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Verfahren und Rohrfernleitung zur Übertragung eines flüchtigen Mediums bei geregelter Temperatur
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Stoffen durch grosse Strecken bei vorbestimmten Temperaturen zu schaffen.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Übertragung eines flüchtigen Mediums bei geregelter Temperatur durch eine in den Boden verlegte Rohrfernleitung und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erhitzte Flüssigkeit durch eine schleifenförmig geschlossene, unmittelbar neben der genannten Rohrfern- leitung verlegte zweite Rohrleitung zirkulieren gelassen und nach ihrer Abkühlung zum Wiederaufheizen rückgeleitet wird, wobei die Rohrfernleitung und die neben ihr verlaufende zweite, in sich geschlossene Rohrleitung von einem wärmeisolierenden Füllmaterial umgeben sind, so dass das flüchtige Medium durch die genannte Flüssigkeit erwärmt bzw. auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird, aber Wärmeverluste nach aussen hintangehalten werden.
Als flüchtiges Medium kommt erfindungsgemäss vornehmlich wasserhaltiges Erdgas in Frage.
Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dienende Rohrfernleitung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer in den Boden verlegten Hauptleitung zur Übertragung des flüchtigen Mediums zwischen zwei mindestens 1. 6 km voneinander entfernten Stationen besteht, ferner aus einer ersten Heizstation in der Ausgangsstation, welche Einrichtungen zum Pumpen und Erhitzen von Flüssigkeiten aufweist, mehreren ebensolchen Heizstationen zwischen der Ausgangs- und der Endstation, weiter aus mehreren, schleifenförmig geschlossenen Hilfsrohrleitungen zwischen je zwei benachbarten Heizstationen, welche Leitungen für das Zirkulieren der Wärmeübertragungsflüssigkeit angeordnet sind, die durch die Heiz-und Pumpstationen laufend erhitzt bzw.
umgepumpt wird, wobei die Hilfsrohrleitungen in bezug auf die Hauptleitung so angeordnet und verlegt sind, dass sie das in letzterer strömende flüchtige Medium durch Wärmeübertragung über das Erdreich auf einer vorbestimmten Temperatur halten.
Die gesamte Anlage wird in ihrer bevorzugten Anwendung zur Übertragung von Erdgas hinsichtlich der Anordnung der Leitungen, der Temperatur und Umlaufgeschwindigkeit der zirkulierenden Medien zweckmässig so ausgebildet, dass das in der Hauptleitung strömende Erdgas auf einer höheren Temperatur gehalten wird als auf jener, bei welcher sich GashydrÅate bilden.
Jene erfindungsgemässe Ausbildung der Rohrfernleitung, welche zur Übertragung von Erdgas aus meh- reren Bohrlöchern zu einer gemeinsamen Sammelstelle dient, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt- leitung die einzelnen Bohrlöcher in Serie miteinander verbindet, wobei bei den einzelnen Bohrloch-Kopfstationen, aber auch dazwischen Heizstationen mit Flüssigkeitspumpeneinrichtungen vorgesehen sind, um die Zirkulation der Wärmeaustauschflüssigkeit mit der vorbestiinmten Temperatur in den schleifenförmig geschlossenen, tandemartig angeordneten Hilfsrohrleitungen sicherzustellen, welche zwischen je zwei aufeinanderfolgendenBohrloch-Kopfstationenbzw. der gemeinsamen Sammelstelle für das Erdgas angeordnet sind.
Die flüchtigen Stoffe, welche erhitzt werden können, umfassen-als nicht beschränkende Beispiele flüssige oder gasförmige Erdölprodukte. wie Brenngase. In der derzeit besten Ausführungsform ist das Verfahren jedoch zur Beförderung von wasserhältigem Erdgas durch lange, in die Erde verlegte Rohrfernleitungen über Strecken von 1. 6 bis 160 km geeignet.
