Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к способам механизированной транспортировки нефти насосами по локальным и магистральным нефтепроводам.

Известны способы транспортировки нефти путём последовательного перекачивания магистральными насосами по трубам с приводом от

электродвигателя. А.А. Коршак, «Нефтеперекачивающие станции», Учебное пособие, серия «Высшее образование», Ростов н/Д, Феникс, 2015 год, (1). Л.М: Беккер, К.Ю. Штукатуров, Д.К. Элькис, патент N22523923 «Способ транспортировки нефти путём реверсивной перекачки», (2).

Известные способы обеспечивают транспортировку нефти только от части, реально существующих физических процессов.

Недостатком широко известных способов транспортировки нефти является низкие КПД и эффективность, а так же факт значительного несоответствия работы перекачивающих нефтяных магистральных насосов, с приводом от электрических двигателей, действительно происходящим физическим процессам. Через низкие КПД и эффективность работы известных

электрических двигателей (3) и (4), вытекают и низкие показатели,

работающих ныне, магистральных нефтяных насосов.

Из уровня техники не известны способы транспортировки нефти,

способные достичь столь высоких показателей КПД и эффективности, через действия известного установленного нефтяного оборудования.

Существующие способы транспортировки нефти не соответствуют закону сохранения энергии (5), основным законам механики Ньютона (6), через работу известных и широко распространённых электродвигателей. Как известно любые технические и технологические процессы, которые не соответствуют законам физики, являются недействительными и не огут быть промышленно применимы.

Задачей данного изобретения является повышение КПД по (8) и

эффективности существующих способов транспортировки нефти,

существенная экономия энергетических ресурсов, приведение в соответствие с существующими законами физики и Международно принятыми единицами измерения физической величине работа и энергия.

Целью изобретения является создание принципиально нового ранее не известного способа транспортировки нефти с высоким КПД по (8) и эффективностью, при преобразовании электрической энергии через

электромеханический двигатель в электродинамическую работу нефтяного насосного оборудования. Выполнение основного закона природы, закона сохранения энергии, выполнение основных законов механики с соблюдением Международно установленной единицы измерения физической величины работа. Приведение известных способов транспортировки нефти в

соответствие с реально происходящими физическими процессами.

Технический и технологический результат достигается тем, что для обеспечения нового способа транспортировки нефти привод насосного оборудования выполняют и далее осуществляют так, что с подачей

напряжения на обмотки в период пуска, аккумулируют механическую энергию, которую в свою очередь получают, когда преобразуют часть электрической энергии при разгоне всех вращающихся масс ротором, при этом далее сохраняют и применяют эту накопленную механическую энергию в установившемся режиме работы двигателя с насосом в виде кинетической энергии, в результате получают сумму из двух составляющих общей механической работы или энергии: первой Аэ. - работы электрического тока по вращению насоса ротором в установившемся режиме, второй - работы аккумулированной механической энергии, преобразованной из электрической энергии при разгоне вращающихся масс ротором, которую применяют совместно с первой, а общую работу совершают и определяют по выражению:

Аобщ. = Аэ. + |ΑΣΛ|; [1].

где Аобщ. - общая работа электродвигателя с насосом по преобразованию электрической энергии в механическую энергию при транспортировке нефти. В предлагаемом способе транспортировки нефти в энергетическом балансе насосов с приводным электродвигателем имеется основная составляющая |АХд.|, аккумулированная в пусковой или разгонный период времени работы устройств в виде кинетической энергии всех вращающихся масс, после подачи электрического питания на двигатель.

По источнику (3) КПД и эффективность известных электродвигателей с начала 19-го века (4), основаны государственные стандарты, которые не соответствуют существующим физическим законам в области механики. В предложенном способе транспортировки нефти обеспечивается полный баланс всех задействованных видов энергии с учётом (8): электрической, электромеханической и чисто динамической. За основу изложения принята энергетическая диаграмма автора на Фиг/графических материалов.

