CC BY
21
МЕТОДЫ, ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ, ВЕЩЕСТВ И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
мл^в
УДК 621.10+536 DOI:10.30724/1998-9903-2022-24-5-166-178
ОЧИСТКА НЕФТИ ОТ АСФАЛЬТЕНО-СМОЛ И ПАРАФИНОВ Сафиуллин Б.Р., Козелкова В.О., Кашаев Р.С., Козелков О.В.
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме: ЦЕЛЬ. Разработать новые методы экспресс-контроля характеристик скважинной жидкости и нефти, в частности асфальтено-смол и парафинов (АСП). Задача актуальна, поскольку из-за ухудшения свойств нефтирост АСП сопровождается явлением возникновения асфальто-смолисто-парафиновых отложений, что приводит к осложнениям добычи нефти, увеличению расхода энергии и износу оборудования. Разработать технологию и установку удаления АСП из нефти воздействиями физических полей. МЕТОДЫ. Для разработки методик измерения физико-химических свойств нефти использовался метод ядерного (протонного) магнитного резонанса (ПМР), являющийся неконтактным и не требующим подготовки пробы. Для удаления АСПиз нефти использовались: вращающееся магнитное поле, неоднородные переменные электрические и центробежные поля, отстой водонефтяной эмульсии. РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработаны методики экспресс-контроля концентраций АСП), воды и дисперсного распределения капель воды в водонефтяной эмульсии. Получены экспериментальные соотношения между концентрациями асфальтено-смол, парафинов и временами спин-спиновой релаксации, позволяющие по параметрам ПМР определять характеристики нефти. Теоретически обоснована технология удаления АСПиз нефти; описаны силы, действующие на капли водного раствора реагентов с АСП,во вращающемся магнитном и неоднородных переменных электрических полях. Разработана структурно-функциональная схема установки для удаления АСПиз нефти, управляемая от разработанного релаксометра ПМР. Произведен расчет источника вращающегося магнитного поля, его оптимизация, физическое и математическое моделирование работы в MatlabSimulink. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Обзор методического и приборного оснащения нефтяных месторождений показал, что контроль АСП осуществляется в лабораториях и длительны по времени, инструментальный метод определения и удаления АС отсутствует. Получены экспериментальные уравнения для измерения концентраций асфальтено-смол в диапазоне 0-30% с относительной погрешностью я± 2 %, концентраций парафинов в диапазоне 030% с относительной погрешностьюя± 3 % и дисперсного распределения капель в диапазоне 0-20 мкм с абсолютной погрешностью уП~±1 мкм, предложено устройство для очистки нефти от АСП с управлением от ПМР-анализатора.
Ключевые слова: экспресс-контроль; асфальтено-смолы; парафины; протонный; магнитный; резонанс; поля; очистка.
Для цитирования: Сафиуллин Б.Р., Козелкова В.О., Кашаев Р.С., Козелков О.В. Очистка нефти от асфальтено-смол и парафинов // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022. Т.24. № 5. С. 166-178. doi:10.30724/1998-9903-2022-24-5-166-178.
REFINING OF THE OIL FROM ASPHALTENE-RESINS AND PARAFFINS
BR. Safiullin, УО. tozelkova, RS. ^shaev, ОУ. tozelkov Каzan State Power Engineering University, Ка/ап, Russia
Abstract: THE PURPOSE. To consider the problems of express-control and asphalten-resins and paraffins (ARP) purification of oil from them. Elaborate new methods of oil-well liquid and oil express-contro, especially of ARP. The task is actual, because great amount of ARP lead to ARP -deposits in pipeline, which result to complications in oil-mining, increase of power consumption and wearing of machinery. Elaborate the technology and installation for removing ARP from oil under affect of physical fields. METHODS. When solving this problem, we used the backward/forward method of nuclear (proton) magnetic resonance (PMR) relaxometr, which is noncontact, nondestructive, does not need probe preparense. For ARP removing were used: rotating magnetic, nonuniform alternating electric, centrifugal fields and gravitation separation of emulsion. Was used also physica modeling and MatLab Simulink mathematical modeling. RESULTS. Elaborated the methodics of express-control of ARP and water concentrations, disperse distributions of water solutions of ARP with reagents in emulsions. Were received experimental equations between ARP and water concentrations and times of PMR spin-spin relaxations, which gives the opportunity determine the oil characteristics from NMR-parameters. Theoreticall grounded the technology of the ARP removing from oil, described the forces, affecting on droplets in the rotating magnetic, nonuniform alternating electric, centrifugal fields. Elaborated the structure-functional scheme of installation for purification of oil from ARP, controlled by elaborated relaxometer NMR-NP2. Made the calculation of the rotating magnetic resonance source, its optimization and physical, mathematical modeling of its function in Matlab Simulink program. CONCLUSION. The survey of methodic and instrumental equipment of oil-mining deposits showed, that control of studied oil characteristics is carried in laboratories, expensive and long in time, there is no instrumental method of ARP determination and removing. Were received experimental equations for the asphaltene-resins control in the range 0-30% withthe accuracy of «+2 %, for paraffinsin the range 0-30% withaccuracy «+ 3 %, droplets distribution in the range 1-20 |im withaccuracy «+ 1|im, offered the installation for ARP removing from oil.
Key words: express-control; express control; asphalten-resins; paraffins; proton; Magnetic; resonance; fields; purifying.