Die verwendete erhitzte Flüssigkeit kann jede übliche Flüssigkeit sein, die man auf die gewünschte Temperatur erhitzen kann, z. B.. Äthylenglykol, Dichlorbenzol (Handelsname"Dowtherm"), CaCl -Lau- gen und andere wässerige Lösungen. Mit Vorteil wurde erfindungsgemäss eine 20 Vol.-% igue Lösung von Monoäthylenglykol in Wasser verwendet (Handelsname :"Dowtherm IG"). Diese Flüssigkeit ist besonders gut geeignet, weil sie sich bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser nichtausdehnt.
Ausserdem werden die Wärmeübertragungseigenschaften des Wassers nicht nachteilig beeinflusst, und die
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die schleifenförmig geschlossene Rohrleitung verlegt werden.
In den Zeichnungen, welche eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen, bedeuten : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Bohrlochkopf-Einrichtung, d. h. eine Einrichtung zum Vorerhitzen eines Erdgasstromes vor der Druckerniedrigung und zum Erhitzen des Umlaufwassers auf die gewünschte Temperatur ; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anlage ; Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt einer typischen erfindungsgemässen Anlage und Fig. 4 ein Diagramm von Hydrat-Gleichgewichtskurven mit der Temperatur in C als Abszisse und dem Druck für die Hydratbildung (inkg/cm2) als Ordinate.
In Fig. 1 istbei 10 allgemein eine Erdgas-Erhitzungseinrichtung und bei 20 allgemein eine Erhitzungsanlage unter Verwendung von wässeriger"Dowtherm IG"-Lösung angedeutet. Das Gas aus dem Bohrloch wird durch die Leitung 11 zu den inneren Windungen lla eines Wärmeaustauschers 12
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geleitet. Es geht dann durch die Leitung 13 ulid durch ein Durchflussregelungsventil 14, sodann über die Leitung 15 durch eine Durchflussregel- und Registriereinrichtung 16, über Leitung 17 und durch das Absperrventil 18 und Hahnschieber 18a zu dem Rohr 19 der Rohrfernleitung.
Die"Dowtherm IG"-Lösung wird mit einer direkt beheizten Heizeinrichtung 21, die mit Brenngas aus eine : Brenngasleitung 21a geheizt wird, auf 710C erwärmt und das erhitzte Medium wird über die Leitung 22 einem Zwischenbehälter 23 zugeführt. Von dem Zwischenbehälter 23 wird das erhitzte Medium mit einer Zentrifugalpumpe 25, welche von einem Elektromotor 25a über dieLeitung 26 gespeist wird, den äusseren Windungen 12a eines Wärmeaustauschers 12 zugeführt. Das heisse Medium wird so dazu verwendet, das durch die Wärmeaustauscherwindungen lla strömende Erd- gaszuerhitzen.
Vom Wärmeaustauscher 12 fliesst das Medium bei B8. 30C über die Leitung 27 durch einenStrömungsanzeiger 28 und ein Absperrventil 28a zum Ablassrohr 29 der schleifenförmig ge- schlossenen Rohrleitung.
Die gekühlte Flüssigkeit mit einer Temperatur von 40. 60C kehrt über die Rückführleitung 20 der schleifenfÏrmig geschlossenen Rohrleitung zurück und geht über dasAbsperrventil 30a zur RUckfUhrleitung 31. Diese mündet in die Erhitzungseinrichtung 21, wo das flüchtige Medium wieder erhitzt wird.
In Fig. 2 sind eine Bohrlochkopf- Einrichtung und eine zwischengeschalteteHeiz-und Pumpeinrichtung gezeigt. Gezeigt sind das Ende eines schleifenförmig geschlossenen Rohrleitungsabschnittes, nämlich die Leitung für das heisse Medium 30 und eine Leitung für das abgekühlte Medium 31. Eine Rohrleitung 19 erstreckt sich über die ganze Länge der Figur.
Erdgas aus einem Bohrloch 32 wird in der Bohrlochkopf- Heizeinrichtung 10, wie vorhin in Fig. 1 gezeigt, erhitzt und fliesst in die Leitung 19. Das gekühlte Medium fliesst durch die Leitung 31 zu einer Heizstation 20, wo es, wie vorhin in fig. 1 beschrieben, erhitzt wird, und das heisse Medium wird durch die Leitung 30 gepumpt.
