CN111287707A - 一种利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置及方法，装置由发电模块、海水加热传热模块和抑制振动模块三部分组成。框式尾板内安有发电叶轮，发电叶轮在海流驱动下发电供给缠绕在热水套管壁面的加热电阻使用，加热电阻加热热水套管与加热套管间的海水，海水加热后经热水注入阀门流入至热水套管与海洋立管间的环空，给海洋立管内的稠油提供热量，且框式尾板带动热水套管一起旋摆，增强了热水传热效果。发电叶轮干扰了海洋立管尾部旋涡的形成与发展，同时框式尾板将尾流区分割，限制了旋涡发展的空间，抑制了海洋立管的涡激振动。

Description

一种利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置及方法
技术领域
本发明属于海洋稠油热采技术领域，具体涉及一种利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置及方法。
背景技术
海洋油气资源是缓解国家能源危机的重要举措之一，现已探明的海洋轻质油储量不断降低，海洋稠油的开发已提上日程。但海洋稠油开采仍存在诸多技术难题，其中最突出的是深水稠油提升流动阻力大、泵耗高、运营成本高的问题。因此，降粘减耗是解决海洋稠油大力开发的关键所在。但由于海洋环境复杂恶劣，海上平台作业空间有限，陆上稠油开采的相关技术无法直接复制于海洋稠油的开采。目前正在探索阶段的海洋稠油降粘开采的技术方法有：加热法、低粘液环法、改质降粘法等，但这些方法在实际操作中成本较高、易造成资源的浪费，很难在整个油田范围内推广应用。而海洋本身具有取之不竭的能源，如何有效利用海洋能，就地取材实现海洋稠油低能耗、高效率、无污染的开采，成为了海洋油气开发研究的热点。
我国具有广阔的蓝色国土，海洋波浪能、海上风能、潮汐能以及海洋生物质能等海洋可再生清洁能源的利用仍然处于初级发展阶段。利用海洋能，实现海洋稠油的降粘开采，对缓解能源短缺和减少环境污染具有重要意义。
发明内容
为解决背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种无耗能、高效率、无污染的利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置由发电模块、海水加热传热模块和抑制振动模块三部分组成。发电模块由叶轮固定轴、叶轮轴承、发电线圈、发电叶轮、磁极及输电线组成；海水加热传热模块由热水套管、加热套管、加热套管固定环、加热电阻、温度液位传感器、进水阀门、热水注入阀门和冷水出口组成；抑制振动模块由热水套管轴承和框式尾板组成。
发电叶轮为平轴叶片式叶轮，发电叶轮嵌套在叶轮轴承外，且发电叶轮与叶轮轴承高度相等，发电叶轮可绕叶轮轴承旋转。在发电叶轮与叶轮轴承之间镶嵌有一对关于叶轮轴承轴线对称的磁极。叶轮固定轴的外壁缠绕有与发电叶轮高度相等的发电线圈。叶轮轴承套装在叶轮固定轴缠有发电线圈的部位，将发电线圈包裹在叶轮轴承内。在一根叶轮固定轴外，可以串接安装多个发电叶轮。两根平行的叶轮固定轴分别安装在框式尾板并排的两个矩形镂空框内，且叶轮固定轴垂直放置。两个叶轮固定轴的下端与输电线相连，输电线埋设于框式尾板内部。
在海洋立管外壁间隔一个热水套管的高度安装上、下两个热水套管轴承，在热水套管轴承外壁套装热水套管，热水套管与海洋立管同轴，且热水套管可绕海洋立管旋转。在热水套管上部外壁间隔一个加热套管的高度安装上、下两个加热套管固定环，在加热套管固定环外壁套装加热套管。在热水套管下部壁面开有一个冷水出口。两个加热套管固定环之间的热水套管外壁以双螺旋形式缠绕有加热电阻，加热电阻的底部与两个叶轮轴承下端的输电线连接。下部加热套管固定环及加热电阻之间的热水套管壁面开有一个圆孔，在圆孔内安设有热水注入阀门。在加热套管内壁沿竖直方向布置有温度液位传感器。