For citation: Safiullin BR, ^zelkova VО, ^shaev RS, ^zelkov ОV. Refining of the oil from asphaltene-resins and paraffinsisolated power hub. Power engineering: research, equipment, technology. 2022;24(5):166-178. doi:10.30724/1998-9903-2022-24-5-166-178.
Введение
С усложнением условий нефтедобычи из-за ухудшения свойств нефтии в связи с ростом в ней концентрации асфальтенов, смол и парафинов (АСП), обводненности, плотности и вязкости необходим постоянный автоматический контроль характеристик скважинной жидкостии нефти для оперативного управления работой нефтедобывающего оборудования и оптимизации подготовки, сбора, сепарации и транспортировки нефти. Особого внимания требует меры по предотвращению асфальто-смолисто-парафиновых отложений (АСПО) (рис.1), наличие которых в насосно-компрессорных и магистральных трубах ведет к усложнению эксплуатации, затруднению учета нефти, снижению технико-экономических показателей работы нефтяных скважин и нефтепромысла в целом. Это делает актуальным экспресс-контроль АСП [1] и других характеристик нефти и автоматизированных способов их отделения от нефти для дальнейшей переработки с целью создания цифрового нефтяного промысла. Важность решения указанной проблемы отражена в Распоряжении Правительства РФ от 28.07.2017 N 1632-р «Об утверждении программы Цифровая экономика Российской Федерации».
Рис. 1 Асфальто-смолисто-парафиновые Fig. 1 Asfalt-resin-paraffin deposits in pipeline отложения в трубопроводе
К научной новизне данного исследования можно отнести:
-установлены взаимные корреляции между физико-химическими свойствами нефти и характеристиками АСП в нефти, являющиеся базой для методик их контроля при добыче нефти и очистки ее от АСП и ПМР-релаксационными параметрами, как основы методик их экспресс-контроля;
- предложены методы и алгоритмы экспресс-контроля АСП повременам спиновой релаксации ТЗАС, используемые для управления установкой по удалению АСП из нефти;
- разработана структурная схема, модель и блоки установки по отделению асфальтенов, смол и парафинов от нефти с экспресс-контролем по данным ПМР-релаксации.
Практическая значимость работы определяется возможностью использования её результатов для создания новых систем управления нефтяным оборудованием по экспресс-данным ПМР-параметров. Предложенные методики развивают приборные средств до уровня автоматического цифрового контроля, что обеспечивает новый цифровой уровень методического и приборного оснащения месторождений. Авторами получен патент РФ №2689103, вошедший в число лучших в РФ за 2019-2020 гг на способ, позволяющий удалять АСП непосредственно в скважине, и добывать нефть более высокого качества.
Литературный обзор
По литературным данным в нефти и по характеристикам исследованных нами образцов АСП колеблются от долей процента до 30% [2]. В статье [3] установлено, что присутствие асфальто-смолистых (АС) веществ способствует устойчивости нефтяных дисперсий и формированию АСПО в насосно-компрессорных трубах и магистральных трубопроводах. Поэтому, вопрос контроля АСП, а также образованию АСПО посвящено большое число работ отечественных Сафиева Р.З., Евдокимов И.Н., Лосев А.П. [3,4] и зарубежных исследователей Mansourpoor., Chi, Kasumu, Yangetal [5-8]. Чан Ван Тунг, Козелковым О.В. была разработана аппаратура и технология экспресс-контроля характеристик нефти, а также структурно-функциональная схема установки по экспресс-контролю и удалению примесей (воды и солей) из нефти [2, 9, 10]. В статье [15] изложена разработанная методика определения распределения капель воды в эмульсиях для экспресс-контроля процесса удаления воды (водного раствора реагента) в установке, которая, однако еще не была адаптирована к применению для удаления АСП из нефти.
В связи с этим актуальна задача разработки новых методов проточного контроля АСП и характеристик скважинной жидкости и нефти при её добыче, подготовке и транспортировки во всем диапазоне их значений в едином проточном анализаторе.
Материалы и методы
Уникальными возможностями, отмеченными в главе зарубежной монографии [2] обладает один из наиболее современных - метод ядерного (протонного) магнитного резонанса (ПМР), являющийся неконтактным, неразрушающим, не требующий подготовки пробы и легко автоматизируемый и экспрессным (время измерения в среднем < 2 минут). Аппаратура ПМР-релаксометрии может быть применена для контроля и управления работой установки по повышению качества нефти очисткой от АСП.На кафедре «Приборостроение и мехатроника» Казанского государственного энергетического университета с 2000 г. ведутся работы по созданию аппаратуры на базе протонной магнитной резонансной (ПМР) релаксометрии для экспресс-контроля и анализа физико-химических свойств и характеристик скважинной жидкости и нефти.
В данной статье нами исследованы нефти и стандартные образцы, предоставленные ПАО «Татнефть», АО «Транснефть», Томским ЦСМ. Их характеристики описаны в таблицах 1 и 2. Из-за практической химической неразличимости асфальтенов и смол, нами использованы данные по суммам (АС) этих компонентов в нефти.