Schliesslich ist das Vorderende einer Heiz- und Pumpstation dargestellt. Dies ist allgemein bei 20, wie vorher in Fig. 1 beschrieben, dargestellt. Das gekühlte Medium fliesst also von der Leitung 31 durch die Heiz- und Pumpstation 20 und tritt durch die Rohrleitung 30 aus.
In Fig. 3 ist ein typischer Querschnitt dargestellt. Es wird zunächst ein Graben 33 im Erdreich 34 ausgehobenunddieLeitung 19 wird auf den Grund dieses Grabens gelegt. Dann werden die beiden Leitungen 30 und 31 der schleifenförmig geschlossenen Rohrleitung verlegt, die Leitung 30 für das heisse Medium neben die Leitung 19. Die Leitung 30 ist im geringen Abstand von der Leitung 19 dargestellt ; dies ist jedoch nicht kritisch, da die beiden Leitungen auch miteinander in Berührung stehen könnten.
Es ist vorhin gesagt worden, dass die Temperatur des Erdgases auf einer genügenden Höhe gehalten werden soll, damit die Bildung von Gashydraten verhindert wird. Diese Temperaturen können beträchtlich schwanken, wie aus Fig. 4 ersichtlich, die ein Diagramm von Hydrat-Gleichgewichtskurven zeigt.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass ein methanhältiges Erdgas, welches mit einem Druck von 34 kg/cm2 gepumpt wird, eine Temperaturerhöhung auf etwa 2 C zur Verhinderung der Hydratbildung erfordert.
Wenn das Gas auch C02 enthält, müsste es auf eine Maximaltemperatur von etwa 80C zur Verhinderung der Hydratbildung erhitzt werden. Wenn das Gas auch H2S enthält, beträgt die Maximaltemperatur der Erhitzung zur Verhinderung der Hydratbildung etwa 33oC.
Weiters hängt die Temperatur, welche das Erhitzungsmedium aufweisen muss, um das Erdgas bis auf eine zur Verhinderung der Hydratbildung ausreichende Temperatur zu erwärmen, vem den Wärmeverlusten in der verlegten Rohrfernleitung ab. Grundsätzlich sind der regelnde Faktor bei Wärmeverlust in erdverlegten Rohrfernleitungen die Bodenverhältnisse, genauer gesagt die Wärmeleitfähigkeit des Bodens.
Der Temperaturverlust eines durch eine erdverlegteRohrfernleitung durchgehenden flüchtigen Mediums kann unter Zuhilfenahme der folgenden mathematischen Beziehung berechnet werden :
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worin bedeuten : t die Temperatur des Erdreiches in OC in der Verlegungstiefe an einem von der Rohrfernleitung unendlich entfernten Punkt ; t1 die Temperatur des flüchtigenMediums in OC am Ursprungspunkt ;52dieTemperaturdesflüchtigenMediumsin CnacheinerEntfernungvonXm;KdieWärmeleitfähigkeit des Erdreiches in Kcal/h/m2 !'c/m ; M die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in m/h ;
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Cp die spezifische Wärme des Mediums, Kcal/kg/ C;
D die Tiefe bis zur Mittellängsachse der Rohrleitung in m und P den Halbmesser der Rohrleitung in m.
Unbeschadet dessen betragen in den meisten Fällen die angewendeten Temperaturen, auf welche das Heizmedium erwärmt wird, bis if 2040C und gewöhnlich von 37. 3 bis 820C.
Eine erfindungsgemässe Einrichtung befindet sich in Wildcat Hills Field, Alberta, Kanada, in Betrieb.
