ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ БОРЬБЫ С СОЛЕОТЛОЖЕНИЯМИ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО, В ТРУБОПРОВОДАХ, В НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ И ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИНАХ
ELECTROMAGNETIC DEVICE FOR FIGHTING AGAINST SCALE, MAINLY IN PIPELINES, IN OIL PRODUCING AND WATER INTAKE WELLS

Изобретение относится к области борьбы с солеотложениями, в частности к конструкции электромагнитного аппарата, предназначенного для этих целей, принцип работы которого основан на воздействии на защищаемое оборудование импульсным электромагнитным полем с созданием эффекта магнитострикции. Предлагаемый аппарат может быть использован, в частности, в области горного дела.
Из области техники известен ряд устройств для защиты и очистки поверхности ферромагнитных материалов от отложений, работа которых основана на воздействии электромагнитными импульсными полями, например, описанными в авт. свид. СССР №1542646, патенте РФ №2164728 на изобретение, в патентах РФ № 18068 и 17976 на полезные модели. Рассмотрим одно из них, защищенное патентом РФ на полезную модель №17976, кл. F28G 18/00, опубл. 2001 г. Известное устройство содержит источник питания, формирователь пачек импульсов (ФПИ), к выходу которого подключена по меньшей мере одна обмотка по меньшей мере одного электромагнита, причем сердечник последнего выполнен в виде отрезка трубы с расположенным в нем с возможностью расстыковки металлическим штырем, один конец которого выполнен с возможностью закрепления в месте установки в области защищаемой и очищаемой поверхности. При этом формирователь пачек импульсов выполнен с возможностью формирования пачек импульсов электромагнитного поля с частотой 0,1-10 Гц, а кроме того, ФПИ содержит однополупериодный выпрямитель, к выходу которого подключены последовательно соединенные ключевой элемент типа тиристор и обмотка электромагнита, а между катодом и анодом тиристора включена последовательно RC-цепь, общий вывод которого через резистор подключен к управляющему электроду тиристора.
Указанное известное устройство обеспечивает надежность конструкции при высокотемпературном режиме работы и удобство в эксплуатации.
Однако указанное известное устройство не лишено недостатков, а именно:
- имеет паразитный тепловой эффект, что приводит к резкому снижению эффективности борьбы с солеотложениями;
- имеет достаточно низкую сферу применения - обеспечивает только защиту поверхности нагревательных котлов от образования накипи.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков является устройство для защиты и очистки теплообменного оборудования от отложений (патент РФ №2251062, кл. F28G 7/00, опубл. 2004 г.), которое содержит электрически соединенные друг с другом блок управления и электромагнитный трехполюсный преобразователь (ЭМП). При этом блок управления состоит из источника питания, из генератора импульсов и из регулятора подаваемых импульсов (электронного ключа). В указанном блоке генератор импульсов преобразует постоянный ток от источника питания с помощью электронного ключа и подает импульсный ток на ЭМП. А ЭМП размещен на теле трубы, предназначенной для протекания по ней жидкости, и создает эффект магнитострикции импульсным переменным магнитным полем на поверхность трубопровода. Причем три полюса ЭМП размещены на теле трубы по окружности секущей плоскости трубы и отставлены друг от друга (если смотреть с торца трубы) на 120°. То есть воздействие ЭМП производится лишь на узком ограниченном участке трубопровода.
Недостатками указанного известного устройства являются следующие:
- учитывая конструктивное выполнение ЭМП, которое заключается в размещении полюсов катушек на узкой поверхности трубопровода (по окружности), электромагнитное поле воздействия при перемещении электромагнитного сигнала с одной обмотки на другую всегда будет перпендикулярно трубе (т.е. радиальное) и практически на очень небольшом по ширине участке, то с большой долей вероятности может возникнуть эффект «паразитного» разогрева трубы-сердечника, а это может привести к обратному процессу - усилению эффекта солеотложения. Указанное явление резко снижает эффективность борьбы с солеотложениями;
- кроме того, при вышеуказанном радиальном воздействии невозможно получить высокие показатели напряженности электромагнитного поля, необходимые для большей намагниченности отрезка трубопровода;
- еще одним недостатком известного устройства является то, что конструктивно оно выполнено таким образом, что может работать в достаточно узком диапазоне частот, что уменьшает относительную проницаемость сердечника.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности борьбы с солеотложениями за счет снижения «паразитного» эффекта разогрева ферромагнитного сердечника электромагнитного преобразователя, увеличения магнитострикционного эффекта в ферромагнитном сердечнике при работе и расширения диапазона воздействия.
