CN114641641A

CN114641641A - 管道电加热系统

Info

Publication number: CN114641641A
Application number: CN202080077428.XA
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·斯塔宾斯基
Original assignee: Gamma Switzerland Ltd
Current assignee: Gamma Switzerland Ltd
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2022-06-17
Also published as: KR20220092607A; US20220275898A1; EP3819530C0; RU2727717C1; WO2021090083A1; EP3819530B1; JP2023500894A; CA3156907A1; EP3819530A1

Abstract

一种用于输送管道（12）的管道电加热系统，所述输送管道（12）包括管子（14）和围绕该管子（14）的绝热层（7），所述管道电加热系统包括电源变压器（18）、馈电终端（22）、末端终端（24）、位于馈电终端和末端终端之间的一个或多个服务终端（26）、参数控制和监视系统以及加热电缆装置（28），加热电缆装置包括连接到三相电源的三相（8a，8b，8c）的三个加热电阻电缆（8），所述加热电阻电缆沿着所述管子从所述馈电终端（22）延伸通过所述一个或多个服务终端（26）到所述末端终端（24）。每个所述电阻电缆单独地安装在相应的电缆导向件（9a，9b，9c）内，电缆导向件和安装在其中的相关的电阻电缆安装在管道的外表面上并且在热绝缘层（7）下方。每个电阻电缆包括内导体和围绕该内导体的屏蔽，其中每个电阻电缆的屏蔽连接到地并且在末端终端和/或馈电终端处互连在一起，并且其中所述屏蔽或内导体在所述至少一个服务终端处换位。

Description

管道电加热系统

技术领域

本发明涉及用于石油和天然气工业中的输送管道的电加热系统。

背景技术

今天，长距离(超过10公里)运输管道的加热需要建造适当的馈电系统，根据电加热系统，大约每1-10公里应设置电站。

配套的馈电网络使得电加热系统更加复杂并且成本效益更低。此外，在不能建造配套网络的地方，例如在海底，没有机会加热管道。

在25公里的距离上，具有趋肤效应的电加热系统是最具成本效益的加热系统。这些系统中的加热装置是被称为加热管的铁磁性管道，其内部具有绝缘导体。在一端，加热管和绝缘导体相互连接，而另一端，它们通过交流(AC)电源连接。所施加的AC电压在导体中产生电流，由此电流沿着管道的内表面返回。由于绝缘导体和铁磁管道中的电流所感应的磁场，反向电流积累在管道的内表面上。该电流在管道中以称为趋肤深度的距离流动(M.L.Strupinskiy，低温下自调节电缆特性的分析/分析科学技术期刊//M.L.Strupinskiy，N.N.Khrenkov，2011：工业电加热：Hager：2011.-第6-11页)。

上述现象消除了将管道接地的管道外表面上的可测量电压。当电流积聚在加热管的内表面上时，产生的热量将通过管道传播，从而将管道表面及其内容物的温度提高到所需水平。

在RU 2589553 C1中公开了一种基于趋肤效应的加热电缆，其具有同轴放置的中心导体、内绝缘层和铁磁外导体。内部绝缘层由聚合物制成，而外部导体由皱纹状钢管制成，其壁厚为在工作电源电压频率下的表层厚度的三分之一。

在RU 127273 U1中公开了一种具有加热电缆的电加热系统，该加热电缆具有三相电源系统。加热电缆包含由耐热涂层绝缘的载流电线。在一端，电线可以自由连接到电源，而在另一端，它们相互连接成一个完整的电路。

已知的系统和电阻电缆的缺点包括：利用一个电源进行电加热的距离不足，该距离被限制为25km；产生的热量低；以及所产生的用于加热输送管道中的产品的热量的使用效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种管道电加热系统，其能够在大于25km的距离上产生指定的热量，例如长达200km，无需配套网络并且只有一个电源。

