CN108351074A - 自供能式管线水合物预防系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于预防管线中的水合物形成的系统，该系统包括加热器壳体。加热器壳体的外径尺寸设计成使其能够在管线内行进。加热器壳体内布置有涡轮组件。涡轮组件具有通过管线内的流体流而能旋转的叶片。加热器壳体内布置有电加热器，并且电加热器与涡轮组件电连接。电加热器选择性地与管线内的流体流接触。
Description
技术领域
本公开总体涉及管线中的水合物形成的预防，并且更具体地涉及将流过管线的流体的温度维持高于目标值。
背景技术
在天然气管线中，温度下降可能导致被称为水合物的结晶水基固体的形成。水合物的形成可能阻塞管线并且使天然气生产放缓或停止。
已尝试许多现有方法来解决与水合物的形成相关的问题。水合物的形成不仅取决于温度，而且还取决于碳氢化合物的压力以及流过管线的流体的化学成分。流过管线的流体可能还受到也与温度相关的蜡沉积物的形成的影响。
在一些现有系统中，可以将抑制剂注入管线中，隔绝材料可以覆盖管线以帮助管线保持热量，或可以使用电加热系统加热管线。这些系统可能昂贵且低效，并且可能产生其它问题，诸如抑制剂从碳氢化合物析出、隔绝材料不能理想地覆盖以及管线可以被电加热系统加热的长度有限等。其它现有系统需要外部电源和机器人。当这些部件失效时，整个加热系统可能失效。在发生这种故障时，系统的恢复可能存在挑战。
发明内容
本公开的实施例提供使用能量收集原理来防止水合物的形成的系统和方法。来自管线内的气体流动的能量被用于使插入在管线中的涡轮组件旋转。涡轮组件利用电加热器将该旋转机械能转换为热能，管线内的流体流过该电加热器。电加热器将流体和管线维持在高于水合物形成温度并预防水合物的形成。在本公开的实施例中，不需要外部电源或机器人类型的装备，这降低了系统的重量并且由于具有更少存在失效风险的部件还增加了可靠性。
在本公开的实施例中，用于预防管线中的水合物形成的系统包括加热器壳体。加热器壳体的外径尺寸设计成使其能够在管线内行进。加热器壳体内布置有涡轮组件。涡轮组件具有通过管线内的流体流而能旋转的叶片。加热器壳体内布置有电加热器，并且电加热器与涡轮组件电连接。电加热器选择性地与管线内的流体流接触。
在替换实施例中，涡轮组件还可以包括发电机和电连接器。发电机可以与叶片机械地连接，并且电连接器可以从发电机延伸到电加热器。声系统可以包括对声音行进时间进行选择性地测量的声发送器和声接收器。声接收器可以与连接至涡轮组件的控制系统通信。
在其它替换实施例中，控制系统与电加热器连接。电加热器可以具有关闭状态和打开状态，并且可以通过控制系统在关闭状态与打开状态之间选择性地切换。控制系统可以包括感测管线内的实时温度的温度传感器。当实时温度下降到低于温度下限时，电加热器可以从关闭状态切换到打开状态。当实时温度高于温度上限时，电加热器可以处于关闭状态。涡轮组件可以是能变速的涡轮组件，能变速的涡轮组件的叶片的转速通过控制系统选择性地控制。
在又一替换实施例中，系统还具有第二涡轮组件。涡轮组件可以在管线内间隔开并且利用柔性导体电连接。叶片的外表面处可以布置有洗涤器。洗涤器可以从管线和加热器壳体中的一者的内表面选择性地去除物质。加热器壳体选自下述群组，所述群组包括线框和管道。电加热器可以包括陶瓷外层。电加热器可以选自下述群组，所述群组包括网式加热器、板式加热器以及这两者的组合。
在本公开的另一实施例中，用于预防管线中的水合物形成的方法包括提供加热器壳体。加热器壳体的外径尺寸设计成使其可以在管线内行进。加热器壳体内可以布置有涡轮组件。涡轮组件可以具有通过管线内的流体流而能旋转的叶片。加热器壳体内可以布置有电加热器，并且电加热器可以与涡轮组件电连接。将加热器壳体插入到管线中，使得电加热器接触并加热管线内的流体流，并且管线中的流体流使叶片旋转。
