CC BY
21
1 10 6
1.5 10~7
4>
О
2.5 10"'
0
0 20 40 60 80 100 120 БеИа^п)/Уп Г/«]
Рис. 11. Вычисленный и экспериментальный относительный сдвиг частоты в зависимости от изменения напряжения литания.
Экспериментальные результаты показывают, что во всех случаях значение и порядок величины относительного изменения частоты предсказывается достаточно точно.
Заключение
1. Использование двух уровней моделирования КГ позволяет комбинировать численные методы анализа с аналитическими методами. Тем самым повышается общая эффективность моделирования. Численные методы позволяют свести схему КГ большой размерности к ее эквивалентному представлению малой размерности (макромодели), удобнойдля анализа аналитическими методами. Аналитические методы анализа, используя асимптотические приближения, позволяют значительно сократить объем требуемых вычислений и уменьшить время моделирования в 100 и более раз.
2. Вышеприведенная техника обладает высокой точностью моделирования одномодовых генерато-
ров, ав случае двухмодового режима дает достоверные результаты как минимум на качественном уровне [5].
3. Для дальнейшего увеличения точности вычислений необходимо учитывать зависимость параметров резонатора от уровня возбуждения.
Литература
1. Норенков И.П., Евстифеев ЮА. Метод ВИМС и его использование для моделирования процессов в кварцевых генераторах.//Радиотехника. — 1989. — №7. - С. 93-96.
2. Gubarev A., Kosykh A., Zavjalov S., Lepetaev А.. Spice simulation of high-q crystal oscillators. Single and dual-mode application. // Proc. of the 2003 Joint Meeting EFTF - IEEE IFCS.
3. Губарев А.А. Моделирование динамических процессов в кварцевых генераторах. //Динамика систем, механизмов, машин: Мат. IV Междунар. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГГУ, 2002. - Кн. 1. - С. 281-284.
4. Лепетаев А.Н., Завьялов С.А., Косых А.В. Новый метод компьютерного анализа двухмодовых генераторов // Волновая электроника и ее применения: Мат. междунар. форума. - Санкт-Петербург, 2000. — С.45-49.
5. Kosykh А.V., Lepetaev A.N., ZavjalovS.A. Investigation of dual-mode excitation of crystal oscillator. // Proc. of 1999Joint Meeting EFTF - IEEE IFCS, pp. 11541157.
6. GoldbergJ. Asimple wayof characterizing high Q oscillators. /./ Proc. of 42n" AFCS IEEE, pp. 304-326, -1988.
7. ParzenB., BallatoA. Design of crystal and other harmonic oscillators. - Wiley Intersciences, 1983.
8. Андронов А.А., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. — М.: Наука, 1981. — 568 с.
ГУБАРЕВ Алексей Александрович, аспирант кафедры "Радиотехнические устройства и системы диагностики".
удк 536.331 в. А. МАЙСТРЕНКО
A. И. ЕЛЕЦКИЙ
B. В. ДЕНИСОВ
Омский государственный технический университет
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ДИСТАНЦИОННОГО СВЧ НАГРЕВА
Дана оценка принципиальной возможности дистанционного нагрева полями СВЧ. Рассмотрен способ передачи энергии потоком электромагнитных волн, когда объект нагрева и источник энергии пространственно разнесены и соединены достаточно длинным участком волновода с потерями.
Обычно при использовании СВЧ нагрева выход генератора СВЧ или непосредственно связан с нагревательной камерой, или между ними имеется короткий волновод, потерями энергии в котором можно пренебречь.
В данной статье оценивается возможность СВЧ нагрева, когда по конструктивным, технологическим или иным соображениям объект нагрева и источник энергии пространственно разнесены и соединены достаточно длинным волноводом.
Анализ проводится применительно к решению важной и актуальной на сегодня задачи СВЧ нагрева запарафиненных труб нефтяных скважин, но результаты могут использоваться и для других применений дистанционного нагрева с помощью СВЧ.
Идея использования мощных потоков электромагнитной энергии СВЧ диапазона при разработке полезных ископаемых высказана П.Л. Капицей еще в 1962 году [1 ]. Им же предложены принципы построения идаже созданы образцы эффективных (КПДдо
70%) и достаточно мощных СВЧ генераторов со средней мощностью в непрерывном режиме свыше 100 кВт. [2].
