CN117396698A - 用于促进烃流体流动的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于促进流体流动的系统包括具有长度(101)的管状段(100)、具有厚度(105)的管壁(106)、管壁外表面(103)和管壁内表面(102)。管壁内表面(102)限定了通道(107)，该通道(107)被配置为允许流体沿着管状段(100)的长度(101)流动。管壁(106)可包括被配置为通过管壁(106)传送热能的材料和至少一个加热元件(112)，该至少一个加热元件(112)沿管状段(100)的长度(101)耦接到管壁(106)的外表面(103)，该至少一个加热元件(112)包括被配置为接收电磁能、将电磁能转换成热能以及将热能释放到管壁(106)中的使能材料。该系统可包括与至少一个加热元件(112)相关联的电磁能量源(113)。电磁能量源(113)被配置为将电磁能发射到加热元件(112)中。

Description

用于促进烃流体流动的系统和方法

背景技术

烃(例如重质原油和沥青)的管道运输和流动是烃生产线中的重要组成部分。烃往往具有复杂组成和高分子量，导致低流动性和高黏度。由于烃(特别是重质烃)的低流动性和高黏度，烃的运输是一个昂贵且能量密集的过程。运输烃的商业选择包括通过铁路、油罐车或驳船进行油罐运输，稀释重质油以进行管道运输，以及通过减黏裂化来降低黏度以进行管道运输。

发明内容

提供本发明内容来介绍一系列构思，这些构思将在具体实施方式中进一步描述。本发明内容既不意图识别要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图用来帮助限制要求保护的主题的范围。

在一个方面，所公开的实施例涉及一种用于促进烃流体流动的系统。所述系统可以包括具有长度的管状段、具有厚度的管壁、管壁外表面和管壁内表面。所述管壁内表面限定内部流体通道，该内部流体通道被配置为允许烃流体沿所述管状段的所述长度流动。所述管壁还可以包括被配置为通过所述管壁传送热能的材料和至少一个加热元件，所述至少一个加热元件沿所述管状段的所述长度耦接到所述管壁的外表面。所述系统还可以包括至少一个加热元件。所述加热元件还可以包括使能材料，该使能材料被配置为接收电磁能、将所述电磁能转换成热能并且将所述热能释放到所述管壁中。所述系统还可以包括与所述至少一个加热元件相关联的至少一个电磁能量源，其中所述至少一个电磁能量源被配置为将电磁能发射到相关联的至少一个加热元件中。

在另一方面，所公开的实施例涉及一种促进烃流体流动的方法。所述方法可以包括将烃流体引入到用于促进烃流体流动的系统的管状段中，以及使用所述管状段的内部流体通道中的传感器来检测所述烃流体的第一温度。所述方法还可以包括使用检测到的第一温度确定所述内部流体通道中的所述烃流体的第一黏度，以及确定用于使所述烃流体的温度从第一温度升高到目标温度的电磁能的量，其中所述目标温度高于所述第一温度。所述方法还可以包括将电磁能从至少一个电磁能量源发射到相关联的至少一个加热元件中，使得在所述至少一个加热元件的下游，所述烃流体的温度升高。

根据以下描述和所附权利要求，要求保护的主题的其他方面和优点将显而易见。

附图说明

图1示出了用于加热烃流体的管道段的局部揭示图的图示。

图2A示出了具有用于加热烃流体的若干加热系统的管道系统的总体视图的图示。

图2B示出了在管道系统的加热区中由固定距离分隔开的加热系统的图示。

图2C示出了在管道系统的加热区中以变化的距离间隔开的加热系统的图示。

图3示出了根据本公开的至少一个实施例的加热烃流体的方法。

图4示出了100°F和210°F的重质油在不同压力下的动态黏度变化的图示。

图5示出了暴露于微波辐射的活性炭和水的温度变化的图示。

图6示出了根据本说明书所公开的实施例的管套管浸渍系统的图示。

使用“‘”符号表示相同的材料、物体或系统，但处于不同的操作或性质状态(例如温度)。所有其他方面(除了与状态变化相关的方面)均视为相同。

具体实施方式

将烃从回收地点运输到精炼厂可能需要高昂的运营、物流和能源成本。烃(例如原油、沥青和从例如储层的来源回收的化合物的其他非均相混合物)通常通过管道进行运输，以加工成面向全球市场的可行产品。虽然管道可以是烃运输的便利模式，但是加强管道中烃流体的流动性是有用的。烃的流动性可能受到储层条件下的烃温度、地下管道条件以及通过管道中的热损失而导致的烃温度降低的影响。当烃经过管道时，烃的低温和随后可能降低的温度使烃的黏度增加多个数量级。通过管道对高黏度烃流体的运输可能需要管道中的高压差来使烃流动。管道压差通常经由泵和泵送压力引起。通过管道泵送高黏度烃流体的能源、运营和物流成本降低了这些黏性烃的经济可行性。