Таблица1
Характеристики нефтей ПАО Татнефть, АО Транснефть, Томского ЦСМ_
Характеристики образцов СИК Н-215 СИК Н-223 СИК Н-224 СИК НС-1 СИК НС-4 Транснефть 1 Транс нефть2 Стан д 1.2% Стан д3.6 % Стан д3.7 % Стан д7%
р2о(кг/м3) 8 879, 9 902 918, 4 920, 6 863,2 879 - - - -
Влажность W (%) 0,06 2 0,06 0,12 39,5 2 17,0 3 0,15 0,18 - - - -
Соли (мг/л) 17,4 53,4 48,3 1732 590 18.2 24.4 - - - -
Парафин (%) 4,2 1,8 3,7 - - - - 1,2 3,6 3,7 7
Вязкость мм2/с - - - - - 14,45 19,23 - - - -
Таблица 2
Характеристики образцов нефтей от НГДУ ПАО Татнефть и модельных образцов_
Образцы нефтей Плотность кг/м3 Асфальтены. % Смолы, бз+сбз % Парафины, %
Лениногорская 873 2,3 19,8
Лениногорская 867 3,4 - -
Альметьевская 867,5 3,3 17,4+7,1 3,1
Альметьев+0,5 г С22Н46 867,5 3,3 17,4+7,1 6,2
Альметьев.+1 г С22Н46 867,5 3,3 17,4+7,1 9,2
Альметьев+ 1,5 г С22Н46 867,5 3,3 17,4+7,1 11,9
Результаты
Зависимости Т2В от концентрации асфальтенов и асфальтено-смол, полученные для температур нефти 20, 30, 50 и 70оС, представлены на рисунке 2. Максимальная температура нефти на выходе из скважины обычно не превышает 70 градусов, но может быть и ниже (например, зимой), поэтому взяты и более низкие температуры.
?2в(мс)
АС(%)
Рис. 2 Зависимости Т2В от концентрации Fig. 2 Dependence of T2B on the concentration of
асфальтенов (кривая 1) и асфальтено-смол, asphaltenes (curve 1) and asphaltene resins obtained
полученные для температур нефти 20, 30, 50 и for oil temperatures 20, 30, 50 and 70oC (curves 2-
70оС (кривые 2-4). 4).
Они с коэффициентами корреляции R и 0.9 описываются уравнениями: Для 20оС Т2В = 626ехр (-0,43 Асф)
Для 30оС Т2В = 741ехр (-0,104 АС)
Для 50оС Т2В = 844ехр (-0,078 АС)
Для 70оС Т2В = 923ехр (-0,065АС)
(1) (2)
(3)
(4)
На рисунке 3. представлены полученные зависимости концентраций парафинов П от
Пар (%)
ч \ Ai
Ч \ I
\ X \
ч г—1- ; iti
1 1 Ь-. ■к.
k 3 \т
ш > +
■Я + г Ji^* 1 J
100
10л2.2
10"2.4
10л2.6
10"2.8
1000 ,
в,с(мс)
Рис.3. Зависимости концентраций парафинов П Fig.3. Dependence of paraffin P concentrations on
от времен релаксации Т2ав,с фаз А, В, С. 1,2,3 - кривые А, В и С в стандартных образцах Нефтемодульстрой, Омск; 4- кривая для разных концентраций парафина в Альметнефти; 5-кривая длины цепей парафиновСЬ по данным
relaxation times T2a, C phases A, B, C. 1.2.3 - curves A, B and C in standard samples Neftemodulastroy, Omsk; 4 - curve for different concentration of paraffin in Almetneft; 5 - curve of length of paraffin CL chains by data [11], crosses
2а.в.с
[11], крестами обозначены данные из работы [12]. denoted data from work [12].
Кривые на рисунке 3 описываются с коэффициентами корреляции R2 = 0,83-0,98 и среднеквадратическими отклонениями S = 0,5-1 уравнениями:
Кривая 1 П = 167,3 - 0,17T2A (5)
Кривая 2 П = 52 - 0,05 T2A (6)
Кривая 3 П = 3722exp(- 0,028T2B) (7)
Кривая 4 П = 8,5-107-(Г2А)-3'44 (8)
Ур (5-8) представлены в форме, удобной для определения концентраций П по временам спин-спиновой релаксации T2Aпротонов. Наличие зависимостей для времен релаксации разных протонных фаз позволяет верифицировать полученные данные по разным каналам.
В качестве технологий депарафинизации (ДП) и деасфальтизации (ДА) сырья и нефтепродуктов в настоящее время используется несколько способов: сольвентная, карбамидная, карбамидно-кристаллическая, карбамидно-сольвентная фирмы Edeleanu Geselschaft (Германия) и каталитическая. Практически все они основаны на реакциях водных растворов карбамида с АСП, требуют пробоподготовки, термообработки и длительны во времени (до 20 ч.). Для карбамидно-сольвентной деасфальтизации и депарафинизации (напр. по технологии Edeleanu Geselschaft), требуется вначале создать тонкодисперсную эмульсию из водного реагента, а затем удалить водный раствор из нефти, т.е. встает проблема удаления водных растворов АСП путем обезвоживания - деэмульсации.
Для обезвоживания ВНЭ наибольшее практическое применение в парках подготовки нефти и на нефтеперерабатывающих заводах нашёл способ ее обработки во внешнем переменном электрическом поле напряжённостью Ео= 15-33 кВ, используемый в электрообезвоживающих установках (ЭЛОУ), наиболее продвинутой из которых является установка Швецова с сотр.( в чем преимущества данной установки) [13].
Нами предложено усовершенствовать установки обезвоживания введением вращающегося магнитного поля (ВМП), создаваемого статорными обмотками асинхронного двигателя с ферромагнитным ротором и неоднородных переменных электрических полей (НЭП) между электродами на роторе. На рисунке 4 представлена технологическая схема универсальной установки для удаления водной фазы с АСП из нефти.
