CN102428250B - 海底冷却器 - Google Patents

Abstract

一种海底冷却器(10)，其包括能够连接到海底流管线的入口歧管(16)和出口歧管(20)，以及被布置成与该海底冷却器的入口和出口流体连通的至少两个冷却段。每个冷却段(15)包括多个冷却管(22)，这些冷却管被配置成使得当使用该海底冷却器时，它们与周围的海水交换热能。该海底冷却器(10)进一步包括在主要分配点(28)与各个冷却段(15)之间延伸的用于各冷却段(15)的至少一个分配管(24)，当海底冷却器被安装在海床上时分配管(24)相对于水平面是倾斜的，以使流体从主要分配点(28)朝冷却段(15)向下流动。

Description

海底冷却器

本发明涉及一种海底冷却器，其用于在海底流管线(flow line，出油管线)中流动的烃(hydrocarbon，碳氢化合物)并且特别地与海底压缩机/泵站相连，并且还涉及一种用于清除已聚集在海底冷却器中的沙子和/或碎片的方法。

控制流体温度对泵/压缩机站的工作很重要。根据实际的流体性质，太高或太低的工艺温度可能会导致各种问题。

工艺侧上的低温可能会导致水合物形成并导致结蜡、结垢或过高的粘度，由此降低流体的泵送性/压缩性。

通常，溶解度随着温度的升高而增大(正常可溶性)，但是，少数盐，即，逆可溶性盐有不同的表现。典型地，这些盐为当温度高于某个温度(对于CaCO₃典型地为约35℃)时溶解度随着温度的升高而增大。低于这个温度，溶解度随着温度的升高而增大，直至某个温度，超过该温度，溶解度再次随着温度的升高而减小。溶解度还取决于例如压力和压力变化。

当流体流经海底冷却器时，低的工艺温度将进一步降低。在工艺侧上，正常可溶性盐因而可以沉积。在海边上，水将被加热。因而，如果该工艺温度足以使该表面高于逆可溶性盐的逆转点，则可以在海边上形成盐。

工艺侧上的高温可能会限制压缩机/泵的使用，或可能会导致结垢(正常可溶性盐)或导致环境侧上结垢。

温度的迅速变化可能潜在地导致内部泵/压缩机零件和壳体之间的温差，该温差可能会影响泵/压缩机的寿命。

以上问题可能会对有可能增强或维持生产的泵/压缩机站有害。

在WO 2008/147219A2中披露了一种海底冷却器，其包括入口歧管、出口歧管和多个盘管，这些盘管暴露在海水中以便流经盘管的流体被海水冷却。该冷却器包括单个段(section)，因而，与其他已知海底冷却器一样，该海底冷却器的能力(capacity)调节、沙子清除、蜡清除和水合物控制将成问题。这篇出版物中没有披露解决这些问题的尝试。

此外，由于数个原因，优选在各个冷却器管之间获得均匀的流体分配(distribution，分布)。一个原因是各个管之间不均匀的流速会引起管之间形成温差，该温差可能会导致实际冷却器性能与估计冷却器性能发生偏离、不期望的污垢以及对热应力的损害。

不均匀的流体分配也对单相冷却器造成影响，在多相流中该影响由于气体和液体之间的密度和比热变化而进一步增强，该密度和比热变化扩大了由混合流速的不均匀分布造成的各个冷却器管之间的温差。

对于多相流，由于低温、由于不均匀的抑制剂分布或二者的结合，气体和液体流速的不均匀分布还可以引起像水合物堵塞之类的另外问题。积蜡和积垢可能是该挑战引起的其他问题。此外，多相流中可能出现的另外挑战是段塞流(slug-flow)，由于在其他水锤击中，段塞流可能会对构造造成不利影响。所以确保流体足够均匀地分配对于用于冷却烃的海底冷却器是有利的。

本发明的目的在于提供一种不受上述问题困扰的海底冷却器。

本发明的目的在于提供一种这样的海底冷却器，其中聚集的沙子和碎片消除或至少减少。

本发明的目的还在于提供一种这样的海底冷却器，其能够有效地清洁已聚集在该海底冷却器中的蜡和/或水合物和/或沙子和碎片。

本发明的目的还在于提供一种这样的海底冷却器，其中在不同冷却段之间流体均匀分配。

本发明的目的还在于提供一种包含能力调节可能性的海底冷却器。

本发明的目的还在于提供一种这样的海底冷却器，其能够提供关于该海底冷却器中污垢聚集的一些预警信号。

通过权利要求1中限定的海底冷却器以及权利要求35中限定的用于清除聚集在海底冷却器中的沙子和碎片的方法来实现这些目的。在从属权利要求中限定本发明的进一步实施例。

本文披露的海底冷却器提供了上述挑战的解决方案。特别地，下面将更详细地描述海底冷却器的具体能力调节，以及蜡、水合物及沙子和/或碎片的清除。流体在海底冷却器中的内部分配也很重要，因而下面也披露了如何在各个冷却器管之间获得均匀的流体分配。该海底冷却器可以用作需要海底冷却器的不同海底系统的一部分，但所披露的海底冷却器特别适合用作管线内(inline)海底冷却器，该管线内海底冷却器用于湿气应用，即，其中流经该海底冷却器的流体包括气体形式的水和烃。通常还存在一些冷凝物，即，液体形式的烃。

有两个可替换的海底冷却器位置，这两个位置大体上不同。该海底冷却器可以定位在主流管线上，即，始终冷却泵送或压缩流，或者该海底冷却器可以安装在再循环管线中，即，仅冷却流经再循环管线的流体。

将海底冷却器安装在再循环管线中，这可以用于多相泵，而管线内海底冷却器(即，安装在主流管线中)可以用于湿气应用，其中穿过压缩机的温度上升较大，并且由降低吸入温度所产生的益处更为重要。