框式尾板高度等于加热套管高度，框式尾板一侧的垂直端面与加热套管外壁焊接，并使框式尾板处于垂直平面。热水套管下部的冷水出口与框式尾板位于海洋立管的同侧，且冷水出口与框式尾板处于同一垂直平面。在框式尾板紧邻加热套管的上端面开有海水入口，在海水入口设有进水阀门。框式尾板内开设连通海水入口至加热套管和热水套管间环空的海水流入通道，海水从该通道流入到加热套管和热水套管之间的环空中。框式尾板可以带动加热套管、加热套管固定环和热水套管一起绕海洋立管旋转。
采用所述的利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置提供一种利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的方法。当海流流经海洋立管并与框式尾板存在攻角时，海水冲击在框式尾板上产生扭矩，推动整个装置绕海洋立管旋转，直至框式尾板位于海洋立管的背流侧，且框式尾板所在平面与来流方向平行，使叶轮转轴与来流方向垂直，发电叶轮在海流与海洋立管尾流驱动下旋转。发电叶轮产生的电流由输电线输送至加热电阻以加热热水套管与加热套管之间环空中的海水。温度液位传感器的浮球在初始时刻位于温度液位传感器底部，当浮球在温度液位传感器底部时，进水阀门自动打开，海水由进水阀门进入海水流入通道，流入至热水套管与加热套管之间的环空，浮球随环空中液位的升高而升高，当浮球达到温度液位传感器顶部时，进水阀门自动关闭。加热电阻将热水套管与加热套管之间环空中的海水不断加热，当温度达到100℃时，热水注入阀门自动打开，热水通过热水注入阀门流入海洋立管和热水套管之间的环空，热水将热量传递给海洋立管内的稠油，实现降粘减阻的作用。热水从上至下流动换热后，通过冷水出口流出热水套管。
海流绕过海洋立管时在海洋立管的背流侧形成低压区，增强了发电叶轮的转动，旋转的发电叶轮干扰了海洋立管尾部旋涡的形成与发展，致使尾流区的旋涡变得紊乱，无法形成稳定的结构化旋涡。同时，框式尾板将尾流区分割成两个区域，致使海洋立管两侧形成的卷吸层无法相互作用，限制了旋涡发展的空间，有效抑制了海洋立管的涡激振动，延长了海洋立管的使用寿命。此外，框式尾板在尾流作用下不停的旋摆，框式尾板带动加热套管和热水套管一起旋摆，既提高了加热套管与热水套管之间环空中的热水加热效率，也增强了热水套管与海洋立管之间环空中的热水传热，使海洋立管内部的稠油得到更多的热能。
本发明由于采取以上方案，具有以下优点：
1.本发明的框式尾板可以在海流的冲击下带动加热套管和热水套管旋转，适应复杂多变的海洋环境；
2.本发明利用海流自主发电，不仅发电方式绿色环保，还有效解决了加热海水的能耗问题，同时起到抑制涡激振动的作用，有效保护海洋立管，延长了装置使的用寿命。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图
图2为本发明电路示意图
图3为本发明叶轮串接安装示意图
图4为本发明单个叶轮安装示意图
图5为本发明叶轮轴承拆分示意图
图6为本发明海水流动示意图
图7为本发明热水套管内流动示意图
其中：1-海洋立管；2-热水套管；3-加热套管；4-热水套管轴承；5-加热套管固定环；6-叶轮固定轴；7-叶轮轴承；8-发电线圈；9-发电叶轮；10-磁极；11-加热电阻；12-温度液位传感器；13-输电线；14-进水阀门；15-热水注入阀门；16-海水流入通道；17-冷水出口；18-框式尾板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
如图1所示，一种利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置由发电模块、海水加热传热模块和抑制振动模块三部分组成。发电模块由叶轮固定轴6、叶轮轴承7、发电线圈8、发电叶轮9、磁极10及输电线13组成；海水加热传热模块由热水套管2、加热套管3、加热套管固定环5、加热电阻11、温度液位传感器12、进水阀门14、热水注入阀门15和冷水出口17组成；抑制振动模块由热水套管轴承4和框式尾板18组成。
