Диссертация. Электротермическая система обеспечения тепловых режимов оборудования нефтяных месторождений
 Скачать 7.24 Mb.
|
|
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ Для разработки технических решений необходимо представлять объекты нагрева и все их параметры. Данная диссертация выполнена в рамках НИР «Разработка методов и устройств регулирования реологических свойств высоковязкой нефти на основе энергосберегающих индукционных технологий». К объектам в нефтяной промышленности, перспективным для внедрения термических электротехнологий относятся [82]: - буровые скважины; - промысловые нефтепроводы (пункты подогрева нефти); - установки комплексной подготовки нефти; - магистральные нефтепроводы (станции подогрева нефти); - технологические нефтепроводы; - вертикальные и горизонтальные резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов; - железнодорожные цистерны; - битумные контейнеры; - шламовые резервуары (ямы); - железнодорожные переезды и стрелки на территориях нефтеперерабатывающих предприятий. В нефтяной и газовой промышленности нагрев и поддержание температуры используется в резервуарах запаса (хранения) нефтепродуктов, в технологических установках (емкостях) обработки нефтепродуктов, в тепловых спутниках технологических трубопроводов транспортировки масел и других нефтепродуктов, а также газов, например [83]: - теплоснабжение требуется для нагрева различных сред и производства химических продуктов в промышленных и лабораторных установках для отгонки нефтепродуктов, для производства лаков и других лакокрасочных материалов; 46 - используется локальный нагрев нефти на участке технологического трубопровода, транспортируемой соответственно в пункты учета и сдачи нефти, а также локальный нагрев нефти на участках магистральных технологических трубопроводов для ее транспортировки на большие расстояния; - поддержание температуры в резервуарах нефтехранилищ; - локальный нагрев нефтяного и природного газа, подаваемого в газотурбинные установки, котельные и т.д.; - поддержание температуры нефти или газа на тупиковых участках технологических трубопроводов; - поддержание температуры воды в противопожарных резервуарах; - нагрев нефти в буллитных емкостях для технологического процесса ее обезвоживания, а также нагрев нефти в других случаях, где требуется ее предварительная подготовка (сепарация, обессоливание и т.д.) на нефтяных промыслах до транспортировки; - нагрев топливного мазута или нефти, подаваемых на сжигание в котлах; - автономное и централизованное теплоснабжение для отопления, горячего водоснабжения и вентиляции объектов, в том числе вахтовых поселков, общежитий, административных и бытовых зданий и т.д. Исходя из различных задач теплового воздействия, все элементы, требующие обогрева, относящиеся к нефтегазовой отрасли можно разделить на: - трубопроводы и составные элементы трубопровода, такие как: лупинги, запорная арматура, переходы, ответвления, электроприводы двигателей, задвижек, насосов; - различные резервуары и технологические емкости; - электроприводы; - бытовые объекты. Температурный режим каждого обогреваемого элемента индивидуален, и зависит от продукта, который в момент температурного воздействия протекает в нем. Для правильной постановки задачи при разработке методов и устройств 47 рассмотрены режимы функционирования объектов нефтегазовой отрасли и определены требуемые температурные диапазоны. Данная задача рассмотрена на примере технологической схемы обвязки нефтяного промысла, представляющей собой сложное инженерное сооружение, состоящее из большого количества различных элементов, требующих теплового воздействия (технологические трубопроводы, резервуары и емкости) (рисунок 2.1). Рисунок 2.1 – Технологическая схема обвязки промысла Обвязка куста представляет собой сложное инженерное сооружение, состоящее из большого количества различных элементов. Основными элементами, которые требуют теплового воздействия, являются технологические трубопроводы, резервуары и емкости. В таблице 2.1 представлены параметры элементов, требующих нагрева. 48 Таблица 2.1 – Параметры трубопроводов и емкостей Обозначение линии Диаметр, (мм) Толщина теплоизоляции, (мм), тип Длина, (м) Задвижка с фланцами, кол-во, (шт.) Фланцы, кол-во, (шт.) Примечание Трубопровод Нефть дренаж 57 50, пенополиуретан 90 3 3 Поддержание температуры на уровне + 40 °С. Установка надземная Трубопровод Нефть 89 50, пенополиуретан 85 4 8 Поддержание температуры на уровне + 40 °С. Установка надземная Трубопровод Нефть 108 50, пенополиуретан 65 3 6 Поддержание температуры на уровне + 40 °С. Установка надземная Трубопровод Газовый конденсат 89 50, пенополиуретан 15 1 2 Поддержание температуры на уровне + 40 °С. Установка надземная Трубопровод Газовый конденсат 108 50, пенополиуретан 15 1 