CN113236976B - 分布式油气运输管道中固体物防控的低能耗动态热管理系统 - Google Patents
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Abstract
一种分布式油气运输管道中固体物防控的低能耗动态热管理系统，属于油气运输管道流动流体安全保障技术领域。包括管道数据监测端、电流与电脉冲控制端、陆地控制台、电热端、接线法兰、油气运输管道、阀门结构。该系统通过管道数据监测端对管内状态实时监测，并将监测数据实时传输给电流与电脉冲控制端，电流与电脉冲控制端根据管内状态向电热端产生不同的热响应，通过产生持续电流提高管内温度，通过产生大功率电脉冲对管道进行解堵，实现对油气管道的实时监测与局部温度动态控制。本发明能够大幅降低长期维持管道温度的电力成本，同时避免或大幅减少水合物抑制剂、蜡沉积防聚剂等的使用量，降低油气运输管道安全管理的成本，并有效提高解堵效率，具有很强的应用性。
Description
技术领域
本发明属于油气运输管道流动流体安全保障技术领域，涉及一种油气运输管道中固体物防控的低耗能动态热管理系统。
背景技术
(1)油气运输管道中的固体物生成背景：
在油气开采和输送过程中，由于高压和低温条件，极易形成气体水合物及蜡沉积等固体物堵塞管道，尤其在管道阀门或用于提供维护服务的盲管处。
目前防止油气运输管道水合物堵塞的方法主要有两种：加热法、加抑制剂法。其中，加热法是指对堵塞位置进行加热，使其温度高于系统压力下的水合物相平衡温度，从而分解水合物而解除堵塞。加热法在提高流体温度时会消耗大量的能量，增加油气开采的成本。且目前工程应用中，加热法大多采用管道外部加热的方式，热量利用率较低。加抑制剂法是指向管道中注入热力学水合物抑制剂，改变水合物的相平衡条件，从而分解水合物，解除堵塞，但热力学抑制剂用量大，价格昂贵，还会对环境造成影响。
目前防止管道内蜡沉积的方法分为：加热保温法，清管器法。与水合物解堵原理相似，加热法在提高流体温度时会消耗大量能量。清管器清管方法在遇到固体污垢时可能会遭受损坏，若遇到大量顽固性固体污垢后，若不能有效清堵还会使清管器卡堵。
因此提出一种高效率低成本的固体物解堵方式是十分有必要的。
(2)电脉冲加热的技术背景：
利用电流脉冲加热结构表面直接接触的固体物底层，使其水流化，而固体物在重力、流体推力等作用下自动脱离，实现高效节能解堵的方法。由于只需对固体物底层进行加热，且采用电流脉冲直接对结构表面涂覆的电热薄膜进行加热，该方法只需要消耗不到传统解堵能源消耗的1％，且所需时间不到传统解堵时间的0.01％。
(3)电热层的技术背景：
电热层是一种面状发热的薄膜加热元件。一般来说，需要根据加热材料的不同来选择不同的加工方式。主要由导电物质和成膜物质或膜状材料组成，不同的导电物质和成膜基体可以形成多种电热膜，其加工方法有许多种，有的是将膜直接制备在被加热载体上，在载体上形成的薄膜不能和载体分离，例如将导电物质和成膜物质混合成浆料后，涂覆在需加热物体上，进行干燥成膜、热解喷涂成膜等，这些工艺一般是用在无机涂料中；有的是将电热膜元件化，例如将导电物质和成膜物质混合成浆料后进行干燥成膜，利用粘结的方式贴在被加热物体上；也有的采用物理气相沉积、真空喷涂、离子喷涂、溅射等方法，使导电物与膜状基片组成一体，或将电热膜浆料制成转印纸等。
部分电热膜同时具备表面抑制固体物附着与产生热量解除附着的双重作用，比如碳纳米管薄膜可以实现超疏水与超亲水之间的可逆转换，可抑制固体物的附着，在作为导热界面材料时，能够在不污染器件表面的条件下实现高效传热。
发明内容
