WO2016146100A1 - Verfahren zur elektrischen begleitbeheizung von pipelines für den fluidtransport - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for the electrical accompanying heating of pipelines, in particular underground pipelines for the transport of oil and petroleum products over large
- crude oil In the case of transport of fluids, especially heavy and high viscosity oils in long pipelines (e.g., more than 400 km), certain types of crude oil may produce, inter alia. the task of transporting the crude oil at an elevated temperature relative to the ambient temperature.
- the fluid to be transported will be referred to as crude oil for the sake of simplicity, but the basic considerations may also apply to other fluids, e.g. Liquid sulfur,
- the heat losses along the heated crude oil line must be minimized as much as possible, e.g. in the case of underground laying by exploiting the heat-insulating property of the soil, and possibly additionally by sheathing the crude oil conduit with a heat-insulating layer, as described in an analogous manner e.g. realized in known district heating transport systems. Furthermore, the unavoidable heat losses must be compensated by means of suitable heating methods.
- Resistance heating and the method skin effect heating.
- skin effect heating also known as SECT (skin ef fect current trace heating), SEHTS (skin effect heat tracing system) or STS (skin effect tracing system)
- SECT skin ef fect current trace heating
- SEHTS skin effect heat tracing system
- STS skin effect tracing system
- heating tubes M a comparatively thin tube of ferromagnetic material, eg carbon steel with a nominal diameter of eg 25 mm, hereinafter referred to as " heating tubes M ('heating tube M, by the 'Skin effect' due the laid in her isolated electric line, which is operated with alternating current, is heated on its inside and gives off their heat to the heated oil pipe.
- the heating tube is in this case preferably connected by means of welding or soldering with the transport line to be heated.
- MDP Mangala Development Pipeline System
- the distance between the feed stations is indicated in Fig. III as about 18 km according to a more detailed description of the here realized skin effect trace heating system of the company Pentair / 8 /.
- the specific heating power related to the pipeline length at the design point is about 40 W / m per linear meter with a heating circuit length of 8,210 m and a SEHMS infeed voltage of about 3.3 kV at 50/60 Hz alternating voltage, thus allowing a pipeline length from one feed-in point from approx. 16.42 km supply with electrical heating energy.
- the method of resistance heating of transport lines is in particular from the field of above-ground wiring long known / 3 /.
- the required heating is here in electrical heating cables according to the principle of electrical
- Resistance heating generates, which at the to be heated
- Transport line e.g. to be fastened by tapes / 10 /.
- Transport line e.g. to be fastened by tapes / 10 /.
- a variant with a laying of heating cables in cable ducts is known / 11 /.
- two parallel heating conductors can be operated along the transport pipeline in series with conductive connection of both heating conductors at the remote ends of the line to the electrical supply point / 11 /. Operated with three-phase
- Resistance heating conductor systems with parallel installation of three heating conductors can be installed at the remote ends in
- Star connection can be interconnected and operated / 12 /.
- the heating systems of some providers researched on the Internet will be discussed briefly below.
- SC cables are available with one or two conductors for single-phase or three-phase systems.
- the resistance heating conductors are electrically insulated with high temperature resistant, thick walled fluoropolymers surrounded by a grounded one
- SC Series resistance heating cables
- Thermon / 14 / also offers lag heating systems based on the resistance heating principle, including grade 825 mineral insulated heating cables (MIQ), an alloy with a high nickel / chromium content, which is ideally suited for use in high temperature applications in accordance with / 14 / and extraordinary
- MIQ cables are for use in ordinary (non-classified) and hazardous
- the company Heat-Trace / 10 / offers with its » Longline Trace Heating System * a heating cable system based on the principle of resistance heating, in which the heating cables provided for heating the transport line are designed as single, double or triple heating conductors. These heating cables are fed into the cable ducts of prefabricated, heat-insulated pipeline sections during the installation of the pipeline system.
- the cable ducts in this case consist of elongated Lucaskanal- elements with C-shaped cross section, which abut with its two edges on the outside of the transport pipe and thus form an approximately rectangular cable channel.
- the annular space between the transport line, the cable channels running along it and the outer jacket of the transport line is in this case with a suitable heat-insulating material, eg
- the heating cables offered by Fa. Heat-Trace can in this case have different cross-sectional shapes, e.g. as a single electrical line with a circular or flat, approximately rectangular cross-section, or with an outer, flat approximately rectangular cross-section and contained therein, separated from each other, isolated
- the power factor of the skin effect heating system is 0.85 compared to 1 in the Longline Trace Heating System 1 .
- Another essential aspect, especially in remote areas or areas with difficult socio-economic infrastructure, is the consideration of minimizing the number of stations required for pipeline operation, in particular feed stations for electrical energy, and thus of realizing station distances as large as possible To minimize the total number of operating and security personnel required for the operation and maintenance of such stations, and thus to maximize overall risk minimization for all operations personnel.
