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          蕪湖市恒鑫電纜有限責任公司
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          新聞詳情
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          海底管道伴熱技術研究

          編輯:蕪湖市恒鑫電纜有限責任公司時間:2020-12-14

          1 引言

          原油尤其是稠油在海底管道輸送過程中由于溫度的降低常常會出現水合物生成、蠟析出、粘度增大等現象,直接影響到油氣的正常輸送,嚴重的可能導致管道堵塞使油氣田停產,造成極大的經濟損失。為了維持生產操作及停輸期間管道內的溫度,通常需要對海底管道采取維溫措施。


          由于存在熱損失,單純的采用被動保溫往往很難達到維溫的要求。主動伴熱,就是通過外界對海底管道提供的熱量與海底管道的熱損失相當或更高,使海底管道維持在一定溫度運行。在實際工程中,通常將被動保溫技術和主動伴熱技術相結合,以達到最好的維溫效果。


          2  海底管道主動伴熱技術

          海底管道主動伴熱技術根據采用的熱源不同,可以分為熱流體和電兩種形式,如圖2-1所示。在世界范圍內,主動伴熱技術已經應用于多個油氣田的海底管線上。


          2.1   熱流體伴熱

          熱流體伴熱是一種傳統的伴熱方法,該方法是通過熱流體和油氣管線內介質的熱交換及管線外保溫層共同作用下保證油氣管線內介質正常的輸送溫度。


          根據管線結構型式的不同,熱流體可以在管中管環腔或集束管伴熱管道中流動,分別稱為直接伴熱和間接伴熱。常用熱流體有海水、生產水、乙二醇水溶液、蒸汽等。熱流體熱量來源可以是鍋爐等加熱設備或廢熱回收系統。


          熱流體直接伴熱,由于采用濕式保溫層,保溫效果相對較差。而對于熱流體間接伴熱來說,由于采用的是干式保溫,保溫效果較好。但目前集束管道需要特定的建造場地,且安裝方法及應用水深受限。


          當平臺上有充足的余熱可以利用時,熱流體伴熱會是一種很好的選擇。


          目前,位于北海的Britania、位于墨西哥灣的King及位于馬拉西亞海域的Puteri均采用的是熱流體直接伴熱的型式;位于北海的GulfaksSouth、Asgard、Skene、Bacchus均采用的是熱流體間接伴熱型式。


          2.2 直接電加熱

          直接電加熱是在管壁上直接通電流,管道作為導體導電,由于管道材料的交流電阻而發熱,如圖2.2-1所示。直接電加熱產熱量的多少和電流及交流電阻大小有關。


          根據采用管道結構型式的不同,直接電加熱可以分為濕式直接電加熱和管中管直接電加熱。濕式直接電加熱針對的是單層管道,電纜分別和管道的兩端相連。管中管直接電加熱針對的是雙層管結構,電纜分別和內外管相連,根據接線位置的不同又可以分為端部饋電和中間饋電兩種方式。


          直接電加熱采用濕式保溫的保溫效果較差,采用干式保溫的保溫效果較好。由于直接電加熱是在管壁上直接通交流電,因而存在交流腐蝕風險,需要對防腐進行特殊設計,并進行定期的檢查和維護。目前,直接電加熱型式的電效率較低,尚未得到能夠長期使用的有效性驗證。


          目前,位于北海的Alve、Norne、Asgard、Huldra、Kristin、Urd、Ormen Lange、Tyrihans、Morvin、Skarv、Skuld及位于西非海域的Olowi采用了濕式直接電加熱型式。位于墨西哥灣的Serrano和Oregano采用的是管中管直接電加熱(端部饋電)型式,Habanero和Na Kika采用的是管中管直接電加熱(中間饋電)型式。


          2.3   電伴熱

          電伴熱作為一種有效的管道保溫及防凍方案,一直被廣泛應用。其工作原理是通過伴熱媒介散發一定的熱量,通過直接或間接的熱交換補充被伴熱管道的損失,以達到升溫、保溫或防凍的正常工作要求。電伴熱是用電纜/伴熱管的電、磁效應對伴熱電纜/伴熱管加熱,進而將熱量傳遞給被伴熱管,補充被伴熱流體在工藝流程中所散失的熱量,從而維持流動介質最合理的工藝溫度。


          根據電伴熱不同的熱量產生機理又可以分為電伴熱帶伴熱、集膚效應電伴熱和電磁感應電伴熱。目前,前兩種伴熱型式已經有海底管道工程應用,而電磁感應電伴熱尚沒有海底管道工程應用,仍處于發展階段。