在替换实施例中，利用发电机可以将叶片的旋转转换为电能，并且利用从发电机延伸到电加热器的电连接器可以将电能输送给电加热器。利用连接至电加热器的控制系统可以使电加热器在关闭状态与打开状态之间切换。利用控制系统的温度传感器可以感测管线内的实时温度。当实时温度下降到低于温度下限时，可以利用控制系统使电加热器从关闭状态切换到打开状态。当实时温度上升到高于温度上限时，可以利用控制系统使电加热器从打开状态切换到关闭状态。
在其它替换实施例中，可以利用连接至涡轮组件的控制系统控制叶片的转速。可以提供具有声发送器和声接收器的声系统。可以利用声发送器发送声信号，并且利用声接收器接收声信号。可以测量声发送器与声接收器之间的声音行进时间。声系统可以与连接至涡轮组件的控制系统通信，并且根据声音行进时间可以判断管线、涡轮组件和流体流中的一者的状态。根据该状态利用控制系统可以调节涡轮组件的性能。
在又一实施例中，可以提供第二涡轮组件。涡轮组件可以利用柔性连接器电连接，并且涡轮组件可以在管线内间隔开。利用位于叶片的外表面处的洗涤器可以从管线和加热器壳体中的一者的内表面去除物质。
附图说明
为了获得并可以详细理解本公开的上述特征、方面和优点以及将变得显而易见的其它特征、方面和优点，可以通过参考本公开的在构成本说明书的一部分的附图中示出的实施例对以上简单总结的本公开作更具体的描述。然而，应注意的是，附图仅示出了本公开的优选实施例，因此不应被视为对本公开的范围的限制，这是因为本公开还可能包括其它的等效实施例。
图1是具有根据本公开的实施例的水合物预防组件的管线的截面图。
图1是具有根据本公开的实施例的水合物预防组件的管线的截面图。
图3A至图3G是根据本公开的实施例的水合物预防组件的涡轮组件的叶片的替换实施例的透视图。
图4是根据本公开的实施例的水合物预防组件的涡轮组件的示意性透视图。
图5是根据本公开的实施例的水合物预防组件的多个连接在一起的涡轮组件的示意性透视图。
图6是根据本公开的实施例的水合物预防组件的控制系统的示意图。
图7是根据本公开的实施例的水合物预防组件的无线网络系统的示意图。
具体实施方式
现在，在下文中将参考示出本公开的各实施例的附图对本公开的各实施例进行更全面的描述。然而，本公开可以以许多不同的形式实现并且不应被解释为限于本文中所列举的所示实施例。本领域的技术人员应理解的是，本公开不限于说明书中给出的各实施例的描述或不受这些实施例的描述的限制。相反，提供这些实施例使得本公开彻底、完整，并且充分地向本领域技术人员传达本公开的范围。相同的附图标记始终表示相同的元件，并且主符号(如果使用的话)表示替换实施例或位置中的类似元件。
在下面的讨论中，阐述了许多具体细节，以提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本公开的系统和方法。另外，已省略涉及钻井、油藏测试、完井等大部分细节，这是由于为获得对本公开的完整理解不需要考虑这些细节，并且这些细节被认为属于相关领域的技术人员的技能。
本领域的技术人员还应理解的是，用于描述特定实施例的术语不限制本公开的范围或广度。在对包括所附权利要求书的本公开的解释中，所有术语应以与各个术语的语境一致的尽可能宽泛的方式进行解释。在包括所附权利要求书的本公开中使用的全部技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的意思相同的意思，除非另有限定。
如在本文中所使用的，除非上下文另有明确的指示，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”还包括复数个所指对象。所引用的元件、部件或步骤可以存在、被使用或者与未被明确引用的其它元件、部件或步骤结合。“相关联的”及其不同形式意思是某事物与其它事物由于它们一起出现或一个生成另一个而相关。“检测”及其变化形式应被解释为对特性或性能的出现或存在的鉴定。“判断”及其变化形式应被解释为通过对特性或性能的分析或计算而确定或确立。
空间术语描述一个对象或一组对象相对于另一个对象或另一组对象的相对位置。空间关系适用于纵轴和横轴。包括“井上”和“井下”在内的方位和关系词是为了描述方便而不是限制，除非另有指示。