本发明的目的在于：针对油气运输管道中固体物堵塞问题，结合电脉冲解堵技术，提出一种低耗能的动态解堵管理系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种分布式油气运输管道中固体物防控的低耗能动态热管理系统，该管理系统依托于连接油气运输管道的阀门结构7，实现管理系统在管道内外结构的连接，通过在管道不同位置设置该管理系统，进行油气运输管道的分布式管理，可实现对管道内部状态的实时监测与局部动态控制。所述低耗能动态热管理系统包括：管道数据监测端1、电流与电脉冲控制端2、陆地控制台22、电热端3、接线法兰4、油气运输管道5、阀门结构7。
所述管道数据监测端1布置在油气运输管道5外侧，电流与电脉冲控制端2布置在油气运输管道5外侧，电热端3布置在油气运输管道5内壁上。在阀门结构7处增设接线法兰4，在接线法兰4上设置螺栓41进行密封连接；所述的电流与电脉冲控制端2通过导线21与管道内电热端3的电热层32连接，导线21穿过接线法兰4；电流与电脉冲控制端2与管道数据监测端1连接，进行数据传输；该管理系统可依托阀门结构7按需进行分布式布置，对管道实行分布式管理，且电热端3布置在管道内壁上，可对管道流体进行直接加热，减少不必要的热损失。
所述的管道数据监测端1包括温度感应模块11、固体物监测模块12、管道泄漏监测模块13，分别用于监测管道内部温度状态、固体物块6(包括水合物、蜡沉积等)生成状态和管道泄漏状态，对管道内状态进行分布式实时监测。管道数据监测端1监测到的表征管内状态的数据可实时传递给电流与电脉冲控制端2，电流与电脉冲控制端2实时将数据传递给陆地控制台22，陆地控制台22根据管道数据监测端1反馈的数据进行管内状态判断。
所述的电流与电脉冲控制端2可具备与陆地计算机远程通信功能，可设置自动工作模式，也可通过与陆地控制台22进行人工控制，能够产生持续电流，也可产生瞬时电脉冲，电流及电脉冲各项参数可根据需要灵活调整。当电流与电脉冲控制端2接收到管道数据监测端1的数据反馈时，根据自动控制模式或人工控制模式，向电热端3进行电流加热或者电脉冲加热，对管道内部状态进行分布式动态热管理，实现管道内固体物块6生成预防与解堵功能。
所述的电热端3需要在油气运输管道5制备时设置在管道内壁上，包括绝缘保温层31与电热层32，绝缘保温层31设置在管道5内壁和电热层32之间，可防止电流及热量向管道外部传播，电热端3在接收到电流与电脉冲控制端2的电流或电脉冲时产生热量，通过电热层32直接加热管内流体。电热层32和电流与电脉冲控制端2通过导线21及接线法兰4进行连接，并与管内流体直接接触，大大提高了热量利用率，改善了管道内环境条件；绝缘保温层31和电热层32可根据需要布置在油气运输管道5中任意需要解堵的位置。
进一步的，所述导线21在实际施工过程中提前内嵌在螺栓41中，通过密封工艺连接为一体，降低施工难度，螺栓41与接线法兰4连接处应进行密封防水处理。
进一步的，所述的油气运输管道5的阀门结构7指采用三通阀门或类似结构，其中两个出入口用于管道的连接，一个出入口与增设的接线法兰4进行连接，在接线法兰4处实现管理系统管道内外结构的连接。
进一步的，所述电热层32包括各种能通电产生热量的电热膜，例如氧化铟锡涂层、石墨烯涂层、碳纳米管薄膜等；所述绝缘保温层31包括各种能进行绝缘保温功能的涂料或薄膜；两种材料可根据电热层材料选取不同方式设置在管道内壁上。
进一步的，所述陆地控制台22可对电流与电脉冲控制端2设置自动工作模式，也可通过陆地控制台22进行人工控制操作，无论是自动工作模式还是人工控制模式，陆地控制台22均可实时接收数据，监测管内状态。
进一步的，所述电流与电脉冲控制端2的自动工作模式是指，可通过提前设置参数判断机制，在接收到管道数据监测端1反馈数据时，自动产生不同的响应。
进一步的，所述电流与电脉冲控制端2与陆地控制台22的通信功能包括实时数据监测查看功能、电流与电脉冲产生参数的控制功能。
进一步的，所述电流与电脉冲控制端2与陆地控制台22进行数据传输的方式可采取根据电热层材料选取不同方式，包括无线传输、有线传输，有线传输方式可通过沿管道线路布置数据传输线进行数据传输。
进一步的，所述电流与电脉冲控制端2、管道数据监测端1需要进行密封防水处理，连接导线各连接处需要进行密封防水处理。
一种分布式油气运输管道中固体物防控的低耗能动态热管理系统的使用方法，包括以下步骤：
1)对电流与电脉冲控制端2设置自动工作模式，设立管内状态自动判断机制，或者在陆地控制台22采用人工控制模式；
2)管道数据监测端1将实时监测的数据实时反馈给电流与电脉冲控制端2；
3)电流与电脉冲控制端2实时接收反馈数据，并将数据实时传输给陆地控制台22，通过自动工作模式或人工控制模式，向管内电热端3发送电脉冲或持续电流；
4)通过电流与电脉冲控制端2的自动工作模式或人工控制模式，结合管道数据监测端1实时采集的数据进行处理：
温度感应模块11监测到的管内温度数据及管内实际抑制剂添加量进行判断，当管内状态较易生成固体物时，电流与电脉冲控制端2产生持续电流，通过电热层32对油气运输管道5内的流体进行加热，实现固体物6生成预防功能；
固体物监测模块12监测到油气运输管道5内有少量固体物6时，电流与电脉冲控制端2可产生持续电流，通过电热层32对油气运输管道5内的流体进行加热，促使固体物6分解；当固体物监测模块12监测到油气运输管道5内壁有较多固体物附着时，电流与电脉冲控制端可产生大功率电脉冲，通过电热层32对管壁附着固体物进行瞬时冲击加热，使固体物附着底层61融化，从管壁脱落，避免固体物大量聚集堵塞管道。
当管道泄漏监测模块13监测到管道泄漏信息时，将信号反馈给电流与电脉冲控制端2，电流与电脉冲控制端2将信号传递给陆地控制台22，提醒工作人员进行维修处理，并关闭自身工作模式，防止造成电流泄漏损失。
本发明中电脉冲解堵的原理在于：利用电脉冲加热原理，通过电流与电脉冲控制端向导电加热层发送电脉冲，对附着于管壁的固体物块进行瞬时冲击加热，由于将热量作为短脉冲而不是连续施加，可使固体物中受热层的厚度最小化，热量集中于固体物附着底层，导致固体物附着底层融化，在水流冲击携带作用下从管壁脱落，固体物无处附着并无法堵塞管道。电脉冲加热解堵的方法效率较高，耗能较低，大大降低了设备安全运行成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)依托于连接油气运输管道的阀门结构7，对油气运输管道进行分布式管理，可将该管理系统灵活设置在较易产生固体物堵塞的位置，大大降低管道的管理成本，有效提高了管理效率；
2)引入电脉冲解堵方式，可节能高效地解除管壁上固体物的附着，显著降低了解堵成本及解堵时间；
3)引入油气运输管道数据监测端，对管内状态实时监测，并将数据实时传递给电流与电脉冲控制端，产生实时热响应，无需对油气运输管道长期加热，可显著降低用电成本。
4)电流与电脉冲控制端可结合不同的管内情况，产生不同的热响应，可产生持续电流对管内温度进行调节，预防固体物的生成，可产生大功率电脉冲，对管道进行解堵，并设置了自动工作模式与人工控制，可根据实际工程情况对管理系统进行设置调节，提高了该管理系统的工程应用性；
5)布置电热层作为加热元件，可布置成任意所需的形状，可铺设至油气运输中所需解堵的任意部位，应用灵活方便；
6)在盲管或阀门出口处设置接线法兰，用于管道内外电路的连接，不破坏油气运输管道原有的结构，具有较强的实用性。
7)本发明设置管内电热端3，通过管内直接加热的动态热管理方式，与管道外壁设置加热层直接电流加热的解堵方式相比，避免了不必要的热损失，可减少工程应用中管道内抑制剂用量，从而达到低成本、低耗能，高效率解堵的效果。
附图说明
图1是本实施例的结构示意图；
图2是本实施例的原理示意图；
图3是管壁内部电热端的结构示意图；
图中：1管道数据监测端；2电流与电脉冲控制端；3电热端；4接线法兰；5油气运输管道；6固体物块；7阀门结构。
