Повышение эффективности устройств СВЧ нагрева промысловых комплексов сепарации водонефтяных эмульсий

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

Повышение эффективности устройств СВЧ нагрева промысловых комплексов сепарации водонефтяных эмульсий

Специальности - 05.12.07 - «Антенны устройства СВЧ и их технологии»

05.17.08 - «Процессы и аппараты химических технологий»

кандидата технических наук

Шакиров Альберт Султанович

Казань 2007

Работа выполнена в Казанском Государственном техническом университете им. А.Н. Туполева.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Седельников Юрий Евгеньевич

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Морозов Геннадий Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Классен Виктор Иванович

доктор технических наук, профессор Фафурин Андрей Викторович

Ведущая огранизация: Татарский Научно-исследовательский и проектный институт нефти «ТатНИПИнефть» г. Бугульма

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д. 212.079.04 при Казанском Государственном техническом университете им. А.Н. Туполева 14 мая 2007 г. в часов по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса 31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанском Государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью организации, просим высылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10

Автореферат разослан «___» апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

Кандидат технических наук, доцент В.А. Козлов

Общая характеристика работы

сепарация электрофизический водонефтяной эмульсия

Актуальность. Нефть со скважин всегда добывается в сыром виде. При этом нефть, содержащая воду, растворенный газ, минеральные соли, механические примеси, служит основным сырьем для производства жидких энергоносителей, смазочных масел, битумов и кокса. Наличие влаги, даже в малых количествах, приводит к снижению качества, как самой нефти, так и продуктов ее переработки. Поэтому снижение массовой доли воды в составе сырой нефти является основным процессом подготовки нефти.

При добыче сырой нефти, как правило, образуются водонефтяные эмульсии, которые представляют собой дисперсные системы с большой удельной межфазной поверхностью. Эмульсии, как правило, образуются при добыче, транспортировании и переработке нефти. Некоторые из этих эмульсий являются неустойчивыми и самопроизвольно расслаиваются. Другие эмульсии являются довольно устойчивыми. Одной из главных причин устойчивости нефтяных эмульсий является образование на поверхности капель защитных слоев из содержащихся в нефти природных стабилизаторов. Эти слои, обладающие повышенной вязкостью и прочностью, препятствуют слиянию соприкасающихся капель эмульгированной воды.

Если нестойкие водонефтяные эмульсии расслаиваются довольно быстро, притом, без значительных энергозатрат, то стойкие эмульсии расслаиваются долго, требуют существенных капиталовложений в различное промысловое оборудование, предназначенное для обезвоживания. Это оборудование является, в ряде случаев, чрезвычайно громоздким и энергоемким, при этом существующее промысловое оборудование не всегда способно разрушить эмульсии. Известны эмульсии, не расслаивающиеся на составляющие в течение года и больше.

Одним из возможных способом ускорения процесса разрушения эмульсий является СВЧ обработка. В России и в мире, в последнее время, были осуществлены серии лабораторных исследований влияния СВЧ излучения на разделение водонефтяных эмульсий (ВНЭ). Из этих экспериментов следует, что эффект воздействия СВЧ энергии в присутствии деэмульгатора, или в его отсутствии, является нетепловым, хотя начальная температура смеси заметно влияет на скорость разделения эмульсии.

Тот факт, что СВЧ излучение позволяет существенно ускорить разделение эмульсий даже в отсутствие химических реагентов, позволил создать микроволновые датчики обводненности сырой нефти. Использование микроволнового воздействия на ВНЭ для ускорения и более глубокого разрушения эмульсий пока не нашло применения в промышленных масштабах. К числу основных причин можно отнести недостаточную изученность влияния СВЧ излучения на эмульсии в условиях промысловой эксплуатации, значительный расход электрической энергии и недостаточный уровень разработки методов построения и опыта эксплуатации промысловых микроволновых комплексов сепарации.

Цель работы состоит в сокращении времени обработки и снижении энергозатрат промысловых микроволновых комплексов, осуществляющих разрушение водонефтяных эмульсий с последующей сепарацией.

Основная задача научных исследований состоит в разработке методов построения СВЧ устройств являющихся составной частью промысловых микроволновых установок обезвоживания нефти.

Указанная задача включает в себя ряд более частных:

1. Определение факторов, влияющих на процесс разрушения с последующей сепарацией, определение параметров СВЧ воздействий позволяющих осуществить сепарацию с наименьшими энергозатратами;

2. Разработка путей создания и методов построения рабочих камер СВЧ-нагрева ВНЭ, которые позволяют осуществить формирование температурных полей с требуемой степенью равномерности;

3. Разработка методов снижения потерь на отражение, обусловленных разбросом электрофизических параметров ВНЭ, характерных для промысловых условий;

4. Выработка технических предложений и рекомендаций по построению СВЧ-устройств функционирующих в составе промысловых комплексов сепарации водонефтяной эмульсий

Методы исследования, достоверность и обоснованность. При выполнении данной работы использовались метод конечных элементов, элементы теории вероятности и математической статистики, теория планирования эксперимента, оптимизация методами Монте-Карло.

