УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУШКИ ТРУБОПРОВОДОВ ЦЕХОВ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МОЩНЫМ МИКРОВОЛНОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Российский патент 2024 года по МПК H01P5/18 

Изобретение относится к волноводной передаче микроволновой энергии и может использоваться при осушке трубопроводов.

При проведении монтажных или ремонтных работ на газокомпрессорных станциях важным этапом является осушка трубопроводов. Как правило, этому этапу предшествуют гидроиспытания, связанные с заполнением трубопровода водой под давлением. Основная часть воды вытесняется последующей продувкой и пропусканием поршней, однако, после этого остается значительное количество воды в понижениях трубы в виде луж, а также на всей внутренней поверхности в виде конденсатной пленки. Присутствие воды при функционировании трубопровода крайне нежелательно, поскольку сказывается на качестве продукта и способствует образованию скоплений гидратов, сужающих просвет трубы. Основные способы осушки трубопроводов связаны с продувкой сухим воздухом, выносящим пары воды, то тех пор, пока концентрация не снизится до установленного предела. Как правило, максимально допустимая концентрация водяного пара в трубопроводах соответствует температуре точки росы минус 20°С. Продувку проводят под избыточным давлением или под вакуумом. В обоих случаях скорость испарения воды определяется притоком тепла из окружающей среды. Плановые работы на трубопроводах предпочтительно проводятся летом, однако не исключаются задержки, ведущие к завершению работ в холодное время, когда испарение воды резко замедляется или даже прекращается. В связи с этим обстоятельством актуальность приобретают поиски альтернативных способов осушки трубопроводов.

Способ осушки, раскрытый в патенте [RU 2777908], включает продувку трубопровода с одновременным введением внутрь трубы мощного микроволнового излучения.

Принцип микроволновой осушки основан на том, что металлические стенки трубопровода хорошо отражают микроволны, оставаясь холодными, в то время как вода их активно поглощает, и именно в ней в основном происходит выделение тепла. Это обстоятельство выгодно отличает способ микроволнового нагрева от других способов, связанных, так или иначе, с разогревом всего внутреннего пространства.

Оборудование микроволнового нагрева для промышленных целей в настоящее время достаточно широко применяется и доступно по приемлемым ценам, что следует, например, из источников [Морозов О.А. Промышленное применение СВЧ-нагрева / О.А. Морозов, А.Н. Каргин, Г.П. Савенко, В.П. Требух, И.Г. Воробьев // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2010. - №3. - С. 2-6.], [https://muegge.de/us/product-category/microwave-generators-us/]. Комплект оборудования представляет собой источник питания и управления и генераторный блок, связанный с ним кабелями и шлангами охлаждения. Генератор работает в разрешенном диапазоне 915 МГц с выходной мощностью 50-75 кВт. Исходя из теплоты испарения воды, можно оценить, что каждый киловатт-час расходуемой энергии способен испарить не менее 1 кг воды. Масса конденсатной пленки в трубопроводах, имеющих диаметр 700, 1000 и 1400 мм, исчисляется сотнями кг/км, таким образом, можно оценить, что 50-киловаттный магнетрон способен осушить трубопровод длиной порядка 1 км в течение нескольких часов. Следует заметить, что микроволновый нагрев не исключает традиционную продувку, поскольку пар так или иначе должен выноситься наружу. В сочетании с продувкой микроволновый нагрев обеспечивает ускорение осушки как минимум в 2-3 раза, а при отрицательных температурах принципиально решает вопрос осуществимости осушки.

Специфика функционирования трубопроводов в газовом хозяйстве выдвигает специфические требования к средствам введения излучения в трубопровод. Эти средства должны быть достаточно мобильными, легко монтируемыми, сравнимыми по размерам с прочим оборудованием. Поле возбуждаемых волн должно быть по возможности равномерно распределено по периметру трубы без выраженных минимумов, чтобы нагрев охватывал всю увлажненную поверхность.

С точки зрения электродинамики труба представляет собой круглый волновод, в котором способны распространяться электромагнитные волны различной структуры при условии, что их длина не превышает некоторого критического значения. Это условия трактуются таким образом, что конкретная структура волны должна укладываться в поперечное сечение трубы. Исчерпывающие сведения о структуре волн в круглых трубах содержатся в источнике: [Constantine A. Balanis Circular Waveguides // Электронный ресурс http://www.tuks.nl/pdf/Reference_Material/Circular_Waveguides.pdf, стр. 643-653].

