DE102015002063A1

DE102015002063A1 - Process for pumping and heating fluids in pipelines

Info

Publication number: DE102015002063A1
Application number: DE102015002063.3A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dieter Kaufmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2016-08-25

Abstract

Verfahren zur Verpumpung und Beheizung von Fluiden, z. B. von Erdöl und Erdölprodukten in Pipelines, insbesondere in erdverlegten Pipelines über große Transportentfernungen, dadurch gekennzeichnet, (a) dass die Pump- und Heizstationen jeweils als kombinierte Stationen entlang der Leitungstrasse angeordnet werden, (b) dass als Antriebseinheiten der Pumpen Verbrennungsmotoren, z. B. Kolbenmotoren oder Gasturbinen vorgesehen werden, deren Wellen mit den Pumpenantriebswellen mechanisch miteinander verbunden sind, ggf. mit dazwischen angeordneten Getrieben zur Drehzahlanpassung, (c) dass alternativ zu (b), Elektromotoren als Pumpenantriebe eingesetzt werden, wobei die elektrische Energieerzeugung über eine/mehrere Generatoreinheit(en) oder über eine/mehrere Kraftwerkseinheit(en) erfolgt, (d) dass die in den Verbrennungsmotoren oder Generatoreinheiten anfallende Abwärme durch Wärmeübertragung zu einem großen Teil zur Rohöl-Aufheizung im Seitenstrom oder im Hauptstrom des transportierten Rohöls eingesetzt wird, (e) dass im Durchsatz-Auslegungspunkt die Summe – aus der in einem Pipeline-Leitungsabschnitt durch Reibung in Wärme umgesetzten Wärmeleistung und – aus der in der zugehörigen Pumpstation in den Verbrennungsmotoren oder Generatoreinheiten anfallenden und in das Rohöl mittels Wärmetausch weitgehend vollständig übertragenen Wärmeleistung sowie – aus der in der Pumpstation durch Fluidreibung verursachten Wärmeeintragsleistung in das Rohöl, – möglichst genau der Wärmeverlustleistung des vorstehend genannten Pipeline-Leitungsabschnitts zur Umgebung hin entspricht, sodass im Durchsatz-Auslegungspunkt im Bereich der kombinierten Pump- und Heizstationen keine zusätzlich z. B. mittels Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugte externe Wärme zugeführt werden muss.Process for pumping and heating fluids, eg. B. of petroleum and petroleum products in pipelines, especially in underground pipelines over long transport distances, characterized, (a) that the pumping and heating stations are each arranged as combined stations along the line, (b) that as drive units of the pump combustion engines, eg , B. piston engines or gas turbines are provided, the shafts are mechanically connected to the pump drive shafts, optionally with interposed gears for speed adaptation, (c) that alternatively to (b), electric motors are used as pump drives, wherein the electrical energy production via a a plurality of generator unit (s) or via one or more power unit (s) takes place, (d) that the waste heat arising in the internal combustion engines or generator units is largely transferred by heat transfer to the crude oil heating in the side stream or in the main stream of the transported crude oil, e) that in the flow rate design point the sum - from the converted in a pipeline line section by friction heat in heat and - from the costs incurred in the associated pumping station in the internal combustion engines or generator units and in the crude heat exchange largely transmitted heat output sov ie from the heat input in the crude oil caused by fluid friction in the pumping station, as precisely as possible corresponds to the heat dissipation capacity of the aforementioned pipeline section towards the environment, so that in the flow rate design point in the area of the combined pumping and heating stations no additional z. B. generated by combustion of fossil fuels external heat must be supplied.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verpumpung und Beheizung von Fluiden, z. B. von Erdöl und Erdölprodukten in Pipelines, insbesondere in erdverlegten Pipelines über große Transportentfernungen.The invention relates to a method for pumping and heating of fluids, for. As petroleum and petroleum products in pipelines, especially in underground pipelines over long transport distances.

1. Übersicht und Problembeschreibung1. Overview and problem description

1.1 Allgemeines1.1 General

Im Zuge des Transports von Fluiden, insbesondere von schweren und hochviskosen Erdölen in langen Pipelines (z. B. mehr als 400 km) ergibt sich bei bestimmten Rohölaorten u. a. die Aufgabenstellung, das Rohöl bei gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhter Temperatur zu transportieren. Das zu transportierende Fluid werde im Folgenden vereinfachend als Rohöl bezeichnet, die grundsätzlichen Überlegungen können jedoch auch auf andere Fluide, z. B. Flüssigschwefel, Schwefelsäure, ggf. in entsprechend angepasster Betrachtungsweise angewandt werden.In the course of the transport of fluids, in particular of heavy and high-viscosity oils in long pipelines (eg more than 400 km) results in certain types of crude oil u. a. the task of transporting the crude oil at an elevated temperature relative to the ambient temperature. The fluid to be transported will simplify referred to below as crude oil, but the fundamental considerations may also apply to other fluids, eg. As liquid sulfur, sulfuric acid, if necessary, be applied in accordance with adapted approach.

