РОТОРНЫЙ МОДУЛЬ, АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР, СОДЕРЖАЩИЙ РОТОРНЫЙ МОДУЛЬ, И СИСТЕМА БОРЬБЫ С ТРУБНЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ, ВКЛЮЧАЮЩАЯ АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2022 года по МПК F03B13/00 E21B41/00 E21B37/00 

Группа изобретений относится к области энергетического машиностроения и нефтегазовой промышленности. Изобретения предназначены для использования в автономных турбинах для выработки электроэнергии путем преобразования энергии потока среды в механическую энергию вращения, в частности, для питания внутрискважинных устройств, приборов и оборудования различного типа, а также для использования в составе мини- и микро-ГЭС. Также представляется актуальным использование роторного модуля турбин в составе гидроприводов, автономных когенерационных установок и электрогенераторов для электропитания: в магистральных и промысловых трубопроводах приводов запорной, регулирующей и предохранительной арматуры, устройств электрохимической защиты от коррозии, измерительных и диагностических приборов.

Известен ротор генератора питания скважинной аппаратуры, содержащий защитный корпус и, по меньшей мере, один узел крепления, электрический разъем, установленный на валу ротор с турбинным лопастным колесом [патент РФ №2334099 С1, МПК Е21В 47/00, дата приоритета 09.01.2007, дата публикации 20.09.2008, автор Болотин Н.Б., RU].

К недостаткам изобретения относятся низкая надежность и функциональное ограничение ввиду того, что устройство устанавливается внутри трубы и существенно сужает живое сечение потока, при этом установка ротора с турбинным лопастным колесом приводит к разрушению целостности потока, например нефтегазового ядра, вследствие чего газ может схлопываться на лопастях, вызывая повышенный износ, также ротор с турбинным лопастным колесом существенно зависит от свойств протекающей среды, например, ее плотности и вязкости.

Известно турбинное устройство с винтовой лопастью, содержащее, по меньшей мере, один спиральный ротор, вращаемый вокруг своей оси [номер публикации международной заявки WO №2004/067957 А1, дата приоритета 30.01.2003, дата публикации 28.01.2004, автор: Eielsen J.I.; также опубликовано, как патент РФ на изобретение №2487262 С2, дата публикации 10.07.2013, автор Эйелсен Й.И., NO].

Недостаток изобретения выражен в его функциональном ограничении ввиду того, что устройство необходимо устанавливать под углом к направлению движения потока, вследствие чего нет возможности установить устройство в ограниченном пространстве, например, в трубопроводе, поскольку конструкция трубы не позволяет установить ротор под большим углом к направлению потока, а при отклонении на небольшие углы ротора турбина будет иметь малую мощность, при этом вспомогательный узел наклона турбины уменьшает ее надежность.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа роторного модуля, является ротор электрогенератора, выполненный в виде полого цилиндрического тела с рельефом на внутренней поверхности, установленного в подшипниках с возможностью вращения вокруг оси полого цилиндрического тела, при этом внутренняя поверхность полого цилиндрического тела выполнена или с шероховатостью, или с микрорельефом, или с макрорельефом [патент РФ №2695735 С1, МПК F15D 1/12, Е21В 41/00, дата приоритета 05.12.2018, дата публикации 25.07.2019, авторы: Башмур К.А., Петровский Э.А., RU, прототип].

К недостаткам прототипа роторного модуля относятся низкая эффективность, надежность и функциональные ограничения конструкции ввиду того, что устройство неустойчиво вследствие установки подшипниковых узлов в стенку ротора и возможного их взаимодействия с потоком среды, что может привести к повышенному коррозионному и эрозионному износам, при этом возможности проведения капитального ремонта скважин при действии избыточного давления в заколонном пространстве ограничены, а на конструкциях из металла возможно более интенсивное образование отложений из-за повышенной сцепляемости с углеводородами, при этом мощности потока может быть недостаточно для раскрутки роторного модуля.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа электрогенератора, является скважинный электрогенератор, содержащий генератор с обмоткой возбуждения, вращатель в виде безлопастной турбины с системой магнитов, блок пьезогенератора, преобразователь переменного тока [патент РФ №2695735 С1, МПК F15D 1/12, Е21В 41/00, дата приоритета 05.12.2018, дата публикации 25.07.2019, авторы: Башмур К.А., Петровский Э.А., RU, прототип].