降低重质烃流体黏度的常规方法包括烃流体与稀释剂的共混、烃组成的化学改变和在井场地表设施处的减黏裂化技术。降低烃黏度的其他常规技术包括通过能源(例如电能)直接加热。这种常规技术遭受额外的高运营、物流和能源成本，其影响运输烃的经济可行性。

可使用系统和方法来通过控制(提高)流体的温度来降低流体的黏度并提高流体的流动性。烃的黏度可以通过提高烃的温度来降低，从而使烃流体通过运输系统(例如管道)的流动变得容易。

本公开的实施例涉及结构内部的烃流体(例如重质原油)的加热，该结构例如为管状段，更具体而言，为管道段。特别而言，烃流体的温度可通过从中间体辐射的热而升高，其中，中间体可通过来自电磁发射器(EM发射器)的电磁波(电磁能)而加热。

本公开的实施例可用作管道系统的一部分。管道系统长距离运输大量流体。该流体可以是危险流体(例如烃)，并且还可以包括天然气。管道系统可以从诸如陆地(集输管道)或海上的井场之类的来源或从诸如用于石油或液化天然气(LNG)的油罐之类的船运来收集产品。管道系统通常将产品运送至储存或加工(例如天然气的处理或石油精炼)，或运送至两者。管道系统还可以将重质烃输送到远处的精炼厂，或者将精炼产品输送到远处的市场(例如机场)，或者输送到仓库，在仓库处燃料油和汽油被装载到卡车上以进行本地输送。管道系统可以包括用于流体的泵站、用于存储的压缩机站以及用于管理产品运送并维持安全的分配设施和自动化控制设施。本公开的实施例可减少产生所需压差以使流体流动通过管道系统所必需的功率负载和泵站数量。

所公开的实施例可降低包含在管道的内腔中的烃的黏度。实施例可通过经由来自使能材料的间接热降低烃黏度来提高烃的流动性，使能材料由电磁能(例如电磁辐射)加热。在本公开的一些实施例中，该方法和系统可将电磁能发射到包括使能材料的加热元件，从而提高使能材料的温度。加热元件可耦接或连接到可包含烃的管道材料。来自加热元件的热能可提高包含烃的管道材料的温度。在本公开的一些实施例中，加热元件可与管道中包含的烃直接接触，从而对烃进行直接加热。烃的温度的提高可降低烃的黏度，从而促进烃的流体流动性并降低使管道中的烃流动所需的泵送压力。

图1示出了用于加热烃流体的管道系统1000的局部揭示图的图示。图1示出了具有长度101、内表面102、外表面103、直径104和管壁106的管道段100，管壁106具有厚度105。沿着长度101的内表面102限定了内部流动通道107，通过该内部流动通道107，烃流体108可从入口110横穿或流过(箭头)109管道段100至出口111。

如图1所示，存在由使能材料制成的一个或多个加热元件112，该加热元件112沿着管道段100的内表面102的长度101耦接或连接到管道段100。在图1中，与各加热元件112相关联的是具有天线114的EM发射器113，该EM发射器113安装在管道段100的外表面103上，靠近加热元件112沿着内表面102的位置并与之相对。EM辐射(虚线箭头)115(也被称为电磁能)从相关联的EM发射器113及其天线114发射，穿过管道段100，并进入加热元件112。示出了从若干加热元件112发出并进入烃流体108的热波(曲线)116。

图1中还示出了安装在管道段100的外表面103上的若干温度传感器117，用于检测烃流体108在给定点处的温度。同样，有若干声换能器118安装在管道段100的外表面103上，用于检测烃流体108在给定点处的流动。

管道系统

如前所述，一段管道可传送烃流体，该烃流体可使用实施例的系统来加热。例如，图1示出了包含在管道段100中的烃流体108。在本公开的实施例中，管道段可以是被配置为包含或运输(或者既包含又运输)烃流体的较大管道系统的一部分。本领域技术人员将理解，管道系统可用于将烃流体从井场运输到处理设施。烃流体可以是在本领域技术人员所理解的烃捕获方法下捕获并使之流动的原油或沥青，烃捕获方法包括强化采油(EOR)方法，例如蒸汽注入和吞吐。烃流体可在管道段中流动。在一些实施例中，烃流体可以是静止的。流体流动的流量或其缺失可取决于管道系统网络中的上游或下游条件。