这里提供了一种用于冷却在海底流管线中流动的流体的海底冷却器，该海底冷却器包括可连接到该流管线的入口和出口。该海底冷却器包括被布置成与该海底冷却器的入口和出口流体连通的至少两个冷却段。当安装该海底冷却器时，冷却管暴露在海水中，并因此将该冷却管配置成使得当使用该海底冷却器时流经该海底冷却器的流体与周围的海水交换热量。该海底冷却器进一步包括在主要分配点与各个冷却段之间延伸的用于每个冷却段的至少一个分配管，其中当将该海底冷却器安装在海床上时这些分配管相对于水平面是倾斜的，以便流体从主要分配点向下流向冷却段。每个冷却段优选包括至少一个入口歧管和至少一个出口歧管以及在入口歧管与对应的出口歧管之间延伸的多个冷却管。

在海底冷却器的实施例中，冷却段对称地布置在海底冷却器的纵向中心轴线周围。该海底冷却器进一步包括阀装置，以便可以单独地调整流经这些冷却段的流体流。

在海底冷却器的实施例中，每个冷却段均包括两个或更多个冷却塔，其中每个冷却塔均包括入口歧管、出口歧管以及在入口歧管与出口歧管之间延伸的多个冷却管。这些冷却管对称地布置在各个冷却塔的纵向中心轴线周围。此外，该海底冷却器优选地被配置成使得当安装该海底冷却器时这些冷却管以基本竖直的方向在入口歧管与对应的出口歧管之间延伸。

在海底冷却器的实施例中，这些冷却塔设置有扩散器，该扩散器使流体流在进入这些冷却器管之前扩散。该扩散器可以设置有挡流(flowblocking)装置，该挡流装置部分地覆盖扩散器的流体流的横截面。该挡流装置可以包括板，该板优选设置在扩散器的流体流的横截面的中心。

在海底冷却器的实施例中，该海底冷却器在海底冷却器的上游侧和/或在每个冷却段的上游侧设置有混合器，以便使液滴分裂成较小滴并获得均质化多相流。如果该混合器布置在海底冷却器的上游，则该混合器也可以用作段塞流的阻尼器。

在海底冷却器的实施例中，该海底冷却器的分配管道设置有一个或多个限流装置(flow restriction)，以便使液滴分裂成较小滴并获得均质化多相流。

在海底冷却器的实施例中，该海底冷却器包括穿过该海底冷却器的旁通管线，以便流经该海底冷却器的流体的至少一部分可以旁通该至少两个冷却段。该海底冷却器旁通管线优选包括用于调整通过该海底冷却器旁通管线的流体流的阀设备。

冷却段，或冷却段的一部分可以被设计成寒区和/或暖区，以便流经该冷却段或该冷却段的该部分的流体温度相应地低于或高于流经该海底冷却器其余部分的流体温度。这可以通过使用直径较其余冷却器管的直径小(对于较高温度)或大(对于较低温度)的冷却器管来实现。这也可以通过其他方式来实现，例如通过将绝缘材料用于一些管中、使用具有不同导热性能的不同材料制成的冷却器管、安装冷却翼片等。此外，该暖区和/或寒区优选设置有温度传感器和/或压力传感器，该温度传感器和/或压力传感器与控制通过海底冷却器的流体流的控制系统通信。

所以，在海底冷却器的实施例中，至少一个冷却段的至少一个冷却管设置有降温装置，以便流经所述至少一个冷却管的流体温度低于流经该至少一个冷却段的其他冷却管的流体温度。

同样地，在海底冷却器的实施例中，至少一个冷却段的至少一个冷却管设置有升温装置，以便流经所述至少一个冷却管的流体温度高于流经该至少一个冷却段的其他冷却管的流体温度。

在由降温装置和升温装置分别创建的海底冷却器的寒区和/或暖区中获得的温度测量值，可以用于检测该海底冷却器中的条件何时会有形成水合物和/或蜡的危险。

本发明还提供了一种用于清除聚集在海底冷却器中的蜡和/或水合物和/或沙子和碎片的方法，该海底冷却器包括至少两个冷却段和阀装置以便可以单独地调整通过这些冷却器段的流体，其中切断了通过这些冷却段中的至少一个冷却段的流体流。由此使流体的冷却程度减小，并且聚集的蜡和/或水合物融化。此外，流体流动速度增大，并且聚集在流体正流经的海底冷却器的一个冷却段或多个冷却段中的沙子和碎片喷出。可以重复这些步骤，直至将需清洁的海底冷却器的所有冷却段清洁完毕。

代替完全切断通过一个或多个冷却段的流体流，也可以降低通过一个或多个冷却段的流量(flow rate)以便使流体温度升高，并且蜡和/或水合物融化，并且流速增大且聚集的沙子/碎片喷出。

该海底冷却器还可以包括布置成与这些冷却段流体连通的绝热容器(insulated container)。该绝热容器的体积应当大到足以容纳包含在海底冷却器的这些冷却段中的流体的液体部分，以便需要时能够快速地泄放该海底冷却器。该绝热容器可以是所需尺寸的某种绝热容器；所需尺寸的绝缘管、管子或类似物；或在泄放海底冷却器时能够储存流体的另外设备。该海底冷却器还可以设置有用于清除该绝热容器中的流体的装置，如泵。

此外，这些冷却段中的至少一个冷却段可以设置有一个或多个温度测量设备和/或一个或多个压力测量设备。一个(或多个)温度传感器和/或一个(或多个)压力传感器优选通过信号电缆或通过无线通信装置与控制系统通信。如所述的，该控制系统控制一个阀设备或多个阀设备，并由此可以基于由一个(或多个)温度传感器和/或一个(或多个)压力传感器测得的值，调整通过各个冷却段的流体流。可替换地，其中的一些阀设备或所有阀设备可以，例如通过利用ROV基于温度和/或压力读数和/或利用预定程序，进行手动调节。