2 Поддержание температуры на уровне + 40 °С. Установка надземная Емкость, 2 шт. Нефть V=50 м³ Уровень жидкости 2,2 м 100, пенноплекс Поддержание температуры на уровне + 40 °С. Установка надземная Емкость Газовый конденсат V=50 м³ Уровень жидкости 2,2 м 100, пенноплекс Поддержание температуры на уровне + 40 °С. Установка надземная Емкость Дренаж нефти V=16 м3 Уровень жидкости 1,8 м 100, пенноплекс Поддержание температуры на уровне + 40 °С. Установка надземная Трубопровод Нефть 57 50, пенополиуретан 250 Поддержание температуры от +20 °С до + 40 °С. Установка надземная Трубопровод Нефть 57 50, пенополиуретан 300 Поддержание температуры на уровне плюс 40 °С. Установка надземная Емкость Нефть V=6,3 м³ Уровень жидкости 1,2 м (4 м³) 100, пенноплекс Поддержание температуры на уровне плюс 40 °С. Установка надземная Емкость Нефть V=6,3 м³ Уровень жидкости 0,2 м (1,2 м³) 100, пенноплекс Поддержание температуры на уровне плюс 40 °С. Установка надземная Емкость вода V=12,5 м3 ¢ 2016 100, пенноплекс 4,28 Защита от замерзания. Установка подземная Емкость вода V=3 м3 ¢ 1400 100, пенноплекс 2,4 Защита от замерзания. Установка подземная Резервуар, 2 шт. Вода V=100 м3 100, пенополистирол 2 4 Защита от замерзания. Установка надземная Трубопровод канализации, Вода 159 45, пенополиуретан 20 Самотечный, Защита от замерзания. Установка подземная 49 В таблице 2.2 представлены требования к перекачиваемым продуктам. Для снижения уровня тепловых потерь трубопроводов и резервуаров используется теплоизоляция. В качестве теплоизоляции трубопроводов используется пенополиуретан, для теплоизоляции емкостей – пеноплекс, пенополистирол. Коэффициент теплопроводности для данных материалов находится в пределах от 0,032 до 0,05 Вт/(м·К). По данным таблицы 2.2 можно сделать вывод о температурных режимах для каждого обогреваемого объекта. Таблица 2.2 – Проектные данные Продукт Нефть Вода Требуемая температура продукта, °С плюс 40 плюс 5 Максимальная допустимая температура продукта, °С плюс 40 плюс 15 Минимальная температура окружающей среды, °С минус 56 Максимальная температура окружающей среды, °С плюс 35 В таблице 2.3 указаны плотности и удельные теплоемкости веществ. Таблица 2.3 – Данные для расчетов Наименование с, Дж/(кг·°С) ρ, кг/м 3 Нефть 1900 900 Газовый конденсат 2200 770 Вода 4200 1000 Материал трубопровода 462 7850 2.1 Концептуальная проработка технических решений индукционной нагревательной системы Концептуальная проработка – этап, на котором принимаются определяющие последующий облик решения, и проводится исследование и согласование параметров созданных технических решений с возможной их организацией. Основной объем задач концептуальной проработки относится к 50 ранним стадиям разработки технических систем: при постановке задачи, выработке массива вариантов технических решений. Аналитический обзор существующих технологий увеличения нефтеотдачи пласта на основе электрофизических систем показал, что по воздействию данные системы можно разделить на три зоны (рисунок 1.18): устье, линейная часть скважины, забой с продуктовым пластом. Особенности температурных режимов работы перечисленных зон формируют требования к установкам индукционного нагрева каждой зоны, как в отдельности, так и совместно (таблица 2.4). Наиболее эффективными электрофизическими методами являются технологии воздействия переменным электромагнитным полем средней частоты. Технология может быть реализована как для нагрева устьевого оборудования, скважины, забоя, так и для продуктового пласта в сочетании с жидким или газообразным агентом. Таблица 2.4 – Особенности температурных режимов работы Порядковый номер Зона воздействия Требуемый результат 1 Забой скважины с продуктовым пластом (коллектор) Обеспечение требуемой вязкости нефти 2 Линейная часть скважины Предотвращение АСПО 3 Устье скважины Обогрев устьевого оборудования Ввиду повышенной сложности монтажа и невысокой надежности в эксплуатации систем попутного и локально-попутного нагрева из-за особенностей расположения нагревательных элементов для протяженных трубопроводов наиболее эффективным по надежности, энергетическим показателям и простоте монтажа является способ локально-ступенчатого нагрева. Для определения наиболее оптимальных схемотехнических решений ИНС добычи нефти сформулированы следующие задачи: - разработать функциональные и структурные схемы ИНС и её составных частей; 51 - разработать математические и физические модели ИНС для обеспечения термического воздействия на скважинное оборудование при добыче вязкой нефти и при обеспечении термического воздействия на него индукционным методом; - разработать методику расчета параметров индукторов сложной геометрии. 