如图3、图4所示，发电叶轮9为平轴叶片式叶轮，发电叶轮9嵌套在叶轮轴承7外，且发电叶轮9与叶轮轴承7高度相等，发电叶轮9可绕叶轮轴承7旋转。在发电叶轮9与叶轮轴承7之间镶嵌有一对关于叶轮轴承7轴线对称的磁极10。叶轮固定轴6的外壁缠绕有与发电叶轮9高度相等的发电线圈8。叶轮轴承7套装在叶轮固定轴6缠有发电线圈8的部位，将发电线圈8包裹在叶轮轴承7内。在一根叶轮固定轴6外，可以串接安装多个发电叶轮9。如图1所示，两根平行的叶轮固定轴6分别安装在框式尾板18并排的两个矩形镂空框内，且叶轮固定轴6垂直放置。两个叶轮固定轴6的下端与输电线13相连，输电线13埋设于框式尾板18内部。
如图1所示，在海洋立管1外壁间隔一个热水套管2的高度安装上、下两个热水套管轴承4，在热水套管轴承4外壁套装热水套管2，热水套管2与海洋立管1同轴，且热水套管2可绕海洋立管1旋转。在热水套管2上部外壁间隔一个加热套管3的高度安装上、下两个加热套管固定环5，在加热套管固定环5外壁套装加热套管3。在热水套管2下部壁面开有一个冷水出口17。两个加热套管固定环5之间的热水套管2外壁以双螺旋形式缠绕有加热电阻11，加热电阻11的底部与两个叶轮轴承7下端的输电线13连接。下部加热套管固定环5及加热电阻11之间的热水套管2壁面开有一个圆孔，在圆孔内安设有热水注入阀门15。在加热套管3内壁沿竖直方向布置有温度液位传感器12。
如图1、图6所示，框式尾板18高度等于加热套管3高度，框式尾板18一侧的垂直端面与加热套管3外壁焊接，并使框式尾板18处于垂直平面。热水套管2下部的冷水出口17与框式尾板18位于海洋立管1的同侧，且冷水出口17与框式尾板18处于同一垂直平面。在框式尾板18紧邻加热套管3的上端面开有海水入口，在海水入口设有进水阀门14。框式尾板18内开设连通海水入口至加热套管3和热水套管2间环空的海水流入通道16，海水从该通道流入到加热套管3和热水套管2之间的环空中。框式尾板18可以带动加热套管3、加热套管固定环5和热水套管2一起绕海洋立管1旋转。
采用所述的利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置提供一种利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的方法。当海流流经海洋立管1并与框式尾板18存在攻角时，海水冲击在框式尾板18上产生扭矩，推动整个装置绕海洋立管1旋转，直至框式尾板18位于海洋立管1的背流侧，且框式尾板18所在平面与来流方向平行，使叶轮转轴与来流方向垂直，发电叶轮9在海流与海洋立管1尾流驱动下旋转。如图2所示，发电叶轮9产生的电流由输电线13输送至加热电阻11以加热热水套管2与加热套管3之间环空中的海水。温度液位传感器12的浮球在初始时刻位于温度液位传感器12底部，当浮球在温度液位传感器12底部时，进水阀门14自动打开，海水由进水阀门14进入海水流入通道16，流入至热水套管2与加热套管3之间的环空，如图6所示，浮球随环空中液位的升高而升高，当浮球达到温度液位传感器12顶部时，进水阀门14自动关闭。加热电阻11将热水套管2与加热套管3之间环空中的海水不断加热，当温度达到100℃时，热水注入阀门15自动打开，热水通过热水注入阀15门流入海洋立管1和热水套管2之间的环空，如图7所示，热水将热量传递给海洋立管1内的稠油，实现降粘减阻的作用。热水从上至下流动换热后，通过冷水出口流出热水套管2。
如图1所示，海流绕过海洋立管1时在海洋立管1的背流侧形成低压区，增强了发电叶轮9的转动，旋转的发电叶轮9干扰了海洋立管1尾部旋涡的形成与发展，致使尾流区的旋涡变得紊乱，无法形成稳定的结构化旋涡。同时，框式尾板18将尾流区分割成两个区域，致使海洋立管1两侧形成的卷吸层无法相互作用，限制了旋涡发展的空间，有效抑制了海洋立管1的涡激振动，延长了海洋立管1的使用寿命。此外，框式尾板18在尾流作用下不停的旋摆，框式尾板18带动加热套管和热水套管2一起旋摆，既提高了加热套管3与热水套管2之间环空中的热水加热效率，也增强了热水套管2与海洋立管1之间环空中的热水传热，使海洋立管1内部的稠油得到更多的热能。
实施例：
安装本发明装置时，首先，在海洋立管1外壁间隔一个热水套管2的高度安装上、下两个热水套管轴承4，在热水套管轴承4外壁套装热水套管2，热水套管2与海洋立管1同轴。在热水套管2上部外壁间隔一个加热套管3的高度安装上、下两个加热套管固定环5。
