NO335456B1 - Fremgangsmåte og arrangement for direkteoppvarming av rørledninger - Google Patents

Abstract

Anordning for høyeffektivitets induksjonsoppvarming eller direkte elektrisk oppvarming, DEH, av et antall M, M?[1,+ N] ¦, fra en gruppe av parallelle undervannsrørledninger N, der N?[2,+ 8> ¦, og der et antall lederkabler, W, forsyner elektrisk kraft fra minst én toppsidekraftforsyning (207, G1, G2) til M av de parallelle undervannsrørledningene N. Antallet elektriske ledere, W, fra den minst ene toppsidekraftforsyningen (207, G1, G2) koblet til de M rørledningene er definert å være i gruppen W?[N,N+1], der N, W og M er naturlige tall. Videre vises et system for induksjonsoppvarming eller DEH av undervannsrørledninger.

Description

Beskrivelse

[0001] Foreliggende oppfinnelse omhandler en anordning og systemelementer for direkte elektrisk oppvarming av undervannsrørledninger, mer spesifikt omhandler den foreliggende oppfinnelse en Anordning for høyeffektivitets induksjonsoppvarming eller direkte elektrisk oppvarming, DEH, av et antall M rørledninger og et system for DEH eller induksjonsoppvarming av i det minste en første av minst to parallelle undervannsrørledninger.

Teknisk område

[0002] Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning og et system for direkte elektrisk oppvarming av undervannsrørledninger, og mer spesifikt vedrører den en anordning for høyeffektivitets induksjonsoppvarming eller direkte elektrisk oppvarming, DEH - Direct Electrical Heating, av et antall M,

M , fra en gruppe av N parallelle undervannsrørledninger, der

N , og der et antall lederkabler, W, forsyner elektrisk kraft fra minst én toppsidekraftforsyning til M av de N parallelle

undervannsrørledningene. Ifølge oppfinnelsen vedrører det viste systemet nærmere bestemt et system for direkte elektrisk oppvarming av undervannsrørledninger eller induksjonsoppvarming av i hvert fall en første av minst to parallelle undervannsrørledninger omfattende lederkabler hvorav minst én forsyner elektrisk kraft fra toppsiden til den i hvert fall første av minst to parallelle undervannsrørledninger.

Kjent teknikk

[0003] Ved ubehandlet brønnstrømning i vanlige undervannsrørledninger vil temperaturen til olje, gass og produsert vann falle raskt som følge av kjøling fra sjøvannet rundt. Den lave temperaturen resulterer i uønskede fluidegenskaper. Ved høye trykk begynner hydrater å avsettes allerede ved temperaturer i området fra 20-25°C. Store mengder hydrat, som er tilsvarende iskrystaller, kan sette seg på rørveggen og blokkere transporten av brønnstrømningen. Ved noen felter kan også voksdannelse i den strømmende råoljen forårsake driftsproblemer som følge av økt trykktap i rørledningen. Viskositeten til voksaktig olje kan være så høy at "brønnhodetrykket ved full stengning" ikke vil være tilstrekkelig til å få det kalde fluidet til å strømme igjen etter en langvarig nedstengning. Bruk av kjemikalier for å fjerne hydrater vil i praksis innebære bruk av metanol eller glykol. Ulempen med bruk av kjemikalier er at store mengder ofte er nødvendig og at de medfører en fare for miljøet dersom det skulle oppstå en lekkasje.

[0004] En måte å fjerne hydrater er å tilføre varme til innholdet i røret. Direkte elektrisk oppvarming (DEH) har vært utviklet og prøvet ut for oppvarming av rørledninger og er installert på flere undervannsrørledninger i Nordsjøen. Elektrisk oppvarming av rørledninger innebærer redusert investering i trykkavlastningssystemer og gjenvinningsanlegg for kjemiske restprodukter. Spesielt for dypvannsfelter er elektrisk oppvarming av rørledninger gunstig for å oppnå en pålitelig drift av transportrørledninger. Metoden, som har anvendt et énfase 50/60 Hz drevet system, er illustrert i LL21.

[0005] Både enkeltstående og grupper av rørledninger blir installert i henhold til prinsippet beskrevet i [ 1, 21. For doble rørledninger er tilførselskablene, det dynamiske stigerøret og den statiske mateledningen i dag forsynt med fire ledere. Som følge av den høye strømmen som kreves for å drive DEH-systemet er store ledertverrsnitt nødvendig for å unngå overoppvarming av disse kablene.

[0006] DEH-systemet blir forsynt fra en vekselstrømforsyning av spesiallagede tilførselskabler (stigerørkabler, statiske énleder matekabler etc.) til rørtilkoblingspunktet ved den nære enden og til piggyback-kabelen, som er trukket langs rørledningen til rørtilkoblingen ved den fjerne enden. Ved begge tilkoblingsendene er rørledningen forsynt med anoder. Disse anodene sørger for jording av rørledningen og overfører noe av strømmen til sjøvannet. For å opprettholde tettheten til overføringsstrømmen både for anodene og for rørstålet gjennom eventuelle sprekker i rørets termiske belegg er det nødvendig å fordele et tilstrekkelig antall anoder over en lengde på omtrent 50m (strømoverføringssone, CTZ - Current Transfer Zone). Returstrømmen går delvis gjennom sjøvann og delvis gjennom rørledningen, som er ment å varmes opp. Kretsene er ikke lukkede omløpskretser, som følge blant annet av sikkerhetsgrunner ettersom anodene og rørledningene ikke er elektrisk isolert fra sjøvannet rundt. I tillegg til anodene ved hver ende kan rørledningen være forsynt med distribuerte anoder for å begrense spenningen i røret som vil oppstå dersom de magnetiske og/eller elektriske egenskapene til rørstålet (i de enkelte rørlengdene) varier langs rørledningen.