В те же годы для целей радиосвязи были проведены теоретические и экспериментальные исследования, подтвердившие возможность создания волноводных линий с малыми потерями на основе круглого волновода с волной Н0|, а также решен ряд вопросов по разработке конструкций таких линий [3]: в частности, предложен эффективный (потери на преобразование 0,3 дб.) переход от прямоугольного волновода с волной Нп к круглому волноводу с волной Ни.
Эти результаты уже нашли применение, но не в радиосвязи, а для СВЧ нагрева плазмы в установках по исследованию проблем управляемого термоядерного синтеза [4].
Для этой же цели были созданы гиротроны - СВЧ генераторы с импульсной мощьностью болле мега-вата, но допускающие в принципе работув непрерывном режиме. Так, по доступным сведениям 1994 года, работа [5], уже в то время выпускались гиротроны с длительностью импульса 1 сек.
Таким образом, к настоящему моменту времени имеется база для разработки установок дистанционного СВЧ нагрева и остается лишь выяснить их техническую реализуемость и экономическую эффективность для конкретных применений.
Ниже рассматривается первая из этих проблем применительно к прогреву запарафиненных нефтяных труб.
Рассматриваемая модель и некоторые параметры установки
В данном случае волноводом будет сама неф тяная труба. В реальных условиях ось трубы искривлена, граница внутреннего сечения не идеальная окружность и меняется вдоль трубы, стенка трубы не представляет регулярной поверхности и покрыта нефтяной пленкой переменной толщины.
Однако, прежде чем учитывать все эти факторы, нужно ответить на вопрос: возможно ли с помощью существующих или специально созданных СВЧ генераторов получить необходимый уровень СВЧ мощности на выходе прямой стальной трубы соответствующего диаметра и соответствующей длины.
Поэтому в дальнейшем рассматривается распространение электромагнитных волн вдоль отрезка круглого волновода, один конец которого подключен к генератору СВЧ, а другой закрыт парафиновой пробкой. Параметры ма териала трубы соответствуют стали. При выборе диапазона рабочих частот учитывается то, что внутри трубы имеются пары воды. Поскольку парафиновая пробка возникает в результате постоянного осаждения на стенках трубы тяжелых нефтяных фракций в связи с изменением температуры по глубине скважины, естественно предположить, что поверхность пробки, обращенная к потоку энергии, подобна конусу, сужающемуся в направлении ее распространения, и напоминает обычную СВЧ нагрузку.
Независимо от величины поглощения СВЧ энергии в материале самой пробки, который мы условно называем парафином, нагревание в окрестности пробки будет происходить уже за счет потерь в стенках волновода: на неоднородном участке волна Н01 будет возбуж-дать сильно затухающие волны других типов.
В реальном круглом волноводе малое относительно волн других типов затухание волны Н01 имеет место при выполнении следующих условий:
*.<(1/611/4Якр,101 ,
Ч,мо. = 1'64а [6],
где X — длина волны в воздухе,
ЧРно1 ~ критическая длина волны для волны типа Н01, а — внутренний радиус трубы.
Вычисленные в соответствии с этими условиями оптимальные диапазоны частот и длин волн для наиболее часто используемых в скважинах диаметров на-сосно-компрессорныхтруб (НКТ) приведены в табл. 1
Таблица 1 Диапазоны частот и длин волн оптимального распространения волны К,, в зависимости от внутреннего диаметра трубы
Внутренний диаметр НКТ, (мм) Оптимальный диапазон
Частоты (ГГц) Длины волны, (мм)
49 29.9+44.8 10+6.7
55.5 26.4+39.5 11.4+7.6
78 18.7+28.1 16+10.7
Таким образом, в рассматриваемом случае необходимы волны миллиметрового диапазона.
Для сравнения в табл.2 для тех же труб указаны обычно используемые диапазоны одномодового режима для волны Н,, -обычно используемой волны основного типа для круглого волновода (ХК|,Н1| = 3,41 а).
Таблица 2
Внутренний диаметр НКТ, (мм) Частоты, (ГГц) Длины волн, (мм)
49 4.69+3.59 69.3+83.5
55.5 4.14+3.17 72.4+94.6
78 2.95+2.26 101.8+133
С учетом затухания в среде, заполняющей волновод к частотам в табл.1 ближе всего "окно радиопрозрачности" со средней длиной волны 8,65 мм. Ему соответствует затухание 0,07дб./км.[7], которое имеет место при температуре 15 °С и средней влажностью 60%. При увеличении влажности потери растут.
