НАГРЕВАТЕЛЬ ТРУБОПРОВОДА
PIPELINE HEATER

Устройство относится к эксплуатации магистральных трубопроводов и может быть использовано при эксплуатации месторождений нефти в условиях арктического шельфа для подогрева магистральных продуктопроводов, транспортирующих нефть и газ с морских платформ ледового класса, в том числе использующих в качестве источника энергии атомные реакторы.
Общий технический уровень. Известны технические решения по предупреждению замерзания магистральных газонефтепроводов, проложенных в вечномерзлом грунте (патенты 1638431, 504044) или по дну глубоководных преград (патент 2037725), включающие наличие теплозащитных экранов (патент №779719) или теплоизолирующих кожухов (патент №394619). Недостатком подобных решений является необходимость придания высоких температур перекачиваемому по трубопроводу продукту на начальном этапе транспортировки.
Наибольшее количество патентных решений относится к вариантам электроподогрева трубопроводов (№№802686, 932084, 1221458, 1481553, 1620766, 2037725, 2292676, 2371889, 2406916, 2415517, 2439863 и т.п.), что свидетельствует о перспективности данного направления борьбы с замерзанием транспортируемого продукта. Однако реализация данных технических решений сдерживается дефицитом электроэнергии в зонах размещения буровых платформ.
Аналоги заявляемого технического решения.
Известны устьевые и путевые нагревательные печи для подогрева продукции скважин в устьях выкидных линий скважин или перед аппаратами обезвоживания и обессоливания. В частности, нагреватель нефти блочный БН-2М с пропускной способностью до 3 млн. тонн в год имеет основной технологический блок, включающий четыре последовательно соединенных подогревателя типа «труба в трубе»; причем печь трубчатая ПТБ-10-64 с водным теплоносителем, тепловой производительностью 10 млн. ккал/ч при допустимом рабочем давлении 64 атм. при массе в 57,1 т предназначена для подогрева обводненных нефтей с пропускной способностью до 9 млн.т/год; при этом установки оснащены приборами автоматического регулирования температуры и давления [Нефтяные нагревательные печи. Электронный ресурс. Режим доступа: oborudovanie/21-neftianve-nagrevateli-i-ptchi - дата обращения 30.01.2013].
Недостатком устьевых нагревателей является использование газовых топок с инжекционными сопловыми горелками, эффективными в наземных условиях, но недопустимыми в условиях морских платформ.
Известен подогреватель нефти, предназначенный для нагрева трубопровода транспортировки нефти, с размещенным внутри него трубчатым элементом удлиненной формы, по которому осуществляется подача теплоносителя, при этом трубчатый теплоноситель может быть выполнен в виде спирали [патент США №Н 2139, МПК Б28F 7/10].
Недостатком всех систем подогрева нефти или стенок трубопровода с внутритрубным размещением теплонесущего или теплогенерирующего оборудования является невозможность последующего применения чистящих скребков или диагностических снарядов, т.е. необходимых процедур эксплуатации магистральных нефтепроводов.
Известно техническое решение по предупреждению замерзания нефтепровода посредством обогревания его стенок паром от дополнительного сопутствующего трубопровода [Устройство обогревания трубопровода, патент №1800205].
Недостатком аналога являются дополнительные затраты на создание и обслуживание дублирующего трубопровода.
Известен нагреватель, предназначенный для нагрева трубопровода для транспортировки нефти, который содержит нагревательный элемент, выполненный в виде трубы из ферромагнитного материала, расположенный с наружной стороны трубопровода параллельно его оси и соединенный по концам проводниками с источником тока [патент №343483 МПК Н05 В 3/10)].
Линейное соприкосновение стенок нагревающего и обогреваемого элемента недостаточно эффективно и обладает малым коэффициентом передачи тепловой энергии.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является нагреватель трубопровода, содержащий греющие блоки, каждый из которых расположен вокруг обогреваемого трубопровода и включает теплоизоляционный слой с вмонтированным в него электронагревательным элементом, подключенным к токонесущим проводам, причем каждый греющий блок выполнен в виде двух спаренных греющих секций, каждая из которых содержит корпус, имеющий форму полого пустотелого тонкостенного полуцилиндра, внутренняя полость которого заполнена теплоизоляционным материалом, и электронагревательный элемент, размещенный внутри корпуса на его стенке, примыкающей к обогреваемому трубопроводу, при этом электронагревательный элемент выполнен в виде проволоки, изготовленной из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением и снабженной изолирующими элементами, внутренний диаметр корпуса греющей секции равен наружному диаметру обогреваемого трубопровода, а в каждом греющем блоке греющие секции соединены друг с другом наружными легкосъемными хомутами, расположенными на концевых участках греющих секций [патент РФ на полезную модель №38214, МПК7 F16L 53/00, опубл.2004.05.27].
Техническое устройство предназначено как временное съемное устройство подготовки поверхности строящегося трубопровода к нанесению изоляционного покрытия.
Технической задачей заявляемого технического решения является стабильное поддержание диапазона заданной температуры прокачиваемого по магистральному трубопроводу продукта в условиях охлаждающего воздействия окружающей среды.
