WO2010052134A2 - Verfahren und vorrichtung zur beheizung einer rohrleitung - Google Patents

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WO2010052134A2
WO2010052134A2 PCT/EP2009/063901 EP2009063901W WO2010052134A2 WO 2010052134 A2 WO2010052134 A2 WO 2010052134A2 EP 2009063901 W EP2009063901 W EP 2009063901W WO 2010052134 A2 WO2010052134 A2 WO 2010052134A2
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inductor
pipeline
conductor
pipe
return
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PCT/EP2009/063901
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Inventor
Bernd Wacker
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Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L53/00—Heating of pipes or pipe systems; Cooling of pipes or pipe systems
    • F16L53/30—Heating of pipes or pipe systems
    • F16L53/34—Heating of pipes or pipe systems using electric, magnetic or electromagnetic fields, e.g. using induction, dielectric or microwave heating

Definitions

  • the invention relates to a method for heating a pipeline, in particular in the onshore and offshore area of oil and gas production facilities.
  • the invention also relates to the associated apparatus for carrying out the method.
  • offshore platforms are constantly expanding their radius towards so-called satellite oil fields, which are up to some 10 km, now 10 to 15 km, from the platform and are tapping separate wells.
  • the oil production pipes to these remote production points run along the borehole on the seabed.
  • the delivered medium i. Crude oil in the form of normal viscosities (of about 40 API) or heavy oils up to API 20 or mixtures of the above-mentioned crude oils with co-pumped water or gas, is thereby placed in metal pipelines with a typical diameter of 6 "(approx 12 "(about 305 mm) to the platform.
  • the medium cools down and under the prevailing temperature conditions on the seabed, the pipes may become obstructed by deposits of paraffins or icing of methane hydrates, thereby hindering the flow.
  • transport temperatures are higher than 25 ° C; z. B. 50 to 70 0 C desirable.
  • either chemicals are metered in at the borehole and then recovered on the platform or the pipes are heated.
  • the heating is resistive with electric heating mats, which are folded around the pipes and insulated or a current is sent through the pipe, the pipe being the electrical resistance.
  • the patent literature discloses heating systems for pipelines, for example from CN 201081071, CN 201045530-Y, CN 201028222-Y, RU 2300043-C1 and CN 010012657.
  • an inductor is arranged in the vicinity of the pipe, preferably connected along the pipe.
  • the return line must be connected to a medium frequency generator to form a closed circuit.
  • the secondary load is the pipeline, which advantageously consists of ferromagnetic material, so that both mechanisms, eddy current losses as well as the hysteresis losses, can act. Since the inductor line with the return conductor must be connected to an MF generator, the inductor is placed in a closed loop. If the back and forth conductors were laid coaxially or directly against one another, the alternating fields would be extinguished for the most part, which could be used where heating was not required.
  • the inductor return conductor is placed at a distance from the conductor.
  • the return conductor can be diametrically opposed to the pipeline, where at least at one point a loop must be laid to the circuit sure.
  • Conductivities such as sea-water. Forward and return conductors can reach up to a few dozen meters, eg. B. 30 to 100 m or more away from each other back and forth.
  • the decisive factor is the use of an inductor, which compensates itself, since it concerns km lengths. This is achieved by using an inductor according to the older, not previously published Siemens patent application PCT / EP2008 / 060927 / DE 10 2007 040 605.5 (2007P17188 WO / DE).
  • This inductor is controlled by a serial or parallel resonant frequency converter. The frequency is constant in a once installed arrangement.
  • the power control is carried out by adjusting the voltage from the inverter side, either by a chopper circuit supplying the inverters or by a transformer with taps and on-load tap-changer, preferably on the rectifier 50 Hz or 60 Hz side.
  • Inductive heating uses frequencies from 500 Hz to 300 kHz depending on the desired penetration depth into metals.
  • Inductive heating methods are known in the processing industry, for example for hardening metals.
  • a high-frequency generator of similar design is used for the purpose of the invention, which is installed above ground.
  • typically usable building services in the range of up to 5 MW, examples are 2500 kW at 3 kHz or 440 kW at 50 kHz.
  • the inductor loop is advantageously laid so that the return conductor is largely returned to the second pipe.
  • energy can be obtained from the medium-frequency operated inductor via a transformer which supplies a remote non-metallic temperature sensor together with a transmission unit.
  • thermocouples In the invention, no contact between the piping and the inductors is necessary. For this reason, the thermal insulation can sit directly on the pipeline and the inductor can be connected to the outside. The isolated inductor is cooled by seawater. To control the power, you can use additional thermocouples. Regardless of that the temperature within the pipeline can be estimated by thermal imaging for each location, as the temperature at the source side at the wellbore and the temperature at the arrival side on the platform are known.
  • the metallic pipe can be assembled in sections by non-conductive flange connections.
  • the application of the described inductive pipeline heating is not limited to the offshore area, but is applicable to all industrial Rohrbegleitproof.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an in-sea oil production platform with a remote from the seabed borehole
  • FIG. 2 shows a perspective view of a pipeline with the associated means for inductive heating
  • FIGs 3 and 4 show two alternatives for the cross section through the drill pipe with the associated inductor and alternative thermal insulation, the
  • FIG. 5 shows an arrangement according to FIG. 1 with a borehole and associated laying of the inductor line according to the invention
  • FIG. 6 shows an arrangement according to FIG. 4 with two boreholes and laying of the inductors with inductor inductor and inductor return conductor in this respect,
  • FIG. 7 a power generator which can be used for the latter purpose and
  • FIG. 6 shows an arrangement according to FIG. 4 with two boreholes and laying of the inductors with inductor inductor and inductor return conductor in this respect,
  • FIG. 7 a power generator which can be used for the latter purpose and
  • FIG. 7 a power generator which can be used for the latter purpose
  • an oil platform 1 is shown, which can be positioned over floats and corresponding anchors on the sea surface.
