Способ электротермического воздействия на трубопроводы и индукционная нагревательная система для его реализации
Владельцы патента RU 2683028:
Общество с ограниченной ответственностью Научно-инженерный центр "Энергодиагностика" (RU)
Изобретение применимо на объектах нефтегазовой отрасли, а также химической, пищевой и иной промышленности, где производится транспортирование по трубопроводам термовязких текучих сред. Способ и устройство электротермического воздействия на трубопроводы осуществляют нагрев трубопровода посредством нагревательных элементов, размещенных на трубопроводе, поддерживающих температуру перекачиваемой жидкости, каждый нагревательный элемент выполняют в виде первой и второй токопроводящих обкладок, разделенных диэлектриком и свернутых в спираль, размещенных на трубопроводе с интервалами, для каждого нагревательного элемента дополнительно вводят коммутационный блок, причем к первой токопроводящей обкладке каждого нагревательного элемента дополнительно последовательно подключают токопроводящий кабель-индуктор, размещенный на трубопроводе, и образующий вместе с нагревательным элементом единый нагревательный компонент, а источник питания через коммутационный блок соединяют с началом второй проводящей обкладки. Изобретение позволяет реализовать режимы компенсации теплопотерь и аварийного разогрева трубопроводов, повысить энергетическую эффективность, автоматизацию, промышленную и пожарную безопасность процессов нагрева. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение применимо на объектах нефтегазовой отрасли, а также химической, пищевой и иной промышленности, где производится транспортирование по трубопроводам термовязких текучих сред. Изобретение предназначено для компенсации теплопотерь и 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.
Известен способ попутного обогрева протяженного трубопровода, в котором в качестве источника тепла применяют нагревательный кабель [Электронный ресурс: http://www.etirex.ru/index_htm_files/Etirex-catalog-2015.pdf (дата обращения: 19.10.2017), официальный сайт компании «ETIREX-Chromalox», каталог продукции, раздел «Электрический обогрев нагревательными кабелями», статья «Промышленный электрический обогрев нагревательными кабелями»].
Устройство, реализующее данный способ, включает 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: http://www.mtraychem.ru/sistemy-podogreva-truboprovodov-i-nagrevatelnye-kabeli (дата обращения: 19.10.2017), официальный сайт компании «Мастерская тепла - Raychem (Райхем)», поставляющей кабели для промышленного обогрева труб и трубопроводов, статья «Системы подогрева трубопроводов и нагревательные кабели»].
К недостаткам данного способа и систем кабельного электрообогрева его реализующих, относятся: сложность организации аварийного разогрева трубопровода, повышенная пожароопасность.
Известен способ обогрева протяженного трубопровода, в котором в качестве источника тепла применяется система индукционного нагрева токами высокой частоты [Электронный ресурс: http://элсит.рф/статьи/индукционный-нагрев-труб (дата обращения: 19.10.2017), официальный сайт компании «ЭЛСИТ», статья «Индукционный нагрев труб»].
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: http://klevoz.ru/nuda/induktivno-konduktivnie-elektronagrevateli-gejzer-sftra-primen/main.html (дата обращения: 19.10.2017), продукция компании ООО «Южно-Сибирская Электротехническая Компания», статья «Индуктивно-кондуктивные электронагреватели «Гейзер»].
Недостатком данного устройства является сложность нагрева протяженных трубопроводов.
В качестве прототипа выбран способ электротермического воздействия на протяженные трубопроводы [Патент на изобретение РФ №2584137 от 20.05.2016. МПК Н05В 6/10], 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.
Устройство, реализующее данный способ, содержащее источник питания, систему управления, нагревательные элементы, размещенные на трубопроводе, 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.
Недостатком данного способа и устройства его реализующего является отсутствие компенсации тепловых потерь на участках, где нет нагревательных элементов.
Техническими задачами изобретения являются повышение энергоэффективности, повышение управляемости процесса теплопередачи, обеспечение аварийного разогрева трубопровода, снижение пожароопасности.