[0007] I tillegg til problemet knyttet til stigerørkablenes store tverrsnitt har kjente DEH-metoder problemer med vekselstrømskorrosjon av anoder. Det er også problemer knyttet til sikkerhetsavstander til stålkonstruksjoner, spesielt nær ved strømoverføringssoner i tradisjonelle DEH-systemer for undervannsrørledninger.

[0008] Det er kjent fra US2010101663 (A1) en fluidstrøm inne i en landbasert transportrørledning som oppvarmes med en lavspenning og høy strømstyrke indusert til en ledende lukket sløyfestruktur av en eller flere transformatorer. Den lukkede sløyfestrukturen er fordelaktig en fluidtransportrørledning konstruert av elektrisk ledende deler av rørledningen. Mengden av strøm som induseres er tilstrekkelig i henhold til den iboende resistiviteten for de konduktive deler til å forårsake generering av varme innenfor rørledningsdelene.

[0009] WO2007011230 (A1) viser en kraftforsyning som tilveiebringer elektrisk effekt til en elektrisk lastkrets omfattende trefase elektrisk effektgenerering og transmisjonssystemet 1 som er koplet til en elektrisk last 4, 2, 21. Trefasegenererings- og transmisjonssystemet er forbundet til nevnte undersjøiske elektriske last 4, 2, 21 via en trefase til tofasetransformator 2, nevnte elektriske last er forbundet til den andre side av nevnte trefase til tofasetransformator 2 for således å danne en balansert elektrisk last på trefase forsyningssystemet. Effektforsyningssystemet kan videre være forbundet til en endelast 30 for å tilveiebringe effekt til komponenter eller utstyr forbundet til eller forsynt fra endelasten 30 for tilveiebringelse av effekt til komponenter eller utstyr forbundet til eller kraftforsynt av endelasten 30.

[0010] EP2166637 (A1) viser et effektforsyningsarrangement for å levere elektrisk kraft til en rørledning. Effektforsyningssystemet forsyner et DEH- system for et rørledningssystem som omfatter trefasetransformator 2, en

symmetrienhet 14 og en kompensasjonsenhet 22.

[0011 ] Andre eksempler på systemer og fremgangsmåter for oppvarming av rørledninger kan finnes I US 2003/0016028 A1, US 6509557 B1 and NO 304533 B1.

[0012] Foreliggende oppfinnelse viser nye utførelser av de elektriske kretsene som er anvendelige med både enkeltstående og grupper av rørledninger, som medfører at antallet énleder tilførselskabler og ledertverrsnittet kan reduseres. Krafttapene i kablene er betydelig redusert, noe som løser problemet med overoppvarming. Dette utgjør en forbedring spesielt for tilførselskablene, flerleder stigerørskabler, trukket fra overflaten til koblingene for DEH-kablene undervann. Den nye fremgangsmåten innebærer at både antallet énlederkabler og kabelledertverrsnittet kan reduseres, og reduserer således investeringskostnaden betydelig.

[0013] Videre er det et mål med foreliggende oppfinnelse å løse eller redusere problemer knyttet til vekselstrømskorrosjon og eksponering av magnetfelt og lekkasjestrøm i nærliggende konstruksjoner, som angitt over.

Sammenfatning av oppfinnelsen

[0014] Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås av en anordning for høyeffektivitets induksjonsoppvarming eller direkteoppvarming, DEH, av et antall parallelle undervannsrørledninger.

[0015] Spesielt tilveiebringes en anordning for høyeffektivitets induksjonsoppvarming eller direkte elektrisk oppvarming, DEH, av et antall M rørledninger, der M , fra en gruppe av parallelle undervannsrørledninger N arrangert tilstøtende hverandre, der N og der et antall lederkabler, W, forsyner elektrisk kraft fra minst én toppsidekraftforsyning til M av de parallelle undervannsrørledningene N. Antallet elektriske ledere W fra den minst ene toppsidekraftforsyningen koblet til de M rørledningene er definert å være innenfor gruppen W , der N, W og M er naturlige tall. Oppfinnelsen er videre kjennetegnet ved at elektrisk vekselstrøm med ulik fasevinkel i hver av de W elektriske lederne blir forsynt til de M rørledningene.

[0016] Ifølge én utførelsesform av oppfinnelsen blir den i hvert fall første av to rørledninger forsynt med elektrisk kraft ved CTZ-sonen ved den fjerne enden av de minst to rørledningene.

[0017] En annen utførelsesform av oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den elektriske kraften ved den fjerne enden av to rørledninger, den første og en andre rørledning, blir forsynt av én kraftkabel som er trukket parallelt med de to rørledningene og som er koblet til den første rørledningen ved CTZ-sonen ved den fjerne enden, strøm blir overført gjennom den første rørledningen til CTZ-sonen ved den nære enden, den første rørledningen er elektrisk koblet til den andre rørledningen ved CTZ-sonen ved den nære enden, strøm blir overført gjennom den andre rørledningen til CTZ-sonen ved den fjerne enden, mens returstrøm blir returnert til et stigerør av én kraftkabel koblet til den andre rørledningen ved CTZ-sonen ved den fjerne enden.

[0018] Nok en annen utførelsesform av oppfinnelsen er kjennetegnet ved at en kortslutningsforbindelse (k) er koblet mellom tilkoblingene ved CTZ-sonene ved den fjerne enden/nære enden av de to rørledningene.

[0019] Nok en annen utførelsesform av oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den elektriske kraften ved den fjerne enden av de minst to rørledningene, den første og den andre rørledningen, blir forsynt av én kraftkabel, som er trukket parallelt med de to rørledningene og som er koblet til den første rørledningen ved CTZ-sonen ved den fjerne enden, strøm blir overført gjennom den første rørledningen til CTZ-sonen ved den nære enden, den første rørledningen er elektrisk koblet til den andre rørledningen og til en sentral returleder ved CTZ-sonen ved den nære enden, strøm blir overført gjennom den andre rørledningen til CTZ-sonen ved den fjerne enden, mens returstrøm fra den andre rørledningen blir returnert til et stigerør av én kraftkabel koblet til den andre rørledningen ved CTZ-sonen ved den fjerne enden.