- Transport pipe and the cable channels applied thereto could at a water inlet, for example in the range of sleeve joints surrounding the transport pipe
- Protective mantle e.g., HDPE pipe
- Air temperature in the cable channel increase significantly, followed by a further significant increase in temperature in the heating cable itself, in particular due to the significant heat transfer resistance between the air in the cable channel and the surface of the
- the advantage of the resistance accompanying heating system is that relatively long heating sections can be realized, in particular, when the specific heating power (for example 40 W / m) to be provided along a pipeline section is divided into several parallel resistance heating lines (heating conductors). Therefore, according to the invention, the heating pipe system is realized from a plurality of heating conductors laid parallel along the pipe.
- such a system will consist of three heating conductors
- heating cable types are used as heating cables, which also in the
- Transport pipe are connected by welding or soldering and thus ensure a good heat transfer of the generated heat to heat to be transported transport pipe.
- the construction of the connection according to the invention takes place in an analogous manner as in the case of the SECT system.
- the literature / 15 / this is e.g. described that
- Heating tubes by means of couplings / cable pull boxes are welded or brazed together and pneumatically tested to ensure system integrity and, in particular, to ensure system safety against any external water (eg leaks in sleeve joints of the outer polyethylene). Protective tube).
- the companion heating system according to the invention is similar to the model of known skin effect heating systems with several along the transport pipe to be heated substantially parallel
- heating tubes 1 (engl .: heating tubes 1 ) equipped, in which according to the model of skin effect heating in each case an electrically insulated heating cable, preferably laid as a copper wire line , and wherein the heating cables are conductively connected to one another at the opposite ends of the heating cables (opposite the power supply points).
- arranged line sections can be heated, doubles the feasible distance of the feed stations for electrical energy compared to the determined possible
- Equipped with heating conductors and 3-phase operated pipeline system heating section approximately the same electrical currents result in the three heating conductors; the required 3-phase supply voltage at the feed point can be balanced in a simple manner by means of appropriate transformers Power consumption from the three-phase supply source (eg power grid or generator) are provided.
- the specific heat tracing heat q 1 of the heating conductor 1 is
- the heating power Q 1 of the heating element 1 is with the length L of the pipeline section to be heated
- the resistance R, of the heating conductor 1 is (3-5)
- the heating cable diameter d can then be calculated to
- System voltage of 6 kV at a mains frequency of 50 Hz or 60 Hz is operated.
- the required conductor diameter per heating cable would be approximately 8.8 mm and the corresponding conductor cross section would be for a heating conductor set consisting of 3 parallel heating conductors and star connected to the heating conductor ends be about 61 mm 2 .
- section lengths of about 100 km could then be realized between feeding stations for electrical auxiliary heating energy.
- MDP Mangala Development Pipeline
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beheizung, Warmhaltung und Wiedererwärmung von wärmeisolierten Pipelines für den Fluidtransport, insbesondere von zähen Erdölen zur Verbesserung der Transportfähigkeit aufgrund verringerter Viskosität, und zur Vermeidung einer Erdölverfestigung bei Unterschreitung des Stockpunkts. Zur Verwirklichung besonders langer Heizabschnitte - mit möglichen Abständen der Energie-Einspeise-Stationen von mehr als 100 km - wird der jeweils zu beheizende, wärmeisolierte Pipelineabschnitt vorzugsweise mit einem 3-Phasen-Wechselstrom-Heizungssystem mit Sternpunkt am fernen Leitungsende ausgestattet. Die isolierten Heizleiter sind jeweils in aus Metall bestehenden Heizröhren verlegt, die zur Erreichung einer guten Wärmeübertragung mittels Schweiß- oder Lötverbindung mit der zu beheizenden Transportleitung verbunden sind und im Bereich der Verbindung zweier Heizröhren-Abschnitte besondere Maßnahmen zur Minimierung eines eventuellen Wassereintritts getroffen werden.
Description
Verfahren zur elektrischen Begleitbeheizung von Pipelines für den
Fluidtransport
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Begleitbeheizung von Pipelines, insbesondere erdverlegter Pipelines für den Transport von Erdöl und Erdölprodukten über große
Transportentfernungen .
1. Ubersicht und Problembeschreibung
1.1 Allgemeines
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 Rohölsorten 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.
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 Wachsabseheidung (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.
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.
1.2 Bekannte Beheizungsmethoden
1.2.1 Allgemeines
Bekannte Methoden für die Beheizung von Transportleitungen sind die Methode der Aufheizung in Heizstationen /1,2,3/ sowie die Methode der Begleitheizung mit elektrischer Energie. Bei der Methode der Begleitheizung mit elektrischer Energie kommen im Wesentlichen zwei verschiedene Methoden /3/ zum Einsatz: Die Methode der
Widerstandsheizung und die Methode Skin-Effekt Heizung.