Der Rohöltransport bei gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhter Temperatur kann aus folgenden Gründen erforderlich werden:

a) Um die Temperatur des Rohöls oberhalb des Stockpunkts (Pour Point) zu halten, und somit eine mögliche Verfestigung (Gelierung) des Rohöls während normaler Betriebsphasen einschließlich möglicher Förderstillstände zu vermeiden.
b) Um die Temperatur des Rohöls oberhalb der Temperatur der beginnenden Wachsabscheidung (englisch: wax appearance temperature) (WAT) zu halten, und somit eventuelle Wachsabscheidungen auf der inneren Oberfläche der Transportleitung zu vermeiden, die ggf. häufig erforderliche Reinigungsmaßnahmen zur Folge hätten.
c) Um die Viskosität des Erdöls, und damit den Reibungswiderstand und die benötigte Pumpenantriebsleistung während des normalen Transportbetriebs zu verringern,
d) Um nach einem beabsichtigten oder unbeabsichtigten längeren Förderstillstand den Förderbetrieb mit den zur Verfügung stehenden Pumpen wieder aufnehmen zu können, ohne dass es infolge der Erdöl-Abkühlung zu einer Verfestigung (Gelierung) des transportierten Erdöls kommt, die einen erneuten Start des Förderbetriebs verhindern könnte.

The transport of crude oil at elevated temperatures compared to the ambient temperature may be necessary for the following reasons:

a) In order to keep the temperature of the crude oil above the pour point (Pour Point), and thus to avoid a possible solidification (gelation) of the crude oil during normal operating phases including possible delivery stoppages.
b) In order to maintain the temperature of the crude oil above the temperature of the wax appearance temperature (WAT), and thus to avoid any wax deposits on the inner surface of the transport line, which would often result in necessary cleaning measures.
c) In order to reduce the viscosity of the petroleum, and thus the frictional resistance and the required pump drive power during normal transport operation,
d) To be able to resume the delivery operation with the available pumps after an intended or unintentional prolonged production shutdown, without it due to the oil cooling to a solidification (gelation) of the transported oil, which could prevent a restart of the production operation ,

Um die vorstehend genannten Anforderungen zu erfüllen, müssen die auftretenden Wärmeverluste entlang der erwärmten Rohölleitung möglichst minimiert werden, was z. B. bei unterirdischer Verlegung durch Ausnutzung der wärmeisolierenden Eigenschaft des Erdreichs, sowie ggf. zusätzlich durch Ummantelung der Rohölleitung mit einer wärmeisolierenden Schicht erfolgen kann, wie das in analoger Weise z. B. bei bekannten Fernwärme-Transportsystemen realisiert wird. Desweiteren müssen mittels geeigneter Beheizungsmethoden die unvermeidbaren Wärmeverluste kompensiert werden.To meet the above requirements, the heat losses occurring along the heated crude oil line must be minimized as possible, which z. B. in underground installation by exploiting the heat-insulating property of the soil, and possibly additionally by sheathing the crude oil pipe can be done with a heat-insulating layer, as in an analogous manner z. B. is realized in known district heating transport systems. Furthermore, the unavoidable heat losses must be compensated by means of suitable heating methods.

1.2 Bekannte Beheizungsmethoden1.2 Known heating methods

Bekannte Methoden für die Beheizung von Transportleitungen sind die Methode der Aufheizung in Heizstationen /5/ sowie die Methode der Begleitheizung vorzugsweise mit elektrischer Energie, z. B. die Methode der ,Skin-Effekt' Heizung, auch bekannt unter den Bezeichnungen SECT (skin effect current trace heating), SEHTS (skin effect heat tracing system) oder SEHMS (skin effect heat management system), die insbesondere bei längeren Pipelinesystemen zur Anwendung kommen. Bei einem solchen Begleitheizsystem verläuft längs der Pipeline und in engem thermischem Kontakt zu dieser eine vergleichsweise dünne Rohrleitung aus ferromagnetischem Werkstoff, z. B. Kohlenstoffstahl und z. B. mit einem Nenndurchmesser von 25 mm, die durch den ,Skin-Effekt' aufgrund der in ihr verlegten isolierten elektrischen Leitung, die mit Wechselstrom betrieben wird, erwärmt wird und ihre Wärme an die zu beheizende Erdölleitung abgibt.Known methods for the heating of transport lines are the method of heating in heating stations / 5 / and the method of tracing heating preferably with electrical energy, eg. B. the method of 'skin effect' heating, also known under the designations SECT (skin effect current trace heating), SEHTS (skin effect heat tracing system) or SEHMS (skin effect heat management system), in particular for longer pipelines to Application come. In such a heat tracing along the pipeline and in close thermal contact with this runs a comparatively thin tube of ferromagnetic material, eg. B. carbon steel and z. B. with a nominal diameter of 25 mm, which is heated by the 'skin effect' due to the laid in her isolated electrical line, which is operated with alternating current, and gives off their heat to the oil pipe to be heated.