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук; корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов, результатами опытной эксплуатации созданных устройств.

При решении задач использованы современные программные средства, в том числе стандартные пакеты прикладных программ MATLAB 6.5 (R13) и FEMlab Multiphysics v.3.1.

Научная новизна полученных результатов состоит в:

· Определении режимов СВЧ воздействия на ВНЭ при их сепарации в условиях промысловой эксплуатации микроволновых комплексов.

· Полученных оценках и рекомендациях по проектированию рабочих камер СВЧ устройств функционирующих в составе промысловых комплексов сепарации ВНЭ, включая их параметры и параметры устройств возбуждения.

· Разработке метода согласования рабочих камер при наличии значительных разбросов электрофизических параметров ВНЭ, нагреваемых в рабочих камерах микроволновых комплексов.

· Рекомендациях по построению отдельных узлов экспериментального комплекса микроволнового обезвоживания водонефтяных эмульсий;

· Результатах экспериментального исследования процессов СВЧ-нагрева и сепарации ВНЭ в условиях опытной эксплуатации промыслового микроволновых комплексов обезвоживания нефти.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования ее результатов при создании эффективных промысловых комплексов СВЧ сепарации ВНЭ. Использование указанных комплексов позволит сократить время подготовки нефти к дальнейшей переработке и снизить энергозатраты. Результаты диссертации могут быть использованы при проектировании и конструктивной разработке СВЧ элементов и узлов указанных комплексов.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использовались при выполнении научно-исследовательских работ по программе Минвуза РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники (2003-2004 г.г.)», хоздоговорных НИР и внедрены в НГДУ «Лениногорскнефть» в виде данных экспериментальных исследований, методик проектирования и рекомендаций по выбору геометрии устройства ввода СВЧ энергии, а также в учебном процессе КГТУ им. А.Н.Туполева.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. КрыМиКо'2003», Севастополь, Крым, Украина, 2004 г., НПК «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества», Сочи, 2004 г., Международной молодежной НК ХII-XIV «Туполевские чтения», Казань, 2004-2006 г.г., III-V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», 2004-2006 г.г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 13 научных работ, в том числе 1 статья в журнале из перечня журналов рекомендованных ВАК, 7 тезисов докладов и 5 публикаций в материалах конференций.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 103 наименования, и 3 приложений. Работа без приложений изложена на 130 страницах машинописного текста, включая 73 рисунка и 24 таблиц.

Основные положения, выносимые на защиту:

· Характеристики режима СВЧ-обработки, осуществляемой с целью сепарации ВНЭ, сформулированные в категориях неоднородного СВЧ-нагрева, определенные на основе теоретических исследований и результатов натурных экспериментов.

· Методика анализа параметров рабочих камер СВЧ устройств функционирующих в составе промысловых комплексов сепарации ВНЭ, основанная на моделировании СВЧ-нагрева, включая выработку количественных критериев оптимальности в условиях случайного изменения свойств ВНЭ.

· Результаты моделирования процессов СВЧ-нагрева ВНЭ, позволившие выработать рекомендации по выбору размеров рабочих камер исходя из критерия допустимой неравномерности температурного поля.

· Методика согласования устройств возбуждения ЭМП в рабочих камерах промысловых комплексов сепарации ВНЭ в условиях наличия значительного разброса электрофизических параметров ВНЭ.

· Рекомендации по построению элементов и узлов СВЧ-устройств функционирующих в составе промысловых комплексов сепарации ВНЭ

Содержание работы

В введении дана общая характеристика диссертационной работы: актуальность, цель, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, методы исследований, достоверность, реализация и внедрение полученных результатов, апробация и публикации, основные защищаемые положения. Приведены структура и краткое содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены методы снижения массовой доли воды в составе нефти, описаны традиционные и новые методы разделения ВНЭ. Используемые на практике технологические схемы подготовки нефти являются комбинациями химических, физико-химических и физико-механических методов. Одним из новых перспективных методов разрушения эмульсий является СВЧ обезвоживание. В 1986 году Вулф (Wolf N.O.) запатентовал способ обезвоживания ВНЭ при воздействии на них СВЧ излучением. В последующих работах, установлено что, помимо теплового воздействия имеют место иные, нетепловые эффекты.

