Способ удаления гидратных пробок в трубопроводах Российский патент 2023 года по МПК B08B9/00 F17D1/00 F16L53/34 H05B6/70 

Изобретение относится к транспортировке газа, а именно к очистке магистральных трубопроводов от загрязнений, и может использоваться для ликвидации гидратных отложений.

Проблема гидратных пробок имеет немаловажное значение как при скважинной добыче, так и трубопроводной транспортировке природного газа.

Углеводородные газы, в первую очередь метан, склонны образовывать соединения с водой, представляющие собой молекулярные кластеры, где молекула газа окружена молекулами воды. Образование кластеров происходит при пониженных температурах и повышенных давлениях, которые имеют место при эксплуатации газопроводов. Скопления гидратов, подобные скоплениям снега, снижают пропускную способность газопроводов, а в случае полного перекрытия сечения трубы требуют аварийно-восстановительных работ. Прогнозирование и предотвращение образования гидратных пробок представляют собой важную народно-хозяйственную задачу.

Известен ряд способов борьбы с гидратными пробками, включающих химическое воздействие различными реагентами или физическое воздействие (тепловое, механическое, физическими полями). Классификация известных способов имеется в статье [Газдиев А.И. Сущность и особенности образования гидратов и методы борьбы с ними... Научный электронный журнал "Меридиан" Выпуск 2(36), 2020. Электронный ресурс https://meridian-journal.ru/site/article?id=2619].

Простейшим химическим веществом, растворяющим газовые гидраты, является метанол. Вместе с тем, находят применение достаточно сложные композиции. Например, в патенте [RU 2747427] предусмотрена промывка трубы композицией из раствора галогенида двухвалентного металла (например, иодид марганца), многоатомного спирта (например, изобутиденгликоль) и эруциламидопропилбетаина. Данный способ, как и аналогичные ему, требует массированного расхода вредных для здоровья и окружающей среды химических веществ.

Известны также механические способы удаления гидратных пробок включающие возвратно-поступательное воздействие различными скребками, например, в соответствии с патентом [SU 1640371] специальным инструментом наносятся периодические удары до момента разрушения пробки. В то же время к месту воздействия подается нагретый реагент, вымывающий разрушенные фрагменты. Этот способ требует подведения ударного инструмента к месту закупорки, что возможно на сравнительно небольших расстояниях, в противном случае требуется вскрытие трубы. Чаще всего такие способы применяют в вертикальных скважинах.

Для горизонтальных трубопроводов предложен способ удаления гидратных пробок [RU 2220012], включающий прокачку силой давления газа специальной среды, в качестве которой выступают тампоны гранулированной соли NaCl. В данном случае сочетаются химическое и механическое действие.

Более близкими аналогами изобретения являются способы, связанные с подводом тепла к скоплению гидратов. Известен, например, способ удаления гидратных пробок по патенту [SU 1796010], предусматривающий подачу и обратный отвод нагретой промывочной жидкости по трубе с гидромониторным наконечником. Недостаток обусловлен быстрым охлаждением теплоносителя при большой длине трубы.

Более прогрессивный способ, основанный на подводе тепла, предусматривает применение электрического нагревателя [RU 2424427]. Электричество для питания нагревателя вырабатывается генератором, работающим на газе, в изобилии присутствующем на месте. Очевидный недостаток такого подхода - наличие длинных и тяжелых проводов, обладающих ограниченной самонесущей способностью.

С развитием техники высоких и сверхвысоких частот все более привлекательными становятся попытки подведения тепла к объекту воздействия с помощью микроволн. Например, в патенте [SU 1707190] предложена идея запуска микроволнового излучения в трубопровод гибким коаксиальным кабелем с излучающим штырем или петлей на конце. Расплавленные продукты устраняются продувкой. Численным моделированием показано, что мощности 10-20 кВт было бы достаточно, чтобы растопить гидратную пробку длиной порядка 100 м за время порядка 100 часов.

Следует признать возможность реализации данного способа умозрительной, поскольку коаксиальные кабели с максимальным доступным диаметром, например, РК75-44-17 (диаметр внешнего проводника 44 мм) имеют максимальную допустимую мощность до 1 кВт, а более тонкие кабели, способные повторять изгибы трубы, - и того меньше. К тому же, для каждого диаметра трубы, согласно формуле изобретения, частота излучения должна адаптироваться.