In einem Literaturartikel /4/ hat der Anmelder unter Punkt 3.5 bereits veröffentlicht, dass eine vorteilhafte Beheizung von Pipelines z. B. für den Transport von Rohöl darin bestehen kann, dass längs der Pipeline Heizstationen errichtet werden, in denen nach dem Prinzip der Kraft-Wärmekopplung sowohl elektrische Energie wie auch thermische Energie erzeugt wird. Während die elektrische Energie hierbei zur Versorgung eines elektrisch betriebenen Begleitheizungssystems, zum Beispiel nach dem Prinzip der Skin-Effekt-Beheizung (SECT, SEHMS) eingesetzt wird, wird die gleichzeitig erzeugte Wärme im Stationsbereich auf einen abgezweigten Seitenstrom des transportierten Rohöls übertragen, und der erwärmte Seitenstrom anschließend wieder in den transportierten Rohölstom eingemischt. Auf diese Weise lässt sich ein extrem hoher Beheizungs-Wirkungsgrad, bezogen auf den Heizwert des für den Heizstationsbetrieb benötigten Brennstoffs erzielen. Der Anmelder hat in dem Literaturartikel /4/ weiterhin beschrieben, dass das Prinzip der gekoppelten Erzeugung von Wärme und elektrischer Leistung (Kraft-Wärmekopplung) analog in Pump- und Aufheizstationen angewendet werden kann:

– In Pumpstationen kann die in den mit Brennstoff betriebenen Antriebseinheiten (z. B. Verbrennungsmotoren) oder in Stromgenerator-Einheiten/Kraftwerken (z. B. für die Energieversorgung elektrischer Pumpenantriebsmotoren) erzeugte Wärme zur Rohöl-Aufheizung im Seitenstrom oder im Hauptstrom eingesetzt werden,
– Rohöl-Aufheizstationen können nach dem Prinzip der Kraft-Wärmekopplung errichtet werden: die erzeugte elektrische Energie kann dann in öffentliche oder private Transport- und Verteilungssysteme eingespeist werden, und kann auch zur Versorgung des Begleitheizungssystems eingesetzt werden.

In a literature article / 4 / the applicant has already published under point 3.5 that advantageous heating of pipelines z. B. for the transport of crude oil can be that along the pipeline heating stations are built, where according to the principle of combined heat and power both electrical energy and thermal energy is generated. While the electrical energy is used here to supply an electrically operated heat tracing system, for example according to the principle of skin effect heating (SECT, SEHMS), the heat generated simultaneously in the station area is transferred to a branched off side stream of the transported crude oil, and the heated Side stream then mixed back into the transported crude oil. In this way, an extremely high heating Achieve efficiency, based on the calorific value of the required for the heating station operation fuel. The applicant has also described in the literature article / 4 / that the principle of coupled generation of heat and electrical power (cogeneration) can be applied analogously in pumping and heating stations:

In pumping stations, the heat generated in the fuel-powered drive units (eg internal combustion engines) or in power generator units / power plants (eg for the power supply of electric pump drive motors) can be used for side-stream or mainstream crude oil heating;
- Crude oil heating stations can be built according to the principle of combined heat and power: the generated electrical energy can then be fed into public or private transport and distribution systems, and can also be used to supply the heat tracing system.

1.3 Realisierungsbeispiel1.3 Realization example

Ein Beispiel für eine elektrisch nach der SECT-Methode beheizte Erdölpipeline findet sich beim Mangala Development Project (MDP) in Indien /1, 2/, bei der die Erdöl-Transportleitung sowie die daran angebrachte Heizleitung des SECT-Systems von einer Wärmedämmung aus Polyurethan-Schaum (PUR) umgeben sind, die ihrerseits auf der Außenseite ihren Abschluss durch ein Kunststoff-Mantelrohr findet. Beim genannten MDP-Projekt ist parallel zu der zu beheizenden Transportleitung eine Versorgungsleitung vergleichsweise geringen Durchmessers verlegt, über die verschiedene Generatorstationen entlang der Pipeline mit Heizgas versorgt werden. Die in den Generatorstationen erzeugte elektrische Energie wird dann ihrerseits zur Versorgung der längs der Pipeline angeordneten elektrischen Begleitheiz-Systemabschnitte verwendet.An example of a petroleum pipeline electrically heated by the SECT method can be found in the Mangala Development Project (MDP) in India / 1, 2 /, where the oil transport line and the heating cable of the SECT system attached to it are covered by polyurethane thermal insulation. Foam (PUR) are surrounded, which in turn finds its conclusion on the outside by a plastic jacket tube. In the aforementioned MDP project, a supply line of comparatively small diameter is laid parallel to the transport line to be heated, via which different generator stations along the pipeline are supplied with heating gas. The electrical energy generated in the generator stations is then used to supply the electrical trace heating system sections along the pipeline.

1.4 Berechnungsgrundlagen1.4 Calculation principles

Die Berechnungsgrundlagen für die Ermittlung des Temperaturprofils in Rohölpiplines sind z. B. in einem Artikel von Uhde und Kopp /3/ beschrieben, allerdings handelt es sich dort nicht um eine wärmeisolierte und begleitbeheizte Rohölleitung, so dass bei wärmeisolierten Rohölleitungen insbesondere der erheblich verringerte Wärmedurchgangskoeffizient in den angegebenen Berechnungsgleichungen entsprechend berücksichtigt werden muss.The calculation bases for the determination of the temperature profile in crude oil pipines are z. As described in an article by Uhde and Kopp / 3 /, but it is not a heat-insulated and accompanied by heated crude oil, so that in heat-insulated crude oil especially the significantly reduced heat transfer coefficient in the specified calculation equations must be considered accordingly.