本发明的优点包括提高热产生效率和在相当长的距离(例如，可达200km)利用规定的热量加热传输管道内的产品；改进了系统的可建造性，维护方便，并简化了电加热系统。

本发明的目的通过提供根据权利要求1所述的管道电加热系统来实现。从属权利要求记载了本发明实施例的各种有利特征。

本发明公开了一种用于输送管道的管道电加热系统，输送管道包括管子和围绕所述管子的热绝缘层，该系统包括电源变压器，馈电终端、末端终端、位于馈电终端和末端终端之间的一个或多个服务终端、参数控制和监视系统以及加热电缆装置。加热电缆装置包括连接到三相电源的三相的三个加热电阻电缆，该加热电阻电缆沿着管子从馈电终端延伸，穿过一个或多个服务终端到末端终端。每个电阻电缆单独安装在相应的电缆导向件内。电缆导向件和安装在其中的相关电阻电缆安装在管道的外表面上并位于绝热层的下面。每个电阻电缆包括内导体和围绕该内导体的屏蔽层，其中每个电阻电缆的屏蔽层连接到地并且在末端终端和/或在馈电终端处相互连在一起，并且其中屏蔽层或内导体在所述至少一个服务终端处换位。

在一个有利的实施例中，相邻的电缆导向件分开一个非零的距离。

在一个有利的实施例中，该系统包括至少两个服务终端。

在一个有利的实施例中，每个相包括具有屏蔽和绝缘层的单线电阻中压电缆。

在一个有利的实施例中，用于每个电阻电缆的电缆导向件具有大致方形、梯形或圆形的横截面。

在一个有利的实施例中，每个电缆导向件沿着纵向边缘密封于管子的外表面。

在一个有利的实施例中，相邻电缆导向件之间的非零距离(L)基本上是恒定的。

在一个有利的实施例中，电缆导向件和放置在里面的相关电阻电缆安装在管子的上部。

在一个有利的实施例中，电缆导向件由聚合物或铝制成。

在一个有利的实施例中，电阻电缆在末端终端处星形连接在一起。

在一个有利的实施例中，电阻电缆的电线具有平坦形状的横截面轮廓。

在一个有利的实施例中，参数控制和监视系统包括温度传感器、电流传感器和负载电压传感器。

在一个有利的实施例中，参数控制和监视系统被配置用于加热系统的远程测量和控制，包括环境温度的测量，检测电阻电缆的完整性，并控制每个电阻电缆中的负载电流和电压。

通过下面对本发明实施例的详细描述和附图，本发明的其它目的和有利特征将变得清楚。

附图说明

图1示意性地示出了包括根据本发明实施例的电加热系统的管道设备；

图2示意性地示出了包括根据本发明实施例的电加热系统的管道的一部分；

图3示出了根据本发明实施例的用于电加热系统的电阻电缆；

图4a示意性地示出了具有根据本发明实施例的电加热系统的管道的横截面；

图4b是图4a的一部分的详细视图；

图5是类似于图4b的另一实施例的详细视图；

图6是根据本发明的实施例的电加热系统的示意图，其示出了屏蔽换位。

具体实施方式

根据本发明的实施例的管道电加热系统可以被实现，以加热位于地面上的支撑墩上的管道、地下管道和淹没的水下管道。

根据本发明的实施例的管道电加热系统有利地提供了其元件的特定组合、组成和位置，用于在大约150-200km的距离上加热管道，这与今天的石油和天然气产品输送设施有关。

如图1和2所示，根据本发明的实施例，管道设备10包括石油或天然气输送管道12和管道电加热系统，管道电加热系统可以有利地包括对于最低维护功能很重要的以下元件：电源变压器18、馈电终端22、末端终端24和至少一个中间服务终端26。根据本发明实施例的管道电加热系统20包括加热电缆装置28(其包括多个加热电阻电缆8)，连接和端部套管30、线路参数控制和监视系统(未示出)，该线路参数控制和监视系统包括至少一个安装在输送管道12上的温度传感器20、以及用于将加热电缆装置28的电阻电缆8设置在输送管道12上的紧固元件32。

用于根据本发明的实施例的系统的电力由专用电源变压器18提供，该专用电源变压器18包括具有用于次级电压的宽调节范围的开关键。电加热功率需求可能要求变压器包括空障绝缘、浇铸绝缘或油绝缘。

