Математическое моделирование расплавления диэлектрической пробки, заполняющей трубу, движущимся объемным источником электромагнитного излучения

Башкирский ГПУ им. М. Акмуллы, г. Уфа, Россия

Рациональнее всего добытые углеводороды -нефть, газ и т.д. - отправлять по месту их назначения не автомобильным или железнодорожным транспортом, а с помощью трубопровода. Летом транспортировка углеводородов проблем не создаёт, но в холодное время года на стенках трубопроводов образовываются осадки - парафины, парафиногидраты и т.д. Обычно для удаления отложений используют горячую воду или пар, химические и механические средства. Но все они технически сложны, требуют больших финансовых затрат и загрязняют окружающую среду. Требуется разработка каких-то иных способов очистки трубопроводов - менее сложных, затратных и экологически безопасных.

Таким способом может оказаться нагрев и расплавление отложений, иногда полностью закупоривающих нефтепровод, энергией электромагнитных (ЭМ) волн, которая вследствие диэлектрических потерь и потерь за счёт конечной электропроводности металлов труб преобразуется в тепловую энергию. Интенсивнее всего преобразование ЭМ энергии в тепловую энергию происходит в диапазоне высокочастотных (ВЧ) волн. Другое дело как передать ЭМ энергию в предназначенную для этого среду. Не всякая линия передачи может передавать ЭМ волны любой частоты. Коаксиальная линия передачи это, например, скважина, в которой внутренним и внешним проводом могут служить насосно-компрессорная труба (НКТ) и обсадная колонна, если, конечно, они не касаются между собой. Если они касаются, то ЭМ энергия может быть передана по внутренней полости НКТ. В таком случае НКТ является в электродинамическом отношении круглым волноводом. Нефтепровод и газопровод тоже являются круглым волноводом. Свойство скважин и трубопроводов в электродинамическом отношении представляет собой коаксиальную линию, и круглый волновод предлагается использовать в работах для очистки их от твёрдых отложений.

В круглом волноводе могут распространяться только волны типа Е или Н. Если нефтепровод имеет небольшой радиус, в нём могут распространяться ЭМ волны только очень большой частоты, которые из-за сильного поглощения ЭМ энергии, средой, быстро затухают. Поэтому среда греется крайне не- равномерно. В одних точках может быть сильный перегрев и большие потери тепла в окружающую нефтепровод среду. В других точках наоборот, не достаточный для расплавления среды, нагрев. Вследствие этого разрушение пробки может быть только на небольшую глубину. Поэтому предлагается их разрушать с помощью движущегося источника ВЧ ЭМ волн. В этом способе источник ВЧ ЭМ излучения передвигается по мере расплавления среды и появления возможности перемещения. Разрушение диэлектрической пробки, каковой является парафин, получается более эффективным.

В волноводе возможно распространение многих типов волн, но не все из них легко могут быть возбуждены, особенно, если это касается источника ЭМ волн, проталкиваемого вглубь трубопровода, да ещё в расплавленную среду. Необходимо изучение всех возможных вариантов.

В данной работе рассмотрен случай распространения в волноводе волны типа Н 11 , у которого наименьшая критическая частота. Выписана система уравнений, описывающая нагрев и плавление парафина в ЭМ поле, выведено выражение, характеризующее объемные источники тепла, обоснованы граничные условия и проведены расчетные исследования. Выявлены динамические особенности плавления парафина в трубе и предложены полезные рекомендации.