Рассуждения основаны на том, что массы и момент инерции вращаемых деталей насосов ротором приняты, как суммы вращающихся масс с

моментами их инерции. В известных способах транспортировки нефти (1) и (2) привод насосов осуществляется известными электродвигателями (3), (4), которые не отражают механические процессы, происходящие в известных способах работы электродвигателей и далее в способах перемещения нефти. Однозначно наравне с работой Аэ. - сил вращения ротора, вызванная взаимодействием электрического тока в обмотках с магнитным полем электромеханического двигателя в установившемся режиме, одновременно постоянно присутствует и действует динамическая работа |А£д.| - от

кинетической энергии всех вращающихся масс системы двигатель-насос, или накопленная в результате разгона ротора с насосной нагрузкой

механическая энергия.

При пуске электродвигателя на Фиг/в начальный tn. момент времени = 0, работа вращающихся масс с заданной массой равна нулю, но в то же время работа Аэ. = шах, сил вращения ротора, вызванная взаимодействием

электрического тока в обмотках с магнитным полем электродинамического двигателя и в процессе разгона вращающихся масс ротором на много больше, чем при работе в установившемся режиме системы, в некоторых случаях при больших потерях или нагрузках превышает в два и более раз. Далее по энергетической диаграмме автора, происходит преобразование,

превышающей части, от установившейся после разгона, электрической энергии в механическую или динамическую, которая сохраняется и

аккумулируется в виде кинетической энергии вращающихся масс системы в промежутке времени tn.. По завершении этого времени электродвигатель работает в установившемся режиме в промежутке времени tp.. Этот факт так же подтверждает, что в авторском варианте соблюдается закон сохранения механической энергии (5) и происходит превращение повышенной части работы Аэ. - сил вращения ротора с насосом, вызванная взаимодействием электрического тока или пусковой части этой работы, в разгон, чтобы в дальнейшем в номинальном, установившемся режиме использовать, |А£д.| - как работу от кинетической энергии вращающихся масс по инерции.

Таким образом на Фиг по энергетической диаграмме автора, в предлагаемом способе транспортировки нефти, в период времени tp. - в установившемся режиме двигателя одновременно работают две составляющие. Это работа Аэ. - сил вращения ротора с насосом, вызванная протеканием электрического тока в обмотках при взаимодействии с магнитным полем двигателя в установившемся режиме, и [А£д.| - работа, аккумулированной при пуске кинетической энергии вращающихся масс системы в форме динамической энергии, которые в сумме дают общую электромеханическую работу в предлагаемом способе перемещения нефти с приводом нефтяного насоса от электромеханического двигателя. В источниках информации известных способов перемещения нефти (1) и (2), |А£д.| - работа вращательного

движения вращающихся масс и моментов их инерции, не предусмотрена в принципе. То есть принцип действия широко известных способов

перемещения нефти основан и описывается, без слагаемой работы движения вращающихся масс. Для известных электродвигателей, по аналогии из источника информации (3) и (4), к примеру, по их энергетической диаграмме не возможно показать и объяснить, куда девается повышенная электрическая энергия во время пуска и разгона отдельного электродвигателя в системе?, где та часть энергии в которую превратилась она в дальнейшем?, ведь по закону сохранения энергии (5) она никуда не исчезает бесследно и должна присутствовать постоянно в другой форме, как конкретно в предлагаемом способе транспортировки нефти. Не показана и отсутствует работа |Ахд.|, в известных источниках информации (1), (2). По источнику (3) и (4), КПД широко применяемых способов работы электродвигателей определяется без составляющей |А£д.|. Это в очередной раз подчёркивает о существующем и недопустимом нарушении закона сохранения энергии (5), при этом как можно вести транспортировку нефти? Предлагаемый автором баланс энергии системы Аобщ. = Аэ. + А£д., [1] - работа или развиваемая мощность двигателем, которая получается после деления обеих частей равенства [1] на время t:

Робщ.= Рэ.+ |Рхд.|; [2]; где Робщ. - общая развиваемая мощность электромеханического двигателя в предлагаемом способе транспортировки нефти;

Рэ. - мощность электромеханического двигателя от действия

электрических токов при взаимодействии с магнитными полями для вращения ротора в установившемся режиме системы двигатель-насос;

|Р£д.| - мощность от кинетической энергии движения вращающихся масс и моментов их инерции, по абсолютной величине или накопленная в результате разгона ротора с насосом в единой системе и далее постоянно действующая кинетическая энергия (с нефтяной насосной нагрузкой), полностью соблюдается закон сохранения энергии (5), а так же соблюдаются основные законы механики Ньютона (6). Предлагаемый способ

