XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В настоящее время Российская Федерация обладает самой крупнейшей в мире единой системой газоснабжения – это промышленные объекты по добыче газа и газоконденсата, системы газопроводов, хранилищ и газоперекачивающих станций. Эксплуатация данных систем осуществляется службами газового обслуживания и проводится согласно нормативным документам [3].

Одним из насущных проблем при обслуживании газопроводной системы остаётся безопасная эксплуатация и бесперебойная перекачка продуктового сырья по газопроводам, обеспечивающим требуемые реологические свойства вязких воздушных газовых сред. Наиболее совершенными и перспективными методами, применяемыми для этого являются электрофизические методы теплового воздействия на газопроводную систему.

Библиографический обзор различных технологий увеличения газоотдачи пласта и её транспортировки на основе электротермических систем показывает, что использование индукционных энергосберегающих технологий является одним из самых перспективных.

Предупреждение образования газогидратов методом подогрева газа заключается в том, что при сохранении давления в газопроводе температура газа поддерживается выше равновесной температуры их образования. Подогрев газа осуществляется на станциях подогрева открытым огнём, паром или другим теплоносителем в теплообменниках различной конструкции. Общий или частичный подогрев природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) осуществляется с помощью промышленных подогревателей. Данный способ является наиболее удобным, так как позволяет постоянно поддерживать необходимую температуру газа для полноценного функционирования технологических схем ГРС. Конструктивно подогреватели могут быть: с прямым (открытым огнем) и непрямым (с промежуточным теплоносителем) нагревом, и оснащены различными комплектами автоматики и вспомогательными устройствами. Систематизируя литературные данные, можно утверждать, что в настоящее время при добыче, перекачке и транспортировке газа для сохранения её реологических физических параметров активно используются следующие технологии: 1. Локальный нагрев; 2. Попутный нагрев; 3. Локально – ступенчатый нагрев.

Данные методы обогрева продуктовых газопроводов имеют ограниченные показатели как реологических свойств транспортируемогогаза, так и её электрофизических характеристик. Например, локальный и локально –ступенчатый нагревы газопроводов поддерживают температуру вязкой дисперсной среды только на ограниченном их участке, а попутный нагрев труб требует большого потребления электроэнергии на всём протяжении продуктовых газопроводов. Поэтому разработка других типов индуктивных нагревателей является на сегодняшний день актуальной задачей газовой промышленности в целом.

Введение. В статье представлена разработанная математическая модель линейного асинхронного индукционного нагревателя газопроводов на базе разработанной новой конструкции. При этом происходит исчезновение отложившихся слоев газогидрата на внутренней поверхности труб при перекачке газа. Разработанная конструкция с её теоретическими выкладками и положениями может быть использован в машиностроении при плавке металлов и поверхностной обработке. От известных методов и конструкций [1-8] предлагаемая отличается мобильностью, технологичностью и универсальностью, равномерностью нагрева газопроводов за счёт подвижности спиральной конструкции по обьёму изделия.

Решение задачи. Целью работы является анализ и математическое моделирование процессов работы ГСИН и влияния параметров его элементов на основные эксплуатационные характеристики при установленной технологии производства.

Упрощенное конструктивное расположение элементов ГСИН приведено на рис. 1 , на рис.2- расчётная геометрическая модель

Рис. 1. Конструкционное расположение элементов ГСИН: 1-спиральный подвижный индуктор переменного тока; 2- нефтегазопровод( заготовка ) металлическая.

.

Рис. 2. Геометрическая модель ГСИН.

Методы исследования. При решении задачи использованы общепринятые допущения [9;10;15], которые далее корректировались известными поправочными коэффициентами. Для решения задачи в работе были использованы методы теории электрических цепей, уравнения механики и электродинамики, методы математического анализа и эксперимента.

Математическая модель. В статье проведён теоретический анализ ГСИН, получены выражения для расчёта механических характеристик, которые подтверждены экспериментально.

Для расчёта спиральная пружина заменена геометрической моделью в виде последовательных круговых витков, с сохранением геометрических размеров витка, шага и количества витков спирали [9;10 ].

На рис.3. изображены силы, действующие на виток спирали форме кольца

Рис.3. Часть расчётной схемы спирали ГСИН: dz=1 – ширина материала спирали (принимается бесконечно малой относительно толщины); B – магнитная индукция в воздушном зазоре; ρ – удельное сопротивление; (а^'',a^') – направление колебания спирали; σ_t – тангенциальное механическое напряжение круговых колец.

