СИСТЕМА НАГРЕВА ПОТОКА ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ
FLUID FLOW HEATING SYSTEM IN PIPES

Изобретение относится к нефтяной, химической и другим отраслям промышленности и может быть использовано для нагрева трубопроводов с целью предотвращения образования отложений на стенках и снижения вязкости жидкости в технологических трубопроводах.
Известно оборудование для очистки нефтегазовых трубопроводов от парафиновых отложений и пробковых образований путем нагрева труб провода по всей длине или в зоне возможного парафинообразования, в котором нагрев осуществляют нагревательным кабелем, вводимым в трубопровод, а перед вводом кабеля в трубопровод определяют концентрацию парафиновых фракций и мощность кабеля в зависимости от предельной температуры его эксплуатации, температуры плавления парафина и температуры окружающей среды (см. Нефтяное хозяйство, №6, 1990, с. 58-60).
Данное техническое решение имеет существенные недостатки: параметры нагрева трубопроводов выставляются вручную и сохраняются постоянными в процессе осуществления данного способа, что делает способы нагрева трубопроводов энергозатратными и дорогостоящими. Монтаж кабеля затруднен, т.к. необходимо проводить вскрытие трубопровода в двух местах - в месте ввода кабеля и расчетной точке нахождения наконечника для извлечения транспортного поршня, что создает необходимость на долгий период останавливать участок трубопровода и делает способ нагрева трубопроводов дорогостоящим, а учитывая, что кабель в известных способах имеет грузонесущую основу в виде стального троса, кабель имеет большой удельный вес как в жидкости, так и на воздухе (расчетный удельный вес данного кабеля в воздухе до 1200 кг/км, в жидкости до 700-800 кг/км), причем большой удельный вес кабеля создает высокие силы противодействия при протягивании в трубе, что требует привлечения значительных технических ресурсов, таких как каротажный подъемник ПКС-7, автокран грузоподъемностью не менее 10 т.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности является RU 2263763 С1, 10.11.20056 (Д1). Из Д1 (с. 5 строки 24-25, с. 5 строка 50 - с. 6 строка 20, с. 7) известно устройство для нагрева жидкости в трубопроводе до температуры выше температуры образования отложений на стенках трубопровода или до температуры, необходимой для снижения вязкости жидкости в трубопроводе, или до температуры выше температуры замерзания жидкости в трубопроводе с размещенным в трубопроводе нагревательным кабелем, вставку с герметичным устройством, соединенную с трубопроводом для свободного ввода нагревательного кабеля, содержащее автоматизированную систему, включающую клеммный шкаф для подключения нагревательного кабеля, станцию управления, предназначенную для питания кабеля электроэнергией и осуществляющую контроль нагрева, подключаемую к источнику питания. Известное устройство для нагрева жидкости позволяет автоматизировать процесс с минимальными затратами и высокой эффективностью.
Однако прототип имеет существенные недостатки: нагревательный кабель сложен в изготовлении, так как имеет в конструкции датчик температуры, а броня, состоящая из двух разнонаправленных повивов стальных проволок, значительно увеличивает удельный вес кабеля как в жидкости, так и на воздухе, что технически оправдано при монтаже кабеля в насосно-компрессорных трубах скважин вертикального профиля, но значительно усложняет процесс монтажа кабеля в горизонтальных технологических трубопроводах. В прототипе заявлено, что установка нагрева позволяет осуществлять профилактику АСПО на стенках трубопроводов, но не представлен способ монтажа нагревательного кабеля в трубопроводе, что усложняет возможность применения изобретения в реальных условиях. Регулировка процесса нагрева кабеля в прототипе осуществляется оператором в ручном режиме, что не позволяет задать оптимальный энергосберегающий режим нагрева.
Задачей изобретения является разработка оборудования для нагрева потока жидкости в трубопроводе с целью профилактики образования АСПО, снижения вязкости и замерзания жидкости в оптимальном энергосберегающем режиме, включающем в себя способ и элементы для монтажа кабеля в горизонтальном трубопроводе с целью минимизации материальных и трудовых затрат при монтаже и в процессе работы системы нагрева.
Данный технический результат достигается с помощью системы нагрева жидкости в трубопроводах, содержащей нагревательный кабель, помещаемый в зону возможного парафинообразования или промерзания трубопровода, переходной клеммный шкаф для подключения нагревательного кабеля, станцию управления нагревом, расположенную непосредственно у источника электроэнергии, кабельный толкатель, создающий дополнительное усилие для разматывания нагревательного кабеля с технологического барабана и проталкивания через наклонную вставку в трубопровод, зонт-поршень, установленный на наконечнике нагревательного кабеля, выполнен с возможностью раскрытия для создания тянущего усилия, создающегося под действием потока технологической жидкости для протягивания нагревательного кабеля на требуемую длину, и складывания (по окончании монтажа кабеля) под действием избыточного давления в трубопроводе, при этом в нагревательном кабеле для облегчения конструкции (вместо повивов стальной брони) предусмотрен грузонесущий сердечник и разделительные жгуты, выполненные из высокопрочных арамидных нитей, а станция управления нагревом снабжена системой автоматического адаптивного управления нагревом кабеля по текущим значениям давления и температуры жидкости в трубопроводе и системой дистанционного контроля и управления нагревом кабеля.