1.2.2 Skin-Effekt-Heizung
Die Methode der , Skin-Effekt* Heizung, auch bekannt unter den Bezeichnungen SECT (skin ef fect current trace heating) , SEHTS (skin effect heat tracing System, SEHMS (skin effect heat management System) oder STS (skin effect tracing System) , ist seit Langem bekannt /3,4,5/ und kann insbesondere bei längeren Pipelinesystemen abschnittsweise 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 mit einem Nenndurchmesser von z.B. 25 mm, im Folgenden »Heizrohre' (engl, 'heating tube M genannt, die durch den , Skin-Effekt ' aufgrund
der in ihr verlegten isolierten elektrischen Leitung, die mit Wechselstrom betrieben wird, auf ihrer Innenseite erwärmt wird und ihre Wärme an die zu beheizende Erdölleitung abgibt. Die Heizröhre ist hierbei vorzugsweise mittels Schweiß- oder Lötverbindung mit der zu beheizenden Transportleitung verbunden.
Die mit Planung, Spezifizierung und Installation eines solchen Systeme verbundenen Aspekte werden z.B. in der Literatur /6/ ausführlich beschrieben.
Das bisher längste bekannte Pipeline-Begleitheizsystem mittels Skin- Effekt Heizsystem wurde beim Mangala Development Pipeline System (MDP) in Indien an einer ca. 670 km langen wärmeisolierten und begleitbeheizten Rohölpipeline realisiert, die einen
Transportleitungsdurchmesser von ca. 0.6 m („24 Zoll") aufweist /7/. Der Abstand zwischen den Einspeisestationen wird in III mit ca. 18 km angegeben. Gemäß einer detaillierteren Beschreibung des hierbei realisierten Skin-Effekt Begleitheizungssystems der Fa. Pentair /8/ beträgt die auf die Pipelinelänge bezogene spezifische Heizleistung im Auslegungspunkt etwa 40 W/m je Laufmeter bei einer Heizkreislänge von 8.210 m und einer SEHMS Einspeisepannung von ca. 3,3 kV bei 50/60 Hz Wechselspannung. Somit ließe sich von einem Einspeisepunkt aus eine Pipelinelänge von ca. 16.42 km mit elektrischer Heizenergie versorgen.
Ein ähnliches Skin-Effekt Begleitheizungssystem wird von Fa. Thermon auf dem Harkt angeboten /9/.
Als Vorteile des SECT Systems lassen sich insbesondere nennen:
• Die Vielzahl der erfolgreichen Anwendungen und die erwiesene
Zuverlässigkeit eines solchen Systems
• Die gute Übertragung der in der Heizröhre erzeugten Wärme auf die zu beheizende Rohölleitung
• Die Sicherheit der in der Heizröhre verlegten elektrischen
Leitung gegen äußere Einflüsse, z.B. gegen Eindringen von Wasser, wenn die Verbindungsstellen der Heizröhren-Abschnitte
entsprechend abgedichtet werden.
1.2.3 Widerstandsheizung
1.2.3.1 Allgemeine Beschreibung
Die Methode der Widerstandsheizung von Transportleitungen ist insbesondere aus dem Bereich der oberirdischen Leitungsverlegung
seit Langem bekannt /3/. Die erforderliche Heizwärme wird hierbei in elektrischen Heizkabeln nach dem Prinzip der elektrischen
Widerstandsbeheizung erzeugt, die an der zu beheizenden
Transportleitung z.B. mittels Bändern befestigt werden /10/. Darüber hinaus ist eine Variante mit einer Verlegung von Heizkabeln in Kabelkanälen bekannt /11/.
Bei einphasig betriebenen Widerstandsheizleitersystemen können zwei parallel verlegte Heizleiter entlang der Transportrohrleitung in Reihenschaltung mit leitender Verbindung beider Heizleiter an den fernen Leitungsenden gegenüber dem elektrischen Einspeisepunkt betrieben werden /11/. Bei dreiphasig betriebenen
Widerstandsheizleitersystemen mit paralleler Verlegung dreier Heizleiter können diese an den fernen Leitungsenden in
Sternschaltung miteinander verbunden und betrieben werden /12/. Auf die Heizsysteme einiger im Internet recherchierter Anbieter wird im Folgenden kurz eingegangen.
1.2.3.2 Pentair
In ihren technischen Unterlagen /13/ bietet die Fa. Pentair flexible Serien-Widerstands-Heizkabel der Fa. Raychem an, die eingesetzt werden können, wenn Heizkreislängen die Auslegungsgrenzen
herkömmlicher paralleler Widerstandskabel übersteigen, und eine einzige Stromversorgungsquelle erforderlich ist.
Serien-Widerstands-Heizkabel (SC) sind mit einem oder zwei Leitern für einphasige oder dreiphasige Systeme verfügbar. Die Widerstands - Heizleiter sind elektrisch isoliert mit hochtemperaturbeständigen, dickwandigen Fluoropolymeren, umgeben mit einer geerdeten
Abschirmung und einem abschließenden Fluoropolymermantel .
