Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОТЯЖЕННЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ И ИНДУКЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение предназначено для нагревания вязких текучих сред, а также для ликвидации и предотвращения образования отложений и пробок в трубопроводах различного назначения, в частности непосредственно в добывающих скважинах, в промысловых и магистральных нефтепроводах, в технологических продуктопроводах. Изобретение применимо на объектах нефтегазовой отрасли, а также химической, пищевой и иной промышленности, где производится транспортирование вязких текучих сред по трубопроводам.

Известен способ попутного обогрева протяженного трубопровода, в котором в качестве источника тепла применяется нагревательный кабель [Электронный ресурс: http://www.etirex.ru/index_htm_files/006-017.pdf (дата обращения: 19.04.2014), официальный сайт компании «ETIREX-Chromalox», раздел «Системы электрообогрева в нефтегазодобывающей, перерабатывающей и химической промышленности», статья «Промышленный электрический обогрев нагревательными кабелями»].

Устройства, реализующие данный способ, включают в себя систему управления, нагревательный кабель, элементы крепления. Используются два основных типа нагревательных кабелей: кабели постоянной мощности (резистивные линейные, резистивные зональные) и саморегулирующие кабели [Электронный ресурс: www.mtraychem.ru (дата обращения: 19.04.2014), официальный сайт компании «Мастерская тепла - Raychem (Райхем)», поставляющей кабели для промышленного обогрева труб и трубопроводов, статья «Системы подогрева трубопроводов и нагревательные кабели»].

К недостаткам систем кабельного электрообогрева относятся: невозможное или неэффективное применение на протяженных трубопроводах (наиболее эффективное применение на трубопроводах протяженностью до 150-200 метров), пожароопасность, ограничение температурных режимов работы и, следовательно, ограничение функциональных возможностей данных систем, сложность и низкая технологичность монтажа кабеля.

Известен способ резистивно-индукционого обогрева протяженного трубопровода, реализуемый в так называемых «СКИН-системах» [Электронный ресурс: www.teplodor.ru (дата обращения: 10.04.2014), официальный сайт компании «Промышленный обогрев», входящей в состав группы компаний «Специальные системы и технологии» (ССТ), статья «СКИН-система для обогрева труб. Промышленный обогрев трубопроводов»], позволяющих поддерживать температуру на протяженном участке трубопровода, составляющем от 10 до 30 км.

Устройство, реализующее индукционно-резистивный нагрев, содержит источник питания и индуктивный нагревательный элемент, работающий на скин-эффекте, состоящий из ферромагнитных элементов, вокруг которых наложены токопроводящие изолированные жилы в виде обмотки, индуцирующей в сердечнике переменный магнитный поток. Эффект тепловыделения достигается как за счет резистивных потерь в обмотке, так и за счет резистивных потерь в сердечнике, возникающих от наведенных токов [Электронный ресурс: www.elec.ru (дата обращения: 15.04.2014), электротехнический портал рынка России, статья «Промышленный обогрев протяженных трубопроводов с помощью СКИН-систем»].

К недостаткам индукционно-резистивных систем относятся небольшая вырабатываемая погонная мощность и невысокая поддерживаемая рабочая температура, плохая управляемость процессами тепловыделения и теплопередачи, низкая ремонтопригодность, большие масса и габариты трансформаторно-преобразовательных устройств, сложность монтажа, невозможность регулирования процесса нагрева и обеспечения подогрева отдельных зон, неэффективность применения на трубопроводах протяженностью до 10 км.

Перечисленные выше электротермические системы могут реализовать лишь попутный подогрев и обеспечивать режим поддержания температуры продукта.

Известен способ обогрева протяженного трубопровода, в котором в качестве источника тепла применяется система индукционного нагрева токами промышленной частоты [Электронный ресурс: www.elsit.ru (дата обращения: 15.04.2014), официальный сайт компании «ЭЛСИТ», статья «Индукционный нагрев трубопроводов»].

Устройство, реализующее данный способ, содержит устройство преобразования и управления, представляющее собой трансформатор, первичная обмотка которого выполняет роль индуцирующего провода, а вторичная обмотка представляет собой ферромагнитный теплообменник и выполняет роль нагрузки трансформатора, параметры элементов электронагревателя рассчитаны таким образом, что обеспечивают работу аппарата в длительном режиме без перегрева [Электронный ресурс: www.sieico.ru (дата обращения: 10.04.2014), официальный сайт компании ООО «Сибирская Электрическая Компания» («СИЭЛКО»), статья «Индуктивно-кондуктивные электронагреватели «Гейзер»].

