НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2024 года по МПК E21B36/00 

Техническое решение относится к устройствам нагревателей проточных индукционно-резистивного типа и может быть использовано для нагревания продуктов в процессе их транспортирования по трубопроводу. В частности, техническое решение может быть использовано для нагревания скважинных жидкостей, например, высоковязких, содержащих большое количество асфальтосмолопарафиновых компонентов, нефтяных смесей непосредственно при их извлечении из скважин посредством колонн насосно-компрессорных труб.

Из описания изобретения «Скважинный подогреватель» к патенту RU 2317401 C1, (МПК E21B36/00 (2006.01), http://www1.fips.ru/wps/portal/ofic_pub_ru/ - page=classification&type=IZPM&level=interSubClass&number=E21Bопубликовано 20.02.2008) известно техническое решение подогревателя скважинного, принятое в качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения. Известный подогреватель скважинный характеризуется тем, что он содержит цилиндрический металлический корпус со съемными крышками, установленными герметично на торцевых сторонах корпуса. Внутри корпуса, коаксиально ему, размещен участок трубы из подвески насосно-компрессорных труб. На внешней поверхности упомянутого участка трубы, в направлении вдоль трубы, последовательно намотаны три индукционные цилиндрические катушки. При этом упомянутые три индукционные цилиндрические катушки отстоят друг от друга на некоторое расстояние с тем, чтобы исключить их взаимное влияние. Выводные концы катушек выведены через одну из крышек корпуса на соединительный кабель. Размеры трубы в поперечном сечении на участке подогревателя выполнены с возможностью сопряжения с трубами подвески насосно-компрессорных труб для транспорта нефти из скважины за пределами подогревателя. Конструкция подогревателя, ближайшего аналога, такова, что при его работе участок трубы из подвески насосно-компрессорных труб (то есть, внутренняя труба подогревателя) выполняет функцию нагревателя, а цилиндрический металлический корпус (то есть, внешняя труба подогревателя) является магнитопроводом. При этом упомянутый участок трубы из подвески насосно-компрессорных труб является грузонесущей составляющей всей конструкции подогревателя. Известное техническое решение, ближайший аналог, позволяет встроить подогреватель скважинный непосредственно, как составной элемент, в транспортный трубопровод (колонну насосно-компрессорных труб), через который транспортируется нефтепродукт из скважины, и осуществлять нагрев достаточно большой площади поверхности транспортной трубы равномерно со всех ее сторон. Однако известный подогреватель, ближайший аналог, имеет следующие недостатки. Поскольку внешним магнитопроводом в известном подогревателе является стальной трубчатый (цилиндрический) корпус, то, ввиду непрерывности линий магнитного потока, величина магнитного потока во внешнем цилиндрическом корпусе практически равна величине магнитного потока во внутренней трубе подогревателя. Магнитный поток вызывает индуцированные вихревые токи и выделение тепловой мощности, как во внутренней трубе подогревателя, так и во внешнем цилиндрическом корпусе, причем величины этих мощностей сопоставимы между собой. При этом тепловая мощность во внутренней трубе подогревателя является полезной, поскольку расходуется на нагрев внутренней трубы и, соответственно, продукта, находящего в этой трубе. А тепловая мощность, выделяемая из цилиндрического корпуса, уходит в окружающую среду, являясь, таким образом, потерями энергии. Таким образом, подогреватель, ближайший аналог, характеризуется низким значением отношения полезно расходованной тепловой энергии к суммарному количеству выделенной тепловой энергии. То есть, характеризуется низким уровнем энергетической эффективности. Кроме этого, в подогревателе, ближайшем аналоге, магнитная цепь содержит довольно большой, равный радиальному зазору между внутренней и внешней трубами подогревателя, воздушный зазор. Это обуславливает довольно большие потери тока на намагничивание. Таким образом, подогреватель, ближайший аналог, характеризуется низким коэффициентом электрической мощности. Результатом как низкого уровня энергоэффективности, так и низкого коэффициента электрической мощности, является необходимость создания большой мощности и, соответственно, большой величины электрического тока с тем, чтобы обеспечить необходимый нагрев продукта, транспортируемого через внутреннюю трубу подогревателя, до необходимой степени. В свою очередь, что бы избежать перегрева проводника в результате создания в цепи тока большой величины, возникает необходимость в увеличении поперечного сечения обмоточного провода, что, соответственно, увеличивает толщину индукционных катушек и, в свою очередь, требует увеличения расстояния между ними. В связи с этим, активная длина обмотки уменьшается и, значит, уменьшается площадь нагреваемых участков внутренней трубы (трубы из подвески насосно-компрессорных труб) подогревателя. Это также негативно влияет на энергетическую эффективность подогревателя, ближайшего аналога.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в уменьшении мощности потребляемого тока и, соответственно, снижении потребления электроэнергии.

