Выработка электрической энергии термоакустическим способом

Изобретение относится к средствам выработки электрической энергии в трубопроводе для транспортировки газа или рядом с ним и может быть использовано для энергоснабжения используемого в трубопроводе или рядом с ним оборудования. Способ выработки электроэнергии содержит следующие операции: обеспечение прохода газа по трубопроводу для транспортировки газа вдоль входной части акустического резонатора, в результате чего создается стоячая звуковая волна в резонаторе; обеспечение прохода текучей среды, находящейся в резонаторе, через проницаемое тело, в котором образовано некоторое количество по существу стационарных холодных мест и/или горячих мест в результате адиабатического расширения или сжатия резонирующей текучей среды; обеспечение термической связи между термоэлектрическим устройством и, по меньшей мере, одним из указанных холодных мест и/или горячих мест для выработки электрической энергии. Термоэлектрический генератор, реализующий способ, содержит акустический резонатор, имеющий входную часть, выполненную с возможностью соединения с отверстием в стенке трубопровода для транспортировки газа или в стенке оборудования, расположенного внутри трубопровода, проницаемое тело, расположенное в акустическом трубчатом резонаторе, и термоэлектрическое устройство для выработки электрической энергии. Изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия устройства для выработки энергии без ограничения потока, текущего по трубопроводу. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к генератору для выработки электрической энергии и способу выработки электрической энергии в трубопроводе для транспортировки газа или вблизи от трубопровода для транспортировки газа.

Трубопроводы для транспортировки газа могут быть расположены в удаленных местах, таких как зона забоя в газовой продуктивной скважине, или под водой и/или под землей, или в зонах без надежного снабжения электрической энергией, таких как зоны в открытом море или ненаселенные территории.

Из патента США 6150601 известна выработка электрической энергии в лифтовой колонне для добычи газа в зоне забоя скважины с помощью термоэлектрического устройства, приводимого в действие за счет температурного градиента скважины, при этом указанный градиент может быть создан посредством размещения средства для ограничения потока в лифтовой колонне, в котором газ расширяется и охлаждается за счет адиабатического расширения. Недостатком известной системы является то, что ограничение потока приведет к уменьшению количества добываемого газа, и то, что газ охлаждается только на несколько градусов Цельсия, если только средство для ограничения потока не будет большим, и очень высокие, например, сверхзвуковые скорости газа достигаются в трубке Вентури, и в данном случае трубка Вентури будет создавать большое ограничение потока и будет подвергаться изнашиванию с высокой скоростью.

В патенте США 6011346 раскрыт другой скважинный генератор для выработки энергии, который содержит пьезоэлектрический элемент, который деформируется за счет перепада давлений в трубке Вентури. Недостатком этого известного генератора для выработки энергии является то, что пьезоэлектрические элементы имеют низкую выходную мощность, так что его эффективность является низкой.

Цель настоящего изобретения заключается в частичном устранении недостатков известных систем для выработки энергии и в создании термоакустического генератора для выработки энергии, который имеет более высокую эффективность (кпд) по сравнению с известными генераторами и который не требует использования средства для ограничения потока в трубопроводе для транспортировки.

Краткое изложение сущности изобретения

Способ согласно изобретению включает следующие операции:

обеспечение прохода газа по трубопроводу для транспортировки газа вдоль входной части акустического резонатора, в результате чего создается стоячая звуковая волна в резонаторе;

обеспечение прохода текучей среды, находящейся в резонаторе, через проницаемое тело, в котором образовано некоторое количество по существу стационарных холодных мест [зон переохлаждения] и/или горячих мест [зон перегрева] в результате адиабатического расширения или сжатия резонирующей текучей среды; и

обеспечение термической связи между термоэлектрическим устройством и, по меньшей мере, одним из указанных холодных мест и/или горячих мест для выработки электрической энергии.

Проницаемое тело может представлять собой ряд уложенных в виде стопы пластин, которые расположены на заранее заданных расстояниях друг от друга.

Следует отметить, что в патентах США 4625517 и 5456082 раскрыты термоакустические устройства с проницаемыми телами, образованными в виде ряда расположенных определенным образом стержней или пластин, которые могут быть использованы в способе и генераторе согласно изобретению.

Термоэлектрическое устройство может содержать термопару, которая может образовывать часть термоэлектрического элемента (элемента Пельтье).

Кроме того, ряд преобразователей акустических сигналов может быть расположен в трубопроводе для транспортировки газа или рядом с трубопроводом для транспортировки газа, при этом указанные преобразователи определяют характеристики стоячей звуковой волны в трубопроводе для транспортировки газа, распространяемой от входной части акустического резонатора. Акустические преобразователи могут представлять собой микрофоны, которые преобразуют разности фаз акустического сигнала на разных расстояниях от указанной входной части в электрический, волоконно-оптический или другой сигнал, который передается в систему мониторинга потока, преобразующую измеренную или измеренные разность или разности фаз и/или другие характеристики звукового или звуковых сигнала или сигналов в показатель, характеризующий скорость потока газа в трубопроводе для транспортировки газа.