          2.3.1   電伴熱帶伴熱

          電伴熱帶伴熱通常將伴熱電纜纏繞在雙層管的內管上,如圖2.3-1所示。根據所需熱量的多少設置一定數量的伴熱電纜,并可以設置備用伴熱電纜。


          電伴熱帶伴熱一般采用干式保溫,具有較好的保溫效果,熱效率較高。電伴熱帶對管線的縱向和環向加熱比較均勻,操作性較好,可以精確的控制和調整加熱能量,并可以通過光纖監控伴熱溫度。但電伴熱帶管線采用卷管法鋪設時,管線直徑受到鋪管船能力限制。


          此外,將伴熱電纜與柔性集束管道相結合,就形成了可以應用于立管段的電伴熱柔性集束管道,如圖2.3-2所示。可以用于動態立管段的主動伴熱。但保溫效果較差,與濕式保溫類似。


          目前,位于北海的Islay已經采用電伴熱帶伴熱;位于西非海域的Dalia和位于巴西海域的Para Terra采用了柔性集束管電伴熱帶伴熱。


          2.3.2  集膚效應電伴熱

          管道集膚效應電伴熱技術是一種新的金屬管道加熱方法,簡稱SECT(SKIN ELECTRIC CORRENT TRACING)法。集膚效應電伴熱系統主要由工藝管道、伴熱管道和耐熱集膚電纜、保溫層及保護外殼四部分組成。伴熱管為具有鐵磁性的鋼管,耐熱集膚電纜穿在伴熱管中,外面是保溫層和保護外殼。結構型式如根據管徑的大小,伴熱溫度的高低,集膚效應伴熱分為單管、雙管和三管伴熱等。耐熱集膚電纜穿在伴熱管內,在伴熱管的終端,電纜的芯線和伴熱管相連。在電源端,伴熱管和集膚電纜之間連接交流電壓,交流電流流經耐熱集膚電纜和伴熱管時,由于伴熱管的鐵磁特性和臨近效應,集膚效應現象迫使電流只能在伴熱管的內壁流動,產生熱能,而伴熱管的外表面沒有電流,伴熱管因此可以安全的接地。


          集膚效應系統的阻抗小,又能夠承受高電壓,因此集膚效應系統特別適合長輸管線。根據不同的應用,從單一供電點,集膚效應系統就可以向長距離管線提供伴熱。但采用鋪管船施工程序比較復雜。


          我國渤南油氣田于2008年在國內首次將集膚效應電伴熱應用于海底管線,也成為世界上第一條用鋪管船方式鋪設的集膚效應海底管線,集膚效應電伴熱系統投用后,管道出口溫度有5度左右的升高。


          2.3.3  電磁感應電伴熱

          電磁感應電伴熱系統基本構成和集膚效應電伴熱類似,區別在于遠端接線的方式。對于電磁感應電伴熱,遠端的三根伴熱電纜相互連接并接地,形成中性點。


          當交流電流在位于伴熱管中心的電纜中流動時形成交變磁場,使伴熱管壁中形成感應循環渦流。這種循環渦流由于伴熱管的交流電阻和磁滯效應最終以熱量的形式耗散。這些熱量通過伴熱管傳遞到主管線上,進而對流體進行加熱。


          目前為止,尚未發現電磁感應電伴熱應用于海底管道的案例。


          3  分析

          從設計、伴熱效率、操作性及風險等方面對上述幾種主要海底管道伴熱型式進行對比,如表3-1所示。


          經綜合比較分析,建議海底管道伴熱方式選擇和設計時考慮如下內容:


          1)保溫層的保溫效果直接和伴熱效率相關,一般情況下,濕式保溫效果要大大低于干式保溫效果。通常,在進行伴熱系統設計時,要綜合考慮保溫系統對整個海底管道熱傳導的影響;


          2)對于熱流體伴熱,伴熱效率要明顯低于其它伴熱方式,且需要考慮熱流體對伴熱管道引起的腐蝕問題。當平臺上有足夠的余熱可以利用時,熱流體伴熱具有很大的優勢;


          3)直接電加熱的電效率較低,需要對防腐進行特殊設計,并進行定期的檢查和維護。目前已有案例中,絕大多數直接電加熱管線均是短期使用,極少長期使用;


          4)電伴熱溫度梯度小,熱穩定時間較長,適合長期使用,其所需的熱量(電功率)大大低于直接電加熱;


          5)電伴熱具有使用范圍廣、熱效率高、節約能源、無污染,使用壽命長、能實現遙控和自動控制等優點,是伴熱技術的發展方向。


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