2.2 Разработанные способы и индукционные нагревательные системы По итогам исследований определены направления разработки технических решений для систем термического воздействия на скважины: - способ и ИНС локально-ступенчатого нагрева; - способ и ИНС локально-попутного нагрева. По результатам изучения описания патентов, технические решения в которых наиболее приближены к решаемым в данной диссертации задачам, выбора аналогов и прототипов, разработаны основные технические решения ИНС в добыче и транспорте нефти. Определены функциональные схемы ИНС для реализации локально- ступенчатого (рисунок 2.2) и локально-попутного нагрева (рисунок 2.3). Выпрямитель Фильтр Инвертор Драйвера управления инверторами Блок питания цепей управления Т Силовая часть Нефть t 2 Нефть t 1 Пульт ручного управления Процессор Системная шина Интерфейсный модуль Локальный нагреватель n Локальный нагреватель 2 Локальный нагреватель 1 Рисунок 2.2 – Функциональная схема ИНС локально-ступенчатого нагрева 52 Выпрямитель Фильтр Инвертор Драйвера управления инверторами Блок питания цепей управления Т Силовая часть Нефть t 2 Нефть t 1 Пульт ручного управления Процессор Системная шина Интерфейсный модуль Рисунок 2.3 – Функциональная схема ИНС локально-попутного нагрева 2.2.1 Система локально-ступенчатого нагрева Разработан и запатентован 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 АСПО и коксования перекачиваемой жидкости. Нагревательные элементы выполняют в виде двух проводящих обкладок, разделенных диэлектриком и обмотанных вокруг трубопровода, и размещают на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки [84]. Для каждого нагревательного элемента дополнительно введен коммутатор, подключенный к концу первой и к началу второй обкладки нагревательного элемента. Индукционная нагревательная система для протяженных трубопроводов, реализующая данный способ, содержит ИП, систему управления, нагревательные элементы, размещенные на трубопроводе. Нагревательные элементы выполнены в виде двух проводящих обкладок, разделенных диэлектриком, обмотанных вокруг 53 трубопровода, размещенных на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки. Положительный полюс ИП подключен к началу первой обкладки нагревательного элемента, отрицательный полюс ИП 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. Вариантом исполнения является устройство, у которого отрицательный полюс ИП и конец второй обкладки нагревательного элемента электрически соединены с трубопроводом. Предлагаемые способ и устройство позволяют реализовать прогрев протяженных трубопроводов, повысить управляемость процесса нагрева и тепловой КПД системы. На рисунке 2.4 изображен трубопровод 1 с установленной на нем ИНС, состоящей из ИП 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 ИП 2 подключен к началу первой обкладки 6 нагревательного элемента 5, отрицательный полюс ИП 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. Отрицательный полюс ИП 2 и конец второй обкладки 7 нагревательного элемента 5 могут быть электрически соединены с трубопроводом 1 Рисунок 2.4 – ИНС для протяженных трубопроводов 54 На рисунке 2.5 показана ИНС с нагревательными элементами (НЭ 1 – НЭ n ). L сn – 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, К 1 – К n – коммутаторы соответствующих нагревательных элементов. Процесс нагрева контролируется системой управления 3, определяющей частоту коммутации, и ИП 2, задающим величину напряжения, до которого заряжаются нагревательные элементы. В случае с неуправляемым коммутатором нагревательный элемент заряжается до напряжения пробоя, равного U з.макс. , затем происходит электрический пробой коммутатора. Напряжение пробоя неуправляемого коммутатора определяется требуемой тепловой мощностью (рисунок 2.6). Рисунок 2.5 – ИНС для протяженных трубопроводов T 0 h 1 а б T 1 T 2 T 3 T Зона забоя Зона линейная h 1 h 2 h n 2 4 3 5 6 5 L И (n -1 ) L МИ 4 7 L И 1 L Н К Т Коллекторный пласт в 2 Рисунок 2.6 – К описанию устройства нагрева вязких жидкостей 55 На рисунке 2.7 изображены зависимости тока и напряжения на секции нагревательного элемента от времени. В промежутке времени 0 – t 1 происходит заряд емкости нагревательного элемента до напряжения U змакс током с максимальным значением I змакс . В промежутке времени t 1 – t 2 происходит разряд емкости нагревательного элемента, при котором возникает импульс тока в обкладках нагревательного элемента с максимальным значением I рмакс . В промежутке времени t 2 – T пауза, регулирующая частоту коммутаций, где T – период коммутации. Далее процесс повторяется циклически. Рисунок 2.7 – Графики изменения температуры нагреваемой жидкости по длине трубопровода и зависимости тока и напряжения на секции нагревательного элемента от времени На рисунке 2.8 изображен график изменения температуры нагреваемой жидкости по длине трубопровода. Т 0 – начальная температура транспортируемой жидкости, Т 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 56 застывания парафинов и смол, содержащихся в добываемой нефтяной эмульсии, до температуры коксования эмульсии. Рисунок 2.8 – Графики изменения температуры нагреваемой жидкости по длине трубопровода и зависимости тока и напряжения на секции нагревательного элемента от времени Устройство работает следующим образом: от ИП 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 Т 0 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. 