транспортировки нефти с работой электродинамического двигателя по энергетической диаграмме автора соответствует полной размерности выполняемой по сути работы или развиваемой мощности. По источнику информации (7) на стр.1 16 1 17, определение физической величины работа включает составляющую движения по инерции. Таким образом, в известных способах перемещения нефти имеется только часть работы от вращательного движения ротора, то есть без учёта работы от накопленной кинетической энергии его движения вращающихся масс по инерции, а известные способы выполняют только часть от реально существующей работы или развиваемой мощности по преобразованию электрической энергии в механическую энергию системы двигатель-насос. Замер электросчётчиком электрической энергии однозначно показывает только потреблённую электрическую часть энергии, как в (1) стр.19 выражение (2.2) или только часть работы

электродвигателя вместе с нагрузкой нефтяного насоса в единицу времени. Но ни в коем случае не показывает динамическую составляющую мощности системы, в которую перешла удвоенная пусковая часть электрической энергии электромеханического двигателя при разгоне, и |Р£д.| далее

присутствует в установившемся режиме работы электромеханического двигателя автора в предлагаемом способе транспортировки нефти. Если электросчётчик потреблённой электрической энергии не может технически показать динамическую составляющую развиваемой мощности, это не значит, что она не существует в данном физическом процессе. Более того она всегда присутствует, влияет на КПД и эффективность предлагаемого способа транспортировки нефти, через способ работы электромеханического двигателя по энергетической диаграмме автора и по (8). При этом в (1) на стр.19 КПД в известных способах транспортировки нефти определяют без работы от кинетической энергии вращающихся масс, что противоречит закону сохранения механической энергии (5).

Абсолютные величины работы или мощности вращательного движения системы по инерции в [1], [2] взяты по причине того, что они являются отрицательными по направлению и имеют замедленную природу и

убывающий характер движения по инерции под влиянием трения и нагрузки предлагаемого способа перемещения нефти.

В широко известных (1), (2) способах транспортировки нефти, вторая составляющая работы или мощности |Р£д.| отсутствует и не фигурирует при выполнении работы [1] или развиваемой у них [2] мощности, что противоречит фундаментальному закону сохранения энергии (5), законам механики (6) и не соответствует Международно установленной физической величине работа (7). Известный способ, не может применяться на практике. Осуществление изобретения. Предложенный способ транспортировки нефти производят следующим образом: с подачей напряжения на обмотки в период пуска, аккумулируют механическую энергию, которую в свою очередь получают, когда преобразуют часть электрической энергии при разгоне всех вращающихся масс ротором, при этом далее сохраняют и применяют эту накопленную механическую энергию в установившемся режиме работы двигателя с насосом в виде кинетической энергии, в результате получают сумму из двух составляющих общей механической работы или энергии:

первой Аэ. - работы электрического тока по вращению насоса ротором в установившемся режиме, второй - работы аккумулированной

механической энергии, преобразованной из электрической энергии при разгоне вращающихся масс ротором, которую применяют совместно с первой, а общую работу совершают и определяют по выражению [1].

Краткое описание чертежа.

На графическом материале представлена энергетическая диаграмма автора, где наглядно энергетически изложен способ транспортировки нефти. На Фиг диаграмма имеет три вертикальные зоны работы системы, сверху

разделённые по видам энергии, Э - электрическая, в середине ЭМ - электромеханическая или электродинамическая и М - чисто механическая или динамическая. Слева показаны три периода времени или режима работы электромеханического двигателя при работе нефтяного насоса, tn. - время пуска, tp. - время установившегося режима, U. - время остановки двигателя после отключения электропитания. Каждому периоду времени, справа диаграммы показаны интервалы значения работы, пусковому периоду соответствует разгон вращающихся масс ротором до установившейся работы от энергии движения его по инерции от Ау;д. = 0 до max, от нуля до максимальной, при обеспечении суммарного баланса работы или энергии [1]. Далее в установившемся режиме tp. работа равна суммарному значению Аобщ. = Аэ. + |А£д.|, и после отключения напряжения . работа определяется в интервале от А£д. = max до А£д. = 0. В виде отрезков со стрелками на нижней части диаграммы наглядно показано равенство [1], как баланс энергии или сумма работ предложенного способа. По середине диаграммы сверху вниз двухсторонней стрелкой показаны потери при работе способа, а так же степень нагрузки при работе способа транспортировки нефти, которые имеют влияние на каждую из составляющих Аэ. и |А£д.|, в зависимости от периодов времени или режимов работы. В пусковой период tn., в начале потери чисто зависящие от работы больших электрических пусковых токов, а механическое трение равно нулю, и в конце, уже при установившемся tp. режиме потери выравниваются и ложатся на каждую Аэ. и динамическую работу |Ахд.| от кинетической энергии движения вращающихся масс по инерции. После отключения электрического напряжения к двигателю, существуют только механические потери с нагрузкой, к примеру,