Характеристики микроволновых технологических комплексов (МВТК) во многом зависят от свойств рабочих камер. В зависимости от сформированного распределения ЭМП, качество обработки и доля материала обработанного с требуемым качеством определяются как Низкоинтенсивные СВЧ-технологии. Методы и реализации. Под ред. Г.А.Морозова и Ю.Е.Седельникова. М.: Радиотехника, 2003 -112с:

(1) (2)

где W - удельная поглощенная мощность, Q(W) - зависимость качества обработки от удельной поглощенной мощности, M(W) - мера для множества точек обрабатываемого объема V_обр, для которых значение удельной поглощенной мощности соответствует интервалу [W, W+ДW]. Эти соотношения могут служить основой для выбора наиболее экономичных режимов обработки при фиксированном ее качестве¹.

Хотя современные программные средства позволяют, с приемлемой точностью, осуществить расчет распределения ЭМП по рабочим камерам МВТУ, непосредственное использование соотношений (1)-(2) не представляется возможным вследствие неизбежного значительного разброса электрофизических параметров ВНЭ и отсутствию детальных сведений о механизме влияния высокоинтенсивного ЭМП СВЧ диапазона на процесс расслоения ВНЭ. Это приводит к необходимости переформулировать оценки (1)-(2), выразив категории качества обработки через параметры теплового поля, создаваемого при СВЧ воздействии и, соответственно связав качество сепарации со значениями температуры и продолжительности нагрева. Это обстоятельство требует решения, по крайней мере, двух задач: определения Q(T), в частности определения допустимых температурных пределов (T_min, T_max). Также необходимо определить условия, при которых в рабочей камере при СВЧ-нагреве обеспечивается допустимая неравномерность поля температур.

Кроме того, при создании установок СВЧ нагрева ВНЭ, для промысловых комплексов, серьезные трудности представляет согласование СВЧ генератора с нагрузкой, также достаточно важное для обеспечения низкого уровня энергозатрат. Обеспечение согласования (КСВ не более 1.2…1.3) традиционными средствами не достижимо ввиду наличия значительного разброса электрофизических параметров, имеющего случайный характер.

Таким образом, построению промысловых комплексов сепарации ВНЭ с использованием СВЧ воздействий должен предшествовать этап предпроектной проработки. В главе 1 сформулированы основные задачи диссертационных исследований.

Вторая глава посвящена анализу влияния параметров температурного поля на расслоение водонефтяных эмульсий, эффективность которого обычно оценивают по скорости оседания одиночной капли дисперсной фазы. Рассмотрен вопрос о допустимых границах неравномерности, и способах обеспечения требуемой равномерности.

Эффект воздействия высокоинтенсивного электромагнитного поля, в первом приближении можно разделить на две составляющие: собственно нагрев, что приводит к увеличению скорости осаждения; и увеличение вероятности сближения капель и слияния их в более крупные капли с последующим оседанием. Слияние двух или более капель в одну, при наличии мощного ЭМП, существенно влияет на эффективность сепарации. Однако механизм данного процесса, на настоящий момент, а следовательно, и зависимость эффективности сепарации от уровня ЭМП СВЧ диапазона, в полной мере не изучены. Это вынуждает ограничиться рассмотрением зависимости эффективности сепарации от температуры (Q(T)).

В главе 2 проведен анализ процесса сепарации с целью определения верхней и нижней границ неоднородного температурного поля, при которых обеспечивается эффективная сепарация ВНЭ. За основу взят процесс осаждения одиночной капли воды, находящейся в нефти.

При движении частицы в потоке на неё воздействует целый ряд внешних сил (сила тяжести, Архимедова сила, сила гидравлического сопротивления и ряд других). Все эти силы могут быть учтены путем использования эмпирических формул, описывающих скорость осаждения одиночной капли.

На основе данных эксперимента, все капли движущихся в сплошной фазе условно делят на три группы: мелкие - Re_c(критическое число Рейнольдса, при обтекании капли дисперсной фазы бесконечной сплошной фазой)<<1; средние, сферические 1<Re_c<Re_кр (критическое число Рейнольдса), V_?~d^0.5ч1; крупные Re_c> Re_кр, V_?=const. В главе 2 определено время ограниченного осаждения, в зависимости от температуры, для случая, когда эмульсия полностью заполняет контрольный резервуар высотой 300 мм и при объемной доле воды, в составе эмульсии, равной 30 %.

Для капель дисперсной фазы малого радиуса время расслоения является неприемлемо большим. Очевидно что, чем больше объемной доли дисперсной фазы сосредоточено в каплях малого радиуса, тем труднее осуществить разделение эмульсии. При нагреве ВНЭ традиционным способом защитные пленки, на поверхности капель, теряют свою прочность, и разрушаются при температурах выше 45 °С. Это приводит к существенному ускорению скорости осаждения. Если не обеспечить нагрев выше этой температуры эффект разделения может оказаться несущественным. Перегрев также неприемлем, поскольку это может привести к закипанию светлых фракций ВНЭ и воды, что не только снижает качество конечного продукта, но и ведет к росту энергозатрат, в частности в связи с необходимостью удаления паров. Кроме того, при неравномерном нагреве может возникнуть дополнительное перемешивание эмульсии, что увеличивает время расслоения. В главе 2 приводится оценка допустимой неравномерности температурного поля, соответствующая его отсутствию.