Недостатком прототипа электрогенератора является низкая надежность, эффективность и функциональные ограничения, выраженные тем, что обмотка возбуждения и система магнитов расположены в затрубном пространстве, вследствие чего невозможно его применение и использование оборудования при проведении технологических операций в скважине, связанных с затрубным пространством между насосно-компрессорной колонной труб и обсадной колонной, например: при операциях капитального ремонта скважин, в частности изоляции пластов; добычи углеводородов с помощью струйных насосов; использовании скважинных газосепараторов или дегазаторов с переливом флюида в обсадную колонну, а использование металлического роторного модуля может вызвать недостаток мощности потока для его раскрутки.

В качестве прототипа системы борьбы с трубными отложениями принят известный автономный гибридный комплекс для борьбы с асфальто-смоло-парафиновыми отложениями в нефтяной скважине, содержащий нагревательный модуль в виде греющего кабеля, подключенного к источникам питания в виде ветроэлектрической и фотоэлектрической установок [патент РФ №2703040 С1, МПК Е21В 36/04, Е21В 37/00, дата приоритета 19.06.2018, дата публикации 15.10.2019, авторы: Вельский А.А., Добуш B.C., Михайлов М.Э., RU, прототип].

Недостатками прототипа системы борьбы с трубными отложениями являются низкая эффективность, надежность и функциональные ограничения ввиду того, что источник электроэнергии находится на поверхности, при этом он зависим от внешних факторов и воздействий, например, погодных условий, временных и географических рамок действия солнечного излучения, а также то, что кабель питания протягивается на протяжении всей колонны труб, что увеличивает потери энергии пропорционально ее длине, затрудняет проведение спускоподъемных операций с колонной и увеличивает затраты на комплекс, при этом не используются другие устройства, обеспечивающие дополнительные методы воздействия на отложения для борьбы с ними.

Технической проблемой, решаемой изобретениями, объединенными единым изобретательским замыслом, является увеличение эффективности, надежности и расширение функциональных возможностей роторного модуля, электрогенератора, новые конструктивные решения которых существенно повысят эффективность системы борьбы с трубными отложениями.

Для решения технической проблемы предложен роторный модуль, содержащий установленный в подшипниках с возможностью вращения вокруг продольной оси ротор, представляющий собой полое цилиндрическое тело с рельефом на внутренней поверхности, в полости которого проходит поток текучей среды, при этом внутренняя поверхность полого цилиндрического тела выполнена или с шероховатостью, или с микрорельефом, или с макрорельефом. Новым является то, что роторный модуль содержит сборный корпус, состоящий из верхней и нижней частей, соединенных разъемным соединением и выполненных в форме стаканов со сквозным осевым цилиндрическим вырезом в их основаниях, а ротор на верхнем и нижнем торцах имеет кольцевые опорные выступы, обращенные в сторону корпуса, и установлен в корпус с образованием посадочных мест, представляющих собой внутренние полости, в которых установлены подшипники, опирающиеся с одной стороны на кольцевые опорные выступы ротора, а с другой стороны в основания и стенки стаканов.

Согласно изобретению, в основании верхней части корпуса выполнен кольцевой паз с образованием цилиндрического продольного выступа, направленного в сторону подшипника, при этом верхний торец кольцевого опорного выступа ротора выполнен ступенчатым под установку верхнего подшипника.

Согласно изобретению, нижний торец кольцевого опорного выступа ротора выполнен ступенчатым под установку нижнего подшипника в основании нижней части корпуса.