В данной работе мы предлагаем новую конструкцию линейного асинхронного индукционного нагревателя газопроводов на базе разработанной новой конструкции.

Для описания электромеханических и тепловых характеристик данной установки используем уравнения Максвелла для электромагнитного поля и уравнение Фурье для теплового поля.

Обобщенная математическая модель, описывающая работу спиральногоГСИН (является фундаментальной теоретической базой электромеханических вибрационных преобразователей со сложной геометрией вторичного элемента)[9;10], представляется в виде:

+ (1)

+

где, - радиальное перемещение, w-го витка спирали; E-модуль упругости первого рода; - коэффициент Пуассона; - коэффициенты трения и демпфирования; - частоте собственных колебаний; - частоте вынужденных колебаний; - радиус W-го витка; длина участка витка; - индукция магнитного поля; - форма колебаний спирали; е(t)- ЭДС источника напряжения; R– активное сопротивление пружины;i – ток контура- спирали; L_w -собственная индуктивность спиральной пружины и M_wn - взаимная индуктивность между витками спирали [10] , ,- некоторые конструктивные постоянные [11;14].

В результате составления уравнения движения участка модели спирали с учетом действующих на него электродинамических сил, получена обобщенная математическая модель ГСИН в виде системы дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных [ 12 ]

(2)

Решением системы уравнений (2) получено общее выражение для расчета характеристики спирального ГСИН (3)

где q – относительная частота; D- степень успокоения.

Установлено, что электродинамические усилия, возникающие между магнитосвязанными витками на несколько порядков меньше усилий от взаимодействия синусоидального тока с магнитным полем постоянных магнитов. Поэтому, механическая характеристика ГСИН определяется выражением, определяющим тепловые характеристики спирального нагревателя

(4)

где - коэффициент формы приведения [ 12 ]

Функция приведения формы спирали имеет вид [ 15 ]

, (5)

где, – относительный радиус; и радиус 1-го и последнего витков соответственно; - некоторый витковый коэф­фициент; - функции Бесселя первого и второго родов; – некоторая постоянная.

В случае, когда аргумент функции Бесселя бесконечно малая величина, характеристика нагревателя рассчитывается исходя из соотношения

. (6)

В случае двухвитковой спиральной машины, когда аргумент функции Бесселя бесконечно большая величина, выражение имеет вид [ 15], как сила Ампера в классической форме

. (7)

Далее решается система уравнений (2). Рассматривается случай, когда электропроводящая спиральная пружина подключена к синусоидальному источнику тока i=I_msinωt, что упрощает поставленную задачу и делает более наглядными выкладки. Тогда уравнение колебания точки приведения системы будет иметь вид

(8)

или пользуясь формулой двойного аргумента для тригонометрических функции [12] и подставляя (4), (5) в (3) в соответствии (9) определим общую формулу для расчета тепловой характеристики спирального нагревателя

(9)

Во всех исследованных случаях принято допущение о том, что спираль подключена к источнику стабилизированного тока. Однако, по всей видимости, полученные соотношения справедливы и при под­ключении к источнику напряжения u=sinωt, т.е. когда

(10)

Так, радиальное перемещение w-гo витка спиральной пружины определяется исходя из соотношения (9) как

(11)

где K_d1 - коэффициент динамичности системы [10]. Рассмотрим расчётный участок газопровода.

Рисунок 4 – Расчетный участок газопровода

ЭДС, наводимая на данном участке:

(12)

Сопротивление участка:

,

(13)

где -удельное сопротивление участка материала газопровода; - радиус, толщина и длина участка обрабатываемого участка соответственно ( Рис.4).

Поверхностный ток (вихревой короткозамкнутый):

(14)

Тепловая энергия, выделяемая нагревательным элементом, определяется из уравнения Джоуля- Ленца:

(15)

Количество теплоты выделяемая элементом:

,

(16)

где с- теплопроводность материала; m- масса обрабатываемой поверхности; - температура обработки.

Из закона сохранения энергии найдём температуру участка газопровода [ 17; 16]

, / .

(17)

где - плотность материала газопровода; t- время обработки.

Мгновенное значение температуры определим из уравнения Лапласа:

(18)

Производная индукция МП:

(19)

Действующие значение квадрата индукции МП:

(20)

В итоге, действующее значение поверхностной температуры равна

(21)

Таким образом, как показывают проведенные исследования, предложенная конструкция ГСИН позволяет технологическому расширению возможностей и проектировать аналогичные конструкции по требованию технологий производства и оптимизационному проектированию их c учётом подвижного состояния нагревательного элемента относительно поверхности обрабатываемого объекта.