Предложенное техническое решение позволяет размещать нагревательный кабель внутри трубопровода протяженностью до 1500 м в короткие сроки без вскрытия дополнительного участка трубопровода с целью извлечения тянущего зонта-поршня, а затем, после перевода трубопровода в рабочий режим, осуществлять управляемый нагрев потока рабочей жидкости с целью предотвращения образования отложений на стенках, снижения вязкости жидкости и промерзания в технологических трубопроводах.
На фиг. 1 изображен процесс монтажа кабеля в трубопроводе.
На фиг. 2 изображен зонт-поршень в активированном и деактивированном состоянии.
На фиг. 3 - схема размещения оборудования для нагрева трубопровода.
Монтаж кабеля осуществляют следующим образом.
Перед монтажом кабеля в трубопровод определяют расчетную длину, на которую будет монтироваться нагревательный кабель. В месте ввода нагревательного кабеля в трубопровод устанавливают фланцевую вставку 1 с наклонным отводом (далее «наклонная вставка»), выполненным под острым углом к оси трубопровода для свободного ввода нагревательного кабеля в трубопровод. На наклонную вставку 1 монтируют герметизирующее устройство 2, обеспечивающее герметичность места ввода нагревательного кабеля как в процессе монтажа нагревательного кабеля, так и в процессе работы трубопровода в рабочем режиме.
Для обеспечения заполнения трубопровода рабочей жидкостью и создания в процессе монтажа потока рабочей жидкости с необходимым избыточным давлением к трубопроводу подключают насосный агрегат 3 через штатный ввод 4 трубопровода насосного агрегата или, при его отсутствии, через дополнительно врезаемый на период монтажа патрубок.
Барабан 5 устанавливают в непосредственной близости от места ввода нагревательного кабеля 10. Один конец нагревательного кабеля закреплен на барабане 5, а свободный конец нагревательного кабеля имеет защитный наконечник 6 (фиг. 2) с зонтом-поршнем 7 и пропущен через кабельный толкатель 8 (фиг. 1) для создания усилия при разматывании нагревательного кабеля с кабельного барабана и преодоления силы трения в герметизирующем устройстве. Свободный конец нагревательного кабеля с защитным наконечником 6 и зонтом-поршнем 7 вводят в трубопровод через наклонную вставку 1 с герметизирующим устройством 2. Зонт-поршень 7 предназначен для монтажа нагревательного кабеля в трубопроводе и выполнен с возможностью складываться и раскладываться в трубопроводе для создания тянущего усилия в потоке жидкости при монтаже кабеля. Зонт-поршень 7 содержит мембрану и выполнен из материала, имеющего ограниченную стойкость к физико-химическому воздействию среды, например из резины, нестойкой к нефтепродуктам, которая через 2-3 суток разрушается под действием среды либо теряет свои прочностные характеристики, и оставшиеся фрагменты выносятся потоком рабочей жидкости. Зонт-поршень выполняет роль тянущего инструмента при протяжке нагревательного кабеля внутри трубопровода на расчетную длину, при этом его конструкция обеспечивает раскрытие зонта в трубопроводе для создания тянущего усилия за счет энергии попутного потока жидкости, а при завершении монтажа складывание зонта без возможности повторного его раскрытия благодаря наличию в конструкции барометрического замка, который срабатывает под действием избыточного давления в трубопроводе.
раб.
тяг.
После ввода свободного конца кабеля с зонтом-поршнем в трубопровод в трубопроводе при помощи насосного агрегата 3 (фиг. 1) создается поток технологической жидкости. Под действием энергии попутного потока технологической жидкости зонт-поршень раскрывается (активируется), давление перед зонтом-поршнем повышается до рабочего значения Р, в результате чего создается тянущее усилие F, необходимое для продвижения нагревательного кабеля на расчетную длину L. Одновременно для компенсации сил трения, возникающих при разматывании нагревательного кабеля с барабана 5 (фиг. 1), и сил трения нагревательного кабеля в герметизирующем узле 2 с наклонной вставкой 1 (фиг. 1) приводят в движение протягивающий механизм кабельного толкателя 8 (фиг. 1) с направляющей штангой 9 (фиг. 1), расположенной между кабельным толкателем 8 и герметизирующим узлом 2 наклонной вставки 1.
толк.
тяг.
толк.
В процессе монтажа на нагревательный кабель прикладываются две силы: кабельного толкателя 8 (фиг. 1) с усилием F и тянущего усилия зонта-поршня 7 (фиг. 1), за счет попутного потока рабочей жидкости с усилием F, создаваемым насосным агрегатом 3 (фиг. 1). Кабельный толкатель обеспечивает усилие F для преодоления сопротивления при размотке нагревательного кабеля и сопротивления трения в герметизирующем устройстве.