[0020] Nok en annen utførelsesform av oppfinnelsen er kjennetegnet ved at faseforskjellen mellom strømmens fasevinkler forsynt fra toppsiden er 2tt/M, der M er antallet rørledninger som skal varmes opp.

[0021] Nok en annen utførelsesform av oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den

minst ene kraftforsyningen er en kraftkilde med frekvens 50-200Hz.

[0022] Nok en annen utførelsesform av oppfinnelsen er kjennetegnet ved at mellomliggende anoder er koblet til de M rørledningene mellom CTZ-sonene ved den nære enden og ved den fjerne enden.

[0023] Ifølge ett aspekt ved oppfinnelsen er anordningen for høyeffektivitets induksjonsoppvarming eller direkte elektrisk oppvarming angitt over videre kjennetegnet ved at i hvert fall deler av den minst ene av rørledningene som skal varmes opp er behandlet med overflatebehandlingsmetoder for å oppnå en optimal rørimpedans. Overflatebehandlingsmetoden kan inkludere stålsandblåsing. Videre tilveiebringes en vurdering av DEH-ytelsen til de i hvert fall delene av rørledningene som skal varmes opp ved hjelp av endelig elementsimuleringer der en ekvivalent elektrisk krets til de i hvert fall delene av rørledningene som skal varmes opp, og kraftforsyningsledere, blir gitt som innmating til endelig elementsimuleringene. Ifølge ett aspekt ved oppfinnelsen omfatter innparametrene til endelig elementmetoden i hvert fall: ur, relativ permeabilitet, som er en funksjon av strøm og avstand mellom en rørledning som skal varmes opp og en kraftforsyningskabel som er trukket parallelt med rørledningen eller en del av rørledningen,

Cp1, som er en funksjon av den elektriske strømmen i røret og

avstanden mellom kraftforsyningskabelen og røret,

Zc1, som er impedansen til kraftforsyningskabelen som er trukket

parallelt med rørledningen eller en del av rørledningen,

Zp1, som er impedansen til rørledningen eller en del av rørledningen

unntatt Cp1, og

Zs, som er impedansen til sjøvannet rundt nevnte rørledning eller del av en rørledning.

[0024] Nok en annen utførelsesform av oppfinnelsen er kjennetegnet ved at en andre kraftforsyning G2 er tilveiebrakt for å forsyne strøm i en overføringsstrøm-reduksjonskabel trukket parallelt med den eller de oppvarmede rørledningen(e) M i en avstand, d, og at strømmen gjennom overføringsstrøm-reduksjonskabelen justeres slik at den er lik verdien til en stasjonær strøm i sjøvann, slik at strømoverføringen gjennom CTZ-sonen reduseres. Ifølge ett aspekt antas det videre at fasevinkelen til reduksjonsstrømmen vil være forskjøvet omtrent 180° i forhold til den totale overføringsstrømmen.

[0025] Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås også av et system for DEH eller induksjonsoppvarming av i det minste en første av minst to parallelle undervannsrørledninger.

[0026] Systemet for DEH eller induksjonsoppvarming av i hvert fall en første av minst to parallelle undervannsrørledninger omfatter spesielt kraftkabler hvorav minst én forsyner elektrisk kraft fra toppsiden til den i hvert fall første av minst to parallelle undervannsrørledninger, i det systemet videre omfatter:

minst én kraftforsyning på toppsiden,

minst én stigerørkabel som inkluderer minst to kraftkabler, og minst to forbindelser fra de minst to kraftkablene fra det minst ene stigerøret, én forbindelse til en returkraftkabel ved CTZ-sonen ved den nære enden, der returkabelen er trukket parallelt med en andre rørledning og er koblet til den andre rørledningen ved CTZ-sonen ved den fjerne enden, og én forbindelse til en kraftforsyningskabel ved CTZ-sonen ved den nære enden som er trukket parallelt med den første rørledningen og som er koblet til CTZ-sonen ved den fjerne enden av den første rørledningen.

[0027] Ifølge ett aspekt ved oppfinnelsen er systemet for DEH eller induksjonsoppvarming kjennetegnet ved at minst én kondensatorbank er tilveiebrakt mellom kraftforsyningskablene.

[0028] I annet aspekt ved systemet for DEH eller induksjonsoppvarming vises det at en andre kraftforsyning G2 er tilveiebrakt for å forsyne strøm i en overføringsstrøm-reduksjonskabel trukket parallelt med den eller de oppvarmede rørledningen(e) M i en avstand, d, og at strømmen gjennom overføringsstrøm-reduksjonskabelen justeres slik at den er lik verdien til en stasjonær strøm i sjøvann, slik at strømoverføringen gjennom CTZ-sonen reduseres.

[0029] Disse og ytterligere fordeler med foreliggende oppfinnelse vil fremgå av de

vedføyde selvstendige kravene.

[0030] Spesielt fordelaktige utførelsesformer vil fremgå av de uselvstendige kravene.