В главе 2 также приводятся сопоставление полученных оценок с лабораторными данными, полученными в стационарном случае, также эти оценки сравнивались с результатами опытной эксплуатации опытного промыслового комплекса микроволновой сепарации, описанного в главе 4. Результатом такого сравнения стало выявление допустимой неравномерности поля температур, формируемого за счет высокоинтенсивного поля СВЧ диапазона. В стационарном случае, наиболее целесообразные значения температуры находятся в пределах ?(35-60) °С. Также эти температурные пределы определяют допустимый уровень неравномерности в случае стационарного режима СВЧ обработки (без обновления). При СВЧ обработке ВНЭ в потоке, температуру нагрева целесообразно выбирать в пределах ?(26-42) °С. Также установлено, что в конкретный момент времени, допустимое отклонение температуры нагрева от средней температуры равно ±3 °С.

Таким образом, в результате анализа, проведенного в главе 2, получены оценки верхней и нижней границ температуры СВЧ нагрева ВНЭ, при которых происходит эффективная сепарация. Указанные границы, при обработке в потоке, равны ?(26-42) °С. Допустимое отклонение температуры нагрева от средней температуры равно ±3 °С. Осуществление СВЧ нагрева с соблюдением этих границ позволяет осуществить обработку с приемлемым качеством и при минимальных энергозатрат.

В главе также осуществлено моделирование процесса нагрева в условиях типовых рабочих камер промысловых комплексов. В этих условиях осуществить равномерный нагрев невозможно. Поэтому первостепенное значение приобретает обеспечение условий, при которых обеспечивается допустимая неравномерность поля температур нагреваемого материала. В силу малой теплопроводности, а также необходимости постоянного обновления обрабатываемого материала любые процессы подготовки нефти, в том числе обезвоживание, осуществляют в потоке. С учетом этого, выбор параметров рабочих камер, а также устройств возбуждения должен осуществляться с учетом времени нахождения в нагреваемой области, размеры которой зависят от глубины проникновения поля в обрабатываемый материал.

В главе 2 рассмотрены возможности осуществления анализа СВЧ сепарации, в полной постановке требующего совместного решения системы уравнений гидродинамики для жидкой смеси, уравнения переноса тепла, а также уравнений Максвелла, с соответствующими граничными и начальными условиями. Приведены решения для модельной одномерной ситуации, когда направление падения волны и направление потока жидкости по рассматриваемому объему, параллельны друг к другу. В этом случае задача СВЧ нагрева сводится к задаче нагрева материала при падении плоской волны на границу раздела двух сред. Приведены результаты решения в пренебрежении теплопроводностью ВНЭ и более строгого решения. Результаты проведенных расчетов позволили получить численные оценки зависимости требуемых удельных энергозатрат от содержания воды в составе эмульсии. Указанная величина при расчетах оказалась в пределах 1,2-3,2 [кВт/град].

Результаты моделирования СВЧ нагрева ВНЭ позволили установить весьма важный факт: температура движущегося материала достигает своего максимального значения не сразу на границе раздела двух сред, а на расстоянии равном глубине проникновения электромагнитного поля в диэлектрик. Важным практическим следствием этого факта является вывод о целесообразности использования рабочих камер небольшой длины, порядка глубины проникновения электромагнитного поля в обрабатываемый материал.

Для решения задачи о формировании требуемого температурного поля, помимо определения этого температурного поля, необходимо решить две взаимосвязанные задачи. Первая - выбор такой формы рабочей камеры, при которой, во всем рассматриваемом объеме будут отсутствовать области со стационарным состоянием и перемешиванием жидкой смеси, при требуемом расходе. Вторая сводиться к обеспечению такого распределения ЭМП, при котором обеспечивается требуемое распределение температуры. Например, для обеспечения равномерного температурного поля, в трубопроводе круглого поперечного сечения по которой в ламинарном режиме протекает однородная жидкость, необходимо обеспечить распределение ЭМП пропорционального (А - радиус трубопровода).

Третья глава посвящена вопросам формирования электромагнитных полей в рабочих камерах, а также согласованию устройств возбуждения с генераторами.

Проведен анализ пространственных распределений интенсивности электромагнитных полей для типовых конфигураций и геометрических размеров рабочих камер. Указанные расчеты проведены на основе использования метода конечных элементов (МКЭ).

