Способ и устройство для определения толщины солеотложения

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для определения толщины солеотложения в оборудовании химических, нефтехимических предприятий, а также тепловых, геотермальных, атомных энергоустановок. Способ определения толщины солеотложения включает сравнение сигнала, прошедшего через раствор жидкости и стенку оборудования без солеотложения, с сигналом, прошедшим через раствор жидкости и стенку оборудования с солеотложением. Причем в качестве характеристики указанного сигнала определяют сопротивление цепи постоянному току до начала солеотложения, которое является сопротивлением раствора жидкости между корпусом датчика и стержнем электрода, и по измеренной величине общего сопротивления цепи вычисляют толщину солеотложения по формуле:

где R - общее сопротивление цепи, Ом; R_p - сопротивление цепи до начала солеотложения, Ом; ρ - удельное сопротивление отложений, Ом·м; S - площадь выступающей в растворе жидкости поверхности электрода, м²; k - коэффициент, показывающий, во сколько раз сопротивление цепи до начала солеотложения меньше сопротивления слоя жидкости между отложениями и изоляцией. Устройство для определения толщины солеотложения содержит корпус, электрод, изоляцию, а также измерительный блок, отличающееся тем, что электрод выступает в жидкости на 2-4 мм от изоляции датчика, а изоляция расположена на уровне внутренней поверхности трубопровода. Техническим результатом является повышение точности определения толщины отложений на внутренней поверхности оборудования, расширение области возможного применения его и оперативности технического исполнения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для определения толщины солеотложения в оборудовании химических, нефтехимических предприятий, а также тепловых, геотермальных, атомных энергоустановок.

Известны способы и устройства для определения толщины слоя отложений на внутренней поверхности трубопроводов с помощью ультразвукового оборудования. В частности, к такому способу можно отнести способ измерения толщины слоя отложений на внутренних стенках водопроводных труб [1]. Способ определения толщины отложений заключается в измерении интенсивности прошедших через трубу ультразвуковых колебаний и сравнение ее с интенсивностью ультразвуковых колебаний, прошедших через такую же трубу, заполненную такой же жидкостью, но не имеющую отложений, и по этому сравнению судят о толщине отложений в трубе и о внутреннем проходном сечении трубы.

К недостаткам таких способов можно отнести сложность аппаратурного исполнения, а также то, что данный способ не позволяет определять толщину солеотложения в больших емкостях (котлы, теплообменники и т.д.).

Известен способ определения солесодержания растворов по их электропроводности [2].

Однако только определением электропроводности раствора невозможно оценить толщину солеотложения.

Техническим решением предлагаемого изобретения является повышение точности определения толщины отложений на внутренней поверхности оборудования, расширение области возможного применения его и оперативности технического исполнения.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе для определения толщины солеотложения, включающем сравнение сигнала, прошедшего через раствор жидкости и стенку оборудования без солеотложения, с сигналом, прошедшим через раствор жидкости и стенку оборудования с солеотложением, в качестве характеристики указанного сигнала определяют сопротивление цепи постоянному току до начала солеотложения, которое является сопротивлением раствора жидкости между корпусом датчика и стержнем электрода, и по измеренной величине общего сопротивления цепи вычисляют толщину солеотложения по формуле:

где R - общее сопротивление цепи, Ом; R_p - сопротивление цепи до начала солеотложения, Ом; ρ - удельное сопротивление отложений, Ом·м; S - площадь выступающей в растворе жидкости поверхности электрода, м²; k - коэффициент, показывающий, во сколько раз сопротивление цепи до начала солеотложения меньше сопротивления слоя жидкости между отложениями и изоляцией; а в устройстве для определения толщины солеотложения, содержащем корпус, электрод, изоляцию, а также измерительный блок, электрод выступает в жидкости на 2-4 мм от изоляции датчика, а изоляция расположена на уровне внутренней поверхности трубопровода.

Сущность изобретения поясняется на чертежах: фиг.1 - устройство для определения толщины солеотложения, фиг.2 - экспериментальный график зависимости общего сопротивления цепи от толщины солеотложения на примере оборудования термальной скв. 4Т г.Кизляра и 27Т г.Махачкалы.