Наиболее близким к заявляемому является способ борьбы с гидратными пробками, указанный в публикации [Стаднюк Е.И. Обнаружение и устранение гидратных пробок в газопроводах. Сборник докладов XX Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» Томск, 2014, т. 3, с 105-106].

Известный способ предусматривает подведение тепла к гидратной пробке в форме микроволнового излучения при помощи волноводов. Преимущество волноводов состоит в меньшей поверхностной плотности тока и, соответственно, большей допустимой мощности. С точки зрения электродинамики трубопровод представляет собой волновод, в котором электромагнитные волны способны распространяться на значительные расстояния. На фиг. 1 приведен типичный график зависимости затухания волны а в децибелах при распространении на расстояние, равное радиусу трубы R, от соотношения радиуса трубы R и длины волны λ₀ для различных конфигураций поля. Из него можно, в частности, определить, что волны с конфигурацией Н01 в трубах диаметром порядка 1 м способны распространяться с умеренным затуханием на несколько километров.

Характерно, что затухание волн, обусловленное конечной проводимостью металла, ничтожно мало в сравнении с затуханием в водосодержащих средах, в том числе в снегоподобной массе гидрата. Благодаря этому энергия, переносимая микроволнами, адресно выделяется в виде тепла в целевом объекте, то есть в массиве гидрата. Следует указать, что известное техническое решение в части удаления гидратных пробок было сформулировано как идея без технического воплощения, причем оно обладает следующими недостатками:

1. Необоснованный для практики выбор диапазона частот микроволнового излучения и средств доставки его в трубу. Применен диапазон 2400-2500 МГц, удобный для лабораторных исследований, но неприемлемый для большеразмерных труб диаметром порядка 1000 мм. Несмотря на малое прогнозируемое затухание волны Н01, в реальности указанная волна интенсивно трансформируется на различных неоднородностях в другие типы волн, для которых условия затухания оказываются далеки от оптимума. Это обстоятельство не позволяет канализировать СВЧ энергию на приемлемые расстояния. Использованный возбудитель типа резонансной диафрагмы для большеразмерной трубы является квазиточечным источником и не способен формировать волну с конфигурацией, соответствующей малому затуханию при распространении. Кроме того, использованный малоразмерный возбудитель, как указано в цитируемом источнике, допускает работу при мощностях до 5 кВт. Следует также указать, что коммерческие микроволновые генераторы (главным образом магнетронные) диапазона 2400-2500 МГц также имеют мощность, не превышающую 5-6 кВт, что связано с предельной концентрацией тепловыделения в генераторном узле.

2. Необоснованный расчет производительности метода, включающий теплоемкость снега 2,01 КДж/кг⋅град, но не учитывающий теплоту фазового перехода 330 КДж/кг (для гидратов до 550 КДж/кг). Вследствие этого производительность метода многократно завышена относительно от реально достижимой производительности.

Запатентованный на основании вышеуказанного технического решения принцип борьбы с пробками из замороженных газов в криогенных системах [RU 2753604] также имеет сомнительные преимущества, поскольку замороженные (также как и жидкие) углеводородные фракции, являясь высокодобротными диэлектриками, крайне слабо поглощают электромагнитные волны и авторам приходится полагаться на нагрев стенок труб проходящим микроволновым излучением. Очевидно, что повсеместный нагрев металла оставляет только малую часть тепловой энергии на разморозку проблемных фрагментов. Приходится констатировать, что опубликованные технические решения являются умозрительными, а при попытках реализации не могут обеспечить нужный технический результат - ликвидацию гидратных пробок газопроводах в разумные сроки. Ограниченные величины мощности, канализируемой в объект воздействия, могут вообще оказаться неспособными превзойти теплоотдачу в окружающую среду, то есть существует порог принципиальной реализуемости обсуждаемого способа.

Задача предлагаемого изобретения - обеспечить конкурентную производительность по растапливанию гидратных пробок в трубопроводах микроволнами.

Технический результат изобретения - достижение реального эффекта удаления гидратных пробок с меньшими затратами времени и меньшим расходом ресурсов.

Технический результат достигается тем, что при воплощении способа удаления гидратных пробок в газопроводах с помощью микроволн отличие состоит в том, что источником микроволн служит магнетронный генератор с мощностью 50-100 кВт и частотой 900-930 МГц, а канализация излучения, включая трансформацию структуры волн, производится посредством полноразмерных волноводных элементов.

Достижимость технического результата обоснована следующим.

Диапазон частот 900-930 МГц соответствует сортаменту выпускаемых мощных магнетронов, предназначенных для различных технологических применений. Конкретная частота внутри диапазона не имеет существенного значения для воплощения результата.