Рабочую частоту, по-видимому, придется выбирать между левыми границами частот в табл. 1 и срединой окна прозрачности из условия: минимум затухания — максимум нагрева.
Расчет затухания и необходимой мощности
Затухающие волны типа Н||т в круглом волноводе радиуса а за счет потерь в стенках волновода определяется формулой:
""" -2п4К
[61
(1)
где Кщ - коэффициент шероховатости, учитывает качество обработки внутренних стенок волновода (обычно для стандартных волноводов Кш = 1,1-^1,5); к = 2п/Х, (Х-длина волны в воздухе); К - волноводный коэффициент;
К =
г
ъ
ш
V - ш-й корень производной функции Бесселя п-го
порядка,
Г - критическая частота соответствующей волны V = Н
пт кр пт
А - глубина скин слоя.
^апр — ^О^пр'
ц - относительная магнитная проницаемость, о - удельная проводимость стенок проводника.
В дальнейших вычислениях по формуле (1) полагаем Кш= 1 и также учитываем [6], что удельная проводимость металлов почти постоянна и существенно меняется с частотой лишь в оптическом диапазоне, поэтому для э берем приведенные в справочнике [8] значения проводимости стали для постоянного тока о = 0,769 *107См/м, для медиа = 5,81' 107См/м.
Хотя магнитная проницаемость ферромагнетиков определяется структурой кристаллической решетки и, следовательно, зависит от химического состава и методов обработки, она уменьшается с ростом частоты и, поданным [9] для частот больших 1 ОмГц цпр«1.
С учетом этих замечаний расчетная формула для а (дб/км) удобная для работы в МаШсас! имеет вид:
.16.902.
а (/,а,ст) =
4.343'105 | Уг„| , (Я//)2
(2)
1 - значение частоты в ГГц,
а - удельная проводимость в См/м, а - затухание волны,
пр '
Р - критическая частота,
Я=182,8/а(мм1 - для волны Н01, Р = 87,85/а|мм] - для волны Н
5 - параметр, учитывающий тип волны [6],
6 - 0 - для волны Н0 , с! = 0,418 - для волны Н, г
Результаты расчетов по формуле (2) представлены на рис. 1 -3, они характеризуют зависимость затухания волны Н0, от частоты в дб/км для разных внутренних диаметров и материала круглого волновода
Графики на рис. 1-3 представляют зависимость затухания волны Н01 от частоты в дб / км для разных внутренних диаметров и материала круглого волновода.
Как видно из рис.1, уже на частоте 22 ГГц затухание равно 4 дб / км для трубы диаметром 49 мм и —
2 дб/км для трубы диаметром 78 мм. С повышением частоты затухание уменьшается и на частоте 40 ГГц составляет соответственно 1,45и 1,43 дб/км.
Графики на рис.2 характеризуют затухание волны Н01 в круглых волноводах одного внутреннего диаметра (49 мм) из меди и стали. Из данных следует, что во всем диапазоне частот от 10 до 40 ГГц в стальном волноводе оно примерно в три раза больше, чем в медном.
Для сравнения на рис.3, приведены данные о затухании в стальном волноводе тех же диаметров волны основного типа Н,,. Даже для трубы диаметром 78 мм затухание — 7,4 ДБ/Км для оптимальной для этой волны частоты 10,8 ГГц. С повышением частоты оно растет и уже на частоте 20 ГГц равно 8,2ДБ / Км.
На рис. 4. представлены графики КПД передачи г)пт круглого стального волновода от длины волновода х(км) диаметром 45 мм.
КПД передачи рассчитывается по формуле:
10 I
(3)
где упт- затухание для конкретного значения диаметра трубы и материала, для волны Н0] — у = 1,217; а для волны Н.. — у = 6,401.
аш(Г.24.5,0е) 12 «•О^.Я-'с) 8
10 16 22 28 34 « 10 Г 40
Рис. 1.
6 902. 20
1 6
а 01(г,24 5,а м) 1 2
а 01(Г,24 5 , а с) 8
4
.0 52 1. 0
25.084
ап(г,24.5,Сс) 18 аи(Г'39'<тс) 12
.7.383.
3 6.4 9.8 13.2 16.6 20 3 Г 20
Рис. 3.
^01(^01)
КПД характеризует относительную величину мощности, достигающей нагрузки, в зависимости от длины волновода для волн обоих типов. Как видно из этих графиков ,уже на расстоянии 250 м КПД волны Нм составляет лишь 70%, в то время как КПД волны Н01 уменьшается до 75% лишь на расстоянии 1 Км. В рамках сделанных выше допущений, расчетный КПД передачи энергии волной Н01 больше 90% для стальных труб диаметра 45 мм, длина которых меньше 400 м. Д ля труб больших диаметров КПД будет еще выше.