Устройство для реализации способа определения толщины солеотложения включает датчик солеотложения, состоящий из корпуса 1, внутри которого коаксиально расположен стержень 2, изолированный от корпуса 1 изоляцией 3. Корпус 1 снабжен наружной резьбой для установки в стенку 4 исследуемого оборудования. Стержень 2, используемый в качестве электрода, последовательно соединен с измерительным блоком 6 и корпусом 1 через раствор жидкости внутри исследуемого оборудования. Корпус 1 и стержень 2 изготовлены из нержавеющей стали, а изоляция 3 выполнена из фторопласта. Электрод выступает в жидкости на 2÷4 мм от изоляции 3, которая расположена на уровне внутренней поверхности трубопровода. Такое расположение элементов датчика снижает погрешности при определении толщины солеотложения, так как в данном случае нарушение гидродинамического режима движения жидкости вблизи внутренней поверхности трубы около электрода минимально [2].

Способ и устройство для определения толщины солеотложения реализуют следующим образом.

До начала солеотложения с помощью измерительного блока 6 измеряют сопротивление R_p цепи, которое фактически является сопротивлением раствора жидкости между корпусом 1 датчика и стержнем 2. После появления слоя отложения измерительный блок показывает общее сопротивление цепи R, куда входят сопротивление слоя отложения R_отл, сопротивление R_сл прослойки раствора жидкости между отложениями и изоляцией и сопротивление раствора жидкости R_p. Сопротивления R_отл и R_p включены между собой последовательно, а R_сл с ними параллельно. Исходя из экспериментальных данных [3] и оценочных расчетов вычисляем коэффициент k=R_сл/R_p, который составляет от 4 до 12 в зависимости от датчика солеотложения и плотности отложений. Толщину солеотложения определяем по следующей формуле

где ρ - удельное сопротивление отложений, Ом·м; S - площадь поверхности выступающей в растворе жидкости электрода, м². В формуле (1)

Результаты исследования зависимости электрического сопротивления датчика солеотложения от толщины отложений на его стержне при различных плотностях представлены на фиг.2. Линии 1, 2, 3 получены на скважине 27Т (г.Махачкала), химический состав воды которой представлен ионами, мг/л: Na⁺ - 8640; Са²⁺ - 104; Mg²⁺ - 82; Cl^- - 12800; SO₄ ^2- - 143; НСО₃ ^- - 1450. Минерализация 23,3 г/л. Температура воды в устье скважины 100°С. Газовый фактор - 2 м³/м³. При этом состав в % объемных - растворенного: CO₂ - 10; СН₄ - 15; N₂ - 74.

Как видно из чертежа, при высокой плотности отложений (линия 1 - 2400 кг/м³) сопротивление датчика резко идет вверх уже при толщине отложений до 0,5-1 мм. Что касается рыхлых отложений (линия 3 - 1800 кг/м³), то в этом случае плавный подъем линии сопротивления датчика при толщине отложений до 2-3 мм сменяется на ее стремление к некоторому предельному значению R_сл.

Линия 4 получена на скважине 4Т (г.Кизляр), химический состав воды которой представлен ионами, мг/л: Na⁺ - 5800; Са²⁺ - 170; Mg²⁺ - 47; Cl^- - 8870; SO₄ ^2- - 125; НСО₃ ^- - 720. Минерализация 15,8 г/л. Температура воды в устье скважины 101°С. Газовый фактор - 1,4 м³/м³. При этом состав в % объемных - растворенного: CO₂ - 21; CH₄+N₂ - 79. Резкий подъем сопротивления датчика до толщины отложений 0,2 мм и плавное изменение его после 0,2 мм объясняется тем, что первоначальный режим испытаний проводился при давлении 0,2МПа, а затем при 0,1 МПа. Плотность отложений карбоната кальция составила: начальный слой толщиной до 0,2 мм - 2400 кг/м³, а последующий слой - 1600 кг/м³, что вполне согласуется с формой линии 4. Исследования показывают, что форма линии изменения величины электрического сопротивления датчика солеотложения дает сведения не только о толщине отложений, но также и об их плотности, начиная с толщины в 0,1-0,2 мм.