Согласно изобретению, между основаниями стаканов и ротором установлены уплотнения, граничащие с потоком среды.

Согласно изобретению, ротор выполнен из полимерного материала.

Для решения технической проблемы предложен автономный электрогенератор, содержащий статор с обмоткой возбуждения, вращатель в виде безлопастной турбины с системой магнитов, блок пьезогенератора, преобразователь переменного тока. Новым является то, что в качестве вращателя автономный электрогенератор содержит, по меньшей мере, один вышеупомянутый роторный модуль.

Согласно изобретению, блок пьезогенератора вынесен в отдельный модуль.

Для решения технической проблемы предложена система борьбы с трубными отложениями, содержащая нагревательный модуль, подключенный к источнику питания. Новым является то, что система содержит, по меньшей мере, один источник питания, выполненный в виде вышеупомянутого автономного электрогенератора, причем автономный электрогенератор содержит гидродинамический модуль, выполненный в виде вышеупомянутого роторного модуля.

Согласно изобретению, система дополнительно содержит модуль накопления и управления энергией.

Согласно изобретению, система дополнительно содержит модуль ультразвуковой генерации колебаний.

На фиг.1 представлен продольный разрез роторного модуля; на фиг.2 -продольный разрез автономного электрогенератора; на фиг.3 - схема системы борьбы с трубными отложениями.

Роторный модуль 1 (фиг.1) содержит ротор 2, выполненный в виде полого цилиндрического тела с регулярным рельефом 3 на его внутренней поверхности, причем рельеф 3 может являться гладкой поверхностью с некоторой шероховатостью или микрорельефом, или макрорельефом. Ротор 2 установлен в подшипниках 4 и 5. Цилиндрическое тело ротора 2 на верхнем и нижнем торцах имеет кольцевые опорные выступы 6 и 7 соответственно и установлено в сборном корпусе 8, состоящем из верхней 9 и нижней 10 частей, соединенных разъемным, в частности, резьбовым соединением, и выполненных в форме стакана со сквозным осевым цилиндрическим вырезом в его основаниях 11 и 12.

В основании 11 верхней части корпуса 8 может быть выполнен кольцевой паз 13 с образованием продольного цилиндрического выступа 14, при этом верхний торец 15 кольцевого опорного выступа 6 ротора 2 выполнен ступенчатым под установку верхнего подшипника 4.

Нижний торец 16 кольцевого опорного выступа 7 ротора 2 выполнен ступенчатым под установку нижнего подшипника 5 в основании 12 нижней части корпуса.

Ротор 2 модуля 1 может быть выполнен из полимерного материала.

Между основаниями стаканов 11 и 12 и ротором 2 могут быть установлены уплотнения 17 и 18, граничащие с потоком среды.

Автономный электрогенератор 19 (фиг.2) содержит вращатель в виде безлопастной турбины, в качестве которого использован роторный модуль 1, а также обмотку возбуждения 20, закрепленную на внутренней поверхности корпуса 8, выполняющего функцию статора, и систему постоянных магнитов 21, закрепленных на внешней поверхности ротора 2, коаксиально расположенного статору. Автономный электрогенератор 19 может содержать преобразователь переменного тока (не показан).

Автономный электрогенератор 19 может содержать блок пьезогенератора, который может быть вынесен в отдельный модуль 22, который в общем случае может содержать: пакеты пьезоэлементов 23, электроды (не показаны), защитную пленку (не показана), перфорированные отверстия 24 под вывод электродов.

Система борьбы с трубными отложениями (фиг.3) состоит из источника питания, представляющего собой автономный электрогенератор 19, нагревательного модуля 25 и гидродинамического модуля, выполненного в виде роторного модуля 1.

Система борьбы с трубными отложениями (фиг.3) может содержать модуль накопления и управления энергией 26 и модуль ультразвуковой генерации колебаний 27.