  • 2 indicates the sea surface, 3 the seabed and 4 a hole for oil extraction, which can be located laterally in a remote position from the actual platform 1.
  • a platform 1 can also be assigned a number of boreholes 4, 4 ',...
  • a pipeline 5 is connected via the corrugated pad 4a, by means of which the oil conveyed by autogenous pressure or external pressure is discharged from the borehole outlet 4 is transported to the oil platform 1.
  • the oil which is initially transported at higher temperatures, is cooled for several kilometers when transported to the seabed and achieved when it cools down At 4 ° C., such viscosity values are unsuitable for production, for which reason it is advisable to reduce the viscosity of the oil and bring it to relatively high temperatures, that is to say in particular to heat the pipeline ,
  • an inductive heating of the pipeline 5 takes place.
  • the actual pipeline 5, ie the pipeline is associated with an inductor comprising inductor line 7 with forward conductor 7a and return conductor 7b.
  • the inductor 7 with forward conductor 7a and return conductor 7b is connected on the oil platform 1 to a middle frequency generator 6, which supplies the electrical power required for inductive heating.
  • the mid-frequency generator may be underwater, along with an associated transformer that supplies the medium frequency generator with low voltage and is powered by the platform at a higher voltage.
  • an oil pipeline 5 in which, for example, oil of predetermined viscosity is delivered, is provided with an inductor 7.
  • the forward conductor 7a is used, which is located on the circumference of the substantially tubular conduit 5 and is mechanically connected in sections with a binder 9 (strap).
  • flange connections 11 are further shown, the individual sections of the pipe connect tightly together.
  • the flange 11 may be made electrically insulating.
  • the pipe 5 is preferably made of electrically conductive, ferromagnetic material in order to achieve a sufficient effect of the electromagnetic induction and thus caused heating effect.
  • FIGS. 3 and 4 cross sections through the line according to FIG. 3 are shown in different alternatives. Visible again is the pipe 5 with a round cross section, in which the medium, in particular the crude oil, or a multi-phase mixture of crude oil, water and gas, flows, and located at the periphery of the pipe 5 inductor 7.
  • the binder of Figure 2 as a loop around the pipe 5 and the inductor 7 recognizable.
  • a thermal insulation is attached to the outside around the arrangement of pipeline, inductor and binder.
  • the second alternative according to FIG. 3b only the pipeline 5 is thermally insulated by means of an insulating mat 10 and the inductor 7 is fastened thereon by means of the binder. In both cases, however, the inductor is such that the electromagnetic fields can act on the tube.
  • FIG. 5 shows that in the case of a single borehole 4 on the seafloor and the associated drilling platform 1, the pipeline 5 is guided in such a way that at least partially the forward conductor 7a or the return conductor 7b is guided along the pipeline. In each case the other conductor, i. Return conductor 7b or forward conductor 7a, are returned at a predetermined distance.
  • the return conductor 7b can also be guided on the pipeline, but diametrically opposite to the forward conductor 7a, and connected with ties.
  • Medium frequency generator 6 with which a corresponding electrical power is provided.
  • a conductor loop designed as an inductor, is connected, which is tuned resonantly with the converter output frequency of the generator 6. Since a normal cable has a high self-inductance, a serial compensation by capacitive arrangements is necessary, so that you do not have to work with high voltage.
  • FIG. 7 shows the circuit structure of a commercially available, current-impressing HF generator.
  • a load 80 according to the existing designs here replaces the complex resistor, while the other components, in particular capacitance and inductance, are then shown discretely.
  • reference numeral 65 designates a transformer with current branches which can be connected on the primary side via fused leads 61, 61 ', 61 "and switches 62, 62', 62" and a secondary DC voltage intermediate circuit 70 with subsequent output current circuit 60 is designed as a controllable intermediate circuit, so-called chopper circuit, with diodes 71. Further diodes 71, capacitors 72, a power transistor 73 and an inductor 74 are connected downstream. This is followed by power sections 75 and 75 ', which are constructed from power transistors 76, so-called IGBTs, and diodes 71, for driving the load 80. What is essential is that the output circuit 80 represent an AC load. For the AC load 80, a suitable electrical power up to 2500 kW at 0.5 to 300 kHz must be provided.
  • a double line consisting of the forward and return conductors with the typical dimensions mentioned above has a longitudinal inductance of 1.5 to 2.5 ⁇ H / m.
  • the cross-capacitance coating is only 10 to 20 pF / m with the dimensions mentioned, so that the capacitive cross-currents can initially be neglected.
  • wave effects should be avoided.
  • the shaft speed is given by capacitance and inductance coating of the conductor arrangement.
  • the characteristic frequency of the arrangement is due to the loop length and the wave propagation speed along the conductor arrangement. The loop length should therefore be chosen so short that no disturbing wave effects result here.
  • FIG. 8 shows the compensation of the line longitudinal inductances by series capacitances.
  • a disadvantage of the compensation integrated into the line is that the frequency of the HF generator then has to be tuned to the resonant frequency of the current loop and the line makes sense, i. E. with high current amplitudes, only at this frequency can be operated.
  • the decisive advantage is that the addition of the inductive voltages along the line is prevented and the operation can be carried out at 50 kHz in a resonant manner. Thus, the occurring inductive and correspondingly capacitive sum voltages are limited.