Недостатками данного устройства являются низкая управляемость процессом теплопередачи, ограничение площади воздействия теплового поля, неэффективность применения на протяженных трубопроводах (наиболее эффективное применение на малой длине трубопровода примерно до 50-100 метров).

В качестве прототипа выбран способ обогрева протяженного трубопровода, основанный на среднечастотном индукционном нагреве [Патент на изобретение РФ №2415517 от 20.07.2010. МПК Н05В 6/00, F16L 53/00].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому и реализующее способ среднечастотного индукционного нагрева является устройство - установка индукционного нагрева трубопроводов [Патент на изобретение РФ №2415517 от 20.07.2010. МПК Н05В 6/00, F16L 53/00], содержащее электронагревательный элемент, представляющий собой проводник с многопроволочной токопроводящей жилой высокой проводимости в термостойкой изоляции, расположенный вдоль оси трубопровода, либо под углом к этой оси, одним витком, образующим контур или включенными параллельно витками нескольких контуров для формирования температурного поля трубопровода, и источник питания.

Недостатком данного способа и устройства, его реализующего, является невозможность обеспечения подогрева отдельных локальных зон трубопровода и осуществления нагрева протяженных трубопроводов (наиболее эффективное применение на малой длине трубопровода примерно до 300-400 метров).

Техническими задачами изобретения являются обеспечение эффективного нагрева протяженных трубопроводов, повышение управляемости процесса нагрева и повышение теплового КПД системы.

Поставленные задачи достигаются тем, что в известном способе электротермического воздействия на протяженные трубопроводы, при котором осуществляют нагрев трубопровода посредством нагревательных элементов, размещенных на трубопроводе, поддерживающих температуру перекачиваемой жидкости в промежутке между температурами кристаллизации асфальтосмолопарафиновых отложений и коксования перекачиваемой жидкости, нагревательные элементы выполняют в виде двух проводящих обкладок, разделенных диэлектриком и свернутых в спираль, и размещают на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки, для каждого нагревательного элемента дополнительно введен коммутатор, подключенный к концу первой и к началу второй обкладки нагревательного элемента.

Поставленные задачи достигаются также устройством, реализующим данный способ, содержащим источник питания, систему управления, нагревательные элементы, размещенные на трубопроводе, выполненные в виде двух проводящих обкладок, разделенных диэлектриком, свернутых в спираль, размещенных на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки, положительный полюс источника питания подключен к началу первой обкладки нагревательного элемента, отрицательный полюс источника питания подключен к концу второй обкладки нагревательного элемента, для каждого нагревательного элемента дополнительно введен коммутатор, подключенный к концу первой и к началу второй обкладки нагревательного элемента. Коммутаторы могут быть как управляемые, так и неуправляемые системой управления.

Вариантом исполнения является устройство, в котором отрицательный полюс источника питания и конец второй обкладки нагревательного элемента электрически соединены с трубопроводом.

На фиг. 1 изображен трубопровод 1 с установленной на нем индукционной нагревательной системой, состоящей из источника питания 2, системы управления 3, коммутатора 4, нагревательного элемента 5, выполненного в виде двух проводящих обкладок 6 и 7, разделенных диэлектриком 8, и обмотанного вокруг трубопровода 1. Положительный полюс источника питания 2 подключен к началу первой обкладки 6 нагревательного элемента 5, отрицательный полюс источника питания 2 подключен к концу второй обкладки 7 нагревательного элемента 5. Коммутатор 4 подключен к концу первой 6 и к началу второй 7 обкладки нагревательного элемента 5.

На фиг. 2 изображен трубопровод 1 с установленной на нем индукционной нагревательной системой, состоящей из источника питания 2, системы управления 3, коммутатора 4, нагревательного элемента 5, выполненного в виде двух проводящих обкладок 6 и 7, разделенных диэлектриком 8, и обмотанного вокруг трубопровода 1. Отрицательный полюс источника питания 2 и конец второй обкладки 7 нагревательного элемента 5 электрически соединены с трубопроводом 1.

