Обґрунтування параметрів кавітатора з п’єзопідсилювачем для руйнування гірського масиву

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»

Лафа Євгенія Олександрівна

УДК 62.822

Обґрунтування параметрів кавітатора з п'єзопідсилювачем для руйнування гірського масиву

Спеціальність 8.05070205 - Електромеханічні системи геотехнічних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

Київ - 2015

Робота виконана на кафедрі електромеханічного обладнання енергоємних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник к.т.н., доц Сліденко Віктор Михайлович, Національний технічний університет України «КПІ», м. Київ, доцент електромеханічного обладнання енергоємних виробництв

Захист відбудеться 16''червня 2015 року о 14:00 годині на засіданні ДЕК кафедри електромеханічного обладнання енергоємних виробництв НТУУ «КПІ» за адресою, 03056, м. Київ, вул. Борщагівська 115, корпус 22, 504-22

З дисертацією можна ознайомитись на кафедрі електромеханічного обладнання енергоємних виробництв НТУУ «КПІ» за адресою, 03056, м. Київ, вул. Борщагівська 115, корпус 22,504

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження - За даними НАК "Нафтогаз України", нафтогазова промисловість є енергетичною основою для стабільного економічного та соціального розвитку держави. З часів свого заснування “Нафтогаз України” посідає головне місце в паливно-енергетичному комплексі України. Компанія здійснює повний цикл операцій з розвідки й розробки родовище, з проведення експлуатаційного й розвідувального буріння, транспортування й зберігання нафти й газу, з постачання природного й скрапленого газу.

Понад 90% нафти й газу в Україні видобувають підприємства Компанії. За рахунок власного видобування Україна задовольняє потребу в природному газі на 34%, в нафті - на 10-15% (дані за 2011 рік). Держава імпортує природний газ з Російської Федерації; нафту та нафтопродуукти з Російської Федерації, Казахстану, Білорусі, Азербайджану, Прибалтики та інших країн. Через українську газотранпортну систему транспортується понад 70% усіх експортних поставок російського газу в країни Європи, що складає біля 20% від загального обсягу споживання природного газу в Європі.

Крім того, ціна газу власного видобутку в розмірі 420 гривень/тис. куб. м (з ПДВ) є економічно необґрунтованою і не дозволяє "Укргазвидобуванню" виконати інвестиційну програму з розвитку газовидобутку в країні. На думку керівництва "Укргазвидобування", обґрунтованою ціною газу власного видобутку є 850 гривень/тис.куб.м (з ПДВ). У 2012 р. "Укргазвидобування" наростить видобуток газу максимум на 0,6 %, або на 0,1 млрд.куб.м до 15 млрд. куб.м, в порівнянні з 2011 роком. Тобто, з урахуванням нинішньої ситуації до 2015 р. видобуток газу може зрости максимум до 16 млрд.куб.м.

Реальним є збільшення видобутку на вже діючих та законсервованих свердловинах України нафти, газу та газового конденсату, тобто додатковий дебіт можна отримувати фактично без інвестицій.

В таких умовах використання нових технологій для інтенсифікації видобутку вуглеводневої сировини може стати одним із шляхів зміцнення енергетичної незалежності держави.

Серед багатьох причин, які обумовлюють малу нафтовіддачу, головними є висока в'язкість нафти в пластових умовах , неоднорідність пластів, адсорбція компонентів нафти на породі, яка призводить до гідрофобізації породи і появу відмінностей в фазовій проникливості для нафти і витісняючої її рідини в процесі розробки родовища з заводненням.

Критерій якості свердловини для видобутку вуглеводнів кількісно описується відношенням продуктивності свердловини перед погіршенням фільтраційних властивостей присвердловинної зони до продуктивності свердловини після погіршення фільтраційних властивостей присвердловинної зони. Причому, зменшення проникливості колектора в присвердловинній зоні в п'ять разів, призводить до зменшення продуктивності свердловини у два рази, а зменшення проникливості в 10 разів приводить до падіння продуктивності вуглеводнів в 3,5 рази.

Об'єкт дослідження - процеси ітенсифікації продуктивності нафтової свердловини

Предмет дослідження - процес функціонування та параметри кавітатора з п'єзопідсилювачем.

Мета дослідження - обгрунтування раціональних параметрів реверсивного кавітатора: частоти коливань для ефективного руйнування гірського масиву.

Наукова ідея, полягає в турболізації потоку створення реверсивної кавітації процесу, шляхом установки геометричних стержнях конфузора сопла дифузора, в яких геометрично конфузор і дифузор еквівалентні.

Задачі дослідження:

Розробити структурну схему реверсивного кавітатора з п'єзопідсилювачем для руйнування гірського масиву.