该海底冷却器可以有利地用在海底压缩机系统中，该海底压缩机系统被布置成与从至少一个流体源(如烃井)中接受流体的至少一个流管线流体连通。除了海底冷却器之外，该海底压缩机系统优选包括压缩机或设置有至少一个压缩机或泵的压缩机站。该海底冷却器优选布置在位于该压缩机站上游的流管线中，以便可以使在流管线中流动的流体在流经该压缩机站之前调节它的温度。该流体源可以是产生在流管线流动中的烃流的一个或多个烃井，该烃流中通常包括水和/或固体颗粒。来自不同井的两个或多个流管线可以合并成单个流管线。

该海底冷却器所需的冷却能力将取决于流量、压缩机站处的到达温度、所需的压力提升等。冷却过多可能会导致水合物和蜡的沉积，而冷却过少可能会降低该系统的可行性。实际的冷却能力将进一步取决于环境温度和海上气流(draught)的季节性变化。

改变海底冷却器能力的一种方式在于通过调节传热面积来调整冷却器能力/性能。就是说，测量海底冷却器排放压力和温度，并且在其偏离于设定的工作范围时，通过改变传热面积来改变该冷却器能力，传热面积可以通过切断或打开一个或多个冷却器段改变。

这种功能这样获得，即，提供具有一个或多个阀设备的海底冷却器以便调节有效冷却器面积与期望冷却器面积。海底冷却器的一种设计可以设置有平行地安装在同一提升框架(lifting frame)内的两个50％冷却段(即，两个独立的冷却段，各具有所需冷却能力的50％)。明显地，其他设计也是可能的。该海底冷却器可以例如分成四个25％的冷却段，或者一个50％的冷却段和两个25％的冷却段等。

优选地，要时常对隔离出哪些段进行变换，以便阻止将形成的足量水合物阻塞海底冷却器中未使用的那些冷却段。可替换地，可以隔离出海底冷却器的入口和出口上未使用的冷却段，以便阻止流体进入在特定时间未使用的一个冷却段或多个冷却段。允许流体溅入或溅出海底冷却器中未使用的一个段或多个段，则随着时间的推移，这将使得该管因该流体过分增多而被阻塞。

也可以利用例如旁路阻气门(choke)，通过让一部分流体流经穿过海底冷却器的旁路管线来调整该海底冷却器的能力。这个方法将进一步降低流经海底冷却器的流体部分的温度，但是，总体上，通过冷却消除的能量将减少，即，在该两个流体部分(流经海底冷却器的部分和流经海底冷却器的旁通管线的部分)再次混合之后，海底冷却器下游的流体温度高于当所有流体流经海底冷却器的情况。

如果不适当地处理沙子或碎片，它们可能聚集在冷却器中，随着时间的推移将导致冷却器管的堵塞。

所以，优选将压力传送器(pressure transmitter)安装在海底冷却器的上游。穿过海底冷却器的压降能够用作何时需要清洁工艺侧上的海底冷却器的指导。

通过将分配歧管和/或汇集歧管倾斜而使海底冷却器自我泄放，这样可以防止沙子聚集在冷却器中。除了使海底冷却器自我泄放之外，还将冷却器的出口移到与入口相同的一侧以便沙子直接沿着冷却器管落下来并被排放流清除，这样可以进一步降低沙子和碎片聚集的可能性。

可替换地，通过减小冷却器面积从而增大通过使用中的冷却段的流量，这样可以使聚集在该单元中的沙子喷出。这能够通过在喷射时使用用于切断海底冷却器的冷却段的一个或多个阀设备完成。优选地，如果该海底冷却器是包括再循环管线的海底系统的一部分，则同时增大该压缩机站的压缩机速度，上述再循环管线使至少一部分流体从压缩机站下游至冷却器和压缩机站上游再循环。在这种情况下，利用通过海底冷却器的增大流量，使已聚集在该单元中的沙子和碎片喷射出。

随着时间的推移，蜡可能沉积在冷却器中的壁上，降低传热性能。优选地，通过融化来清除蜡。这可以通过提高海底冷却器的排放温度来实现。

如已经提及的，优选将压力传送器安装在海底冷却器上游，因为穿过海底冷却器的压降与泵/压缩机吸入温度相结合可以用作该海底冷却器何时需要清洁的指导。当需要时，可以通过降低冷却能力，在一段时间内增高海底冷却器的排放温度。这可以通过切断海底冷却器的一个或多个冷却段，由此减小冷却面积来实现。布置在海底冷却器中的至少一个阀设备可以用来调节有效冷却面积与期望冷却面积。

水合物是用在有机和无机化学中的术语，用来表示含有水的物质。在石油工业中，水合物是指气体水合物，即，在水的正常凝固点以上的温度和压力下形成类似于湿雪或冰的固体的烃气和液态水。水合物经常引起流管线堵塞，结果使生产受损。

通常通过确保流管线在水合物区域以外工作来防止水合物，即，隔离以保持足够高的温度或通过抑制剂降低水合物的形成温度。

上图示出了不受抑制的盐水以及含有各种量的水合物抑制剂的一些盐水的典型水合物曲线。从左到右甲醇含量增大，即，最左边曲线为0wt％曲线，而最右边曲线为30wt％曲线。该流管线在曲线的右手侧上工作，因为在这一侧无法形成水合物。