Осуществление обработки ВНЭ с помощью одного источника с одним мощным генератором по своей технической реализации является самым простым. Главным недостатком данной схемы является сложность обеспечения формирования требуемого распределения ЭМП. В результате проведенных расчетов показано, что для типовой конфигурации рабочей камеры и устройства возбуждения обеспечение требуемой равномерности нагрева оказывается возможным только при определенных значениях средней скорости потока, что ограничивает возможности микроволнового комплекса обезвоживания нефти.

Повышение эффективности СВЧ-нагрева возможно при использовании многоэлементного возбуждения, достоинством которого является расширение возможностей формирования требуемых пространственных распределений ЭМП. Использование многоэлементного возбуждения рабочей камеры установки, особенно при некогерентных источниках имеет ещё одно важное преимущество, заключающееся в большей надежности функционирования всей системы СВЧ-нагрева. Методам многоэлементного возбуждения электромагнитных полей требуемой конфигурации посвящен ряд исследований. В главе 4 рассмотрены некоторые недостаточно изученные аспекты многоэлементного возбуждения, связанные с учетом эффектов взаимной связи возбуждающих элементов.

Рассмотрены эффекты влияния взаимной связи на результат формирования требуемых электромагнитных полей. Показано, что в условиях типовых рабочих камер учет взаимной связи необходим, а пренебрежение ею ведет не только к отличию пространственной структуры формируемых полей, но резкому увеличению коэффициента отражения в трактах возбудителей.

В главе 3 рассмотрены способы учета взаимной связи между излучателями многополюсника. Для практического использования предложен теоретико-экспериментальный метод, включающий измерение матриц рассеяния для каждой из пар излучателей; преобразование в матрицы полных нормированных сопротивлений для всех четырехполюсников ([Z_ik] и пересчет полученных значений в искомую матрицу рассеяния многополюсника [S]). Согласно предложенной методике осуществлена серия экспериментов по определению матрицы рассеяния системы состоящей из восьми возбудителей, что соответствовало многоэлементному некогерентному возбуждению рабочей камеры с помощью восьми возбудителей. Результатом определения стало выявление существенного изменения коэффициента отражения при наличии дополнительных излучателей. На основании полученных данных в главе 3 показана принципиальная возможность снижения мощности отраженных волн в трактах излучателей за счет выбора рационального положения их в рабочей камере.

Наличие значительного уровня взаимной связи излучателей в рабочих камерах типовых форм и размеров открывает возможность улучшения равномерности формируемого электромагнитного поля за счет использования дополнительных пассивных излучателей. В главе 3 приведены данные, демонстрирующие эту возможность.

При построении установок СВЧ-нагрева необходимо обеспечить согласование рабочих камер с генераторами, в условиях наличия значительного разброса электрофизических параметров материала

Как показывают данные расчетов, обеспечение приемлемого согласования возможно при использовании рабочих камер значительной длины (т.е. неэффективных с точки зрения нагрева). В типичных промысловых установках используются рабочие камеры круглого поперечного сечения (соответственно трубопроводы стандартного размера). При расположении волноводного излучателя(-ей) на боковых стенках такого трубопровода, длина рабочей камеры, как правило, не будет превышать значения в 1 метр. Использование их может привести к существенному увеличению КСВ в тракте ввода СВЧ энергии.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одним из путей снижения КСВ состоит в использование ввода СВЧ энергии в рабочую камеру, через боковой фланец трубопровода. Этот подход позволяющий, при реализации СВЧ нагрева с помощью одного мощного источника, увеличить эффективную длину рабочей камеры, был использован при создании рабочей камеры промыслового комплекса микроволновой обработки описанного в главе 4.

Для рабочей камеры указанного комплекса в главе 3 осуществлен электродинамический расчет распределения ЭМП по рассматриваемому объему. По результатам расчета определена зависимость КСВ в тракте ввода СВЧ энергии в рабочую камеру в диапазоне возможного изменения значений электрофизических параметров ВНЭ. (Рисунок 1). В среднем согласно расчетам значение КСВ оказалось равным 2.8 (Рисунок 2) при длине камеры 8 метр. Неприемлемость значений КСВ нагрузок для мощных магнетронных генераторов требует изыскания способов согласования в условиях наличия значительного разброса параметров ВНЭ, имеющих случайный характер.

Для решения задач согласования предложено использовать согласующие переходы на основе отрезков линий передачи, частично заполненных материалом со свойствами, идентичными обрабатываемому материалу (рисунок 3). При этом изменение импеданса нагрузки будет сопровождаться связанным с ним изменением параметров неоднородной линии передачи. В качестве критерия рассогласования в работе предложено использовать вероятности превышения случайным значением КСВ некоторого допустимого значения КСВ_ДОП.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработана методика расчета параметров перехода, отвечающих условию малой вероятности рассогласования. Для этого использовано представление профиля перехода в виде конечномерного разложения по базисным функциям y_n(x,z):

(3)

Задача оптимизации согласующего перехода сформулирована как определение параметров , при которых вероятность рассогласования минимальна.