加热电缆装置28可以有利地包括三个电阻电缆8a、8b、8c，这三个电阻电缆8a、8b、8c可以有利地传输(carry)三相电源系统的三个对应的相电流。每个电阻电缆8a、8b、8c优选地安装在相应的电缆导向件9a、9b、9c内，电缆导向件9a、9b、9c安装在输送管道的结构管14(通常由钢或其它金属制成)的表面上。因此，三个电阻电缆8中的每一个都位于分开的电缆导向件9内，该电缆导向件9直接安装在结构金属管14的外侧上，并由输送管道12的绝热层7围绕。对于预绝缘管道，电阻电缆8可以在输送管道的制造现场安装在电缆导向件9内。电缆导向件9有助于将由电阻电缆产生的热量有效地传递到结构金属管中并传递到在该管内流动的油或气体16中。

三相电源系统的各相分开安装，并且每一相都被隔热层7包围，这允许将大截面的电缆8放置在非常紧凑的区域中，这增加了每一相的相-对-地电压，并因此增加了管道加热长度。横截面可以通过具有扁平或压平的电线的电缆8进一步增加。

多个电阻电缆8a、8b、8c优选地在末端终端24处星形连接在一起。

有利地，在各个电缆导向件中的多个相的分开位置通过减少电缆8之间的热传递而更有效地将所产生的热传递到管道12和包含在其中的流体，这也有助于增加相-对-地电压，从而增加管道加热长度。

电缆导向件9保证多个相的分开，并且被配置为避免使热绝缘层7接触电阻电缆8或被插入在电阻电缆和结构管道12之间。直接安装在结构管道12的表面上的电缆导向件允许在系统安装期间有效地放置加热电缆8a、8b、8c并且具有最小的损坏。

在一个实施例中，用于每个电阻电缆8a、8b、8c的电缆导向件9a、9b、9c可以有利地包括基本正方形、梯形或圆角(例如U形)横截面的纵向盒。用于多个电阻电缆的电缆导向件9可以由具有互连的电缆导向部分9a、9b、9c的单个元件制成，或者可以由独立地安装在管道上的多个分开的导向件制成。

内部具有电阻电缆8a、8b、8c的电缆导向件9a、9b、9c可以在管道12上以基本相等的距离L间隔开，这有助于更好地分布和应用所产生的热量。考虑到在寒冷时期，埋有管道的地面通常在靠近地表处较冷，内部具有电阻电缆8的电缆导向件9优选地安装在管道的顶部，这在热力学方面最有效地将产生的热量传递到管道输送的产品。

电缆导向件9可以由聚合物或铝或具有类似物理特性的其它材料制成。电缆导向件9的材料的选择还取决于从加热相8a、8b、8c传递到管道12并传递到输送的油或天然气16所需的热传递。

电阻电缆8的直线长度可以通过高压连接套管30互连，高压连接套管30配置成用于与电缆相位相同的电压。此外，电阻电缆的端部被设计成具有端部套管(未示出)。

为了定期维护、控制包括加热电缆8的绝缘电阻的线路参数以及查找缺陷，可以借助于服务终端26、末端终端24和馈电终端22来实现，目的是增加电加热系统的适应性以及维护便利性。

根据本发明的管道电加热系统沿着150-200km的距离大大地减少了对许多馈电变压器变电站和配套电网的需要。

根据本发明的有利实施例的电阻电缆8包括中压单线相电缆。选择电缆8，使得所产生的热量与管道所需的热量相匹配，并考虑到防护屏蔽中的损耗，例如10或18W/m。图3示出了根据本发明实施例的电阻电缆8的元件，包括铝或铜的载流电线1，例如组合铠装电缆型(CSC)的半导体材料层2，例如交联聚乙烯的绝缘层3，例如CSC类型的半导体材料4、例如由编织铜线制成的屏蔽5、以及例如由热塑性弹性体制成的外部涂层6。

在金属电缆屏蔽6中引导电流是分开设置的相8a、8b、8c的显著特点。每个电阻电缆8的屏蔽6具有中间和末端接地连接，并且还在管道的末端互连。

根据本发明的有利方面，三相的屏蔽在位于服务终端26中的中间位置处沿着电缆的长度换位，如图6所示。例如，如果在电缆的馈电终端22和末端终端24之间有两个服务终端26，则电缆屏蔽可以换位两次，使得每个屏蔽沿着所有三个相位在其部分上延伸。对于中压(MV)和高压(HV)地下电力电缆，屏蔽换位本身是已知的，以通过消除屏蔽中的感应电流的方向来减少功率损耗。可以注意到，换位是相对的，或者三相电缆的屏蔽可以换位，或者电缆的电线可以换位。