如果形成水合物的话，通常通过融化来清除。对流管线减压，从而使工作条件位于水合物区域之外(该水合物区域位于曲线的左手侧上)，或者通过利用抑制剂来压低该水合物曲线。因此，清除水合物常用的方法在于停止生产并泄放流管线，以便通过减压使水合物融化。在这些情况下，通常认为重要的是，对水合物栓塞(plug)相等地减压(即，在两侧上)，以减少与这个过程相关的一些危险(在冰栓塞变松时，受困的加压气体可能会导致该冰栓塞射出)。

如果在工作压力下工艺温度下降到水合物形成温度以下，将在工作期间开始形成水合物。穿过海底冷却器的温度降低因此会导致水合物形成，在时间允许的情况下，该水合物可能部分或完全地阻塞冷却管。

遇到停止工作情况时，通常需要将流管线保持在水合物形成温度以上一段延长的时间，以便获得时间来干预以防止水合物形成。未隔离的海底冷却器将成为该系统中的主要冷点，并因而在停止工作情形下成为潜在问题区域。所以，在停止工作情形下，具有阻止水合物形成并获得所需保持时间的方法将会是有利的。此外，如果该海底冷却器部分或完全被阻塞，则实现溶解水合物的方法将会是有利的。

在海底冷却器的正常工作期间，可以测量该海底冷却器的排放压力和温度，并且如果工作条件开始逼近水合物区域，则通过升高温度来增大到所述水合物区域的距离。这可以通过降低海底冷却器能力完成，海底冷却器能力可以通过减小使用的冷却面积来降低。如上所说明的，通过在海底冷却器中提供一个或多个阀设备，可以调节有效冷却面积与期望冷却面积。

如上所述，优选将海底冷却器设计成使其自我泄放，即，该海底冷却器中的液体可以在停止工作期间在数秒内流入流管线的绝热段或绝热容器，由此在现场所需的保持时间内将该液体维持在水合物形成温度以上。管的绝热长度必须具有足以储存包含在海底冷却器中的液体体积的容积。

用于早期检测污垢的方法也将是有益的。污垢是用于任何沉积物的术语，即，工艺侧上的蜡、积垢、水合物等以及环境侧上的积垢和海生物，它们降低了海底冷却器与海水之间的传热。可以根据污垢的早期迹象采取预防措施来改进这种状况。

如所述的，这可以通过将海底冷却器的冷却段设计成使得实际冷却段的温度将低于海底冷却器的其余部分的温度来完成。此外，可以测量专用冷却段中的温度，并利用这个测量值查明海底冷却器中的温度是否下降到蜡、水合物、或逆可溶性盐(即，内部污垢)的临界温度。

可以测量进入或离开海底冷却器的整体流体温度并将其与水合物、蜡和积垢的临界温度相比较。然而，该装备中可能存在导致流体下降到临界温度以下，而未被整体温度测量法检测到的较冷点。对于海底冷却器，这可能是由于例如穿过该单元的流体分配的小变化引起的。

因而可以将海底冷却器的段设计成这样的，以便确保在该装备的段中测得的温度比在该装备的其余部分中的温度低。这可以通过为一个冷却管设置收缩部(constriction)来实现，该收缩部可以减少通过该管的质量流，从而使温度相比其他冷却管进一步降低。确保专用冷却段中的温度较低的其他替换方式可以是通过施加冷却翼片等增大传热。然后该“冷点”温度可以与压力测量值和实际流体的水合物曲线结合使用，从而检测该单元何时趋向于太靠近水合物区域工作。

可以通过将该装备的另一个段专用于测量高温来进一步完善上述方法。这可以通过设计来获得，通过增加通过管的流量，例如，通过使用直径较大的管，或者通过使一个冷却管或多个冷却管部分绝热，或者其他方式。如果该较冷管趋向于被阻塞(蜡、积垢、水合物)且独立于环境条件(海流、温度)的变化，则能够将该两个温度测量值之间的偏差变化进行比较并利用它指示冷点。

该温度偏差的变化还能够进一步用来检测外部污垢或内部污垢，从而提供有关清洁需要的信息。

在某些环境下，例如当海水流和海水温度发生变化的环境下，通过上述的采用寒区和暖区以及该寒区和暖区中的温度测量值来早期检测污垢的方法提供的结果可能会不准确。

一种用于获得早期检测污垢的替换方法在于，分别利用该寒区和暖区中限流装置上的差压测量值，其中限流装置用于确保各冷却管中的相等液体分配。限流装置之间的压力相对变化可以用来指示通过这些冷却管的相对流体流是否独立于工艺温度、海水温度或海水流的变化而变化。通过使用超声波速度传感器(或可以被测量且在流量变化时变化的任何信号)也可以实现相同的效果。

检测污垢的另一替换方法在于利用伽马射线(gamma)密度计测量冷却管的横截面中的密度，以便它可以发现沉积在冷却管壁上的水合物或流体流中的水合物块等。

此外，该海底冷却器的冷却能力能够通过使用强制对流，而不是自然对流增大，只要该设计对海水流的冷却效果的更好利用有益处即可。

全向海水流几乎总是存在，相比仅自然对流而言将增大总传热系数。然而，自然对流的效果是不稳定的，这是由于流向变化和用作减慢海流速度的“挡风屏”的站钢结构导致。

该海底冷却器因此可以设置有海流驱动叶轮(impeller)，包括具有一个或多个螺旋桨设备的螺旋桨泵从而增大热羽流的上升速度。该螺旋桨泵可以可旋转地布置在冷却段之上以便当海水流使该螺旋桨泵旋转时通过它可以抽出海水。这样，当海水流存在时，能够增大冷却能力，仅有限地增加了系统复杂性。

