УСТРОЙСТВО УПРАВЛЯЕМОГО СНИЖЕНИЯ ВЯЗКОСТИ НЕФТИ В ПОТОКЕ

Полезная модель относится к нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, а именно, к облегчению перемещения вязких продуктов воздействием на изменение их вязкости с помощью электрических средств или механических колебаний.
Известно устройство снижения вязкости нефти в потоке [RU 2436835 C1, МПК C10G 15/08, F17D 1/16 (2006.01), опубл. 20.12.2011], включающее однокамерный электролизер с пластографитовыми электродами и защитными ионитовыми мембранами, катионитовой у анода и анионитовой у катода, катодную и анодную газовые камеры, буферную емкость для исходной нефти, газгольдер для сбора образующихся газообразных продуктов при электрохимической обработке нефти, рабочую электролизную камеру, приемную буферную емкость и блок питания переменным асимметричным током.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются невозможность использования в потоке движения нефти и нефтепродуктов переменной вязкости и отсутствие возможности управления параметрами переменного тока и напряжения.
Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей устройства путем использования его в потоке движения нефти и нефтепродуктов переменной вязкости и управления параметрами переменного тока и напряжения воздействия.
Поставленная задача достигается тем, что устройство управляемого снижения вязкости нефти в потоке, так же как и прототип, содержит блок питания.
Согласно полезной модели в устройстве управления снижением вязкости потока нефти ротор асинхронного двигателя размещен в потоке нефти. Обмотка возбуждения асинхронного двигателя подключена к выходу формирователя переменного сигнала, входом соединенного с выходом делителя частоты. Вход делителя частоты соединен с входом компаратора и выходом преобразователя напряжение-частота. Вход преобразователя напряжение-частота соединен с выходом стабилизированного регулируемого блока питания постоянного напряжения. Входы модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению подключены к выходу компаратора, выходу делителя частоты и выходу стабилизированного регулируемого блока питания постоянного напряжения. Выход модулятора соединен с входом инвертора, выход которого связан с обмоткой управления асинхронного двигателя.
Предложенное устройство позволяет создать режим тактируемого движения нефти, обеспечивая регулирование частоты шага этого движения при заданных параметрах нагрузки путем периодического высокочастотного слабого вибрационного воздействия на вязкую среду. Это воздействие создает непрерывно бегущую волну, по энергии достаточной для разрыва механических связей между фракциями и молекулами углеводородов, составляющих нефтяной поток. Часть фракций, размером превышающих или соизмеримых с пространственным полупериодом бегущей упругой волны, раздробляется и расслаивается на более мелкие и, оттого более подвижные части, снижая, таким образом, вязкость нефти в потоке. Причем, с подбором генерируемой ротором асинхронного двигателя частоты механического возбуждения упругих волн плотности, максимально близкой к частотам механического резонанса колебаний молекул углеводородного состава нефти, эффективность использования устройства будет увеличиваться в соответствии с ростом добротности контура колебаний молекул фракций нефти.
Таким образом, расширены эксплуатационные возможности устройства.
На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства.
Устройство управляемого снижения вязкости нефти в потоке состоит из асинхронного двигателя 1 с обмоткой возбуждения 2 и управления 3, ротор которого размещен в потоке, стабилизированного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (БП), преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ), делителя частоты 6 (ДЧ), компаратора 7 (К), формирователя сигнала 8 (ФС), модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 9 (М) и инвертора напряжения 10 (И).
Обмотка возбуждения 2 асинхронного двигателя 1, ротор которого размещен в потоке, подключена к формирователю переменного сигнала 8 (ФС), который соединен с делителем частоты 6 (ДЧ). Вход делителя частоты 6 (ДЧ) соединен с выходом преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ) и с входом компаратора 7 (К). Вход преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ) соединен с выходом стабилизированного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (БП). Входы модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 9 (М) подключены к выходу компаратора 7 (К), выходу делителя частоты 6 (ДЧ) и выходу стабилизированного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (БП). Выход модулятора 9 (М) соединен с входом инвертора 10 (И), выход которого связан с обмоткой управления 3 асинхронного двигателя 1.
При технической реализации опытного образца заявляемого устройства преобразователь напряжение-частота 5 (ПНЧ) выполнен на интегральной микросхеме КР 1108ПП1. В качестве компаратора 7 (К) использован операционный усилитель серии 140 (140УД17). Стабилизированный блок питания регулируемого постоянного напряжения 4 (БП) выполнен на основе стабилизатора компенсационного типа с высокой температурной стабильностью, обеспечивающего малый коэффициент пульсаций. Делитель частоты 6 (ДЧ) выполнен на соответствующих интегральных схемах серии К155. Формирователь сигнала 8 (ФС) выполнен по схеме усилителя мощности с использованием операционного усилителя серии 140 и транзисторов - усилителей тока типа КТ814-817. Модулятор с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 9 (М) выполнен на дифференциальном усилителе с токовым каскадом на основе интегральной микросхемы 1УТ981. Инвертор напряжения 10 (И) выполнен по схеме мостового инвертора с транзисторными ключами.