Рис. 4 Технологическая схема универсальной установки для удаления примесей (парафина, асфальтено-смол и водного раствора реагента с АСП из нефти. 1 - блок удаления водной фазы во ВМП и НЭП, 2 - магнит с датчиком ПМР-анализатора, 3 - емкость с нефтью; 4 - емкость с водным раствором реагента; 5 - блок эмульгирования нефти с реагентом; 6 -шестеренный насос, способствующий дополнительной эмульсации; 7 - емкость для очищенной нефти; 8 - трехходовой кран; 9 -автоматический кран; 10 - усилитель мощности радиочастотных импульсов; 11 - усилитель ЯМР-
Fig. 4 The technological scheme of the universal plant for removing impurities (paraffin, asphaltene-resin and aqueous solution of the reagent with ACP from oil. 1 - aqueous phase removal unit in the WMP and NEP, 2 - magnet with MRR analyser sensor, 3 -tank with oil; 4 - tank with aqueous reagent solution; 5 - oil emulsification unit with reagent; 6 - gear pump promoting additional emulsion; 7 - purified oil tank; 8 - three-way crane; 9-automatic crane;10 -RF pulse power amplifier;11 - NMR signal amplifier in PMR analyzer.
Проблемы энергетики, 2022, том 24, № 5 сигналов в ПМР-анализаторе.
Степень очистки зависит от степени загрязнения исходного сырья, и фактически трудно предсказуем, поэтому очистку ведет до требуемой степени, зацикливая процесс Очистка осуществляется до III категории по ГОСТ Р 51858-2002
На рисунке 5 представлена подробная структурная схема блока. Вращающееся магнитное поле создается статорными обмотками асинхронного двигателя с ферромагнитным ротором (АДФМР). Здесь цифрами на рисунке 5 обозначены: 1 - корпус с входными и выходными патрубками, расположенными под углом так, что придавать вращательное движение поступающей эмульсии, тем самым создавая центробежные силы к стенкам блока 1; 2 - источник ВМП; 3 - источник высокого переменного напряжения; 4 -отрицательно заряженный сетчатый электрод; 5, 6 и 7 - положительно заряженные конусные электроды на роторе; 8 - отстоявшаяся вода с водным раствором реагентов с АСП; 9 - поверхность отстоя воды; 10 - зона коалесценции капель воды с реагентом и АСП под действием ВМП; 11 - ферромагнитный ротор; 12 - патрубок вывода остаточного газа; 13 -патрубок слива отстоявшейся воды с АСП; 14 - магнитная система релаксометра ПМР с проточным датчиком; 15 - электронные блоки релаксометра, расположенные на расстоянии l = уос от магнитной системы 14 (здесь уо - резонансная частота ПМР, с - скорость света); 16 - емкость для очищенной нефти; 17 - емкость для отстоявшейся воды; ПП1-ПП3 -переключатели потоков эмульсии.
Рис. 5 Структурная схема блока разделения Fig.5. Structural diagram of oil emulsion unit эмульсии нефти с АСП с реагентом with ACP with reagent
Исследования показывают [2], что для контроля и управления процессом из всех известных, метод ядерного (протонного) магнитного резонанса (ПМР) является, пожалуй единственным, способным одновременно контролировать такие критически важные для деэмульсации характеристики, как: концентрация воды W в эмульсии, АСП, вязкость^, плотности р в нефти, а также дисперсность _0СА (среднеарифметический диаметр капель воды/раствора реагента) [15]. Контроль осуществляется проточным ПМР-анализатором. Процесс удаления АСП в установке под контролем ПМРА включает стадии:
1. Входной контроль физико-химических свойств сырья (концентрации АСП, воды W и плотности рН нефти) экспресс-методом в анализаторе ПМРА путем:
- предварительного измерения эффективных времен релаксации воды Т2В и нефти Т2Нс использованием последовательности Карра-Парселла-Мейбум-Гилла (КПМГ) [14];
- измерении эффективного Т2 времени релаксации в контролируемой ВНЭ;
- определение концентраций АС и П в нефти по ур. (1-8);
- определении влажности нефти по формуле: WПМР = Т2В (Т2 - Т2Н)100% /Т2 (Т2В - Т2Н ) (9)
2. Снижение Wводной фазы АСП с реагентом блоке 1.
Смесь АСП с водой и реагентом в виде водонефтяной эмульсии (ВНЭ) поступает в блок 1 через патрубок через сетку, предотвращающую попадание механических примесей и являющуюся одновременно отрицательно заряженным электродом, а затем через слой отстоя водной фазы, в которой улавливаются наиболее крупные капли воды. При прохождении эмульсии сквозь сетку патрубка капля и частицыАСПприобретает заряд q:
д» 1,64£оГо2 (10)
Приобретя заряд, капля отталкивается с силой: F» 1,37ЕДо2еср = 0,835 qE0, (11)
где r0 и ecp - средний радиус капли и диэлектрическая проницаемость среды.
Выше зоны отстоя находится промежуточный слой, где более мелкие капли эмульсии коалесцируют, подвергаясь обработке ВМП, создаваемым обмотками АДФМР и одновременно НЭП между поверхностью воды и электродами на роторе, на которые подано положительное постоянное/переменное напряжение.