通过在冷却器周围增加裙座(skirt)，从而进一步加强海水的上升流速，这样可以进一步增大效率。也可以利用两个圆锥形裙座来增强海底冷却器的冷却能力。可以将裙座布置成使得海水流流入它们之间并产生通过海底冷却器的海水流，其可增强海底冷却器的冷却能力。

下面参照附图解释本发明的非限制性实施例，附图中：

图1示出海底冷却器第一实施例的冷却段的透视图，

图2示出海底冷却器第一实施例的冷却段的侧视图，

图3示出海底冷却器第一实施例的冷却段的侧视图，

图4示出海底冷却器第一实施例的冷却段的俯视图，

图5示出海底冷却器第一实施例的侧视图，

图6示出海底冷却器第一实施例的侧视图，

图7示出海底冷却器第一实施例的俯视图，

图8示出海底冷却器第二实施例的透视图，

图9示出海底冷却器第二实施例的侧视图，

图10示出海底冷却器第二实施例的俯视图，

图11示出海底冷却器第二实施例的入口歧管在纵向方向上的横截面透视图，

图12示出海底冷却器第二实施例的入口歧管的实施例，包括T形盲管(blind-T)。

图13示出海底冷却器第二实施例的入口歧管的替换实施例，其中该入口歧管包括喷嘴。

图14a和14b示出冷却段的两个替换构造，其中这些冷却段对称地布置在上升管(riser pipe，竖管)周围。

图15a-15c示出用于布置阀设备的可能位置，这些阀设备用于控制和调整通过海底冷却器的不同冷却段的流体流。

图16示出具有旁通管线的海底冷却器，该旁通管线能够用于调整通过海底冷却器的流部分。

图17a示出海流驱动叶轮的侧视图，该海流驱动叶轮包括具有一个或多个螺旋桨设备的螺旋桨泵。

图17b示出图17a中所示的海流驱动叶轮的俯视图。

图18示意性示出具有喷射器的海底冷却器，该喷射器扩大流经海底冷却器的海水流。

在图1-4中，示出海底冷却器的冷却段15。冷却段15包括上升管11，该上升管具有用字母A表示的入口，该入口可以连接到流管线(未示出)。上升管11上安装有分配管24，该分配管将上升管11中的流体流分成三个分支。入口歧管16连接到分配管24的每个分支上。

类似地，海底冷却器10包括连接到汇集歧管14的出口管13。三个出口歧管20连接到该汇集歧管，当安装海底冷却器时优选将该三个出口歧管定位在比入口歧管16位置低的位置处。如这些图所示，分配歧管16的数量与汇集歧管20的数量相等。但是，这不是必须的，我们可以例如设想冷却段15所具有的出口歧管20数量比入口歧管16数量少。

至少一个，但优选多个冷却管22在入口歧管16和出口歧管20之间延伸。海底冷却器10被配置成使得冷却管22在工作条件下暴露在周围海水中并且流经该海底冷却器的流体因此与周围海水交换热能。

如图1-4所示，冷却管22优选配置成使得当安装和运转海底冷却器10时冷却管基本竖直。出口歧管20和入口歧管16优选配置成使得它们相对于水平面歪斜或倾斜。这在图3中清楚地示出。流入该冷却器中的流体，如图1中的箭头A所示，将向上流动通过上升管11并通过分配管道24并在此后通过入口歧管16。然后，该流体向下流动通过冷却管22并进一步通过倾斜的出口歧管20和汇集歧管14，并最终通过出口管13流出，如箭头B所指示的。冷却管22的基本竖直的配置以及出口歧管20和入口歧管16的倾斜配置使得海底冷却器10中的沙子和碎片容易清除。

在图5-7中，示出布置在框架25中的具有两个冷却段的海底冷却器10。海底冷却器10设置有第一冷却段30和第二冷却段32。每个冷却段30、32都以与图1-4中披露的冷却段15相同的方式设计，并设置有连接到三个入口歧管16和出口歧管20(该出口歧管连接到出口管(在图中不可见))的分配管24。在入口歧管16和对应的出口歧管20之间提供有至少一个，但优选多个冷却管22，当安装和使用海底冷却器10时，如所示的，将冷却管配置成与周围海水交换热能。

此外，海底冷却器10设置有与控制系统通信的一个或多个阀设备(图中未示出)，该控制系统能够控制这些阀设备以便可以控制和调节通过海底冷却器10的冷却段30、32的流体流。通过远程控制一个阀设备或多个阀设备，可以将流体布置成流经两个冷却段30、32或仅流经其中的一个冷却段，并且可以将通过任何指定段30、32的流体流速调节到期望水平。

图1-7所示的海底冷却器10配置有一个或两个冷却段。但是，如果需要的话，该海底冷却器可以设置有多于两个的冷却段。每个冷却段也可以具有多于三个或少于三个的如该图所示的入口歧管16和出口歧管20。

在图8-10中，披露了海底冷却器10的第二实施例。虽然该设计不同于上面披露的海底冷却器，但图8-10所示的海底冷却器10包括与结合图5-7披露的海底冷却器的相同的主要组件。图8-10所示的海底冷却器10包括以两个冷却段布置成对的八个冷却段15。这些冷却段15都围绕海底冷却器10的中心轴线线对称地布置，以便流体沿着同一流道(fluid path)从流管线流过海底冷却器，而不论流体流经哪个冷却段15。

每个冷却段15包括连接到第二分配管12的入口歧管16，第二分配管将流体流分配到两个冷却段15中。

上升管11的上端安装有主要分配点28，该主要分配点分配通过上升管11进入海底冷却器10的流体流。主要分配点28通过各个分配管24连接到第二分配管12上。优选地，主要分配点28被定位在比冷区段15位置高的水平面上，以便当运转海底冷却器10时流体通过分配管24、分配管12和冷却段15向下流动。