1.5 Eventuelle Vorgaben aus Betriebs- und Sicherheitskonzept1.5 Possible specifications from the operating and safety concept

Entsprechend dem Betriebs- und Sicherheitskonzept einer elektrisch begleitbeheizten Pipeline kann vorgesehen sein, die elektrische Begleitbeheizung lediglich für Aufheizzwecke nach beabsichtigten oder unbeabsichtigten längeren Förderstillständen einzusetzen, und somit während des normalen Transportbetriebs die Rohöl-Aufheizung im Wesentlichen in längs der Pipeline angeordneten Heizstationen vorzusehen.According to the operating and safety concept of an electrically accompanied heated pipeline can be provided to use the accompanying electric heating only for heating purposes for intentional or unintentional longer delivery stops, and thus provide during crude transport operation, the crude oil heating substantially in along the pipeline arranged heating stations.

1.6 Allgemeine Aspekte bei der Systemauslegung1.6 General Aspects of System Design

Üblicherweise wird bei der Systemauslegung nicht beheizter Pipelinesysteme der Pipelinedurchmesser so gewählt, dass die spezifischen Transportkosten des Rohöls minimiert werden, in die im Wesentlichen sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten unter Anwendung üblicher Kostenrechnungsmodelle (z. B. Barwertmethode) eingehen. Einen wesentlichen Beitrag zu den Betriebskosten stellen hierbei die Kosten für den Energiebedarf der Pumpenantriebe dar.Typically, pipelined pipeline design system design is selected to minimize the specific transportation cost of crude oil, which accounts for substantially both capital and operating costs using standard cost accounting models (eg present value method). A significant contribution to the operating costs is the cost of the energy required by the pump drives.

Bei der Auslegung beheizter Pipelinesysteme müssen zusätzlich zu den vorstehend genannten Kosten sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten der Aufheizstationen berücksichtigt werden. Einen wesentlichen Beitrag zu den Betriebskosten stellen hierbei die Kosten für den Energiebedarf dieser Aufheizstationen dar.When designing heated pipeline systems, both the investment costs and the operating costs of the heating stations must be taken into account in addition to the costs mentioned above. An essential contribution to the operating costs is the cost of the energy requirements of these heating stations.

1.7 Naheliegende Vorgehensweise bei der Systemauslegung1.7 Obvious approach to system design

Eine naheliegende Vorgehensweise bei der Systemauslegung beheizter, wärmeisolierter Rohölpipeline besteht darin, die Pumpstationen mit elektrischer Energie aus einem bestehenden Energieversorgungssystem zu versorgen. Die in den Pumpstationen installierten Transportpumpen würden dann von Elektromotoren angetrieben, die ihrerseits die benötigte elektrische Energie aus dem vorstehend genannten Energieversorgungssystem erhalten würden.An obvious approach to system design of heated, heat-insulated crude oil pipeline is to provide the pumping stations with electrical energy from an existing power supply system. The transport pumps installed in the pumping stations would then be driven by electric motors, which in turn would receive the required electrical energy from the aforementioned power supply system.

Heizstationen würden je nach Bedarf entlang der Pipelinetrasse angeordnet, die vorzugsweise mit fossilen Brennstoffen zur Rohölerwärmung versorgt würden. Eine elektrische Versorgung der Heizstationen, analog zur Versorgung der Pumpstationen, würde hierbei nicht vorgesehen, da die elektrische Energie nur mit einem vergleichsweise geringen Wirkungsgrad, bezogen auf die Verbrennungsenergie des ursprünglichen fossilen Brennstoffs erzeugt werden kann. Zusätzlich zu berücksichtigen wären elektrische Übertragungs- und Verteilungsverluste zwischen dem externen Kraftwerk und der angeschlossenen Heizstation, insbesondere bei langen Transportwegen für die erzeugte elektrische Energie. Aufgrund des vergleichsweise geringen elektrischen Wirkungsgrads der Stromerzeugung im Kraftwerk würden dort zusätzlich vergleichsweise hohe Emissionen an CO2 und an anderen Verbrennungsgaskomponenten in die Umwelt entstehen. Heating stations would be placed as needed along the pipeline route, which would preferably be powered by fossil fuels for crude oil heating. An electrical supply of the heating stations, analogous to the supply of pumping stations, would not be provided here, since the electrical energy can be generated only with a comparatively low efficiency, based on the combustion energy of the original fossil fuel. In addition, electrical transmission and distribution losses between the external power plant and the connected heating station would have to be taken into account, especially for long transport routes for the electrical energy generated. Due to the comparatively low electrical efficiency of power generation in the power plant, there would additionally be relatively high emissions of CO2 and of other combustion gas components into the environment.