Указанная техническая проблема решается тем, что нагреватель, встраиваемый в трубопровод, содержащий цилиндрический корпус, трубу, которая имеет концевые участки, а также, содержащий индукционную обмотку из изолированного проводника с выводными концами, при этом, упомянутая труба установлена внутри цилиндрического корпуса соосно с ним, а со сторон торцевых участков цилиндрического корпуса выполнены уплотнительные узлы, которые герметично закрывают зазор между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и внешней поверхностью трубы таким образом, что между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и внешней поверхностью трубы имеется герметичное пространство, при этом, упомянутая индукционная обмотка размещена в упомянутом герметичном пространстве и, при этом, намотана на внешнюю поверхность трубы, причем индукционная обмотка электрически изолирована от внешней поверхности трубы, при этом, выводные концы индукционной обмотки выведены через, по меньшей мере, один из уплотнительных узлов наружу для соединения упомянутых выводных концов с внешним источником питания, а концевые участки трубы выполнены с возможностью встраивания упомянутого нагревателя в упомянутый трубопровод, согласно заявляемому техническому решению упомянутый нагреватель содержит магнитопровод, который выполнен с постоянным поперечным сечением в форме разомкнутого кольца и зафиксирован в упомянутом герметичном пространстве в таком положении, что упомянутый магнитопровод огибает снаружи индукционную обмотку, при чем, индукционная обмотка электрически изолирована от магнитопровода.

Согласно заявляемому техническому решению нагреватель содержит магнитопровод, который выполнен с постоянным поперечным сечением в форме разомкнутого кольца и зафиксирован в упомянутом герметичном пространстве в таком положении, что упомянутый магнитопровод огибает снаружи индукционную обмотку. Такое решение, за счет того, что магнитопровод имеет разомкнутую в поперечном сечении форму, предотвращает возникновение в магнитопроводе вихревых (индукционных токов) при прохождении электрического тока в индукционной обмотке, которую магнитопровод огибает. В результате отсутствия вихревых токов в магнитопроводе он не нагревается и, соответственно, практически вся тепловая мощность, созданная в нагревателе, расходуется на нагрев трубы, которая по существу является замкнутой накоротко вторичной обмоткой. Соответственно, от нагретой внутренней поверхности трубы тепло передается к продукту, продвигающемуся по этой трубе при его транспортировании по трубопроводу. То есть, практически вся тепловая мощность, созданная в нагревателе, расходуется на полезный нагрев транспортируемого через трубу продукта, а потери тепла на нагрев корпуса нагревателя практически отсутствуют.

Таким образом, в сравнении с ближайшим аналогом, заявляемое техническое решение нагревателя существенно уменьшает потери тепловой мощности, тем самым, повышает энергетическую эффективность нагревателя, что является техническим результатом, достигаемым заявленным техническим решением нагревателя.

При аналогичных с ближайшим аналогом условиях нагрева транспортируемого через трубу продукта до необходимой степени указанный технический результат позволяет уменьшить мощность и, соответственно, величину потребляемого тока, тем самым, уменьшить потребление электроэнергии. То есть, решается техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое техническое решение нагревателя.

В свою очередь, возможность уменьшить величину потребляемого тока позволяет использовать в индукционной обмотке нагревателя обмоточный провод с меньшим поперечным сечением без риска его перегрева, а обмотку выполнять однослойной. Такие решения, в свою очередь, обеспечивают уменьшение радиального зазора между трубой и магнитопроводом и, как следствие, позволяют уменьшить потери тока на намагничивание и, значит, повысить коэффициент электрической мощности нагревателя.

Таким образом, в сравнении с ближайшим аналогом, заявляемое техническое решение нагревателя позволяет уменьшить потери тока на намагничивание и, тем самым, повысить коэффициент электрической мощности нагревателя, что является еще одним техническим результатом, достигаемым заявленным техническим решением нагревателя.

При аналогичных с ближайшим аналогом условиях нагрева транспортируемого через трубу продукта до необходимой степени указанный технический результат также позволяет уменьшить мощность и, соответственно, величину потребляемого тока, тем самым, уменьшить потребление электроэнергии. То есть, данный технический результат также решает техническую проблему, на решение которой направлено заявляемое техническое решение нагревателя.