57 Устройство работает с сопроводительной сетью и может получать питание по двум проводам от положительного и отрицательного полюсов ИП. Вариантом исполнения является устройство, в котором отрицательный полюс ИП 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 управляемости 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 [81, 85]. 2.2.2 Система локально-попутного нагрева В настоящее время существует проблема добычи высоковязких нефтей. Содержание парафина в некоторых нефтях достигает 25 %, а смол до 55 %. Высоковязкие нефти, имеющие большую плотность и значительное содержание смол, с понижением температуры ещё более повышают свою вязкость, что значительно осложняет добычу и транспортировку нефти. В России высоковязкие нефти добываются, в основном, в Волго-Уральском, Западно-Сибирском и Ленно-Тунгусском нефтегазоносных бассейнах [19]. Добыча высоковязких нефтей зачастую осложняется АСПО, формирующимися на поверхности нефтепромыслового оборудования и в призабойной зоне скважин [34]. Эти отложения снижают коэффициент продуктивности и осложняют эксплуатацию скважин увеличивая 58 эксплуатационные расходы и себестоимость добычи нефти. Начало отложений АСПО отмечается на глубине 700 – 800 м [35]. Наибольшие отложения наблюдаются примерно на глубине 100 – 250 м. При увеличении толщины отложений уменьшается диаметр прохождения пути, а также увеличивается нагрузка на колонну штанг на 3 – 10 кН. В настоящее время на практике применяются разнообразные методы борьбы с АСПО: механические, тепловые, химические и биологические [33]. В основном активно применяются химические методы, обладающие при своей дешевизне важным недостатком – они экологически вредны, загрязняют почвы, уничтожают микрофлору и фауну. Наиболее рациональными методами являются тепловые методы [39], к которым и относятся электротермические методы воздействия. Среди электротермических методов наиболее часто применяются резистивные кабельные системы [71]. По мере увеличения мощности нагревательного элемента температура на устье скважины растет, и следует учитывать тот факт, что целесообразно располагать нагревательный кабель от начала интервала выпадения парафина до устья, а не только на интервале выпадения парафина. Практика показывает, что разогрев АСПО в нижней части не позволяет решить проблему АСПО в устье скважины [43]. Однако резистивные кабельные системы эффективны для режима поддержания температуры, т.е. их рационально использовать в действующих скважинах с целью профилактики АСПО и поддержания температурных режимов в трубе для обеспечения необходимой вязкости нефти. В случаях, когда пробки АСПО уже существуют, для их ликвидации применение резистивных кабельных систем не эффективно. В данном случае используются локальные индукционные скважинные электронагреватели, которые обладают большой мощностью (от 5 до 7 кВт) при малой линейной протяженности. Недостатками локальных нагревательных систем является невозможность прогрева всей протяженности скважины и опасность коксования в месте локального нагрева. 59 Для эффективного решения проблемы обогрева скважины необходимо создание системы индукционного скважинного электронагрева, которая позволит: - обеспечить погонную мощность не менее 60 Вт на погонный метр; - обеспечить локальный нагрев (от 5 до 7 кВт) в головной части нагревательной системы для преодоления сформировавшихся пробок; - обеспечить регулирование процессом нагрева; - обеспечить устранение локального нагрева в головной части нагревательной системы после ее полной установки; - обеспечить возможность использования в качестве проводника – НКТ. Данная задача решается разработанным в соавторстве способом ликвидации отложений и предотвращения образования отложений и пробок в нефтегазодобывающих скважинах, при котором осуществляют нагрев на глубину образования отложений с помощью нагревательной системы, содержащей линейный нагревательный элемент в виде металлического проводника, погружаемого в скважину, и погружаемую в скважину питающую жилу, по которой пропускают электрический ток с обеспечением его замыкания в головной части нагревательной системы на линейный нагревательный элемент, через питающую жилу пропускают электрический ток высокой частоты и воздействуют на металл линейного нагревательного элемента высокочастотным