УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ПЕРЕКАЧКЕ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ

Полезная модель относится к трубопроводному транспорту нефти, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, а именно, к устройствам облегчения перемещения вязких продуктов воздействием на динамику их движения с помощью электрических средств и механических колебаний и предназначена, преимущественно, для пуска участка трубопровода с высокопарафинистой, вязкой, застывающей при высокой температуре нефтью после вынужденной остановки трубопроводной системы.
Известно устройство (см. Т.М. Касымов Совершенствование технологии сбора и транспорта парафинистых нефтей, Алматы «FЫЛЫМ», - 20001. - 180 с.) включающее: продавочный агрегат, быстросъемное соединение, камеру высокого давления, обратный клапан, диафрагму, задвижку и трубопровод.
Недостаток - устройство одноразового действия и после каждого использования требуется осуществлять демонтаж устройства и необходимость вновь устанавливать диафрагму, что снижает область применения и эффективность воздействия.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для создания импульса давления при перекачке парафинистой нефти [RU 77021, опубл. 10.10.2008], включающее корпус, камеры высокого и низкого давления, запорный орган, коммутирующую запорную арматуру и трубопровод, в котором в качестве запорного устройства в корпусе устройства выполнено калиброванное с размещенным внутри нагнетательной камеры эластичным шаром, перфорированными решетками (седлами) внутри камер и приборами измерения давления на приеме и выкиде устройства.
Недостатками прототипа являются сложность его конструкции, выражающееся в том, что после каждого использования требуется осуществление обратного перезапуска устройства с необходимостью нового установления диафрагмы, и отсутствие возможности изменения в реальном времени режима течения потока нефти. Все это сужает функциональные возможности, снижает быстродействие запуска движения и эффективность воздействия на поток нефти, так как переход к каждому следующему циклу воздействия осуществляется в устройстве-прототипе переводом в исходное состояние путем закрытия входной задвижки, открытия выходной задвижки трубопровода и сброса давления рабочего объема в дренажную емкость.
Задачей изобретения является упрощение устройства и расширение его функциональных возможностей путем повышения быстродействия смены режима течения нефти и эффективности устройства при многократности воздействия на поток нефти.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для создания импульсов давления при перекачке высоковязкой нефти, содержащем корпус, камеру высокого давления, с размещенным внутри камеры шаром, запорный орган и трубопровод, дополнительно введены пружина, выполненная с возможностью возвратно поступательного движения, связанная с шаром, и, последовательно соединенные, источник переменного сигнала и катушка индуктивности, с помещаемым внутрь ее корпусом с камерой высокого давления и запорным органом с шаром, который выполнен из ферроматериала, подвижным в потоке нефти камеры высокого давления, а входное отверстие запорного органа имеет входное сферическое ложе, согласованное с формой части поверхности подвижного внутри камеры шара, не превышающее по размеру его полусферы, причем выход отверстия запорного органа соединен с входом трубопровода непосредственно.
-4
8
Предложенное устройство можно использовать непосредственно в потоке нефти и нефтепродуктов разной вязкости в широком диапазоне форм воздействия на динамику движения шара, а также в объеме нагнетательной части камеры высокого давления в реальном времени управлять значением параметров динамики и траектории движения шара. Источник тока питания катушки индуктивности, формируя магнитное поле электромагнитного воздействия на движение шара, закрывающего частично или полностью проходной канал потока нефти, создает режимы управляемого воздействия на поток сменой импульсов давления и форм течения (от ламинарного до кавитации) вязкой нефти в диапазоне частот от 10 Гц до 10 Гц, что позволяет затруднять адгезию и коагуляцию фракций нефти от тяжелых до легких. Это происходит при изменении параметров электромагнитного действия на движение шара в нагнетательной части камеры, например, формы, периодичности и амплитуды тока катушки, в том числе, ведущих к условиям возникновения низкой частоты электрохимического резонанса. Необходимые параметры изменения режима течения нефти в проходном канале и трубопроводе создаются: во-первых, влияющим на шар в текучей среде, действием магнитного поля катушки индуктивности при протекании через нее электрического тока, вырабатываемого источником питания; во-вторых, возникновением турбулизованного переменной плотности течения потока нефти при переходе из нагнетательной камеры в проходной канал запорного органа. При этом источник питания обеспечивает ток в катушке индуктивности, требуемый для работы устройства в течении времени, необходимого и достаточного для двухкратного по частоте повторения эффективного воздействия на поток нефти и вязких жидкостей, протекающих по трубопроводу.
Таким образом, при упрощении конструкции устройства расширены его функциональные возможности.