在包括所附权利要求书的本公开提供了值的范围的情况下，应理解的是，区间涵盖上限值与下限值之间的每个中间值以及上限值和下限值。本公开因所提供的任何特定排除而涵盖并限定更小的区间范围。
在包括所附权利要求书的本公开引用包括两个以上限定步骤的方法的情况下，可以以任意次序或同时进行这些限定步骤，除非上下文排除这种可能性。
参见图1，管线10可以用于输送流体，诸如天然气等气态碳氢化合物混合物。管线10可以运送未加工的碳氢化合物气体，未加工的碳氢化合物气体包含诸如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氮和硫化氢等成分，这些成分中的任何成分与自由水一起在一定温度和压力条件下可以形成水合物。管线10可以延绵很长距离，诸如很多英里。作为实例，管线10可以从气田延伸到可能在68英里(110公里)或更远处的生产设施。管线10可以位于陆地上或位于近海。
为了预防管线10内水合物的形成和累积，可以将水合物预防组件12插入管线10中。水合物预防组件12可以针对管线10内易于形成水合物的水合物形成区域。水合物预防组件12是自给式单元而不需要外部电源。为了使管线10内的水合物预防组件12的性能最佳，可以利用包括管线10内的未加工的碳氢化合物气体的一般成分的参数对特定长度的管线10进行计算机模拟。随后，可以调整并同步化水合物预防组件12的元件以提供满足这种管线12的水合物预防要求的单独成套设备(single package unit)。水合物预防组件12可以插入管线10中并且通过穿过管线10的流体流而沿管线10的长度移动期望间距。如将在本文中进一步讨论的，还使用穿过管线10的流体流生成热，以将穿过管线10的流体流以及管线10维持在高于水合物形成温度。在某些实施例中，水合物预防组件12可以插入管线10中并且被管线10内的流动的碳氢化合物气体的能量推动穿过管线10。一旦水合物预防组件12到达目标水合物形成区域，则水合物预防组件12可以保持固定并且在该水合物形成区域处运行。在替换实施例中，水合物预防组件12可以在确定的时间间隔内、在沿管线10的选定距离内穿过管线10来回行进。管线10在管线10内流动的流体的能量的作用下穿过管线10被推向下游，并且可以机械地作用于穿过管线10的流体流而向上游行进。如将在下文讨论的，水合物预防组件12可以设计为利用流过管线10的流体的能量为水合物预防组件12供能并且为水合物预防组件12提供推进力以使其在管线10内向上游行进。在其它实施例中，可以使用替换的机械结构将水合物预防组件12在管线10内移动到上游。
水合物预防组件12可以包括加热器壳体14。加热器壳体14的外径尺寸设计成使其能够在管线10内行进。作为实例，加热器壳体14的尺寸设计成使其可以配合在管线10的内径内，使得加热器壳体14的外径与管线10的内径之间近乎没有空间，从而在加热器壳体14的外径与管线10的内径之间的任何间隙中将不形成水合物。加热器壳体14在水合物预防组件12沿管线10行进时支撑并承载水合物预防组件的元件。在图1的实例中，加热器壳体14是管道，并且在图2的实例中，加热器壳体是线框。在替换实施例中，加热器壳体14可以由能够支撑水合物预防组件12的元件的其它结构化部件形成。
加热器壳体14内部可以布置有涡轮组件16。参见图4，涡轮组件16可以包括发电机18和叶片20。发电机18通过叶片20的旋转而被供能。叶片20能通过管线10内经过叶片20的流体流而旋转。每个涡轮组件可以具有一个或多个叶片20。涡轮组件16的叶片20和其它部件可以由轻质的非腐蚀材料(诸如铝等)形成。图3A至图3E披露了具有不同构造的叶片20的涡轮组件16的多个实施例。叶片20可以设计为向发电机18供能，并且可以设计为机械地作用于管线10内的流体流以使水合物预防组件12的方向逆转，使得水合物预防组件12可以在管线10内向上游行进。
随着叶片20旋转，与叶片20机械地连接的轴22向发电机18提供旋转输入。发电机18通过轴22而与叶片20机械地连接。齿轮箱24可以改变叶片20与提供给发电机18的旋转输入之间的相对旋转比率。发电机18可以将轴22的旋转输入转换为电能。
