RU2683028C1

RU2683028C1 - Method for subjecting pipelines to electrothermal action and induction heating system therefor

Info

Publication number: RU2683028C1
Application number: RU2017139324A
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Конесев; Алексей Анатольевич Сердюк; Ильмир Зуфарович Гайнутдинов; Радмир Рифович Афлятунов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-инженерный центр "Энергодиагностика"
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2019-03-26

Abstract

FIELD: transportation.SUBSTANCE: invention is applicable to objects of the oil and gas industry, as well as the chemical, food and other industries where thermal viscous fluids are transported through pipelines. Method and device of subjecting pipelines to electrothermal action carries out the heating of the pipeline by means of heating elements placed on the pipeline, maintaining the temperature of the pumped liquid, each heating element is performed in the form of the first and second conductive plates separated by a dielectric and rolled into a spiral, placed on the pipeline at intervals, for each heating element an additional switching unit is introduced, the conductive cable-inductor placed on the pipeline and forming together with the heating element a single heating component is additionally sequentially connected to the first conductive plate of each heating element, and the power supply is connected to the beginning of the second conductor plate through the switching unit.EFFECT: invention allows for the implementation of heat loss compensation and emergency heating of pipelines, to increase energy efficiency, automation, industrial and fire safety of heating processes.5 cl, 5 dwg

Description

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.The invention is applicable at the facilities of the oil and gas industry, as well as the chemical, food and other industries where transportation of thermoviscous fluids through pipelines is carried out. The invention is intended to compensate for heat loss and for heating viscous fluids, as well as to eliminate and prevent the formation of deposits and plugs in pipelines for various purposes, in particular directly in production wells, in oil and gas pipelines, in process pipelines.

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»].There is a method of associated heating an extended pipeline, in which a heating cable is used as a heat source [Electronic resource: http://www.etirex.ru/index_htm_files/Etirex-catalog-2015.pdf (accessed: 10/19/2017), official website ETIREX-Chromalox companies, product catalog, section “Electric heating with heating cables”, article “Industrial electric heating with heating cables”].

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»].A device that implements this method includes a control system, a heating cable, fasteners. Two main types of heating cables are used: constant power cables (resistive linear, resistive zone) and self-regulating cables [Electronic resource: http://www.mtraychem.ru/sistemy-podogreva-truboprovodov-i-nagrevatelnye-kabeli (accessed: 19.10 .2017), the official website of the company “Heat Workshop - Raychem (Rayhem)”, which supplies cables for industrial heating of pipes and pipelines, article “Pipeline heating systems and heating cables”].

К недостаткам данного способа и систем кабельного электрообогрева его реализующих, относятся: сложность организации аварийного разогрева трубопровода, повышенная пожароопасность.The disadvantages of this method and cable electric heating systems implementing it include: the complexity of organizing emergency heating of the pipeline, increased fire hazard.

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»].There is a known method of heating an extended pipeline, in which a high-frequency current induction heating system is used as a heat source [Electronic resource: http: //elsit.rf/articles/induction-heating-pipe (accessed date: 10/19/2017), the company's official website “ELSIT”, article “Induction heating of pipes”].

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»].A device that implements this method contains a conversion and control device, which is a transformer, the primary winding of which acts as an induction wire, and the secondary winding is a ferromagnetic heat exchanger and acts as a load on the transformer, the parameters of the elements of the electric heater are designed in such a way that ensure the operation of the device in long-term without overheating mode [Electronic resource: http://klevoz.ru/nuda/induktivno-konduktivnie-elektronagrevateli-gejzer-sftra-primen/main.html (accessed: 10/19/2017), product I company "South-Siberian Electrotechnical Company", article "inductive-conductive heaters" Geyser "].

Недостатком данного устройства является сложность нагрева протяженных трубопроводов.The disadvantage of this device is the difficulty of heating extended pipelines.

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.As a prototype, a method of electrothermal action on long pipelines was chosen [Patent for the invention of the Russian Federation No. 2584137 from 05.20.2016. IPC Н05В 6/10], in which the pipeline is heated by means of heating elements placed on the pipeline, which maintain the temperature of the pumped liquid in the interval between the crystallization temperatures of the asphalt-resin-paraffin deposits and the coking of the pumped liquid, the heating elements are made in the form of two conductive plates separated by a dielectric and rolled into spiral, and placed on the pipeline at intervals determined by the temperature regime and the pumping process, for each heating element is additionally introduced switch connected to the first end and the beginning of the second electrode of the heating element.