Maximale Dauertemperaturen von 250°F (121°C) und eine
Temperaturbelastung von bis zu 482°F (250°C) sind verfügbar. Serien- Widerstands-Heizkabel (SC) sind in der Lage, Heizkreislängen von bis zu 12,000 feet (ca. 3660 m) mit einem Einspeisepunkt und Spannungen bis zu 600 V Wechselspannung zu ermöglichen.
1.2.3.3 Thermon
Die Firma Thermon /14/ bietet ebenfalls Beglelthelzungssysteme nach dem Prinzip der Widerstandsheizung an, unter anderem mineralisolierte Heizkabel der Sorte 825 (MIQ) , eine Legierung mit hohem Nickel/Chrom-Anteil, die gemäß /14/ ideal geeignet ist für einen Einsatz im Hochtemperaturbereich und außergewöhnlichen
Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion in
chloridhaltigen, sauren, salzigen und alkalischen Umgebungen besitzt. Wie weiter angegeben /14/, sind MIQ-Kabel für Anwendung in gewöhnlichen (nicht-klassifizierten) und in gefährlichen
(klassifizierten) Bereichen geeignet und werden bei Temperaturen bis zu 932°F (500°C) bei einer Wechselstromspannung von 600 V betrieben.
1.2.3.4 Heat-Trace Ltd.
Die Firma Heat-Trace /10/ bietet mit ihrem »Longline Trace Heating System* ein Heizkabelsystem nach dem Prinzip der Widerstandsheizung an, bei dem die zur Beheizung der Transportleitung vorgesehenen Heizkabel als Einzel-, Doppel- oder Dreifachheizleiter ausgeführt sind. Diese Heizkabel werden während der Montage des Pipelinesystems in die Kabelkanäle vorgefertigter, wärmeisolierter Pipeline- Leitungsabschnitte eingezogen. Die Kabelkanäle bestehen hierbei aus länglichen Kabelkanal -Elementen mit C- förmigem Querschnitt, die mit ihren beiden Rändern an der Außenseite der Transportrohrleitung anliegen und somit einen etwa rechteckförmigen Kabelkanal bilden. Der Ringraum zwischen der Transportleitung, den daran entlang verlaufenden Kabelkanälen und dem Außenmantel der Transportleitung ist hierbei mit einem geeigneten wärmedämmenden Werkstoff, z.B.
Polyurethanschaum ausgefül11.
Die von Fa. Heat-Trace angebotenen Heizkabel können hierbei verschiedene Querschnittsformen besitzen, z.B. als elektrische Einzelleitung mit kreisförmigem oder flachem, etwa rechteckigem Querschnitt, oder mit äußerem, flachem etwa rechteckigem Querschnitt und darin enthaltenen, voneinander getrennten, isolierten
Heizleitern.
Gemäß den Angaben von Heat-Trace /10/ wird hierzu angegeben, dass ihre neue kontinuierliche Umformeinrichtung („extrusion facility") die Errichtung langer Heizsystem („Longline Systems") ermögliche, um bis zu 60 km Pipeline-Heizabschnittslänge von einem einzelnen zentralen elektrischen Einspeisepunkt aus zu versorgen.
Für verschiedene Begleitheizungslängen, die von einem einzelnen zentralen elektrischen Einspeisepunkt realisierbar sind, werden in /10/ unter anderem die folgenden Begleitheizungsmöglichkeiten aufgelistet :
Herstellers gegenüber dem Skin-Effekt Begleitheizsystem die folgenden Vorteile gesehen /10/:
• Längere Keizkreise
• Niedrigere Kapitalkosten
• Billigere / einfachere Installation
• Niedrigere Betriebskosten; nach Angaben des Herstellers beträgt der Leistungsfaktor des Skin-Effekt - Heizungesystems 0.85 im Vergleich zu 1 beim , Longline Trace Heating System1.
2. Problembeschreibung
2.1 Allgemeines
Bei langen, elektrisch beheizten Rohöl -Transportsystemen, z.B. mit Transportentfernungen von mehr als 500 km, kommt der Sicherstellung eines verlässlichen und störungsfreien Pipeline-Betriebs und damit der Hinimierung aller denkbaren durch Konstruktion, Installation und Betrieb veranlassten möglichen Risiken eine extreme Bedeutung zu. Dies gilt insbesondere, wenn ein solches elektrisch beheiztes Transportsystem in Regionen mit schwierigen Umgebungsbedingungen errichtet und betrieben werden soll . In diesem Zusammenhang sind z.B. insbesondere saisonal auftretende Regenzeiten mit extremem Wasseranfall zu nennen, in denen sich das sintflutartig anfallende Regenwasser dann seinen Weg z.B. innerhalb der Rohrgräben entlang der verlegten Transportrohrleitung sucht, diese überspült und unter Wasser setzt und im Laufe der Zeit durch Sandausspülung das Problem der saisonal bedingten Unterwassersetzung der Transportrohrleitung noch verschärft.