可以用本公开的实施例来修改现有的管道系统。现有的管道系统可以包括暴露于温度波动的天然气管道和水下石油管道。本公开的实施例可安装为两个现有管道之间的接头。

本公开的实施例的尺寸可以取决于给定管道系统的要求、给定项目的工程要求或模拟数据而变化。本公开的实施例的尺寸可取决于给定系统的各种因素和工程要求，包括流体体积、流体流量和现场操作条件(例如压力和温度)。

传统的管道材料包括各种金属，包括钢和防腐蚀材料。在本公开的一些实施例中，管道材料可以包括使能材料和金属。在本公开的一些实施例中，管道的至少一部分可以包括非金属材料。在本公开的一些实施例中，管道(包括管道段的至少一部分)可被隔热以减轻来自管道和包含在其中的流体的热损失。隔热体可以包括耦接到管道外部的耐火材料。本公开的一些实施例可以包括防腐蚀材料(特别是在管道基质中或与管道材料耦接)。防腐蚀材料可以被配置为提供电磁能的通道以及与系统(包括加热元件)的温度的兼容性。

本公开的实施例可以包括EM发射器，该EM发射器包括与至少一个天线耦接的至少一个辐射源。至少一个辐射源和至少一个天线可以从EM发射器发射电磁能(例如无线电或微波)。电磁能可发射到中间体，例如加热元件。

在一个或多个实施例中，EM发射器被配置为将电磁能发射到一个或多个加热元件中。如图1所示，各EM发射器113可被配置为使用天线114将电磁能115发射到加热元件112。EM发射器可被定位在管道段上的位置中，其中来自EM发射器的电磁能足够强以提高加热元件的温度。在本公开的实施例中，EM发射器可以耦接或连接到加热元件。在本公开的实施例中，EM发射器可以被配置为将电磁能引导至多于一个的加热元件。

在本公开的实施例中，EM发射器的位置可以基于整个系统的最佳能量效率操作来确定。EM发射器和加热元件之间的距离可以变化。例如，在本公开的一些实施例中，EM发射器可以与加热元件直接接触。在本公开的一些实施例中，EM发射器被定位成靠近至少一个加热元件，其中来自EM发射器的电磁能可到达至少一个加热元件。在本公开的一些实施例中，可以在确定EM发射器的位置之前确定加热元件的位置。

在一个或多个实施例中，EM发射器可以按照规则且周期的配置或可变且间歇的配置相对于另一EM发射器进行定位。如图1所示，EM发射器113可以与至少另一EM发射器113一起沿着管道段100进行定位。EM发射器之间的距离可以是相等的间隔或变化的间隔。在本公开的一些实施例中，沿着管道段的给定长度可以有多于一个的EM发射器，其中EM发射器的辐射源将不干扰非关联加热元件的操作。EM发射器之间的间隔可通过基于流量、流体性质和烃流体的类型以及管道性质(例如，管材、管道长度、深度、直径和管连接角度)和操作要求(例如，最小烃流动要求和烃的期望目标温度)的建模和实验数据来确定。

根据本公开的实施例的EM发射器可以提供可缩放的功率输出或不可缩放的功率输出。EM发射器的功率输出的可缩放性(或不可缩放性)可由各种因素来确定。设备成本、系统成本以及EM发射器的可靠性和性能可以确定EM发射器的功率输出。EM发射器的功率输出还可以基于管道尺寸、输入流体温度和期望的流体温度。

在本公开的实施例中，加热元件可耦接或连接到管道段。加热元件可耦接或连接到管道段的外部或内部(参见图1中加热元件112的内部定位)。EM发射器可将电磁能发射到加热元件，其中来自EM发射器的电磁能可对加热元件基质内的使能材料进行加热。在加热元件耦接或连接到管道段的内部的实施例中，EM发射器和加热元件之间的管道段材料的组成以及任何介于其间的层(例如隔热体、流体层和防腐蚀材料)可以允许EM发射器的电磁能(波)的传输。由EM发射器引起的使能材料中的热能可以对加热元件进行加热，其中加热元件可以对管道段的管壁以及与加热元件直接接触的任何固体或流体材料进行加热。

根据本公开的实施例，加热元件的物理配置可以是各种各样的形状，包括连接或耦接到管道段的板、套环、环、部分套环。加热元件可被配置为径向地连接或耦接到管道段。例如，加热元件可以是连接或耦接到管道段的外表面上的套环。加热元件可被配置为连接或耦接到管道段的外周的一部分。例如，加热元件可以是连接或耦接到管道段的外表面上的套环的一部分。加热元件可以是连接或耦接到管道段的板。在一些实施例中，管道段可涂覆有包括使能材料的涂层。在本公开的一些实施例中，加热元件可采用管道段的形状，其中管道段的至少一部分由加热元件组成。在本公开的一些实施例中，加热元件可被设计成兼容用作具有所需物理和机械性质的管道段。