Вместе с этим, выполнение в нагревателе индукционной обмотки в один слой позволяет увеличить радиальный зазор между магнитопроводом и корпусом с тем, чтобы можно было разместить в упомянутом зазоре слой теплоизоляционного материала и, тем самым, дополнительно уменьшить потери тепловой мощности и, соответственно, повысить энергетическую эффективность нагревателя и уменьшить затраты электроэнергии при работе нагревателя.

В заявляемом нагревателе индукционная обмотка может быть выполнена с несколькими, отстоящими друг от друга, фазными зонами. В таком случае, возможность использовать в индукционной обмотке нагревателя обмоточный провод с меньшим поперечным сечением позволяет уменьшить расстояние между упомянутыми фазными зонами, тем самым, в сравнимых с ближайшим аналогом условиях, увеличить активную длину индукционной обмотки и, соответственно, увеличить площадь нагреваемых участков трубы. Это также положительно влияет на энергетическую эффективность нагревателя.

Кроме этого, в отличие от ближайшего аналога, заявляемое техническое решение исключает функцию «магнитопровода» для цилиндрического корпуса. Соответственно, цилиндрический корпус может быть выполнен не из металла, как этого требует техническое решение ближайшего аналога, а из не проводящего материала, что позволяет расширить ряд материалов, пригодных для изготовления цилиндрического корпуса.

В заявляемом нагревателе в упомянутом герметичном пространстве, между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и магнитопроводом может иметься слой теплоизоляционного материала.

В заявляемом нагревателе магнитопровод может быть выполнен из электротехнической стали, например, листовой электротехнической стали.

В частном случае выполнения заявляемого нагревателя для обеспечения возможности встраивания упомянутого нагревателя в трубопровод один концевой участок трубы снабжен резьбой, а другой концевой участок трубы снабжен муфтой.

В частном случае выполнения заявляемого нагревателя труба представляет собой насосно-компрессорную трубу, обеспечивающую встраивание нагревателя в колонну насосно-компрессорных труб. Использование нагревателя в составе колонны насосно-компрессорных труб позволяет нагревать откачиваемый из скважины и транспортируемый по упомянутой колонне скважинный продукт с тем, чтобы исключить образование отложений скважинного продукта на внутренних поверхностях насосно-компрессорных труб колонны.

На фигуре 1 изображен нагреватель, встраиваемый в трубопровод, в одном из вариантов его выполнения. На фигуре 2 изображен вид показанного на фигуре 1 разреза А.

Нагреватель, встраиваемый в трубопровод, в одном из вариантов его выполнения, содержит (фиг. 1, фиг. 2) цилиндрический корпус 1, трубу 2, которая имеет концевые участки (на фигуре не обозначены), индукционную обмотку 3 из изолированного проводника с выводными концами 4, магнитопровод 5, уплотнительные узлы 6, слой 7 теплоизоляционного материала. Труба 2 установлена внутри цилиндрического корпуса 1 соосно с ним. Уплотнительные узлы 6 выполнены со сторон торцевых участков цилиндрического корпуса 1 и герметично закрывают зазор между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и внешней поверхностью трубы 2 таким образом, что между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и внешней поверхностью трубы 2 имеется герметичное пространство (на фигуре не обозначено). Индукционная обмотка 3 размещена в упомянутом герметичном пространстве и, при этом, намотана на внешнюю поверхность трубы 2. Выводные концы 4 индукционной обмотки 3 выведены через один из уплотнительных узлов 6 наружу для соединения выводных концов 4 с внешним источником питания (на фигуре не обозначен). Магнитопровод 5 выполнен с постоянным поперечным сечением в форме разомкнутого кольца (показано на фиг. 2) и зафиксирован в упомянутом герметичном пространстве в таком положении, что магнитопровод 5 огибает снаружи индукционную обмотку 3. Индукционная обмотка 3 электрически изолирована от магнитопровода 5 и от внешней поверхности трубы 2 слоями (на фигуре не обозначены) из электроизоляционных материалов. Концевые участки трубы 2 выполнены с возможностью встраивания нагревателя в трубопровод. Для этого один концевой участок трубы 2 снабжен резьбой 8, а другой концевой участок трубы 2 снабжен муфтой 9. На фигуре 1 стрелкой показано направление движения продукта, транспортируемого по трубе 2.

Нагреватель, встраиваемый в трубопровод, изготавливают посредством известных технических средств. Определяют технические характеристики трубопровода, в который необходимо встроить нагреватель. Изготавливают трубу 2 с резьбовыми соединительными элементами на ее концевых участках и другими параметрами, позволяющими встроить и использовать трубу 2 и, соответственно, нагреватель в определенном трубопроводе по его назначению. Например, для встраивания нагревателя в колонну насосно-компрессорных труб в качестве трубы 2 изготавливают или используют стандартную насосно-компрессорную трубу с резьбовыми соединительными элементами на ее концевых участках и с параметрами, позволяющими встроить данную трубу 2 и, соответственно, нагреватель в колонну насосно-компрессорных труб.