Uta eine optimale Sicherheit des Transportsysteme gegen möglichen Wassereintritt und nachfolgende Wasserausbreitung, insbesondere entlang der elektrischen Begleitheizeinrichtungen zu erreichen, muss das vorgesehene Begleitheizsystem maximal widerstandsfähig gegen derartige Einwirkungen ausgebildet sein.
Als extrem wichtiger weiterer Gesichtspunkt im Hinblick auf die erforderliche Minimierung bekannter und ggf. unbekannter Risiken einer Syetemlnstallatlon wird der Rückgriff auf in der Vergangenheit bewährte zuverlässige Systemtechnik angesehen, selbst wenn neuere technische Verfahren und Anordnungen einen Kostenvorteil
versprechen, jedoch noch nicht ausreichende betriebliche Erfahrungen für die zu erwartenden Betriebsbedingungen (z.B. mögliche
Unterwassersetzung der Pipeline) über einen entsprechen langen Betriebszeitraum vorliegen.
Als weiterer wesentlicher Gesichtspunkt kommt insbesondere in abgelegenen Gegenden oder Gegenden mit schwieriger sozio- ökonomischer Infrastruktur die Überlegung hinzu, die Anzahl der für den Pipelinebetrieb benötigten Stationen, insbesondere Einspeisestationen für elektrische Energie, weitestgehend zu minimieren, und somit möglichst große Stationsabstände zu realisieren, um die Gesamtzahl des für Betrieb und Wartung derartiger Stationen erforderlichen Betriebs- und Sicherheitspersonals weitgehend zu minimieren und somit eine größtmögliche Gesamt-Risikominimierung für das gesamte Betriebspersonal zu erreichen.
Angesichts der vorangehend beschriebenen Zielsetzungen wird im Folgenden insbesondere auf Nachteile der bisher bekannten Pipeline- Begleitheizungs -Systeme eingegangen .
2.2 Skin-Effekt-Beheizungssysteme
Elektrische Begleitheizsysteme nach dem Prinzip der Skin-Effekt- Beheizung (SECT) weisen zwar die unter Punkt 1.2.2 bereits genannten Vorteile auf, jedoch werden aus Sicht des Anmelders insbesondere folgende mögliche Nachteile gesehen:
• Die Notwendigkeit des Verschweißens oder Verlötens der Heizröhre mit der Transportleitung, was mit entsprechend erhöhten
Investitionskosten verbunden ist
• Der Wirkungsgrad der elektrischen Begleitheizung nach dem SECT- System, der in der Größenordnung von etwa 90% genannt wird /10/.
• Die beschränkte Heizkreislänge von ca. 12,5 km bei einer
spezifischen Heizleistung von 40 W/m, wodurch der maximal realisierbare Stationsabstand auf etwa 25 km beschränkt wird.
2.3 Widerstands-Begleitheizsysteme für große Heizabschnittslängen
Elektrische Begleitheizsysteme nach dem Prinzip der
Wlderstandsbehelzung für lange Heizkreisabschnitte weisen zwar die unter Punkt 1.2.3.4 bereits genannten Vorteile auf, jedoch werden aus Sicht des Anmelders insbesondere folgende mögliche Nachteile eines solchen Systems gesehen:
• Aufgrund der möglichen Spaltenbildung zwischen
Transportrohrleitung und den daran angelegten Kabelkanälen könnte
sich bei einem Wassereintritt, z.B. im Bereich von Muffen- Verbindungen des die Transportrohrleitung umgebenden
Schutzmantels (z.B. HDPE Rohr) das eingetretene Wasser entlang oder innerhalb eines oder mehrerer Kabelkanäle ausbreiten und zu weiteren Folgeschäden, z.B. Korrosion des Transportrohres oder elektrischen Kurzschlüssen im Bereich von Heizleiter- Verbindungsstellen führen.
• Mögliche Überhitzung der Heizleitungen und ggf. daraus
resultierende Heizleitungs-Kurzschlüsse, falls im Bereich von Fehlstellen bei der Montage eines oder mehrerer Kabelkanäle die Wärmeleitung zwischen Kabelkanal und Oberfläche der zu
beheizenden Transportleitung deutlich vermindert ist; aufgrund des dann erheblich erhöhten Wärmeübergangswiderstande zwischen Transportleitungsoberfläche und Kabelkanal wird dann die
Lufttemperatur im Kabelkanal erheblich ansteigen, gefolgt von einem weiteren erheblichen Temperaturanstieg im Heizkabel selbst, insbesondere aufgrund des erheblichen Wärmeübergangswiderstands zwischen der Luft im Kabelkanal und der Oberfläche der
elektrischen Kabelisolation.