Vier Bohrlöcher sind in der erfindungsgemässen Weise zur Übertragung von wasserhaltigem Erdgas von jedem Bohrloch zu einer gemeinsamen Behandlungsanlage miteinander verbunden. Das Erdgas hat folgende Zusammensetzung :
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<tb>
<tb> Bestandteil <SEP> :
<tb> H2S <SEP> 4, <SEP> 36 <SEP>
<tb> CO2 <SEP> 6, <SEP> 37 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 56 <SEP>
<tb> CH4 <SEP> 83, <SEP> 44 <SEP>
<tb> C2H6 <SEP> 3,43
<tb> Cash8 <SEP> 0,22 <SEP>
<tb> C. <SEP> (Butan) <SEP> 0, <SEP> 43 <SEP>
<tb> C5H12 <SEP> (Pentan) <SEP> 1, <SEP> 15 <SEP>
<tb> C6H14 <SEP> (Hexan) <SEP> 0,13
<tb> C-tL <SEP> (Heptan) <SEP> 0, <SEP> 38 <SEP>
<tb> 100,00
<tb> Wasser <SEP> 5. <SEP> 6 <SEP> kg/1000 <SEP> m3 <SEP>
<tb>
Bei dieser besonderen Anwendung schwankt die Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches. von 0, 88 für das trockene bis zu 2, 45 für das feuchte Erdreich.
Das Erdgas wurde im Wärmeaustauscher auf etwa 54 C erhitzt und durch die Rohrfernleitung mit einer Geschwindigkeit von etwa 11 x 105 m3/d und mit einem Druck von etwa 75 kg/cm2 strömen gelassen.
Das verwendete Medium war eine 20 Vol. -%igue Lösung von"Dowtherm IG", die in einer Heizeinrichtung aufetwa 71 C erwärmt wurde und eine Temperatur von etwa 680C im Auslassrohr der schleifenförmig ge-
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Rohrleitung erreichte.serhältigem Erdgas, bei einer vorbestimmten Temperatur. Diese Temperatur ist, wenn sie mit andern Bedingungen in Einklang gebracht wird, zur Verhinderung der Bildung von Gashydraten in dem Erdgas ausreichend. Das Verfahren erlaubt beträchtliche Schwankungen in der Durchsatzgeschwindigkeit des Erdgases, ohne Gefahr der Verstopfung durch Gashydrate, die mit üblichen Heizsystemen auftreten würde. Es macht auch die Anwendung chemischer Methoden zur Unterdrückung der Hydratbildung überflüssig.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Falle der Verstopfung der Erdgas-Rohrfernleitung durch Gashydrate diese durch entsprechende Einstellung der Temperatur des Erhitzungsmediums ohne Notwendigkeit der Herabsetzung des Gasdruckes in der Erdgasleitung, wie dies bei üblichen Systemen der Fall sein würde, gereinigt werden kann.
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Method and pipeline for the transfer of a volatile medium at a controlled temperature
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To create fabrics through long distances at predetermined temperatures.
The invention thus relates to a method for the transfer of a volatile medium at a controlled temperature through a pipeline laid in the ground and is characterized in that a heated liquid is circulated through a loop-shaped second pipeline laid directly next to the named pipeline and after it Cooling is returned for reheating, the pipeline and the second, self-contained pipeline running next to it being surrounded by a heat-insulating filler material, so that the volatile medium is heated or kept at a predetermined temperature by the said liquid, but heat losses to the outside be held back.
According to the invention, water-containing natural gas is primarily used as the volatile medium.
The pipeline used to carry out the method according to the invention is characterized according to the invention in that it consists of a main line laid in the ground for the transfer of the volatile medium between two stations which are at least 1.6 km apart, as well as a first heating station in the output station, which facilities for pumping and heating liquids, several such heating stations between the starting and the end station, further from several, loop-shaped auxiliary pipelines between each two adjacent heating stations, which lines are arranged for circulating the heat transfer liquid, which run through the heating and pumping stations heated or
is circulated, the auxiliary pipelines being arranged and laid with respect to the main line in such a way that they keep the volatile medium flowing in the latter at a predetermined temperature by heat transfer via the ground.
In its preferred application for the transmission of natural gas, the entire system is expediently designed in such a way that the natural gas flowing in the main line is kept at a higher temperature than that at which gas hydrates are in terms of the arrangement of the lines, the temperature and speed of the circulating media form.