在本发明中，屏蔽换位减少了电缆屏蔽6中的损耗，以在管道电加热系统的较长电缆长度上更好地分布热量。由于换位连接而在一些系统元件中产生的热量不会影响系统的良好运行，但在电加热系统的估算和设计中应予以考虑。

换位有利地使得能够调节热量产生位置(电线或屏蔽)和所产生的热值。缺少换位显著地增加了屏蔽6中的损耗，这导致加热区域的最大长度缩短。尤其是，缺少换位在有效长度处增加了屏蔽5中的电流，这降低了安全性并增加了损坏的可能性，并且减少了电缆的使用寿命。

电阻电缆8可以是多线的。

下面的表1示出了根据本发明的电加热系统的实施例的加热电缆的有利规格的示例。

表1

电加热系统参数的控制和监控系统保证了电加热系统的节能和安全运行。该控制和监视系统包括温度传感器，电流传感器和负载电压传感器。利用管理算法，系统基于例如油、环境温度、电阻电缆和输送管道的测量温度来远程控制加热系统的参数。控制系统控制电气参数，包括各相负载电流、电压和电路完整性。

控制和监视系统可以利用可编程逻辑控制器(PLC)、离散和模拟信号I/O模块、操作面板和串行接口模块。用于电路参数的控制和监视系统将目标条件参数传递给利用任何本身是公知的工业数据协议(例如，Modbus RTU、以太网、CAN、HART、PROFIBUS)的高级控制系统。

短路电流需要在各相8a、8b、8c中进行直接单个的电流测量，并对线路状况进行分析。相同的机制可用于定位损伤区域和加速修复工作。

用于电路参数的控制和监视系统被配置为在一些情况下以一相和两相而不是三相维持操作，由于电加热要保持一定的工作能力，这对于被加热的管道来说是至关重要的。用于参数的控制和监视系统还被配置为通过安全地接通和断开以及通过改变供应的电压(变压器绕组转换)来调节所产生的热量。

根据本发明的实施例的系统可以如下运行：

所需的线电压从电源经由馈电变压器提供给将电压分配到三相(相电压)的馈电终端。电源由一个馈电变电站提供。所要求保护的电加热系统在加热电路中在长达100公里的距离上保持所要求的电参数。因此，如果馈电变电站位于加热管道区域的中间，则一个变电站可以在一个方向上在长达100km的距离上加热管道，并且在另一个方向上在100km的距离上加热管道。因此，一个馈电变电站可以在总共200公里的距离上加热管道。参数控制和监视系统完全远程地控制和管理根据本发明的实施例的系统。

每个相包括电阻电缆8，该电阻电缆8对电缆导向件9和输送管道产生热量。分开放置的加热相8a、8b、8c在热绝缘层7的良好指定区域中增加每个相中的相电压。较高的相电压增加了加热臂长度。扁平的或压平的电缆线在给定的有限的热绝缘空间7中增加了加热相的横截面。尤其是，加热相8a、8b、8c的分开防止相过热，这也有助于更高的相电压。

下面描述根据本发明实施例的管道电加热系统的计算和应用的示例。

以70mm²铝线为例，计算管道电加热系统的参数。

利用商业上可获得的软件(Elcut Professional App)来计算热损失和温度参数。选择对流热交换条件作为对地表面的边界条件来计算热损失：α＝30V/(m²＊K)，T_amb＝18℃。10m深处的土壤温度选择为+21℃。管道内壁的产品温度选择为+50℃。

电缆参数如下：

·电线：铝，70mm²(AC-70)

·热容量：30V/m

·电线数量：3

·热臂长度：100km

·电源电压(线电压)：8899W

·电源电压(相电压)：5138V

·折旧系数为1.07的热损耗值为25.3W/m

·假设将三根电热丝放置在尺寸为55x40mm、壁厚为2.5mm的铝制电缆导向件中(GOST 18475)