В промежуточной зоне на капли воды действуют силы:
а) сила FLЛоренца: FL = q [v-B] (12)
где В - магнитная индукция ВМП, v - линейная скорость вращения ВМП. Под действием силы Fl заряженные капли перемещаются вниз, в зону отстоя. Из-за наличия заряда и дипольного момента капли движутся по направлению градиента магнитного поля, который максимален на периметре блока 1 и ближе к источнику вращающегося магнитного поля. б) силы Fd диполь-дипольного взаимодействия между поляризованными каплями-диполями, определяемые формулой:
FD= 6(Н)2.Е026СР/Г4 (13)
Капли при таком типе взаимодействия притягиваются независимо от того, постоянное поле или переменное, поскольку в ур.(13) поле представлено в квадрате. Электрическое поле между электродами изменяется в сторону увеличения по мере повышения расположения электродов от Еуд = 2,5 кВ/см до 7,5 кВ/см в связи с тем, что для концентраций водной фазы W< 2,9 % расстояние между каплями-диполями становится больше d» 6ro, силы притяжения по ур.(13) становятся малыми, и требуются более высокие поля Еуд.;
в) силы диэлектрофореза: Fe = 2лбо(е- 1)£0Я Vad£-2/(e+2) (14)
Силы Fg перемещают каплю в зону максимальных электрических полей, т.е. к отрицательно заряженным стенкам. В НЭП конусных электродов 5 все капельки движутся в сторону увеличения напряженности E2, и повышенной концентрации капель. Это приводит к повышению скорости коагуляции и более быстрому расслоению эмульсии.
Перед выходным патрубком обезвоженная нефть проходит через олеофильные фильтры, что позволяет повысить эффект отделения воды от нефти.
3. Контроль в ПМР-анализаторе характеристик нефти: концентраций АСП по ур. (1-8) и среднеарифметического диаметра капель воды _0СА(мкм)= ZMDj/ZM по формуле [15]:
Dca = 0,1645 exp(2,85 • 7щ) (15)
4. Альтернативный контрольный анализ дисперсности осуществляется также на микроскопе Microscope MC-300 (Austria).
Разделение 50%-й эмульсии в макетной установке с ВМ и НЭП осуществлялось при включении на статорные обмотки АДФМР 3-х фазного напряжения в течение t=10 мин. Анализ релаксометром ПМР-ЖР2п, описанном в [2], нефти, полученной на выходе установки, показал, что концентрация воды в ней составляет 1,7 %. Удельные затраты электроэнергии составили 0,5^1,5 В-ч/дм3, что близко к значениям 0,2^0,8 кВ-ч/т затрат для на ЭЛОУ АВТ-6 с удельной напряженностью электрического переменного поля Еуд = 1-3 кВ/см. Сюда, однако, необходимо добавить мощность РСТ, потребляемую на питание статорных обмоток для вращающегося магнитного поля РСТ = 1,25 кВ-ч/дм3.
Характеристики АДФМР даны в работе [16]. Нами предложен метод расчета параметров АДФМР, оптимизирующий его конструкцию. В воздушном зазоре 5 = 0,1^0,9 мм большинства электрических машин значение магнитной индукции составляет Во= 0.6^1 Тл с номинальным скольжением s = 0,7^0,9. Но так как нами как источник ВМП используется АДФМР, его номинальное скольжение - в пределах s = 0,3^0,4.
Ротор имеет диаметр D = 0,03 м (при диаметре внутренней стороны статора 0,07 м), т.е. зазор равен 5 = 0,02 м для возможности размещения конических электродов для создания неоднородных электрических полей в установке по снижению концентраций АСП в нефтина рисунках 4 и 5. Уменьшение диаметра D ротора приводит к снижению индукции магнитного поля Во ввиду обратной пропорциональности Во величине 5, что по данным работы [17] отражено в таблице 3.
Таблица 3
1 2 3 4 5 6 7 8 9
В(Тл) 0,4 0,5 0,59 0,65 0,71 0,76 0,8 0,84 0,88
D(m) 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
По данным таблицы зависимость В ф) может быть описана уравнением:
В (Тл) = 0,5 + 7,6 D (м) (16)
Для того, чтобы определить, как скажется изменение диаметра ротора такой машины на скольжении ^ферромагнитного ротора (и соответственно на его угловой скорости вращения ©2), воспользуемся уравнением из [17,] для активного сопротивления ротора из ферромагнитного материала:
R = 1,4-4-т1/1^э12^Лс^ [®1|Q|P(2s)-1]/(TCD)
(17)
где тх = 3 число фаз обмотки статора, /¡= 0,1 - длина ротора, ^1- эффективное число витков фазы обмотки статора, кл,с= 1- коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления ротора за счет лобовых частей ротора, ©¡= 2ля/60 = 6,28-1500/60 = 157 рад/с - угловая скорость вращения ВМП, магнитная постоянная 1,257-10-6, относительная магнитная проницаемость на поверхности ротора ц = 200, р= 1,3-10-7 Ом-м - удельное электрическое сопротивление стали.
Уравнение (17) преобразуем к виду, удобному для расчетов скольжения:
s = 5,6W -^iV|i0|ip/2RVD2 = 7200/D2
(18)
Результаты расчетов представлены в виде графика на рисунке 6. Видно, что со снижением диаметра ротора Dскольжение растет по ур. (19):
5 = 3,03-ехр(-46Д0) (19)
С другой стороны, используя зависимость В(П) и подставив ее в ур. (19), получим зависимость 5(В) в виде уравнения:
5 = 8,9 ехр (- 3,52-Я) (20)
\
\
\
S = ЗОЗех р| 46.3 D) \ R"2 = 0.Э8 \ s = о.оз
\
\
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
D - диаметр ротора(м)
Рис. 6 Зависимость скольжения s в АДФМР от Fig. 6 The dependence oof the s/iding s in the ADFMP диаметра D ротора. on the diameter D oof the rotor.