在本公开的实施例中，加热元件(例如图1中的加热元件112)可以包括使能材料。在本公开的一些实施例中，加热元件可完全由使能材料组成。在本公开的其他实施例中，使能材料可与其他组分一起存在于加热元件中。使能材料可以包括活性炭、碳纳米管、炭黑、石墨烯、石墨和阳极焦炭。使能材料还可以包括复合材料，例如陶瓷、塑料、金属或易受EM辐射(例如微波)加热的封装流体。根据本公开的实施例，使能材料可被配置为当暴露于来自辐射源的电磁能(例如微波)时温度升高。例如，当暴露于辐射源的电磁能输出时，活性炭的温度可能升高超过800°F(华氏度)。

加热元件的使能材料可以包括介电材料，其中在辐射源的存在下，介电材料内的分子偶极旋转机制提高使能材料的温度。介电材料通常是固体的，包括瓷(陶瓷)、云母、玻璃、塑料和各种金属的氧化物。液体和气体也可以用作介电材料。在具有包括陶瓷的使能材料的实施例中，使能材料还可以包括粘土或包含流体(例如水)的材料。

使能材料可与其他材料一起存在于加热元件基质中。存在于加热元件的基质中的其他材料可以不干扰、阻挡、妨碍或影响使能材料接收电磁能或在暴露于电磁能(例如来自EM发射器的辐射源的电磁能)时提高温度的能力。

在本公开的实施例中，加热元件可耦接或连接到管道的表面。加热元件可以经由公知的连接方法(例如焊接)连接到管道段。在本公开的一些实施例中，管道段的外部、内部或外部以及内部可以涂覆有包括使能材料的涂层。

在本公开的一些实施例中，加热元件可以被包含作为管道段材料的基质的一部分。例如，由活性炭结构组成的加热元件可整合到管道段基质中。图6示出了一个这样的实施例，其中外管603和内管601通过加热元件602接合，在该实施例中，加热元件602包括聚合物基质中的活性炭。本领域技术人员将理解，“管套管”结构在本领域中是已知的，并且将适用于本文的实施例。

在本公开的一些实施例中，加热元件可被定位在管道段的内表面上。例如，在图1中，加热元件112连接到管道段100的内表面102。定位在管道段的内表面上的加热元件可允许烃流体的强烈且快速的加热区域。热能可沿着加热元件和烃流体之间的集中接触区域传递，其中热能可直接传递到烃流体。

在本公开的实施例中，加热元件可被定位在管道段的外表面上。定位在管道段的外表面上的加热元件可允许逐渐地将热传递到烃流体中。当热能从外部定位的加热元件移动通过管道段并进入烃流体时，热能可沿(管道段的)较大区域传递，从而在较宽的表面积上提供烃流体的逐渐加热。

在本公开的实施例中，加热元件可间接或直接(或者间接并直接)加热包含在管道段中的烃流体。烃可以被加热到期望的目标温度(目标温度)。目标温度可以是目标温度范围。期望的目标温度可以是被确定为降低烃的黏度并因此提高烃通过管道的流动性的温度。目标温度可取决于包含在管道系统中的流体的组成以及给定管道系统的各种工程参数和要求。

在本公开的一些实施例中，烃的目标温度可引起热裂化。在这些实施例中，系统可被设计成引起热裂化，其中热裂化可有利于烃通过管道系统的流动性。如前所述，目标温度、热裂化以及结垢或焦炭积聚的减轻可通过控制输送至烃的热量来控制。

本公开的实施例可以包括温度传感器。温度传感器可耦接或连接到管道段(参见图1中的温度传感器117)。温度传感器(例如晶体蓝宝石光纤温度传感器)可被定位成在加热元件上游的位置处测量烃流体的温度。在本公开的一些实施例中，温度传感器可被定位成测量烃流体在加热元件下游的温度。在本公开的一些实施例中，温度传感器可被定位成靠近管道段上的加热元件。温度传感器可通过管道段中的端口插入，并被放置成与烃流体直接接触。温度传感器可以延伸穿过管壁，并且可以耦接到相关联的光处理设备以导出烃流体的温度。本公开的实施例可以包括被定位在管道段内的至少一个温度传感器。

在本公开的实施例中，温度传感器可用于维持管道中包含的烃的目标温度。例如，如果传感器在加热元件的上游到下游的任何地方测量到超过烃的目标温度的温度，则可以基于传感器测量，经由控制系统切断来自EM发射器的电磁能。本公开的实施例还可以包括被配置为收集在计算系统效率波动中使用的数据的传感器。