Kort beskrivelse av tegningene

[0031] Foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet med støtte i de vedlagte

tegningene, der,

[0032] Figur 1A viser en tradisjonell DEH-løsning,

[0033] Figur 1B viser en ekvivalent krets til figur 1 A,

[0034] Figur 2A viser ett eksempel på en ny DEH-løsning ifølge ett aspekt ved

foreliggende oppfinnelse,

[0035] Figur 2B viser ekvivalent krets til figur 2A med et stigerør med to ledere,

[0036] Figur 2C viser en ekvivalent krets til figur 2A med et stigerør med tre

ledere,

[0037] Figur 3A viser en tradisjonell tilførselskabelutførelse, nødvendig for tilfellet

i figur 1A,

[0038] Figur 3b viser et eksempel på et design ifølge én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse med to ledere (samtidig oppvarming av to rørledninger med lik tilførselsstrøm), aktuell for tilfelle B i figur 2B,

[0039] Figur 3c viser et eksempel på et design ifølge én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse med tre ledere (samtidig eller enkeltvis oppvarming av to rørledninger), aktuell for tilfelle C i figur 2C,

[0040] Figur 4 viser systemet i figur 2A med rørledninger koblet sammen (av

kabler) ved den fjerne enden,

[0041] Figur 5 viser tilfellet med én enkelt rørledning som varmes opp i samsvar med én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse der en "tredje leder" er nødvendig (antatt omtrent 180° forskjell i fasevinkel mellom de to strømmene ved oppvarming av begge rørledningene),

[0042] Figur 6 viser én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse med tre rørledninger med et trefasesystem (tre ledere i stigerørkabelen er nødvendig),

[0043] Figur 7 viser induksjonsoppvarming med et énfasesystem der

rørledningene er forbundet av kabler ved hver ende,

[0044] Figur 8 viser et eksempel på induksjonsoppvarming i samsvar med en utførelsesform med tre rørledninger med et trefase

induksjonsoppvarmingssystem,

[0045] Figur 9 illustrerer et eksempel ifølge en utførelsesform med "n"

rørledninger,

[0046] Figur 10 viser et eksempel på en DEH-løsning der DEH-kabelen kan være anordnet på (piggybacked) eller befinne seg nærved rørledningen, der kabelen også kan være understøttet av et mekanisk beskyttelsessystem,

[0047] Figur 11 viser et eksempel på et eksperimentelt testoppsett for å

bestemme impedansen til rørlengder,

[0048] Figur 12 viser en ekvivalent elektrisk krets for det eksperimentelle

testoppsettet i figur 11,

[0049] Figur 13 viser en ekvivalent elektrisk krets for endelig

elementsimuleringene av elektrisk DEH-ytelse,

[0050] Figur 14 viser en fremgangsmåte for reduksjon av overføringsstrøm gjennom anodene i CTZ-soner ifølge ett aspekt ved foreliggende oppfinnelse der avstanden mellom en direkte elektrisk oppvarmet rørledning og overføringsstrøm-reduksjonskabelen, d, er bestemt av kraftfrekvensen, typisk 5m (eller mer). V og 'lp' er strømmen henholdsvis i sjøvann og rørledning,

[0051] Figur 15 viser et eksempel på en kompenseringsenhet (kondensatorbank) anordnet under vann for å redusere ledertverrsnittet til énlederkabler i det elektriske stigerøret,

[0052] Figur 16 viser et eksempel på oppvarming av én enkelt rørledning i samsvar med kjent teknikk med en matekabel anordnet på rørledningen og flere anoder, og

[0053] Figur 17 viser et eksempel på oppvarming av én enkelt rørledning i samsvar med kjent teknikk, der returstrømmen i sjøvann er angitt.

Utførlesesform(er) av oppfinnelsen

[0054] Foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet med støtte i og under henvisning til de vedlagte tegningene. Tegningene er ikke målrette og de er kun ment for å lette forståelsen av prinsippene som vises her.

[0055] Oppfinnelsen inkluderer et komplett system for DEH eller induksjonsoppvarming av én eller flere rørledninger, inkludert kabelsystemet fra toppsiden gjennom stigerør, som forsyner kraft. I samsvar med oppfinnelsen er det også vist løsninger for elementer som er del av et komplett system for DEH eller induksjonsoppvarming. Løsninger for anoder for tilkobling til direkte elektrisk oppvarmede rørledninger er også inkludert.

[0056] Det skal bemerkes at kraftforsyningskabler til DEH-rørledningene normalt er anordnet på rørledningene (piggybacked), men selv om benevnelsen piggybacked eller piggyback-kabler blir anvendt må det imidlertid forstås at denne kan inkludere én eller flere parallelle tilførselskabler som ikke er anordnet på DEH-rørledningen, eller piggybacked (figur 10). Videre blir ordene kraftkabel/-kabler, matekabel/-kabler og/eller ledere i betydningen ledere som forsyner strøm/kraft anvendt om hverandre i hele denne beskrivelsen.

[0057] Det foreliggende DEH-systemet er utprøvet for 50/60 Hz, men i prinsippet kan høyere frekvenser bli anvendt. Det mest interessante frekvensområdet er primært opptil 200 Hz. Kraftkabler er i bruk for andre formål ved disse frekvensene (kraftkabler til pumper ved VSD etc.) og det forventes derfor at modifikasjon av kablene til bruk med DEH vil kreve begrensede endringer. Høyere frekvenser kan kreve omfattende testing for å utvikle et passende kabelisolasjonssystem.

[0058] De installerte DEH-systemene for parallelle rørledninger blir tradisjonelt forsynt fra samme (lik) drevet fase for den piggybackede DEH-kabelen til hver rørledning (figur 1A).

[0059] Ifølge foreliggende oppfinnelse introduserer systemet for DEH og induksjonsoppvarming blant annet oppvarming av parallelle rørledninger matet fra en kraftforsyning ved forskjellige fasevinkler for å redusere strømmen i tilførselskablene når rørledningene blir varmet opp samtidig.

[0060] Tradisjonelle DEH-systemer inkluderer en separat kraftforsyningskabel og en separat returkabel for hver DEH-rørledning (figur 1A) og videre er ikke rørledningene 111 og forbindelsene fra kraftkablene 110 til rørledningene 111 elektrisk isolert fra det omkringliggende sjøvannet (figur 17). DEH-systemet er således ikke et lukket omløpssystem ettersom det vil gå elektrisk strøm 1701 i sjøvannet parallelt med DEH-rørledningene. Som en følge av dette er det ikke mulig å tilveiebringe et effektivt DEH-system ved bare å tilveiebringe en lukket elektrisk sløyfe for flere rørledninger som skal varmes opp enten ved DEH eller induksjonsoppvarming (figur 17).