• Deutlich geringere (zumindest öffentlich bekannte) Erfahrungen mit dem Langzeitverhalten eines solchen BegleitheizSystems im Vergleich zu Skin-Effekt-Begleitheizsystemen.
2.4 Schlussfolgerungen
Die Ausführungen in den vorangehenden Kapiteln zeigen aus Sicht des Verfassers, dass im Hinblick auf die in Kapitel 2.1 gestellten Anforderungen hinsichtlich der Minimierung möglicher mit
Installation und Betrieb eines elektrischen Begleitheizsystems verbundener Risiken wie
• möglichst hoher Schutz gegen unbeabsichtigten Wassereintritt und Wasserausbreitung im Transport- und Begleitheizungssystem,
• ausschließliche Verwendung bewährter, zuverlässiger Systemtechnik sowie
• weitgehende Minimierung der Anzahl der erforderlichen Einspeisestationen, und damit verbundene Maximierung der mittels
Begleitheizung beheizbaren Transportabschnittslängen keines der vorstehend genannten Begleitheizsysteme (SECT-System, Widerstands-Heizsystem) als zufriedenstellend empfohlen werden kann.
Im Rahmen der Systemplanung begleitbeheizter langer
Rohöltransportsysteme ergab sich daher die Aufgabenstellung, nach Maßnahmen zu suchen, mit denen die in Kapitel 2.1 gestellten
Anforderungen letztlich doch weitgehend erfüllt werden können.
3. Problemlösung
3.1 Beschreibung der erfindungsgemäßen Problemlösung
Als erfindungsgemäße Problemlösung im Rahmen dieser Patentanmeldung ist vorgesehen, die Vorteile beider beschriebenen Begleitheizsysteme zu kombinieren und deren Nachteile weitgehend zu vermeiden.
Der Vorteil des Widerstands -Begleitheizungssystems wird darin gesehen, dass relativ lange Heizabschnitte insbesondere dann realisiert werden können, wenn die längs eines Pipelineanschnitts zu erbringende spezifische Heizleistung (z.B 40 W/m) auf mehrere parallele Widerstands-Heizleitungen (Heizleiter) aufgeteilt wird. Erfindungsgemäß wird daher das Heizleitungssystem aus mehreren längs der Rohrleitung parallel verlegten Heizleitern realisiert.
Vorzugsweise wird ein solches System aus drei Heizleitern
realisiert, welches mit 3 -phasigem Drehstrom betrieben wird, deren Heizleiter an den gegenüber dem 3 -Phasen-Einspeisepunkt liegenden fernen Heizleitungsenden miteinander in Sternschaltung verbunden werden .
Um einen guten Schutz der Heizleiter zu gewährleisten, werden als Heizkabel jene Heizkabeltypen eingesetzt, die auch bei dem
nachgewiesenermaßen zuverlässigen SECT-Begleitheizsystem zum Einsatz kommen. Darüber hinaus werden die Heizkabel in analoger Weise wie beim SECT-Heizsystem in Heizröhren verlegt, die mit der
Transportrohrleitung durch Verschweißen oder Verlöten verbunden sind und somit eine gute Wärmeübertragung der erzeugten Heizwärme in die zu beheizende Transportrohrleitung gewährleisten. Zur Minimierung eines eventuellen Wassereintritts im Bereich der Verbindung zweier Heizröhren-Abschnitte erfolgt die Errichtung der Verbindung derselben erfindungsgemäß in analoger Weise wie beim SECT- System. In der Literatur /15/ wird hierbei z.B. beschrieben, dass die
Heizröhren mittels Kupplungen / Kabel -Einziehboxen (,pull boxes') miteinander verschweißt oder verlötet und pneumatisch getestet werden, um die Systemintegrität sicherzustellen und insbesondere, um die Systemsicherheit gegen eventuell von außen eintretendes Wasser (z.B. bei Undichtigkeiten von Muffen-Verbindungen des äußeren Polyethylen- Schutzrohres) sicherzustellen.
Somit ist das erfindungsgemäße Begleitbeheizungssystem nach dem Vorbild bekannter Skin-Effekt-Heizsysteme mit mehreren längs der zu beheizenden Transportrohrleitung im wesentliche parallel
angeordneten und mit der Transportrohrleitung durch Schweiß- oder Lötverbindung verbundenen , Heizrohren1 (engl.: , heating tubes1) ausgestattet, in denen nach dem Vorbild der Skin-Effekt-Beheizung jeweils eine elektrisch isolierte Heizleitung, vorzugsweise in der Ausführung als Kupferlitzenleitung verlegt ist, und wobei die Heizleitungen an den gegenüber den Strom-Einspeisepunkten gegenüberliegenden (fernen) Heizkabelenden leitend miteinander, verbunden sind.