  • the capacitance values must increase in inverse proportion to the distance with the capacitance of the capacitors reduced in proportion to the distance to obtain the same resonant frequency.
  • the compensation of the longitudinal inductance can also take place by means of distributed transverse capacitances, for which reference is made to FIG. Instead of introducing more or less short capacitors as concentrated elements in the line, and the capacity pad can be a two (or more) wire line such. B. a coaxial line anyway provides to compensate the L Lucassinduktterrorismen be used.
  • the inner and outer conductors are alternately interrupted at equal intervals, thus forcing the flow of current across the transverse capacitances.
  • the resonance frequency is set by the distances between the line breaks.
  • this concept according to FIG. 9 can also be advantageously used for the conductors for inductive pipeline heating if the lines are provided with an additional external insulation, as already described above, in order to prevent resistive cross currents.
  • two sub-conductors 92, 92a are shown, which together form the compensated conductor 90. What is essential is a feed point 95 on the first conductor and an outcoupling point 95a on the second conductor.
  • the inner conductors 93 and 93 a are connected via the line piece 95.
  • 94 identifies the spare capacities that are realized by capacity coverage.
  • the advantage of the distributed capacitances lies in a reduced requirement for the dielectric strength of the dielectric.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Beheizung einer Rohrleitung, wobei die Beheizung induktiv erfolgt, wozu der Rohrleitung ein Induktor zugeordnet ist. Dies erfolgt dadurch, dass entweder der Hinleiter (7a) oder der Rückleiter (7b) eines Induktorkreislaufes (Loop) unmittelbar an der Rohrleitung befestigt ist, während jeweils der andere Leiter, d.h. der Rückleiter oder Hinleiter, im Abstand geführt wird. Gegebenenfalls können somit auch zwei Rohrleitungen versorgt werden, wobei an der einen Rohrleitung der Hinleiter und an der anderen Rohrleitung der Rückleiter des Induktorloops geführt sind. Eine solche Anordnung der Induktorleitungen ist an einen Mittelfrequenz-Generator (6) auf der Ölbohrplattform (1) angeschlossen. Zur Erreichung von hinreichender Effektivität erfolgt dabei eine Kompensation der Längsinduktivitat der Doppelleitung, was durch Serienkapazitäten oder verteilte Querkapazitäten realisiert werden kann.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Beheizung einer Rohrleitung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beheizung einer Rohrleitung, insbesondere im On- und Offshore-Bereich von Öl- und Gasförderanlagen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .
Insbesondere Offshore-Plattformen erweitern ständig ihren Radius in Richtung sogenannter Satellitenölfeider, welche bis zu einige 10 km, heutzutage 10 bis 15 km, von der Plattform entfernt sind und separate Bohrlöcher anzapfen. Die Ölproduk- tionsrohre zu diesen entfernten Förderstellen verlaufen vom Bohrloch entlang auf dem Meeresgrund. Das geförderte Medium, d.h. Rohöl in Form normaler Viskositäten (von etwa 40 API) oder Schweröle bis API 20 bzw. Gemische aus vorgenannten Rohölen mit mitgefördertem Wasser oder Gas, wird dabei in Rohr- leitungen aus Metall mit einem typischen Durchmesser von 6" (ca. 152 mm) bis 12" (ca. 305 mm) zur Plattform gefördert. Auf der Länge der Rohrleitung kühlt das Medium ab und unter den am Meeresgrund herrschenden Temperaturverhältnissen kann es zum Zuwachsen der Rohre durch Ablagerungen von Paraffinen oder zur Vereisung von Methanhydraten kommen, wodurch der Durchfluss behindert wird.
Bei Letzterem wird für typische Ölqualitäten wie sog. Brent oder WTI (West T_exas I_ntermediate) unterschieden zwischen - Normalbetrieb, wobei am Bohrloch Temperaturen bis 1500C vorgefunden werden. Durch den Rohrleitungstransport kühlt das Medium auf z. B. 50C ab, was nahezu der umgebenden Meerwassertemperatur entspricht.
- Wiederanfahren nach Förderstopp, wobei die gesamte Länge der Rohrleitung mit dem Fördermedium gefüllt ist und sich auf Meerwassertemperaturniveau befindet. In der Regel sollen nicht mehr als 48 h vergehen, um das Medium auf 20 bis 25°C aufzuwärmen, so dass wieder ein ausreichender Durch- fluss zustande kommt.
Für Schweröle sind höhere Transporttemperaturen als 25°C; z. B. 50 bis 700C wünschenswert.
Insbesondere für letzteren Zweck werden entweder am Bohrloch Chemikalien zudosiert und dann auf der Plattform rückgewonnen oder es werden die Rohrleitungen beheizt. Das Beheizen erfolgt resistiv mit elektrischen Heizmatten, die um die Rohrleitungen umgelegt und isoliert werden oder es wird ein Strom durch die Rohrleitung geschickt, wobei die Rohrleitung der elektrische Widerstand ist.
Kürzere Längen werden in der Praxis eher mittels Dampf oder heißem Wasser beheizt, wozu eine konzentrisch angeordnete Rohrleitung oder eine sog. Rohrbegleitheizung vorhanden ist. Bei Längen von vielen km unter Wasser ist das resistive Beheizen und auch das Beheizen mit warmen Wasser oder Dampf nicht mehr praktikabel.
Davon abgesehen wird in der Praxis eine elektrische Skinef- fektheizung für metallische Rohre mit Längen von 1 bis 25 km angehoben .
Aus der Patentliteratur sind Beheizungsanlagen für Rohrleitungen, beispielsweise aus der CN 201081071, der CN 201045530-Y, der CN 201028222-Y, der RU 2300043-C1 und der CN 010012657 bekannt.
