海底管道伴熱技術(shù)應(yīng)用

萬光芬，歐陽俊，劉國鋒，徐正海

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

0 引 言

原油在海底管道輸送過程中溫度降低，通常會導(dǎo)致黏度增加、水合物形成和蠟沉積。這將直接影響海上油氣有效運(yùn)輸，甚至導(dǎo)致管道堵塞，嚴(yán)重時將導(dǎo)致海底管道廢棄，尤其在海上稠油開發(fā)中，這一現(xiàn)象更加明顯。為滿足生產(chǎn)作業(yè)和停輸期間海底管道中的原油對溫度的要求，通常需要對海底管道采取適當(dāng)?shù)木S溫措施。

由于海底管道輸送過程中的熱量損失，通過簡單的被動保溫很難達(dá)到理想的維溫效果。主動伴熱，就是通過外界的熱量補(bǔ)償海底管道的熱損失，使海底管道維持在一定溫度下運(yùn)行。在實際工程中，通常將被動保溫技術(shù)與主動伴熱技術(shù)相結(jié)合，以達(dá)到最佳的維溫效果[1]。

1 海底管道主要伴熱技術(shù)特點

海底管道伴熱技術(shù)根據(jù)不同的加熱熱源分為熱流體加熱和電加熱，具體分類如圖1所示。

圖1 海底管道伴熱技術(shù)分類

1.1 直接電加熱技術(shù)

直接電加熱(開環(huán))技術(shù)的加熱系統(tǒng)主要由輸送流體的海底管道和捆扎于其上的背負(fù)式電纜(Piggy-Back Cable，PBC)組成(見圖2)。上部模塊供電至海底電纜，海底電纜的一端與海底管道的一端相連，海底管道與海底電纜形成串聯(lián)電路，海底電纜再與平臺的供電電纜相連，形成閉合回路。在該系統(tǒng)中，海底管道作為單相用電負(fù)荷，其加熱原理是利用流經(jīng)海底管道的交流電產(chǎn)生的熱量為其內(nèi)部流體加熱，以達(dá)到維溫或升溫的功效。

圖2 直接電加熱(開環(huán))技術(shù)海底管道與PBC示例

1.2 管中管直接電加熱技術(shù)

在直接電加熱技術(shù)中，海底管道可使用管中管結(jié)構(gòu)，外管代替開環(huán)直接電加熱系統(tǒng)的PBC。交流電沿內(nèi)管傳輸并通過外管返回。管中管數(shù)字電液控制系統(tǒng)(Digital Electro-Hydraulic Control System，DEH)具有2種形式：端部饋電系統(tǒng)和中心饋電系統(tǒng)，分別如圖3和圖4所示。

圖3 管中管DEH端部饋電系統(tǒng)

圖4 管中管DEH中心饋電系統(tǒng)

1.3 管中管電伴熱技術(shù)

管中管電伴熱系統(tǒng)由傳統(tǒng)的伴熱電纜組成，基于歐姆電阻加熱產(chǎn)生熱量。采用低阻銅合金纜芯的絕緣電纜直接束縛在管道上，進(jìn)而實現(xiàn)最大化的加熱效率。該系統(tǒng)的海底管道總體布局如圖5所示。加熱電纜分為3組，構(gòu)成1個三相系統(tǒng)，且在系統(tǒng)遠(yuǎn)端電流相位的總和為零，因此不需要返回電纜。加熱電纜在管道周圍均勻分布，三相電流彼此間的角度為120°，確保加熱輸入的均勻分布。

圖5 管中管電加熱系統(tǒng)原理示例

1.4 集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)

集膚效應(yīng)電伴熱基于交流電的“集膚效應(yīng)”和“鄰近效應(yīng)”。集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱主要來自如下3個部分[2-3]：

(1)在電流通過加熱管時加熱管發(fā)熱。這部分熱量是集膚效應(yīng)電加熱系統(tǒng)的主要熱源。

(2)加熱管內(nèi)部電纜產(chǎn)生的熱量。

(3)加熱管內(nèi)磁滯損耗產(chǎn)生部分熱量。

集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)對海底管道的長度、伴熱電纜的壽命、接頭質(zhì)量、海底管道材質(zhì)和海上工程施工質(zhì)量具有較高要求，一旦發(fā)生故障，修復(fù)成本較高。

1.5 流體加熱-熱介質(zhì)循環(huán)加熱技術(shù)

熱介質(zhì)循環(huán)加熱系統(tǒng)由閉合管道回路和平臺上部熱介質(zhì)系統(tǒng)組成，其工作原理類似加長版的管式換熱器。熱介質(zhì)循環(huán)加熱系統(tǒng)通常具有2種加熱方式：管中管加熱和管束循環(huán)加熱。

2 主要伴熱技術(shù)成熟度評估及選型流程

主要伴熱技術(shù)成熟度評估矩陣如表1所示。

表1 主要伴熱技術(shù)成熟度評估矩陣

經(jīng)過綜合比較分析，在選擇和設(shè)計海底管道加熱方式時建議考慮如下3個方面：

(1)直接電加熱電效率低，需要特殊的防腐設(shè)計，需要定期檢查和維護(hù)。目前，大多數(shù)直接電熱管道均為短期使用，較少長期使用。

(2)熱介質(zhì)循環(huán)加熱的伴熱效率低，需要考慮熱流體對伴熱管引起的腐蝕問題。但在平臺上余熱足夠時，熱流體加熱具有一定優(yōu)勢。

(3)電伴熱溫度梯度小，熱穩(wěn)定時間長，所需要的電功率小，適合長期使用。電伴熱具有應(yīng)用范圍廣、熱效率高、節(jié)能、無污染、使用壽命長、可遠(yuǎn)程控制和自動控制等優(yōu)點，是伴熱技術(shù)的發(fā)展方向。

