CC BY
345
УДК 620.97 (075.8)
Н. Д. Шишкин
ПРИМЕНЕНИЕ ИНДУКЦИОННОГО ПОДОГРЕВА НЕФТИ ПРИ ЕЕ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ОТ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА СЕВЕРНОМ КАСПИИ
N. D. Shishkin
APPLICATION OF INDUCTION HEATING OF OIL AT ITS TRANSPORTATION FROM FIELDS IN THE NORTHERN CASPIAN SEA
Исследуется проблема парафиновых отложений на внутренней поверхности труб, возникающих при перекачке нефти от морских нефтедобывающих платформ к подводным хранилищам нефти для дальнейшей перевозки танкерами. Для очистки нефтепроводов от парафиновых отложений предлагается использовать скребок с индукционным нагревателем и электромагнитный депарафинизатор с индукционным нагревом. Для эксплуатируемого нефтепровода диаметром 325 мм в зависимости от его производительности мощность индукционного нагревателя составит от 50 до 360 кВт.
Ключевые слова: перекачка нефти, нефтедобывающие платформы, подводные хранилища, танкер, парафиновые отложения, индукционный нагреватель, электромагнитный депарафинизатор.
The problem of paraffin deposits on the inner surface of pipes occurring at oil transfer from sea oil-extracting platforms to underwater storehouses of oil for the further transportation by tankers is studied.
For clearing of oil pipelines from paraffin deposits it is offered to use a scraper with an induction heater and electromagnetic dewaxer with induction heater. For the maintained oil pipeline of 325 mm in diameter depending on its productivity the capacity of an induction heater will make from 50 to 360 kW.
Key words: ой transfer, oil-extracting platforms, underwater storehouses, the tanker, paraffin deposits, an induction heater, electromagnetic dewaxer.
Введение
Разработка месторождения им. Ю. Корчагина на Северном Каспии, начатая в 2009 г., осуществляется с помощью ледостойких платформ типа ЛСП-1. На ледостойкой платформе ЛСП-1 массой 15 600 т размещаются комплексы: буровой, эксплуатационно-технологический, энергетический, а также более 200 единиц судового оборудования [1]. После подготовки в эксплуатационно-технологическом комплексе платформы ЛСП-1 нефть по подводному нефтепроводу протяженностью 58 км и диаметром 325 х 15 мм транспортируется до точечного причала и далее на морской перегрузочный комплекс (МПК), где осуществляется хранение, коммерческий учет и отгрузка нефти в танкеры-челноки для транспортировки нефти в порты Махачкала и Оля [2].
При перекачке нефтей, в том числе по подводным нефтепроводам, от морских нефтедобывающих платформ к подводным хранилищам нефти, на внутренней поверхности труб возникают асфальтосмолистые и парафиновые отложения (АСПО). Эти отложения, главным образом парафиновые, существенно затрудняют транспортировку нефти, увеличивая гидравлические сопротивления и, следовательно, энергозатраты. Их уровень может достичь критического, что сделает невозможными дальнейшую перекачку нефти и дальнейшую ее транспортировку танкерами. Все это приводит к дополнительным затратам, связанным с очисткой труб от парафиновых отложений, увеличивает вероятность аварий, т. е. ухудшаются экономические показатели работы промысла.
Становится актуальной разработка технических средств и методов, направленных на предотвращение отложений в промысловых трубопроводах от морских нефтедобывающих платформ до подводных хранилищ нефти. Одним из перспективных методов борьбы с отложениями является применение индукционного подогрева [3].
Постановка задачи
Целью исследований являлась оценка возможностей использования различных вариантов индукционных нагревателей для очистки трубопроводов от АСПО при транспортировке нефти до точечного причала, подводного хранилища нефти и далее танкерами до портов Махачкала и Оля.
Скребок с индукционным нагревателем
Очистка нефтепроводов от парафинистых отложений в настоящее время проводится механическим способом с помощью очистных устройств - скребков различных конструкций, например типа СКР [1]. Скребок вводится в трубопровод и, продвигаясь вместе с потоком нефти, очистными элементами разрушает парафинистые отложения на внутренней поверхности трубопровода, которые уносятся потоком нефти [1]. Однако данная операция занимает достаточно большое количество времени, приводя к простоям и, как следствие, серьезным экономическим потерям при добыче и транспортировке нефти. Кроме того, при прочистке нефтепровода с относительно высоким уровнем отложений может произойти прихват скребка. В связи с этим весьма актуальным является совершенствование конструкций скребков, в том числе с применением подогрева.
Для очистки нефтепроводов от парафиновых отложений как в рабочем режиме, так и для устранения особо тяжелых ситуаций, включая парафиновые пробки, предлагается использовать скребок с индукционным нагревателем, схематично изображенный на рис. 1.