Den bekannten elektrischen Verfahren haften u. a. folgende Nachteile an, welche für eine Anwendung in Meerwasser erhöhte Hürden aufbauen:
- Hohe Anzahl von Installationspunkten entlang der Rohrleitung, da die Spannungsabfälle der speisenden Leitung zu hoch werden. - Je nach Verfahren ist direkter thermischer oder direkter elektrischer Kontakt zur Rohrleitung notwendig.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbesser- tes Verfahren zur Beheizung von Rohrleitungen vorzuschlagen. Dazu soll eine zugehörige Vorrichtung geschaffen werden.
Die Aufgabe ist bezüglich des Verfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist durch die Merkmale des Patentanspruches 15 gekennzeichnet. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Mit der Erfindung wird ein induktives Heizverfahren vorge- schlagen. Die dafür benötigte Leistung bewegt sich in der
Größenordnung bis 150 W/m Rohrleitung. Bei 10 km Leitungslänge werden folglich 1,5 MW Leistung benötigt.
Da die Heizung induktiv erfolgen soll, wird ein Induktor in der Nähe der Rohrleitung angeordnet, vorzugsweise längs der Rohrleitung angebunden. Hin- und Rückleitung müssen an einen Mittelfrequenzgenerator angeschlossen werden, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden. Die sekundäre Last ist die Rohrleitung, welche vorteilhafterweise aus ferromagnetischen Werkstoff besteht, damit beide Mechanismen, Wirbelstromverluste als auch der Hystereseverluste, wirken können. Da die Induktorleitung mit Hin- und Rückleiter an einem MF-Generator angeschlossen werden muss, wird der Induktor in einen geschlossenen Kreislauf (Loop) gelegt. Würden Hin- und Rücklei- ter koaxial oder direkt aneinander gelegt werden, würden sich die Wechselfelder zum großen Teil aus löschen, was dort ausgenutzt werden kann, wo nicht geheizt werden soll. Steht keine zweite Rohrleitung parallel zur ersten Rohrleitung zur Verfügung, wird der Induktorrückleiter beabstandet zum Hin- leiter gelegt. So kann der Hin- und Rückleiter an der Rohrleitung diametral gegenüber liegen, wo zumindest an einer Stelle eine Schlaufe gelegt werden muss, um den Kreislauf sicherzustellen. Entlang des Induktors wird an den Stellen, welche keine sekundäre Last findet, keine oder weniger Leistung - wenn es sich um geringfügige el. Leitfähigkeiten wie Meersalzwasser handelt - abgenommen. Hin- und Rückleiter kön- nen bis zu einige Duzend Meter, z. B. 30 bis 100 m oder auch mehr von einander entfernt hin- und rückgeführt werden.
Entscheidend ist die Anwendung eines Induktors, der sich selbst kompensiert, da es sich um km-Längen handelt. Dies wird erreicht, indem ein Induktor gemäß der älteren, nicht vorveröffentlichten Siemens-Patentanmeldung PCT/EP2008/060927/DE 10 2007 040 605.5 (2007P17188 WO/DE) verwendet wird. Dieser Induktor wird durch einen Serielloder Parallel-Resonanz-Frequenzumrichter angesteuert. Die Frequenz ist bei einer einmal installierten Anordnung konstant. Die Leistungsregelung erfolgt durch Anpassung der Spannung von Umrichterseite her, entweder durch einen Chop- perkreis der die Wechselrichter versorgt oder durch einen Transformator mit Anzapfungen und Stufenschalter, vorzugshal- ber auf der den Gleichrichter speisenden 50 Hz- bzw. 60 Hz- Seite.
Beim Induktiven Heizen werden je nach gewünschter Eindringtiefe in Metalle Frequenzen von 500 Hz bis 300 kHz einge- setzt.
Induktive Heizverfahren sind aus der verarbeitenden Industrie zum Beispiel zum Härten von Metallen bekannt. Bei vorliegender Anmeldung wird für den erfindungsgemäßen Zweck ein Hoch- frequenzgenerator ähnlicher Bauart eingesetzt, welcher oberirdisch installiert wird. Dabei liegen typisch einsetzbare Bauleistungen im Bereich von bis zu 5 MW, Beispiele liegen bei 2500 kW bei 3 kHz oder 440 kW bei 50 kHz.
Beim neu vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung erfolgt erstmals eine Offshore-Anwendung eines reso- nant abgestimmten Schwingkreises zur induktiven Erwärmung, bei welchem mittels beschriebener Apparatur das Aufheizen von Rohöl oder schweren Rohöl mit Viskositäten von z. 15°API bis 400API von Temperaturen von 50C Umgebungstemperatur auf ca. 25°C oder mehr je nach Basisumgebungstemperatur erfolgt. Dabei wird die gesamte Rohrleitung erwärmt, ohne dass eine auf- wendige Installation notwendig ist oder dass man punktuell im Meerwasser Steckverbinder benötigt. Punktuelle Unterwassereinspeisungen entfallen also. Bei der Erfindung können die Signale von Temperatursensoren in bzw. an der Rohrleitung als Regelgröße für die Leistung verwendet werden. Der Induktor kann vorteilhafterweise mittels Bindern (Straps) direkt an die Rohrleitung angebunden werden. Im Falle, dass es von einem Satellitenölfeld nur eine Rohrleitung gibt, liegt der Rückleiter diametral an der Rohrleitung gegenüber dem Hinleiter oder beabstandet am Meeresgrund.