2. Aufgabenstellung2nd task

Auch wenn die vorausgehend skizzierte Vorgehensweise bei der Systemauslegung durchaus üblich erscheint, ergab sich als Aufgabenstellung im Rahmen der Systemauslegung eines neuen beheizten Pipelinesystems für den Rohröltransport, einen Weg zu finden, wie das Rohöl unter Berücksichtigung der Investitions- und Betriebskosten, sowie sicherheitsrelevanter, umweltbezogener, sozio-ökonomischer und landesspezifischer Aspekte möglichst noch kostengünstiger vom vorgesehenen Ausgangspunkt an den beabsichtigten Endpunkt per Pipeline transportiert werden kann.Although the above outlined approach to system design appears to be quite common, the task in the system design of a new heated pipeline system for pipe oil transport has been to find a way, such as crude oil taking into account investment and operating costs, as well as safety, environmental, socio-economic and country-specific aspects can be transported as cost-effectively as possible from the intended starting point to the intended end point by pipeline.

3. Lösung3rd solution

3.1 Ausgangspunkt und Lösungsansatz3.1 Starting point and approach

Ausgangspunkt für die Patentidee war die Überlegung, den Energiebedarf des Gesamtsystems, bestehend im wesentlichen aus den Energiebedarf-Beiträgen der Pumpstationen und Heizstationen – unter Berücksichtigung der Wärmeverluste der Pipelineabschnitte – weiter zu minimieren. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgesehen, die Pump- und Heizstationen im Bereich einer kombinierten Pump- und Heizstation anzuordnen. Um den Wirkungsgrad der Energieerzeugung für den Pumpenantrieb zu maximieren, wird vorgesehen, für die Pumpenantriebe direkt gekuppelte Verbrennungsmotoren (z. B. Kolbenmotoren) oder Gasturbinen, ggf. mit dazwischen angeordnetem mechanischem oder hydraulischem Getriebe zur Drehzahlanpassung vorzusehen. Alternativ hierzu kann der Pumpenantrieb auch mittels Elektromotoren erfolgen, wobei die elektrische Energie in mit Brennstoff betriebenen Antriebseinheiten (z. B. Verbrennungsmotoren) oder in Stromgenerator-Einheiten/Kraftwerken (z. B. für die Energieversorgung elektrischer Pumpenantriebsmotoren) im Stationsbereich bzw. in dessen näherer Umgebung erzeugt wird. In beiden vorstehend beschriebenen Fällen kann dann die in den Pumpen-Antriebsmotoren bzw. Generator-Antriebsmotoren anfallende Abwärme zur Rohöl-Aufheizung im Seitenstrom oder im Hauptstrom des Rohöltransports eingesetzt werden.The starting point for the patent idea was the idea of further minimizing the energy requirements of the overall system, consisting essentially of the energy requirements of the pumping stations and heating stations, taking into account the heat losses of the pipeline sections. For this purpose, the invention provides to arrange the pumping and heating stations in the area of a combined pumping and heating station. In order to maximize the efficiency of the power generation for the pump drive, it is provided to provide for the pump drives directly coupled combustion engines (eg piston engines) or gas turbines, possibly with arranged therebetween mechanical or hydraulic transmission for speed adjustment. Alternatively, the pump drive can also take place by means of electric motors, wherein the electrical energy in fuel-operated drive units (eg internal combustion engines) or in power generator units / power plants (eg for the power supply of electric pump drive motors) in the station area or in its is generated nearer. In both cases described above, the waste heat produced in the pump drive motors or generator drive motors can then be used for crude oil heating in the side stream or in the main stream of the crude oil transport.

Im Rahmen der Systemauslegung gemäß der Patentidee werden insbesondere die folgenden Aspekte zur Ermittlung der technisch und wirtschaftlich optimalen Systemauslegung berücksichtigt:

(a) der Wärmebeitrag aus der Umsetzung des Reibungsdruckverlusts in Wärmeenergie in den Leitungsabschnitten (vgl. auch /3/),
(b) die aus dem Reibungsdruckverlust und durch das Höhenprofil der Leitung verursachten Druckänderungen und die daraus resultierenden erforderlichen Pumpenantriebsleistungen in den Pumpstationen
(c) die zum Antrieb der Pumpen erforderlichen Motorleistungen der Verbrennungsmotoren (z. B. Kolbenmotoren) oder Gasturbinen in den Pumpstationen
(d) der für den Pumpenantriebsmotoren-Betrieb insgesamt erforderliche Brennstoff-Wärmebedarf
(e) die in den Pumpenantriebsmotoren entstehende Motorabwärme sowie
(f) die in den Heizstationen benötigten Wärmeeinträge in das Rohöl.

Within the framework of the system design according to the patent idea, in particular the following aspects are considered to determine the technically and economically optimal system design:

(a) the heat contribution from the conversion of the friction pressure loss into thermal energy in the pipe sections (see also / 3 /),
(b) the changes in pressure caused by the friction pressure loss and by the height profile of the pipe, and the resulting pump drive power required in the pumping stations
(c) the engine outputs of internal combustion engines (eg piston engines) required for driving the pumps or gas turbines in the pumping stations
(d) the total fuel heat requirement required for the pump drive engine operation
(e) the engine waste heat generated in the pump drive motors as well as
(f) the heat input into the crude oil required in the heating stations.