11温度感应模块；12固体物监测模块；13管道泄漏监测模块；21连接导线；22陆地控制台；31绝缘保温层；32电热层；41螺栓；61固体物附着底层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及其优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进一步解释说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例公开了一种分布式油气运输管道中固体物防控的低耗能动态管理系统，如图1所示，该管理系统包括管道数据监测端1、电流与电脉冲控制端2、陆地控制台22、电热端3、接线法兰4、油气运输管道5、阀门结构7。管道数据监测端1布置在油气运输管道5外侧，电流与电脉冲控制端2布置在油气运输管道5外侧，电热端3布置在油气运输管道5内壁上，电流与电脉冲控制端2通过在阀门结构7处增设接线法兰4与管道内电热端3进行连接。该管理系统可依托阀门结构7按需进行分布式布置，对管道实行分布式管理，且电热端3布置在管道内壁上，可对管道流体进行直接加热，减少了不必要的热损失。
如图2所示，管道数据监测端1包括温度感应模块11、固体物监测模块12、管道泄漏监测模块13；所述温度感应模块11可采用热电偶进行测温，所述固体物监测模块12可采用超声波监测装置布置在管道外壁，所述管道泄漏模块可采用光纤传感技术进行监测。当管道数据监测端1监测到管内状态时，可实时将数据传递给电流与电脉冲控制端2，电流与电脉冲控制端2也可实时将数据传递给陆地控制台22，可对电流与电脉冲控制端2设置自动工作模式，也可通过陆地控制台22进行人工控制操作，根据管道数据监测端1反馈的数据进行管内状态判断，电流与电脉冲控制端2可对管内电热端3发出不同参数的持续电流或电脉冲，对管内状态进行温度调节或解堵操作。无论是自动工作模式还是人工控制模式，陆地控制台22均可实时接收数据，监测管内状态。陆地控制台22与电流与电脉冲控制端2可通过多种方式进行数据传输，包括无线传输、有线传输，有线传输方式可通过沿管道线路布置数据传输线进行数据传输。
如图3所示，绝缘保温层31选取绝缘漆涂覆于油气运输管道5内壁，电热层32选取0.3微米厚度的氧化铟锡涂设于绝缘保温层31表面，在对管内流体加热时，可大大减少热量的对外散失。
如图3所示，接线法兰4与阀门结构7进行法兰连接，在接线法兰4上设置螺栓41密封连接，将电流与电脉冲控制端2通过导线21与管道内电热层32连接。所述导线21在实际施工过程中提前内嵌在螺栓41中，通过密封工艺连接为一体，降低施工难度，螺栓41与接线法兰4连接处应考虑密封防水处理。
如图3所示，当对管道内进行电脉冲解堵时，电脉冲通过导线21传至电热层32，电热层32对固体物块6进行瞬态加热，固体物附着底层61融化，使固体物块6脱落至管道中，减少固体物对管壁的附着，从而减少固体物的积聚，耗能低，时间快，且解堵效率高。
本实施例的工作过程为：
①对电流与电脉冲控制端2设置自动工作模式，设立管内状态自动判断机制，或者在陆地控制台22采用人工控制模式；
②管道数据监测端1将实时监测的数据实时反馈给电流与电脉冲控制端2；
③电流与电脉冲控制端2实时接收反馈数据，并将数据实时传输给陆地控制台22，通过自动工作模式或人工控制模式，向管内电热端3发送电脉冲或持续电流；
④通过自动工作模式或人工控制模式，结合油气运输管道5管内温度状态温度感应模块11监测到的管内温度数据及管内实际抑制剂添加量进行判断，当管内状态较易生成固体物时，管道数据监测端1将信号反馈给电流与电脉冲控制端2，电流与电脉冲控制端2产生持续电流，通过电热层32对油气运输管道5内的流体进行加热，实现固体物6生成预防功能；
⑤固体物监测模块12监测到管道内有少量固体物6生成时，电流与电脉冲控制端2可产生持续电流，通过电热层32对管道内流体进行加热，促使固体物6分解；
⑥当固体物监测模块12监测到管道内壁有较多固体物6附着时，电流与电脉冲控制端2可产生大功率电脉冲，通过电热层32对管壁附着固体物6进行瞬时冲击加热，使固体物附着底层61融化，从管壁脱落，避免固体物6大量聚集堵塞管道。