Возможны различные варианты расположения модулей 25 и 27 по отношению друг к другу, например, модули 25 и 27 могут следовать друг за другом и/или быть по обе стороны электрогенератора 19. Модули 25 и 27 могут использоваться в необходимом количестве с точки зрения условий образования отложений.

Роторный модуль работает под действием движущегося потока среды следующим образом.

Поток текучей среды Q под давлением подается в полость цилиндрического тела ротора 2, где, попадая на тангенциально расположенный к потоку рельеф 3, закручивается сам и раскручивает ротор 2 в подшипниках 4 и 5.

Для варьирования степенью воздействия на поток может быть использован рельеф 3 различного профиля, в частности, макрорельеф или микрорельеф.

Направление потока текучей среды не ограничено тем, что указано на чертежах. Оно может быть таковым, например, при добыче воды и углеводородов, а при бурении скважин быть либо таковым, либо обратным (сверху вниз). При транспортировке сред направление потока может быть в горизонтальной плоскости.

Возможно использование предлагаемого устройства для генерации механической энергии вращения. Механическая (движущая) сила может осуществляться устройствами вращения, например, поворотными механизмами, или текучей средой, приводимыми в движение предлагаемым устройством при воздействии потока среды, как указанно выше.

Автономный электрогенератор работает под действием движущегося потока среды следующим образом.

При воздействии потока на рабочую поверхность с рельефом 3 ротор 2 приходит в движение и начинает автономное вращение. При этом посредством передаточных механизмов (не показаны) или без них ротор 2 с магнитной системой 21 раскручивается и взаимодействует с обмоткой статора 20, и, таким образом, кинетическая энергия его вращения преобразуется в электрическую.

Кинетическая энергия потока текучей среды через колебания, возбуждаемые потоком, частично преобразуется в энергию упругой деформации пакетов пьезоэлементов 23, что ведет к выработке электроэнергии за счет прямого пьезоэффекта.

Система борьбы с трубными отложениями работает следующим образом.

При прохождении потока текучей среды Q через гидродинамический модуль, выполненный в виде роторного модуля 1, происходит его преобразование в пульсирующий турбулентный поток, при этом на него осуществляется дополнительное воздействие по перераспределению скорости потока путем последовательного вовлечения слоев потока, начиная с граничного, при придании потоку дополнительной окружной скорости вращающимся роторным модулем 1. Это способствует повышению температуры потока и ведет к созданию флуктуаций давления в периферийной зоне, предотвращающих образование отложений.

Автономный электрогенератор 19 с роторным модулем 1 преобразует энергию потока текучей среды Q в электрическую, тем самым, вырабатывая переменный ток. Ток, проходя через преобразователь переменного тока (не показан), подается на нагревательный модуль 25, нагревающий трубу по внешней или внутренней поверхности, которая, в свою очередь, нагревает протекающую жидкость до температуры, близкой или превышающей температуру осаждения отложений. Ток также может быть подан на модуль ультразвуковой генерации колебаний 27, который создает высокочастотные вибрации в месте образования отложений, воздействующие на кристаллы отложения и вызывающие их микроперемещение, что препятствует их осаждению на стенках труб.

Электроэнергия может быть выдана модулям 25 и 27 напрямую, либо аккумулироваться в модуле накопления 26 и использоваться по необходимости.

Таким образом, результатами использования предлагаемых изобретений являются: повышение эффективности, надежности и расширение функциональных возможностей роторного модуля, электрогенератора, а также системы борьбы с трубными отложениями, путем: придания устойчивости ротору его установкой в образованные посадочные места, созданные внутри корпуса, и возможности выполнения ротора из полимерных материалов, что снижает затраты на требуемую гидравлическую мощность; придания герметичности ротору и электрогенератору установкой их рабочих частей в изолированный от среды корпус; интегрирования источника электроэнергии в трубопровод, что может сократить потери электроэнергии, а также снижает зависимости от внешних условий среды, при этом используются дополнительные гидродинамический и ультразвуковой модули, что увеличивает эффективность системы.