Kernaspekt der Patentidee ist hierbei, die in den Pumpstationen entstehende Abwärme der Antriebsmotoren zu einem großen Teil im Sinne einer Kraft-Wärmekopplung in das zu transportierende Rohöl überzuführen, wobei bei optimaler Abstimmung die Summe

– (A) aus den in Wärmeleistung umgesetzten Reibungsdruckverlusten in den Pipelineabschnitten, sowie
– (B) aus der in den Pumpenantriebseinheiten zurückgewonnenen und in das Rohöl mittels Wärmetauschern übertragene Wärmeleistung

möglichst genau der Wärmeverlustleistung der zugeordneten Pipelineabschnitte zur Umgebung hin entspricht. Im Idealfall einer solchen Auslegung wird es dann nicht erforderlich sein, dem Gesamtsystem zusätzliche Heizwärme, z. B. durch Verbrennung fossiler Heizstoffe zuzuführen.Core aspect of the patent idea here is to convert the heat generated in the pump stations waste heat of the drive motors to a large extent in the sense of a combined heat and power in the crude oil to be transported, with optimum tuning the sum

- (A) from the friction pressure losses in the piping sections converted into heat output, as well
- (B) from the recovered in the pump drive units and transferred into the crude heat exchangers heat output

as closely as possible corresponds to the heat loss performance of the associated pipeline sections to the environment. In the ideal case of such an interpretation, it will then not be necessary to provide the entire system with additional heating heat, eg. B. by burning fossil fuels.

Die Hauptparameter für die weitere Optimierung stellen hierbei (a) der Durchmesser der Pipeline, (b) die Abschnittslänge zwischen den kombinierten Pump- und Heizstationen sowie (c) die Schichtdicke der das Transportrohr umgebenden Wärmeisolierung dar. The main parameters for further optimization are (a) the diameter of the pipeline, (b) the section length between the combined pumping and heating stations and (c) the layer thickness of the heat insulation surrounding the transport tube.

3.2 Berechnungsbeispiel mit Erläuterung der Berechnungsgleichungen3.2 Calculation example with explanation of the calculation equations

3.2.1 Beschreibung3.2.1 Description

1 zeigt die Wärme- und Leistungsbilanzen eines thermisch isolierten, 200 km langen, mit einem Durchmesser von 30 inch (ca. 762 mm) ausgeführten Pipelineabschnitts, welcher mit (durchschnittlichen) Rohöl-Durchsätzen zwischen 150 bpd (ca. 994 m³/h) und 430 bpd (ca. 2849 m³/h) beaufschlagt wird, berechnet für eine betriebliche Transport-Verfügbarkeit von 95%. Die TemperaturProfile wurden hierbei für eine minimale Rohöltemperatur von 75°C am Ende eines Pipelineabschnitts berechnet. Es wird hierbei angenommen, dass am Eingang eines Pipelineabschnitts eine Aufheizstation sowie eine Pumpstation installiert sind. 1 Figure ³ shows the heat and power balances of a thermally isolated, 200 km long, 30 inch diameter pipe section, with (average) crude oil throughputs between 150 bpd (about 994 m ³ / hr) and 430 bpd (approximately 2849 m ³ / h), calculated for an operational transport availability of 95%. The temperature profiles were calculated here for a minimum crude oil temperature of 75 ° C at the end of a pipeline section. It is assumed here that a heating station and a pumping station are installed at the entrance of a pipeline section.

Für die Kurven in 1 werden die folgenden Erklärungen gegeben, wobei im Rahmen des Beispiels von einer horizontalen Leitungsverlegung im betrachteten Pipelineabschnitt ausgegangen wird. Im Folgenden wird zur vereinfachten Beschreibung der rechnerischen Aspekte innerhalb einer Aufheiz- und Pumpstation jeweils nur von einer Pumpe, einem daran direkt bzw. mittels zwischengeschaltetem Getriebe gekuppelten Verbrennungsmotor (z. B. Kolbenmotor) oder alternativ Gasturbine, sowie von einem Wärmetauscher ausgegangen, in dem das Rohöl z. B. stromabwärts der Pumpen-Austrittsseite von der Pumpenaustrittstemperatur bis auf die erforderlich Eintrittstemperatur des nachfolgenden Pipelineabschnitts erwärmt wird.For the curves in 1 The following explanations are given, assuming in the example of a horizontal routing in the considered pipeline section. In the following, in order to simplify the description of the computational aspects within a heating and pumping station, in each case only one pump, an internal combustion engine (eg piston engine) coupled thereto directly or by means of an intermediate transmission, or alternatively a gas turbine, and a heat exchanger are assumed the crude z. B. downstream of the pump outlet side of the pump outlet temperature is heated to the required inlet temperature of the subsequent pipeline section.