涡轮组件16可以通过支柱26(图1)或通过其它机械结构而固定在加热器壳体14内。涡轮组件的该设计可能受多个因素的影响，诸如所需电能、管线和加热器壳体的尺寸、叶片20的数量以及穿过管线10的流体流的速度等。在某些实施例中，涡轮组件16可以取向为使得叶片20和轴22的旋转轴线都与穿过管线10的气流的方向基本垂直，并且叶片20可以具有立式涡轮设计(图4)。这种立式涡轮实施例的优点在于叶片20具有相对简单的设计和制造工序，这是因为在一些实施例中叶片沿其长度具有恒定不变的形状。在其它实施例中，涡轮组件16可以取向为使得叶片20和轴22的旋转轴线都与穿过管线10的气流的方向基本平行，并且叶片20可以具有传统涡轮设计(图2)。
叶片20可以包括沿叶片20的边缘定位的洗涤器27。洗涤器27可以例如是防锈并耐腐蚀的细不锈钢刷毛。洗涤器27选择性地去除诸如水合物等物质。当加热器壳体14是管道时，洗涤器27将擦洗加热器壳体14的内表面。当加热器壳体14是线框时，洗涤器27将擦洗加热器壳体14和管线10的内表面。
水合物预防组件12还可以包括电加热器28。电加热器28可以与涡轮组件16电连接，使得发电机18可以提供使电加热器28运行所需的电能。电导体30可以从发电机18延伸到电加热器28以将由发电机18生成的电能输送给电加热器28。在管线10中的流体流可以接触并经过电加热器28，使得电加热器28可以直接加热管线10内的流体流，从而间接加热管线10本身。可替换地，电加热器28可以直接与管线10的侧壁接触以直接加热管线10。
水合物预防组件12可以包括多于一个的电加热器28。电加热器28的构造将部分地基于流过管线10的流体的体积和压力。网式加热器32可以是基本盘状的电加热器28，该电加热器28具有延伸穿过盘的厚度的多个孔以形成网状结构。网式加热器32可以定位为与流过管线10的流体流基本垂直，使得流体穿过网式加热器32的孔。
板式加热器34可以是基本平面状的部件，并且定位为相对于流过管线10的流体流成角度。板式加热器34成角度地位于水合物预防组件12内以用作节流器，从而迫使管线10内的流体穿过狭窄路径，使得分子彼此撞击，在分子内产生摩擦和热量。因此，即使没有任何电能供应至板式加热器34，板式加热器34也可以通过产生这种分子内的摩擦和热量而工作以加热管线10内的流体。板式加热器34还构造并设计为最大化并确保管线10内的流体的分子与被加热的板表面之间的充分接触。在替换实施例中，板式加热器34可以与加热器壳体14的侧壁平行地对准，以为管线10内的流体提供替换或附加的热量。
参见图1，在某些实施例中，可以使用网式加热器32和板式加热器34这两者。管线10中的流体将穿过网式加热器32并接触板式加热器34，从而导致管线10内的流体的升温以将管线10内的温度维持在期望温度范围内且高于水合物形成温度。
在替换实例中，诸如图2所示的，可以只使用板式加热器34而不包括网式加热器32。在又一替换实施例中，可以只使用网式加热器32而不使用板式加热器34。只具有网式加热器32或只具有板式加热器34的实施例可以有特定用途，例如用在具有大的流体流体积的管线中。
电加热器28可以由覆盖有陶瓷材料的加热元件形成，从而电加热器28具有陶瓷外层。加热元件与天然气的直接接触可能导致着火的危险。陶瓷材料是有效的电绝缘体，并且由此可以降低在管线10内流动的流体的着火风险。陶瓷材料还提供优良的导热性，并且热量将通过陶瓷材料从加热元件传递到管线10内的流体。为了获得本领域已知的有效热性能，加热元件可以由例如石墨烯、铜或镍铬合金、或者具有高热导率的其它加热元件材料形成。在某些实施例中，加热器元件优选地由覆盖有陶瓷的石墨烯形成，以提供具有优异热性能的轻质且结实的电加热器28。
