CN114484132B - 一种基于可再生能源及co2储能的油气输运管道电加热热管理系统 - Google Patents

一种基于可再生能源及co2储能的油气输运管道电加热热管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，包括可再生能源供电装置、CO2储能装置、控制装置、预警装置、远程作业装置、油气输运管道电加热装置。该系统通过布置在管道内部的数据采集设备反馈的数据值经控制装置传输至预警装置，预警装置经分析处理后能以两种模式反馈至控制装置与远程作业装置，不同模式下对不同位置的油气输运管道产生不同程度的加热量，可针对性地对油气输运管道在未堵、易堵、已堵位置，对油气输运管道进行分级、分布式的管理控制。本发明将可再生能源供电装置与CO2储能装置相耦合，大幅降低维持管道温度的电力成本，间接解决或减缓油气输运管道中抑制剂用量大的问题，具有光明的前景。

Description

一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理 系统
技术领域
本发明属于油气输运管道流动安全保障技术领域，具体涉及一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统。
背景技术
目前，深海油气代表了当今世界石油开发的一大趋势，输送油气的管材一般为钢管，使用法兰、三通等连接装置焊接成长距离管道，并利用阀门等设备进行开闭控制和流量调节。但是目前在深海管道长距离输送过程中，由于高压和低温条件，管道内部极易生成以蜡结晶及水合物等为代表的固体物，尤其在管道弯管段以及连接阀门处。随着输运管道内部热量的不断散失造成温度进一步的下降，进而导致固体物堵塞管道，甚至是油气输运管道破裂，导致油气泄露，带来巨大的经济损失。
CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage)碳捕获、利用与封存技术是实现减碳的重要手段之一。捕获后的CO2以超临界状态通过管道输运并注入海底封存体中，而深海环境下CO2气体输运管道内部温度降低将导致CO2气体状态改变，进而影响CO2在封存体内的运移、封存量与封存效率。当CO2气体输运管道内存在水分时，由于高压和低温条件，管道内部极易生成水合物等固体物，严重时将导致管道堵塞、破裂、CO2气体泄露。
为了防止油气输运管道内固体物堵塞管道，在实际工程的实施中多采用加热法与注入抑制剂法来克服这一难题。但随着油气工业向深海的不断转移，人们越来越难以承受注入抑制剂用量大、价格高昂、破环生态环境的弊端，因此利用加热的形式防止固体物的堵塞逐渐受到青睐。为了防止气态CO2输运过程中超临界状态失效的发生，加热法是实现管道热管理是最可行的方法。
对于深海油气输运管道而言，远距离给加热装置补充电量面临的困难较多，而且所需电量的消耗也是一笔巨大的资金成本。目前国内外还没有利用海洋本身潜在的能源来为输运管道加热装置提供能量，此外，可再生能源的提供能量的间歇性，能源利用效率低也是目前最大的局限性。
目前，常用电伴热带缠绕输运管道的方式对管道进行加热，使得油气输运道内油气温度始终保持在固体物形成的临界温度以上。而全程只采用螺旋缠绕的方式使得电伴热带的电阻大幅增加，长期使用时大量电能被浪费，增加了生产成本，并且在深海底部未设置有效的保温结构，加热所产生的热量极易逸散到深海中，使得加热效果不够明显，在极端的条件下甚至会失去加热的作用，不仅不会起到加热的作用，反而导致了资源的浪费。此外，现有电加热带全程敷设在输运管道上，加热控制装置也不够完善，无法针对性地对输运管道在未堵、易堵或已堵的位置进行不同程度的加热，不仅浪费了电能还降低了电伴热带的适用范围。
发明内容
针对现有技术存在上述问题，本发明提供了一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，将可再生能源供电装置与CO2储能装置相耦合，并提供动力给油气输运管道电加热装置，改进现有加热设备布置方式，实现分级、分布式地对油气输运管道电加热装置进行控制，降低油气输运过程中固体物堵塞管道风险，为水合物资源实现商业化开采及输运铺平道路。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，包括：
可再生能源供电装置，用于低成本的供应电能；
CO2储能装置，与所述可再生能源供电装置连接，用于储存电能并且能够平稳与持续输出电力，同时可为储层油气高效开采提供置换气体；
控制装置，与所述CO2储能装置相连并利用CO2储能装置所供应的电能，用于给油气输运管道电加热装置提供电能并控制电伴热带产生不同的热响应；
预警装置，分别与所述控制装置和远程作业装置相连，用于分析和处理所述控制装置传递的信号并及时作出响应；
远程作业装置，分别与所述预警装置和控制装置相连，用于指令控制装置，对油气输运管道电加热装置的工作状态进行控制；