That embodiment of the pipeline according to the invention, which is used to transfer natural gas from several boreholes to a common collection point, is characterized in that the main line connects the individual boreholes in series, with the individual borehole head stations, but also in between Heating stations with liquid pumping devices are provided in order to ensure the circulation of the heat exchange liquid at the predetermined temperature in the loop-shaped closed, tandem-like arranged auxiliary pipelines, which between each two successive borehole head stations or. the common collection point for the natural gas are arranged.
The volatiles that can be heated include, as non-limiting examples, liquid or gaseous petroleum products. like fuel gases. In the currently best embodiment, however, the method is suitable for the transport of water-containing natural gas through long pipelines laid underground over distances of 1.6 to 160 km.
The heated liquid used can be any conventional liquid which can be heated to the desired temperature, e.g. E.g. ethylene glycol, dichlorobenzene (trade name "Dowtherm"), CaCl lyes and other aqueous solutions. According to the invention, a 20% by volume solution of monoethylene glycol in water was advantageously used (trade name: "Dowtherm IG"). This liquid is particularly suitable because it does not expand at temperatures below the freezing point of water.
In addition, the heat transfer properties of the water are not adversely affected, and the
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the loop-shaped closed pipeline can be laid.
In the drawings which illustrate an embodiment of the invention: FIG. 1 is a schematic representation of a wellhead assembly; H. means for preheating a stream of natural gas prior to depressurization and for heating the circulating water to the desired temperature; 2 shows a schematic representation of a system according to the invention; 3 shows a vertical cross section of a typical system according to the invention, and FIG. 4 shows a diagram of hydrate equilibrium curves with the temperature in C as the abscissa and the pressure for hydrate formation (incg / cm2) as the ordinate.
In Fig. 1, indicated generally at 10 is a natural gas heating system and indicated generally at 20, a heating system using "Dowtherm IG" aqueous solution. The gas from the borehole is passed through the line 11 to the inner windings 11a of a heat exchanger 12
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directed. It then goes through line 13 and through a flow control valve 14, then via line 15 through a flow control and recording device 16, via line 17 and through the shut-off valve 18 and valve slide 18a to the pipe 19 of the pipeline.
The "Dowtherm IG" solution is heated to 710C with a directly heated heating device 21, which is heated with fuel gas from a fuel gas line 21a, and the heated medium is fed to an intermediate container 23 via line 22. The heated medium is fed from the intermediate container 23 to the outer windings 12a of a heat exchanger 12 by a centrifugal pump 25, which is fed by an electric motor 25a via the line 26. The hot medium is used to heat the natural gas flowing through the heat exchanger windings 11a.
The medium flows from the heat exchanger 12 at B8. 30C via the line 27 through a flow indicator 28 and a shut-off valve 28a to the outlet pipe 29 of the loop-shaped closed pipeline.
The cooled liquid with a temperature of 40.60C returns via the return line 20 of the loop-shaped closed pipeline and goes via the shut-off valve 30a to the return line 31. This opens into the heating device 21, where the volatile medium is reheated.
In Fig. 2 a wellhead assembly and an intermediate heating and pumping assembly are shown. Shown are the end of a loop-shaped closed pipeline section, namely the line for the hot medium 30 and a line for the cooled medium 31. A pipe 19 extends over the entire length of the figure.
Natural gas from a borehole 32 is heated in the wellhead heating device 10, as previously shown in FIG. 1, and flows into the line 19. The cooled medium flows through the line 31 to a heating station 20, where it, as previously shown in FIG. 1, is heated, and the hot medium is pumped through line 30.
Finally, the front end of a heating and pumping station is shown. This is shown generally at 20 as previously described in FIG. The cooled medium thus flows from the line 31 through the heating and pumping station 20 and exits through the pipeline 30.
In Fig. 3 a typical cross section is shown. First a trench 33 is dug in the ground 34 and the line 19 is laid at the bottom of this trench. Then the two lines 30 and 31 of the loop-shaped pipeline are laid, the line 30 for the hot medium next to the line 19. The line 30 is shown at a short distance from the line 19; however, this is not critical since the two lines could also be in contact with one another.