В задачах СВЧ - нагрева ВНЭ к технологически целесообразным относятся рабочие камеры с прямоугольной формой поперечного сечения. Энергия электромагнитной волны СВЧ подводится при помощи прямоугольного волновода через согласующий переход. Указанный переход представляет собой отрезок волновода, частично заполненный материалом с электрофизическими параметрами тождественными обрабатываемому материалу в рабочей камере. Достаточно удобным является изменение границы заполнения вдоль узкой стенки волновода. Поскольку форма перехода не зависит от координаты x:

где (4)

z_n - координата n-ой ступеньки перехода. При этом:

(5)

Н - размер узкой стенки волновода.

Предложена процедура синтеза согласующего перехода состоящая в следующем. Выбирается начальная длина согласующего перехода и рабочей камеры (при расчетах использовано значение 1 м.) Начальная форма согласующего перехода выбирается случайным образом и для нее производится расчет распределения электромагнитного поля для каждого из возможных значений электродинамических параметров материала (ВНЭ).

Согласно этому подходу осуществлены расчеты согласующего перехода в одномодовом приближении. Каждый из шагов процедуры расчета включал определение КСВ в тракте ввода СВЧ энергии и вероятности превышения заданного порогового значения КСВ для каждой из анализируемых конфигураций. Описанный процесс производится многократно соответственно изменениям форма согласующего перехода. Результаты расчета для одного из вариантов перехода, характеризуемого наименьшей вероятностью превышения порогового значения КСВ, приведена на рис. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проверка степени достоверности упрощенных расчетов осуществлена путем численного электродинамического расчета перехода с найденными ранее размерами с использованием МКЭ. Результаты расчета приведены на рис 5. В работе проводится сравнение результатов, полученных в одномодовом приближении с более строгими данными расчета с использованием МКЭ. Для сравнения взята рабочая камера минимальной длины (0.1 м). Результатом этого сравнения показали удовлетворительное совпадение более строгих данных с результатами оптимизации в одномодовом приближении, заключающегося в практически одинаковой вероятности превышения порогового значения КСВ, полученного как в одномодовом приближении, так и с использованием МКЭ. При осуществлении сравнения одномодового приближения и МКЭ, с использованием вероятностного критерия позволило сократить время счета с 24 часов (МКЭ) до 15 минут (для одномодового приближения). На этих основаниях предложено проводить расчеты перехода в одномодовом приближении, а окончательную проверку полученных данных, и их уточнение путем проведения расчетов на более строгой основе, например с использованием МКЭ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

С использованием описанных процедур проведен анализ влияния длины рабочей камеры на вероятность превышения допустимого значения КСВ. (Рисунок 6). Показано, что вероятность превышения порогового значения КСВ, хотя и снижается с увеличением длины рабочей камеры, но это снижение, при длине более 1м. оказывается несущественным. Более того, как следует из результатов проведенного моделирования рабочих камер различных размеров, даже при длине рабочей камеры равной 0.1м. вероятность превышения допустимого КСВ=1.5 при типовых разбросах электрофизических параметром ВНЭ (2<е<15, 0.001<у<1 Сим/метр) оказывается незначительной (?0,035). Это означает, что при использовании предложенного метода условие согласования не является существенным ограничивающим требованием, что открывает возможность использования в установках СВЧ-нагрева ВНЭ рабочих камер небольшой длины. Кроме того, использование описанных приемов позволяет за счет снижения потерь рассогласования на 23% требуемое значение мощности генератора (т. е с 10 кВт до 7.7 кВт.) без снижения качества обработки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования опытного образца промыслового микроволнового комплекса.

Промысловый микроволновый комплекс (ПМВК-400), предназначенный для нагрева и разделения водонефтяных эмульсий, разработан в Научно-исследовательском Центре Прикладной электродинамики КГТУ им. А.Н.Туполева. В состав комплекса помимо СВЧ-генератора мощностью 50 кВт, выполненного на базе магнетрона ГМ-50, источника питания и устройств защиты от перегрузки, входят следующие узлы: тракт ввода СВЧ энергии, цепь подачи ВНЭ и стабилизации скорости потока, система контроля параметров. В работе приводятся результаты отработки отдельных узлов СВЧ тракта, по результатам которых внесены изменения в конструкцию ПМВК_400 и осуществлены испытания усовершенствованного его варианта

ПМВК-400 работает следующим образом: с нефтяного выхода концевого делителя фаз, установленного на Горкинском участке комплексной подготовки нефти (ГУКПН), через пробоотборник отбирается средний слой, содержащий как отделенные воду и нефть, так и межфазный слой водонефтяной эмульсии. С помощью цепи подачи ВНЭ и стабилизации скорости потока эмульсия подается в камеру электродинамической обработки (КЭО). В КЭО осуществляется СВЧ нагрев, после чего обработанная эмульсия проходит мини КДФ (концевой делитель фаз) на конце которого происходит сброс отделенной воды и забор обезвоженной нефти.

