Способ электротермического воздействия на протяженные трубопроводы и индукционная нагревательная система для его реализации



Способ электротермического воздействия на протяженные трубопроводы и индукционная нагревательная система для его реализации
Способ электротермического воздействия на протяженные трубопроводы и индукционная нагревательная система для его реализации
Способ электротермического воздействия на протяженные трубопроводы и индукционная нагревательная система для его реализации
Способ электротермического воздействия на протяженные трубопроводы и индукционная нагревательная система для его реализации

 


Владельцы патента RU 2584137:

Общество с ограниченной ответственностью "Газпром добыча Ямбург" (RU)

Изобретение предназначено для нагревания вязких текучих сред, а также для ликвидации и предотвращения образования отложений и пробок в трубопроводах (1) различного назначения, в частности непосредственно в добывающих скважинах. Нагревательные элементы (5) выполняют в виде двух проводящих обкладок (6, 7), разделенных диэлектриком (8) и свернутых в спираль, и размещают на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки. Для каждого нагревательного элемента дополнительно введен коммутатор (4), подключенный к концу первой и к началу второй обкладки нагревательного элемента. Индукционная нагревательная система для протяженных трубопроводов, реализующая данный способ, содержит источник питания (2), систему управления (3), нагревательные элементы (5), размещенные на трубопроводе (1). Нагревательные элементы выполнены в виде двух проводящих обкладок, разделенных диэлектриком, свернутых в спираль, размещенных на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки. Предлагаемые способ и устройство позволяют реализовать прогрев протяженных трубопроводов, повысить управляемость процесса нагрева и тепловое КПД системы. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

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-НЭn). Lcn - ширина n-го нагревательного элемента (определяется требуемой мощностью локального нагрева), Lмс(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, К1n - 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 Uзмакс, 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 Uзмакс током с максимальным значением Iзмакс. В промежутке времени t1-t2 происходит разряд емкости нагревательного элемента, при котором возникает импульс тока в обкладках нагревательного элемента с максимальным значением Iрмакс. 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, Tmax - температура транспортируемой жидкости после ее нагрева воздействием нагревательного элемента (должна быть не более температуры коксования транспортируемой жидкости), Тmin - 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 Uзмакс, 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 Uзмакс, 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 Iрмакс, 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 Тмакс, затем, по мере движения по трубопроводу 1, жидкость охлаждается до температуры Тмин. 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.

1. Способ 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, отличающийся тем, что 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.

2. Устройство, реализующее данный способ, содержащее источник питания, систему управления, нагревательные элементы, размещенные на трубопроводе, отличающееся тем, что каждый нагревательный элемент выполнен в виде двух проводящих обкладок, разделенных диэлектриком, свернутых в спираль, и нагревательные элементы размещены 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.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что отрицательный полюс источника питания и конец второй обкладки нагревательного элемента электрически соединены с трубопроводом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к вспомогательному сварочному оборудованию, которое может быть использовано для предварительного нагрева труб перед выполнением сварки или для последующей термической обработки сварного соединения труб.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в вакуумных установках для плавки и термообработки металлов. Технический результат: непрерывный контроль симметрии и величины напряжения вывода индуктора относительно заземленной нейтрали питающей сети, быстрое снижение напряжения на нагрузке при увеличении контролируемого напряжения выше установленного значения, надежное и плавное выключение преобразователя при пробое вывода нагрузки на заземленную нейтраль, повышение электрического КПД индуктора, улучшение формы выходного тока.

Изобретение относится к системе для сварки, нагревательной индукционной системе и способу нагрева с использованием системы для сварки. Нагревательная индукционная система (34), используемая в системе для сварки, включает в себя катушку (36) индукционного нагрева, расположенную рядом со сварочной горелкой или установкой для плазменной резки (16).

Изобретение относится к области индукционного нагрева и термообработки деталей сложной формы, при проведении которой используют комбинацию различных режимов индукционного нагрева, характеризуемых различными частотами тока.

Нагревательный кабель относится к электрическим нагревательным кабелям, в частности к нагревательным кабелям, работающим на скин-эффекте, снабженным неорганической керамической изоляцией.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к теплогенерирующему электромеханическому преобразователю, предназначенному для нагрева и/или перемещения жидкой или газообразной среды.

Устройство индукционного нагрева с поперечным потоком обеспечивает возможность пересечения переменным магнитным полем стороны листа проводящего листа, который перемещается в одном направлении, в результате чего происходит индуктивный нагрев проводящего листа.

Устройство индукционного нагрева поперечным потоком позволяет переменному магнитному полю пересекать грань проводящего листа, который транспортируется в одном направлении, тем самым индуктивно нагревая проводящий лист.

Система нагревания подземного пласта содержит протяженный электрический проводник, размещенный в подземном пласте. Электрический проводник расположен между, по меньшей мере, первым электрическим контактом и вторым электрическим контактом.

Изобретение относится к блоку управления индукционного нагрева. Блок управления блока индукционного нагрева управляет выводом питания переменного тока к нагревательной катушке блока индукционного нагрева поперечного типа, что позволяет переменному магнитному полю пересекать поверхность проводящего листа, который перемещается для индукционного нагрева проводящего листа.

Изобретение относится к области нагрева высоковязких нефтей в трубопроводах электромагнитными полями. Способ нагрева включает непрерывное воздействие электромагнитного поля на поток нефти в трубопроводе, при котором для продукции трубопровода определяют низшую критическую температуру Ткн, ниже которой температура продукции не должна снижаться, и высшую критическую температуру Ткв, выше которой нагрев продукции нецелесообразен, на блоке измерения температуры регистрируют начальную температуру продукции трубопровода T0; если Т0<Ткн, через блок управления открывают первый электромагнитный клапан, а второй электромагнитный клапан закрывают. Устройство для осуществления способа содержит генератор электромагнитных волн, коаксиальный кабель для соединения генератора с излучателем, трубопровод, при этом в трубопровод врезается байпас со встроенным излучателем. Применение данного способа и устройства позволит снизить аварийные ситуации на трубопроводах и в узловых точках, а также повысить период охлаждения продукции трубопровода, так как данным способом прогревается весь объем продукции трубопровода. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх