СИСТЕМА ПРЯМОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВА УДАЛЕННОЙ СКВАЖИНЫ
SYSTEM OF DIRECT ELECTRICAL HEATING OF REMOTE WELL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к нагреву транспортирующих углеводороды протяженных подводных магистралей и передаче энергии на дальние расстояния по подводным кабелям. В частности, оно относится к способу, известному в уровне техники, как «прямой электронагрев», в котором электрическую мощность используют для нагрева трубопроводов с целью предотвращения гидратообразования. Система особенно полезна для борьбы с гидратами/парафинами в длинных магистралях от отдаленных скважин за счет прямого электронагрева, например, трубопроводов диаметром от 10 до 30 дюймов из углеродистой стали на расстояниях, например, 60-300 км и более.
Уровень техники
Прямой электронагрев (ПЭН (DEH, от англ. Direct Electric Heating)) протяженных магистралей и крупномасштабных экспортных трубопроводов обеспечивает много преимуществ по сравнению с альтернативными способами. Технология ПЭН (DEH) активно применялась последние 10 лет для борьбы с гидратообразованием и сейчас раскрывает новые возможности, которые раньше считались неосуществимыми. Используя соответствующую технологию и существующие конструкторские модели можно нагревать более длинные и более крупные трубопроводы в прерывистом или непрерывном режимах.
Подход прямого нагрева «труба-в-трубе», называемый ПЭНТВТ (DEHPIP, от англ. Direct Electrical Heated Pipe in Pipe) является слегка отличающимся технологически подходом к указанной проблеме, предъявляющим мало отличающиеся требования к системе электроснабжения, так как большинство топологий снабжения электроэнергией могут быть использованы для запитывания как систем ПЭН (DEH), так и систем ПЭНТВТ (DEHPIP), независимо от того, какая топология используется - с концевым запитыванием или с центральным запитыванием. Для обеих систем общим является то, что электрический ток течет аксиально через стенку трубы, создавая прямой нагрев трубопровода:
Влажная изоляция: разомкнутая система
Труба с концевым запитыванием
Труба с центральным запитыванием
Сухая изоляция: замкнутая система
Труба в трубе с концевым запитыванием
Труба в трубе с центральным запитыванием
Системы ПЭНТВТ (DEHPIP) иногда описывают как системы магистрального электронагрева (МЭН (EFH, от англ. Electrical Flowline Heating)), так как системы МЭН (EFH) традиционно ассоциировались с технологией сухоизолированной (труба-в-трубе) системы нагрева магистрали, но термин может также использоваться для общего указания на нагрев магистрали с использованием электричества.
Электрический нагрев трубопроводов привлекателен как для близко, так и далеко расположенных отдаленных скважин, так как эксплуатационные расходы ПЭН (DEH) значительно ниже, чем при использовании химикатов. Технология уникальна и является привлекательной с коммерческой и технической сторон. Она позволяет использовать ПЭН (DEH) на магистралях в пределах месторождения, на надставках хвостовика и на экспортных трубопроводах с диаметром примерно от 6 до 30 дюймов и более. По всему миру было протестировано значительное количество систем ПЭН (DEH) на нефтяных и газовых месторождениях или в концепциях разработки проектов, и расширение использования этой новой технологии в целом прибавит гибкости разработке месторождений на время штатной и нештатной остановки работ. Также большое значение имеет старение материала и другие механизмы развития отказов, вызванные высокой температурой и давлением воды. В системах ПЭН (DEH) большой длины для решения специфических проблем борьбы с гидратами или парафинами важны точность в конструировании и анализе, а также опыт, накопленный в отрасли.
Использование ПЭН (DEH) может включать в себя расположение кабеля ПЭН (DEH) вдоль стального трубопровода. Ток направляется по кабелю ПЭН (DEH) в одном направлении, и возвращается по стали трубопровода в обратном направлении. Нагрев генерируется в стали трубопровода, частично, за счет омического сопротивления в стали и, частично, за счет индуцированного тепла, так как ток - переменный. Так как контакт между кабелем ПЭН (DEH) и сталью трубопровода не изолирован от окружающей морской воды, доля тока также будет течь через морскую воду, а не в трубопроводе.
В публикации патентной заявки ЕР 2166637 (Siemens Aktiengesellschaft) раскрывается устройство электроснабжения для прямого электронагрева (ПЭН (DEH)) трубопроводной системы. Устройство электроснабжения имеет трехфазный трансформатор и компенсационный блок, включающий в себя конденсаторное устройство, и выполнено с возможностью подавать электроснабжение на однофазную нагрузку.
В документе WO 2007011230 (Aker Kvrerner Engineering & Technology) раскрывается система для подачи электроснабжения в цепь нагрева магистрали. К системе подключен электрический распределительный кабель (3), идущий к подлежащему нагреву трубопроводу (4) подводного расположения. В местоположении под водой расположены трехфазно-двухфазные трансформаторы, подводящие электрическую энергию от кабеля электроснабжения к секциям кабелей, проложенных по трубопроводу (piggyback), и плотно прикрепленных к нагреваемому трубопроводу.
В документе WO 2006075913 раскрыта система электроснабжения подводных установок, содержащая силовые кабели для ПЭН (DЕН)-трубопровода. Система выполнена с возможностью обеспечения установленного под водой электродвигателя 3-фазным электроснабжением, когда не нужно нагревать трубопровод.