Анализ динамических свойств АДФМР является достаточно сложной задачей из-за существенной нелинейности описывающих их уравнений, обусловленной наличием произведений переменных. Поэтому, удобную форму математического описания дают уравнения относительно производной потокосцепления [18]:
dW
1x
RL
dt
- u1x -
1L2
2
dW
1y
dt
d^2 x = dt
u1y
L1 L2 - L12 R1L2
^1x +"
RL
1 L12
L L - L
2
W2 x +®0эл W1y;
1 L 2 - L122
w
L1 L - L R2 L1
1y
+
1 L 2 - L12 R1L12
L1L2 - L
dW
2 7
L1 L2 - L122
R2 L1
w
2x
+ ■
R о L
T W2 7 12
0эл W1x ;
2 L12
dt
L L - L
2
w
2 7
+
L1 L2 - L122 R2 L12
W1x + (ю
0эл
- ю
эл
)W2 у;
1 L2 - L12
L1L2 - L
2 12
W17 - (ю0эл -ю эл )W2 x
M-■
Рп L12
L L - L
2
(W1y W2x -W1xW2у ).
Л-2 - -12
В приведенных уравнениях индексы 1 соответствуют токам в обмотке статора, индексы 2 - в роторе. Структурная схема электромеханического преобразования энергии в АДФМР, полученная по ур. (21), представлена на рисунке 7. Схема, реализованная в среде МаЛаЬБШиНпк, позволяет анализировать тенденции изменения выходных координат АДФМР при изменениях диаметра ферромагнитного ротора Б.
Рис.7 Структурная схема динамической модели Fig. 7 Flow diagram of the dynamic speed loop контура скорости. model.
Необходимо определить передаточную функцию регулятора скорости для разомкнутого контура регулирования с магнитными параметрами. Передаточная функция
разомкнутой системы, настроенной на оптимум по модулю, должна иметь вид:
__^ к = 1
Т эР +1 РТмр д 2Т ?рТ ?р +1)' (22) ТэР + !)•РТмР
Исходя из этого, имеем:
W.„ - W„
W -■
рс
-2Т к р^Т ~Р +1)'
С учетом уравнений для постоянных времени Тэ и Тф(которые малы), электромагнитная постоянная времени: т = 1 _ 1 _ о 0159(с) где ю0элном=314,
314-0.2
рад/с.
Электромеханическая постоянная времени: т - — - 56 -10 - о 0027 где в- модуль
м р 2,06 ' '
жесткости линеаризованной механической характеристики.
р- 2М- --2,06
Ю0ном Skp
157-0,2
Соответственно, передаточная функция принимает вид: у — рс
р {ТфР +1)'
314 314
Скорость вращения поля при /=/ном=50 Гц: ^ —-—-— (157 рад ¡с)
"ОМ Рп 2
(23)
(24)
(25)
Коэффициент преобразователя частоты: к - ю<0ном - 314 - 314 ,где (7вых=10 В -
314
f
U.
10
напряжение управления инвертором.
Подбором значений крм и кпсо беспечивается положительная связь по скорости:
к - к
м дс
ю
s
0элном к
(к • к ) = ^ = — = 0,0639 « 0,064.
( р,м п,с) к, 31,4 , ,
Суммарная постоянная времени: Т* = Тф + Тэ = 0,01 + 0,0159 = 0,0259(с), где 7ф=0.01
с - постоянная времени фильтра.
Коэффициент обратной связи по скорости (датчик
скорости): к =
вращения:
1,2 • U
>_въ
1,2 •а.
1,2 •Ю 1,2 • 149,15
■ = 0 067 где мн - номинальная угловая частота
л • и
3,14 • 1425
= 149,15
н 30 30
Коэффициент регулятора скорости
ßTM 2,06 • 0,0027
2Т;ск кА 2 • 0,0259 • 0,067 • 8,18
L м дс * * '
= 0,196.
(27)
(28)
С помощью программы MatlabSimulink настраиваем контур скорости на оптимум по модулю при моменте статической нагрузки Мс=0. На рисунке 8 изображена структурная схема динамической модели контура скорости для переходных характеристик.
Рис.8 Структурная схема динамической модели Fig. 8 Structural diagram of dynamic model of speed контура скорости при построении переходных contour when constructing transition characteristics характеристик с применением Matlab. using Matlab.
На рисунке 9 представлена переходная характеристика по управляющему воздействию.
16 14 12 10 8 6 4 2 0
01 0.2 0.3 0.4 0 5 0 6 0.7 0 8
Рис.9. Переходная характеристика скорости по Fig. 9. Transient velocity of control action. управляющему воздействию.
Данные рисунка 9 с максимальным отклонением Arot = 0,06 рад/с совпадают с данными таблицы 1. Со снижением диаметра D ротора снижается и угловая скорость его вращения с ю1 « 260 рад/с до а2 » 75 рад/с. Переходный процесс идет в колебательном режиме в течение 8.5с с размахом<+ 2%, что позволяет конструктивно модифицировать АДФМР на разные диапазоны скоростей вращения и значений магнитных полей.