Поставленные задачи достигаются тем, что в известном способе электротермического воздействия на 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, каждый нагревательный элемент выполняют в виде первой и второй токопроводящих обкладок, разделенных диэлектриком и свернутых в спираль, размещают на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки, для каждого нагревательного элемента дополнительно вводят коммутационный блок, к первой токопроводящей обкладке каждого нагревательного элемента дополнительно последовательно подключают токопроводящий кабель-индуктор, размещенный на трубопроводе, и образующий вместе с нагревательным элементом единый нагревательный компонент, источник питания через коммутационный блок соединяют с началом второй проводящей обкладки нагревательного элемента и с концом токопроводящего кабель-индуктора каждого единого нагревательного компонента.
Поставленные задачи достигаются также индукционной нагревательной системой, реализующей данный способ, содержащей источник питания, систему управления, коммутационный блок, нагревательные элементы, выполненные в виде первой и второй токопроводящих обкладок, разделенных диэлектриком, свернутых в спираль, и размещенные на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки, причем к концу первой проводящей обкладки каждого нагревательного элемента последовательно подключен токопроводящий кабель-индуктор, размещенный на трубопроводе, и образующий вместе с нагревательным элементом единый нагревательный компонент, источник питания через коммутационный блок соединен с началом второй токопроводящей обкладки нагревательного элемента и с концом токопроводящего кабель-индуктора каждого единого нагревательного компонента.
Индукционная нагревательная система также может включать в себя единые нагревательные компоненты соединенные последовательно, либо параллельно, либо содержать группы единых нагревательных компонентов, соединенных последовательно-параллельно, либо параллельно-последовательно.
На фиг. 1 изображена индукционная нагревательная система, состоящая из источника питания 1, коммутационного блока 2 и системы управления 3, нагревательного элемента 4, выполненного в виде первой 5 и второй 6 проводящих обкладок, разделенных диэлектриком 7, и расположенного вместе с кабель-индуктором 8, подключенным к первой проводящей обкладке 5, нагревательного элемента 4, на трубопроводе 9. Нагревательный элемент 4 с кабель-индуктором 8 образуют единый нагревательный компонент 10. Источник питания 1 подключен через коммутационный блок 2 с системой управления 3 к началу второй токопроводящей обкладки 6 и концу кабель-индуктора 8. Кабель индуктор 8 может выполняться из литцендратного провода, либо одножильного, для выполнения индуктивно-резистивного нагрева.
На фиг. 2 изображена индукционно-нагревательная система с последовательно включенными едиными нагревательными компонентами 11, 12. Источник питания 1 подключен через коммутационный блок 2 с системой управления 3 к началу второй токопроводящей обкладки 6 нагревательного элемента 4 первого единого нагревательного компонента 11 и концу кабель-индуктора 8 последнего единого нагревательного компонента 12.
На фиг. 3 изображена индукционно-нагревательная система с параллельно включенными едиными нагревательными компонентами 13,14. Источник питания 1 подключен через коммутационный блок 2 с системой управления 3 к началам вторых токопроводящих обкладок 6 нагревательных элементов 4 единых нагревательных компонентов 13,14 и концам кабель-индукторов 8 единых нагревательных компонентов 13,14.
На фиг. 4 изображена индукционно-нагревательная система с едиными нагревательными компонентами 15,16,17,18,19,20 расположенными на трубопроводе, подключенными параллельно-последовательно, причем единые нагревательные компоненты соединенные параллельно, объединены в группы 21, 22, а соединенные параллельно группы единых нагревательных компонентов подключены последовательно между собой, источник питания 1 через коммутационный блок 2, управляемый системой управления 3, соединен с началом вторых проводящих обкладок 6 первой группы 21 единых нагревательных компонентов 15, 16, 17 и с концами кабель-индукторов 8 последней группы 22 единых нагревательных компонентов 18, 19, 20.
На фиг. 5 изображена индукционно-нагревательная система с едиными нагревательными компонентами 23, 24, 25, 26, 27, 28 расположенными на трубопроводе, подключенными последовательно-параллельно, причем единые нагревательные компоненты соединенные последовательно, объединены в группы 29, 30, 31 а соединенные последовательно группы единых нагревательных компонентов подключены параллельно между собой, источник питания 1 через коммутационный блок 2, управляемый системой управления 3, соединен с началом вторых проводящих обкладок 6 единых нагревательных компонентов 23, 24, 25 и с концами кабель-индукторов 8 единых нагревательных компонентов 26, 27, 28.