На фиг. 3 показана индукционная нагревательная система с нагревательными элементами (НЭ₁-НЭ_n). L_cn - ширина n-го нагревательного элемента (определяется требуемой мощностью локального нагрева), L_мс(n-1) - промежуток между (n-1)-м и n-м нагревательными элементами (определяется свойствами отдачи тепла участка трубопровода 1 между (n-1)-м и n-м нагревательными элементами в окружающую среду), где n - общее число нагревательных элементов, размещенных на трубопроводе 1, К₁-К_n - коммутаторы соответствующих нагревательных элементов. Процесс нагрева контролируется системой управления 3, определяющей частоту коммутации, и источником питания 2, задающим величину напряжения, до которого заряжаются нагревательные элементы. В случае с неуправляемым коммутатором нагревательный элемент заряжается до напряжения пробоя, равного U_змакс, затем происходит электрический пробой коммутатора. Напряжение пробоя неуправляемого коммутатора определяется требуемой тепловой мощностью.

На фиг. 4 изображены зависимости тока и напряжения на секции нагревательного элемента от времени. В промежутке времени 0-t₁ происходит заряд емкости нагревательного элемента до напряжения U_змакс током с максимальным значением I_змакс. В промежутке времени t₁-t₂ происходит разряд емкости нагревательного элемента, при котором возникает импульс тока в обкладках нагревательного элемента с максимальным значением I_рмакс. В промежутке времени t₂-Т пауза, регулирующая частоту коммутаций, где Т - период коммутации. Далее процесс повторяется циклически.

На фиг. 5 изображен график изменения температуры нагреваемой жидкости по длине трубопровода. Т₀ - начальная температура транспортируемой жидкости, T_max - температура транспортируемой жидкости после ее нагрева воздействием нагревательного элемента (должна быть не более температуры коксования транспортируемой жидкости), Т_min - температура транспортируемой жидкости после прохождения пространства от одного нагревательного элемента до другого (должна быть не менее температуры застывания парафинов и смол, содержащихся в транспортируемой жидкости). Устройство нагрева должно обеспечивать температурный режим работы в диапазоне от температуры застывания парафинов и смол, содержащихся в добываемой нефтяной эмульсии, до температуры коксования эмульсии.

Устройство работает следующим образом: от источника питания 2, заряжаются обкладки 6 и 7 нагревательного элемента 5 до напряжения U_змакс, затем от системы управления 3 подается импульс на коммутаторы 4 каждого нагревательного элемента 5 (в случае с неуправляемым коммутатором, нагревательный элемент заряжается до напряжения пробоя, равного U_змакс, затем происходит электрический пробой коммутатора), происходит разряд электрической емкости нагревательного элемента 5 на собственную индуктивность обкладок 6 и 7 нагревательного элемента 5, создается переменный ток I_рмакс, протекающий по обкладкам 6 и 7 нагревательного элемента 5, создается магнитный поток, за счет которого наводятся вихревые токи в трубопроводе 1, который нагревается в зоне нагревательного элемента 5, передавая тепло транспортируемой жидкости.

Транспортируемая жидкость с температурой Т₀ поступает в трубопровод 1, где нагревается нагревательным элементом 5 до температуры Т_макс, затем, по мере движения по трубопроводу 1, жидкость охлаждается до температуры Т_мин. Для поддержания значения температуры жидкости, разогрева отдельных участков может быть размещено несколько нагревательных элементов.

Устройство работает с сопроводительной сетью и может получать питание по двум проводам от положительного и отрицательного полюсов источника питания. Вариантом исполнения является устройство, в котором отрицательный полюс источника питания и конец второй обкладки нагревательного элемента электрически соединены с трубопроводом.

Устройство может работать с различными алгоритмами управления, задаваемыми системой управления и реализовывать различные режимы термического воздействия, определяемые частотой коммутации каждого коммутатора нагревательного элемента.

Интенсивность нагрева перекачиваемой жидкости зависит от следующих параметров: от скорости течения жидкости, электрической мощности, запасаемой нагревательным элементом, частоты коммутаций и от параметров разрядного контура.

Таким образом реализуется прогрев протяженных трубопроводов с высокой управляемостью процесса нагрева и высоким тепловым КПД системы.

Данный способ и устройство, его реализующее, может быть применимо к объектам нефтяной, химической, пищевой и иной промышленности, где производится транспортирование вязких текучих сред по трубопроводам.