Розробити методику аналітичних та експериментальних досліджень функціонування кавітатора.

Визначити точку переходу ламінарного потоку в турбулентний потік за числом Рейнольдса.

Обгрунтувати параметри кавітаційних коливань для гідравлічної системи з трубкою Вентурі.

Обґрунтувати вплив кавітації на руйнування гірських порід (прямий кавітаційний режим) та вплив на флюїди (реверсний кавітаційний режим), з метою депарафінізації НКТ.

Провести дослідження швидкості потоку рідини з застосуванням пакету SolidWorks.

Наукова новизна - розроблена структурна модель, яка відрізнється від відомих тим, що вперше розроблено модель реверсивного кавітатора, який впливає на руйнування гірських порід - прямим кавітаційним режимом, та вплив на флюїди - реверсивним кавітаційним режимом, з метою депарафінізації НКТ; вперше встановлено значення частоти коливань тиску в реверсивному кавітаторі, яка складає в середньому 37МГц.

Практичне значення одержаних результатів. Матеріал досліджень дозволив встановити особливості процесу кавітації. В ході дослідження розроблено віртуальній пристрій в оболонці Solid works 2012 для підбору оптимальних параметрів роботи установки.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети та завдань, представленні методики аналітичних досліджень, комп'ютерному моделюванні процесу засобами Solid works 2012, методики планування експерименту, статистичного аналізу, апробації отриманих результатів, підготовці до друку зібраного матеріалу, аналізу літературних джерел, а також написанні та оформленні згідно з ДСТУ 3008-95, ГОСТ 7.1:2006 дисертації. Аналіз, узагальнення зібраних матеріалів та їх наукова інтерпретації здійснено особисто автором.

Апробація результатів дисертації - Участь у кафедральній конференції «Проблема вдосконалення машин та обладнання геотехнічних виробництв. Наукові дослідження студентів». Доповідь на тему: «Обґрунтування параметрів кавітатора з п'єзопідсилювачем для руйнування гірського масиву» 10.06.2014;

Публікації. Положення і матеріали дисертації опубліковані: 2 заявки з позитивним рішенням.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, аналізу публікацій, патентів та інтернет даних, методів дослідження, розділів власних досліджень, висновків та додатків. Основний текст дисертації викладено на 104 стор. Повний обсяг становить 119 стор.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

кавітатор гірський масив рейнольдс

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми, сформульовано мету, об'єкт, предмет дослідження і задачі, які були розглянуті у роботі.

В першому розділі проведено аналіз інформації періодичних видань монографій та публікацій в Інтернеті, що дає змогу систематизувати існуючі теоретичні методи зменшення випадання асфальто-смолисто-парафінових відкладнень, та зробити крок для пошуку нових ідей.

Найбільш близьким за технічною суттю пристроєм для реалізації методу є апарат дії (Патент РФ №2379132 C2, В08В9/055, опубл. 20.01.2010), який задовольняє вимоги для реалізації методу.

На основі наведеної інформації сформовано задачі для дослідження: розробка структурної схеми реверсивного кавітатора з п'єзопідсилювачем для руйнування гірського масиву.

В другому розділі було розглянуто методику наукових досліджень, тобто планування повного факторного експерименту типу 2k

При плануванні експерименту спочатку потрібно визначити параметр оптимізації та фактори впливу. При проведенні експерименту з дослідження характеристик кавітатора з пєзопідсилювачем, в якості параметра оптимізації вибираємо частоту кавітаційних коливань, рівняння (1).

Фактори:

х1 - параметр кавітації;

х2 - радіус критичного перерізу, м;

х3 - кут розкриття дифузору.

Значення факторів і інтервалів варіювання наведені в таблиця 1.

Таблиця 1 - Значення факторів і інтервалів варіювання

Найменування і позначення факторів	Рівні варіювання	Інтервали варіювання
	-1	0	+1
Параметр кавітації	0,15	0,3	0,45	0,15
Радіус критичного перерізу, м	0,0035	0,004	0,0045	0,0005
Кут розкриття дифузору, град	15	18	21	3

Максимальне значення частоти кавітаціїї 37 МГц досягнуто при параметрі кавітації 0,45 , радіусу криточного перерізу- 0,0035 м, кут розкриття дифузору - 15 град. Тобто чим більша частота коливань кавітації тим краща робота п'єзокерамічного кавітатора.

В третьому розділі розглянуто моделювання функціонування пристрою та розроблена методика розрахунку і математична модель процесу реверсивного кавітатора з пєзопідсилювачем для руйнування гірського массиву. Визначено перехід ламінарного потоку в турбулентний та зміну щільності нафти при зміні тиску за умови: .