На фиг. представлена блок-схема заявляемого устройства.
Устройство создания волн давления в потоке высоковязкой нефти (далее «устройство») состоит из, подключаемого к входному сечению А-А трубопровода 1, корпуса 2 с нагнетательной камерой высокого давления 3, с установленной на ее входе решетки (седла) 4 пружина 5 связанная с шаром, и выходного сечения Б-Б трубопровода 1. Камера высокого давления 3 соединена с проходным каналом запорного органа 6 с подключаемой к нему в выходном сечении Б-Б трубопровода 1. Внутри нагнетательной части камеры высокого давления 3 перед проходным каналом запорного органа 6 помещен свободно плавающий в объеме нефти шар 7, связанный с пружиной 5 и выполненный из ферроматериала. Размер шара 7, способного совершать «плавающие» движения, превышает размер проходного канала запорного органа 6. Поверхность шарового сегмента выемки входа в проходной канал запорного органа 6 согласована с формой поверхности плавающего шара 7. Катушка индуктивности 8, подключенная к источнику переменного тока 9, охватывает корпус 2 с камерой высокого давления 3, возвратную пружину 5, шар 7 и проходной канал запорного органа 6.
2
При технической реализации макетного образца заявляемого устройства корпус 2 с нагнетательной камерой 3, возвратной пружиной 5 и запорным органом 6 выполнен из соответствующих требованиям марок стали, решетка 4 - металлическое сито выполнено из проволоки толщиной 1 мм с ячейкой размером 1,5×8 мм. В качестве шара 7 использован стальной шар диаметром 3,2 мм подшипника радиально-упорного типа ГОСТ Р 52859-2007. Тип подшипника устойчив к радиальной и осевой нагрузке. Катушка индуктивности 8 выполнена из медного эмалированного провода с внутренним диаметром определяемым габаритным размером корпуса 2. Диаметр провода катушки индуктивности 8 выбран по формуле [Справочник радиолюбителя-конструктора. - М.: Радио и связь, 1983. 560 с., с. 18, п. 1.3. Катушки]:
(где: L - индуктивность катушки; w - число витков; D и l - диаметр и длина катушки).
L
Величина индуктивности L выбрана исходя из необходимости создания (следуя законам Фарадея и Лоренца [Фирсов А.В. Курс физики. - М.: Дрофа, 2006. - 509 с., с. 233-247]) требуемого тока в катушке для перемещения шара массы m с ускорением а при действии электромагнитной силы F потока Ф магнитного поля
L
пропорционального квадрату произведения числа витков w катушки на силу тока I, протекающего через катушку L:
-1
где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материала и размера шара 7, перемещаемого в потоке с высоким для работы устройства быстродействием (от 10 с и выше).
Величина электромагнитной силы создаваемой катушкой соответствует условию
где m - масса шара и а - ускорение шара при действии электромагнитной силы.
В качестве источника питания 9 использовано стандартное питание катушки переменным током 50 Гц.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии, когда источник питания 9 катушки индуктивности 8 выключен, поток вязкой жидкости из трубопровода 1 через решетку 4 проникает во входную (нагнетательную) часть камеры высокого давления 3. Сила давления вязкой жидкости своим течением старается увлечь в проходной канал находящийся в камере 3 шар 7, удерживаемый пружиной 5 возврата (на рисунке не показано). В исходном состоянии, при выключенном источнике питания 9 катушки индуктивности 8, поток вязкой жидкости из трубопровода 1 через решетку 4 беспрепятственно проникает через входную (нагнетательную) часть камеры высокого давления 3 на выход устройства - трубопровод 1.
L
При включении источника питания ток, протекающий через катушку индуктивности 8, создает магнитное поле, действующее в пространстве нагнетательной части камеры высокого давления 3, месте нахождении пружины 5, шара 7 и проточного канала запорного органа 6. В зависимости от силы тока, протекающего через катушку индуктивности 8, согласно основным законам электромагнетизма [Фирсов А.В. Курс физики. - М.: Дрофа, 2006. 509 с., с. 233-247] шар 7, удерживаемый возвратной пружиной в исходном месте его положения, периодически на интервале превышения силы упругости возвратной пружины равнодействующей суммы сил - электромагнитной силы катушки и силы давления на шар вязкого потока - будет закрывать проточный канал запорного органа 6. При этом основной силой притягивающей к запорному органу 6 шар 7, закрывающий вход в основной канал протекания вязкой жидкости (проходной канал запорного органа 6), является электромагнитная сила магнитного поля, создаваемого протекающим через катушку индуктивности 8 током от источника питания 9. Величина электромагнитной силы, пропорциональной квадрату числа витков w и силы тока I, протекающего через катушку L определяется выражением (3):
Квадратичная зависимость электромагнитной силы от тока через катушку индуктивности 8 говорит о следующем. Во-первых, направление вектора силы действия на шар 7 не зависит от направления (полярности) тока в катушке 8. Во-вторых, частота изменения электромагнитной силы действия на шар 7 будет в два раза выше частоты изменения тока питания катушки индуктивности 8. Из выражения (3), видно, что при переменном, например, синусоидальном токе питании катушки 8 источником 9, как при положительной, так и при отрицательной волне тока создается одна и та же электромагнитная сила. Причем действие силы магнитного поля в обоих случаях совпадает с направлением движения вязкой жидкости и давлением потока на шар 7. На интервале значений электромагнитной силы магнитного поля катушки 8 по величине меньших силы упругости пружины 5 шар 7 будет возвращаться в исходное положение.