На определенный участок внешней поверхности трубы 2 наматывают индукционную обмотку 3 из изолированного проводника в один слой. При этом индукционную обмотку 3 электрически изолируют от внешней поверхности трубы 2. При этом, что предпочтительно, для изоляции проводника используют материал с высокой теплостойкостью и теплопроводностью, а индукционную обмотку 3 заливают термостойким компаундом для ее предохранения от перемещений и замыканий между соседними витками проводника, при этом выводные концы 4 индукционной обмотки 3 оставляют свободными.

Магнитопровод 5 изготавливают, например, из листовой электротехнической стали, причем, придают ему форму, имеющую постоянное поперечное сечение в форме разомкнутого кольца.

Известными техническими средствами магнитопровод 5 фиксируют в таком положении, что магнитопровод 5 огибает снаружи индукционную обмотку 3. При этом между магнитопроводом 5 и индукционной обмоткой 3 размещают слой (на фигуре не показано) электроизоляционного материала. Таким образом получают сборку трубы 2 с намотанной на ее поверхность индукционной обмоткой 3 и с магнитопроводом 5.

Изготавливают цилиндрический корпус 1 с размерами, обеспечивающими размещение внутри него упомянутой сборки трубы 2 с определенным зазором между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и магнитопроводом 5 и, вместе с этим, обеспечивающими возможность использования нагревателя в составе определенного трубопровода. Например, для встраивания нагревателя в колонну насосно-компрессорных труб, которую предполагается использовать в определенной скважине, цилиндрический корпус 1 выполняют с размерами, обеспечивающими размещение нагревателя в упомянутой скважине.

Например, цилиндрический корпус 1 изготавливают металлическим, или из непроводящего материала, обеспечивающего необходимую прочность и другие, необходимые согласно условиям эксплуатации нагревателя, свойства цилиндрического корпуса 1.

Внутрь цилиндрического корпуса 1, соосно с ним, устанавливают упомянутую сборку трубы 2. При этом, что предпочтительно, в упомянутом зазоре между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и магнитопроводом 5 размещают слой 7 теплоизоляционного материала.

Со сторон торцевых участков цилиндрического корпуса 1 выполняют уплотнительные узлы 6 таким образом, что они герметично закрывают зазор между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и внешней поверхностью трубы 2. Таким образом, между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и внешней поверхностью трубы 2 получают герметичное пространство, в котором располагаются участок трубы 2 с намотанной на него индукционной обмоткой 3, магнитопровод 5 и слой 7 теплоизоляционного материала.

Уплотнительные узлы 6 выполняют с использованием эластичного уплотнительного материала, обеспечивающего герметичность упомянутого пространства в условиях предполагаемого применения нагревателя. При этом в одном из уплотнительных узлов 6 выполняют, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, через которое выводят наружу свободные выводные концы 4 индукционной обмотки 3 для их соединения с внешним источником питания в процессе использования нагревателя по назначению.

Изготовленный таким образом нагреватель встраивают в определенный трубопровод и используют в его составе по назначению. При этом работу нагревателя обеспечивают, подключая выводные концы 4 к внешнему источнику питания.

Например, изготовленный нагреватель встраивают в колонну насосно-компрессорных труб, которую предполагается использовать для транспортирования жидкого продукта из скважины. Для этого нагреватель размещают между двумя насосно-компрессорными трубами колонны и концевые участки трубы 2 свинчивают с соответствующими концевыми участками указанных насосно-компрессорных труб колонны. Для обеспечения работы нагревателя выводные концы 4 соединяют посредством скважинного кабеля с источником питания, расположенным вне скважины.

В соответствии с заявленным техническим решением был изготовлен опытный образец нагревателя, встраиваемого в колонну насосно-компрессорных труб. В опытном образце в качестве трубы 2 была использована стандартная насосно-компрессорная труба диаметром 73 мм и длиной 8000 мм. Цилиндрический корпус 1 был изготовлен в виде стальной трубы с толщиной стенки 6 мм и внешним диаметром 114 мм. Индукционная обмотка 3 была выполнена с тремя, отстоящими друг от друга, фазными зонами, каждая длиной по 2,2 метра. Между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1 и магнитопроводом 5 был размещен слой 7 теплоизоляционного материала. Уплотнительные узлы 6 были выполнены с использованием кремнийорганической термо- и маслостойкой резины.