Наименьшими потерями при распространении обладает волна Н01, и с ней обычно связывают возможность передачи микроволновой энергии на значительные расстояния.

Однако возбуждение такой волны связано с определенными трудностями. Для создания конфигурации поля, соответствующей волне Н01, приходится использовать протяженный плавный волноводный переход или же использовать несколько элементов возбуждения, к которым подводятся разветвленная микроволновая мощность с соблюдением фазовых соотношений.

Известно устройство возбуждения волны Н01. приведенное в источнике [Устройства СВЧ: Учеб. пособие / Под ред. Д.М. Сазонова. - М.: Высшая школа, 1981 г.. с. 61]. Конструкция данного возбудителя основана на принципе плавной деформации формы поперечного сечения волновода для получения необходимой структуры электрического поля. Для плавного перехода к трубам диаметра 1000 или 1400 мм это устройство принимает несоразмерные габариты, вес и техническую сложность в изготовлении.

Известен возбудитель волны Н01 в круглом волноводе [патент США №7973613, H01P 1/16, 2011 г.]. Конструкция данного возбудителя основана на принципе деления мощности на 4 и параллельном питании круглого волновода через отверстия связи, находящиеся на боковой поверхности круглого волновода, геометрические оси которых расположены во взаимно-перпендикулярных плоскостях для получения необходимой структуры электрического поля. Как и предыдущий аналог, он громоздок, тяжел и чрезвычайно трудоемок в изготовлении

Такими же недостатками обладает устройство [RU 2557474 C1], содержащее выполненный в массе металла волновод, огибающий боковую поверхность трубы и снабженный симметрично расположенными по периметру окнами.

Известно устройство [D. Letavin, Yu. Mitelman. The excitation device for H01 mode in a circular waveguide based on antiphased dipoles. 10.1109/CRMICO.2014.6959527.], содержащее коаксиальное разветвление, передающее мощность на диполи, установленные на торце трубы. Габариты коаксиальных линий меньше, чем габариты волноводов, однако допустимая мощность для кабелей ограничивается единицами киловатт, что не позволяет осуществлять эффективную осушку.

Примеры реализации вышеприведенных возбудителей волны Н01 в круглом волноводе приведены на фиг. 1.

Дополнительное осложнение связано с тем, что для рабочих частот порядка 915 МГц и соответствующих длин волн порядка 328 мм, соответствующих технике промышленного СВЧ нагрева, трубы диаметром 700, 1000 и 1400 мм являются сверхразмерными волноводами. В сверхразмерном волноводе способно распространяться большое количество типов волн. Чтобы избежать возбуждения лишних типов волн, потребовалось бы нереальное количество возбуждающих элементов с точной фазировкой.. Таким образом, для практического применения микроволновой осушки реальных трубопроводов существенны два аспекта: создание конфигурации поля с относительно равномерным распределением по периметру и работоспособность в условиях многоволновости вследствие сверхразмерного характера трубы. Акцент на формирование именно волны Н01 и волн подобной структуры отходит на второй план, поскольку размеры цеховых трубопроводов не требуют экстремально малого затухания, важного только для многокилометровых технологических участков трубопровода.

Наиболее близким к заявляемому изобретению следует признать приведенное выше техническое решение [патент США №7973613], предусматривающее введение волновода в отрезок трубы перпендикулярно ее оси и потенциально пригодное для применения в качестве возбудителя волн в устройстве осушки трубопровода. Однако, по технической сложности оно не имеет перспектив для использования в натурных условиях, а кроме того, при сверхразмерной трубе дает неконтролируемую, в том числе неравномерную по периметру трубы конфигурацию поля вследствие многоволновости.

Технический результат изобретения - уменьшение массогабаритных показателей возбудителя волн устройства для осушки при равномерном распределении поля по периметру трубы в условиях многоволновости.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для осушки трубопроводов цехов компрессорной станции мощным микроволновым излучением, содержащем возбудитель волн в виде волновода, введенного в отрезок трубы перпендикулярно ее оси, отличие состоит в том, что ось волновода смещена относительно оси трубы на расстояние от 0,76 до 0,82 ее радиуса.