It has been said earlier that the temperature of the natural gas should be kept at a sufficient level to prevent the formation of gas hydrates. These temperatures can vary considerably, as can be seen in Figure 4 which is a graph of hydrate equilibrium curves.
It can be seen from FIG. 4 that a methane-containing natural gas which is pumped at a pressure of 34 kg / cm2 requires a temperature increase to about 2 ° C. to prevent hydrate formation.
If the gas also contains C02, it would have to be heated to a maximum temperature of around 80C to prevent hydrate formation. If the gas also contains H2S, the maximum heating temperature to prevent hydrate formation is around 33oC.
Furthermore, the temperature that the heating medium must have in order to heat the natural gas to a temperature sufficient to prevent hydrate formation depends on the heat losses in the pipeline that has been laid. Basically, the regulating factor for heat loss in underground pipelines is the soil conditions, more precisely the thermal conductivity of the soil.
The temperature loss of a volatile medium passing through an underground pipeline can be calculated with the aid of the following mathematical relationship:
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where: t is the temperature of the soil in OC at the laying depth at a point infinitely distant from the pipeline; t1 is the temperature of the volatile medium in OC at the point of origin; 52 the temperature of the volatile medium in C after a distance of Xm; K the thermal conductivity of the soil in Kcal / h / m2! 'c / m; M is the flow velocity of the medium in m / h;
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Cp is the specific heat of the medium, Kcal / kg / C;
D is the depth to the central longitudinal axis of the pipeline in m and P is the radius of the pipeline in m.
Regardless of this, in most cases the temperatures used to which the heating medium is heated are up to 2040C and usually from 37.3 to 820C.
A device according to the invention is in operation in Wildcat Hills Field, Alberta, Canada.
Four boreholes are connected to one another in the manner according to the invention for the transfer of water-containing natural gas from each borehole to a common treatment plant. The natural gas has the following composition:
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<tb>
<tb> Part of <SEP>:
<tb> H2S <SEP> 4, <SEP> 36 <SEP>
<tb> CO2 <SEP> 6, <SEP> 37 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 56 <SEP>
<tb> CH4 <SEP> 83, <SEP> 44 <SEP>
<tb> C2H6 <SEP> 3.43
<tb> Cash8 <SEP> 0.22 <SEP>
<tb> C. <SEP> (butane) <SEP> 0, <SEP> 43 <SEP>
<tb> C5H12 <SEP> (pentane) <SEP> 1, <SEP> 15 <SEP>
<tb> C6H14 <SEP> (hexane) <SEP> 0.13
<tb> C-tL <SEP> (heptane) <SEP> 0, <SEP> 38 <SEP>
<tb> 100.00
<tb> water <SEP> 5. <SEP> 6 <SEP> kg / 1000 <SEP> m3 <SEP>
<tb>
In this particular application, the thermal conductivity of the ground fluctuates. from 0.88 for the dry to 2.45 for the moist soil.
The natural gas was heated to about 54 C in the heat exchanger and allowed to flow through the pipeline at a speed of about 11 x 105 m3 / d and at a pressure of about 75 kg / cm2.
The medium used was a 20 vol.% Igue solution of "Dowtherm IG", which was heated to about 71 C in a heating device and a temperature of about 680 C in the outlet pipe of the loop-shaped
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Pipeline obtained natural gas, at a predetermined temperature. This temperature, when reconciled with other conditions, is sufficient to prevent the formation of gas hydrates in the natural gas. The method allows considerable fluctuations in the flow rate of the natural gas without the risk of gas hydrates clogging, which would occur with conventional heating systems. It also eliminates the need to use chemical methods to suppress hydrate formation.
Another advantage is that if the natural gas pipeline is blocked by gas hydrates, it can be cleaned by setting the temperature of the heating medium accordingly without the need to lower the gas pressure in the natural gas line, as would be the case with conventional systems.
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