полем питающей жилы, при этом частоту электрического тока устанавливают на нижнем пороге из условия, чтобы глубина проникновения высокочастотного поля в металл линейного нагревательного элемента была меньше его толщины, и обеспечивают преимущественное тепловыделение по длине линейного нагревательного элемента путем увеличения частоты электрического тока, замыкание электрического тока в головной части нагревательной системы между линейным нагревательным элементом и питающей жилой обеспечивают использованием замыкающего элемента, замыкающий элемент выполняют на ферромагнитном сердечнике, температура замыкающего элемента и окружающей его среды контролируется при помощи датчика температуры, расположенного в головной части нагревательной системы, и регулируется системой управления в 60 необходимом диапазоне при спуске нагревательной системы в скважину, затем, после полного погружения нагревательной системы в скважину, система управления нагревом вводит ферромагнитный сердечник в насыщение, и тепловыделение происходит преимущественно по длине линейного нагревательного элемента, поскольку замыкающий элемент имеет падающую зависимость сопротивления от насыщения его ферромагнитного сердечника. Разработано устройство , реализующее данный способ, содержащее нагревательную систему, состоящую из питающей жилы и линейного нагревательного элемента в виде металлического проводника с сечением, выбранным достаточным для удержания веса погружаемой в скважину нагревательной системы, а также замыкатель электрического тока между ними в головной части нагревательной системы, питающая жила выполнена из скрученных и изолированных проводников, замыкатель электрического тока выполнен в виде обмотки из высокочастотного провода, намотанной на сердечник и помещенной внутрь металлической оболочки, сердечник торцевыми частями замкнут на эту оболочку, в головной части нагревательной системы располагается датчик температуры, при помощи которого контролируется температура замыкателя при спуске нагревательной системы в скважину, в качестве сердечника используется ферромагнитный материал, вводимый в насыщение системой управления нагревом, когда нагревательная система полностью погружена в скважину [57]. Установка для борьбы с АСПО (рисунок 2.9) содержит систему питания и управления нагревом 1, лебёдку с барабаном 2, геофизический кабель 3, замыкатель 4, датчик температуры 5. Геофизический кабель 3, замыкатель 4 и датчик температуры 5 образуют нагревательную систему. Нагревательная система погружается в НКТ 6, либо в межтрубное пространство, образованное НКТ 6 и обсадной колонной 7. Литцендратный геофизический кабель (рисунок 2.10) состоит из внешней грузонесущей стальной брони 8, которая является линейным нагревательным элементом, питающей жилы 9, состоящей из скрученных медных проводников и 61 заключённых в изоляцию 10, в пространстве между жилами полимерный заполнитель 11. Рисунок 2.9 – Устройство для ликвидации и предотвращения образования отложений и пробок в нефтегазодобывающих скважинах При погружении нагревательной системы в скважину (рисунок 2.11) осуществляют локальный нагрев в головной части при помощи замыкателя 4, являющегося локальным нагревателем, встречающиеся на пути пробки из АСПО 12 плавятся, и нагревательная система опускается ниже по стволу скважины. Рисунок 2.10 – Литцендратный геофизический кабель Рисунок 2.11 – Нагревательная система в скважине 62 Индукционная нагревательная система работает следующим образом. Геофизический кабель 3 спускается в скважину в зону образования отложений. При этом для его спуска на необходимую глубину нужно преодолевать забитые отложениями участки НКТ - пробки 12. Поэтому важно, чтобы при спуске происходил более мощный локальный нагрев в головной части, а кабель3, навитый на барабан 2, нагревался значительно меньше. Для этого в головной части нагревательной системы размещается локальный нагреватель 4. Локальный нагреватель является замыкателем между питающей жилой 9 и линейным нагревательным элементом (броня кабеля 8), осуществляющим попутный нагрев добываемой жидкости. Замыкатель 4 выполнен в виде обмотки из высокочастотного провода на ферромагнитном сердечнике, размещённых внутри стальной оболочки, которая и является нагревательным элементом локального нагревателя. При спуске нагревательной системы в скважину устанавливают частоту тока на нижнем пороге, при которой глубина проникновения высокочастотного поля в металл линейного нагревательного элемента будет меньше его толщины. При этом тепловыделение преимущественно будет происходить в замыкателе 4. Рабочая температура замыкателя (выше температуры плавления отложений, но ниже температуры их коксования) поддерживается системой питания и управления нагревом 1 и контролируется датчиком температуры 