在图14a-14b中示意性示出冷却段15的此种对称位置的其他可能性。在这两个图中，示出主要分配点28。通过分配管24(若果需要的话，和可能的第二分配管12)将流体从该主要分配点均匀地分配到这些冷却段15。所包含的圆圈26用于指示冷却段15是对称布置的。还可以看出，流体通过同一流道从主要分配点28流到冷却段15，而不论流体流经哪个段15。

这些冷却段15的入口歧管16将流入冷却段15的流体均匀地分配到多个冷却管22中，该多个冷却管连接到入口歧管16。海底冷却器10被配置成使得将冷却管22暴露在周围海水中，由此流经冷却管22的流体被冷却。

每个冷却段15的冷却管22在它们的下端连接到出口歧管20，出口歧管汇集从该冷却管流入该出口歧管的流体。冷却段15的出口歧管20连接到汇集管14。来自汇集管14的流体流经第二汇集管23并最终通过可连接到流管线的出口管18离开海底冷却器10。同样地，将连接管19布置成与上升管11流体连通，并在安装海底冷却器时将连接管连接到流管线。由图8和10中的箭头A指示进入海底冷却器10的流体流的优选方向，并且由图8和10中的箭头B指示离开海底冷却器10的流体流。

海底冷却器10优选设置有一个或多个阀设备(图8-10中未示出)，由此可以相互独立地控制和调节流经这些冷却段15的流体。此种阀设备可以例如布置在分配管24和/或第一分配管12和/或主要分配点中。

在图15a-c中示出阀设备的一些可能位置。在图15a中，示出阀设备可以包括在如箭头A所示的主要分配点中，例如，用于海底冷却器10的能力调节和冲洗的三路阀。在图15b中，示出相同类型的阀设备可以设置在如箭头B所示的第二分配管12中，也用于海底冷却器10的能力调节和冲洗。在图15c中，示出阀设备可以设置在如箭头C所示的海底冷却器10的入口处，例如用于海底冷却器10的能力调节和冲洗的开/关阀或阻气门。

当安装和使用如图8-10所示的海底冷却器10时，流体流经上升管11。在主要分配点28处，该流体流被分到许多分配管24中，这些分配管在第二分配点29处连接到各个分配管12，在第二分配点处该流体流进一步均匀地分到两个分配管12中，该两个分配管连接到冷却段15的入口歧管16。此后，该流体通过暴露在周围海水中的冷却管22向下流动，进入冷却段15的出口歧管20。最终，该流体流经第二汇集管23并通过出口管离开海底冷却器。如结合上图14a-14b描述的，第二分配管12可以不存在，这取决于海底冷却器10的设计。

设计入口歧管16的中心圆顶(centre dome)，以便在入口歧管16内形成混乱的流型并且在各个冷却管22入口之上的“环形”横截面中提供均匀分布的流体流。除其他影响外，其中一个影响为液滴分裂，形成更容易沿着气流行进的较小液滴，即，气液分离的趋势减小。冷却管22优选分布在冷却塔17的“环形”横截面中，但不使用该板的中心，以便阻止流体在位于中心区域和周边的冷却管22之间不均匀地分布。从歧管入口到进入冷却器管的出口的“环形截面”高度，要允许工艺流体在流入各个冷却管22之前的再分配，从而改进流体的液/气分配。

在上述设计中，该工艺流体在这组冷却段15的中心通过上升管11向上流动，并对称地分裂。存在许多布置方式可以获得100％对称的入口和出口布置，其中对于所有通过海底冷却器10的流道而言，从液流在主要分支点28处分开并一直到流体最后再混和为止，流道都是相同的。在图8-10中示出一个实例，在图14a-14b中示出还有两个实例，如上所述。

如所述的，该管道从其中流体流首次分裂的主要分支点28，优选倾斜地向下，以便确保即使海底模块并不完全水平该流体也可以对称地分裂。气体和液体将趋向于分离成不同分支，如果一个稍向上，则另一个稍向下。如果所有分支都具有限定的倾斜度(即，-47°和-44°的倾斜度(相对于水平面)将不产生大的差异，而可能差异+2°和-2°)，则这种影响将大大减小。虽然不是优选的选项，但海底冷却器10也可以被布置成使得流体流通过冷却管22向上。

所披露的基于模块的海底冷却器10由于它的模块构造而可以布置成多种布置方式，以便在各个冷却段之间均匀地分配以便达到期望的总冷却要求。

通过采用申请人自己的混合器的混合部分进行径向混合，这样可以进一步增强流体的均匀分配。就是说，利用湍流剪切层以便将液体撕裂成穿过管横截面均匀分布的小液滴。液滴，如果足够小，将具有足以偏离于气流的动量。液滴的流向和流速将因此与气流的相同。

强混合过程将额外地确保抑制剂穿过入口歧管16的横截面均匀地分布，从而确保在海底冷却器10的所有冷却段15中的工艺流体与抑制剂之间的比例得以维持。

径向混合可以应用于各个海底冷却器的上游以便使流体更好地分配到海底冷却器中或者在其中流体流已分裂的任何冷却段15的上游。

期望地，实现流体在入口歧管16中的良好分配，并因此良好分配到各个冷却管22中。在下面的讨论中，假定在分配歧管的入口处多相流可以当作均质化流加以处理。

可以通过具有中心入口并将所有冷却管出口安设在相同半径上，获得来自管道歧管16并进入各个管的100％对称流型。

此外，扩散器，如果加以适当地设计，将在入口歧管16中提供几乎平均的速度分布和全静压恢复。此外，由扩散过程引起的高湍流水平所导致的流体混合和液滴分裂，将趋向于额外地改进液滴分配。