1 2 3 4 5 6
Рис. 1. Скребок с индукционным подогревателем:
1 - скребок; 2 - контакты подвода электроэнергии; 3 - концентратор магнитного потока;
4 - обмотка; 5 - защита катушки; 6 - сердечник специальной формы
Скребок с индукционным нагревателем состоит из скребка 1 типа СКР и прикрепленного к нему нагревательного устройства. Последнее, в свою очередь, состоит из сердечника 6 и обмотки 5, образующих катушку соленоидного типа, подвод электроэнергии к которой осуществляется через контакты 2 от кабеля (на рисунке не показан). Внутри сердечника располагается концентратор магнитного потока 3, необходимый для увеличения электромагнитного потока и повышения эффективности преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию. Концентратор потока вызывает смещение максимальной плотности тока в катушке ближе к поверхности трубы, увеличивая тем самым силу магнитного поля и интенсивность нагрева на внутренней поверхности трубы [2]. Во избежание контакта обмотки и перекачиваемой среды используется защита катушки 5. Одна из главных проблем, связанных с использованием внутренних инверторов, - это перегрев. Однако в данном случае этот недостаток обращается в преимущество - используя сердечник в форме, изображенной на рис. 1, можно обеспечить как плавление парафиновых пробок, так и подогрев перекачиваемой жидкости для предотвращения дальнейшего отложения парафина на скребке.
Принцип действия скребка с индукционным нагревателем следующий: устройство запускается как обычный скребок, нагревательным элементом вперед. Возникающие в катушке вихревые токи разогревают поверхностный слой металла внутренней стенки трубы, тепло передается отложениям парафина, в результате чего расплавляется тонкий слой парафина, прилегающий к трубе. За счет этого улучшается степень очистки, уменьшается продольное усилие, необходимое для очистки (позволит снизить рабочее давление), улучшается скольжение скребка, что позволяет увеличить скорость проходки, уменьшить износ и сократить время операции. Предварительный нагрев парафина позволит избежать прихвата, а использование сердечника специальной формы - разрушать парафиновые пробки. Подвод электроэнергии от электрогенераторов может быть осуществлен по кабелю с платформы ЛСП-1, МПК или с автономных ветроэнерго-установок, расположенных в районе прокладки нефтепровода [1].
Оценка потребной мощности скребка с индукционным подогревателем
Для оценки потребной мощности был произведен ориентировочный расчет по формуле
^потр = р-5-р- У[с ■ (¿пл - ¿дар ) + 1)](И - 5)К ,
где 5 - толщина расплавляемого слоя парафина, принимаем 5 = 1 мм; р - плотность парафина, принимаем р = 900 кг/м3; V - скорость движения скребка, м/с; с - удельная теплоемкость парафина, с = 2,9 кДж/(кг • К); ?пл - температура плавления парафина, ¿пл = 40 °С; ?пар - температура отложений парафина у стенки нефтепровода, принимаем ?пар = 30 °С; X - удельная теплота плавления парафина, X = 150 кДж/кг; И - внутренний диаметр нефтепровода, м; К - коэффициент, учитывающий потери энергии в катушке и в стенке трубы, принимаем К = 1,4 [3].
Результаты расчетов в виде зависимости мощности от диаметра нефтепровода и скорости проходки изображены на рис. 2.
550
500
450
400
£ 350 со
“ 300 2 250 200 150 100 50 0
Рис. 2. Мощность индукционного подогревателя в зависимости от диаметра нефтепровода
и скорости проходки скребка
Расчеты показывают, что при использовании предлагаемого устройства в трубопроводах диаметром от 219 до 720 мм при скорости проходки от 0,2 до 1,5 м/с его потребная мощность составляет от 30 до 500 кВт. В частности, для уже эксплуатируемого нефтепровода диаметром 325 мм, в зависимости от его производительности, мощность составит от 50 до 360 кВт. Увеличивая мощность, подаваемую на индукционный нагреватель, можно существенно увеличивать скорость проходки и, соответственно, сокращать время простоев нефтепровода.
Электромагнитный депарафинизатор с индукционным нагревом
Другой вариант индукционного подогрева для предотвращения образования АСПО может быть реализован в электромагнитном депарафинизаторе с индукционным нагревом, представляющем собой модуль-секцию части нефтепровода, схематично изображенный на рис. 3.
Рис. 3. Электромагнитно-индукционный депарафинизатор: 1 - высокочастотный генератор; 2 - трансформатор; 3 - электромагнит; 4 - индуцирующий провод; 5 - теплоизоляция
Устройство состоит из источника питания нагрузочного колебательного контура - высокочастотного генератора 1; трансформатора 2; электромагнитов 3, генерирующих магнитное поле; индуцирующего провода 4, представляющего собой цилиндрическую спираль, обвитую вокруг депарафинизатора (рис. 3), и теплоизоляции 5, полностью покрывающей индукционный провод для снижения до минимума потерь тепла.
