СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ДАВЛЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДАХ
PIPELINE PRESSURE STABILISATION METHOD

Изобретение относится преимущественно к способам преобразования энергии в электрическую, преимущественно к системам трубопроводного транспорта углеводородов и продуктов на их основе, а также других газов и жидкостей, включая криогенные, и предназначено для стабилизации давления в трубопроводах и одновременного обеспечения электрической энергией сопряженных потребителей, имеющих относительно небольшую энергетическую нагрузку, включая системы телеметрии, антикоррозионной защиты, средств дистанционного управления.
В нефтегазовых системах трубопроводного транспорта при рабочем давлении около 5,0 МПа в системе наблюдаются пульсации давления на частоте 18 Гц (насосная частота) с амплитудой до 2,0 МПа, а также высокочастотные пульсации с меньшей амплитудой. С ростом рабочего давления пропорционально возрастает амплитуда вынужденных колебаний. В результате этого трубопроводы подвергаются сильным знакопеременным нагрузкам, что приводит к вибрации, раскрытию фланцевых соединений трубопроводов, отрыву линейной части от узлов крепления, разрушению систем антиселевой защиты, выходу из строя трубопроводов и нарушению сварочных соединений, ускоренному износу и коррозии труб в результате изгибных колебаний.
Последствиями таких аварий являются травмы обслуживающего персонала, выход из строя трубопроводов, загрязнения окружающей среды, поверхностных и подземных вод транспортируемой средой и продуктами ее горения в случае возгорания.
Для борьбы с пульсациями и колебаниями давления и расхода в трубопроводных системах используют воздушные колпаки, аккумуляторы давления, гасители различных типов, ресиверы, дроссельные шайбы, клапаны сброса и т.п. Они морально устарели, имеют малую эффективность, не соответствуют характерным уровням пульсаций.
Известны способы стабилизации давления в трубопроводах, в том числе принцип действия которых основан на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на поток перекачиваемой среды с целью эффективного гашения гидроударов, волновых и вибрационных процессов, как в аварийном, так и в штатном режиме работы гидросистемы.
Одним из наиболее доступных и эффективных способов снижения низкочастотных вибраций является использование виброзадерживаюших масс / Берестовицкий Э.Г., Корчанов В.М., Сиротников В.З. Разработка методов и средств пассивного виброгашения колебаний, передаваемых от источника по трубопроводам // Труды Международного симпозиума по системам трубопроводов ISOPE EUROMS.M 1999, с.137-139/.
Турбулентные пульсации в газовых или нефтяных трубопроводах высокого давления создают потери на трение до 200-500 Вт/м, что создает задачу снижения этих потерь и связанных с ними затрат энергии и топлива на перекачку газа или нефти.
В частности, для гашения колебаний давления и расхода рабочей среды в гидросистемах предложен способ стабилизации давления, в котором применяется стабилизатор давления, который содержит перфорированный центральный трубопровод с присоединительными патрубками, охваченный кожухом с образованием расширительной полости, в которой размещены демпфирующие элементы в виде секционных упругих труб, секции которых заглушены с торцов и установлены последовательно вдоль центрального трубопровода. Заглушенные торцы секций укреплены в жестких кольцах с зазором между торцами соседних секций. В этих зазорах размещены упругие элементы. Жесткие кольца установлены на центральном трубопроводе и жестко соединены стяжками. Упругие трубы имеют овальное сечение, торцевые участки их секций имеют сечение в виде круга, а полости упругих труб заполнены упругодемпфирующим материалом (Патент RU 2317472, опубл. 20.02.2008). Недостатком такого способа является инерционность демпфирования, снижающая эффективность стабилизации давления на высоких частотах пульсаций.
Предложен также способ стабилизации давления в трубопроводах, включающий диссипативное и упругодемпфирующее воздействие на поток перекачиваемой среды, который реализуется с помощью стабилизатора давления, предназначенного для гашения пульсации давления жидкости и газа в трубопроводах, патент 2386889, опубл. 20.04.2010 - прототип. Стабилизатор состоит из трубопровода с перфорационными отверстиями, распределительной расширительной предкамеры и выносных демпфирующих камер. Выносные демпфирующие камеры имеют форму цилиндров и расположены вокруг расширительной предкамеры так, что их оси параллельны. Каждая выносная демпфирующая камера разделена торцевыми перегородками с перфорированными отверстиями на три объема. Расширительная предкамера разделена перегородкой на две части: малую и большую так, что малая часть расположена у входа в трубопровод. Большая часть расширительной предкамеры расположена у выхода трубопровода. Объем большей части расширительной предкамеры не менее чем в два раза превышает объем малой части расширительной предкамеры. Недостатком такого способа является низкая эффективность стабилизации давления в связи с переводом механических колебаний в тепловую энергию диссипации.
