Энергоэффективная система обогрева с управлением по двум параметрам перекачиваемого продукта

Практическое применение: Результаты исследования могут быть внедрены при проектировании системы электрообогрева трубопроводов. Предлагаемая система управления, позволяет уменьшить потребление электроэнергии за счет эффективного использования тепловой энергии перекачиваемого продукта и снизить протяженность нагревательных кабелей.

Несмотря на мощный импульс, заданный в последние годы правительством Российской Федерации в области энергосбережения, до сих пор недостаточно проработаны вопросы, связанные с увеличением энергоэффективности систем электрического обогрева (СЭО) трубопроводов, особенно магистральных линий [1].

Задача СЭО трубопроводов заключается в поддержании технологической температуры жидкости и компенсации тепловых потерь в теплоизоляции. В отдельных случаях подобные систему используют для разогрева трубопроводов с целью повышения температуры перекачиваемого продукта. Оба варианта применяются как для трубопроводов в режиме останова, так и для трубопроводов с постоянной скоростью потока продукта.

Несмотря на то, что СЭО прочно заняли свое место в российской промышленности, вопросы проектирования этих систем, в том числе расчет тепловых потерь обогреваемого объекта, практически не освещен в нормативных документах, действующих на территории РФ [2]. Так из 100% затрачиваемой электроэнергии СЭО, лишь 40% приходятся на сохранение в перекачиваемой жидкости постоянного уровня вязкости, требуемого современными технологиями для транспорта нефтепродуктов.

Целью данной работы является:

• 1.    Обоснование целесообразности ступенчатого электрообогрева трубопроводов в соответствии с распределением тепловых потерь в системе;

• 2.    Инновационный подход к проектированию систем электрообогрева, с учетом градиента тепловых потерь в трубопроводе, показателей теплоёмкости жидкости и ее массового расхода.

Рассмотрим систему электрического обогрева, в которой компенсация теплопотерь происходит ступенчатым образом, а управление зональным по алгоритмизированному каналу. При таком подходе к проектированию СЭО, компенсируются только часть тепловых потерь, необходимых для поддержания требуемой вязкости в продукте. Главным условием при применении такой системы – является наличие давления и скорости потока жидкости в трубопроводе.

При перекачивании жидкости по трубопроводу происходит потеря тепловой энергии через теплоизоляцию. Как показано на рис. 1, температура жидкости по мере своего движения постепенно снижается, увеличивая вязкость выше нормативных значений, требуемых при транспортировке жидкости.

Рис. 1. График изменения температуры жидкости в трубопроводе ( уст – место установки (длина размещения) нагревательной секции на участке трубопровода, м; кр – критическая длина необогреваемого участка трубопровода, м; нагр – длина нагревательного устройства, м; уст – температура жидкости в трубопроводе, где необходимо установить нагревательную секцию, °С. tнач – температура жидкости в начале трубопровода, °С; tкон – температура -             t 'или жидкости в конце трубопровода, °С; нач – температура жидкости на выходе с нагревательной секции, °С; кр – минимально допустимая температура жидкости, °С).

Начальным критерием для производства расчетов, предлагается определить длину участка трубопровода, на котором снижение температуры выходит за пределы минимально допустимой нормативной вязкости в жидкости. Далее определяются тепловые потери оставшегося участка трубопровода, для определения необходимой мощности нагревательной секции, и рационального выбора схемы расстановки, относительно различных характеристик трубопроводных линий. Формируется первичная модель размещения оборудования участвующего в СЭО, с учетом данных сети и топологии трубопроводов. Метод определения градиента тепловых потерь в трубопроводе, относительно его длины, основан на выводе значения конечных температур от показателей теплоёмкости жидкости и ее массового расхода. Получив требуемые температурные характеристики жидкости с ее массовым расходом, и рассматривая ее как самостоятельный теплоноситель, можно выразить критическую длину не обогреваемого участка трубопровода. Размещение нагревательной секции предусматривается до достижения критической длины не обогреваемого участка, а ее характеристик должно быть достаточно, чтобы на участке трубопровода жидкость успела нагреться до температуры близкой к начальной.

Рис. 2. Рисунок трубопровода, с установленным на ней нагревательным устройством (НУ).

Скорость υ потока жидкости, находится классическим образом через связь геометрических размеров трубопроводов и объемного расхода жидкости, который в свою очередь вычисляется через массовый рас- ход и ее значение плотности.

Определенное место размещения нагревательной секции считается удовлетворительным, если выполняется неравенство LyCT < LKp (1).

Выбранное место установки считается оконча- тельным, если выполняется проверочное условие:

+ L ' кр > L ⁽²⁾ .

Lуст

Если условие (2) не выполняется, необходимо увеличить количество НУ или его характеристики, пока не выполнится условие:

n

^ ( L ycm

0             i

+ L kp  ) >  L . (3).

i +1

Таким образом, при выполнении вышеперечисленных условий температура в трубопроводе поддер- живается на минимально допустимом уровне нормативной вязкости перекачиваемой жидкости.

При проектировании СЭО следует учесть, что при малых скоростях потока продукта для поддержания технологически требуемых параметров теплопередачи, нагревательные устройства (НУ) необходимо комплектовать регуляторами температуры.

Задаваясь различными значениями температуры жидкости с ее массовым расходом относительно ха- рактеристик трубопроводов, в итоге получим систему уравнений градиентного распространения в них теп-лопотерь. Для точного управления таким динамическим процессом, равно как и применение этой системы для большего числа трубопроводов в промышленности, необходима адаптируемая система управления с гибким алгоритмом и регулятором.

Процесс проектирования регулятора в системе управления, может проходить различными способами. Это могут быть эмпирические методы, основанные на измерениях, выполненных на реальном объекте. В таком случае объект должен иметь достаточно простую модель, в виде апериодического звена с запаздыванием, допускающего аппроксимацию. Кроме эмпирических способов проектирования регуляторов, их характеристики могут быть найдены на основе аналитических или графо – аналитических методов.

Рассмотрим математическую модель нагрева участка трубопровода, содержащего НУ.

Результаты моделирования приведены на рис. 3.

Рис. 3. Поле температуры в месте установки НУ.

Исследование картины поля показало – вследствие интенсивного нагрева жидкости в месте установки НУ, входное значение температуры увеличивается, достигнув определенного расчетного значения. При этом важно отметить конструкцию НУ и его эффективную площадь теплоотдачи. Систему управления следует рассматривать, в первую очередь, как эффективный регулятор экономии электроэнергии, во вторую, как адаптируемый алгоритмизированный канал управления процессами.

Эффективность данного подхода к проектированию СЭО и компенсации теплопотерь в трубопроводах, по сравнению классическими методиками, в среднем 1,57 раза выше см. рис 4.

Анализируя результаты можно говорить о превосходстве предложенного метода по расчетным параметрам (Q, P, L), по сравнению с классическим. Это достигается за счет более эффективного использования тепловой энергии, методов регулирования температу- ры нагревательных устройств и уменьшение количества применяемых материалов на 1 км длины трубопровода.

Рис. 4. График сравнения поверхностей методов проектирования систем электрообогрева (А.е.): а) Классическая схема, апробированная представленной методикой (слева); б) система электрообогрева с управлением по двум параметрам перекачиваемого продукта (справа).

Применение такой системы в проектировании, позволит высвободить ранее затрачиваемые мощности и увеличить ресурсоэффективность СЭО, приблизив эти системы к более высокому классу эффективности.