[0061] I det følgende vil en ny løsning for én eller flere kraftforsyninger fra toppsiden 207 til den fjerne enden av én eller flere rørledninger bli beskrevet. Etter dette vil det bli beskrevet løsninger som øker effektiviteten i oppvarmingen av enkeltstående eller parallelle rørledninger som sådan. For å løse problemer knyttet til høye strømmer ved anoder i CTZ-sonen og for å fullstendiggjøre bildet av et komplett system for DEH av rørledninger, vil det også bli vist en løsning for å redusere strømmen gjennom anodene i CTZ-sonen (figur 14). Til slutt, for å inkludere flest mulig DEH-løsninger viser DEH-systemet ifølge foreliggende oppfinnelse også en kompenseringsenhet som reduserer stigerørkablenes størrelse (figur 15). I samsvar med foreliggende oppfinnelse vil det således bli vist et komplett system for DEH som inkluderer flere elementer som danner dette systemet.

[0062] Figur 1A viser tilfellet med det tradisjonelle systemet som anvender lik fase for piggybackkablene 110.1 dette tilfellet er 4 énlederkabler nødvendig i en stigerørkabel 105, med lik total strøm i alle énlederkablene. Et ekvivalent kretsdiagram er illustrert for dette tilfellet i figur 1B, med impedanser angitt som 117, 118 og 119 for de to rørledningene 111. Følgende indekser gjelder for figur 1B:

Impedansene i tilknytning til rørledningene 111 er:

117 - impedans for piggybackkabel

118 - impedans for rørledning 111

119 - impedans for sjøvann og havbunn

[0063] Matestrømmen til den øverste rørledningen er angitt som h, mens

matestrømmen til den nederste rørledningen er angitt som l2.

[0064] Figur 2A viser en anordning og et system ifølge én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse med 180° forskjell i fasevinkel mellom strømmene 203 i piggybackkablene til hver rørledning.

[0065] Følgende indekser gjelder henholdsvis for figur 2B og 2C:

Kretsekvivalentene er:

For B: Et elektrisk stigerør med 2 ledere er nødvendig når lik absoluttstrøm h og ber nødvendig for å forsyne de to rørledningene. Henvisningstallene i figurene er:

217: impedans for piggybackkabel

218: impedans for rørledning

219: impedans for sjøvann og havbunn 202: representerer strømmene som går i rørledningene 201: representerer strømmen i sjøvannet, ls, som for B er tilnærmet null.

For C: Et elektrisk stigerør med 3 ledere er nødvendig når to rørledninger varmes opp, som krever forskjellig strøm. De samme navn er anvendt for henvisningene som i figur 2B, men sjøvannsstrømmen 201 er imidlertid en funksjon av strømubalansen mellom rørledningene, og denne strømmen står i kommunikasjon med overflaten G1, G2 gjennom en egen kabel i stigerøret.

[0066] Ved den fjerne enden er rørledningene koblet sammen av kraftkabler (figur 2A), og overføringsstrømmene gjennom anodene i CTZ-sonen vil således være betydelig redusert sammenliknet med den tradisjonelle løsningen. På figur 2A det er antydet en kortslutningsforbindelse (kabel) "k" 214 ved den fjerne enden og ved den nære enden. Kortslutningene i rørendene vil redusere strømmen gjennom sjøvannet betydelig og således bidra til å begrense strømmen gjennom anodene til et minimum. Risikoen for korrosjon som følge av vekselstrøm vil derfor være liten, selv ved kontinuerlig oppvarming. Sikkerhetsavstanden til stålkonstruksjoner, ventiler etc. kan således reduseres betydelig sammenliknet med tilfellet i figur 1 A. Kun to ledere (figur 2B) i stigerørkabelen er koblet sammen og temperaturøkningen i det elektriske stigerøret vil derfor være vesentlig redusert sammenliknet med det tradisjonelle tilfellet (figur 1A). Den totale returstrømmen i sjøvannet er nær null. To ekvivalente kretser (figur 2B, figur 2C) er vist som viser tilfellet når lik strøm er nødvendig for å forsyne de to rørledningene (figur 2B) og den andre krever forskjellige strømnivåer (figur 2C) for å forsyne rørledningene. Ved like verdier for strømmene er et stigerør med to ledere (figur 2B) nødvendig, og et stigerør med tre ledere (figur 2C) er nødvendig når forskjellige strømnivåer blir forsynt til hver DEH-rørledning.

[0067] Den tradisjonelle og den nye løsningen for tilførselskablene for to rørledninger er vist i figurene 3a, 3b og 3c. Den tradisjonelle løsningen er vist i figur 3a. Figur 3b viser den nye løsningen for å forsyne to rørledninger samtidig. Figur 3c viser løsningen som er anvendelig for både samtidig og enkeltvis oppvarming av to rørledninger i et symmetrisk og asymmetrisk system.

[0068] I figur 1A og figur 2 er plattformen (kraftforsyningsstedet) og det elektriske stigerøret vist. I de følgende figurene er ikke disse delene av installasjonen vist i figurene.

[0069] Figur 4 viser systemet i figur 2 med rørledningene koblet sammen (av kabler) ved den fjerne enden. Som følge av kabelforbindelsene i begge ender vil overføringsstrømmen gjennom anodene i CTZ-sonen bli redusert til et minimum, og sikkerhetsavstanden kan reduseres i begge ender sammenliknet med det tradisjonelle tilfellet i figur 1A. Kun to ledere i stigerørkabelen er koblet sammen og temperaturstigningen i stigerøret vil således være betydelig redusert sammenliknet med det tradisjonelle tilfellet (figur 1A). Den totale returstrømmen 415 i sjøvannet er nær null.