3.2.2 Gleichungen3.2.2 equations

a) Heat loss of the heat-insulated buried pipeline to the environment (Q_loss_amb):
The heat loss of the thermally insulated pipeline represents the total heat flux of the considered line section to the environment according to the following equation (with n subsections):
The curve is slightly sloping and reflects the fact that at lower flow rates, higher inlet temperatures are required in the line section under consideration.
b) Power requirement to overcome the friction pressure loss (N_frict)
The power requirement for overcoming the friction pressure loss arises too N. frict = V. pump · Δp pump
c) Power demand related to the pump drive shaft (N_shaft)
The power demand related to the pump drive shaft is
d) Fuel heat demand of the pump drive motor (Q_LHV_motor)
The fuel heat demand of the pump drive motor is Q. LHV, motor = N. shaft / η mot
e) Crude oil temperature increase in the pump
The crude oil temperature increase in the pump is
The crude oil temperature rises in the pump because the efficiency is less than 1.
f) Heat transferred to the crude oil in the heat exchanger
The heat output transferred to the crude oil in the heat exchanger is (with Tin = inlet temperature in the following pipeline section, Tout = outlet temperature from the pipeline section preceding the pump / heating station) Q. heater = m · c p · (T in -ΔT pump -T out )
g) Fuel heat demand of the heat exchanger, related to the LHV (Q_LHV_heater)
The fuel heat demand of the heat exchanger, based on the lower fuel calorific value (LHV) assuming that this heat exchanger with fuel such. As natural gas, diesel oil, crude oil is fired, is Q. LHV, heater = Q. heater / η heater
h) Total fuel heat demand, based on the LHV (Q_LHV_total)
The total fuel heat demand, based on the lower calorific value (LHV) Q. LHV, total = Q. LHV, engine + Q. LHV, heater

Die mit Q_LHV_tot_no_recov bezeichnete Linie im Diagramm in 1 stellt hierbei die insgesamt erforderliche Heizleistung (angegeben als LHV) der kombinierten Aufheiz-/Pumpstation dar, falls keine Wärmerückgewinnung aus den Pumpen-Antriebsmotoren realisiert würde. Die mit Q_LHV_tot_LHV_recov gekennzeichneten Punkte stellen die insgesamt erforderliche Heizleistung (angegeben als LHV) der kombinierten Aufheiz-/Pumpstation dar unter der Annahme, dass die vom Pumpenantriebsmotor/Gasturbine abgegebene Verlustwärme weitgehend rückgewonnen, und an den Rohölstrom übertragen wird.The line labeled Q_LHV_tot_no_recov in the diagram in 1 represents the total required heating power (indicated as LHV) of the combined heating / pumping station, if no heat recovery from the pump drive motors would be realized. The points marked Q_LHV_tot_LHV_recov represent the total heating power required (expressed as LHV) of the combined heating / pumping station, assuming that the heat lost by the pump drive motor / gas turbine is largely recovered and transferred to the crude oil flow.

Dem Diagramm in 1 ist insbesondere zu entnehmen, dass bei Realisierung der vorgeschlagenen Wärmerückgewinnung innerhalb der kombinierten Pump-/Aufheizstation im Auslegungspunkt (300 kbpd, entsprechend 1988 m³/h) die gesamte von der kombinierten Pump-/Aufheizstation aufgenommenen Heizleistung (dargestellt als LHV) nur geringfügig höher ist als die Wärmeverlustleistung des angeschlossenen Leitungsabschnitts. Damit verbunden ist ein außergewöhnlich hoher Gesamt-Wirkungsgrad des von der kombinierten Pump- und Heizstation aufgenommenen Brennstoffleistung.The diagram in 1 It can be seen in particular that when the proposed heat recovery within the combined pump / heat station at the design point (300 kbpd, corresponding to 1988 m ³ / h) is realized, the total heating power consumed by the combined pumping / heating station (shown as LHV) is only slightly higher is the heat loss of the connected line section. This is associated with an exceptionally high overall efficiency of the recorded by the combined pumping and heating station fuel performance.

Als abschließender Optimierungsschritt im Rahmen einer Systemauslegung wird vorgeschlagen, die zunächst angenommenen Werte des Leitungsdurchmessers und der Leitungslänge bzw. so aufeinander abzustimmen, dass der Pumpstations-Ausgangdruck mit dem gebotenen Sicherheitsabstand etwa dem maximal zulässigen Leitungsdruck bei dem minimal zulässigen Verhältnis aus Rohrwanddicke und Rohrdurchmesser (z. B. 1%) entspricht; dies wäre bei einem Designfaktor nach ANSI B31.4 von 0.72 und Stahlsorte X65 gemäß API 5L etwa ein Druck in der Größenordnung von 64 bar. Als weiterer Optimierungsparameter ist die Schichtdicke der Wärmeisolierung in Betracht zu ziehen.As a final optimization step in the context of a system design, it is proposed to match the initially assumed values of the pipe diameter and the line length so that the pump station outlet pressure with the required safety distance is approximately equal to the maximum permissible line pressure at the minimum permissible pipe wall thickness and pipe diameter ratio (e.g. B. 1%); this would be a pressure of the order of 64 bar, given an ANSI B31.4 design factor of 0.72 and grade X65 API 5L. As a further optimization parameter, the layer thickness of the thermal insulation is to be considered.