然后将两个加热套管固定环5之间的热水套管2外壁以双螺旋形式缠绕加热电阻11，并将加热电阻11的底部与两个叶轮轴承7下端的输电线13连接。在下部加热套管固定环5及加热电阻11之间的热水套管2壁上开有一个圆孔，在圆孔内安装热水注入阀门15。在加热套管3内壁沿竖直方向布置温度液位传感器12，再在加热套管固定环5外壁套装加热套管3。
之后将输电线13铺设于框式尾板18内，同时，把串接有多个发电叶轮9的两根叶轮固定轴6垂直安装在框式尾板18并排的两个矩形镂空框内，并在框式尾板18紧邻加热套管3的上端面安设进水阀门14。
最后将框式尾板18一侧的垂直端面与加热套管3外壁焊接，并使框式尾板18处于垂直平面，使得框式尾板18可以带动加热套管3、加热套管固定环5和热水套管2一起绕海洋立管1旋转。
安装完毕后，将本发明装置至于海洋环境中使用。当海流流经海洋立管1并与框式尾板18存在攻角时，海水冲击在框式尾板18上产生扭矩，推动整个装置绕海洋立管1旋转，直至框式尾板18位于海洋立管1的背流侧，且框式尾板18所在平面与来流方向平行，使叶轮转轴与来流方向垂直，发电叶轮9在海流与海洋立管1尾流驱动下旋转。发电叶轮9产生的电流由输电线13输送至加热电阻11以加热热水套管2与加热套管3之间环空中的海水。温度液位传感器12的浮球在初始时刻位于温度液位传感器12底部，当浮球在温度液位传感器12底部时，进水阀门14自动打开，海水由进水阀门14进入海水流入通道16，流入至热水套管2与加热套管3之间的环空，浮球随环空中液位的升高而升高，当浮球达到温度液位传感器12顶部时，进水阀门14自动关闭。加热电阻11将热水套管2与加热套管3之间环空中的海水不断加热，当温度达到100℃时，热水注入阀门15自动打开，热水通过热水注入阀15门流入海洋立管1和热水套管2之间的环空，热水将热量传递给海洋立管1内的稠油，实现降粘减阻的作用。热水从上至下流动换热后，通过冷水出口流出热水套管2。
海流绕过海洋立管1时在海洋立管1的背流侧形成低压区，增强了发电叶轮9的转动，旋转的发电叶轮9干扰了海洋立管1尾部旋涡的形成与发展，致使尾流区的旋涡变得紊乱，无法形成稳定的结构化旋涡。同时，框式尾板18将尾流区分割成两个区域，致使海洋立管1两侧形成的卷吸层无法相互作用，限制了旋涡发展的空间，有效抑制了海洋立管1的涡激振动，延长了海洋立管1的使用寿命。此外，框式尾板18在尾流作用下不停的旋摆，框式尾板18带动加热套管和热水套管2一起旋摆，既提高了加热套管3与热水套管2之间环空中的热水加热效率，也增强了热水套管2与海洋立管1之间环空中的热水传热，使海洋立管1内部的稠油得到更多的热能。
因此，本发明充分利用了海洋流自主发电，有效解决了加热海水的能耗问题，同时起到抑制涡激振动的作用，保护了海洋立管，延长了海洋立管的服役寿命。

Claims (2)

1.一种利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置，由发电模块、海水加热传热模块和抑制振动模块三部分组成；发电模块由叶轮固定轴(6)、叶轮轴承(7)、发电线圈(8)、发电叶轮(9)、磁极(10)及输电线(13)组成；海水加热传热模块由热水套管(2)、加热套管(3)、加热套管固定环(5)、加热电阻(11)、温度液位传感器(12)、进水阀门(14)、热水注入阀门(15)和冷水出口(17)组成；抑制振动模块由热水套管轴承(4)和框式尾板(18)组成；发电叶轮(9)为平轴叶片式叶轮，发电叶轮(9)嵌套在叶轮轴承(7)外，且发电叶轮(9)与叶轮轴承(7)高度相等，发电叶轮(9)可绕叶轮轴承(7)旋转；在发电叶轮(9)与叶轮轴承(7)之间镶嵌有一对关于叶轮轴承(7)轴线对称的磁极(10)；叶轮固定轴(6)的外壁缠绕有与发电叶轮(9)高度相等的发电线圈(8)，叶轮轴承(7)套装在叶轮固定轴(6)缠有发电线圈(8)的部位，将发电线圈(8)包裹在叶轮轴承(7)内；在一根叶轮固定轴(6)外，可以串接安装多个发电叶轮(9)；在海洋立管(1)外壁间隔一个热