Указанный технический результат достигается предлагаемым электромагнитным аппаратом для борьбы с солеотложениями, преимущественно, в трубопроводах, в нефтедобывающих и водозаборных скважинах, снабженным электрически соединенными друг с другом блоком управления, состоящим из источника питания, из генератора последовательности импульсов ГПИ и из импульсного коммутатора ИК, с электромагнитным трехполюсным преобразователем, размещенным на теле трубы, предназначенной для протекания по ней жидкости и создающим эффект магнитострикции импульсным переменным электромагнитным полем, при этом новым является то, что электромагнитный трехполюсный преобразователь ЭМП выполнен в виде трех последовательно размещенных обмоток на наружной поверхности трубы, выполняющей функцию ферромагнитного сердечника, при этом генератор последовательности импульсов выполнен с возможностью воздействия пачками импульсов электромагнитного поля с частотой 10-5000 Гц и с возможностью создания в указанном ЭМП «бегущего» электромагнитного поля с эффектом последовательного его смещения с обмотки на обмотку в продольном направлении, причем два выхода источника питания соединены соответственно с входами ГПИ и ИК, выход ГПИ соединен с входом ИК, а выход последнего соединен с входом ЭМП.
Блок управления и ЭМП размещены в отдельных корпусах и электрически соединены друг с другом.
Труба, выполняющая функцию ферромагнитного сердечника, выполнена встроенной в трубопровод, предназначенный для протекания по нему жидкости.
При работе аппарата при частоте до 50 Гц он дополнительно снабжен понижающим трансформатором, установленным между блоком управления и электромагнитным преобразователем.
Указанный выше технический результат достигается за счет следующего.
Благодаря тому, что ЭМП выполнен в виде трех обмоток, размещенных на ферромагнитном сердечнике последовательно по его длине, обеспечивается электромагнитное воздействие на поток жидкости на протяженном участке трубы, а значит, повышается эффективность обработки.
А использование генератора последовательности импульсов с возможностью создания «бегущего» электромагнитного поля с эффектом смещения с обмотки на обмотку в продольном направлении трубопровода исключает «паразитный» эффект разогрева ферромагнитного сердечника, который возникает вследствие действия токов Фуко при возбуждении переменного электромагнитного поля. Это стало возможным в результате наличия паузы в каждой обмотке между импульсным воздействием на каждую из них.
Использование импульсов электромагнитного поля с частотой 10-5000 Гц позволяет четко согласовывать нагрузки ЭМП с импульсным коммутатором (ИК). Использование частоты менее 10 Гц не целесообразно из-за отрицательного влияния на окружающую среду, а использование частоты выше 5000 Гц резко уменьшает процесс намагничивания сердечника.
Благодаря созданию вышеуказанного «бегущего» электромагнитного поля увеличивается эффект магнитострикции в ферромагнитном сердечнике за счет возникновения собственных магнитных полей.
За счет изменения частоты питающих импульсов от 10 до 5000 Гц и их скважности возможно менять в широких пределах напряженность поля внутри ЭМП.
Все указанные выше физические явления позволяют повысить эффективность борьбы с солеотложениями предлагаемым аппаратом.
1
3
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема заявляемого электромагнитного аппарата; на фиг.2 - порядок чередования импульсов или эпюры напряжений на выходе ГПИ и выходе ИК на обмотках ЭМП L-L.
Заявляемый аппарат состоит из источника питания 1 (далее ИП), преобразующего переменное трехфазное напряжение 380В в постоянное 510 В; генератора 2 последовательности импульсов (далее ГПИ) для формирования пачек импульсов с переменной частотой и длительностью по трем независимым каналам (на каждую обмотку); импульсного коммутатора 3 (далее ПК), преобразующего с помощью электронных ключей постоянный ток от источника питания 1 в переменный импульсный ток, который поступает в электромагнитный преобразователь 4 (далее ЭМП). Указанные электронные элементы (ИП 1, ГПИ 2, ИК 3, ЭМП 4) имеют следующую схему связи: два выхода ИП 1 соединены соответственно с входами ГПИ 2 и ИК 3, выход ГПИ 2 соединен с входом ИК 3, а выход последнего соединен с входом ЭМП 4. При работе аппарата при частоте до 50 Гц он дополнительно снабжен понижающим трансформатором (не показан), установленным между блоком управления и электромагнитным преобразователем.
ИП 1, ГПИ 2 и ИК 3 образуют блок управления, который может быть заключен в корпус. Также корпусом может быть снабжен и ЭМП 4. При этом блок управления и ЭМП 4 электрически соединены друг с другом посредством электрического кабеля.
ЭМП 4 состоит из трех последовательно расположенных на поверхности ферромагнитного сердечника 5 (трубы) обмоток 6, 7 и 8. Обмотки 6, 7 и 8 выполнены из проволоки. Число витков обмоток в ЭМП 4 и его параметры можно, например, рассчитать следующим образом, исходя из условий применения. Для этого можно воспользоваться формулой для индуктивности соленоида бесконечной длины:
0
где µ - магнитная проницаемость вакуума;
µ - эквивалентная магнитная проницаемость сердечника;
N - число витков;
S - площадь поперечного сечения соленоида.
В качестве ферромагнитного сердечника возьмем отрезок трубопровода диаметром 114 мм (трубы такого диаметра используются в выкидных линиях нефтедобывающих скважин, если заявляемый аппарат предполагается установить на выкидной линии скважины).