По результатам моделирования в среде MatlabSimulink перерегулирование системы составило: юмах = 15,63 рад/с, юуст = 14,9 рад/с, ст = (юмах - юуст)-100%/юуст = 4,7%. Время первого согласования составило 0,11 с, запас по фазе 63,8 градуса; запас по амплитуде 18,6 Дб. По данным сделан вывод, что контур скорости настроен правильно.
Заключение
1. Обзор методического и приборного оснащения нефтяных месторождений для контроля асфальтено-смолисто-парафинов (АСП) показал, что приборно-методическая база контроля АСП на месторождениях практически отсутствует, диапазон и точность измерений низки и неоперативны, необходимы методики и устройства их проточного экспресс-контроля АСП для предотвращения АСПО-отложений в скважинах и трубопроводном транспорте. Этим условиям многопараметрического экспресс-контроля удовлетворяет метод ПМР-релаксометрии и проточный ПМР-анализатор.
2. Разработаны и апробированы методики экспресс-контроля, расширены номенклатура и диапазоны измерений компонент нефти, участвующих в формировании АСПОи приведены экспериментально зависимости между временами релаксации протонов нефтей для:
- концентраций асфальтено-смолв диапазоне 0-30% с погрешностью уАС«+2 %.
- концентраций парафинов в диапазоне 0-30% с погрешностью уП^+ 3 %.
- дисперсного распределения капель в диапазоне 0-20 мкм с погрешностью уП®±1
мкм.
3. Предложен способ снижения концентрации АСП-компонент нефтейв установке с вращающимися магнитным и неоднородными электрическими полями с управлением от ПМР-анализатора, реализующей данный способ.
4. Представлены способ конструктивной оптимизации и расчет источника вращающегося магнитного поля для его применения в конкретных диапазонах конструктивных размеров и динамических параметров.
5. В MatlabSimulink осуществлено моделирование управления скоростью вращения магнитного поля в асинхронном двигателе с ферромагнитным ротором в установке очистки нефти от асфальтено-смол и парафинов нефти.
Литература
1. Чан Ван Тунг, Кашаев Р.С. Радиочастотный генератор и программа импульсных последовательностей релаксометра ПМР // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22, № 3. С. 90-96.
2. Злобин А.А.Экспериментальные исследования процессов агрегации и самосборкинаночастиц в нефтяных системах // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2015. №15. С.57-72
3. Тихомирнов Л.И., Земцов С.А., Волков С.В., Мещеряков М.А., Волчков С.В. Интеллектуальное месторождение // Нефтегаз. 2019. №.1-2. С.142-143..
4. Евдокимов И.Н., Лосев А.П. Применение УФ-видимой абсорбционной спектроскопии для описания природных нефтей // Нефтегазовое дело.2007. Т.2. C. 31-37. http://www.ogbus.ru.
5. Кашаев Р.С., Козелков О.В. Кубанго Б.Э. Проточные ПМР-анализаторы для контроля скважинной жидкости по ГОСТ 8.615-2005 // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. №1-2. С. 137-151.
6. Швецов В. Н., Юнусов А. А., Набиуллин М. И. Новые технические решения по усовершенствованию электродегидраторов для обезвоживания и обессоливания нефти // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2012. № 5.С. 48-54.
7. Кашаев Р.С., Сафиуллин Б.Р., Козелков О.В. Paraffins in petroleum oils, studied by nuclear magnetic resonance relaxometry. Advanced Aspectsof Engineering Research. London, 2021. No.:2021/BP/2354F.
8. Safieva R.Z., Mishin V.D. Systems Analysis of the Evolutiom of Views on Oil Systems: From Petroleum Chemistry to Petroinformatics // Pet. Chem. 2021. V.61,p.539-554.
9. Mansourpoor M., Azin R. Osfouri S., IzadpanahA.Experimental investigation of wax deposition from waxy oil mixtures //.Applied Petrochemical Research, V.9, Issue 2, pp 77-90.
10. Kasumu A. Mehrotra A. Solids deposition from wax-solvent-water "Waxy" mixtures using a cold finger apparatus //Energy Fuels.2015.V.29. P.501-511. https://doi.org/10.1021/ef501835b).
11. Mansourpoor M., Azin R. Osfouri S., IzadpanahA.Experimental investigation of wax deposition from waxy oil mixtures //.Applied Petrochemical Research, V.9, Issue 2.
12. Kasumu A. Mehrotra A. Solids deposition from wax-solvent-water "Waxy" mixtures using a cold finger apparatus // Energy Fuels.2015.V.29. P.501-511. https://doi.org/10.1021/ef501835b).
13. Nikolskaya E., Hiltunen Y. Molecular properties of fatty acid mixtures estimated by online time domain NMR // Appl. Magn. Res. 2019. 50 (1-3), 159-170.
14. Kozelkova V.O., Kozelkov O.V., Kashaev R.S. Nuclear magnetic resonance relaxometry method for the study of crude oil/water emulsions and dispersion of water droplets./ Intern.Conf «Process Management and Scientific Developments» Abstracts. Birmingem, UK.2021. p.208-214.
15. Шпиганович А.Н., Шпиганович А.А. Оценка эффективности безотказности систем // Вести вузов Черноземья. 2013. №1. c.25-33.
16. Бертинов А.И., Бут Д.А., Мизюрин С.Р. Специальные электрические машины. - М.: Энергоиздат, 1982. -552 с.