分配冷却管22以便每个冷却管22均具有相同的泄放面积，这将确保进入每个单个冷却管22的流速(GVF和质量)相同。

扩散器高度增大了冷却器总高度，对于一些安装器皿而言该冷却器总高度变得太高。在这些情况下，可以通过例如使用导向叶片和/或漩涡发生器等来减小扩散器高度。

在图11中示出导向叶片的使用。这个图所示的入口歧管16设置有两个导向叶片34，该两个导向叶片从入口歧管16的入口35延伸到冷却管22的入口。导向叶片34被布置成使得流体流均匀地分配在这些冷却管之间并将其从入口歧管16的入口35朝向对应的冷却管22进行导引。

在一些情况下，可能很难获得穿过分配板的整个横截面的完全扩散。在这些情况下，可以这样获得期望的流体分配，例如通过堵塞分配板的中心段，从而将该流体流导引到环状部(annulus)中，该环状部然后将成为分配歧管。该环状部的高度优选高到足以允许压力恢复和因此进入各个冷却管22的适当分配。此外，该环状部可以作为扩散器形成从而进一步改进该分配，而同时允许减小该扩散器的高度。

通过使该流进入正好在歧管入口上游的T形盲管，可以获得均质化混合物。如果该入口管道较水平，则T形盲管或类似管道布置将破坏流体分布型式。这在图12中示出，其中T形盲管36安装在冷却塔17的入口歧管16上。T形盲管的入口38与凸缘40布置在一起以便T形盲管可以安装到分配管12。在入口38的对面，该T形盲管设置有封闭端以便当流体通过入口38进入该T形盲管时，它将流到该T形盲管的该端，在该端该流体被迫返回并在此后通过该T形盲管的出口39离开。小的再卷吸“叶片”也可以结合阻挡件T使用以便阻止液体聚集到壁上。

如上所述的，也可以通过利用由流管线中限制装置产生的湍流剪切层获得均相液体/气体混合物。在图13中示出一个实例，其中还披露了形状略有不同的入口歧管16。该图示出的入口歧管16由圆锥部分44和环形部分43形成。环形部分43设置有环形形状并在其上端连接到圆锥部分44。圆锥部分44在其上端连接到歧管入口45，歧管入口可以是分配管道12、24的一部分。

如图13所示，可以将一限制装置或喷嘴48设置于歧管入口45中，其优选设计成使得来自该喷嘴或限制装置的射流使该流雾化并产生一些湍流剪切层，由该图中的虚线表示。粘在壁上的液体也被再卷吸。所示喷嘴形成有内环49和外环50。外环50附接到歧管入口45。该内环可以通过连接装置连接到外环50，该连接装置为像例如分布在内环49和外环50的圆周周围并附接到该圆周的三个或更多个板本体(图13中未示出)一样的装置。喷嘴48的设计优选为这样的：阻止流经内环49以及内环49与外环50之间形成的环状部中的中央通孔的流体粘在入口歧管16的内壁上。图13所示的虚线表示由喷嘴48产生的湍流剪切层，其改进了流体流中气体和液体的分布。

为了调节流体流的流经海底冷却器10的部分，该海底冷却器优选设置有如图16示意性示出的旁通管线。所示的海底冷却器10连接到流管线52上。旁通管线53流体地连接到海底冷却器10上游和下游的流管线52上，并包括能够调节流体的流经海底冷却器10的冷却段15的部分的阀设备。

在图17a和17b中，示出了螺旋桨泵55，海底冷却器可以设置有该螺旋桨泵以便增强海底冷却器10的冷却能力。螺旋桨泵55包括可旋转地布置在海底冷却器10之上的圆柱体56。圆柱体56具有多个叶片58，这些叶片通过螺栓59、铰链或任何其他合适的装置可枢转地连接到圆柱体56。随着螺旋桨泵的旋转，当叶片58位于通常以与海流方向相同的方向旋转的圆柱体56的侧面上时，这些叶片将枢转脱离该圆柱体。当这些叶片在通常与海流方向相反的方向上移动时，这些叶片58将位于圆柱体56的附近从而提供尽可能小的流阻。以这种方式，由海流驱动叶螺旋桨泵55。在图17b中，该原理应该很容易理解。在圆柱体56内部提供了至少一个螺旋桨，该螺旋桨优选延伸穿过圆柱体56的直径并被附接到该圆柱体的内壁上。当海流使螺旋桨泵55旋转时，该螺旋桨被布置成使得可以通过圆柱体56抽出海水，这进而产生通过海底冷却器10的更强的海水流，从而增大该海底冷却器的冷却能力。

在图18中，示出增大海底冷却器冷却能力的替换方式。在海底冷却器10上面提供了优选为圆锥形状的内裙座62。在内裙座62的外面进一步提供了也优选为圆锥形状的外裙座63。该内裙座和外裙座可以通过必要数量的板64连接。从而在内裙座62和外裙座63之间形成流道。外裙座63和内裙座62被适配成使得海流66流入该流道并在此后如该图中所示的直接向上。海流通过外裙座和内裙座之间的流道向上流动，还将产生通过海底冷却器10的海水流，如该图所示的，从而增大海水冷却器10的冷却能力。

Claims (33)

1.用于冷却在海底流管线中流动的多相流体的海底冷却器，所述海底冷却器包括入口和出口，所述入口和所述出口能够连接到所述海底流管线，

所述海底冷却器包括被布置成与所述海底冷却器的所述入口和所述出口流体连通的多个冷却段，每个冷却段包含多个冷却管，所述冷却管被配置成使得当使用所述海底冷却器时所述冷却管与周围的海水交换热能，所述海底冷却器进一步包括在主要分配点与各个冷却段之间延伸的用于各冷却段的至少一个分配管，当所述海底冷却器被安装在海床上时所述分配管相对于水平面是倾斜的，以使所述多相流体从所述主要分配点朝所述冷却段向下流动，