参见图5，在某些实施例中，可以存在多于一个涡轮组件16。第二涡轮组件16和其它涡轮组件16可以利用柔性导体36连接在一起，以允许电能的传递以及涡轮组件之间的通信。涡轮组件16可以间隔开，使得当插入管线10中时，涡轮组件16将在管线10内间隔开。柔性导体36能够充分地弯曲，以在管线内沿着拐角和弯曲部配合和弯曲。每个涡轮组件16可以容纳在独立的加热器壳体14内并且与其各自的电加热器28电连接。相邻的涡轮组件16之间的距离将取决于管线10内的热流。作为实例，相邻的涡轮组件16可以放置在分开大约1640英尺(500米)到3281英尺(1000米)的距离处。为了确定连续的涡轮组件16之间的适当距离，可以生成管线10的温度曲线。温度曲线可以确定在管线10内的流体达到水合物形成条件之前流体可以行进的距离。生成管线10的温度曲线所需要的计算包括相当复杂的计算，该计算依赖于包括比重、气体流速、管线10的长度和内径、入口压力和温度、传热系数、气体热容量和外部环境温度在内的多个参数。
转向图6，水合物预防组件12中可以包括控制系统38。控制模块40可以包括微控制器并且可以对水合物预防组件12的运行进行智能控制。控制系统38可以执行包括叶片20的转速控制在内的多个功能。控制系统38可以具有控制模块40，控制模块40经由速度控制通信线路44a、44b通过速度控制器42与涡轮组件16连接并通信。涡轮组件16可以是能变速的涡轮组件，能变速的涡轮组件的叶片的转速可以通过控制系统38的速度控制器42控制。作为实例，可以对涡轮组件16进行变桨(pitch)控制或主动失速控制。涡轮组件16可以集成有包括轴22上的振动传感器或齿轮箱24中的温度传感器在内的一个或多个传感器，以监测涡轮组件的运行和健康状况。可以通过传感器通信线路46向控制电路提供这些传感器的输出，并且在叶片20和轴22过热或超速的情况下(可能导致水合物预防组件12的损坏)可以调节涡轮组件16的速度。
可以利用控制系统38连续地监测来自涡轮组件16的电能输出48，并且在需要时可以调节涡轮组件16的速度。还可以通过控制系统38控制涡轮组件16，以将电加热器28从打开状态变为关闭状态。作为实例，当环境温度上升时，诸如在夏季时，电加热器28可以停留在关闭状态数周或数月，这是由于较高的外部温度将阻止管线10内的水合物的形成。在夏季，通过使用速度控制器42使涡轮组件16的速度减小至零，或通过使用电控制动器以使涡轮组件16完全停止，可以关闭电加热器28。
电加热器28还可以被控制为在关闭状态与打开状态之间切换，以便将管线10内的温度维持在期望的温度范围内。温度传感器50可以且嵌入在加热器壳体14中或位于水合物预防组件12内的其它位置。作为实例，温度传感器50可以是光纤温度传感器，并且可以帮助监测水合物预防组件12的健康状况、对水合物预防组件12的任何问题进行故障查找、以及监测管线10内的实时温度。来自温度传感器50的输出可以经由温度通信线路52输送到控制模块40。通过温度传感器50感测的实时温度可以被监测并且经由温度通信线路52连续地反馈给控制模块40，使得速度控制器在水合物预防组件12的整个运行过程中可以交替地对涡轮16的叶片20的转速作调节。
期望的温度范围可以具有温度下限和温度上限。在流过管线10的流体的给定压力和成分下，温度下限可以高于水合物的形成温度。温度上限可以远低于流过管线10的流体的着火温度。作为实例，温度下限可以在50至80华氏度的范围内。温度上限可以在90至100华氏度的范围内。在使用作为实例的80华氏度的温度下限和100华氏度的温度上限的情况下，当管线10内的温度达到100华氏度或上升到高于100华氏度时，控制系统38将电加热器28切换为关闭状态。电加热器28可以利用速度控制器42通过减小或停止涡轮组件16的叶片20的旋转而被切换到关闭状态。如果管线10内的温度达到80华氏度或下降到低于80华氏度，则电加热器28将被切换到打开状态。电加热器28可以利用速度控制器42通过增加涡轮组件16的叶片20的旋转而被切换到打开状态。