В настоящее время технология по расплавлению парафиногидратных пробок без проведения капитального ремонта скважин осуществляется при помощи передвижной электроустановки, расположенной
на грузовом автомобиле. В состав установки входят: повышающий трансформатор, пульт управления, бухта с геодезическим кабелем длиной до 1500 м. Геодезический кабель имеет диаметр 12 мм, состоит из трех жил изолированных друг от друга и наружной стальной защитной оплетки.
Проведение операции по расплавлению парафино-гидратной пробки условно можно разделить на два этапа. На первом этапе стравливается избыточное давление газа из трубы НКТ, затем открываются задвижки, и через сальник в НКТ заводится геодезический кабель, на конце которого находится нагревательный элемент. В качестве нагревательного элемента используется либо ТЭН, либо прибор, в котором под действием электрического тока происходит химическая реакция с выделением тепла. Схема включения установки представлена на рис. 5. Нагревательный элемент подключается между общей точкой соединения трех жил и стальной оплеткой кабеля. Напряжение подается на одну из жил. Оплетка подключена к точке с нулевым потенциалом. Таким образом, выделение тепла сосредоточено на нагревательном элементе, при этом кабель остается практически холодным. По мере расплавления нагревательным элементом канала в парафиновой пробке, кабель продвигается вглубь скважины до сквозного прохода пробки. Первый этап прогрева может длиться от нескольких часов до нескольких суток. В случае, если эта операция не дает результата, то есть не удается пройти пробку, практически единственным способом прочистки остается проведение капитального ремонта скважины. Причиной невозможности прохода пробки данным методом может являться присутствие в составе пробки значительной доли тяжелых фракций нефти, например асфальтен, либо присутствие посторонних металлических объектов, препятствующих прохождению нагревательного элемента.
Активная мощность нагрузки на первом этапе определяется следующим выражением:
Р =исо. /с = 380 10 = 3800 Вт .
В случае удачного прохода нагревательного элемента сквозь пробку, имеет место второй этап работ. Меняется схема включения установки (рис. 6), при этом кабель является трехфазной симметричной активной нагрузкой.
Активная мощность нагрузки на втором этапе определяется следующим выражением:
Р = З иф7 = 3-^4 / = -Уз • I = -Уз ■ 660 ■ 30 » 34300 Вт г
где ил = 660 В — линейное напряжение источника; 1 = 30 А — фазный ток.
На данном этапе начинает происходить нагрев геодезического кабеля и прекращается выделение тепла на нагревательном элементе. Устройство автоматики, путем периодической подачи и отключения напряжения Цсо„ поддерживаеттемпературу нагрева кабеля равной 110 °С. Ствол НКТ прогревается по всей длине введенного кабеля, что приводит к расплавлению пара-финогидратной пробки. Второй этап работ длится несколько часов.
Вышеизложенный способ используется на скважинах, оборудованных электрическим центробежным насосом (ЭЦН), то есть при полом стволе НКТ.
Учитывая, что нагрев за счет поглощения электромагнитных волн в стенках трубы может быть менее эффективным, примем, что минимальный уровень мощности, подводимый к запарафиненному участку, должен быть порядка 100 кВт.
|Я„
каб
В
С
0'<
Я-каб
■ ^каб
Ктэн
Рис. 5. Схема включения установки на первом этапе проведения работ.
У-СА
— АВ
■ в ¡-в '-
У-вс /с
пкаб
^каб
■Л:аб
Щ'ЭН
Рис. 6. Схема включения установки на втором этапе проведения работ.
Соответственно на вход трубы должна подводиться мощность
Р =Р *10"ха
то есть в нашем случае -133 кВт при использовании волны Ни и 103 кВт - при использовании волны Н0).
Оценим возможность передачи такой мощности по рассматриваемым трубам с учетом пробоя.
По справочнику [10]:
Рдо„= (1/3+1 /5)Р,Ф0Д.
Для волны Н„ Рпрел = 397 кВт/см2; для волны Н01 -401 кВт/см'2
Для одной из рассматриваемых труб (2а = 49мм) площадь поперечного сечения равна 18 см2 и
Рдоп*(2382е1429) кВт для Н„
Рдпп*(2406е 1444)кВт для Н01.
При расчете требуемой мощности не учтено затухание в газовой среде, заполняющей волновод. В соответствии сданными, приведенными в разделе 1, его влиянием, по сравнению с затуханием в стенках трубы, можно пренебречь. Данных о затухании в порах нефти пока нет.
Как видно из графиков на рис.3, расчетное затухание волны Н01 в медном и стальном волноводах одного порядка.
По данным работы [3], экспериментальные значения показателя затухания в медном волноводе почти во всем оптимальном диапазоне волны Н01 превышает расчетное не более,чем в 2-3 раза и лишь резко возрастает на верхней границе диапазона.
В какой мере аналогичные соотношения имеют место для волновода из стали, покажут дальнейшие исследования.
Выводы
Уровень современного состояния СВЧ техники, в принципе, позволяет создать установку для распара-
финивания нефтяных труб. Однако для выбора рабочих параметров установки необходимо:
1. Измерить затухание волн Нп и Нш в трубах НКТ при наличии нефтяного загрязнения.
2. Оценить поглощение электромагнитных волн материалом " парафиновой " пробки.
3. Выяснить эффективность локального нагрева за счет поглощения электромагнитной энергии в стенках трубы в области пробки.
Область применения
Разрабатываемая установка применительно к условиям Омского региона может быть использована на Крапивинском нефтяном месторождении.
Литература
1. П.Л. Капица. Электроника больших мощностей,- М., АНСССР, 1962.
2. П.Л. Капица. Эксперимент, теория, практика. — М„ Наука, 1987. - 495 с.
3. Волноводные линии передачи с малыми потерями. Подред. В.Б. Штейншлегера. — М.:ИИЛ, 1960. — 480 с.
4. Гиротроны. - Горький: ИПФ АН СССР, 1989. -215с.
5. Пузанова С, Н. Электровакуумные приборы СВЧ (ЛБВ, приборы М—типа, гиротроны, клистроны). -М.: ГНПП "Исток", 1994. -43 с.
6. H.A. Семенов. Техническая электродинамика. — М., Связь, 1973. - 480с., с ил.
7. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. — М.: Связь, 1972. - 336 с.
8. X. Кухлинг. Справочник по физике. — М., Мир, 1982.
9. Рейбот Г. Магнитные материалы и их применение. — Л.: Энергия, 1974. —339с.
10. A.A. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники. — М., Сов. Радио, 1967. -652е., сил.
МАИСТРЕНКО Василий Андреевич, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой средств связи.
ЕЛЕЦКИЙ Алексей Ильич, аспирант кафедры средств связи,
ДЕНИСОВ Виктор Владимирович, аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий.
Книжная полка
Павлов В.Н.
Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учеб. для вузов / В.Н. Павлов, В.Н. Ногин.— М.: Горячая линия -Телеком, 2003.— 320 с.: сил.
Излагаются базовые сведения по принципам работы, построения и применения аналоговых электронных устройств, позволяющие грамотно осуществлять синтез и расчет принципиальных схем аналоговых трактов типовой радиоэлектронной аппаратуры, обоснованный выбор компонентов и структур этих схем. В качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям "Радиотехника", "Электроника и микроэлектроника".
Рекомендовано Минобразованием РФ.
Смирнов A.B.
Основы цифрового телевидения: Учеб. пособие для студентов вузов/A.B. Смирнов.— М.: Горячая линия-Телеком, 2001.— 224 е.: сил.
Изложены основные принципы построения систем цифрового телевидения. Рассмотрены дискретизация и квантование телевизионных сигналов. Описаны существующие стандарты параметров цифровых телевизионных сигналов. Представлены методы цифровой обработки телевизионных сигналов и изображений, включая ортогональные преобразования, оценку и компенсацию движения, цифровую фильтрацию и др. Описав методы сжатия телевизионных сигналов по стандартам JPEG, MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4, а также методы сжатия звуковых сигналов. Даны сведения о помехоустойчивом кодировании в системах цифрового телевидения и о методах модуляции, используемых при передаче сигналов цифрового телевидения по радиоканалам. Рассмотрены особенности Европейского стандарта цифрового телевизионного вещания DVB и построение приемного устройства для этого стандарта, последние тенденции в развитии цифрового телевидения и его связь с компьютерными информационными технологиями, включая Интернет. Может быть полезно инженерам-радиотехникам. В качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Радиотехника".
Рекомендовано Минобразования РФ.