其特征在于，每个所述冷却段进一步包括扩散器，所述扩散器使所述多相流体的流在所述冷却段的所述冷却管之间均匀地分配。

2.根据权利要求1所述的海底冷却器，

其特征在于，所述冷却段对称地布置在所述海底冷却器的纵向中心轴线周围。

3.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述冷却管对称地布置在各个冷却段的纵向中心轴线周围。

4.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器包括从所述主要分配点延伸到各个次要分配点的第一分配管和从各次要分配点延伸到各个冷却段的至少两个分配管，当所述海底冷却器被安装在海床上时所述分配管相对于水平面是倾斜的。

5.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器设置有一个或多个阀装置，以便能够单独地调节通过所述冷却段的流体流。

6.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，每个冷却段均包括入口歧管和出口歧管，并且所述多个冷却管在每个冷却段的所述入口歧管与所述出口歧管之间延伸。

7.根据权利要求6所述的海底冷却器，

其特征在于，所述入口歧管被布置在对应的出口歧管之上，以使所述流体通过所述冷却管向下流动。

8.根据权利要求6所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器被配置成使得当安装所述海底冷却器时所述冷却管在所述入口歧管与对应的出口歧管之间沿基本竖直的方向延伸。

9.根据权利要求1所述的海底冷却器，

其特征在于，所述扩散器设置有挡流装置，所述挡流装置部分地覆盖所述扩散器中流体流的横截面。

10.根据权利要求9所述的海底冷却器，

其特征在于，所述挡流装置包括板状本体，所述板状本体被设置在所述扩散器中流体流的横截面的中心。

11.根据权利要求6所述的海底冷却器，

其特征在于，所述入口歧管设置有将流体从所述入口歧管的入口导引到冷却管的至少一个导向叶片。

12.根据权利要求6所述的海底冷却器，

其特征在于，在每个入口歧管的上游设置有T形盲管。

13.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器的分配管道设置有一个或多个限流装置，以使液滴分裂成较小滴并获得均质化多相流。

14.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器包括旁通管线，以使至少流经所述海底冷却器的流体的一部分能够旁通至少两个冷却段。

15.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器包括被布置成与所述冷却段流体连通的器皿、管或容器，并且设置有大到足以容纳包含在所述冷却段中的流体的任何液体部分的容积以使所述海底冷却器能够快速地泄放。

16.根据权利要求15所述的海底冷却器，

其特征在于，所述器皿、管或容器是绝热的。

17.根据权利要求15所述的海底冷却器，

其特征在于，所述器皿、管或容器被布置成使得所述海底冷却器的所述冷却段由于作用在所述冷却段中的流体上的重力而自我泄放。

18.根据权利要求15所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器设置有用于将抑制剂注入所述器皿、管或容器中的装置。

19.根据权利要求1所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器包括至少一个寒区，所述寒区被配置成使得流经所述寒区的流体的温度低于流经所述海底冷却器的其余部分的流体的温度。

20.根据权利要求19所述的海底冷却器，

其特征在于，所述寒区包括设置有降温装置的至少一个冷却管，以使流经所述至少一个冷却管的流体的温度低于流经未设置有降温装置的冷却管的流体的温度。

21.根据权利要求20所述的海底冷却器，

其特征在于，所述降温装置包括设置在所述至少一个冷却管中的收缩部、或设置在所述至少一个冷却管上的一个或多个冷却翼片、或直径比所述海底冷却器的其余冷却管的直径小的冷却管。

22.根据权利要求19所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器包括至少一个暖区，所述暖区被配置成使得流经所述暖区的流体的温度高于流经所述海底冷却器的其余部分的流体的温度。

23.根据权利要求22所述的海底冷却器，

其特征在于，所述暖区包括设置有升温装置的至少一个冷却管，以使流经所述至少一个冷却管的流体的温度高于流经未设置有所述升温装置的冷却管的流体的温度。

24.根据权利要求23所述的海底冷却器，

其特征在于，所述升温装置包括设置在所述至少一个冷却管上的绝热装置，或者为所述海底冷却器设置这样的冷却管：该冷却管的直径比所述海底冷却器的其余冷却管的直径大。

25.根据权利要求22至24中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述寒区和/或所述暖区设置有测量流体流的一种或多种物理性质的相对变化的至少一个传感器，由此能够获得结垢的预警。

26.根据权利要求25所述的海底冷却器，

其特征在于，所述至少一个传感器测量所述寒区与所述暖区之间的压差的相对变化。

27.根据权利要求25所述的海底冷却器，

其特征在于，所述至少一个传感器测量流经所述寒区和所述暖区的流体的温度。

28.根据权利要求25所述的海底冷却器，

其特征在于，所述至少一个传感器包括测量流经所述寒区和所述暖区的流体的速度的一个或多个超声波速度传感器。

29.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器包括在所述海底冷却器的所述入口与至少到达所述主要分配点之间延伸的上升管，所述上升管适于所述上升管与所述主要分配点之间的相对运动。

30.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器包括海流驱动叶轮，所述海流驱动叶轮包括螺旋桨，所述螺旋桨被布置成使得所述螺旋桨抽取经过所述海底冷却器的所述冷却段的水。

31.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器包括至少一个裙座，所述裙座至少部分地围绕所述海底冷却器，以便进一步增加经过所述冷却段的海水流。

32.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述海底冷却器包括控制系统，所述控制系统与所述海底冷却器的阀设备通信并且控制所述海底冷却器的阀设备，以便能够独立于彼此地调节通过所述冷却段的流体流。

33.根据权利要求1至2中的一项所述的海底冷却器，

其特征在于，所述流体是包括烃和/或水的多相流体。