Als besonders vorteilhafte Realisierungsvariante wird hierbei ein aus 3 Heizleiterröhren aufgebautes Heizsystem angesehen, in welches am Einspeisepunkt 3 -Phasen-Wechselstrom mit z.B. 50 Hz oder 60 Hz Systemfrequenz mit vergleichsweise hoher Systemspannung, z.B. 5 kV bis 6 kV eingespeist wird, und deren , ferne1 Enden als elektrischer , Sternpunkt * miteinander verbunden sind.
Da von einem elektrischen Energie-Einspeisepunkt zwei in
entgegengesetzter Richtung längs der Transportrohrleitung
angeordnete Leitungsabschnitte beheizt werden können, verdoppelt sich der realisierbare Abstand der Einspeise-Stationen für elektrische Energie gegenüber der ermittelten möglichen
Begleitheizungslänge .
Als weitere Vorteile des vorgeschlagenen Begleitheizsystems können genannt werden:
• Im Gegensatz zum Prinzip der Skin-Effekt-Beheizung erfolgt kein Stromfluss über die mit der Transportleitung elektrisch verbundene Heizröhren, so dass sämtliche Stromflüsse innerhalb der elektrisch isolierten Heizleiter verbleiben
• Der Wirkungsgrad der elektrischen Widerstandsheizung liegt nahe bei 1 und ist damit deutlich höher als bei der Skin-Effekt- Heizung.
• Bei Wahl gleicher Heizleiter-Querschnitte in einem mit 3
Heizleitern ausgestatteten und 3 -phasig betriebenen Pipeline- Systemheizabschnitt ergeben sich annähernd gleiche elektrische Ströme in den drei Heizleitern; die erforderliche 3 -Phasen- Versorgungsspannung am Einspeisepunkt kann hierbei in einfacher Weise mittels entsprechender Transformatoren bei ausgeglichener
Stromaufnahme aus der Drehstrom-Versorgungsquelle (z.B. Stromnetz oder Generator) bereit gestellt werden. Berechnungsgleichungen
Im Folgenden werden grundlegende Berechnungsgleichungen für die
Heizkabelauslegung zusammengestellt .
Mit der Systemspannung U beträgt die Spannung U1 zwischen den
beiden Enden eines Heizleiters 1 in einem symmetrischen 3- Phaeensystem in Sternschaltung
Die spezifische Begleitheizleistung q1 des Heizleiters 1 ist
wenn q die spezifische Begleitheizleistung in einem Pipelineabschnitt bezeichnet. Die Heizleistung Q1 des Heizleiters 1 beträgt mit der Länge L des zu beheizenden Pipelineabschnitts
Der elektrische Strom 7 im Heizleiter 1 ergibt sich zu
Der Widerstand R, des Heizleiters 1 ist
(3-5)
Mit der elektrischen Leitfähigkeit p , der Länge L des Heizleiters und mit dem Querschnitt A des Heizleiters ergibt sich der Widerstands R1 zu (3-6)
Umstellung der Gleichung (3-6) unter Berücksichtigung der Gleichung (3- 5) ergibt
Auflösen nach A unter Einfügung der Gleichung (3-4) ergibt
Einfügen der Gleichungen (3-3) und (3-3) in (3-8) ergibt
Einbeziehung der Gleichung (3-1) in (3-9) ergibt den Heizkabel- Querschnitt A zu
Der Heizkabeldurchmesser d kann dann berechnet werden zu
Berechnungsbeispiele
Im Folgenden werden für den angenommenen Fall einer benötigten spezifischen Heizleistung von 40W/m für eine Rohöl-Transportleitung Berechnungen zur Begleitheizleitungsauslegung nach dem
Widerstandsheizungsprinzip durchgeführt .
Dabei wird ein 3 -phasiges Heizleitungssystem mit Kupfer als
Heizleitungsmaterial zugrunde gelegt, welches mit einer
Systemspannung von 6 kV bei einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz betrieben wird.
Das Diagramm (Figur 1) zeigt für das vorstehend beschriebene
Berechnungsbeispiel den erforderlichen Kabeldurchsiesser als Funktion der beabsichtigten Heizleiterlänge.
Bei einer beabsichtigten Abschnittslänge der Pipelinebeheizung von 50 km und einer benötigten spezifischen Pipeline-Beheizungsleistung von 40 W/m würde bei einem aus 3 parallel verlegten Heizleitern bestehenden und an den Heizleiterenden in Sternschaltung verbundenen Heizleitersyetem der benötigte Leiterdurchmesser je Heizkabel etwa 8.8 mm und der entsprechende Leiterquerschnitt etwa 61 mm2 betragen. Mit einer solchen Lösung könnten dann Abschnittslängen von ca. 100 km zwischen Einspeise-Stationen für elektrische Begleitheizenergie realisiert werden.