17. АрсеньевО.В., КоноваловЮ.В.. Электрические машины. - Ангара. Изд. АГУ, 2016. -17с.
18. Терехов В. М. Системы управления электроприводов. М.: Изд.«Академия», 2006.
19. Петров И.В., Иванов Р.Н. Название патента. Патент РФ на изобретение №2193864. 10.12.2002. Бюл. №34. Доступнопо:http://www.ntpo.com/patents_technical/ technical _1/ technical _432.s html. Ссылка активна на 12 ноября 2017.
Авторы публикации
Сафиуллин Б.Р.- ассистент кафедры «Приборостроение и мехатроника», Казанский государственный энергетический университет.
Козелкова В.О.- инженер кафедры «Приборостроение и мехатроника», Казанский государственный энергетический университет.
Кашаев Р.С.- д-р техн. наук, профессор кафедры «Приборостроение и мехатроника», Казанский государственный энергетический университет.
Козелков О.В. - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедры «Приборостроение и мехатроника», Казанский государственный энергетический университет.
References
1. Tran Van Tung, ^shaev R.S., Radiochastotny generator I programma impuls nichposledovatelnostei relaksometra PMR. Power engineering: research, equipment, technology. 2020;22(3):90-96.
2.Zlobin А.А. Ekspimentalniye issledovaniya prosessov agregatsyi I samosborki nanochastits v neftyanich sistemach. Vestnik PNIPU. Geologiya. Neftegazovoe I gornoedelo. 2015;15:57-72
3. Tihomirnov LI, Zемtsov 8А, Volkov SV, et al. Intellektualnoye mestorogdenie. Neftegaz. 2019;1-2:142-143.
4. Evdokimov IN, Losev AP. Application of UV-Visible Absorption Spectroscopy for Description of Natural Oil and Gas Business. http://www.ogbus.ru.
5.^shaev RS, Kozelkov OV, Kubango BE. Protochnye PMR-analizatory dlya kontrolya skvaginnoi gidkosti po GOST 8.615-2005. 2017;1-2:137-151.
6. Shvetsov VN, Yunusov АА, Nabiullin MI. Novye technicheskie resheniya po usovershenstvovaniyu elektrodegidratorov dlya obezvogivaniya I obessolivaniya nefti. Oborudovanie I technologii neftegazovogo kompleksa. 2012;5:48-54.
7. ^shaev RS, Safiullin BR, Kozelkov OV. Paraffins in petroleum oils, studied by nuclear magnetic resonance relaxometry. Advanced Aspectsof Engineering Research. London, 2021. No.: 2021/BP/2354F
8. Safieva RZ., Mishin V.D. Systems Analysis of the Evolutiom of Views on Oil Systems: From Petroleum Chemistry to Petroinformatics. Pet. Chem. 2021;61:539-554.
9. Mansourpoor M., Azin R. Osfouri S., IzadpanahA.Experimental investigation of wax deposition from waxy oil mixtures. Applied Petrochemical Research. 2020;9(20):77-90.
10. Kasumu A. Mehrotra A. Solids deposition from wax-solvent-water «Waxy» mixtures using a cold finger apparatus Energy Fuels. 2015;29:501-511. https://doi.org/10.1021/ef501835b).
11. Mansourpoor M, Azin R. Osfouri S., IzadpanahA.Experimental investigation of wax deposition from waxy oil mixtures. Applied Petrochemical Research. 2020;9(2):77-90.
12. Kasumu A. Mehrotra A. Solids deposition from wax-solvent-water «Waxy» mixtures using a cold finger apparatus. Energy Fuels. 2015;29;501-511. https://doi.org/10.1021/ef501835b).
13. Nikolskaya E, Hiltunen Y. Molecular properties of fatty acid mixtures estimated by online time domain NMR. Appl. Magn. Res. 2019;50 (1-3);159-170.
14. Kozelkova VO, Kozelkov OV, Kashaev RS. Nuclear magnetic resonance relaxometry method for the study of crude oil/water emulsions and dispersion of water droplets. Intern.Conf «Process Management and Scientific Developments» Abstracts. Birmingem, UK.2021. p. 208214.
15. Shpiganovich AN, Shpiganovich AA. Ocenka ehffektivnosti bezotkaznosti system. Vesti vuzov CHernozem'ya. 2013; 1:25-33.
16. Bertinov AI, But DA, Mizyurin SR. Spetsialnyie elektricheskie mashiny. M.:Energoizdat, 1982. -552 с.
17. Arsen'ev OV, Konovalov YuV. Elektricheskie mashiny. Angara. Izd. AGU, 2016. 17 p.
18. Terechov VM. Sistemyupravleniyaelectroprivodov.M.: Izd.«Akademiya», 2006
19. Petrov IV, Ivanov RN. Nazvaniepatenta - транслитерацией. Patent RUS. №2193864. 10.12.2002. Byul. №34. Available at: http://www.ntpo.com/patents_ technical / technical _1/ technical _432.s html. Accessed: 12 Nov 2017.
Authors of the publication
Bulat R. Safiullin - Kazan State Power Engineering University.
Valeriya О. Kozelkova - Kazan State Power Engineering University.
Rustem S. Kashaev - Kazan State Power Engineering University.
Oleg V. Kozelkov. - Kazan State Power Engineering University.
Получено 31.08.2022г.
Отредактировано 09.09.2022г.
Принято 16.09.2022г.