Устройство работает следующим образом: от источника питания 1, через коммутационный блок 2, управляемый системой управления 3 электропитания подается на единый нагревательный компонент 10. Собственная емкость и индуктивность проводящих обкладок 5,6 нагревательного элемента 4, а так же индуктивность кабель-индуктора 8, образуют коммутационный контур, в котором протекает переменный ток, создающий магнитный поток, за счет которого наводятся вихревые токи в трубопроводе 9, нагревают его в зоне расположения единого нагревательного элемента 4 и кабель-индуктора 8, передавая тепло транспортируемой по трубопроводу 9 жидкости. Частота переменного тока согласуется с частотой собственных колебаний коммутационного контура и задается системой управления 3 коммутационного блока 2. Коммутационный блок 2 может быть выполнен, например, по схеме мостового или полумостового автономного инвертора.
В зависимости от условий технологического процесса, требуемой мощности нагревательной системы, количества зон и объектов с различными температурными режимами (диапазонам температур) на стадии проектирования индукционной нагревательной системы определяется количество единых нагревательных компонентов, способы их подключения друг с другом (параллельно, последовательно, параллельно-последовательно, последовательно-параллельно)
Предлагаемые способ и устройства позволяют реализовать режимы компенсации теплопотерь и аварийного разогрева трубопроводов, повысить энергетическую эффективность, автоматизацию, промышленную и пожарную безопасность процессов нагрева.
1. Способ электротермического воздействия на 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, каждый нагревательный элемент выполняют в виде первой и второй токопроводящих обкладок, разделенных диэлектриком и свернутых в спираль, размещают на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки, для каждого нагревательного элемента дополнительно вводят коммутационный блок, отличающийся тем, что к первой токопроводящей обкладке каждого нагревательного элемента дополнительно последовательно подключают токопроводяший кабель-индуктор, размещенный на трубопроводе и образующий вместе с нагревательным элементом единый нагревательный компонент, источник питания через коммутационный блок соединяют с началом второй проводящей обкладки нагревательного элемента и с концом токопроводящего кабель-индуктора каждого единого нагревательного компонента.
2. Индукционная нагревательная система, реализующая данный способ, содержащая источник питания, систему управления, коммутационный блок, нагревательные элементы, выполненные в виде первой и второй токопроводящих обкладок, разделенных диэлектриком, свернутых в спираль, и размещенные на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки, отличающееся тем, что к концу первой проводящей обкладки каждого нагревательного элемента последовательно подключен токопроводящий кабель-индуктор, размещенный на трубопроводе и образующий вместе с нагревательным элементом единый нагревательный компонент, источник питания через коммутационный блок соединен с началом второй токопроводящей обкладки нагревательного элемента и с концом токопроводящего кабель-индуктора каждого единого нагревательного компонента.
3. Индукционная нагревательная система по п. 2, отличающаяся тем, что единые нагревательные компоненты, расположенные на трубопроводе, подключены последовательно, причем конец кабель-индуктора одного единого нагревательного компонента соединен с началом второй токопроводящей обкладки нагревательного элемента другого единого нагревательного компонента, источник питания через коммутационный блок, управляемый системой управления, соединен с началом второй токопроводящей обкладки нагревательного элемента первого единого нагревательного компонента и с концом токопроводящего кабель-индуктора последнего единого нагревательного компонента.
4. Индукционная нагревательная система по п. 2, отличающаяся тем, что единые нагревательные компоненты, расположенные на трубопроводе, подключены параллельно-последовательно, причем единые нагревательные компоненты, соединенные параллельно, объединены в группы, а соединенные параллельно группы единых нагревательных компонентов подключены последовательно между собой, источник питания через коммутационный блок, управляемый системой управления, соединен с началом вторых проводящих обкладок первой группы единых нагревательных компонентов и с концами кабель-индукторов последней группы единых нагревательных компонентов.
5. Индукционная нагревательная система по п. 2, отличающаяся тем, что единые нагревательные компоненты, расположенные на трубопроводе, подключены последовательно-параллельно, причем единые нагревательные компоненты, соединенные последовательно, объединены в группы, а соединенные последовательно группы единых нагревательных компонентов подключены параллельно между собой, источник питания через коммутационный блок, управляемый системой управления, соединен с началом вторых проводящих обкладок первой группы единых нагревательных компонентов и с концами кабель-индукторов последней группы единых нагревательных компонентов.