控制系统38还可以包括电能管理模块54。电能管理模块54可以与发电机18连接并通信，并且可以管理由发电机18生成的电能。来自涡轮组件16的电能输出48可能非常高，并且可能随着穿过管线10的流体的流速而变化。在电能通过网式加热器线路56传输到网式加热器32、通过板式加热器线路58传输到板式加热器34、通过声传感器线路62传输到声系统60以及通过温度传感器线路64传输到温度传感器50之前，电能管理模块54可以将DC电压缓降到较低电压。电能管理模块54的电压调节器向网式加热器32、板式加热器34、声系统60和温度传感器50提供具有稳定电压的电能。如在本文中进一步描述的，来自声系统60的输出和温度传感器50的输出分别通过声通信线路66和温度通信线路52反馈给控制模块40，以连续监测温度和水合物形成，并且相应地控制电加热器28。
声系统60包括声发送器和声接收器。声发送器可以在管线10的直径上发送要被声接收器接收的声波。声系统60可以测量声音行进时间并且通过声通信线路66将行进时间提供给控制模块40。这种行进时间可以被处理以指示某种状态，诸如判断水合物形成的水平等，并且用于提醒操作人员任何过量的水合物形成。声音行进时间还可以用于检测其它状态，诸如判断管线10或水合物预防组件12的腐蚀水平以及与涡轮组件16相关联的任何沉积或故障等。作为所检测状态的结果，该信息可以转而被用于控制涡轮组件16的速度。
参见图6至图7，控制系统38可以包括无线遥测模块68，以在控制模块40与管线10外部的外部监测和控制系统70之间进行数据或控制信号的通信。在某些实施例中，无线遥测模块68可以在400或900MHz的RF频率下操作。在替换实施中，可以使用现有技术中已知的其它无线技术或频率。远程操作者可以经由无线遥测模块68对水合物预防组件12和管线10的运行、状态、健康状况进行监侧。另外，远程操作者可以经由无线遥测模块68发送命令。例如，可以将控制信号从外部监测和控制系统70发送到控制模块40，以在夏季关闭涡轮组件16，以便通过改变电加热器28的运行参数而将管线10的内部维持在一定温度，或在特定涡轮组件16已损坏或产生故障的情况下关闭该特定涡轮组件16。
另外，如在图7中所看到的，与管线10内部的相邻涡轮组件16相关联的控制系统38能够以与无线传感器网络类似的方式彼此无线地通信。在这种实施例中，外部监测和控制系统70用作该无线网络系统的网关节点，并且信息或命令以无线跳(wireless hop)的方式传播到外部监测和控制系统70或从外部监测和控制系统70传播。
在操作的实例中，将水合物预防组件12的包含有支撑元件的加热器壳体14插入管线10中，并且在管线10内的流体流沿流体流动的方向推动管线10内的加热器壳体。水合物预防组件12的带有附加元件的附加加热器壳体可以与柔性导体36附接，使得水合物预防组件12包括带有相关联元件的一串加热器壳体14。穿过管线10的流体流还将使涡轮组件16的叶片20旋转。利用发电机18可以将叶片20的旋转从旋转能转换为电能。根据具体情况，叶片20还可以具有位于叶片20的外表面处的洗涤器27，使得随着叶片20旋转，洗涤器27从管线10或加热器壳体14的内表面去除物质。
由发电机18生成的电能可以提供给电加热器28，电加热器28可以将流过管线10的流体以及管线10自身加热至高于水合物形成温度的温度，并且可以将流过管线10的流体以及管线10自身的温度维持在高于水合物形成温度的温度。
控制系统38可以用于使电加热器在打开状态与关闭状态之间切换，以便使流过管线10的流体以及管线10自身维持在高于水合物形成温度的温度。控制系统38还可以监测并控制水合物预防组件12和管线10的健康状况。当加热器壳体14沿管线10进行时，可以沿管线10的长度采集关于水合物形成的状态和管线10的健康状况的信息。当水合物预防组件12到达管线10的端部时，可以将水合物预防组件12从管线10移除并且稍后重新插入到管线10的开始端。在其它实施例中，水合物预防组件12可以是固定的并且位于目标水合物形成区域处，或可以在一年中的一些时间是固定的而在该年的其它时间穿过管线10移动。作为实例，在冬季开始时，当环境温度较温和时，可以使水合物预防组件12行进以预防水合物在管线10的表面处聚集，并且当环境温度很低(诸如在隆冬)且水合物形成的可能性较高时，水合物预防组件12可以是固定的。