根据本公开的实施例，声换能器可耦接或连接到管道段(参见图1中的声换能器118)。声换能器可耦接或连接到管道段的外表面。来自声换能器的信号可用于计算管道段内的流动特性。例如，根据本公开的实施例，可以基于声换能器的流量测量，经由控制系统来调节电磁能。

本公开的实施例可以包括耦接或连接到管道系统的压力控制系统(例如泵送系统)。泵送系统可以包括泵和阀。泵和阀可有助于在加热过程中烃的流动性，并有助于将烃流体维持在液相中以避免两相流。压力控制系统也可以整合到本公开的实施例中，以提高系统的安全性和稳定性。

本公开的实施例可以包括监测和控制机构，以在加热过程期间维持期望的共振模式和期望的加热效率或期望的流体温度。监测和控制机构可以包括本领域技术人员在受益于本公开的情况下所理解的光纤和无线传输技术。

加热过程的热反应可通过使烃流体以液相流过管道段来控制。在本公开的实施例中，烃流体可进入管道段，流过管道段并经过加热元件，并且离开管道段。当烃流体流过管道段时，来自加热元件的热可传递到烃流体中。经由传导(及除此之外的其他热传递机制)，暴露于来自加热元件的热可导致烃流体的加热。加热的峰值速率可出现在烃流体的靠近各加热元件而通过的部分中。在由靠近加热元件的烃流体的部分吸收热之后，该热然后可以通过自然流体动力学传递到本体烃流体中，其中本体烃流体的温度然后从其先前的温度升高。

加热元件在管道段上的间隔可以是规则间隔(即，周期的或以固定间隔)、变化的(即，间歇的)或两者都有。在一些实施例中，各加热元件之间的距离是沿着管道的轴向方向测量的固定间隔。在一些其他实施例中，各加热元件之间的距离是沿管道的轴向方向测量的非固定间隔。在系统的一些实施例中，各加热元件之间的距离是变化间隔和固定间隔的组合。例如，可以设想一种系统，其具有若干加热元件，各加热元件彼此之间具有不同的距离，被定位在管道的起始处。这种非线性间隔配置可有助于缓慢但安全地将热贡献到冷但流动的流体中。在这种配置中，当流体开始接近目标流动黏度时，加热元件可在下游进一步间隔开。当达到目标流动黏度值或范围时，由于与其引入管道时相比获得了更热且更低黏度的流体，同时还考虑到能量的逐渐损失和所导致的黏度的增加，加热元件的间隔可被配置为彼此相距固定距离。本领域技术人员可以使用标准的计算(例如流体建模)、经验和合理的实验工作(基于预期的流体流量、流体性质(例如热容)、流体的组成和管道性质(例如热传递值))以及其他因素，来确定给定管道系统的加热元件的适当配置，以实现沿管道系统长度的目标黏度分布。

根据本公开的实施例的EM发射器的辐射源可以包括被配置为在使能材料中引起介电加热的仪器。介电加热是其中电磁频率(例如射频交变电场、无线电波或微波电磁辐射)加热介电材料(例如根据本公开的实施例的使能材料)的过程。EM发射器可以被配置为将辐射波引导至使能材料，其中被加热的使能材料可以加热耦接或连接到含烃管道段的一部分的相关联的加热元件、烃流体，或加热以上两者。根据本公开的实施例的EM发射器的辐射源的示例可以包括市售的工业微波发射单元。

由EM发射器的辐射源生成和提供的电磁能可以以预定频率为中心，并且可以基于系统的特定流量要求和其他工程设计参数来设计。电磁能可被引导至被定位在管道系统的目标管道部分处的加热元件内的使能材料。目标管道段被定义为被识别用于降低烃流体黏度的区域(参见图1中的管道段100)。

在本公开的实施例中，EM发射器、使能材料和管道段的位置可以按照最小化电磁能反射的方式进行配置，从而允许最大量的电磁能来加热使能材料。

在本公开的一些实施例中，当设计达到烃的期望温度所必需的EM发射器参数、使能材料组成和管道段的长度时，可以考虑停留时间。

在本公开的实施例中，使能材料可具有支持加热到大于800℃(摄氏度)的温度的组成。在存在电磁能(例如微波)的情况下，使能材料的温度可升高到大于800℃，其中来自使能材料的热可辐射到烃流体中。在本公开的一些实施例中，电磁辐射可将使能材料的温度提高到已知引起烃的非催化热裂化的值，例如在从约400℃到460℃的范围内。本公开的实施例可使用温度控制机构来控制烃的热裂化程度。