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.A device that implements this method, containing a power source, a control system, heating elements located on the pipeline, each heating element is made in the form of two conductive plates separated by a dielectric, rolled into a spiral, and heating elements are placed on the pipeline at intervals determined by the temperature regime and pumping process, the positive pole of the power source is connected to the beginning of the first lining of the heating element, the negative pole of the pi anija end connected to the second electrode of the heating element, each heating element is additionally introduced switch connected to the first end and the beginning of the second electrode of the heating element.

Недостатком данного способа и устройства его реализующего является отсутствие компенсации тепловых потерь на участках, где нет нагревательных элементов.The disadvantage of this method and device that implements it is the lack of compensation for heat loss in areas where there are no heating elements.

Техническими задачами изобретения являются повышение энергоэффективности, повышение управляемости процесса теплопередачи, обеспечение аварийного разогрева трубопровода, снижение пожароопасности.The technical objectives of the invention are to increase energy efficiency, increase the controllability of the heat transfer process, ensure emergency heating of the pipeline, reduce fire hazard.

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.The objectives are achieved in that in the known method of electrothermal exposure to pipelines, in which the pipeline is heated by means of heating elements placed on the pipeline, maintaining the temperature of the pumped liquid in the interval between the crystallization temperatures of the asphalt-resin-paraffin deposits and coking of the pumped liquid, each heating element is made in the form of the first and the second conductive plates separated by a dielectric and coiled into a spiral, p they are placed on the pipeline at intervals determined by the temperature regime and the pumping process, an additional switching unit is introduced for each heating element, a conductive cable-inductor located on the pipeline is additionally connected in series to the first conductive lining of each heating element and forming a single heating element together with the heating element component, the power source through the switching unit is connected to the beginning of the second conductive plate the heating element and the end of a conductive cable-uniform heating of each inductor component.

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.The tasks are also achieved by an induction heating system that implements this method, containing a power source, a control system, a switching unit, heating elements made in the form of the first and second conductive plates separated by a dielectric, rolled into a spiral, and placed on the pipeline at intervals determined by the temperature mode and technological process of pumping, and to the end of the first conductive lining of each heating element is connected in series odyaschy inducer cable disposed on the conduit, and forming a heating element with a single heating component, a power source via the switching unit is connected with the beginning of the second conductive electrode of the heating element and the end of a conductive cable-uniform heating of each inductor component.

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.An induction heating system may also include single heating components connected in series, either in parallel, or contain groups of single heating components connected in series-parallel or parallel-series.

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.In FIG. 1 shows an induction heating system consisting of a power supply 1, a switching unit 2 and a control system 3, a heating element 4, made in the form of the first 5 and second 6 conductive plates separated by a dielectric 7, and located together with a cable inductor 8 connected to the first conductive plate 5, the heating element 4, on the pipe 9. The heating element 4 with the cable inductor 8 form a single heating component 10. The power source 1 is connected via a switching unit 2 with a control system 3 phenomenon by the second conductive electrode 6 and the end of cable 8. The cable inductor inductor 8 may be made of littsendratnogo wires or stranded, to perform the resistive-inductive heating.