Проведенные экспериментальные исследования были осуществлены с целью получения сведений о влиянии мощного СВЧ излучения на сепарационные характеристики созданного комплекса, а также оценки удельных энергозатрат. Во время проведения испытаний периодически отбирались пробы. Усредненные характеристики ПМВК-400 формировались по результатам обработки данных проб. На этой основе построена обобщенная таблица влияния высокоинтенсивного СВЧ излучения на снижение массовой доли воды (таблица 1) и таблица температурных режимов (таблица 2).

Таблица 1

Мощность [кВт]	Вода, %
	На входе	Низ КЭО	Вверх КЭО	Низ мини-КДФ	Вверх мини-КДФ
0	39	73	13	81	0.92
5	2.3	2.5	2.72	2.86	2.94
8	1.43	1.2	1.39	1.48	1.2
10	28.7	86.7	6.6	90.7	4.21
15	24	70.55	1.35	86.9	0.68
20	28	79	2.3	91.6	1.9

Таблица 2

Мощность [кВт]	На входе	(Средняя температура)/ (Максимальная температура), [°С]
		Вверх КЭО	Низ КЭО	На выходе Мини-КДФ
0	12	12/12	12/12	12/12
5	14	20/22.7	34/45	20/22
8	14	25/28	34.5/43	23.35/24
10	19	25.7/34	32.16/54	24.4/27
15	19	25.9/35.6	32.13/45	23.6/27
20	18	27.65/34	31.6/53	27/33

Для определения эффективности СВЧ нагрева по отношению к традиционно используемому нагреву с помощью водяного пара, осуществлен сравнительный эксперимент (нагрев ВНЭ с помощью пара и с помощью СВЧ излучения). Сравнение проведено для ВНЭ с содержанием воды 30%. Нагрев СВЧ проведен аппаратурой комплекса ПМВК-400. В работе приведены данные указанного эксперимента. Его основным результатом является то, что при традиционном нагреве, с помощью водяного пара, удельные энергозатраты составили УЗ_ППУ=10 [кВт/град], а при СВЧ нагреве - УЗ_СВЧ=1,50 [кВт/град].

Таким образом, можно считать установленным фактом, что СВЧ нагрев, осуществляемый при использовании СВЧ установки, в промысловых условиях, энергетически выгоднее нагрева паром, производимого при использовании типовых для нефтяной отрасли парогенераторов и теплообменников, в 6,6 раза. Кроме того, как это следует из данных экспериментальной обработки ПМВК_400, время нагрева оказывается существенно меньшим по сравнению с использованием существующих печей. При этом использование СВЧ энергии позволяет не только сократить время нагрева в канале мини КДФ, но и лучше сохранять температуру по всей его длине. Немаловажным обстоятельством, подтвержденным результатами испытаний ПМВК-400, является то, что использование СВЧ нагрева в типовом производственном цикле сепарации ВНЭ позволяет снизить массовую долю воды до допустимых значений за время более чем в 3 раза меньшее по сравнению с мини КДФ без дополнительной температурной обработки.

В приложениях к диссертации приведены данные математического моделирования рабочих камер и акты об использовании результатов работы

Основные результаты работы

Главным результатом диссертационной работы является решение важной научно-технической задачи - выработке методов и рекомендаций по построению СВЧ-устройств промысловых установок, осуществляющих разрушение ВНЭ.

Основные выводы по работе:

1. Для определения рациональных режимов обработки в условиях промысловых комплексов предложено использовать количественные зависимости качества сепарации от температуры ВНЭ, соответствующей СВЧ-нагреву. Экспериментальными данными установлено, что при СВЧ-нагреве, значение температуры ВНЭ должно находиться в пределах ?(26-42) °С. Допустимое отклонение температуры нагрева от средней температуры равно ±3 °С. Осуществление СВЧ нагрева с соблюдением этих границ позволяет осуществить обработку с приемлемым качеством при минимальных энергетических затратах.

2. Установлено, что при реализации СВЧ обработки ВНЭ в движущемся потоке, температура нагрева, в материале, достигает максимального значения на расстоянии равном глубине проникновения электромагнитного поля в диэлектрик. Это обстоятельства определяет целесообразность использования для СВЧ нагрева ВНЭ рабочих камер небольшой длины.

3. Показано, что в ситуациях, когда формирование требуемого распределения ЭМП играет решающую роль и в этих целях используется принцип многоэлементного возбуждения, при его осуществлении необходим учет взаимной связи излучателей. Предложен практический способ его осуществления, пригодный для СВЧ-камер произвольной конфигурации.