[0070] Figur 5 viser tilfellet der én enkelt rørledning blir varmet opp. I dette tilfellet er den "tredje lederen" nødvendig (antatt 180° forskjell i fasevinkel mellom de to strømmene ved oppvarming av begge rørledningene). I dette tilfellet overfører strømmen gjennom anodene i CTZ-sonen den totale sjøvannsstrømmen, som typisk er 30%-50% av strømmen i piggybackkabelen.

[0071] Figur 6 viser tilfellet med tre rørledninger der alle de tre rørledningene skal varmes opp med et trefasesystem lr, ls, It, dvs. at tre ledere er nødvendig i stigerørkabelen.

[0072] Et alternativ til DEH er induksjonsoppvarming. Figur 7 viser et eksempel med et énfasesystem. Rørledningene er forbundet av kabler ved hver ende. Endesonenes lengder er ubetydelige og med denne metoden unngås "kalde rørender". Den nødvendige strømmen er tilsvarende som for DEH-tilfellet i figur 4. To ledere er nødvendig i stigerørkabelen.

[0073] Figur 8 viser tilfellet med tre rørledninger med et trefase

induksjonsoppvarmingssystem (tre ledere er nødvendig i stigerørkabelen).

[0074] Figur 9 illustrerer tilfellet med "N" rørledninger, der alle de N rørledningene skal varmes opp. Dersom antallet rørledninger som skal varmes opp er forskjellig fra det totale antallet rørledninger, blir benevnelsen N anvendt for det totale antallet rørledninger og benevnelsen M blir anvendt for antallet rørledninger som skal varmes opp, slik at N .Et "M"-fasesystem (DEH-system eller induksjonsoppvarmingssystem) er mulig.

[0075] Kretsutførelsene angitt over for å forsyne kraft til DEH-rørledninger vil i hvert fall effektivt sett resultere i: Reduksjon av faseledere og varmeutvikling (temperaturøkning) i stigerørkabelen (kabelen trukket fra toppsidekraftsystemet til forbindelsene til DEH-kablene undervann, bestående av flere énlederkabler).

Reduksjon av strømmer gjennom anodene i CTZ-sonen

Reduksjon av området som blir eksponert for elektriske og magnetiske

felter ved endene av rørledningene.

Reduksjon av strømmen i sjøvannet dvs. redusert strøm og redusert

indusert spenning i nabokonstruksjoner, navlestrenger etc.

Økt effektivitet for den direkte elektriske oppvarmingen.

[0076] Den utvendige rørstrukturen er viktig når det gjelder DEH-effektiviteten [ 1, 21. Ifølge ett aspekt ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en spesialisert stålsandblåsing, eller alternative overflatebehandlingsmetoder,

-teknikker for den utvendige overflaten av stålrøret. Det vises også en fremgangsmåte og en anordning for å tilveiebringe en optimal rør-

egenimpedans med hensyn til DEH-effektivitet (kreftutvikling i stålrøret i forhold til strømmen i DEH-kabelen). Videre inkluderer oppfinnelsen også en beregningsmetode for vurdering av DEH-ytelse ved å ta hensyn til effekten av røroverflatens elektriske og magnetiske egenskaper.

[0077] Økt effektivitet gjennom den spesialiserte stålsandblåsningen (overflatesbehandlingsmetode) er mulig for både enkeltstående og parallelle rørledninger. Metoden kan anvendes med forskjellige kraftfrekvenser (typisk 50 - 200 Hz) og rørmaterialer (karbonstål, kledd stål, BUBI, rustfritt stål, dupleksstål, 13Cr-rørledninger). Metoden kan bli anvendt over hele rørledningens lengde, men også over deler av rørledningene der det er fordelaktig med en definert egenimpedans, for eksempel i CTZ-sonen (strømoverføringssoner), nær ved inline T-rør etc.

[0078] Målinger er nødvendig for å bestemme kretsens ekvivalente motstand, Rp, og reaktans, Xp, figur 12. Et prinsipielt testoppsett for å frembringe disse dataene er vist i figur 11. Testoppsettet består av et rørstykke 1123 (typisk 6m eller 12m langt) som blir påført strøm gjennom en kabel koblet til den nære enden og en kabel trukket i en konstant avstand d fra røret koblet til den fjerne enden. Impedansen (Rp + Xp) blir bestemt ved å måle den totale impedansen, Z1 1124, og impedansen Z2 1125, for endekoblingen ved den fjerne enden. Ved å subtrahere Z2 fra Z1 bestemmes rørets impedans. Figur 12 viser det ekvivalente kretsdiagrammet for testoppsettet i figur 11. For å vurdere DEH-ytelsen anvendes en endelig elementmetode (FEM), idet rørets impedans bestemt gjennom testoppsettet i figur 11 ikke kan bli anvendt direkte som innmating. Ved hjelp av sammenliknende endelig elementsimuleringer kan en relativ permeabilitetsverdi bli bestemt fra testene. For å få overensstemmelse med både rørets motstand, Rp 1228, og rørets reaktans, Xp 1229, er en virtuell kondensator 1330 innført som vist i det ekvivalente kretsdiagrammet for DEH-systemet i figur 13, og denne modifiserte kretsen blir anvendt i de kombinerte termiske/elektrodynamiske beregningene med bruk av et FEM-verktøy. Rørstykkets impedans, og således relative permeabilitet (ur) og den virtuelle kondensatoren (Cp1 1330), kan bli bestemt som funksjon av strømmen (I) 1302 i røret og avstanden (d) mellom piggybackkabelen og røret, dvs. som funksjon av den magnetiske flukstettheten (B):

[0081] Vurderingen av DEH-ytelsen gjennom endelig elementsimuleringer blir utført ved å anvende den relative permeabiliteten fra likn.1 og den virtuelle kondensatoren 1330 gitt fra likn. 2 i kretsekvivalenten for DEH-simuleringene i figur 13. Impedansverdiene (Zc1 1317, Zp1 1318, Zs 1319) kan så bli avledet for endelig elementsimuleringene, der Zp1 = Rp1 + j Xp1 (dvs. et komplekst tall). Denne metoden er verifisert med tester for forskjellige stålkvaliteter og kraftfrekvenser.

