природного газа.
Этот подход может быть также применен к подводным магистральным трубопроводам. Рассмотрим проектные решения для подводного газопровода со Штокмановского газоконденсатного месторождения (Папуша, 2002). Для магистрального трубопровода с наружным диаметром 1020 мм
975
Морозов Н.Н., Кашкатенко Г.В. Микроволновый разогрев нефтепродуктов...
производительностью примерно 90.5 млн. м3/ сутки по методике норм ОНТП 51-1-85 с учетом эффекта Джоуля-Томпсона необходимо решить следующую систему термобарических уравнений течения газа:
dP/dx = {(g/Ra)P[Nz(P,T)-T\-(dH/dx)} - (8pa2-Ra/n2)-[10-12-A •Д-z(P,T)■T/P-D05]■q■Abs[q]; (dT/dx)-Di(P,T)■ (dP/dx) = -[g/103 • cg(P,T)](dh/dx) - (к/pa)•[к•KcDн/10ъ•cg(P,T)•q•Д]■(T- tb),
где P(x) - давление флюида в трубе; x - координата по длине трубопровода; g - ускорение свободного падения; Ra - газовая постоянная; Д - относительная плотность многокомпонентного газа по воздуху; z(P,T) - коэффициент сжимаемости газа; T(x) - температура флюида в трубе; H(x) - ордината оси трубы в вертикальной плоскости, определяемая по геодезическим высотам; ра - плотность воздуха; X -коэффициент гидравлических сопротивлений; q - удельный (на единицу площади) поток тепла через стенку трубы; Di(P,T) - коэффициент Джоуля-Томпсона; cg(P,T) - теплоемкость газа; Kc - коэффициент теплопередачи от флюида в окружающую среду; D0 и DH - внутренний и наружный диаметры трубопровода; tb - температура среды, окружающей трубопровод.
В результате получаем следующие распределения температуры и давления транспортируемого продукта по длине трубопровода (рис. 3):
Рис. 3. Распределение температуры и давления по длине газопровода
Для этого месторождения коэффициент Th в формуле (1) примем равным 0.39° C. Образование газогидратных отложений можно ожидать на расстояниях порядка 500 км. На этой отметке целесообразно расположить секцию для СВЧ подогрева газового потока.
3. Заключение
Рассмотрена возможность применения микроволнового метода нагрева с использованием системы взаимодействия, состоящей из узла ввода и компактного микрополоскового волновода, расположенного на внутренней части диэлектрического покрытия металлического трубопровода.
Данная методика может быть применена как для магистральных, так и для технологических трубопроводов и является весьма эффективной в условиях Крайнего Севера.
Литература
Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. М., Радио и связь, 328 с., 1982.
Гройсман А.Г. Теплофизические свойства газовых гидратов. Новосибирск, Наука, 94 с., 1985.
Дектярев Б.В., Бухгалтер Э.Б. Борьба с гидратами при эксплуатации газовых скважин в северных районах. М., Недра, 200 с., 1976.
Папуша А.Н. Проектные расчеты магистральных наземных и подводных газопроводов: Применение компьютерной среды Mathematica. Электронные лекции и практические занятия по дисциплине "Транспорт и хранение нефти и газа", Мурманск, МГТУ, 208 с., 2002.
Фатыхов М.А. Тепломассоперенос в многофазных средах под воздействием высокочастотного электромагнитного излучения. Химия и компьютерное моделирование. Приложение к спецвыпуску, № 10, 243 с., 2002.
Фатыхов М.А., Багаутдинов Н.Я. Расчетные исследования разложения газогидрата в скважине при воздействии высокочастотной электромагнитной волны. М., Нефтяное дело, 186 c., 2007.
976