在根据本公开的实施例可以生成的电能的实例中，可以使用以下方程式：
其中：
ρ(kg/m3)是在管线10中流动的流体的密度；
A(m2)是涡轮叶片的扫动面积；
V(m/s)是在管线10中流动的流体的速度；以及
Cp是涡轮组件16的功率系数。
Cp与涡轮的功率效率有关并且取决于涡轮设计和流经涡轮组件16的流体的速度。Cp的最大理论值为0.59。
在示例性油气田中，管线10可以从天然气田延伸到天然气工厂。管线10可以具有38”(0.9652m)的内径。管线10可以延伸68英里(110公里)。
参见图4，可以使用上述方程式以及以下假定值来计算电能(P)：
天然气的近似密度为0.7kg/m3；
气体流速为100mmscfd；
叶片数量为3；
转子高度RH为0.5m；
转子长度RL为0.5m；
Cp＝0.2；
TSR(叶尖速比)＝2；
100mmscfd的流速下V＝44.8m/s；
RPM＝1700；以及
扫动面积＝2×叶片长度×涡轮半径＝0.5m2。
对于上述值：P＝2.9KW。
加热元件可以具有非常高的转换效率。对于2.9KW的电能，假设转换效率因子为0.5，则所生成的热量可以为～4950BTU/hr。
计算管线10中的精确热流是复杂的热力学问题，该计算依赖于大量参数，这些参数包括天然气的热导率、管线10的尺寸(内外半径)、管线10的热性能、管线10外部的环境温度、气体流速、压降以及许多其它方面。
本公开提供了这样的用于预防水合物的系统和方法：不需要外部能量使涡轮组件16的叶片20旋转而利用气体流动能量。不添加化学物质，并且不使用添加剂或抑制剂。在本文中公开的实施例可以针对沿管线10的长度的任何目标区间，并且可以处理先前形成的水合物。
因此，这里所描述的本公开的实施例非常地适合于实施目标并且达成所提到的目的和优点以及其它固有方面。尽管出于公开的目的已给出了本发明的当前优选的实施例，但为了实现期望结果，步骤细节上可以存在多方面改变。本领域的技术人员将容易地想到这些和其它类似变型例，并且这些和其它类似变型例意图被包含在本公开的精神以及所附权利要求书的范围内。
Claims (22)
1.一种用于预防管线中的水合物形成的系统，所述系统包括：
加热器壳体，所述加热器壳体的外径尺寸设计成使其能够在所述管线内行进；
涡轮组件，其位于所述加热器壳体内，所述涡轮组件具有通过所述管线内的流体流而能旋转的叶片；
电加热器，其位于所述加热器壳体内并与所述涡轮组件电连接，所述电加热器选择性地与所述管线内的所述流体流接触。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述涡轮组件还包括发电机和电连接器，所述发电机与所述叶片机械地连接，并且所述电连接器从所述发电机向所述电加热器延伸。
3.根据权利要求1或2所述的系统，还包括与所述电加热器连接的控制系统，其中，所述电加热器具有关闭状态和打开状态且通过所述控制系统在所述关闭状态与所述打开状态之间选择性地切换。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制系统包括感测所述管线内的实时温度的温度传感器，并且当所述实时温度下降到低于温度下限时，所述电加热器从所述关闭状态被切换到所述打开状态。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制系统包括感测所述管线内的实时温度的温度传感器，并且当所述实时温度高于温度上限时，所述电加热器处于所述关闭状态。