在本公开的一些实施例中，烃的热裂化可促进烃流过管道段的流动性。热裂化的程度可以通过控制烃的温度来控制。烃的温度可通过控制输送到管道段的热量来控制。可以通过控制来自EM发射器的电磁能、连接或耦接到使能材料的管段的长度、以及烃暴露于EM发射器的电磁能的时间量来控制输送到管段的热量。

在本公开的一些实施例中，烃可被加热至低于减黏裂化温度。在这些实施例中，黏度降低可以是可逆的。附加的加热系统(包括本公开的实施例)以及热夹套可以沿着管道系统安装，以维持烃的黏度降低。

整个管道系统可利用根据本公开的实施例的一个或多个加热系统来将管道中的流体加热到期望的规格(包括目标温度)。加热系统可包括与含烃管道耦接的加热元件，含烃管道与EM发射器耦接。根据本公开的实施例的加热系统可以是单个系统，或者是沿着管道的轴向方向以加热元件之间的距离的各种间隔配置的一系列系统。

图2A示出了具有用于加热烃流体的一系列加热系统的管道系统的总体视图的图示。图2A示出了具有加热区203和维持区206的管道系统200。位于管道系统的入口209处的加热区203包括沿管道系统200的长度间隔开的加热系统212。维持区206包括以重复的固定距离D2间隔开的加热系统212，直到管道系统200的端部218。管道系统200包括通道(未示出)，冷的烃流体215可通过该通道横穿或流过管道系统的入口209、加热区203、维持区206，并到达管道系统的端部218，在该端部处，加热的烃流体215’离开管道系统200。

在本公开的实施例中，冷且黏的烃流体可流入管道系统的加热区。管道系统的加热区可包括一系列以间隔隔开的加热系统，该间隔被确定为当烃流体经过一系列加热系统时将该烃流体的温度升高到目标温度或目标温度范围。一旦烃流体达到目标温度或目标温度范围，其可流过管道系统的维持区，其中加热系统可以按照间隔隔开，该间隔被确定为将烃流体的温度维持在目标温度范围内。

根据本公开的实施例，管道系统中的加热区可包括以重复的固定距离间隔开的加热系统。如图2B所示，加热系统212B被隔开固定距离D1，其中固定距离D1小于图2A中的固定距离D2。在加热区中具有以固定距离间隔开的加热系统的管道系统中，当经过各加热系统的烃流体的温度升高到目标温度范围时，各加热系统的热输出水平可以变化。根据本公开的实施例的加热系统可连接到单个电源或多个电源。

根据本公开的实施例，管道系统中的加热区可包括以间歇距离间隔开的加热系统。如图2C所示，加热系统212C以变化的距离D10、D11、D12、D13、D14、D15和D16间隔开，其中D10至D16小于图2A中的固定距离D2。在本公开的一些实施例中，加热区中各加热系统之间的间隔可以是递增的间歇间隔。例如，如图2C所示，D11大于D10，D12大于D11，依此类推。加热系统之间的变化距离(例如D10至D16)可以使用本领域技术人员所理解的数学方程和模拟模型来确定。在加热区中具有以变化距离间隔开的加热系统的管道系统中，当经过各加热系统的烃流体的温度升高到目标温度范围时，各加热系统的热输出水平可以是相近的。

根据本公开的实施例，管道系统中的维持区可包括一系列加热系统。在维持区中的加热系统可以按照距离间隔开，其中，各加热系统的热输出可以将加热的烃流体的温度维持在目标温度或目标温度范围内。在一些实施例中，维持区中各加热系统之间的距离可以是固定距离(例如，图2A中的D1)。在一些实施例中，通过各加热系统传递到烃流体中的能量的量是固定的。

系统使用方法

管道系统(例如图1的管道系统1000)可用于提高经过其的烃流体的温度，从而降低烃流体的黏度，这可产生如前所述的多个操作益处。如图3中的方法300所示，本公开的实施例可包括加热包含在管道中的黏性流体的方法。根据本公开的实施例的方法可应用于在容器系统中运输的流体，例如在管道中运输的烃流体。本领域技术人员将理解，尽管本公开描述了管道中烃流体的加热，但本公开的实施例可用于降低黏度以运输多种重质的、流动性降低的流体。本领域技术人员还将理解，本公开的实施例可包括流过管道的宽范围的流体流量以及管道中的静止流体。

在本公开的实施例中，可以检测或确定管道系统中的流体的性质。例如，如图3所示，步骤305示出检测烃流体的第一温度。在一些实施例中，流体的温度可用于确定流体的黏度。流体的性质可以在将流体引入管道之前、在管道中时或在这两种情况下进行检测。例如，可以测量和收集井场处的烃流体温度，以准备在管道内运输。在本公开的一些实施例中，可以在流体在运输中的同时检测流体性质。例如，当烃在管道中流动或被保持在管道中时，可在管道内检测烃流体的温度。在一些实施例中，当烃在管道中流动时，可在管道内检测流体的流量。这些性质可以通过温度传感器、声换能器和本领域技术人员所理解的其他检测装置和测定方法来测量。