5, размещённым в головной части. После погружения нагревательной системы в скважину, когда с помощью замыкателя пробиты и расплавлены пробки АСПО, необходимость в сильном локальном тепловыделении в головной части отпадает и для осуществления попутного нагрева скважины необходимо перераспределение мощности между линейным нагревательным элементом и замыкателем, что достигается вводом в насыщение ферромагнитного сердечника замыкателя и уменьшением при этом индуктивного сопротивления высокочастотного провода замыкателя. Затем, регулируя частоту тока в нагревательной системе, регулируют нагрев линейного нагревательного элемента. Существует несколько способов, чтобы ввести ферромагнитный сердечник в насыщение. Например, можно 63 повысить ток в обмотке замыкателя. Для этого увеличивают амплитуду напряжения, причём во время погружения нагревательной системы в скважину амплитуда напряжения и сила тока устанавливается такой, что сердечник находится в состоянии преднасыщения, это делает устройство более контролируемым. Также возможно подобрать сердечник, который будет насыщаться при увеличении частоты тока. Предлагаемая нагревательная система имеет более широкие функциональные возможности, с точки зрения применимости при ликвидации АСПО, поскольку применима для борьбы с отложениями с различной температурой плавления. Повышение надежности предлагаемой нагревательной системы определяется возможностью использования механически более прочных магнитных материалов, чем ферриты [57]. 2.2.3 Труба для транспортировки вязких текучих сред Реализация способа и системы локально-ступенчатого нагрева, предложенного автором и описанного в п.2.2.1, потребовала разработки унифицировнного изделия, для упрощения применения в эксплуатации. Автором предлагается устройство - труба для транспортировки вязких текучих сред (рисунок 2.12), которое содержит рабочую трубу 1, теплоизоляционный слой 2, нагревательный элемент 3, размещенный на трубе, отличающаяся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде двух проводящих обкладок, разделенных диэлектриком и свернутых в спираль, каждая обкладка нагревательного элемента имеет выводы в начале и в конце обкладки, выведенные в клеммную коробку 4. Рисунок 2.12 – Труба для транспортировки вязких текучих сред 64 Вариантом исполнения является труба, у которой вывод в конце второй проводящей обкладки нагревательного элемента электрически связан с рабочей трубой. Трубу для транспортировки вязких текучих сред изготавливают следующим образом: на рабочей трубе 1 располагают (наматывают непосредственно на трубу или наматывают сначала на цилиндрический каркас, а затем его надевают на трубу) нагревательный элемент 3, выполненный в виде проводящих обкладок 5,6 разделенных диэлектриком 7. Выводы в начале 8,9 и в конце 10,11 каждой проводящей обкладки 5 и 6 выводят в клеммную коробку 4. Поверх рабочей трубы 1 и нагревательного элемента 3 наносится теплоизоляционный слой 2. Монтаж трубопровода из труб описанной конструкции происходит следующим образом. Соединяют концы смежных труб, причем часть труб может не содержать нагревательный элемент. Количество и расположение труб с нагревательными элементами определяется технологическим процессом. Технический результат, достигаемый заявленной совокупностью признаков, заключается в снижении тепловых потерь при транспортировке вязких текучих сред за счет наличия теплоизоляционного слоя, повышении эффективности передачи тепла рабочей трубе, за счет конструкции и расположения нагревательного элемента, упрощения и повышения надежности монтажа за счет независимого соединения трубы и электрических соединений, расширении функциональных возможностей при создании трубопроводов с различными температурными режимами перекачки вязких жидкостей [86]. 2.2.4 Устройство разогрева и слива из емкости продуктов в холодном и вязком состоянии Проблема слива из резервуаров, емкостей, ж/д цистерн вязких текучих сред нашла решение в разработанном и запатентованном в соавторстве способе разогрева и слива из емкости продуктов в холодном и вязком состоянии, включающий индукционный низкотемпературный нагрев стенок емкости с одновременным вибрационным воздействием на пристеночный тонкий слой продукта и последующий слив продукта. Индукционный нагрев и 65 электродинамическое вибрационное воздействие осуществляются импульсным электромагнитным полем повышенной-средней частоты, которое формируется системой индуктор-преобразователь [58]. Устройство для разогрева и слива из емкости продуктов в холодном и вязком состоянии, реализующее данный способ, содержит индукторы, представляющие собой гибкую конструкцию, выполнены из изолированного многожильного медного провода, уложенного в плоскости в один ряд и размещенного в диэлектрическом материале, и устанавливаются на стенки