Stehen mehr Rohrleitungen zur Verfügung, so wird die Induktorschleife vorteilhafterweise so gelegt, dass der Rückleiter weitgehend an der zweiten Rohrleitung zurückgeführt wird.
In einem eigenerfinderischen Verfahrensschritt kann aus dem mittelfrequent betriebenen Induktor Energie über einen Übertrager gewonnen werden, der einen entfernt gelegenen nichtmetallischen Temperatursensor nebst Übertragungseinheit speist. Die ist Gegenstand eigener Patentanmeldungen der An- melderin mit gleichem Zeitrang und den Bezeichnungen „Verfahren zur Messung des Zustandes an einer Rohrleitung, insbesondere im Offshore-Bereich von Öl- und Gasförderanlagen, und zugehörige Vorrichtung sowie Verwendung dieser Vorrichtung" und „Verfahren zur Messung von Temperatur und/oder Druck an einer Rohrleitung, insbesondere im Offshore-Bereich von 01- und Gasförderanlagen".
Bei der Erfindung ist kein Kontakt zwischen den Rohrleitungen und den Induktoren notwendig. Aus diesem Grunde kann die thermische Isolation direkt auf der Rohrleitung sitzen und der Induktor außen angebunden werden. Der isolierte Induktor wird vom Meerwasser gekühlt. Um die Leistung zu regeln, kann man zusätzliche Thermofühler verwenden. Unabhängig davon ist die Temperatur innerhalb der Rohrleitung mittels thermischen Abbildes abschätzbar für jeden Ort, da die Temperatur an der Herkunftsseite am Bohrloch und die Temperatur auf der Ankunftsseite auf der Plattform bekannt ist.
Um Potentialunterschiede entlang der metallischen - ggf. fer- romagnetischen - Rohrleitung zu minimieren, kann die metallische Rohrleitung abschnittsweise durch nichtleitende Flanschverbindungen zusammengefügt werden.
Die Anwendung der beschriebenen induktiven Rohrleitungsheizung ist nicht beschränkt auf den Offshore-Bereich, sondern ist für alle industriellen Rohrbegleitheizungen anwendbar.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer im Meer befindlichen Ölförder-Plattform mit einem davon am Meeresgrund entfernt liegenden Bohrloch,
Figur 2 eine perspektivische Darstellung einer Rohrleitung mit den zugehörigen Mitteln zur induktiven Beheizung,
Figur 3 und 4 zwei Alternativen für den Querschnitt durch die Bohrleitung mit dem zugehörigen Induktor und alternativer thermischer Isolierung, die
Figur 5 eine Anordnung gemäß Figur 1 mit einem Bohrloch und zugehöriger erfindungsgemäßer Verlegung der Induktorleitung,
Figur 6 eine Anordnung gemäß Figur 4 mit zwei Bohrlöchern und diesbezüglicher Verlegung der Induktoren mit Induktorhinleiter und Induktorrückleiter, Figur 7 einen für letzteren Zweck verwendbaren Leistungsgenerator sowie
Figur 8 und 9 Alternativen für eine Kompensation der Längsinduktivität einer Doppelleitung. Gleiche Einheiten sind in den Figuren mit gleichen bzw. sich entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.
In der Schemazeichnung gemäß Figur 1 ist eine Ölplattform 1 dargestellt, die über Schwimmer und entsprechende Verankerungen an der Meeresoberfläche positioniert werden kann. Mit 2 ist die Meeresoberfläche angedeutet, 3 bedeuten der Meeres- grund und 4 ein Bohrloch zur Ölerschließung, das sich lateral in entfernter Position von der eigentlichen Plattform 1 befinden kann. Einer Plattform 1 können auch mehrere Bohrlöcher 4, 4', ... zugeordnet sein.
Ist eine Bohrung fündig, werden am Bohrlochausgang Fördermittel 4a angebracht, die in der Fachwelt als so genannte „Well- pad" bezeichnet werden. Über das Wellpad 4a ist eine Pipeline 5 angeschlossen, mittels der das durch Eigendruck oder Fremddruck geförderte Öl vom Ausgang des Bohrloches 4 zur Ölplatt- form 1 transportiert wird. Da die Wassertemperatur am Meeresgrund vergleichsweise niedrig ist und insbesondere im Bereich von ca. 4°C liegt, wird das zunächst mit höheren Temperaturen geförderte Öl bei einem Transport am Meeresgrund über mehrere Kilometer abgekühlt und erreicht bei Abkühlung auf 40C solche Viskositätswerte, die für die Förderung ungeeignet sind. Aus diesem Grund ist es ratsam, die Viskosität des Öls zu verringern und auf höhere Temperaturen zu bringen, das heißt insbesondere, die Pipeline zu beheizen. Hierzu sind eingangs bekannte Problemlösungen dargestellt worden.
Bei der Anlage gemäß Figur 1 erfolgt eine induktive Beheizung der Pipeline 5. Dazu ist der eigentlichen Pipeline 5, d.h. der Rohrleitung, ein Induktor aus Induktorleitung 7 mit Hinleiter 7a und Rückleiter 7b längs zugeordnet. In der Praxis bedeutet dies, entweder der Hinleiter 7a oder der Rückleiter 7b, die zusammen einen geschlossenen Loop bilden, unmittelbar längs der Rohrleitung 5 geführt ist, während der jeweils andere Leiter im vorgegebenen Abstand, beispielsweise in einem diametralen Abstand zur Rohrleitung größer als der Rohrleitungsdurchmesser geführt wird.