Соответственно, энергией для микрофонов служит электроэнергия, вырабатываемая термоэлектрическим устройством, и микрофоны преобразуют акустический сигнал в импульсный цифровой (дискретный) акустический, оптический, электрический или другой сигнал. Система мониторинга потока может быть соединена с устройством для регулирования потока, которое обеспечивает регулирование скорости потока газа в трубопроводе для транспортировки в зависимости от отклонения контролируемой скорости газа от опорного значения.

Изобретение также относится к термоэлектрическому генератору для выработки энергии, предназначенному для выработки электрической энергии в трубопроводе для транспортировки газа или вблизи от трубопровода для транспортировки газа. Генератор для выработки энергии в соответствии с изобретением содержит акустический резонатор, имеющий входную часть, выполненную с возможностью соединения с отверстием в стенке трубопровода для транспортировки газа или в стенке оборудования, такого как роботизированное устройство, скважинный зонд для каротажа или инструмент для контроля и/или чистки, расположенный внутри трубопровода, проницаемое тело в акустическом трубчатом резонаторе, которое в процессе использования, по меньшей мере, частично охлаждается или нагревается в результате адиабатического расширения или сжатия резонирующей текучей среды, и термоэлектрическое устройство, которое выполнено с возможностью соединения, по меньшей мере, с одним холодным местом и/или горячим местом, образованным в процессе использования в проницаемом теле, для выработки электрической энергии.

Описание предпочтительного варианта осуществления

Изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертеж, который показывает схематичное продольное сечение лифтовой колонны в газовой скважине, которая снабжена термоакустическим генератором для выработки энергии согласно изобретению.

Как показано на чертеже, поток природного газа 1 проходит вверх по лифтовой колонне 2 к устью скважины (непоказанному) на поверхности земли. Термоакустический генератор 3 для выработки электрической энергии расположен в кольцевом пространстве 4 между лифтовой колонной 2 и обсадной колонной 5 скважины, которая закреплена путем цементирования в подземном пласте 6.

Генератор 3 для выработки энергии содержит кольцевой акустический резонатор 7, который имеет одно или несколько входных отверстий 8, которые образованы отверстиями или кольцами в стенке лифтовой колонны 2. Кольцевой резонатор 7 имеет закрытую верхнюю часть 18, и проницаемое тело 9 расположено в трубчатом резонаторе 7 рядом с верхней частью 18.

Кольцевой термоэлектрический преобразователь 10 смонтирован рядом с проницаемым телом 9. Преобразователь 10 образован посредством термоэлектрического элемента 11, включающего в себя биметаллические или полупроводниковые гальванические пары, которые вырабатывают электрическую энергию в результате перепада температур между проницаемым телом 9 и другими элементами скважины, который обусловлен охлаждением проницаемого тела в результате адиабатического расширения газа в резонаторе 7, вызванного резонирующей звуковой волной в резонаторе 7. Поглощение тепла в проницаемом теле 9 может приводить к снижению температуры более чем на 50°С. Таким образом, охлажденная сторона термоэлектрического элемента 10 подвергается отводу тепла со стороны проницаемого тела, а другая горячая (нагретая) сторона термоэлектрического элемента может быть снабжена проводниками 11 тепла, которые создают термическую "мостиковую" связь с соседними неохлажденными элементами, такими как стенка лифтовой колонны 2 и обсадная колонна 5 скважины. Верхний конец акустического резонатора 7 и термоэлектрический элемент 10 заключены в защитный и теплоизоляционный кожух 19.

Электрические кабели 12 проходят через кожух 19 и соединены с устройством для кондиционирования и/или с перезаряжаемой аккумуляторной батареей и/или со скважинным оборудованием с электрическим приводом (непоказанным), таким как система мониторинга и/или регулирования потока газа.

Соответственно, ряд микрофонов 13 расположен в лифтовой колонне 2 для определения частоты и фазы звуковой волны в лифтовой колонне 2, при этом указанная фаза зависит от скорости потока 1 газа в лифтовой колонне 2. Таким образом, сигнал, генерированный микрофонами 13, может быть передан в устройство для мониторинга потока, которое преобразует измеренную частоту в показатель, характеризующий скорость газа. Устройство для мониторинга потока может быть размещено на поверхности земли, и сигнал, генерированный микрофоном, может быть передан на поверхность посредством электрического или волоконно-оптического кабеля или в виде усиленного звукового сигнала, или в виде электромагнитного сигнала, который передается через стенку лифтовой колонны 2.

Следует понимать, что термоакустический генератор 3 для выработки энергии также может быть использован вместе с трубопроводами для транспортировки газа, расположенными на поверхности земли или рядом с поверхностью земли, такими как морские (подводные) трубопроводы для транспортировки газа и трубопроводы в удаленных зонах, таких как полярные зоны и пустыни, где отсутствует надлежащее электроснабжение, для снабжения электрической энергией необходимого оборудования для мониторинга и регулирования потока.