油气输运管道电加热装置，与所述控制装置相连，用于油气输运管道固体物的防控，保障输运管道安全有效的运行。
进一步的，所述控制装置设置有多组接线盒，接线盒内设置有多组导线，多组导线被绝缘体进行包裹。
进一步的，所述油气输运管道电加热装置由内向外设置有内层钢管本体、绝缘防腐层、电伴热带、夹心层、外层钢管保护体、管夹。
进一步的，所述预警装置设置有智能模式和人工模式；智能模式：温度传感器、压力传感器反馈的数据值达到预先设置完成的温度阈值及压力阈值上限时，智能指令控制装置对电伴热带通电，产生不同程度的热响应。人工模式：预警装置将信号传输至所述远程作业装置，现场操作人员指令控制装置设置不同的参数对不同位置的电伴热带通电，严格控制加热温度，必要时可结合抑制剂共同作用，保障输运管道安全有效的运行。
更进一步的，所述夹心层内填充有保温材料，保温材料包括但不限于环氧树脂、复合聚丙烯，用以减小油气输运管道散热时间与散热量。
更进一步的，所述电伴热带在直管段沿所述内层钢管本体外侧轴向且分布式敷设，并在管路弯头处、三通阀门或类似结构处呈S形布置。
更进一步的，当所述内层钢管本体外侧所敷设电伴热带的形式为一用一备或大于两根时，各根电伴热带以内层钢管本体的轴向中心均匀布置。
更进一步的，所述电伴热带通过间隔布置的不锈钢扎带或金属软丝和预留通孔的法兰被固定于内层钢管本体外壁。
更进一步的，所述油气输运管道电加热装置分布式设有用于固定管道的管夹，所述管夹包括两个半圆形的上管夹和下管夹，上管夹和下管夹通过若干螺栓与螺母连接。
作为更进一步的，所述夹心层与所述外层钢管保护体上按需预留有通孔，管夹上部按需设置有垂直于内层钢管本体的通槽，所述控制装置下设的多组导线通过该通槽连接电伴热带接头，将实现对油气输运管道的分布式管理。
更进一步的，所述三通阀门顶部设置有垂直延伸至内层钢管本体顶端的防护管，所述温度传感器、压力传感器在实际施工过程中提前嵌在防护管内，导线通过通槽导出，连接处通过密封工艺进行密封。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：
1、本发明将可再生能源供电装置与CO2储能装置耦合，避免了可再生能源供电装置的波动性与间歇性，不仅能平稳且持续地为油气输运管道电加热装置提供电能，还为储层油气高效开采提供置换气体，降低了巨额的经济成本；
2、布置电伴热带作为加热元件，结合了直管段沿管道轴向直敷与弯管段或阀门连接处S型布置的方式，减小了加热元件在不同位置因电阻相差较大所带来的加热效果不佳的影响；
3、温度传感器与压力传感器穿过三通阀门顶部延伸至内层钢管本体内部顶端，充分与管道内部油气进行接触，所反馈的数据更加准确；
4、采用管套管夹层保温结构，能够满足海底管道耐压、保温的要求；
5、本发明将电伴热带布置在夹心层，不破坏油气输运管道原有的结构，与管道内壁设置加热层加热的解堵方式相比，规避了管道内壁加热元件受材料发展的限制；
6、预警装置根据实时数据反馈值对该系统进行智能模式与人工模式的调节，提高了油气输运的安全性。
7、依托于固定外层钢管保护体的管夹下设通槽至电伴热带接头的特殊结构，可针对性地对油气输运管道在未堵、易堵、已堵位置，对油气输运管道进行分级、分布式的管理，解决了现有工程中持续对油气输运管道加热的问题，不仅可降低对油气输运管道的管理成本还提高了管理效率。
附图说明
图1为本发明实施例中基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中油气输运管道电加热装置的横截面图；
图3为本发明实施例中油气输运管道电加热装置的局部结构立体示意图；
图中：1、风力供电装置；2、太阳能供电装置；3、CO2储能装置；4、控制装置；5、预警装置；6、远程作业装置；7、接线盒；8、导线；9、绝缘防腐层； 10、电伴热带；11、不锈钢扎带；12、内层钢管本体；13、夹心层；14、防护管；15、温度传感器；16、压力传感器；17、阀门结构；18、通槽；19、外层钢管保护体；20、法兰；21、管夹；22、连接螺栓；23、连接螺母。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1-3所示，本实施例公开了一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，包括可再生能源供电装置、CO2储能装置3、控制装置4、预警装置5、远程作业装置6、油气输运管道电加热装置。
其中，可再生能源供电装置的能量来源包括但不限于海上的太阳能、风能或洋流能，本实施例中包括风力供电装置1和太阳能供电装置2。