В то же время известны малоинерционные средства перевода энергии высокочастотных механических колебаний текучей среды в электрическую энергию, например, - патент РФ 2244373, приоритет-11.11.2003, в котором пьезогенератор содержит основание, корпус с размещенными в нем пьезоэлектрическими элементами и устройство нагружения этих элементов. Корпус выполнен в виде плохо обтекаемого тела вращения нулевой плавучести и связан с основанием. Частота собственных продольных колебаний тела равна частоте отрыва вихрей с тела с максимально возможным числом Струхаля. Недостатком такого способа является низкая эффективность стабилизации давления в связи с дополнительным возмущением текучей среды, создающим дополнительные пульсации, гидравлические потери и дополнительные затраты мощности на прокачку.
Вместе с тем возникает задача найти способ стабилизации давления, преобразующий первичную энергию высокочастотных механических колебаний перекачиваемой среды в электрическую, которая может использоваться в средствах обслуживания трубопроводного транспорта, запасаться в электроаккумуляторах и затем по необходимости выводиться различным потребителям электроэнергии в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме вне зависимости от графика выработки первичной энергии.
Полезной нагрузкой таких энергоисточников могут стать устройства, работающие за счет применения электроэнергии в процессах, связанных с обслуживанием трубопровода. В частности, для защиты подземных трубопроводов по трассе их залегания сооружаются станции катодной защиты, в состав которых входят: источник постоянного тока (защитная установка), анодное заземление, контрольно-измерительный пункт, соединительные провода и кабели.
Задача изобретения - повышение коэффициента использования энергии высокочастотных механических колебаний перекачиваемой среды за счет устранения потерь, связанных с воздействием на поток механических возмущений, связанных с искажением пограничного слоя перфорацией присоединенных объемов, а также отсутствия процесса перевода энергии высокочастотных механических колебаний перекачиваемой среды в электрическую энергию, создать способ стабилизации давления в трубопроводах, в котором устранены указанные выше недостатки, и создать условия эффективного повышения коэффициента использования энергии высокочастотных механических колебаний перекачиваемой среды.
Поставленная задача решается тем, что предложен
способ стабилизации давления в трубопроводах природного газа, включающий диссипативное и упругодемпфирующее воздействие на поток природного газа, при этом в процессе воздействия подавление пульсации природного газа производят за счет деформации пьезоэлектрических элементов, возникающую поляризацию которых замыкают на полезную электрическую нагрузку, а собственную частоту колебаний пьезоэлектрических элементов подбирают близкой к доминирующей по амплитуде частотной характеристике пульсации перекачиваемого природного газа.
Кроме того:
- в качестве полезной электрической нагрузки выбирают средства диагностики и телеметрии параметров перекачиваемой среды или катодную защиту трубопровода;
- пьезоэлектрические элементы снабжают упругим тонким коррозионностойким покрытием;
- в качестве пьезоэлектрических элементов применяют материалы, обладающие флексоэлектрическими свойствами из ряда, содержащего редкоземельные манганиты;
- а в качестве материала пьезоэлектрических элементов применяют титанат бария, метаниобат лития, титанат щелочно-земельного металла, титанат свинца или циркония или кварц;
- в качестве пьезоэлектрических элементов применяют тонкие пьезоэлектрические пленки, выполненные из пьезоэлектрического вещества, не обладающего собственной колебательностью;
- в качестве пьезоэлектрического вещества, не обладающего собственной колебательностью, используют поливинилиденфторид;
- замыкание поляризации, возникающей при деформации пьезоэлектрических элементов, на полезную электрическую нагрузку ведут с применением электродов и электрической цепи, выполненной из материалов с низким электрическим сопротивлением, выбранных из ряда: медь, цинк, олово, свинец, алюминий и их сплавы - латунь, бронза, баббит, дюралюминий, силумин;
- пьезоэлектрические элементы размещают неподвижно вдоль внутренней стенки
трубопровода, параллельно его оси.
Примером реализации изобретения служит стабилизация давления в трубопроводах, описанный ниже.
В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве перекачиваемой среды применяется природный газ, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам транспортировки газа, в частности на магистральных газопроводах.