4. Literaturangaben
/1/ Rafael Martinez-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
/2/ G.A. Nunez, H.J. Rivas, D.D. Joseph: Drive to <produce Heavy Crude Prompte Variety of Transportation Methode; OGJ Special Oct. 26, 1998 Oil and Gas Journal
/3/ S. Lechler, J. Kossert und K. Zehl : Planung und Bau der
Plüssigschwefel-Transportleitung Voigtei -Barenburg; Erdöl- Erdgas Zeitschrift, 93. Jg., Juli 1977, S. 235-242
/4/ Canadian Patent 1149761 AI; Pipelines by Skin-Effect-Current Heating; published 12.07.1983; Inventor: Masao Ando
/5/ Website heruntergeladen am
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/6/ Ben C. Johnson: The Practical Issues Involved in Designing,
Specifying and Installing Skin Effect Current Tracing Systems ,-
2012 Petroleum and Chemical Industry Conference Europe
Conference Proceedings (PCIC EUROPE) ; 1-13
/7/ Mangala Development Pipeline (MDP) , Rajasthan, Gujarat, India
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/8/ F. Chakkalakal, M. Hamill, J. Beres: Building the World's
Longest Heated Pipeline - A Technology Application Review; 2014
IEEE Petroleum and Chemical Industry Technical Conference;
Paper No. PCIC-2014-52, 8-10 Sep. 2014, San Francisco, CA /9/ Thermon, heruntergeladen aus dem Internet am 07.03.2015
/10/ Hotfoil-EHS, heruntergeladen aus dem Internet am 08.03.2015
/II/ Heat-Trace, heruntergeladen aus dem Internet am 08.03.2015
Claims
1. Verfahren zur elektrischen Begleitbeheizung wärmeisolierter Pipelines, insbesondere erdverlegter Pipelines für den Transport von Erdöl und Erdölprodukten oder anderer warm zu haltender
Transportmedien über große Transportentfernungen, dadurch
gekennzeichnet,
dass
a) die längs eines Pipelineabschnitts zu erbringende spezifische Heizleistung auf mehrere entlang der Transportrohrleitung parallel installierte Widerstands-Heizleiter aufgeteilt wird b) die Widerstands-Heizleiter jeweils mit elektrischer
Hantelisolierung versehen, und jeweils in aus Metall bestehenden Heizröhren (engl.: ,heating tubes') verlegt sind, wie sie für Skin-Effekt -Beheizungssysteme typisch sind, wobei die Heizröhren zur Erreichung einer guten Wärmeübertragung mittels Schweiß- oder Lötverbindung mit der Transportleitung verbunden sind
c) im Bereich der Verbindung zweier Heizröhren-Abschnitte
besondere Haßnahmen zur Hinimierung eines eventuellen
Wassereintritts getroffen werden, z.B. mittels verschweißter oder verlöteter Kupplungen und/oder Kabel -Einziehboxen, deren Dichtheit abschließend mittels geeigneter Dichtheitstests nachgewiesen wird
d) das Rohrmaterial, welches den äußeren mantel förmigen
Bestandteil einer Heizröhre bildet, nicht, wie bei Skin- Effekt-Heizsystemen, vom Heizstrom durchflössen wird
e) der mantelförmige Bestandteil einer Heizröhre selbst nicht aktiv zur Wärmeerzeugung aus elektrischer Energie beiträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Heizleiter einen vergleichsweise geringen spezifischen
elektrischen Widerstand in der typischen Größenordnung von Kupferleitern aufweisen
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Heizleiter vorzugsweise als
Litzenleitung ausgeführt sind
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Heizleiter an den gegenüber den Strom- Einspeisepunkten liegenden (fernen) Heizleiterenden leitend miteinander verbunden sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass das Begleitheizsystem vorzugsweise aus 3 längs der Transportrohrleitung parallel angeordneten elektrisch isolierten Heizleitern besteht, die jeweils in den Heizleitern einzeln zugeordneten Heizröhren verlegt sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das Begleitheizsystem mit 3 -Phasen- Wechselstrom betrieben wird
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass das Begleitheizsystem mit Wechselstrom im Frequenzbereich 50 Hz bis 60 Hz betrieben wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Begleitheizsystem vorzugsweise mit relativ hoher System-Betriebsspannung von mindestens 3 kV betrieben wird.
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|---|---|---|---|
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| DE102015003481.2 | 2015-03-18 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|
| PCT/DE2016/000117 WO2016146100A1 (de) | 2015-03-18 | 2016-03-17 | Verfahren zur elektrischen begleitbeheizung von pipelines für den fluidtransport |
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| WO (1) | WO2016146100A1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109141034A (zh) * | 2017-06-27 | 2019-01-04 | 北京华业阳光新能源有限公司 | 固体伴热装置 |
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| CA1149761A (en) | 1980-03-14 | 1983-07-12 | Masao Ando | Pipelines by skin-effect-current heating |
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2015
- 2015-03-18 DE DE102015003481.2A patent/DE102015003481A1/de not_active Withdrawn
-
2016
- 2016-03-17 WO PCT/DE2016/000117 patent/WO2016146100A1/de active Application Filing
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