Кроме того, термоакустический генератор для выработки энергии согласно изобретению может быть использован для снабжения электрической энергией оборудования, которое используется внутри трубопровода для транспортировки газа или скважины, такого как роботизированное устройство, скважинный зонд для каротажа или инструмент для контроля и/или чистки, расположенный внутри трубы. В таком случае акустический резонатор может быть образован внутри корпуса оборудования, и входная часть резонатора будет образована одним или несколькими отверстиями, образованными в стенке корпуса оборудования, при этом поток газа проходит вокруг корпуса и вызывает образование стоячей звуковой волны в акустическом резонаторе.

В альтернативном варианте осуществления термоакустический генератор для выработки энергии согласно изобретению может функционировать подобно тепловому насосу и может быть соединен с горячим местом, образованным в проницаемом теле в результате адиабатического сжатия текучей среды, обусловленного видом резонирующей звуковой волны в акустическом резонаторе. Термоэлектрическое устройство может быть подсоединено между одним или несколькими холодными местами и одним или несколькими горячими местами, образованными в проницаемом теле в результате тепловых эффектов, возникающих из-за картины резонирующей акустической волны.

1. Способ выработки энергии в трубопроводе для транспортировки газа или вблизи от трубопровода для транспортировки газа, содержащий следующие операции: обеспечение прохода газа по трубопроводу для транспортировки газа вдоль входной части акустического резонатора, в результате чего создается стоячая звуковая волна в резонаторе; обеспечение прохода текучей среды, находящейся в резонаторе, через проницаемое тело, в котором образовано некоторое количество по существу стационарных холодных мест и/или горячих мест в результате адиабатического расширения или сжатия резонирующей текучей среды; обеспечение термической связи между термоэлектрическим устройством и, по меньшей мере, одним из указанных холодных мест и/или горячих мест для выработки электрической энергии.

2. Способ по п.1, в котором резонатор имеет кольцевую форму и расположен в забое скважины вокруг лифтовой колонны в газовой продуктивной скважине.

3. Способ по п.1, в котором трубопровод для транспортировки газа представляет собой трубопровод для транспортировки газа, расположенный в удаленном месте, такой как подводный и/или подземный трубопровод, или трубопровод в зоне без сооружений и технических средств для электроснабжения.

4. Способ по пп.1, 2 или 3, в котором проницаемое тело представляет собой ряд уложенных в виде стопы пластин, расположенных на заранее заданных расстояниях друг от друга.

5. Способ по п.4, в котором уложенные в виде стопы пластины образованы в кольцевом резонаторе путем наматывания полосы вокруг внутренней стенки кольцевого трубчатого резонатора и путем размещения ряда проставок между соседними слоями намотанной полосы.

6. Способ по п.1, в котором термоэлектрическое устройство представляет собой термопару, подсоединенную между горячим местом и холодным местом проницаемого тела или между горячим или холодным местом проницаемого тела и элементом, на температуру которого по существу не оказывают влияния стоячие акустические волны.

7. Способ по п.6, в котором термопара образует часть термоэлектрического элемента.

8. Способ по п.1, в котором ряд преобразователей акустических сигналов расположен в трубопроводе для транспортировки газа или рядом с трубопроводом для транспортировки газа, при этом указанные преобразователи определяют характеристики звуковой волны в трубопроводе для транспортировки газа, распространяемой от входной части акустического резонатора.

9. Способ по п.8, в котором акустические преобразователи представляют собой микрофоны, преобразующие акустический сигнал в электрический, волоконно-оптический или другой сигнал, который передается к устройству для мониторинга потока, преобразующему разности фаз и/или другие характеристики акустических сигналов в показатель, характеризующий скорость потока газа в трубопроводе для транспортировки газа.

10. Способ по п.9, в котором в качестве энергии для микрофонов используют электроэнергию, вырабатываемую термоэлектрическим резонатором, и микрофоны преобразуют акустический сигнал в импульсный цифровой (дискретный) акустический, оптический, электрический или другой сигнал.

11. Способ по п.8, в котором преобразователи сигналов включают одну или несколько перезаряжаемых аккумуляторных батарей, зарядка которых осуществляется посредством термоэлектрического устройства.

12. Способ по п.9, в котором система мониторинга потока соединена с устройством для регулирования потока, обеспечивающим регулирование скорости потока газа в трубопроводе для транспортировки в зависимости от отклонения контролируемой скорости газа от опорного значения.

13. Термоэлектрический генератор для выработки энергии, предназначенный для выработки электрической энергии в трубопроводе для транспортировки газа или вблизи от трубопровода для транспортировки газа, содержащий акустический резонатор, имеющий входную часть, выполненную с возможностью соединения с отверстием в стенке трубопровода для транспортировки газа или в стенке оборудования, расположенного внутри трубопровода, проницаемое тело, расположенное в акустическом трубчатом резонаторе, которое в процессе использования, по меньшей мере, частично охлаждается или нагревается в результате адиабатического расширения или сжатия резонирующей текучей среды, и термоэлектрическое устройство, выполненное с возможностью соединения, по меньшей мере, с одним холодным местом и/или горячим местом, образованным в процессе использования в проницаемом теле, для выработки электрической энергии.