Розглянуто аналіз розрахунку частоти кавітаційних коливань рідини для гідравлічної системи з трубкою Вентурі

	(1)

де Р1, Рs - тиск на вході в трубку Вентурі і в кавітаційній площі, Па;

- радіус критичного перерізу, м;

- коефіцієнт витрат у трубці Вентурі, в.о.;

- параметр кавітації, зустрічається як співвідношення тиску на виході Р2 до тиску на вході Р1 в трубці Вентурі, в.о.;

- кут розкріття дифузору, град.

Для реалізації течії, при якому виникають високі амплітуди коливань тиску в трубопроводі за трубкою Вентурі необхідно, щоб кут розкриття дифузора був > 10 °. Найбільш раціональний кут розкриття дифузора був = 20 - 30 °.

Розглянемо графік залежності частоти кавітаційних коливань від параметру кавітації при різних значенннях Р, МПа (рисунок 1).

Рисунок 1 - Графік залежності частоти кавітаційних коливань від парамтру кавітації

Частота кавітаційних коливань зі збільшенням параметру кавітації зростає при постійному тиску на вході Р. При параметрі зі зростанням тиску нагнітання Р від 1 до 5 МПА приводить до зростання частоти в двічі від 12 МГц до 28 МГц.

Також було розглянуто зміну щільності нафти при зміні тиску. Незважаючи на те, що всі нафти є слабо стисливими рідинами, при збільшенні тиску щільності нафт зростають, а при зменшенні - зменшуються, хоча ці зміни малі в порівнянні з їх номінальними значеннями

	(2)

де - щільність нафти в стандартних умовах;

А - коефіціент зжимання нафти, 1/Па;

К - модуль пружності нафти, Па.

Рисунок 2 - Графік залежносты зміни щільності пластової нафти в залежності від тиску.

Середнє значення коефіцієнта стисливості нафти (В) становить 0, 00078 МПа-1, середнє значення модуля пружності нафти (К = 1 / В) становить ? 1,3 · 109 Па.

Зроблено аналіз розрахунку дроселювання робочої рідини при спрацюванні пристрою. Тиск дроселювання, при змінному переміщенні елемента за умови забезпечення міцності, розраховується за формулою 3:

,	(3)

де - зміна витрати робочої рідини, що надходить до пристрою коливань, м3/с; - густина робочої рідини, кг/м3; - коефіцієнт витрати, в.о.; - площа прохідного кільцевого отвору за максимальної переміщення елемента, через який здійснюється дроселювання робочої рідини.

Характеристика зміни надлишкового тиску при дроселюванні представлена на рисунку 3.

Рисунок 3 - Графік зміни надлишкового тиску від зміни витрати робочої рідини при дроселюванні

Таким чином, підвищення тиску дроселювання досягається за рахунок збільшення витрат робочої рідини.

В четвертому розділі розглянуто статистичне моделювання процесу. В результаті виконання цього розділу було описано випадкові величини Q і v, наведено повні математичні аналоги відповідних випадкових величин.

Визначено характер розподілу випадкових величин та знайдені їх числові характеристики.

Побудовані характеристики розподілів, суміщені з гістограмами, побудованими на основі статистичного ряду.

Знайдена ймовірність попадання витрати рідини в задані межі

В п'ятому розділі було побудовано тривимірну модель реверсивного кавітатора засобами SolidWorks 2012, що включає в себе патрубок з обтікачем та з отворами для тубки Вентурі, трубу, магазин та п'єзокераміку за наявними кресленнями зборки та деталювання.

Для побудови тривимірної моделі частин реверсивного кавітатора з п'єзопідсилювачем, з подальшими розрахунками гідродинаміки, використовуємо програмну оболонку Solid Works 2012.

Побудова тривимірної моделі в Solid Works 2012 складається з двох етапів:

побудова тривимірних деталей, складових частин реверсивного кавітатора;

зборка цих деталей в тривимірну модель (рисунок 4)

Були побудовані наступні деталі:

патрубок з обтікачем та з отворами для тубки Вентурі;

труба;

магазин.

Рисунок 4 - Модель, побудована на основі креслення в Solid Works 2012

В наступній частині розділу було проведено дослідження гідродинаміки реверсивного кавітатора в оболонці Solid Works 2012 за допомогою модуля Flow Works.