[0082] Figur 14 viser et ytterligere prinsipp for å unngå strømoverføring gjennom anodene i CTZ-sonene ved endene av DEH-rørledningen. Den viste metoden kan bli anvendt for oppvarming av enkeltstående rørledninger 1411 (N=M=1), for et flertall rørledninger (N) der alle rørledningene skal varmes opp eller der en andel M av rørledningene skal varmes opp. Dersom en skal unngå/redusere strømoverføringen for én enkelt rørledning gjøres dette ved å forsyne strøm 1431 fra minst én ytterligere kraftkilde 1407 i en egen kabel som bør være trukket parallelt med den oppvarmede rørledningen 1411 i en avstand bestemt av kraftfrekvensen, se figur 14. Strømmen 1431 gjennom denne kabelen ("overføringsstrøm-reduksjonskabel") blir justert slik at den er lik verdien til den totale overføringsstrømmen gjennom anodene i CTZ-sonen (dvs. stasjonær strøm i sjøvann) uten denne kabelen tilkoblet. Fasevinkelen til reduksjonsstrømmen skal ha en forskyvning på 180° i forhold til den totale overføringsstrømmen 1402, 1401. Effektiviteten til denne metoden avhenger av kraftfrekvensen, som bør være i området fra 50 - 200 Hz. Denne metoden reduserer antallet anoder i CTZ-sonen og risikoen for vekselstrømskorrosjon. Videre er det også fordeler knyttet til eksponering av magnetfelt og lekkasjestrøm i nabokonstruksjoner.

[0083] Denne løsningen vil også kunne bli anvendt for et ombygget DEH-system, for tradisjonelle løsninger som vist i figur 1 eller for løsninger som vist i figurene 2-9. Reduksjon av stigerørkabelens størrelse ved hjelp av en undervannskompenseringsenhet;

[0084] Til nå har kompenseringsenheten for reaktiv kraftkompensering vært anordnet på toppsiden. Ledertverrsnittet til tilførselskabelen (elektrisk stigerør og koblingskabler mellom stigerørkabelen og DEH-kabler under vann)fra toppsidekraftforsyningen til DEH-kabelforbindelsene undervann kan reduseres betydelig ved å anordne en kompenseringsenhet, en kondensatorbank, under vann som vist i figur 15. Det er mulig å oppnå en reduksjon på omtrent 70% av kabelledertverrsnittet til tilførselskablene siden kraftfaktoren er omtrent 0,3 for DEH-systemet. Dette vil være en vesentlig forbedring med hensyn til installasjon, reduksjon av vekten på toppsiden og innebære en kostnadsreduksjon. Løsningen med en undervanns kondensatorbank er anvendelig for alle DEH- eller induksjonsoppvarmingsløsninger vist her.

[0085] Henvisningstall i tegningene

Definisjonsliste

[0086]

CTZ Strømoverføringssoner

DEH Direkte elektrisk oppvarming

VSD Drivanordning med variabel hastighet Piggybackkabel eller Kabel trukket langs hele lengden til en DEH-kabel rørledning, normalt parallelt med rørledningen

i en definert avstand fra rørledningen

Piggybacked Én eller flere kabler som strekker seg langs hele lengden til en rørledning i en piggyback-løsning.

IH Induksjonsoppvarming

AC Vekselstrøm

FEA Endelig elementanalyse

FEM Endelig elementmetode

Referanser

[0087] 1. LERVIK, J.K., m.fl. Direct Heating of Subsea Pipelines. ISOPE- 93. 2. KULBOTTEN, Harald, m.fl. Direct Electrical Heating of Pipelines - A Method for Preventing Hydrates and Wax in Subsea Transport Pipelines. NordIS 2005.

Claims (19)

1. Anordning for høyeffektivitets induksjonsoppvarming eller direkte elektrisk oppvarming, DEH, av et antall M rørledninger, der M , fra en gruppe av parallelle undervannsrørledninger N arrangert tilstøtende hverandre, der N og der et antall lederkabler, W, forsyner elektrisk kraft fra minst én toppside-kraftforsyning (207, G1, G2) til M av de parallelle undervannsrørledningene N,karakterisert vedat antallet elektriske ledere, W, fra den minst ene toppsidekraftforsyningen (207, G1, G2) koblet til de M rørledningene er definert å være i gruppen W , der N, W og M er naturlige tall.

2. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge krav 1, karakterisert vedat elektrisk vekselstrøm (203, 403, 603, 703, 803, 903) med forskjellig fasevinkel i hver av de W elektriske lederene blir forsynt til de M rørledningene.

3. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat i det minste en første av to rørledninger blir forsynt med elektrisk kraft ved CTZ-sonen ved den fjerne enden av de minst to rørledningene.

4. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge krav 3, karakterisert vedat den elektriske kraften ved den fjerne enden av to rørledninger, den første og en andre rørledning, blir matet av én kraftkabel som strekker seg parallelt med de to rørledningene og som er koblet til den første rørledningen ved CTZ-sonen ved den fjerne enden, strøm (202,402) blir overført gjennom den første rørledningen til CTZ-sonen ved den nære enden, den første rørledningen er elektrisk koblet (214,414) til den andre rørledningen ved CTZ-sonen ved den nære enden, strøm (202, 402) blir overført gjennom den andre rørledningen til CTZ-sonen ved den fjerne enden, mens returstrøm (203, 403, -I) blir returnert til et stigerør (205) av én kraftkabel koblet til den andre rørledningen ved CTZ-sonen ved den fjerne enden.

5. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge krav 4, karakterisert vedat en kortslutningsforbindelse (214, 414,k) er koblet mellom forbindelsene ved CTZ-sonene ved den fjerne og den nære enden av de to rørledningene.

6. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat elektrisk kraft ved den fjerne enden av de minst to rørledningene, den første og den andre rørledningen, blir forsynt av én kraftkabel, som er trukket parallelt med de to rørledningene og som er koblet til den første rørledningen ved CTZ-sonen ved den fjerne enden, strøm (203, 502) blir overført gjennom den første rørledningen til CTZ-sonen ved den nære enden, den første rørledningen er elektrisk koblet (214) til den andre rørledningen og til en sentral returleder ved CTZ-sonen ved den nære enden, strøm (202, 502) blir overført gjennom den andre rørledningen til CTZ-sonen ved den fjerne enden, mens returstrøm fra den andre rørledningen blir returnert til et stigerør (205) av én kraftkabel koblet til den andre rørledningen ved CTZ-sonen ved den fjerne enden.

7. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge krav 2, karakterisert vedat faseforskjellen mellom fasevinklene til strømmen forsynt fra toppsiden (207, G1, G2) til antallet M rørledninger er 2tt/M, der M er antallet rørledninger som skal varmes opp.

8. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert vedat den minst ene kraftforsyningen er en kraftkilde med frekvens 50-200Hz.

9. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert vedat mellomliggende anoder er koblet til de M rørledningene mellom CTZ-sonene ved den nære enden og den fjerne enden.

10. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert vedat i det minste deler av den minst ene av rørledningene som skal varmes opp er behandlet med overflatebehandlingsmetoder for å tilveiebringe en optimal rørimpedans.

11. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge krav 10, karakterisert vedat overflatebehandlingsmetoden inkluderer stålsandblåsing.

12. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge krav 10 eller 11,karakterisert vedat en vurdering av DEH-ytelsen til i det minste de delene av rørledningene som skal varmes opp blir tilveiebragt ved hjelp av endelig elementsimuleringer der en ekvivalent elektrisk krets (fig. 13) for i det minste de delene av rørledningene som skal varmes opp, og kraftforsyningsledere, blir anvendt som innmatingsparamtrene til endelig elementsimuleringene.

13. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge krav 12, karakterisert vedat innmatingsparametrene til endelig elementsimuleringsmetoden i det minste omfatter: ur, den relative permeabiliteten, som er en funksjon av strøm og avstand mellom en rørledning som skal varmes opp og en kraftforsyningskabel som er trukket parallelt med rørledningen eller en del av rørledningen, Cp1 (1330), som er en funksjon av den elektriske strømmen i røret og avstanden mellom kraftforsyningskabelen og røret, Zc1 (1317), som er impedansen til kraftforsyningskabelen som er trukket parallelt med rørledningen eller en del av rørledningen, Zp1 (1318), som er impedansen til rørledningen eller en del av rørledningen uten Cp1 (1330), og Zs (1319), som er impedansen til sjøvannet rundt nevnte rørledning eller del av rørledningen.

14. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert vedat en andre kraftforsyning G2 er tilveiebragt for å forsyne strøm (1431) i en overføringsstrøm-reduksjonskabel trukket parallelt med den eller de oppvarmede rørledningene M (1411) i en avstand d, i det strømmen gjennom overføringsstrøm-reduksjonskabelen (1431) blir justert slik at den er lik verdien til en stasjonær strøm i sjøvannet (1401), og dermed reduserer strømoverførselen gjennom CTZ-sonen.

15. Induksjonsoppvarming eller DEH ifølge krav 14, karakterisert vedat fasevinkelen for reduksjonsstrømmen (1431) skal ha en forskyvning på omtrent 180° i forhold til den totale overføringsstrømmen (1401).

16. System for DEH eller induksjonsoppvarming av i det minste en første av minst to parallelle undervannsrørledninger omfattende kraftkabler der minst én forsyner elektrisk kraft fra toppsiden til den i det minste første av minst to parallelle undervannsrørledninger, der systemet videre omfatter, minst én kraftforsyning (207, G1, G2) på toppsiden, minst én stigerørkabel (205, 305b, 305c) som inkluderer minst to kraftkabler (320), og minst to forbindelser fra de minst to kraftkablene (320) fra det minst ene stigerøret, én forbindelse til en returkraftkabel ved CTZ-sonen ved den nære enden, der returkabelen er trukket parallelt med en andre rørledning og er koblet til den andre rørledningen ved CTZ-sonen ved den fjerne enden, og én forbindelse til en kraftforsyningskabel ved CTZ-sonen ved den nære enden som er trukket parallelt med den første rørledningen og som er koblet til CTZ-sonen ved den fjerne enden av den første rørledningen.

17. System for DEH eller induksjonsoppvarming ifølge krav 16,karakterisert vedat minst én kondensatorbank (1533) er tilveiebragt mellom kraftforsyningskablene.

18. System for DEH eller induksjonsoppvarming ifølge krav 16,karakterisert vedat en andre kraftforsyning G2 er tilveiebragt for å forsyne strøm (1431) i en overføringsstrøm-reduksjonskabel trukket parallelt med den eller de oppvarmede rørledningene M (1411) i en avstand d fra den eller de oppvarmede rørledningene M, i det strømmen gjennom overføringsstrøm-reduksjonskabelen (1431) blir justert slik at den er lik verdien til en stasjonær strøm i sjøvannet (1401), og dermed reduserer strømoverføringen gjennom CTZ-sonen.

19. System for DEH eller induksjonsoppvarming ifølge krav 16,karakterisert vedat minst én kondensatorbank (1533) er tilveiebragt mellom minst to kraftkabler (1606) under vann, der kraftkablene er innrettet for å forsyne strøm for DEH eller induksjonsoppvarming av én eller flere undervannsrørledninger og således redusere tverrsnittet til kraftkabelen (1606) mellom kondensatorbanken (1533) og den minst ene toppside-kraftforsyningen.