CO2储能装置3与可再生能源供电装置相耦合，CO2储能装置3将储存的电能经过处理后输送到控制装置4，控制装置4将电能统一协调后分配至油气输运管道电加热装置，可以为电加热装置提供平稳且持续的电力输出，避免了可再生能源供电装置的波动性及间歇性，同时CO2储能装置3还可以提供CO2气体， CO2以超临界状态通过管道输运并注入海底封存体中，可实现储层油气安全高效开采和CO2长期稳定的地质封存。然而，在深海环境下CO2气体输运管道内部温度降低将导致CO2气体状态发生改变，进而影响CO2在封存体内的运移、封存量与封存效率。当CO2气体输运管道内存在水分时，由于海底低温、高压的条件，输运管道内部极易生成水合物等固体物堵塞管道，本发明所提供的油气输运管道电加热装置同样适用于此种情况。
控制装置4将CO2储能装置2所供应的电能进行动态调度，依托该装置设置的多组接线盒7，多组接线盒7内设置有多组导线8，多组导线8被绝缘体进行包裹，通过导线8给油气输运管道电加热装置提供电能并控制不同位置的电伴热带产生不同的热响应。
预警装置5，分别与所述控制装置4和所述远程作业装置6相连，用于分析和处理所述控制装置4传递的信号并及时作出响应，其中，预警装置5设置有智能模式和人工模式；智能模式：温度传感器15、压力传感器16反馈的数据值达到预先设置完成的温度阈值及压力阈值时，智能指令控制装置4对电伴热带 10通电，使得油气输运道内油气温度始终保持在蜡结晶及水合物等固体物形成的临界温度以上。人工模式：预警装置将信号传输至所述远程作业装置6，现场操作人员指令控制装置设置不同的参数对不同位置的电伴热带10通电，严格控制加热温度，依据当前加热温度可结合抑制剂共同作用，低成本地保障输运管道安全有效的运行。
油气输运管道电加热装置，用于油气输运管道固体物的防控，保障输运管道安全有效的运行。油气输运管道电加热装置由内向外设置有内层钢管本体12、绝缘防腐层9、电伴热带10、夹心层13、外层钢管保护体19、管夹21。
其中，绝缘防腐层9可选取绝缘防腐漆或绝缘防腐膜涂敷于或包裹于内层钢管本体12外壁，不仅有利于对管道的腐蚀的减缓，还可延长电伴热带10的使用寿命。夹心层13内填充有保温材料，保温材料包括但不限于环氧树脂、复合聚丙烯，用以减小油气输运管道散热时间与散热量。
布置电伴热带10作为加热元件，设置在绝缘防腐层的外侧，结合了直管段沿管道轴向直敷与弯管段或阀门连接处S型布置的方式，不仅减小了加热元件在不同位置因电阻相差较大所带来的加热效果不佳的影响，还使得油气输运管道在易堵位置加热量足够充分，有效预防固体物的形成。此外，不锈钢扎带11 作为紧固件，采用间隔式布置的形式将电伴热带10紧固在内层钢管本体12上，油气管道与阀门结构17之间通过法兰20连接对接，法兰20通过若干连接螺栓 22和连接螺母23紧固，该法兰20上预留有用于穿过电伴热带10的通孔，实现对电伴热带的二次紧固。
油气输运管道采用管套管夹层保温结构，不仅能够满足海底管道耐压、保温的要求，还可将电伴热带10布置在夹心层13，布置方便，当所需求的电伴热带10数量大于一根时，各根电伴热带10以内层钢管本体10的轴向中心均匀布置。不破坏油气输运管道原有的结构，与管道内壁设置加热层加热的解堵方式相比，规避了管道内壁加热元件受材料发展的限制，此种结构具有更高的工程应用性。
温度传感器15与压力传感器16穿过三通阀门顶部延伸至内层钢管本体12 内部顶端，外侧设置有防护管14，既能保证充分与管道内部油气进行接触，又能保证数据采集设备的使用寿命，与将感温装置敷设在油气管道外壁相比，所监测到的数据更加精准，有利于预警装置的正确判断。所述防护管14、温度传感器15、压力传感器16在实际施工过程中提前嵌入阀门结构中，通过密封工艺使之结为一体，降低施工难度。
外层钢管保护体19上间隔设置的管夹21，包括两个半圆形的上管夹和下管夹，上管夹和下管夹通过若干螺栓与螺母连接。该管夹21下设通槽18穿过夹心层13与外层钢管保护体19上按需预留有通孔至电伴热带接头，其中，温度传感器15、压力传感器16及电伴热带10的导线置于该通槽18内，可有效保护导线的使用寿命以及管理更加方便。通过这种结构，控制装置所设置的多组导线可连接不同位置的电伴热带接头，可针对性地对油气输运管道在未堵、易堵、已堵位置，对油气输运管道进行分级、分布式的管理，解决了现有工程中持续对油气输运管道加热以及电伴热带加热长度过长影响加热效果的问题，不仅可降低对油气输运管道的管理成本还提高了管理效率。
上述的基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统的工作步骤为：
步骤一、当海上存在风能时，利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电；当海上存在太阳辐射时，利用光生伏特效应，将太阳辐射能转换为电能，海上风力供电装置1和海上太阳供电装置2 产生的电能输送到CO2储能装置3中储存起来；
步骤二、CO2储能装置3将储存的电能经过处理后输送到控制装置4，控制装置4将电能统一协调后分配至油气输运管道电加热装置；
步骤三、设置在阀门结构17上的温度传感器15、压力传感器16实时将管道内的监测数据反馈给控制装置4；
步骤四、控制装置4实时接收反馈数据，并同步输出至预警装置5；