Рисунок 5 - Значення швидкості потоку в кавітаторі (січна площина проходить через середину)

Враховуючи вище приведені дослідження, були отримані наступні результати та висновки:

наявність падіння тиску дозволяє припустити, що відбуватиметься утворення кавітаційних каверн, що є важливим етапом в роботі вихрового генератора;

Швидкість завихреного потоку при розрахунку за допомогою Flow Works складає 94 м/с. В розділі 3 наводиться аналітичний розрахунок швидкості завихреного потоку, що дозволяє співставити отримані результати; похибка в порівнянні з аналітичними дослідження склала ? 10%, що з певною точністю дозволяє стверджувати про адекватність побудованої тривимірної моделі та отриманих результатів.



ВИСНОВКИ

Вперше розроблено модель реверсивного кавітатора з п'єзопідсилювачем, який відрізняється від інших тим, що кавітаційний процес іде в обидві сторони та встановлені пєзокерамічні елементи завдяки яким утворюється електричне поле на гранях деяких кристалів при їхній деформації, що сприяє зменшенню випадання асфальто-смолисто-парафінових відкладнень;

Розроблена модель реверсивного кавітатора, яка відрізнється від відомих, що відображає функціонування кавітатора в реверсивному режимі із застосуванням п'єзокерамічних елементів, причому для прямої дії на гірську породу електризується турбулентний потік, а для реверсної дії - кавітаційний;

Вперше проведено дослідження кавітаційних процесів за допомогою методу скінченних елементів в модулі COSMOS FloWorks оболонки SolidWorks і встановлено кінематичні характеристики потоку рідини в критичному каналі;

Похибки між аналітичними розрахунками і даними, які отримані в результаті моделювання в модулі FloWorks складають: для швидкості в критичному перерізі - 10%;

Визначено, що найбільш прийнятне значення частоти кавітаціїї 37 МГц досягнуто при параметрі кавітації 0,45 , радіусу криточного перерізу- 0,0035 м, кут розкриття дифузору - 15 град. Тобто чим більша частота коливань кавітації тим краща робота кавітатора з п'єзопідсилювачем;

Участь у кафедральній конференції «Проблема вдосконалення машин та обладнання геотехнічних виробництв. Наукові дослідження студентів». Доповідь на тему: «Обґрунтування параметрів кавітатора з п'єзопідсилювачем для руйнування гірського масиву» 10.06.2014;

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Патент № 99498 України, МПК Е21В 28/00. Імпульсний мультиплікатор тиску/ В.М. Сліденко, Л.К. Лістовщик, В.С.Лесик, В.В. Кононенко, Є.О. Лафа, П.С. Єрошова, Національний технічний університет україни "Київський політехнічний інститут" (Україна) - Заявл. 10.12.2014; публ 10.06.2015, Бюл № 11.



АНОТАЦІЯ

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю 8.05070205 - Електромеханічні системи геотехнічних виробництв. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут". - Київ, 2015

Загальний обсяг пояснювальної записки до даного дипломного проекту 104 сторінки. В пояснювальній записці присутні 45 рисунків та 14 таблиць.

Перелік ключових слів: кавітатор, реверсивний кавітатор, п'єзопідсилювач, п'єзокристали, частота, труба вентурі.

Головна особливість реверсивного кавітатора полягає у створенні кавітаційного процессу в обидві сторони та встановлено пєзокристали завдяки яким утворюється електричне поле на гранях деяких кристалів при їхній деформації, що сприяє зменшенню випадання асфальто-смолисто-парафінових відкладнень.



АННОТАЦИЯ

Диссертация на соискание ученой степени магистра по специальности 8.05070205 - Электромеханические системы геотехнических производств. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт". - Киев, 2015

Общий объем пояснительной записки к данного дипломного проекта 104 страницы. В пояснительной записке присутствуют 45 рисунков и 14 таблиц.

Перечень ключевых слов: кавитатор, реверсивный кавитатор, пьезоусилитель, пьезокристаллы, частота, труба Вентури.

Главная особенность реверсивного кавитатора заключается в создании кавитационного процесса в обе стороны и установлено пезокристалы благодаря которым образуется электрическое поле на гранях некоторых кристаллов при их деформации, что способствует уменьшению выпадения асфальто-смолисто-парафиновых отложений.



ABSTRACT

Thesis for the degree of Master of Science 8.05070205 - Electromechanical systems geotechnical industries. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute". - Kiev, 2015

The total volume of the explanatory note to this diploma project 104 pages. The explanatory note contains 45 figures and 14 tables.

List of key words: cavitator, reversing cavitator, a Piezo Amplifier, piezoelectric crystal, frequency, Venturi tube.

The main feature of reverse cavitator is to create a cavitation process on both sides and set piezoelectric crystal through which an electric field is formed on the faces of certain crystals during deformation that reduces the loss of asphalt-resin-paraffin deposits.

Размещено на Allbest.ru

...