Der Induktor 7 mit Hinleiter 7a und Rückleiter 7b ist auf der Ölplattform 1 an einen Mittelfrequenzgenerator 6 angeschlossen, der die zur induktiven Heizung benötigte elektrische Leistung liefert. Alternative kann der Mittelfrequenzgenerator unter Wasser angeordnet sein, nebst einem zugeordneten Transformator, der den Mittelfrequenzgenerator mit niederer Spannung versorgt und von der Plattform mit höherer Spannung gespeist wird.
Aus der perspektivischen Darstellung der Figur 5 ergibt sich, dass eine Ölpipeline 5, in der beispielsweise Öl vorgegebener Viskosität gefördert wird, mit einem Induktor 7 versehen ist. Dazu ist insbesondere der Hinleiter 7a verwendet, der sich am Umfang der im Wesentlichen rohrförmigen Leitung 5 befindet und mit einem Binder 9 (Strap) abschnittsweise mechanisch angebunden ist.
In Figur 2 sind weiterhin Flanschverbindungen 11 eingezeichnet, die einzelne Abschnitte der Rohrleitung miteinander dicht verbinden. Die Flanschverbindungen 11 können elektrisch isolierend ausgeführt sein.
Die Rohrleitung 5 besteht vorzugshalber aus elektrisch leitfähigem, ferromagnetischem Material, um einen hinreichenden Effekt der elektromagnetischen Induktion und damit verursachter Heizwirkung zu erreichen.
In den Figuren 3 und 4 sind jeweils Querschnitte durch die Leitung gemäß Figur 3 in unterschiedlicher Alternative dargestellt. Ersichtlich ist wiederum die Rohrleitung 5 mit rundem Querschnitt, in der das Medium, insbesondere das Rohöl, bzw. ein mehrphasiges Gemisch aus Rohöl, Wasser und Gas, strömt, und der am Umfang der Rohrleitung 5 befindliche Induktor 7. Der Binder aus Figur 2 ist als Schlaufe um die Rohrleitung 5 und den Induktor 7 erkennbar. In der ersten Alternative gemäß Figur 3a ist um die Anordnung aus Rohrleitung, Induktor und Binder eine thermische Isolierung außen angebracht. In der zweiten Alternative gemäß Figur 3b ist nur die Rohrleitung 5 thermisch mittels einer Isolationsmatte 10 isoliert und darauf der Induktor 7 mittels der Binder befestigt. In beiden Fällen liegt aber der Induktor so, dass die elektromagnetischen Felder auf das Rohr einwirken können.
In Figur 5 ist gezeigt, dass bei einem einzigen Bohrloch 4 am Meeresgrund und der zugehörigen Bohrplattform 1 die Rohrleitung 5 so geführt ist, dass zumindest teilweise der Hinleiter 7a oder der Rückleiter 7b längs der Rohrleitung geführt ist. Jeweils der andere Leiter, d.h. Rückleiter 7b oder Hinleiter 7a, sind in einem vorgegebenen Abstand zurückgeführt. Der Rückleiter 7b kann auch an der Rohrleitung, jedoch diametral gegenüberliegend zum Hinleiter 7a, geführt und mit Bindern angebunden werden. Wesentlich ist, dass ein geschlossener elektromagnetischer Kreis („Loop") realisiert ist und dass die beiden Leiter 7a und 7b einen hinreichenden Abstand haben. Wenn der Hinleiter 7a und der Rückleiter 7b elektrisch gegeneinander isoliert eng geführt ist, heben sich dagegen die elektromagnetischen Felder teilweise auf und es entsteht ein sehr geringer Induktionseffekt.
Bei einer Anordnung gemäß Figur 6 sind zwei Bohrlöcher 4 und 4' vorhanden, die jeweils durch ein Wellpad 4a und 4a' abgeschlossen sind. In diesem Fall lassen sich durch die Induk- torleitung 7 zwei Rohrleitungen 5 und 5' elektromagnetisch versorgen, wobei an der Rohrleitung 5 der Hinleiter 7a und an der Rohrleitung 5' der Rückleiter des Induktorloops geführt sind.
Auf der Bohrplattform 1 befindet sich in allen Fällen ein
Mittelfrequenz-Generator 6, mit dem eine entsprechende elektrische Leistung bereitgestellt wird. Am Hochfrequenzausgang des Generators 6 wird eine Leiterschleife, ausgebildet als Induktor, angeschlossen, welche re- sonant mit der Umrichterausgangsfrequenz des Generators 6 abgestimmt ist. Da ein normales Kabel eine hohe Eigeninduktivi- tat hat, ist eine serielle Kompensation durch kapazitive Anordnungen notwendig, damit nicht mit Hochspannung gearbeitet werden muss.
In der älteren, nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2007 040 605.5 sind geeignete MF-Generatoren beschrieben, die zur Versorgung der Induktoren dienen können. Dort ist auch die Kompensation der Längsinduktivität der Doppelleitung verdeutlicht, die entweder durch Serienkapazitäten oder aber auch mittels verteilter Querkapazitäten erfolgen kann. Hierzu wird im Einzelnen auf die Figuren 3 ff mit der in den älteren Anmeldungen vorbeschriebenen Problemlösung verwiesen .
Figur 7 zeigt den schaltungsmäßigen Aufbau eines kommerziell verfügbaren, stromeinprägenden HF-Generators. Eine Last 80 entsprechend den vorhandenen Ausführungen ersetzt hier den komplexen Widerstand, während die anderen Komponenten, insbesondere Kapazität und Induktivität, dann diskret dargestellt sind.