6.根据权利要求1或2所述的系统，还包括与所述涡轮组件连接的控制系统，其中，所述涡轮组件是能变速的涡轮组件，所述能变速的涡轮组件的所述叶片的转速通过所述控制系统选择性地控制。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，还包括声系统，所述声系统包括对声音行进时间进行选择性地测量的声发送器和声接收器，所述声接收器与连接至所述涡轮组件的控制系统通信。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，还包括第二涡轮组件，所述涡轮组件在所述管线内间隔开并且利用柔性导体电连接。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，还包括位于所述叶片的外表面处的洗涤器，所述洗涤器从所述管线和所述加热器壳体中的一者的内表面选择性地去除物质。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述加热器壳体选自下述群组：所述群组包括线框和管道。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述电加热器包括陶瓷外层。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中，所述电加热器选自下述群组：所述群组包括网式加热器、板式加热器以及这两者的组合。
13.一种用于预防管线中的水合物形成的方法，所述方法包括：
提供加热器壳体，所述加热器壳体的外径尺寸设计成使其能够在所述管线内行进；
将涡轮组件定位在所述加热器壳体内，所述涡轮组件具有通过所述管线内的流体流而能旋转的叶片；
将电加热器定位在所述加热器壳体内，并且使所述电加热器和所述涡轮组件电连接；
将所述加热器壳体插入到所述管线中，使得所述电加热器接触并加热所述管线内的所述流体流，并且所述管线中的所述流体流使所述叶片旋转。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括利用发电机将所述叶片的旋转转换为电能，并且利用从所述发电机延伸到所述电加热器的电连接器将所述电能输送给所述电加热器。
15.根据权利要求13或14所述的方法，还包括利用连接至所述电加热器的控制系统使所述电加热器在关闭状态与打开状态之间切换。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，还包括利用控制系统的温度传感器对所述管线内的实时温度进行感测，并且当所述实时温度下降到低于温度下限时，利用所述控制系统将所述电加热器从关闭状态切换到打开状态。
17.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，还包括利用控制系统的温度传感器对所述管线内的实时温度进行感测，并且当所述实时温度上升到高于温度上限时，利用所述控制系统将所述电加热器从打开状态切换到关闭状态。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，还包括利用连接至所述涡轮组件的控制系统对所述叶片的转速进行控制。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，还包括提供具有声发送器和声接收器的声系统、利用所述声发送器发送声信号、利用所述声接收器接收所述声信号以及测量所述声发送器与所述声接收器之间的声音行进时间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述声系统与连接至所述涡轮组件的控制系统通信，所述方法还包括根据所述声音行进时间来判断所述管线、所述涡轮组件和所述流体流中的一者的状态，并且根据所述状态利用所述控制系统来调节所述涡轮组件的性能。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，还包括提供第二涡轮组件、利用柔性导体使所述涡轮组件电连接，并且使所述涡轮组件在所述管线内间隔开。
22.根据权利要求13至21中任一项所述的方法，还包括利用位于所述叶片的外表面处的洗涤器从所述管线和所述加热器壳体中的一者的内表面去除物质。
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