Заключение:

1.Разработана оригинальная конструкция спирального индукционного нагревателягазопроводов (ГСИН) на базе спирального подвижного элемента.

2. Создана математическая модель ГСИН, получены выражения для определения его технологических возможностей в зависимости от физических характеристик материала и размеров заготовки, соответственно,газопроводов.

3. Показана универсальность разработанной конструкции и созданной математической модели с аналитическими выводами, которые можно использовать в машиностроении при плавке и обработке твердых электропроводящих материалов, в газовой промышленности для обогрева газопроводов.

Список литературы

1.Белый И.В. Влияние геометрических параметров плоского спирального индуктора на распределение давления и температуры в обрабатываемой заготовке /И.В.Белый, П.М. Пшиков, М.М.Новаковская // Новочеркасск. Изв.Вуз.-Электромеханика.-1986.-№1.-С97-102.

2. Коршак, А.А. Специальные методы перекачки: учеб. изд. / А.А. Коршак.– Уфа: Изд. УГНТУ, 2004.– 208 с.

3. Коршак, А.А. Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа: уч. пособ. для системы ДПО / А.А. Коршак, А.М. Нечваль.– Уфа: ДПСервис, 2005.– 516 с.

4. Специальные системы и технологии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.sst.ru.

5. Теплолюкс-сервис. Саморегулирующаяся нагревательная лента ФСУ / FSU [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.promobogrev.ru/katalog_produkcii/nagrevatelnyekabeli/samoregulirujushhijjsja-kabel/samoreg-kabelfsu.html.

6. Конесев, С.Г. Экологичные нагревательные системы для объектов транспорта и хранения вязкой нефти / С.Г. Конесев, П.А. Хлюпин // Безопасность жизнедеятельности, 2012.– №7.– С. 43–47.

7.Патент на полезную модель (РФ) №109630 от 18.04.2011. Бюл. №29, опубликовано 20.10.2011. Мобильная установка индукционного нагрева // Конесев С.Г., Садиков М.Р. Мухаметшин А.В.

8. Патент на полезную модель (РФ) №105105 от 27.05.2011. Бюл. №15, опубликовано 27.05.2011 Индукционное нагревательное устройство для обогрева помещений // Конесев С.Г., Хлюпин П.А., Мухаметшин А.В.

9.Янгиров И.Ф. Шаговый двигатель для систем автоматики. Электропружинныйдвигатель.Ветроэнергетическая станция . // И.Ф.Янгиров / М.; Машиностроитель.1997.№5.- С.27-28.

10.Исмагилов Ф.Р. Обобщенная модель электромеханического преобразователя со спиральным вторичным элементом // Ф.Р.Исмагилов, И.Ф.Янгиров, Д.В.Максудов/ Международная научно-техническая конференция "Пром-Инжиниринг" (англоязычное название InternationalСonferenceonIndustrialEngineering). 19-20 мая в г. Челябинске на базе Южно-Уральского государственного университета (национального исследовательского университета).-2016.-С.4.

11.Янгиров И.Ф. Многосекционная пружинная электромеханическая муфта (МСЭМ).-// Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р., Максудов Д.В., ЗиялтдиновЛ.Ф /-М.: Технология машиностроения. М: - 2017.- №3.- С.22-25.

12. Хайруллин, И.Х. Вибрационный электромеханический преобразователь со спиральным вторичным элементом/И.Х.Хайруллин, Ф.Р. Исмагилов, И.Ф. Янгиров // Электричество.- 1995.- №11. – С. 47–50.

13. Немцов М.В. Справочник по расчету параметров индуктивности – М.: Энергоатомиздат. – 1989. – 192 с.

14. Янгиров И.Ф. Аналитическое выражение индуктивности и взаимоиндуктивности спиральных электропроводящих пружин. – М.: Приборы и системы, 2004, №1. – С. 38 – 41.

15. Вольдек А.И. Электрические машины.- Л.: Энергия.- 1974г.- 417с.

16. Дуговой асинхронный двигатель как элемент нагревательной установки нефтепроводов в полевых условиях / Максудов Д.В., Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф //М.: Технология машиностроения . – 2018.-№ 10.-.С.43-45.

17. И.Ф.Янгиров. Линейный асинхронный индукционный нагреватель нефтепроводов /Янгиров И.Ф., Исмагилов Ф.Р., Максудов Д.В.// М.: Технология машиностроения.- 2018.-№11.- С.36-39.

Код для цитирования: Скопировать