Группа изобретений относится к роторному модулю, автономному электрогенератору с указанным роторным модулем, а также к системе борьбы с трубными отложениями с помощью указанного автономного электрогенератора. Модуль содержит сборный корпус (8), состоящий из верхней и нижней частей (9, 10), выполненных в форме стаканов со сквозным осевым цилиндрическим вырезом в основаниях (11, 12). В корпусе (8) на подшипниках (4, 5) установлен ротор (2), представляющий собой полое цилиндрическое тело с рельефом на внутренней поверхности, в полости которого проходит поток текучей среды. На верхнем и нижнем торцах ротор (2) имеет кольцевые опорные выступы (6, 7), обращенные в сторону корпуса (8), предназначенные для установки подшипников (4, 5) в образованные в корпусе (8) посадочные места. При этом подшипники (4, 5) опираются с одной стороны на выступы (6, 7), а с другой стороны в основания (11, 12) и стенки стаканов. Изобретение направлено на повышение эффективности, надежности и расширение функциональных возможностей роторного модуля, электрогенератора, а также системы борьбы с трубными отложениями. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Роторный модуль, содержащий установленный в подшипниках с возможностью вращения вокруг продольной оси ротор, представляющий собой полое цилиндрическое тело с рельефом на внутренней поверхности, в полости которого проходит поток текучей среды, при этом внутренняя поверхность полого цилиндрического тела выполнена или с шероховатостью, или с микрорельефом, или с макрорельефом, отличающийся тем, что модуль содержит сборный корпус, состоящий из верхней и нижней частей, соединенных разъемным соединением и выполненных в форме стаканов со сквозным осевым цилиндрическим вырезом в их основаниях, а ротор на верхнем и нижнем торцах имеет кольцевые опорные выступы, обращенные в сторону корпуса, и установлен в корпус с образованием посадочных мест, представляющих собой внутренние полости, в которых установлены подшипники, опирающиеся с одной стороны на кольцевые опорные выступы ротора, а с другой стороны в основания и стенки стаканов.

2. Роторный модуль по п. 1, отличающийся тем, что в основании верхней части корпуса выполнен кольцевой паз с образованием цилиндрического продольного выступа, направленного в сторону подшипника, при этом верхний торец кольцевого опорного выступа ротора выполнен ступенчатым под установку верхнего подшипника.

3. Роторный модуль по п. 1, отличающийся тем, что нижний торец кольцевого опорного выступа ротора выполнен ступенчатым под установку нижнего подшипника в основании нижней части корпуса.

4. Роторный модуль по п. 1, отличающийся тем, что между основаниями стаканов и ротором установлены уплотнения, граничащие с потоком среды.

5. Роторный модуль по п. 1, отличающийся тем, что ротор выполнен из полимерного материала.

6. Автономный электрогенератор, содержащий статор с обмоткой возбуждения, вращатель в виде безлопастной турбины с системой магнитов, блок пьезогенератора, преобразователь переменного тока, отличающийся тем, что в качестве вращателя содержит, по меньшей мере, один роторный модуль по любому из пп. 1-5.

7. Автономный электрогенератор по п. 6, отличающийся тем, что блок пьезогенератора вынесен в отдельный модуль.

8. Система борьбы с трубными отложениями, содержащая нагревательный модуль, подключенный к источнику питания, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, один источник питания, выполненный в виде автономного электрогенератора по любому из пп. 6, 7, причем автономный электрогенератор содержит гидродинамический модуль, выполненный в виде роторного модуля по любому из пп. 1-5.

9. Система по п. 8, отличающаяся тем, что дополнительно содержит модуль накопления и управления энергией.

10. Система по любому из пп. 8, 9, отличающаяся тем, что дополнительно содержит модуль ультразвуковой генерации колебаний.