котла емкости, на индукторы подается питание от преобразователя, генерирующего импульсы тока повышенной-средней частоты с крутым фронтом нарастания импульса, причем частота импульсов тока и крутизна фронта нарастания импульсов тока в индукторе определяется параметрами индуктора и коммутационного контура преобразователя [58]. На рисунке 2.13 представлено схематично устройство для разогрева и слива из емкости продуктов в холодном и вязком состоянии, содержащее индукторы 1, выполненные из изолированного многожильного медного провода 2, уложенного в плоскости в один ряд и размещенного в диэлектрическом материале 3. Индукторы 1 установлены на стенки 4 котла емкости. На индукторы подается питание от преобразователя 5. Рисунок 2.13 – Устройство для разогрева и слива из емкости продуктов в холодном и вязком состоянии 66 На рисунке 2.14 показан пример временных диаграмм импульсов тока повышенной частоты с крутым фронтом нарастания импульса. Рисунок 2.14 – Временные диаграммы импульсов тока повышенной частоты с крутым фронтом нарастания импульса Устройство работает следующим образом. Индукторы 1 размещают на стенках котла емкости (предпочтительно в нижней части котла для формирования интенсивной свободной конвекции вязкого продукта и его скорейшего разогрева). От преобразователя 5 подается питание на 1. Импульсные токи, генерируемые преобразователем 5 в индукторах 1 создают импульсное переменное электромагнитное поле повышенной-средней частоты, которое в свою очередь индуцирует импульсные вихревые токи в стенках 4 котла емкости. Под воздействием импульсных вихревых токов стенки 4 котла нагреваются и передают тепло вязкому продукту, находящемуся внутри котла железнодорожной цистерны. Кроме того, воздействие на стенки котла импульсных токов повышенной-средней частоты с крутым фронтом создает ударные электродинамические вибрации стенок котла, что способствует разрушению пограничного слоя вязкого продукта и ускорению процесса слива продукта. Предлагаемое устройство позволяет регулировать частоту следования импульсов и задавать требуемую энергию импульса [58]. 2.2.5 Устройство электрообогрева стрелочного перевода На рисунке 2.15 представлена схема разработанного устройства электрообогрева стрелочного перевода, содержащее ИП 1, датчики температуры рельса 2, датчик температуры наружного воздуха 3, датчик осадков 4, систему 67 управления 5, регулирующую интенсивность обогрева, электронагреватели 6, рамные рельсы 7, ИП генерирует переменный ток повышенно-средней частоты, система управления работает по принципу частотного регулирования мощностью устройства, а в качестве электронагревателей используются индукторы, выполненные в виде проводников с многопроволочной токопроводящей жилой высокой проводимости в термостойкой изоляции и расположенные на поверхности шейки и/или подошвы рельса стрелочного перевода, или на поверхности ферромагнитных шпал. Рисунок 2.15 – Устройство электрообогрева стрелочного перевода На рисунке 2.16 представлено то же устройство электрообогрева стрелочного перевода, электронагреватели – индукторы 6 которого расположены на ферромагнитных шпалах 8. Рисунок 2.16 – Устройство электрообогрева стрелочного перевода Предлагаемое устройство работает следующим образом. От ИП переменным током повышенно-средней частоты 1 подается электропитание на индукторы 6, по которым будет протекать ток и создавать магнитное поле, воздействующее на рамный рельс 7, либо на ферромагнитные шпалы 8. Возникающие в металлическом теле рамного рельса 7 (либо в ферромагнитных 68 шпалах 8) вихревые токи обеспечивают нагрев рельса (шпалы), и происходит процесс плавления льда и снеготаяния. В зависимости от показаний датчиков температуры рельса (шпалы) 2, наружного воздуха 3, осадков 4, система управления 5 регулирует интенсивность нагрева путем изменения частоты, генерируемого ИП тока. Улучшение эффективности теплопередачи достигается тем, что источником тепла является непосредственно рамный рельс (шпала), тем самым из процесса теплопередачи исключены зоны с низким коэффициентом теплопередачи, сведены к минимуму потери тепловой энергии, снижаются затраты на электроэнергию. Отсутствие гальванической связи электронагревателя с рельсом (шпалой) повышает надежность и обеспечивает бесперебойность работы устройства [87]. 