在本公开的一些实施例中，如果一个流体参数是已知的，例如温度，则可以使用已知的相关性、模拟和模型来计算给定流体的附加参数。例如，Lohrenz-Bry-Clark和相应状态原理可用于确定流体参数(例如流体组分、密度、分子量和温度)，而无需直接测量各参数。例如，本公开的实施例可以使用烃的测量温度来估计烃的黏度。

本公开的实施例可包括确定管道系统中烃流体的温度与烃流体的目标温度之间的差。本公开的实施例还可包括确定管道系统中烃流体的流速和烃流体的目标流速之间的差。本公开的实施例还可包括确定管道系统中烃流体的黏度与烃流体的目标黏度之间的差。在本公开的一些实施例中，目标温度、目标流速和目标黏度可以是目标温度范围、目标流速范围和目标黏度范围。

确定用于升高管道系统中烃流体的温度的能量的量可以是实施例方法的一部分。如图3中的步骤310所示，本公开的实施例可包括确定用于将烃流体的温度从第一温度(来自步骤305)升高到目标温度的电磁能的量。目标温度可大于烃流体的初始温度。

在本公开的一些实施例中，目标温度可用于确定电磁能输出的量。将烃的温度增加到目标温度所需的电磁能输出的量可以用模拟模型来确定。

根据本公开的实施例，用于确定在给定管道位置处引入的热量的因素可以包括流体流动、进入流体温度、EM发射器和加热元件之间的距离(用于确定在给定位置处引入的热量)、以及加热元件和随后的EM发射器之间的距离。流动后监测可用于确定在给定位置处引入的热量，如由模拟模型所确定的。

将能量从EM发射器的辐射源发射到加热元件中可以是实施例方法的一部分。本公开的实施例可包括确定从加热元件发出的热量，用于升高温度、升高流速或降低黏度，直至目标温度。本公开的实施例可以包括确定在EM发射器中产生的电磁辐射的量，用于生成要发射的热量，从而达到目标温度。本公开的实施例可包括将电磁辐射的量从EM发射器发射到加热元件。本公开的实施例可包括反馈回路的使用，其中可以重复以下步骤直到烃达到目标温度：确定为了升高温度、升高流速或降低黏度直至目标温度而从加热元件发射的热量；确定为了生成要发射的热量以达到目标温度而在EM发射器中产生的电磁辐射的量；以及将电磁辐射的量从EM发射器发射到加热元件。

如图3中的步骤315所示，并且根据本公开的实施例，EM发射器可以向加热元件的使能材料发射电磁辐射。在本公开的一些实施例中，EM发射器可以按照谐振频率输送微波辐射。

辐射源可将电磁能发射到加热元件中的使能材料，其中加热元件中的使能材料的温度将升高。加热元件中的使能材料的温度升高，因为使能材料被发射的电磁波激发并且生成热。当使能材料的温度升高时，来自使能材料的热在加热元件中辐射。耦接或连接到含烃管道的加热元件将提高管道和包含在其中的流体(例如烃流体)的温度。本公开的实施例可包括检测含烃管道中的流体流动。本公开的一些实施例可包括检测管道中被加热的流体的温度。

在本公开的实施例中，烃流体的温度可通过调节电磁能量波频率来控制。电磁能量波频率的调节可影响使能材料的温度变化，这可影响烃流体的温度变化。通过调节电磁能输出来调节使能材料的热输出，可用于降低烃黏度并有助于流动性。例如，可以提高使能材料的温度以将额外的热传导到流体，从而降低流体的黏度。或者，可调节辐射源，使得如果黏度测量指示烃流体的转化率高，则可降低使能材料的温度。

在本公开的实施例中，传导至烃流体的热的调节可以是渐进的方法，其中下游加热系统可以增加或减少输出至烃流体的热，以达到或维持目标温度、目标流速或目标黏度或其任意组合。在本公开的一些实施例中，对于管道系统上的各加热系统，目标温度、目标流速或目标黏度或其任意组合可以变化。在本公开的一些实施例中，加热系统可经由数据通信系统(例如监督控制和采集Supervisory Control and Acquisition)从至少一个其他加热系统接收数据。加热系统可使用来自其他加热系统的数据来调节电磁能的频率。在本公开的一些实施例中，电磁辐射可从EM发射器的辐射源发射，直到满足烃流体的目标范围(温度、流速、黏度)中的一个或全部。