Im Einzelnen kennzeichnen in Figur 7 Bezugszeichen 65 einen Transformator mit primärseitig über abgesicherte Zuleitungen 61, 61', 61'' und Schalter 62, 62', 62'' anschaltbaren Stromzweigen und einem sekundärseitigen Gleichspannungszwischen- kreis 70 mit nachfolgendem Ausgangsstromkreis 60. Der Gleichspannungszwischenkreis 70 ist als ein regelbarer Zwischenkreis, so genannter Chopper-Kreis, mit Dioden 71 ausgebildet. Weitere Dioden 71, Kondensatoren 72, ein Leistungstransistor 73 und eine Induktivität 74 sind nachgeschaltet. Es folgen Leistungsteile 75 und 75', die aus Leistungstransistoren 76, sog. IGBT' s, und Dioden 71 aufgebaut sind, zur Ansteuerung der Last 80. Wesentlich ist, dass der Ausgangsstromkreis 80 eine Wechselstromlast dargestellt. Für die Wechselstromlast 80 muss eine geeignete elektrische Leistung bis zu 2500 kW bei 0,5 bis 300 kHz bereitgestellt werden.
Für einen Betrieb im Resonanzfall muss eine Kompensation der Last, die durch die Induktorleitung realisiert wird, erreicht werden .
Es ist also möglich, an den HF-Ausgang des Generators die Induktorleitung als Leiterschleife anzuschließen, welche reso- nant mit der Umrichterausgangsfrequenz des Generators 6 abgestimmt ist. Wegen der hohen Eigeninduktivität eines normalen Kabels ist eine serielle Kompensation durch kapazitive Anord- nungen notwendig, damit nicht mit Hochspannung gearbeitet werden muss. Dies kann entweder durch zusätzliche Serienkapazitäten oder mittels verteilter Querkapazitäten erfolgen, was nachfolgend beschrieben wird.
Bei einer Doppelleitung soll eine Kompensation der Längsinduktivität erfolgen: Eine Doppelleitung bestehend aus den Hin- und Rückleitern mit den oben genannten typischen Abmessungen weist einen Längsinduktivitätsbelag von 1,5 bis 2,5 μH/m auf. Der Querkapazitätsbelag liegt bei den genannten Abmessungen bei nur 10 bis 20 pF/m, so dass die kapazitiven Querströme zunächst vernachlässigt werden können. Dabei sind Welleneffekte zu vermeiden. Die Wellengeschwindigkeit ist durch kapazitäts- und Induktivitätsbelag der Leiteranordnung gegeben. Die charakteristische Frequenz der Anordnung ist be- dingt durch die Schleifenlänge und die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit entlang der Leiteranordnung. Die Schleifenlänge ist daher so kurz zu wählen, dass sich hier keine störenden Welleneffekte ergeben. Für eine induktiv eingebrachte Heizleistung von 100 W pro Meter Doppelleitung, wird bei 5OkHz eine Stromamplitude von etwa 35 A benötigt. Die erforderliche Stromamplitude quadratisch mit der Anregungsfrequenz, d.h. bei 100 kHz fallen die Stromamplituden auf 1/4 der obigen Werte.
Um die Anwendung von Hochspannung zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Leitungsinduktivität L abschnittsweise durch Serienkapazitäten C wie in Abb. 5.3 schematisch dargestellt zu kompensieren. Diese Art der Kompensation ist prinzipiell Stand der Technik bei kommerziell verfügbaren Systemen der induktiven Energieübertragung auf translatorisch bewegte Systeme .
Aus Figur 8 ist die Kompensation der Leitungslängsinduktivitäten durch Serienkapazitäten ersichtlich. Nachteilig bei der in die Leitung integrierten Kompensation ist, dass die Frequenz des HF-Generators dann auf die Resonanzfrequenz der Stromschleife abgestimmt werden muss und die Leitung sinn- voll, d.h. mit hohen Stromamplituden, nur bei dieser Frequenz betrieben werden kann. Der entscheidende Vorteil jedoch ist, dass die Addition der induktiven Spannungen entlang der Leitung verhindert wird und es kann der Betrieb bei 50 kHz reso- nant erfolgen. Damit sind die auftretenden induktiven und entsprechend kapazitiven Summenspannungen begrenzt.
Wird der Abstand zwischen benachbarten Kondensatoren verringert, müssen die Kapazitätswerte umgekehrt proportional zum Abstand steigen bei proportional zu Abstand verringerte An- forderung an die Spannungsfestigkeit der Kondensatoren, um dieselbe Resonanzfrequenz zu erhalten. Die Kompensation der Längsinduktivität kann auch mittels verteilter Querkapazitäten erfolgen, wozu auf Figur 9 verwiesen wird. Anstelle mehr oder weniger kurzer Kondensatoren als konzentrierte Elemente in die Leitung einzubringen, kann auch der Kapazitätsbelag den eine Zwei- (oder Mehr-) Drahtleitung wie z. B. eine Koaxialleitung ohnehin bereitstellt zu Kompensation der Längsinduktivitäten verwendet werden. Dazu wird in gleichen Abständen abwechselnd der Innen- und Außenleiter unterbrochen und so der Stromfluss über die Querkapazitäten er- zwungen wird.
Letzteres Vorgehen ist in der DE 10 2004 009 896 Al im Einzelnen beschrieben. Dabei wird die Resonanzfrequenz durch die Abstände zwischen die Leitungsunterbrechungen eingestellt.