деакт
При достижении нагревательным кабелем расчетной длины трубопровод гидравлически изолируется, насосным агрегатом 3 (фиг. 1) создается в трубопроводе избыточное давление деактивации Р., под воздействием которого происходит срабатывание барометрического замка (не показан) зонта-поршня 7, в результате чего он складывается (деактивируется), при этом конструкция зонта-поршня после деактивации не предусматривает повторное раскрытие зонта попутным рабочим потоком жидкости. После складывания зонта-поршня 7 открывается проход для свободного прохождения жидкости в трубопроводе, а фрагменты мембраны зонта-поршня 7 в течение 2-3 суток разлагаются или теряют свои прочностные характеристики в рабочей среде и выносятся потоком жидкости.
При монтаже нагревательного кабеля 10 и нагреве потока жидкости мы использовали нагревательный кабель переменного тока по патенту №145740 от 27.09.2014 г., который имеет медные или алюминиевые нагревательные жилы, скрученные со жгутами из арамидных нитей, заключенные в промежуточную изолирующую оболочку и наружную защитную оболочку; для постоянного тока сердечник из арамидных нитей, вокруг которого размещены медные или алюминиевые нагревательные жилы, разделенные на две равные группы жгутами из арамидных нитей, заключенные в промежуточную изолирующую оболочку и защитную наружную оболочку (фиг. 3). Нагревательный кабель данной конструкции изготовлен из материалов, которые позволяют осуществлять монтаж нагревательного кабеля на участках до 1500 м в короткие сроки без привлечения значительных технических и человеческих ресурсов.
По окончании монтажа свободный конец нагревательного кабеля через клеммный шкаф 11 (фиг. 4) (установленный за пределами взрывопожароопасной зоны, определяемой в соответствии с действующими регламентирующими документами органов государственного технического надзора) подключается к станции управления 12 (фиг. 4), которая в свою очередь подключается к источнику энергоснабжения поз. 13, например кустовой трансформаторной подстанции (фиг. 4)
Автоматизированная система (фиг. 4) состоит из нагревательного кабеля 10, который осуществляет нагрев жидкости в трубопроводе 14, переходного клеммного шкафа 11, который используют для подключения нагревательного кабеля 10, станции управления 12, осуществляющей контроль нагрева нагревательного кабеля 10, обеспечивающей комплекс защит и установленной в непосредственной близости к источнику питания, например кустовой трансформаторной подстанции 13.
На станции управления 12 оператором программируется режим нагрева трубопровода, который задается в соответствии с рабочими параметрами трубопровода, а именно рабочее давление потока рабочей жидкости, температура рабочей жидкости, средний объем прокачиваемой рабочей жидкости за сутки, глубина закладки трубопровода в грунте, диапазон температуры окружающей среды, физико-химические характеристики прокачиваемой рабочей жидкости.
Для контроля параметров потока жидкости в районе ввода нагревательного кабеля 10 в трубопровод 14 устанавливают датчик давления 15 (фиг. 4). В соответствии с его показаниями на станции управления происходит автоматическое регулирование мощности нагрева трубопровода. При отсутствии подачи жидкости в трубопроводе станция управления 12 автоматически переходит в режим пониженной мощности. Также для контроля нагрева рабочей жидкости на участке трубопровода может устанавливаться датчик температуры, на показаниях которого может быть построена программа нагрева трубопровода 14.
Станция управления 12 обеспечивает автоматизированный дистанционный контроль и управление нагревом трубопровода, обеспечивая тем самым заданный режим нагрева трубопровода и рабочей жидкости в нем. Станция управления 12 оснащена современным логическим контроллером, позволяющим задавать параметры нагрева трубопровода, вести нагрев трубопровода в наиболее оптимальном энергосберегающем режиме, осуществлять контроль работоспособности нагревательного кабеля (защиты по утечке тока, короткому замыканию, превышению максимально заданному значению тока и температуры), архивировать текущие параметры работы в заданного промежутка времени, осуществлять дистанционный контроль и управление процессом нагрева трубопроводом.
Преимущества автоматизированной системы нагрева трубопровода и монтажа нагревательного кабеля:
- предложенный в системе саморазрушаемый зонт-поршень, закрепленный на наконечнике кабеля, позволяет производить монтаж в короткие сроки со вскрытием трубопровода только в одном месте;
- облегченный нагревательный кабель с силовыми элементами из арамидных нитей системы нагрева позволяет добиться минимального удельного веса в жидкости (до 80 кг/км), что в свою очередь делает возможным его монтаж на участках до 1500 м быстрым и недорогим;
- адаптивная система управления нагревом нагревательного кабеля позволяет осуществлять нагрев трубопровода в наиболее оптимальном энергосберегающем режиме, сохраняя температуру среды в заданных параметрах, необходимых для снижения вязкости, предотвращения образования отложений на стенках трубопровода, а для водопроводов и жидкостей с большим содержанием воды промерзания и остановки подачи;
- система дистанционного контроля и управления позволяет контролировать работу системы нагрева трубопроводом, отслеживать текущие параметры работы из любой географической точки, где есть доступ в интернет, и при необходимости вносить изменения в настройки программы нагрева, что особенно важно в труднодоступных местах.