除了与运输低黏度烃相关联的优点之外，本公开的实施例还可以减少或防止在运输烃流体时在管道系统内形成和沉淀蜡和结垢物。烃流体运输过程中的温度降低是形成和沉淀蜡和结垢物的常见原因。蜡在烃流体中的溶解度随着烃流体温度的降低而降低。结垢通常也是由烃温度降低引起。本公开的实施例可通过经由加热元件控制管道中的烃的加热来防止烃温度的降低和大的温度波动。

在本公开的实施例中，加热的使能材料可以不与管道材料或管中的烃流体直接接触。本领域技术人员将理解，在本公开的实施例中，来自使能材料的热能可通过传导、对流或同时利用这两种传热机制辐射到烃流体。

本公开的实施例可降低包含在管道中的烃流体的黏度，其中来自电磁加热的使能材料的热提高烃流体的温度。如图4所示，实验动态黏度数据表明，在不同压力范围内，例如约0至约4000psia(磅/平方英寸绝对值)，通过将重质油的温度从100°F升高至210°F，动态黏度降低超过70％。

本公开的实施例可包括活性炭作为加热元件的使能材料。使用微波辐射的活性炭加热性质的评价示于图5中。进行实验以比较活性炭和水的加热能力。在实验中，将20ml(毫升)活性炭(粉末)和20ml水暴露于常规工业微波炉中的微波(2.45GHz)。如图所示，活性炭在不到一分钟的时间内就达到了800°F，而被认为是良好微波吸收剂的水的温度在相同时间内上升到了200°F。该实验证明了活性炭的热性质及其在微波作用下加热的能力。

本公开的实施例还可用于加热流体以进行进一步处理，例如消毒、化学改性和黏度降低。

尽管以上仅详细描述了几个示例性示例，但是本领域技术人员将容易理解，在不实质上脱离本发明的情况下，在示例性示例中可以进行许多修改。因此，所有这样的修改都旨在包括在由所附权利要求限定的本公开的范围内。在权利要求书中，功能性限定旨在涵盖在本说明书中描述为执行所列举功能的结构，其不仅涵盖结构等同物，而且涵盖等同结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等同物，因为钉子采用圆柱形表面来将木制部件固定在一起，而螺钉采用螺旋形表面，但是在紧固木制部件的环境中，钉子和螺钉可以是等同结构。申请人的明确意图不是援引《美国专利法》第112条第6款来对本说明书中的任何权利要求进行任何限制，除了权利要求明确地使用措辞“用于……的装置”连同关联功能的那些之外。

Claims (18)

1.一种用于促进烃流体流动的系统，该系统包括：

具有长度的管状段、具有厚度的管壁、管壁外表面和管壁内表面，其中所述管壁内表面限定内部流体通道，该内部流体通道被配置为允许烃流体沿所述管状段的所述长度流动，并且其中所述管壁包括被配置为通过所述管壁传送热能的材料；

至少一个加热元件，该至少一个加热元件沿着所述管状段的所述长度耦接到所述管壁的外表面，其中所述至少一个加热元件包括使能材料，该使能材料被配置为接收电磁能、将所述电磁能转换成热能并且将所述热能释放到所述管壁中；以及

至少一个电磁能量源，该至少一个电磁能量源与所述至少一个加热元件相关联，其中所述至少一个电磁能量源被配置为将电磁能发射到相关联的至少一个加热元件中。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述使能材料是介电材料。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述使能材料包括活性炭。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述管壁与烃流体直接接触。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括温度传感器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，还包括至少一个声换能器。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述管壁的所述材料包括介电材料。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述管壁的所述材料包括活性炭。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，所述至少一个电磁能量源被配置为发射微波辐射。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述至少一个电磁能量源被配置为将所述烃流体升高至目标温度。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，还包括控制系统。

12.一种促进烃流体流动的方法，该方法包括：

将烃流体引入用于促进烃流体流动的系统的管状段中；

使用所述管状段的内部流体通道中的传感器检测所述烃流体的第一温度；

使用检测到的第一温度确定所述内部流体通道中的所述烃流体的第一黏度；

确定用于将所述烃流体的温度从第一温度升高到目标温度的电磁能的量，其中所述目标温度高于所述第一温度；以及

将电磁能从至少一个电磁能量源发射到相关联的至少一个加热元件中，使得在所述至少一个加热元件的下游，所述烃流体的所述温度升高。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括使用所述至少一个加热元件的下游的第二传感器来检测所述烃流体的第二温度。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述管状段包括介电材料。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述管状段包括活性炭。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，还包括维持所述目标温度。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，还包括确定为了将所述温度升高至所述目标温度而从所述加热元件发射的热量。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，还包括利用反馈回路维持所述目标温度。