步骤五、预警装置5预先设置好油气输运管道内固体物生成的温度阈值与压力阈值，当反馈数据值达到预先设置值时，预警装置5智能发出控制信号，指令控制装置4对油气输运管道电加热装置通电工作，使得油气输运道内油气温度始终保持在固体物形成的临界温度以上；同时，预警装置5将反馈数据同步至远程作业装置6，现场操作人员根据反馈数值在温度阈值和压力阈值附近范围波动的情况来指令控制装置4设置不同的参数对不同位置的电伴热带10通电，严格控制加热温度，避免过度升温造成电能的损失。若此时管道内参数已临近固体物生成的条件或已有少许固体物在管道内生成但并未影响油气输运，现场操作人员可小幅度提高加热温度并结合抑制剂共同作用，保障输运管道在低成本的前提下安全有效的运行；反之，若此时管道内参数已明显超过固体物的生成条件或已经可以判断出有较多的固体物生成时，现场操作人员要提高加热量，严重时，可先停止油气输运，防止造成巨大的经济损失。

Claims (10)

1.一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，其特征在于，包括：
可再生能源供电装置，用于低成本的供应电能；
CO2储能装置，与所述可再生能源供电装置连接，用于储存电能并且能够平稳与持续输出电力，同时可为储层油气高效开采提供置换气体；
控制装置，与所述CO2储能装置相连并利用CO2储能装置所供应的电能，用于给油气输运管道电加热装置提供电能并控制电伴热带产生不同的热响应；
预警装置，分别与所述控制装置和远程作业装置相连，用于分析和处理所述控制装置传递的信号并及时作出响应；
远程作业装置，分别与所述预警装置和控制装置相连，用于指令控制装置，对油气输运管道电加热装置的工作状态进行控制；
油气输运管道电加热装置，与所述控制装置相连，用于油气输运管道固体物的防控，保障输运管道安全有效的运行。
2.根据权利要求1所述一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，其特征在于，所述控制装置设置有多组接线盒，接线盒内设置有多组导线。
3.根据权利要求1所述一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，其特征在于，所述油气输运管道电加热装置由内向外设置有内层钢管本体、绝缘防腐层、电伴热带、夹心层、外层钢管保护体、管夹。
4.根据权利要求3所述一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，其特征在于，所述夹心层内填充有保温材料，保温材料包括但不限于环氧树脂和复合聚丙烯。
5.根据权利要求3所述一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，其特征在于，所述电伴热带在直管段沿所述内层钢管本体外侧轴向且分布式敷设，并在管路弯头处、三通阀门处呈S形布置。
6.根据权利要求3所述一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，其特征在于，当所述内层钢管本体外侧所敷设电伴热带的形式为一用一备或大于两根时，各根电伴热带以内层钢管本体的轴向中心均匀布置。
7.根据权利要求3所述一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，其特征在于，所述电伴热带通过间隔布置的不锈钢扎带或金属软丝和预留通孔的法兰被固定在内层钢管本体外壁。
8.根据权利要求1所述一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，其特征在于，所述油气输运管道电加热装置分布式设有用于固定管道的管夹，所述管夹包括两个半圆形的上管夹和下管夹，上管夹和下管夹两端均通过若干螺栓与螺母连接。
9.根据权利要求3至7任一项所述一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，其特征在于，所述夹心层与所述外层钢管保护体上按需预留有通孔，管夹上部或下部按需设置有垂直于内层钢管本体的通槽，所述控制装置下设的多组导线通过该通槽连接电伴热带接头，将实现对油气输运管道的分布式管理。
10.根据权利要求1所述一种基于可再生能源及CO2储能的油气输运管道电加热热管理系统，其特征在于，所述预警装置设置有智能模式和人工模式；智能模式：温度传感器、压力传感器反馈的数据值达到预先设置完成的温度阈值及压力阈值时，智能指令控制装置对电伴热带通电，使得油气输运道内油气温度始终保持在固体物形成的临界温度以上；人工模式：预警装置将信号传输至所述远程作业装置，现场操作人员指令控制装置设置不同的参数对不同位置的电伴热带通电，控制加热温度，必要时结合抑制剂共同作用，保障输运管道在低成本的前提下安全有效的运行。
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