Устройство работает следующим образом. Выходной конец ротора асинхронного двигателя 1, подсоединенного к нефтепроводу, размещен в потоке. Обмотка возбуждения 2 асинхронного двигателя 1 подключена к выходу формирователя сигнала 8 (ФС), который является источником переменного напряжения частоты
0
т
f=f/n,
где n - коэффициент деления делителя частоты, устанавливаемый счетчиком делителя частоты 6 (ДЧ).
т
Модулятор с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 9 (М) через инвертор напряжения 10 (И) питает обмотку управления 3 асинхронного двигателя 1. Постоянное напряжение, пропорциональное тактовой частоте шага движения асинхронного двигателя 1, поступает со стабилизированного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (БП) на преобразователь напряжение-частота 5 (ПНЧ). Поступающее напряжение линейно связано с частотой переменного напряжения f, вырабатываемого преобразователем 5 (ПНЧ)
4
4
т
U=kf
4
где k - коэффициент пропорциональности.
4
Напряжение U поступает на вход преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ), с выхода которого снимается напряжение
5
5
т
U=ksin(2π·f)·t,
5
где k - коэффициент передачи преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ).
5
Компаратор 7 (К) преобразует входное напряжение U в однополярные прямоугольные импульсы, знак которых определяется его опорным напряжением
,
7
где k - коэффициент передачи компаратора 7 (К).
С выхода компаратора 7 (К) однополярные прямоугольные импульсы поступают на один вход модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 9 (М), на другой вход которого поступает напряжение с выхода делителя частоты 6 (ДЧ)
6
6
т
U=ksin[2π·(f/n)t],
6
где k - коэффициент передачи делителя частоты 6;
n - коэффициент деления частоты, задаваемый счетчиком делителя.
На выходе модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 9 (М) формируется напряжение
9
где k - коэффициент передачи модулятора.
Полученное на выходе модулятора 9 (М) напряжение усиливается по мощности инвертором напряжения 10 (И) и поступает на обмотку управления 3 асинхронного двигателя 1.
т
В результате ротор асинхронного двигателя 1 начинает совершать тактируемые шаговые движения с частотой f и амплитудой, основная первая гармоническая компонента которой определяется как
start
где M - электромагнитный пусковой момент ротора асинхронного двигателя 1;
d
β - коэффициент электромагнитного демпфирования двигателя;
m
m
L, R - коэффициенты инерционной и демпфирующей (типа жидкостного трения) сил нагрузки соответственно.
max
т
Для поддержания постоянства амплитуды γ при регулировании частоты f, которая является шагом движения ротора асинхронного двигателя при воздействии на нефтяной поток для заданных параметров нагрузки в соответствии с выражением (2) необходимо, чтобы
start
d
Выражение (3) определяет условие автономности регулирования кинематических параметров при тактируемом шаговом движении ротора асинхронного двигателя 1. При регулировании по цепи обмотки управления асинхронного двигателя 1 значения величин M и β равны:
start
9
1
M=k·g; ,
1
2
3
где g, g, g - коэффициенты, определяемые параметрами асинхронного двигателя 1.
m
При пренебрежении составляющей жидкостного трения R выражение для тактовой частоты принимает вид
.
т
Отсюда следует, что изменение коэффициента передачи модулятора 9 (М) при регулировании частоты f управляемого движения ротора асинхронного двигателя 1 при воздействии на нефть в потоке определяет соотношение
Tmax
0
Учитывая, что максимальная частота шага f как минимум на порядок меньше частоты f, которая является главной составляющей напряжения управления ротором асинхронного двигателя 1, а также, что коэффициент передачи модулятора 9 (М) изменяется от 0 до 1, выражение (4) с хорошей точностью аппроксимируется в заданном частотном диапазоне изменения частоты тактового шага прямой линией
Результаты экспериментальных исследований показали, что максимальное отклонение амплитуды тактового шага движения ротора асинхронного двигателя 1 в диапазоне отношения частот  при (5) составляет порядка 1,0%.
9
4
Tmax
max
Таким образом, при k=k·f, с изменением напряжения, снимаемого со стабилизированного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (БП), обеспечивается одновременное регулирование частоты шага и выходного напряжения модулятора 9 (М), а, следовательно, и выходного напряжения инвертора напряжения 10 (И). Благодаря этому осуществляют стабилизацию амплитудного значения γ регулированием тактовой частоты шаговых движений ротора асинхронного двигателя 1 в потоке, что расширяет эксплуатационные возможности устройства управляемого снижения вязкости нефти в потоке.
Таким образом, устройство может быть использовано для управляемого снижения вязкости нефти в потоке при ее перекачке по трубопроводам.
Использование предлагаемого устройства в потоке движения нефти и нефтепродуктов переменной вязкости снижает вязкость нефти в трубопроводах в соответствии с ее изменением, расширяя эксплуатационные возможности устройства; а также позволяет управлять параметрами переменного тока и напряжения, что ведет к снижению энергетических затрат, увеличению производительности глубинно-насосного оборудования при добыче высоковязкой нефти и уменьшению энергетических затрат на перекачку нефти по трубопроводам.