Mit der genannten Vorgehensweise sollte eine weitestgehende Optimierung der Systemauslegung des beheizten Rohöl-Transportsystems im Hinblick auf eine Minimierung der spezifischen Transportkosten möglich sein.The above procedure should allow for the greatest possible optimization of the system design of the heated crude oil transport system with a view to minimizing the specific transport costs.

4. Literaturangaben4. References

/1/ Description Heat Tracing System Mangala Project (MDP) India, (see p. 16), downloaded on 07.02.2014 at http://www.cairnindia.com/sites/default/files/investor-presentation-pdf/AnalystsRajasthanSiteVisitFeb09 0.pdf
/ 2 / PENTAIR: Managing the flow of crude oil along 700 km of pipeline using Raychem STS, downloaded on 25.01.2014 from the internet at http://www.pentairthermal.com/Images/EN-STSCairnIndiaCrudeOil-WPCS-H80931 tcm432-38489.pdf
/ 3 / A. Uhde, G. Kopp: Pipeline Problems. Resulting from the Handling of Waxy Crudes, Journal of the Institute of Petroleum, Vol. 554, March 1971, pp. 63-73
/ 4 / Klaus-Dieter Kaufmann, ILF Consulting Engineers, Germany: High-Efficient Heating Concept for Long-Distance Pipeline Transport of Waxy / High Pour Point Crude Oil; Pipeline Technology Journal - September 2014, pp. 44-52
/ 5 / Rafael Martínez-Palou et al.: Transportation of Heavy and Extra Heavy Crude Oil by Pipeline: A Review; Journal of Petroleum Science and Engineering 75 (2011) 274-282
/ 6 / Perry, G., 2007. Method of Shear Heating of Heavy Oil Transmission Pipelines. Canadian Patent Application 2524542 ,

5. Formelzeichen

5. Formula symbol

Claims

Process for pumping and heating fluids, eg. B. of petroleum and petroleum products in pipelines, especially in underground pipelines over long transport distances, characterized, (a) that the pumping and heating stations are each arranged as combined stations along the line, (b) that as drive units of the pump combustion engines, eg , B. piston engines or gas turbines are provided, the shafts are mechanically connected to the pump drive shafts, optionally with interposed gears for speed adaptation, (c) that alternatively to (b), electric motors are used as pump drives, wherein the electrical energy production via a multiple generator unit (s) or via one / more power unit (s), (d) that the waste heat generated in the internal combustion engines or generator units is used to a great extent for crude oil heating in the side stream or in the main stream of the transported crude oil, (e) that in the throughput design point the sum - from the in a pipeline Line section by friction in heat converted thermal power and - from the costs incurred in the associated pumping station in the internal combustion engines or generator units and in the crude heat exchange largely completely transferred heat output and - from the caused in the pumping station by fluid friction heat input into the crude oil, - as accurately as possible Heat loss performance of the above-mentioned pipeline line section corresponds to the environment, so that in the flow rate design point in the combined pumping and heating stations no additional z. B. generated by combustion of fossil fuels external heat must be supplied.

A method according to claim 1, characterized in that the desired heat and power balance of each considered combined pumping and heating station within the system design for the material data and the design throughput by combinatorial variation of the most important factors: pipeline diameter, pipeline section length and selected insulation layer thickness is determined .

Method according to one of claims 1 to 2, characterized in that in the context of system optimization, the assumed values of the line length or the pipe diameter are coordinated so that the output pressure of the pumping station with the required safety distance about the maximum allowable line pressure at the minimum allowable ratio from pipe wall thickness and pipe diameter (eg 1%).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the transported fluid itself finds use as fuel of the drive units, for. B. Crude oil as a heating medium for a crude oil transporting pipeline.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fuel of the drive units is hydrogen, natural gas, gasoline, naphtha, diesel fuel or other suitable for heat or power generation fluid.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fuel is supplied in a parallel to the transport pipe laid pipeline of the combined pumping and heating station.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fuel of the drive units is separated from the transported fluid stream z. B. by means of a so-called 'topping unit' or a 'mini refinery', and this separation takes place in the station area or in its immediate vicinity.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the presence of a flow rate below the station design point, the transport fluid temperature is brought in an additional heating station to the required inlet temperature in the subsequent pipeline section.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that in the presence of a flow rate above the station design point, the transport fluid in a recooling station z. B. is recooled by ambient air in order to avoid an undesirable or inadmissible friction-induced temperature increase in the / the subsequent line sections.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the transport fluid arriving from a pipeline section N upstream of the station area in the station area, as in 2 initially in the pumping station ( 1 ) is brought to the required transport pressure, then in the adjoining heat recovery station ( 2 ) by accumulating in the internal combustion engines or generator units waste heat ( 3 ) is heated further, then in the presence of a flow rate below the design point in an additional heating station ( 4 ) is brought to the required inlet temperature in the subsequent pipeline section, but optionally also in the presence of a flow rate above the design point in a z. B. arranged parallel to the heating stations recooling station ( 5 ) and then in the subsequent line section N + 1 downstream of the pipeline shut-off valve ( 6 ) is fed.