транспортируемой нефти, которые убывают, показано в нижней части диаграммы, при общем балансе [1]. По середине пунктирной линией сверху вниз показаны потери, которые в отдельности и суммарно обозначены стрелками, где Апот.общ. = Апот.э. + Апот.£д.. В чисто механической части работы на диаграмме показана математическая формула |Ахд.| = (£J) - co ² /2 и наглядно подчёркивает, что это зона кинетической энергии движения вращающихся масс ротора и насоса, она постоянно присутствует после перехода из чисто электрической энергии из зоны в tn., при полном

соблюдении баланса [1]. На верху энергетической диаграммы в начале пускового времени tn., общая работа Аобщ. имеет чисто электрический характер и содержание, только по мере разгона ротора, никуда не исчезает, уменьшается и превращается, в чисто механическую работу от кинетической энергии вращательного движения, сдвигаясь в правую механическую зону диаграммы с балансом [1]. На чертеже, для примера, наглядно изображён теоретический масштаб составляющих электрической и механической или динамической частей работы предлагаемого способа транспортировки нефти, который примерно в два раза превышает, чем в способах по (1), (2).

КПД известных способов перемещения нефти из (1) стр.19 определяется формулой (2.2) или только от потребляемой по счётчику электроэнергии, что противоречит закону сохранения энергии (5). В предлагаемом способе он определяется только с |А£д.|, по источнику (8), к примеру, для двигателя.

Эффективность предлагаемых способов транспортировки нефти выходит из общей выполняемой суммарной работы электродинамическим двигателем по [1] и развиваемой мощности [2], практически они почти в полтора - два раза больше известных. Таким образом, повышение КПД и эффективности для предложенного способа транспортировки нефти очевиден. Не вызывает сомнений и сам фактор соответствия закону сохранения энергии, законам механики и Международно установленной единице измерения физической величине работа и энергия.

Дополнительно по источнику (5) существует основание для обеспечения возможности осуществления предлагаемого изобретения, ставшим

общедоступным до даты приоритета на стр. 67,68 «Закон сохранения механической энергии», согласно которого основная аккумулированная в период разгона ротора, составляющая работа или энергия |А£д.| или мощность |Рхд.| обязательна и её применяют совместно с первой

электрической составляющей, как неотъемлемый признак по [1] или [2]. Из этого вытекает очевидное решение, к примеру, в известном НМ- 10000-210 магистрального нефтяного насоса с электродвигателем СТД-8000, пусковая повышенная часть электрической энергии аккумулируется при разгоне масс ротора и насоса, далее сохраняется и непосредственно действует в

номинальном установившемся режиме при транспортировке нефти, как основная составляющая энергия |А£д.|.

Описание решения, известного до даты приоритета на конкретном примере: 1.«Насосным агрегатам нефтеперекачивающей станции», НПС «Терновка», 2. «Расчётные пусковые характеристики» СТД-8000 синхронных

электрических двигателей для приводов магистральных насосов.