Поставленная задача решается тем, что нагреватель трубопровода, содержащий греющие блоки, каждый из которых расположен вокруг обогреваемого трубопровода и содержит теплоизоляционный слой с вмонтированным в него электронагревательным элементом, подключенным к токонесущим проводам, согласно изобретению греющий блок, расположенный в начальной части трубопровода, выполнен в виде теплообменника с промежуточным теплоносителем, использующим тепловую энергию конденсатора перегретого пара атомного реактора; причем каждый последующий греющий блок обеспечен датчиком температуры стенки трубопровода, электрически связанным с управляющим процессором; при этом электронагревательный элемент каждого греющего блока содержит механизм пуска-отключения контакта с токонесущими проводами, взаимосвязанными с силовым блоком; при этом трубопровод с греющими блоками, токонесущими проводами, информационно-управляющими каналами связи и силовым электрокабелем помещены в теплоизолированный кожух.
Конструкция заявляемого нагревателя трубопровода представлена на фиг.1 и фиг.2. Фиг.1 иллюстрирует конструкцию греющего блока начальной части трубопровода, размещенную в отсеках морской платформы и выполненную в виде теплообменника, использующего тепло конденсатора перегретого пара атомного реактора. Фиг.2 иллюстрирует соотношение элементов греющих блоков на участках трубопровода, отдаленных от морской платформы.
Заявляемый нагреватель трубопровода расположен (конструктивно находится) в начальном отделе трубопровода 1, размещенного в теплозащищенных отсеках морской платформы 2, и содержит теплозащитный кожух 3, вмещающий участок трубопровода 1, контактирующий с теплообменником, выполненным в виде теплоотдающей системы трубчатых каналов 4, взаимосвязывающих емкость теплоносителя 5 с системой теплонагреваемых трубчатых каналов 6, получающих тепло от конденсатора 7 перегретого пара атомного реактора 8, при этом емкость теплоносителя 5 имеет датчики 9 системы измерения температуры и давления, взаимосвязанные информационно-управляющими каналами связи 10 с управляющим процессором 11, причем системы трубчатых каналов 4, сообщающих емкость теплоносителя 5 с системой нагреваемых трубчатых каналов 6, соединены посредством насоса 12. При этом каждый греющий блок 13 нагревателя отдаленных от платформы 2 участков трубопровода 14 имеет теплозащитный слой 15, в который заделан электронагревательный элемент 16, при этом каждый греющий блок 13 снабжен датчиком температуры 17 стенки трубопровода 14 и механизмом 18 пуска-отключения контакта электронагревательного элемента 16 от токонесущих проводов 19, взаимосвязанных с силовым блоком 20 морской платформы 2, причем силовой блок 20 имеет электрическую связь с силовым электрокабелем 21, электрообеспечивающим береговую технологическую базу (на рисунке не показана); при этом все отдаленные участки трубопровода 14, греющие блоки 13 с токонесущими проводами 19, информационно-управляющими каналами связи 10 и силовым электрокабелем 21 помещены в цилиндрический теплоизолированный кожух 22.
Устройство действует следующим образом. Диапазон допустимых температур стенки магистрального трубопровода на начальном и последующих участках пути от платформы к объектам береговой технологической базы задается в управляющий процессор 11 с учетом показаний датчика температуры 17 начального отдела трубопровода 1. Устройство работает в поточном режиме. Стенка начального отдела трубопровода 1 нагревается теплом от стенок теплоотдающей системы трубчатых каналов 4, взаимосвязывающих емкость теплоносителя 5 с системой теплонагреваемых трубчатых каналов 6, получающих тепло от конденсатора 7 перегретого пара атомного реактора; при этом циркуляция теплоносителя в системе теплообменника осуществляется по принципу теплового насоса и стимулируется насосом 12 перекачки охлажденного теплоносителя в систему теплонагреваемых трубчатых каналов 6. Температура стенок магистрального трубопровода 14 контролируется датчиками 17 и регулируется процессором 11 блока управления морской платформы на каждом участке размещения греющих блоков 13, используя возможности обратной связи процессора 11 по включению электронагревательных элементов 16 через пусковой механизм 18 для корректирования температуры стенки трубопровода 14.
Мы отказались от возможности использовать потенциал силового кабеля 21, размещенного в одном кожухе 22 с магистральным трубопроводом 14, из-за неоправданного риска частого нарушения целостности оболочки силового кабеля для подключения электронагревательных элементов 16 греющих блоков 13, и предпочли ввести в структуру заявляемого нагревателя трубопровода отдельного электрического кабеля 19, сообщающего электронагревательные элементы 16 греющих блоков 13 с силовым блоком 20 морской платформы.
Мы отказались от использования тепла отходящих газов типовых для платформ установок типа LМ2500 электрической мощностью 28 МВт каждый, размещенных со всеми вспомогательными системами в теплозвукоизолированных контейнерах, которые рассчитаны на эксплуатацию на открытой палубе. Например, на выхлопных патрубках газотурбогенераторов платформы «Приразломная» оборудованы блоки утилизации тепла выхлопных газов тепловой мощностью по 25 МВт каждый. Однако использование газотурбогенераторов на морских платформах приводит к массированному загрязнению воздушного бассейна окислами азота на значительном расстоянии от районов эксплуатации, что привело к необходимости их замены на атомные электростанции. В связи с этим источником тепла для обогрева трубопроводов мы использовали избыточную тепловую энергию конденсатора 7 перегретого пара атомного реактора, передаваемую промежуточному теплоносителю, например, гликолю, обогревающему начальный отдел трубопровода 1 в узле обработки флюида на морской платформе.