伴熱方式選擇流程如圖6所示，為今后稠油油田伴熱方式選取提供選型思路。

圖6 伴熱方式選擇流程

3 南海某稠油油田技術(shù)方案

3.1 原油參數(shù)

南海某稠油平臺15-1DPP平臺水深為286.0 m，該平臺物流通過1條23.8 km海底管道輸送至14-4DPP平臺。海底管道伴熱要求在48 h內(nèi)將海底環(huán)境溫度維持在48.0 ℃。管道設(shè)計溫度為86.0 ℃，最高工作溫度為81.0 ℃。系統(tǒng)設(shè)計壓力為8.0 MPa。海底管道敷設(shè)位置水下環(huán)境溫度為11.6 ℃。原油參數(shù)如表2所示。

表2 原油參數(shù)

續(xù)表2 原油參數(shù)

3.2 傳熱方式選擇

管道參數(shù)如表3所示。

表3 管道參數(shù)

主要加熱系統(tǒng)對比如表4所示。

表4 主要加熱系統(tǒng)對比

項目中的海底管道加熱系統(tǒng)需要長期運(yùn)行，由上述分析可知：從效率、費(fèi)用到壽命，推薦采用電伴熱加熱方式。

3.3 電伴熱方案

3.3.1 伴熱電量需求

在由短時間至中時間的關(guān)斷期間，伴熱溫度保持在48.0 ℃及以上，熱量輸入為30.0 W/m。在48 h內(nèi)，將冷卻的海底管道由臨界溫度11.6 ℃加熱至48.0 ℃，熱量輸入為63.0 W/m。

為保證滿足最大加熱需求，同時保證供電系統(tǒng)的三相平衡，每相電纜需要保證可提供21.0 W/m的加熱電至海底管道。不同溫度下的純銅電纜阻抗如表5所示。

表5 不同溫度下的純銅電纜阻抗

加熱功率Pth公式為

Pth=3R(V/R)2

(1)

式中：R為電纜電阻；V為電壓等級。

根據(jù)式(1)，在加熱電纜的功率和電阻確定時，可計算該系統(tǒng)所需要的電壓等級。由于不同溫度下的電阻不同，因此計算存在一定偏差。最終，電纜選取3×16.0 mm2的導(dǎo)體，電壓為3.8 kV(相電壓)/6.6 kV(線電壓)。

3.3.2 加熱工況

加熱工況下的海底電纜參數(shù)如表6所示。計劃選用國際電伴熱常用的Habia和Heat Trace UK電纜。

表6 加熱工況下海底電纜參數(shù)

3.3.3 維溫工況

為保證海底管道在11.6 ℃的海水溫度保持48.0 ℃，該系統(tǒng)需要的熱量輸入為21.0 W/m。維溫工況下的海底電纜參數(shù)如表7所示。

表7 維溫工況下海底電纜參數(shù)

續(xù)表7 維溫工況下海底電纜參數(shù)

3.3.4 供電方案設(shè)計

由于系統(tǒng)需要處理不同的功率輸出，根據(jù)所需操作和加熱情況，變壓器的二次繞組通常具有至少5個抽頭。抽頭調(diào)整可自動完成，也可手動完成。通過抽頭調(diào)整實現(xiàn)伴熱溫度有級調(diào)控。

3.3.5 電纜具體布置

選用目前運(yùn)用范圍較廣的Habia電纜。該電纜在維溫工況下需要1套電纜，在加熱工況下需要2套電纜，因此綜合考慮滿足2種工況和備用需求，共選用4套電纜(在加熱工況下，兩用兩備)。這4套電纜均勻鋪設(shè)在內(nèi)層海底管道周圍，如圖7所示。

圖7 電纜布置結(jié)構(gòu)示例

考慮加熱電纜100%冗余的設(shè)計原則，選擇配置4組加熱電纜(三相)(共12條單芯電纜，2根光纖)。海底加熱電纜Habia的具體參數(shù)如下：導(dǎo)體截面為16.0 mm2；電纜截面為5.2 mm2；電壓等級為3.8 kV(相電壓)/6.6 kV(線電壓)；電流等級為120.0 A；溫度額定值為-25.0～120.0 ℃。

4 結(jié) 論

海底管道伴熱是一項國際前沿新課題，是一項涉及多專業(yè)多學(xué)科的綜合科研技術(shù)。海底管道伴熱技術(shù)方案的選取受工程項目的自身特點、加熱工況需求、施工船舶資源和潛在供應(yīng)商等多因素影響，需要具體分析。著重從伴熱的電氣系統(tǒng)設(shè)計及特點方面對國際較常用的幾種加熱技術(shù)進(jìn)行簡要介紹，為今后海上稠油輸送流動安全保障技術(shù)提供一些新思路和方法。海上稠油開發(fā)的流動安全保障是一個世界性的難題，也是當(dāng)前中國海油面臨的一個重要課題，做好海底管道加熱的技術(shù)儲備具有重要意義。