По пункту 1 очевидно, что для пуска в работу основного перекачивающего агрегата НМ- 10000 с электрическим двигателем СТД-8000 необходимы большие пусковые токи для разгона заданных масс и моментов их инерции £J, состоящих из слагаемых ротора электродвигателя, вальной части с муфтой и нагнетателя насоса. В связи с чем, вводится пусковой режим электрического питания, для этого включают два силовых трансформатора по 25 МВА в параллельном суммирующем режиме, с помощью секционных масляных выключателей СМВ-10. После завершения режима запуска основного силового агрегата, СМВ-10 отключают, и магистральный насосный агрегат далее работает от одного трансформатора 25 МВА в установившемся режиме. Таким образом, в период пускового режима обеспечивается сбор, аккумулирование кинетической энергии вращающихся масс системы до расчётного значения = (£J) ·ω ² /2, при оборотах 3000 об/мин или скорости 314 с ¹ . Далее после завершения пускового режима происходит применение полученной кинетической энергии для

транспортировки нефти магистральным насосом с общим энергетическим балансом, определяемым по математическим выражениям [1] и [2] в описании изобретения, по закону сохранения механической энергии из (5). Приведённые примеры режимов пуска магистрального насоса с

переключением режимов и далее работы в установившемся режиме полностью совпадают с приведённым в графическом материале на Фиг и описания данной заявки на изобретение. Таким образом, признак

изобретения «промышленная применимость» обеспечен.

Существуют расчётные пусковые характеристики СТД-8000, в виде отношений пусковых токов к номинальным - в числителе и в виде

отношений пускового момента к номинальному моменту на валу - в знаменателе. Максимальное значение пускового тока доходит до семи кратного значения, по известной таблице в 6,93 раз. Есть возможность определить по формуле автора Аэ = V3-UT-6,93-tn/2, (как площадь условного треугольника на графическом материале по Фиг, в пусковой части режима в период разгона, на примере, ротора двигателя) общую пусковую часть электрической энергии, которая переходит эквивалентом в кинетическую энергию системы вращающихся масс, где собирается, аккумулируется и далее применяется в установившемся, после разгона, режиме. Величину кинетической энергии вращающихся масс, находим на частном примере для ротора по формуле Ахд = (Τω ² )/2 = (2034 кг/м ² -314 ² с ² )/2 = 100272132 Дж, или с поправкой на вальную часть ротора АУ = 89130784 Дж. Если сопоставить паспортные данные мощности СТД-8000 кВт или 8000000 Вт, с мощностью развиваемой кинетической энергией ротора при угловой скорости 314 с ¹ , Р£д = 89130784 Вт или работы Ау = 89130784 Дж (Вт-с). В первом приближении Аэ в установившемся режиме составит не более 10% (8,236%), от Аобщ. [1]. По закону сохранения энергии (5), в первом приближении, пусковая часть электрической энергии двигателя СТД-8000 перешла в аккумулированную энергию вращающихся масс системы двигатель-насос. Далее эта

аккумулированная энергия, по (5), сохраняется и применяется, а так же является основной частью энергетического баланса общей развиваемой мощности магистрального насоса, где выполняет преобладающую часть работы по транспортировке нефти. Таким образом, предлагаемый способ транспортировки нефти соответствует критериям патентоспособности изобретения «новизна», изобретательский уровень и промышленная

применимость.

Источники информации:

1. А.А. Коршак, «Нефтеперекачивающие станции», Учебное пособие, серия «Высшее образование», Ростов н/Д, Феникс, 2015 год.

2. Л.М. Беккер, К.Ю. Штукатуров, Д.К. Элькис, патент Ν°2523923 «Способ транспортировки нефти путём реверсивной перекачки», 2012 год.

3. ГОСТ 25941- 83, «Методы определения потерь и КПД электрич. машин.

4. Ф.А. Брокгауз - И.А. Ефрон, «Энциклопедический словарь», 1890 год, репринтно воспроизведённое издание к 100 летию выхода в свет 1-го издания 1890 - 1990, «Терра» - TERRA,TOM 80,1994 год, стр.469,«Электродвигатели».

5. Б.М. Яворский и А.А. Детлаф, «Справочник по Физике», для инженеров и студентов вузов, издание четвёртое, переработанное, Изд-во «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1968 год.

6. И.Ньютон, «Математические начала натуральной философии», перевод с латинского с примечаниями и пояснениями А.Н. Крылова, Л., Издательство АН СССР, 1936 год. ^*

7. Я.И Перельман, «Занимательная механика», Домодедово издательство ВАЛ, 1994 год.

8. М.О. Яримов, «КПД и эффективность электромеханических двигателей», Прогр. для ЭВМ методика, свидетельство N°2017613759, от 29.03.2017 год.