Комбинирование электронагрева и магнитной обработки позволяет усилить воздействие на парафинистую нефть. Выявлено [3], что под воздействием магнитного поля в движущейся жидкости происходит разрушение агрегатов, состоящих из субмикронных ферромагнитных микрочастиц соединений железа, находящихся в концентрации 10-100 г/т в нефти и попутной воде. При обработке нефтяного потока электромагнитным полем образуются дополнительные центры кристаллизации парафина по всему объему нефтяного потока. Кристаллы растут не на стенках трубопровода, а в объеме нефти, что и уменьшает интенсивность накопления АСПО на внутренней поверхности труб. Повышение температуры нефти осуществляется индуктором, т. к. по закону электромагнитной индукции будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие разогрев объекта. Это способствует выделению тепла в проводящем нагреваемом объекте и бесконтактной передаче энергии, что также препятствует образованию на стенках нефтепровода центров кристаллизации и росту кристаллов парафина. Индукционный нагрев при низких значениях температуры позволяет также уменьшить вязкость транспортируемых веществ и обеспечить работоспособность этих трубопроводов.
При электрическом нагреве трубопроводов капитальные затраты в 1,5 раза меньше, чем при нагреве паром [4]. Электрический нагрев позволяет просто регулировать температуру, а конструкции систем электрического нагрева трубопроводов проще, чем конструкции нагрева паром [1]. Предполагается ориентировочно нагревание нефти до 70 °С, т. к. температура плавления парафиновых отложений ¿пл = 40-65 °С. Преимущества предлагаемого устройства: более высокая эффективность совместного воздействия магнитного поля и индукционного нагрева, исключение применения химических реагентов, возможность эксплуатации нефтепроводов при низких значениях температуры, а также возможность управления режимом технологического процесса с помощью подключения контроллера.
Планируемый вариант расположения устройства на платформе - интегрирование модуль-секции с помощью фланцевого соединения в часть транспортного нефтепровода, находящегося на поверхности. Предлагаемое устройство, благодаря совмещению двух методов воздействия на АСПО, будет достаточно эффективным для предварительной подготовки парафинистой нефти перед её транспортировкой с нефтедобывающей платформы на плавучее нефтехранилище и далее танкерами в порт Махачкала.
Задачи дальнейших исследований
В дальнейшем на кафедре «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» Астраханского государственного технического университета предполагается провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований влияния свойств магнитного поля и индукционного нагрева на АСПО. В научно-исследовательской лаборатории кафедры начато создание экспериментальной установки. Исследования планируется проводить на различных модельных жидкостях (вода, масла, нефть и нефть, содержащая АСПО) при различной мощности электромагнита, варьировании температуры нагрева жидкости индукционным элементом.
Заключение
1. При перекачке парафинистых нефтей от морских нефтедобывающих платформ к подводным хранилищам нефти, на внутренней поверхности труб образуются АСПО, которые существенно затрудняют транспортировку нефти, увеличивая гидравлические сопротивления и, следовательно, энергозатраты. Уровень АСПО может стать критическим, что сделает невозможной дальнейшую перекачку нефти.
2. Скребки, используемые в настоящее время для борьбы АСПО, характеризуются низкой скоростью проходки и подверженностью износу, кроме того, они непригодны для ликвидации парафиновых пробок. Скребок с индукционным подогревателем позволяет существенно увеличить скорость проходки и сократить время очистки нефтепровода, снизить износ, ликвидировать отложения любой сложности за счет частичного расплавления парафина и подогрева жидкости. При использовании предлагаемого устройства в трубопроводах диаметром от 219 до 720 мм его потребная мощность составляет от 30 до 500 кВт.
3. Индукционный подогрев для предотвращения образования АСПО может быть реализован в электромагнитном депарафинизаторе с индукционным нагревом, представляющем собой модуль-секцию части нефтепровода. Преимущества предлагаемого устройства: более высокая эффективность совместного воздействия магнитного поля и индукционного нагрева, исключение применения химических реагентов, возможность эксплуатации нефтепроводов при низких значениях температуры, а также возможность управления режимом технологического процесса с помощью подключения контроллера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шишкин Н. Д. Балтаньязов И. В., Герлов В. Н. Использование возобновляемых источников энергии для энергоснабжения нефтедобывающих морских платформ // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2009. - № 2. - С. 193-197.
2. Петров М. П., Лубенко В. Н. Математическое моделирование оптимального состава челночных танкеров для транспортировки углеводородов российских месторождений каспийского шельфа // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2010. - № 1. - С. 13-18.
3. Тронов В. П. Механизм образования смолопарафиновых отложений и борьба с ними на нефтепромыслах. - М.: Недра, 1970. - 240 с.
4. Лесин В. И. Магнитные депарафинизаторы нового поколения // Изобретения и рацпредложения в нефтегазовой промышленности. - 2001. - № 1. - С. 18-20.
Статья поступила в редакцию 9.11.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Шишкин Николай Дмитриевич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов»; n.shishkin-53@mail.ru.
Shishkin Nickolay Dmitrievich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Head of the Department "Machines and Equipment of Oil and Gas Fields"; n.shishkin-53@mail.ru.