Im vorliegenden Zusammenhang kann dieses Konzept gemäß Figur 9 auch vorteilhaft für die Leiter zur induktiven Rohrleitungs-Heizung eingesetzt werden, wenn die Leitungen - wie bereits oben beschrieben - mit einer zusätzlichen Außenisolati- on versehen werden, um resistive Querströme zu unterbinden. Im Einzelnen sind dabei zwei Teilleiter 92, 92a dargestellt, die zusammen den kompensierten Leiter 90 bilden. Wesentlich ist dabei ein Einspeisepunkt 95 am ersten Leiter und ein Auskoppelpunkt 95a am zweiten Leiter. Die Innenleiter 93 und 93a sind über das Leitungsstück 95 verbunden. 94 kennzeichnet die Ersatzkapazitäten, welche durch Kapazitätsbelag realisiert sind.
Der Vorteil der verteilten Kapazitäten liegt in einer verrin- gerten Anforderung an die Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beheizung einer Rohrleitung, insbesondere im On- und Offshore-Bereich von Öl- und Gasförderanlagen, mit folgenden Maßnahmen:
- die Beheizung wenigstens einer der Rohrleitungen erfolgt induktiv,
- wozu eine Induktorleitung aus Hin- und Rückleiter verwendet wird und - mindestens eine der Induktorleitungen parallel und nahe zur Rohrleitung geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hin- und Rückleiter der Induktorleitung an einen Mittelfre- quenzgenerator angeschlossen werden, wobei die sekundäre Last die elektrisch leitfähige Rohrleitung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hin- und Rückleiter des Induktors an der zu beheizenden Rohr- leitung entlang geführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Hin- und Rückleiter der Induktorleitung parallel gegenüberliegend, insbesondere diametral beabstandet durch den Durchmesser der Rohrleitung längs an der zu beheizenden Rohrleitung entlang geführt werden .
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinleiter oder der Rückleiter der Induktorleitung an ei- ner Seite der Rohrleitung befestigt und längs der Rohrleitung geführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückleiter der Induktorleitung beabstandet zum Hinleiter geführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rohrleitungen mit einer Induktorleitung beheizt werden, wobei der Induktor in einer Schleife geführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinleiter längs einer ersten Rohrleitung und der Rückleitung längs einer zweiten Rohrleitung geführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rohrleitungen ein für die elektromagnetische Induktion geeignetes Material gewählt wird, und zwar zumindest ein elektrisch leitfähiges Material, vorzugsweise ein ferromagne- tisches Material oder eine Kombination daraus.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung thermisch isoliert ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem der Induktor in- nerhalb der Rohrleitungsisolation untergebracht ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem der Induktor außerhalb der Rohrleitungsisolation angebracht ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Verbundes aus Rohrleitung und Induktorleitung abschnittsweise gemessen wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsinduktivität der Induktorleitung abschnittsweise kompensiert wird.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 14, gekennzeichnet durch eine Induktorleitung mit Hin- und Rückleiter (7a, 7b), die beide als Teil einer Induktorleitung (7) einen geschlossenen Loop bilden, wobei wenigstens einer der Leiter (7a oder 7b) an der Wandung der Rohrleitung (5) befestigt ist und wobei die Enden von Hin- und Rückleiter (7a, 7b) an einen Mittelfrequenzgenerator (6, 60) angeschlossen sind, der wenigstens einige 10OkW bis zu einigen Megawatt (MW) elektrische Leistung bei einer Frequenz zwischen 0,5 bis 300 kHz liefert.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (5) wenigstens teilweise aus einem fer- romagnetischen Werkstoff besteht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (5) aus einem Verbundwerkstoff bestehend aus zumindest einem ferromagnetischen Werkstoff und einem weiteren elektrisch leitfähigen oder nicht elektrisch leitfä- higen Werkstoff besteht.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass entweder der Hinleiter (7a) oder der Rückleiter (7b) der Induktorleitung (7) bereichsweise mechanisch am Umfang der Rohrleitung (5) angebunden ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus Induktorleitung (7) und Rohrleitung (5) thermisch gegenüber der Umgebung isoliert ist, beispielsweise durch Isolationsmatten, Schaummaterial od. dgl .
20. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, wobei die Induktorleitung (7) kompensiert ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine abschnittsweise Kompensation der Leitungsinduktivitäten (L1) durch Serienkapazitäten (C1) erfolgt .
21. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, wobei die Induktorleitung (7) kompensiert ausgebildet ist, da- durch gekennzeichnet, dass eine abschnittsweise Kompensation der Leitungsinduktivitäten (L1) durch verteilte Querkapazitäten (C1) erfolgt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des kompensierten Induktors (7) der Frequenzgenerator ein Parallel-Resonanz-Fre- quenzumrichter (-) ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des kompensierten Induktors (7) der Frequenzgenerator ein Reihen-Resonanz-Frequenzumrichter (-) ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, bei welchem der Induktor bei einer Resonanzfrequenz zwischen 0,5 kHz und 30OkHz betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Resonanzfrequenzumrichter vorhanden ist, mit welchem die als Induktor ausgebildete kompensierte Leiterschleife mit der Resonanzfrequenz (fr) entsprechend der Umrichterausgangsfrequenz abgestimmt ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungsregelung ein Chopperkreis (80) vorhanden ist, der den Wechselrichter versorgt.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Chopperkreis durch einen Gleichrichter versorgt wird.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter durch einen Transformator (65) mit Dreh- oder Wechselspannung versorgt wird.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungsregelung der Transformator (65) mit Anzapfungen (61) und Stufenschalter (62) vorhanden ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinrichtungen (6, 60) zur Bereitstellung der Resonanzfrequenz auf einer Plattform (1) über Wasser angeordnet sind.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Versorgungseinrichtungen (6, 60) zur Bereitstellung der Resonanzfrequenz unter Wasser angeordnet ist.
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