Способ осуществляется следующим образом. Способ стабилизации давления в трубопроводах основан на поглощении кинетической энергии пульсации давления потока природного газа и преобразовании ее в электрическую энергию. Преобразование происходит с помощью пьезоэлектрических элементов, в которых под действием пульсации давления потока природного газа происходят механические колебания пьезоэлектрических элементов, что вызывает их поляризацию, которая при замыкании на полезную нагрузку вызывает в цепи возникновение электрических импульсов, преобразуемых в постоянное стабилизированное напряжение с помощью блока преобразования электрических импульсов, выход которого соединен с полезной нагрузкой. В качестве полезной электрической нагрузки выбирают средства диагностики и телеметрии параметров перекачиваемой среды или систему катодной защиты многониточных магистральных подземных трубопроводов. Важной полезной нагрузкой является также измерительная техника, электропитание различных телеметрических или других устройств, расположенных в труднодоступных местах, на морских платформах и т.д.
3
В турбулентном режиме, как известно, все параметры течения имеют пульсирующий характер (скорость, давление, температура, вязкость, касательное напряжение и т.д.). Пульсации носят случайный характер в пространстве и времени, однако существуют характерные для разных систем транспортировки газа частотные и амплитудные характеристики. Пьезокерамический элемент является колебательной системой, возбуждаемой механически, с двумя собственными частотами, соответствующими двум размерам объекта, например, диаметру и толщине. Большинство пьезоэлектрических элементов выполнено на основе либо работающих на сжатие кварцевых кристаллов, установленных в жестком корпусе с предварительным натягом, либо ненагруженных турмалиновых кристаллов, которые имеют время отклика, измеряемое микросекундами, и резонансные частоты в десятки и сотни кГц, с минимальными выбросами и колебательными переходными процессами. Деформация всего объёма пьезоэлектрика, вызванная пульсациями давления потока природного газа, на выходных электродах вызывает электрическое напряжение (поляризацию) как следствие прямого пьезоэффекта. Кварц объемом 1 см при приложении силы 2 кН производит напряжение до 12500 В. Целесообразно также в качестве пьезоэлектрических элементов применять тонкие пьезоэлектрические пленки, выполненные из поливинилиденфторида или любого другого пьезоэлектрического вещества, не обладающего собственной колебательностью, что создает возможность применения способа при широком спектре частотных характеристик пульсаций давления потока природного газа.
Для передачи упругого воздействия пульсаций к пьезоэлектрическим элементам и защите их от эрозионного или коррозионного воздействия их снабжают упругим тонким коррозионностойким покрытием, покрывающим кристаллы пьезоэлектрических элементов, материалом которых применяют титанат бария, метаниобат лития, титанат щелочно-земельного металла, титанат свинца/циркония или кварц.
Для замыкания потока зарядов, образуемых при поляризации пьезоэлектрических элементов, возникающей при их деформации, подключение полезной электрической нагрузки ведут с применением электродов и электрической цепи, выполненной из материалов с низким электрическим сопротивлением, выбранных из ряда: медь, цинк, олово, свинец, алюминий и их сплавы - латунь, бронзу, баббит, дюралюминий, силумин и др., что позволяет при относительно низкой удельной мощности пьезоэлектрических элементов повысить эффективность их коммутации в систему преобразования энергии пульсаций в электрическую нагрузку. В этой связи целесообразно пьезоэлектрические элементы размещать неподвижно вдоль внутренней стенки трубопровода, параллельно его оси.
2
При пульсациях давления природного газа амплитудой 0.02 МПа с основной частотой 2 кГц с 1 м поверхности трубопровода можно снимать до 250 Вт/м трубопровода диаметром 1000 мм.
3
В качестве пьезоэлектрических элементов целесообразно применять материалы, обладающие также и флексоэлектрическими свойствами из ряда, содержащего редкоземельные манганиты. Флексоэлектрический эффект под воздействием градиента деформации может использовать, например, тонкую пленку из НоMnО на сапфировой подложке, кристаллическая решетка которой немного шире решетки оксида. Во флексоэффекте поляризация является результатом поперечного или продольного изгиба молекул директора, что позволяет применять на подложках более тонкие элементы, выполненные, например, из жидких кристаллов, сочетающих в себе свойства жидкости (текучесть, вязкость) и твердого тела (анизотропия механических, электрических, магнитных и оптических характеристик).
Таким образом, указанный способ стабилизации давления в трубопроводах создаёт условия эффективного повышения коэффициента использования энергии высокочастотных механических колебаний перекачиваемой среды. Использование указанного способа позволяет также обеспечить безаварийную эксплуатацию трубопровода и уменьшить скорость коррозионных процессов в трубопроводной системе.