Использование магнетронного генератора с указанной мощностью 50-100 кВт соответствует текущему состоянию техники и не имеет приемлемой альтернативы среди ламповых или полупроводниковых генераторов и усилителей. Частоты 900-930 МГц узаконены в мировой практике для целей микроволнового нагрева и удовлетворяют условиям распространения в трубах диаметром от 250 мм и более, включая сортамент 1000 и 1400 мм.

Магнетронные генераторы с вышеуказанными параметрами выпускаются отечественными и зарубежными производителями и доступны для применения. Магнетронные генераторы снабжены выходными присоединителями в виде волноводных фланцев. Присоединение генератора к трубопроводу полноразмерными волноводными переходами и трансформаторами структуры волн, предусмотренными заявляемым техническим решением, обеспечивает отсутствие локальных перенапряжений и перегревающих токов в отличие от кабельных и малоразмерных волноводных элементов. Кроме того, гарантируется формирование заданной структуры волны.

Модельный эксперимент проведен с масштабной моделью на основе магнетрона от микроволновой печи с мощностью 1 кВт и с частотой 2450 МГц. Трубопровод имитировался стальной вентиляционной трубой диаметром 250 мм и длиной 6 м. В конечном участке трубы устанавливали стакан со снегом. После включения магнетрона снег растапливался в течение 1 минуты, причем труба на всем протяжении оставалась холодной. По оценочным данным, учитывающим теплоту плавления воды, которые подтверждаются данным экспериментом, мощность 1 кВт способна растапливать до 7 кг снега в час. Соответственно, при помощи магнетрона мощностью 100 кВт можно растапливать порядка 700 кг в час. Некоторая поправка имеет место в связи с тем, что теплота разложения газовых гидратов, в зависимости от их структуры, может превышать теплоту плавления снега до полутора раз, что не оказывает радикального влияния на достижимость результата. Проведенный масштабный лабораторный эксперимент подтверждает достижимость заявленного технического результата.

В натурных экспериментах были исследованы характеристики затухания микроволнового излучения диапазона 900-930 МГц в отрезках газопроводов диаметра 1000 мм на расстояниях от 50 до 2000 м. Установлено, что при отсутствии влаги изучение распространяется с относительно малым затуханием. В то же время при наличии конденсата на стенках или при вливании в полость трубы 10-20 л воды затухание увеличивалось в 20... 100 раз. Это свидетельствует о целенаправленном поглощении микроволнового излучения водосодержащими включениями. При достаточной мощности излучения указанные включения будут испытывать нагрев, расплавление и даже испарение в соответствии с их термодинамическими свойствами.

Таким образом, заявленная совокупность признаков выработана на основе анализа научно-технической информации и ряда лабораторных и полигонных экспериментов на реальных трубопроводах, в ходе которых исследованы характеристики распространения и затухания волн в газопроводах и получены неочевидные заранее результаты. Это позволяет считать заявленные признаки новыми и неочевидными.

Воплощение изобретения (фиг. 2) предусматривает установку на конце участка трубопровода 1, подлежащего очистке от пробки 2, магнетронного генератора 3 с волноводным выходом 4, снабженным переходом 5 к присоединительному фланцу 6 по размеру трубы 1. Как и при воплощении альтернативных способов удаления гидратных пробок, организуется продувка трубы для выведения продуктов разложения гидратов. Дополнительное преимущество способа прогрева микроволновым излучением состоит в том, что он не требует точной локализации гидратной пробки, поскольку излучение «само находит» объект воздействия.

Изобретение относится к транспортировке газа, а именно к очистке магистральных трубопроводов от загрязнений, и может использоваться для ликвидации гидратных отложений. Способ удаления гидратных пробок в газопроводах с помощью микроволн отличается тем, что источником микроволн служит магнетронный генератор с мощностью 50-100 кВт и частотой 900-930 МГц. Канализация излучения, включая трансформацию структуры волн, производится посредством полноразмерных волноводных элементов. Технический результат изобретения - достижение реального эффекта удаления гидратных пробок с меньшими затратами времени и меньшим расходом ресурсов. 2 ил.

Способ удаления гидратных пробок в газопроводах с помощью микроволн, отличающийся тем, что источником микроволн служит магнетронный генератор с мощностью 50-100 кВт и частотой 900-930 МГц, а канализация излучения, включая трансформацию структуры волн, производится посредством полноразмерных волноводных элементов.