Результаты испытаний такого датчика на термальных скважинах г.Кизляра и Махачкалы показали, что сопротивление датчика стабильно указывает на наличие отложений с приблизительной оценкой его плотности. Ранее в 1990-1991 г.г. по заказу Кизлярского электромеханического завода (КЭМЗ) на транспортном трубопроводе скважины 4Т (г.Кизляр) длиной около 300 м были установлены четыре датчика солеотложения [3]. Измерение сопротивления датчиков производилось прибором Ц 4313. При эксплуатации данного трубопровода при давлении в нем ниже 0,27 МПа датчики показывали наличие отложений. Исходя из показаний 4-х датчиков давление в трубопроводе поддерживалось на уровне 0,27 -0,3 МПа. В отопительный период аварийных простоев не было, а трубопровод не был подвергнут коррозии. А в предыдущие годы, во избежание образования отложений, давление в трубопроводе приходилось держать на уровне 0,5 МПа, что приводило к усиленной коррозии его, и ежегодно в летний период приходилось проводить капитальный ремонт трубопровода.

Исследование отложений разной плотности при температуре 95-97°С показало, что их удельное сопротивление резко увеличивается с ростом плотности отложений: 1600 кг/м³ - 30 Ом·м; 1800 кг/м³ - 50 Ом·м; 2100 кг/м³ - 110 Ом·м; 2400 кг/м³ - 550 Ом·м; 2600 кг/м³ - 5000 Ом·м.

Расчет толщины h отложений по формуле (1) с использованием значений R и R_p для разных линий дает удовлетворительные результаты. Сравнение расчетных и измеренных при вскрытии датчика значений толщин отложений дает погрешность от 10 до 60% при толщине солеотложения от 1-2 мм до 5-7 мм соответственно. Такая погрешность вполне допустима при оценке необходимости принятия мер по изменению условий эксплуатации оборудования. Как было сказано выше, применение данного способа и устройства на термальной скважине 4Т г.Кизляра дало возможность эксплуатации транспортного трубопровода в режиме без солеотложения и коррозии (по показаниям датчиков, толщина карбонатной пленки на внутренней поверхности трубопровода поддерживалась на уровне 1-2 мм).

Таким образом, предложенные способ и устройство для определения толщины солеотложения позволяют повысить точность определения толщины солеотложения на внутренней поверхности теплоэнергетического оборудования, расширить области возможного применения и поднять оперативность технического исполнения.

Источники информации

1. Патент Российской федерации: RU 02098754 С1, М.Кл. G01B - 17/02, 12.10.1997 г.

2. Теплотехнический справочник. Под общей редакцией В.Н.Юренева и П.Д.Лебедева. В 2-х т. Т.2. Изд.2-е, перераб. М.: Энергия, 1976. - с.241-242.

3. Ахмедов Г.Я. К вопросу о повышении эффективности использования термальных вод г.Кизляра /Геоэкологические проблемы освоения и охраны ресурсов подземных вод Восточного Предкавказья. Матер. науч.-практич. конф. (Махачкала, 22-26 сент. 2003 г.). - Махачкала: Институт геологии ДНЦ РАН, 2003. - С.134-138.

1. Способ определения толщины солеотложения, включающий сравнение сигнала, прошедшего через раствор жидкости и стенку оборудования без солеотложения, с сигналом, прошедшим через раствор жидкости и стенку оборудования с солеотложением, отличающийся тем, что в качестве характеристики указанного сигнала определяют сопротивление цепи постоянному току до начала солеотложения, которое является сопротивлением раствора жидкости между корпусом датчика и стержнем электрода, и по измеренной величине общего сопротивления цепи вычисляют толщину солеотложения по формуле

где R - общее сопротивление цепи, Ом; R_p - сопротивление цепи до начала солеотложения, Ом; ρ - удельное сопротивление отложений, Ом·м; S - площадь выступающей в растворе жидкости поверхности электрода, м²; k - коэффициент, показывающий во сколько раз сопротивление цепи до начала солеотложения меньше сопротивления слоя жидкости между отложениями и изоляцией.

2. Устройство для определения толщины солеотложения, содержащее корпус, электрод, изоляцию, а также измерительный блок, отличающееся тем, что электрод выступает в жидкости на 2-4 мм от изоляции датчика, а изоляция расположена на уровне внутренней поверхности трубопровода.