Опытный образец нагревателя был испытан на стенде, обеспечивающим транспортирование потока воды через трубу 2. При этом опытный образец нагревателя подключали к трехфазной электрической сети с напряжением 380 В, частотой 50 Гц, а мощность образца нагревателя составляла 30 кВт. Исходная температура транспортируемой через трубу 2 воды составляла 20°С. Измерения, производимые в процессе работы опытного образца нагревателя, показали, что мощность потребляемого тока составила значение 30,5 кВт, сила тока составила 51 А, а транспортируемая через трубу 2 вода была нагрета до температуры 80°С. При этом значение температуры наружной поверхности опытного образца нагревателя находилось в интервале от 30°С до 45°С. Таким образом, коэффициент электрической мощности опытного образца нагревателя составил значение 0,91. Потери тепловой мощности с наружной поверхности опытного образца нагревателя составили около 1 кВт, что составляет 3,3% от потребляемой электрической мощности опытного образца нагревателя. Следовательно, энергетическая эффективность опытного образца нагревателя составила 96,7%, что является высоким показателем для данного типа электротехнического изделия.

Техническое изобретение относится к устройствам нагревателей проточных индукционно-резистивного типа и может быть использовано для нагревания продуктов в процессе их транспортирования по трубопроводу. Техническим результатом является повышение энергетической эффективности нагревателя за счет существенного снижения потери тепловой мощности. Нагреватель, встраиваемый в трубопровод, содержит цилиндрический корпус, индукционную обмотку из изолированного проводника с выводными концами, магнитопровод, а также трубу, которая имеет концевые участки, выполненные с возможностью встраивания нагревателя в упомянутый трубопровод. Труба установлена внутри цилиндрического корпуса соосно с ним, а со сторон торцевых участков цилиндрического корпуса выполнены уплотнительные узлы, которые герметично закрывают зазор между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и внешней поверхностью трубы таким образом, что между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и внешней поверхностью трубы имеется герметичное пространство. Индукционная обмотка размещена в упомянутом герметичном пространстве и, при этом, намотана на внешнюю поверхность трубы. Выводные концы индукционной обмотки выведены через, по меньшей мере, один из уплотнительных узлов наружу для соединения выводных концов с внешним источником питания. Магнитопровод выполнен с постоянным поперечным сечением в форме разомкнутого кольца и зафиксирован в упомянутом герметичном пространстве в таком положении, что магнитопровод огибает снаружи индукционную обмотку. Индукционная обмотка электрически изолирована от внешней поверхности трубы и от магнитопровода. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Нагреватель, встраиваемый в трубопровод, содержащий цилиндрический корпус, трубу, которая имеет концевые участки, а также содержащий индукционную обмотку из изолированного проводника с выводными концами, при этом упомянутая труба установлена внутри цилиндрического корпуса соосно с ним, а со сторон торцевых участков цилиндрического корпуса выполнены уплотнительные узлы, которые герметично закрывают зазор между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и внешней поверхностью трубы таким образом, что между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и внешней поверхностью трубы имеется герметичное пространство, при этом упомянутая индукционная обмотка размещена в упомянутом герметичном пространстве и при этом намотана на внешнюю поверхность трубы, причем индукционная обмотка электрически изолирована от внешней поверхности трубы, при этом выводные концы индукционной обмотки выведены через, по меньшей мере, один из уплотнительных узлов наружу для соединения упомянутых выводных концов с внешним источником питания, а концевые участки трубы выполнены с возможностью встраивания упомянутого нагревателя в упомянутый трубопровод, отличающийся тем, что упомянутый нагреватель содержит магнитопровод, который выполнен с постоянным поперечным сечением в форме разомкнутого кольца и зафиксирован в упомянутом герметичном пространстве в таком положении, что упомянутый магнитопровод огибает снаружи индукционную обмотку, причем индукционная обмотка электрически изолирована от магнитопровода.

2. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что индукционная обмотка выполнена однослойной.

3. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что индукционная обмотка выполнена с несколькими, отстоящими друг от друга, фазными зонами.

4. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в упомянутом герметичном пространстве между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и магнитопроводом имеется слой теплоизоляционного материала.

5. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен из электротехнической стали.

6. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что для обеспечения возможности встраивания упомянутого нагревателя в трубопровод один концевой участок упомянутой трубы снабжен резьбой, а другой концевой участок упомянутой трубы снабжен муфтой.

7. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая труба представляет собой насосно-компрессорную трубу, а упомянутый трубопровод представляет собой колонну насосно-компрессорных труб.