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.In FIG. 2 shows an induction-heating system with series heating elements 11, 12 connected in series. Power supply 1 is connected through a switching unit 2 with a control system 3 to the beginning of the second conductive plate 6 of the heating element 4 of the first single heating component 11 and the end of the cable-inductor 8 of the last single heating component 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.In FIG. 3 shows an induction-heating system with parallel integrated heating components 13,14. The power source 1 is connected through a switching unit 2 with a control system 3 to the beginning of the second conductive plates 6 of the heating elements 4 of the single heating components 13,14 and the ends of the cable inductors 8 of the single heating components 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.In FIG. 4 shows an induction-heating system with single heating components 15,16,17,18,19,20 located on the pipeline, connected in parallel-series, with the single heating components connected in parallel, combined into groups 21, 22, and connected in parallel groups of single heating the components are connected in series with each other, the power source 1 through the switching unit 2, controlled by the control system 3, is connected to the beginning of the second conductive plates 6 of the first group of 21 single heating x components 15, 16, 17 and with the ends of the cable inductors 8 of the last group of 22 single heating components 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.In FIG. 5 shows an induction-heating system with single heating components 23, 24, 25, 26, 27, 28 located on the pipeline, connected in series-parallel, and the single heating components connected in series, combined into groups 29, 30, 31 and connected in series groups of single heating components are connected in parallel with each other, the power source 1 through the switching unit 2, controlled by the control system 3, is connected to the beginning of the second conductive plates 6 of the single heating components nents 23, 24, 25 and with the ends of the cable inductors 8 of the single heating components 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.The device operates as follows: from a power source 1, through a switching unit 2 controlled by a control system 3, power is supplied to a single heating component 10. The own capacitance and inductance of the conductive plates 5,6 of the heating element 4, as well as the inductance of the cable-inductor 8, form a switching circuit in which an alternating current flows, creating a magnetic flux, due to which eddy currents are induced in the pipe 9, heat it in the zone of the location of a single heating element 4 and abel inductor 8, transferring heat transported through the pipeline 9 of the liquid. The frequency of the alternating current is consistent with the natural frequency of the switching circuit and is set by the control system 3 of the switching unit 2. The switching unit 2 can be performed, for example, according to the scheme of a bridge or half-bridge autonomous inverter.

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)Depending on the conditions of the technological process, the required power of the heating system, the number of zones and objects with different temperature conditions (temperature ranges), at the design stage of the induction heating system, the number of single heating components, the methods of connecting them to each other (parallel, series, parallel-series) are determined in series-parallel)

Предлагаемые способ и устройства позволяют реализовать режимы компенсации теплопотерь и аварийного разогрева трубопроводов, повысить энергетическую эффективность, автоматизацию, промышленную и пожарную безопасность процессов нагрева.The proposed method and devices make it possible to implement modes of compensation for heat losses and emergency heating of pipelines, to increase energy efficiency, automation, industrial and fire safety of heating processes.

Claims

1. The method of electrothermal effects on pipelines, in which the pipeline is heated by means of heating elements placed on the pipeline, maintaining the temperature of the pumped liquid in the interval between the crystallization temperatures of asphalt-resin-paraffin deposits and coking of the pumped liquid, each heating element is made in the form of the first and second conductive plates separated dielectric and coiled, placed on the pipeline at intervals defined and the temperature regime and the pumping process, for each heating element an additional switching unit is introduced, characterized in that a conductive cable-inductor located on the pipeline and forming a single heating component together with the heating element is additionally connected to the first conductive lining of each heating element power supply through the switching unit is connected to the beginning of the second conductive lining of the heating element and with to the end of the conductive cable-inductor of each single heating component.

2. An induction heating system that implements this method, containing a power source, a control system, a switching unit, heating elements made in the form of the first and second conductive plates separated by a dielectric, rolled into a spiral, and placed on the pipeline at intervals determined by the temperature regime and a pumping process, characterized in that a conductive cable-inductor is connected in series to the end of the first conductive lining of each heating element, placed on the pipeline and forming together with the heating element a single heating component, the power source through the switching unit is connected to the beginning of the second conductive plate of the heating element and to the end of the conductive cable-inductor of each single heating component.

3. The induction heating system according to claim 2, characterized in that the single heating components located on the pipeline are connected in series, and the end of the cable-inductor of one single heating component is connected to the beginning of the second conductive lining of the heating element of another single heating component, the power source through the switching unit controlled by the control system is connected to the beginning of the second conductive plate of the heating element of the first single heater th component and with the end of the conductive cable-inductor of the last single heating component.

4. The induction heating system according to claim 2, characterized in that the unified heating components located on the pipeline are connected in parallel-series, and the unified heating components connected in parallel are combined into groups, and the parallel-connected groups of unified heating components are connected in series with each other , the power source through the switching unit controlled by the control system is connected to the beginning of the second conductive plates of the first group of single heating components com and with the ends of the cable inductors of the last group of unified heating components.

5. The induction heating system according to p. 2, characterized in that the single heating components located on the pipeline are connected in series-parallel, moreover, the single heating components connected in series are combined into groups, and the series-connected groups of single heating components are connected in parallel , the power source through the switching unit controlled by the control system is connected to the beginning of the second conductive plates of the first group of single heating comp onents and with the ends of cable-inductors of the last group of unified heating components.