2.3 Разработка рекомендаций по монтажу и наладке разработанных индукционных нагревательных систем В главе 2 пункте 2.2. представлены разработанные технические решения ИНС для протяженных трубопроводов, обеспечивающих диапазон рабочих температур, транспортируемой по трубопроводам жидкой вязкой среды [57, 58, 85, 86, 87]. Следует отметить несколько моментов, связанных с особенностями их конструкции и функционирования, которые необходимо учитывать при монтаже и наладке данного оборудования. Принцип действия всех предлагаемых технических решений ИНС основан на создании высокочастотных (единицы-десятки килогерц) электромагнитных полей, воздействующих на трубопроводы. В случае протяженных трубопроводов возникает задача исполнения одновиткового индуктора, расположенного вдоль трубопровода на десятки-сотни метров [47], либо многовиткового индуктора [50, 51], когда необходимо учитывать особенности технологического процесса и расположения по длине трубопровода опор, фланцевых соединений, изгибов, задвижек, разветвлений, отводов. 69 Учет элементов трубопровода производится при проектировании ИНС. После теплового расчета определяется состав и исполнение системы по способу нагрева: локальный, попутный, локально-ступенчатый, локально-попутный [73, 81]. Нагревательные элементы при локальном, локально-ступенчатом и локально- попутном способах нагрева размещены на трубопроводе с интервалами, определяемыми температурным режимом и технологическим процессом перекачки и выполняются на основе гибридного индуктора, исполняющего функции коммутационного контура и индуктора одновременно [84]. Нагревательный элемент на основе гибридного индуктора выполняется в виде отдельной сборочной единицы: либо на отдельном участке трубопровода с фланцевыми соединениями для крепления в месте расположения по проекту, либо в виде трубы с нанесенной в заводских условиях изоляцией [85, 86]. Гибридный индуктор выполнен на основе одной из структур многофункционального интегрированного электромагнитного компонента (МИЭК) [88, 89, 90]. Нагревательные элементы при попутном способе нагрева, а также часть нагревательной системы при локально-попутном способе выполняются из литцендратного провода, который может располагаться вдоль трубопровода одним витком, либо путем навития на трубопровод. Если расчеты в результате проектирования показали необходимость навития индуктора на протяженную часть трубопровода, следует при монтаже индуктора использовать способ, который позволяет осуществлять монтаж провода большой длины без сложной технологической оснастки [91]. Также при монтаже индукционного провода следует избегать пересечения части провода самого себя не под прямым углом. Проектные расчеты позволяют определить исполнение монтажа индукционного провода на каждом участке трубопровода (рисунки 2.17 и 2.18). Источник питания ИНС может располагаться либо на расстоянии в десятки- сотни метров от индуктора, либо в месте непосредственного размещения нагревательного элемента. В первом случае питающий кабель следует выполнять таким образом, чтобы он представлял собой бифилярный проводник [92]. 70 Поскольку протяженность трубопроводов и соответственно индуктора может достигать сотен метров, а некоторых случаях и единиц километров, то возникла необходимость разработать способ монтажа индуктора, упрощающий монтаж индуктора. Далее предложено описание, разработанного в соавторстве способа монтажа индуктора на протяженных объектах. Рисунок 2.17 – Способ монтажа индуктора на протяженных объектах Рисунок 2.18 – Варианты способа монтажа индуктора Способ монтажа индуктора на протяженных объектах, при котором индуктор навивают на протяженный объект, кабель располагают вдоль протяженного объекта, фиксируют на протяженном объекте так, что создают провисы в виде петель с закрепленными концами, а сами петли наматывают на протяженный объект с расчетным шагом, определяемым длиной петли. Рисунки 2.17 и 2.18 поясняют суть предлагаемого способа монтажа индуктора на протяженном объекте. На рисунке 2.17, а, представлен протяженный объект 1, в виде участка трубопровода, индуктор 2, 71 зафиксированный на протяженном объекте 1, так что создан провис индуктора в виде петли 3, с закрепленными концами 4,5. Стрелкой показано возможное направление намотки петли индуктора. На рисунке 2.18, б, показано исполнение индуктора в процессе намотки, а на рисунке 2.18, в, - итог окончания монтажа индуктора. На рисунках 2.18, а, б, показаны варианты способа монтажа индуктора 2 на протяженный объект 1. 2.4 Выводы по главе 2 1 Предложены способы обеспечения реологических свойств вязких и высоковязких текучих сред (патенты РФ №№ 2517137, 2569102, 2584137), основанные на электротермическом воздействии и реализующие локально- ступенчатый и локально-попутный нагрев объектов нефтегазовой отрасли. 2 Определены функциональные схемы ИНС на основе МИЭК и исследованы режимы работы ИНС для реализации локального, локально- ступенчатого и локально-попутного нагрева. 3 Разработаны рекомендации по монтажу и наладке ИНС протяженных трубопроводов. Разработан оригинальный способ монтажа протяженного индуктора (патент РФ № 2496281), позволяющий сократить время монтажа в 3-4 раза, а также осуществлять вырезки и врезки трубопроводов, без демонтажа и повреждения кабеля – индуктора. |