Шар 7 выполняет роль клапана, дважды за период изменения тока в катушке индуктивности 8 запирая и отпирая проходной канал запорного органа 6 устройства. В моменты запирания давление вязкой жидкости в нагнетательной части камеры 6 резко возрастает. В моменты отпирания, под действием повышенного давления часть потока жидкости через проходной канал запорного органа 6, создавая в проходном канале турбулентный струйно-кавитационный режим течения вязкой жидкости, проникает к выходному сечению трубопровода 1 Б-Б.
-3
Действие силы упругости пружины 5, превышающей по величине силу давления потока вязкой жидкости, ведет к перемещению ферромагнитного шара навстречу потоку в направлении входного сечения А-А трубопровода 1, открытию входа проходного канала запорного органа 6 для потока жидкости и резкому росту давления потока вязкой жидкости в выходном сечении Б-Б трубопровода 1. При быстром удалении шара 7 от входа проходного канала запорного органа 6, объем вязкой жидкости, находящийся под действием перепада давлений в камере 3 и запорном органе 6, скачком перетекает в проходной канал и далее через входное сечение А-А трубопровода 1. Происходит резкий сброс давления, сопровождающийся гидравлическим ударом. В течение времени удержания шара 7 магнитным полем катушки индуктивности 8, равное длительности интервала действия части волны тока через катушку 8, давление в выходной (разрядной) части канала 6 и нагнетательной части камеры 3 выравнивается. Протекание переменного тока через катушку индуктивности 8 создает в области камеры высокого давления 3 (месте пребывания шара 7) переменное с удвоенной частотой меняющееся магнитное поле. Под влиянием действия магнитного поля, определяющего частоту приложения к шару электромагнитной силы, ферромагнитный шар периодически открывает/закрывает проходной канал запорного органа 6, преобразуя поток постоянного давления в импульсный поток с волнами плотности - периодическим изменением давления в потоке на траектории его движения в трубопроводе (с модуляцией волн плотности в потоке вязкой жидкости). Создание периодического движения в потоке импульсов давления, динамически смешивающих слои при перемещении жидкости, препятствует образованию механических связей фракций разрушает их агломерацию в потоке вязкой жидкости, способствует более эффективному движения потока, ввиду турбулизации потока в приграничном к поверхности трубопровода слое, предотвращая образование различного рода наслоений на стенках трубопроводов. В результате действия волн плотности периодичности (1…10)×10 с и амплитудой волны сжатия до 2…10 Мпа изменяется режим течения потока нефти, появляется турбулентная и кавитационная компонента в течении потока, снижается статическое напряжение сдвига для застывших или застывающих фракций парафинистой нефти. Это ведет к разрушению их отложений на поверхности трубопровода, предупреждает снижение его продуктивности и повышает эффективность ее перекачки по трубопроводу.
Таким образом, устройство может быть использовано непосредственно в потоке высоковязкой нефти и нефтепродуктов для управляемого изменения режима течения потока высоковязкой нефти в широком диапазоне (более 10 порядков) частот, путем управления электрическими параметрами, генерируемых источником питания переменного тока в реальном времени. Обычное нагружение участка трубопровода давлением с последующем сбросом давления (раскачка) положительного эффекта для трубопроводов с высокопарафинистой нефтью не обеспечивает.
Использование предлагаемого устройства для создания импульсов давления при перекачке высоковязкой нефти расширяет эксплуатационные возможности устройства, обеспечивая стабильность силы, формы и частоты тока, а также позволяет управлять параметрами переменного тока и напряжения, что ведет к увеличению производительности трубопроводов и трубопроводного оборудования при транспортировке высоковязкой нефти.