系统在通过和关闭模式下的温度参数如下表2所示：

表2

用AC-70/11电线计算系统的电气参数。

输入数据：

·三根电热丝；

·一根电线所需的加热能力：10W/m；

·热臂长度：L＝100km；

·载流电线：符合GOST 839-80的AC-70/11；

·载流电线材料：铝；

·1km电缆在20℃时对直流电的电阻：0.4218欧姆；

·计算电线温度为64℃时电缆的线性功率。

·温度电阻系数：α＝4.3.10^-31/℃。

·电线温度为64℃时，100km长区域的电阻：

R₆₄＝R₂₀·(1+α·ΔT)＝25.308·(1+4.3·10^-3·44)＝30.096Om

电线温度为64℃时的全部加热功率：

在这里，我们得到了相位的馈电电压值U＝5485V。

在电线温为64℃时一根电热丝的线性功率：

电阻电缆的计算如下表3所示：

表3

加热相的特殊布置和较大的直截面将管道的加热区域的长度增加到200km，而不改变加热管道的热绝缘层7的量和值，以及沿着管道分配热量，这有助于在长达200km的距离上在输送管道中输送加热产品的效率和指定热量的使用。

直接安装在管道上的电缆导向件9以更有效的方式分配由加热相产生的热量。

因此，这提供了一种管道电加热系统，其能够在高达200km的有效距离上产生指定量的热量，而不需要配套的网络并且具有一个馈电点(一个变电站)。

总体上，没有配套的供给网络简化了所要求保护的电加热系统。

附图标记

管道设备 10

输送管道 12

结构(金属)管 14

热绝缘层 7

石油，天然气 16

电源变压器 18

管道电加热系统

馈电终端 22

末端终端 24

服务终端 26

加热电缆装置 28

电阻电缆 8

载流导体 1

铝线或铜线

半导体材料层 2

组合铠装电缆型(CSC)

绝缘层 3

交联聚乙烯层

半导体材料层 4

CSC型

电屏蔽 5

铜线屏蔽

外绝缘层 6

热塑性弹性体涂层

连接和端部套管 30

温度传感器 20

电缆导向件 9

紧固元件 32

管道上电缆之间的距离L

Claims

1.一种用于输送管道（12）的管道电加热系统，所述输送管道（12）包括管子（14）和围绕所述管子（14）的绝热层（7），所述管道电加热系统包括电源变压器（18）、馈电终端（22）、末端终端（24）、位于馈电终端和末端终端之间的一个或多个服务终端（26）、参数控制和监视系统以及加热电缆装置（28），该加热电缆装置（28）包括连接到三相电源的三相（8a，8b，8c）的三个加热电阻电缆（8），所述加热电阻电缆沿着所述管子从所述馈电终端（22）延伸通过所述一个或多个服务终端（26）到所述末端终端（24），每个所述电阻电缆单独地安装在相应的电缆导向件（9a，9b，9c）内，该电缆导向件和安装在其中的相关的电阻电缆安装在管子的外表面上并在热绝缘层（7）下方，并且每个电阻电缆包括内导体和围绕该内导体的屏蔽，其中每个电阻电缆的屏蔽连接到地并且在末端终端和/或在馈电终端处互连在一起，并且其中所述屏蔽或内部导体在所述至少一个服务终端处换位。

2.根据前述权利要求所述的系统，其中，相邻的所述电缆导向件以非零的距离（L）分开。

3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统包括至少两个服务终端（26)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，每个相包括具有屏蔽（5）和绝缘层（3）的单线电阻性中压电缆。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，用于每个电阻电缆的所述电缆导向件具有大体方形、梯形或圆角的横截面。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，每个电缆导向件沿着纵向边缘密封于所述管道（12）的外表面。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，相邻电缆导向件之间的非零距离（L）大体恒定。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述电缆导向件和放置在里面的相关电阻电缆安装在所述管子的上部。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述电缆导向件由聚合物或铝制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述电阻电缆在末端终端处星形连接在一起。

11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述电阻电缆的电线具有扁平形状的横截面轮廓。

12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述参数控制和监视系统包括温度传感器、电流传感器和负载电压传感器。

13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述参数控制和监视系统被配置成用于所述加热系统的远程测量和控制，包括测量环境温度、检测电阻电缆的完整性以及控制每个电阻电缆中的负载电流和电压。