Конфигурация возбудителя волн приведена на фиг. 2. Он представляет собой отрезок трубы 1 с фланцами 2, образующий технологическую катушку. Волновод 3, по которому поступает мощное микроволновое излучение, введен в трубу перпендикулярно ее оси. Как показано на фиг. 3, ось волновода смещена относительно оси трубы. Смещение составляет от 0,76 до 0,82 ее радиуса. По сравнению с аналогами, приведенными на фиг. 1, налицо несомненное преимущество заявляемого технического решения по массогабаритным характеристикам.

Достижимость технического результата в части обеспечения равномерного распределения поля по периметру в условиях многоволновости подтверждается электродинамическими расчетами и опытом практического воплощения устройства. Смещение оси волновода от оси симметрии обеспечивает возбуждение ряда волн различных типов, порождаемых расхождением микроволнового излучения от области входа волновода в трубу. При этом отклонение возбуждающего волновода от оси симметрии способствует возбуждению волн с вращающейся поляризацией, для которых характерно равномерное распределение поля по периметру трубы.

Принцип формирования волн с круговой поляризацией иллюстрируется на элементарном уровне рисунком фиг. 4. Силовые линии электрического поля расходятся от открытого конца волновода по направлениям, показанным стрелками. Пунктирные линии поперек силовых линий обозначают сечения с одинаковыми фазами. Области А и Б отличаются, во-первых, взаимно-перпендикулярной ориентацией силовых линий, и, во-вторых, разными величинами запаздывания фазы. Благоприятное сочетание условий, когда поля перпендикулярны, а разность фаз составляют 90°, способствует возбуждению распространяющихся волн с круговой поляризацией. При симметричном положении возбуждающего волновода более вероятно возбуждение волн с выраженной линейной поляризацией, для которой характерно чередование максимумов и минимумов по периметру трубы. Такая структура поля вызывает неравномерный нагрев конденсатной пленки, что препятствует эффективной осушке.

Более достоверное, чем вышеприведенная интуитивная трактовка, подтверждение достигаемого результата получено электродинамическими расчетами. Показано, что при смещении оси, составляющем от 0,6 до 0,9 радиуса, волнам с вращающейся поляризацией передается 70-80% энергии, поступающей по волноводу. Ограничение диапазона смещений более узкими границами от 0,76 до 0,82 радиуса обусловлено условиями согласования волновода, то есть, минимизации коэффициента отражения возбудителя волн. При неудовлетворительном согласовании часть микроволновой мощности, отражаемая обратно в генератор, нарушает его работу и может вызвать его повреждение. В технике сверхвысоких частот степень согласования характеризуют величиной обратных потерь (коэффициентом отражения мощности), а также связанной с ней величиной коэффициента стоячей волны (КСВ). Приемлемой обычно считается величина КСВ≤1,5 и связанная с ней величина обратных потерь -15 дБ, или около 3%, которые обеспечиваются при указанных выше смещениях оси волновода относительно оси трубы.

В отличие от имеющихся аналогов, заявляемый возбудитель работоспособен с единственным возбуждающим элементом.

Практически устройство осушки трубопровода цеха компрессорной станции мощным микроволновым излучением с использованием заявляемого возбудителя волн было применено заявителями на месторождениях Восточной Сибири. В условиях минусовых температур и присутствия ледяной корки на внутренней поверхности трубы реализована осушка трубопровода до нормативных параметров. Общий вид устройства возбуждения волн в трубопроводе с элементами крепления генераторного блока приведен на фиг. 5.

Изобретение относится к технике осушения газопроводов после гидравлических испытаний. Устройство для осушки трубопроводов цехов компрессорной станции мощным микроволновым излучением, содержащее возбудитель волн в виде волновода, введенного в отрезок трубы перпендикулярно ее оси. При этом ось волновода смещена относительно оси трубы на расстояние от 0,76 до 0,82 ее радиуса. Технический результат - уменьшение массогабаритных показателей возбудителя волн устройства для осушки при равномерном распределении поля по периметру трубы в условиях многоволновости. 5 ил.

Устройство для осушки трубопроводов цехов компрессорной станции мощным микроволновым излучением, содержащее возбудитель волн в виде волновода, введенного в отрезок трубы перпендикулярно ее оси, отличающееся тем, что ось волновода смещена относительно оси трубы на расстояние от 0,76 до 0,82 ее радиуса.