Неизвестным параметром для расчета индуктивности остается μ -эквивалентная магнитная проницаемость сердечника. Так как сердечник является полым, то магнитное поле внутри него нельзя считать однородным, однако для приближенного расчета можно не принимать во внимание конфигурацию магнитного поля внутри сердечника, а считать его заполненным некоторым материалом, магнитная проницаемость которого не известна.
Найдем экспериментально эквивалентную магнитную проницаемость сердечника, предварительно изготовив образец соленоида с небольшим количеством витков.
Параметры соленоида:
Число витков N-50;
Внешний диаметр трубопровода D - 114мм.
Длина намотки 1-150 мм.
Найдем индуктивность соленоида через найденные экспериментально активные и реактивные сопротивления, используя формулу для реактивного сопротивления соленоида:
L
где R - полное электрическое сопротивление соленоида;
A
R - активное сопротивление обмотки индуктора;
L
X - реактивное сопротивление обмотки индуктора.
A
Активное сопротивление определяем с помощью омметра: R=0,7 Ом.
С помощью вольтметра найдем общий ток цепи:
A
Считая, что R пренебрежимо мало по сравнению с общим сопротивлением цепи, найдем индуктивное сопротивление:
Тогда
откуда
Полученную магнитную проницаемость можно использовать для расчета числа витков обмотки заявляемого электромагнитного аппарата.
С помощью полученных параметров был рассчитан трехполюсный электромагнитный аппарат, позволяющий генерировать импульсное магнитное поле величиной до 0,6 Тл без принудительного охлаждения, которого и не требовалось, исходя из принципа работы аппарата.
За счет изменяемой скважности и частоты питающих импульсов возможно менять в широких пределах напряженность поля внутри аппарата и, следовательно частоту, и амплитуду механических колебаний.
2
2
1
3
Работает предлагаемый электромагнитный аппарат следующим образом. Изготавливают предлагаемый аппарат с конкретными конструкционными характеристиками, исходя из условий использования. Монтируют его, например, на добывающей скважине для обработки пластового флюида, направляемого в дальнейшем на пункт коммерческого учета. Блок управления размещают в районе устья скважины, а ЭМП 4 размещают на выкидной линии устья скважины и закрывают корпусом (не показан). Участок выкидной линии, на которой выполняют три обмотки ЭМП 4, будет являться ферромагнитным сердечником 5. Блок управления и ЭМП 4 электрически соединены друг с другом проводом, например, марки ПВС и сечения 16 мм. Учитывая, что диаметр трубы выкидной линии равнялся 89 мм, обмотки были выполнены из проволоки марки ПВС и сечением 25 мм, а число витков в каждой обмотке было равно 300. При подаче напряжения на аппарат (в качестве сигнала возбуждения использовался трехфазный источник переменного тока напряжением 36 В и фазным током 100 А) ток поступает в ГПИ 2, который был настроен на частоту от 10 до 5000 Гц и на длительность импульсов от 50 мкс до 10 мс (при испытаниях использованы следующие параметры: частота 50 Гц; длительность импульсов 0,05 мс и порядок чередования импульсов, характеризующийся на фиг.2 через эпюры напряжений на выходе ГПИ и выходе ИК на обмотках ЭМП L-L).
Формирование сигнала в предлагаемом аппарате происходит следующим образом. В генераторе последовательности импульсов формируются логические импульсы с фиксированной частотой и длительностью. Количество импульсов и их частота задаются программно при помощи управляющих цепей. Далее сигнал с ГПИ поступает на ИК, который формирует сигнал для питания ЭМП с помощью шести электронных ключей, эпюры сигналов приведены на фиг 2. Импульсное питание электромагнитного преобразователя исключает паразитный эффект разогрева ферромагнитного сердечника, который возникает вследствие действия токов Фуко при возбуждении переменного магнитного поля.
1
3
ЭМП состоит из трех последовательно расположенных обмоток L-L на поверхности участка трубопровода, который необходимо защитить от отложений. Причем формирование импульсов ГПИ происходит таким образом, чтобы создать в электромагнитном преобразователе бегущее электромагнитное поле для увеличения эффекта магнитострикции в ферромагнитном сердечнике. Разработанный аппарат обеспечивает повышение эффективности магнитострикционного эффекта при очистке и предупреждении твердых отложений на внутренней поверхности трубопровода.
Указанную обработку добываемой жидкости предлагаемым аппаратом, установленным на выкидной линии скважины, проводили 2160 часов. При этом внутри корпуса ЭМП были установлены температурные датчики для измерения температуры трубы выкидной линии (выполняет роль ферромагнитного сердечника 5). Испытания показали, что указанная температура находилась в пределах +11°С, что доказывает снижение «паразитного» эффекта разогрева сердечника (выкидной трубы).
Таким образом, предлагаемый электромагнитный аппарат имеет следующие преимущества перед известными аналогами:
- значительно снижен «паразитный» эффект разогрева сердечника;
- возможность изменять напряженность магнитного поля, что обеспечивает эффективную обработку флюида при различных значениях дебита;
- простота конструкции и легкость монтажа на защищаемый объект;
- универсальность за счет использования на объектах различного назначения.