水套管(2)的高度安装上、下两个热水套管轴承(4)，在热水套管轴承(4)外壁套装热水套管(2)，热水套管(2)与海洋立管(1)同轴，且热水套管(2)可绕海洋立管(1)旋转；在热水套管(2)上部外壁间隔一个加热套管(3)的高度安装上、下两个加热套管固定环(5)，在加热套管固定环(5)外壁套装加热套管(3)；两个加热套管固定环(5)之间的热水套管(2)外壁以双螺旋形式缠绕有加热电阻(11)，加热电阻(11)的底部与两个叶轮轴承(7)下端的输电线(13)连接；下部加热套管固定环(5)及加热电阻(11)之间的热水套管(2)壁面开有一个圆孔，在圆孔内安设有热水注入阀门(15)，在加热套管(3)内壁沿竖直方向布置有温度液位传感器(12)；其特征在于：所述的两根平行叶轮固定轴(6)分别安装在框式尾板(18)并排的两个矩形镂空框内，且叶轮固定轴(6)垂直放置，两个叶轮固定轴(6)的下端与输电线(13)相连，输电线(13)埋设于框式尾板(18)内部；框式尾板(18)高度等于加热套管(3)高度，框式尾板(18)一侧的垂直端面与加热套管(3)外壁焊接，并使框式尾板(18)处于垂直平面；在热水套管(2)下部壁面开有一个冷水出口(17)，冷水出口(17)与框式尾板(18)位于海洋立管(1)的同侧，且冷水出口(17)与框式尾板(18)处于同一垂直平面；在框式尾板(18)紧邻加热套管(3)的上端面开有海水入口，在海水入口设有进水阀门(14)；框式尾板(18)内开设连通海水入口至加热套管(3)和热水套管(2)间环空的海水流入通道(16)，海水从该通道流入到加热套管(3)和热水套管(2)之间的环空中；框式尾板(18)可以带动加热套管(3)、加热套管固定环(5)和热水套管(2)一起绕海洋立管(1)旋转。
2.一种利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的方法，采用如权利要求1所述的利用尾流发电加热海水实现稠油减阻的装置，其特征在1于：当海流流经海洋立管(1)并与框式尾板(18)存在攻角时，海水冲击在框式尾板(18)上产生扭矩，推动整个装置绕海洋立管(1)旋转，直至框式尾板(18)位于海洋立管(1)的背流侧，且框式尾板(18)所在平面与来流方向平行，使叶轮转轴与来流方向垂直，发电叶轮(9)在海流与海洋立管(1)尾流驱动下旋转；发电叶轮(9)产生的电流由输电线(13)输送至加热电阻(11)以加热热水套管(2)与加热套管(3)之间环空中的海水；温度液位传感器(12)的浮球在初始时刻位于温度液位传感器(12)底部，当浮球在温度液位传感器(12)底部时，进水阀门(14)自动打开，海水由进水阀门(14)进入海水流入通道(16)，流入至热水套管(2)与加热套管(3)之间的环空，浮球随环空中液位的升高而升高，当浮球达到温度液位传感器(12)顶部时，进水阀门(14)自动关闭；加热电阻(11)将热水套管(2)与加热套管(3)之间环空中的海水不断加热，当温度达到100℃时，热水注入阀门(15)自动打开，热水通过热水注入阀(15)门流入海洋立管(1)和热水套管(2)之间的环空，热水将热量传递给海洋立管(1)内的稠油，实现降粘减阻的作用；热水从上至下流动换热后，通过冷水出口流出热水套管(2)；海流绕过海洋立管(1)时在海洋立管(1)的背流侧形成低压区，增强了发电叶轮(9)的转动，旋转的发电叶轮(9)干扰了海洋立管(1)尾部旋涡的形成与发展，致使尾流区的旋涡变得紊乱，无法形成稳定的结构化旋涡；同时，框式尾板(18)将尾流区分割成两个区域，致使海洋立管(1)两侧形成的卷吸层无法相互作用，限制了旋涡发展的空间，有效抑制了海洋立管(1)的涡激振动，延长了海洋立管(1)的使用寿命；此外，框式尾板(18)在尾流作用下不停的旋摆，框式尾板(18)带动加热套管和热水套管(2)一起旋摆，既提高了加热套管(3)与热水套管(2)之间环空中的热水加热效率，也增强了热水套管(2)与海洋立管(1)之间环空中的热水传热，使海洋立管(1)内部的稠油得到更多的热能。
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