4. В условиях наличия значительных разбросов электрофизических параметров ВНЭ, неконтролируемых в условиях промысловых комплексов, предложен способ согласования генератора с нагрузкой, малочувствительный к указанный разбросам. Также предложен вероятностный критерий, позволяющий характеризовать степень рассогласования адекватно с точки зрения снижения энергозатрат. Разработана методика расчета согласующих устройств согласно предложенным способу и критерию эффективности осуществления согласования.

5. Предложенные меры использованы при доработке и испытаниях опытного промыслового комплекса сепарации ВНЭ ПМК-400. В результате испытаний установлено, что СВЧ нагрев оказывается выгоднее нагрева паром, производимого при использовании типовых для нефтяной отрасли парогенераторов и теплообменников, в 6,6 раза. Использование СВЧ нагрева в производственном цикле сепарации ВНЭ позволяет также снизить массовую долю воды до допустимых значений за время более чем в 3 раза меньшее по сравнению с мини КДФ без дополнительной температурной обработки.

Список работ, отражающих основное содержание диссертации

1. Седельников Ю.Е., Шакиров А.С. Учет взаимной связи при некогерентном возбуждении микроволновых установок // XIII-я Крымская конф. «Микроволновые и телекоммуникационные технологии»: Сб. статей. КРЫМиКо-2003. 730-731.

2. Шакиров А.С. Особенности оценок коэффициентов взаимной связи при многоэлементном СВЧ-нагреве // Всероссийская научно-техническая конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии»: Сочи_2004 Тезисы докладов.. 145-147.

3. Шакиров А.С. Определение поля излучателя находящегося в неоднородной диэлектрической среде // XII Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, Казань, 10-11 ноября 2004 года: Материалы конференций. Том IV 30_31.

4. Шакиров А.С. Согласование рабочих камер МВТУ с возбуждающей линией // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-леитю г. Казани, 10-11 ноября 2005 года: Материалы конференций. Том IV 96-97.

5. Шакиров А.С. Исследование влияния параметров обрабатываемого материала, на температуру в рабочей камере МВТУ // XIV Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, Казань, 10-11 ноября 2006 года: Материалы конференций. Том IV 106-107.

6. Шакиров А.С. Ограничения развязки излучателей при некогерентном многоэлементном возбуждении в МВТУ. // «Физика и технические приложения волновых процессов»: Тезисы докладов III Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы»/ Под ред. В.А. Неганова, Г.П. Ярового. Волгоград 6-12 сентября 2004 года 361-362.

7. Шакиров А.С. Моделирование СВЧ-нагрева неоднородной среды.// «Физика и технические приложения волновых процессов»: Тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы»/ Под ред. В.А. Неганова, Г.П. Ярового. - Нижний Новгород, 2005. - 243-244.

8. Анфиногентов В.И., Морозов Г.А., Кораблёв Е.Н., Шакиров А.С. Моделирование нагрева ВНЭ СВЧ полем. // «Физика и технические приложения волновых процессов»: Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы»/ Под ред. В.А. Неганова, Г.П. Ярового. - Самара, 2006. - 256-258.

9. Габдрахманов Р.А., Морозов Г.А,, Румянцев Д.С., Шакиров А.С., Хамидуллин М.С. Экспериментальное исследование обезвоженности нефти в промысловых условиях. // «Физика и технические приложения волновых процессов»: Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы»/ Под ред. В.А. Неганова, Г.П. Ярового. - Самара, 2006. - 259-260.

10. Шакиров А.С. Вероятностный критерий оптимальности согласующих переходов. // «Физика и технические приложения волновых процессов»: Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы»/ Под ред. В.А. Неганова, Г.П. Ярового. - Самара, 2006. - 260-263.

11. Морозов Г.А., Румянцев Д.С., Шакиров А.С. Особенности микроволновой сушки древесных материалов. // «Физика и технические приложения волновых процессов»: Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы»/ Под ред. В.А. Неганова, Г.П. Ярового. - Самара, 2006. - 263-265.

12. Морозов Г.А., Седельников Ю.Е., Шакиров А.С. Синтез согласующих переходов для МВТУ. // «Физика и технические приложения волновых процессов»: Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы»/ Под ред. В.А. Неганова, Г.П. Ярового. - Самара, 2006. - 265-266.

13. Морозов Г.А., Седельников Ю.Е., Шакиров А.С. Согласование нагрузок с переменным импедансом. // «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», Периодический и научно-практический журнал. Том 9 № 2, 2006 41-46.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ.л. 1,0. Усл.печ.л. 0,93. Усл.кр.-отт. 0,93. Уч.-изд.л. 1,0.

Тираж 100. Заказ К 66.

Типография Издательства Казанского Государственного Технического

Университета.

420111 г. Казань, К.Маркса 10

Размещено на Allbest.ru

...