⑦当管道泄漏监测模块13监测到管道泄漏信息时，将信号反馈给电流与电脉冲控制端2，电流与电脉冲控制端2将信号传递给陆地控制台22，提醒工作人员进行维修处理，并关闭自身工作模式，防止造成电流泄漏损失。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种分布式油气运输管道中固体物防控的低耗能动态热管理系统，其特征在于，通过在管道不同位置设置该管理系统，进行油气运输管道的分布式管理，可实现对管道内部状态的实时监测与局部动态控制；所述低耗能动态热管理系统包括：管道数据监测端(1)、电流与电脉冲控制端(2)、陆地控制台(22)、电热端(3)、接线法兰(4)、油气运输管道(5)、阀门结构(7)；
所述管道数据监测端(1)布置在油气运输管道(5)外侧，电流与电脉冲控制端(2)布置在油气运输管道(5)外侧，电热端(3)布置在油气运输管道(5)内壁；在阀门结构(7)处增设接线法兰(4)，在接线法兰(4)上设置螺栓(41)；所述的电流与电脉冲控制端(2)通过导线(21)与管道内电热端(3)的电热层(32)连接，其中导线(21)穿过接线法兰(4)；电流与电脉冲控制端(2)与管道数据监测端(1)连接，进行数据传输；所述管理系统根据阀门结构(7)按需进行分布式布置；
所述的管道数据监测端(1)包括温度感应模块(11)、固体物监测模块(12)、管道泄漏监测模块(13)，分别用于监测管道内部温度状态、固体物块(6)生成状态和管道泄漏状态，对管道内状态进行分布式实时监测；管道数据监测端(1)监测到的表征管内状态的数据可实时传递给电流与电脉冲控制端(2)，电流与电脉冲控制端(2)实时将数据传递至陆地控制台(22)；所述电流与电脉冲控制端(2)可设置自动工作模式和人工控制模式：自动工作模式是指电流与电脉冲控制端(2)根据管道数据监测端(1)反馈的数据自动进行管内状态判断，自动对电热端(3)产生不同的热响应；人工控制模式是指工作人员通过陆地控制台(22)判断管内状态，指示电流与电脉冲控制端(2)产生热响应；所述热响应包括进行电流加热或电脉冲加热，其中，电流加热用于提高管内温度，实现管道内固体物块(6)生成预防功能，电脉冲加热用于实现管道内固体物块(6)解堵功能；
所述的电热端(3)在制备油气运输管道(5)时设置在管道内壁上，包括绝缘保温层(31)与电热层(32)，绝缘保温层(31)设置在管道(5)内壁和电热层(32)之间，当电热端(3)接收到电流与电脉冲控制端(2)的电流或电脉冲时产生热量，通过电热层(32)加热管内流体或固体物块(6)。
2.根据权利要求1所述的一种分布式油气运输管道中固体物防控的低耗能动态热管理系统，其特征在于，所述的阀门结构(7)指三通阀门，其中两个出入口用于管道的连接，一个出入口与增设的接线法兰(4)连接，在接线法兰(4)处实现管理系统管道内外结构的连接。
3.根据权利要求1所述的一种分布式油气运输管道中固体物防控的低耗能动态热管理系统，其特征在于，所述的电流与电脉冲控制端(2)具备与陆地控制台(22)远程通信功能，其中，通信功能包括实时数据监测查看功能、电流与电脉冲产生参数的控制功能。
4.根据权利要求1所述的一种分布式油气运输管道中固体物防控的低耗能动态热管理系统，其特征在于，所述绝缘保温层(31)和电热层(32)根据需要布置在油气运输管道(5)中任意需要解堵的位置。
5.根据权利要求1所述的一种分布式油气运输管道中固体物防控的低耗能动态热管理系统，其特征在于，所述导线(21)在实际施工过程中提前内嵌在螺栓(41)中，通过密封工艺连接为一体。
6.根据权利要求1所述的一种分布式油气运输管道中固体物防控的低耗能动态热管理系统，其特征在于，所述电流与电脉冲控制端(2)、管道数据监测端(1)进行密封防水处理；连接导线各连接处进行密封防水处理；螺栓(41)与接线法兰(4)连接处进行密封防水处理。
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