Сущность изобретения
В соответствии с изобретением обеспечена система подводного прямого электронагрева, предназначенная для нагрева расположенного под водой и транспортирующего углеводороды стального трубопровода (у которого стенки трубы обычно обладают ферромагнитными или аналогичными свойствами материала). Система содержит кабель прямого электронагрева (ПЭН (ОЕН)-кабель), проходящий вдоль стального трубопровода и соединенный с ним, а также кабель электроснабжения, выполненный с возможностью получать электроэнергию от берегового или находящегося на надводной конструкции источника электроснабжения, и запитывать кабель прямого электронагрева. В соответствии с изобретением система подводного прямого нагрева также содержит устройство регулирования мощности, находящееся в подводном местоположении между кабелем электроснабжения и кабелем прямого электронагрева, причем кабель электроснабжения проходит от надводного или берегового источника электроснабжения и спускается к устройству регулирования мощности.
Под кабелем электроснабжения следует понимать любой кабель или некоторое количество кабелей, транспортирующих электроэнергию от морского надводного сооружения или наземного местоположения к подводному местоположению устройства регулирования мощности. Следует понимать, что кабель электроснабжения также может получать электроэнергию через другой подводный узел, например, через расположенный под водой узел распределения мощности.
Устройство регулирования мощности, предпочтительно, может содержать подводное конденсаторное устройство. Использование конденсаторного устройства позволит адаптировать подаваемую электроэнергию под индуктивную нагрузку, которой является кабель ПЭН (DEH) в сочетании с подлежащим нагреву трубопроводом. То есть, чтобы сбалансировать индуктивную нагрузку с подаваемой мощностью будет производиться регулировка коэффициента мощности. В результате можно будет уменьшить поперечное сечение кабеля электроснабжения по сравнению с решениями уровня техники, в которых подготовку электроснабжения выполняли на берегу или на плавучей конструкции вдали от нагрузки.
Устройство регулирования мощности также может содержать трансформатор. Также устройство регулирования мощности может содержать реактор.
Кабель прямого электронагрева, предпочтительно, располагают вдоль трубопровода и прикрепляют к нему. Специалистам такой способ совмещения кабеля с трубопроводом известен под названием «piggyback».
Решение «piggyback» может быть также использовано для подводного электрического кабеля, не относящегося к ПЭН (DEH) или МЭН (EFH). То есть, в процессе трубоукладочных работ или до укладки в траншеи, электрический кабель можно плотно прикрепить к трубопроводу, транспортирующему углеводороды, добываемую или нагнетаемую воду, чтобы установить электрическое соединение между двумя морскими установками или между наземной и морской установками. Для протяженных соединений такого типа или аналогичных соединений без ПЭН (DEH), подводный реактор позволит преодолеть проблемы перетекания реактивной электроэнергии, возникающие ввиду критических длин кабелей и транспортировочных потерь в высоковольтных кабелях переменного тока.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, система подводного прямого электронагрева выполнена с возможностью нагревать некоторое количество трубопроводных секций, каждая из которых представляет собой часть более длинного трубопровода. В данном варианте осуществления система содержит некоторое количество кабелей ПЭН (DEH), расположенных вдоль и/или вблизи трубопроводных секций. Для каждой трубопроводной секции между кабелем электроснабжения и кабелями нагрева секции, связанными с каждой секцией трубопровода, устанавливают указанное устройство регулирования мощности.
В одном из вариантов осуществления электроэнергию от кабеля электроснабжения подают в кабель прямого электронагрева, выполненный с возможностью нагревать трубопровод, проходящий между подводной скважиной и подводным компрессорным хозяйства, через подводное устройство регулирования мощности.
Диапазон подводного конденсаторного устройства может составлять кВ и кВАр или выше. Предпочтительно, конденсаторное устройство содержит емкостной элемент, расположенный внутри бака, что не позволяет морской воде попадать в бак и контактировать с конденсаторным устройством. Бак, предпочтительно, уравновешен по давлению и заполнен компенсирующей давление жидкостью.
Переключатель выходных обмоток трансформатора с нагрузкой и без нагрузки или регулировочные устройства могут быть выполнены в сочетании с электромагнитной передачей для того, чтобы можно было работать без проникновения через металлический водяной барьер бака или корпус подводного конденсаторного устройства.
Кроме того, трансформатор, предпочтительно, размещен в этом же баке.
Переключатель выходных обмоток трансформатора с нагрузкой и без нагрузки или регулировочные устройства могут настраиваться с использованием подводных аппаратов с дистанционным управлением (ROV, от англ. Remotely Operated Vehicle) или с помощью электрического или гидравлического исполнительного органа, как это обычно делается при работе с подводной запорной арматурой.
Конденсаторное устройство, предпочтительно, является конденсаторным устройством переменной емкости. При этом емкость может регулироваться между нижним и верхним значениями, предпочтительно, посредством исполнительного органа, расположенного внутри бака. В данном варианте осуществления, после установки устройства регулирования мощности оператор может управлять параметрами подаваемого к нагрузке электроснабжения, например, настраивать контуры ПЭН (DEH) или осуществлять улучшенное управление уровнем мощности.
Соответственно, трансформатор может быть регулируемым трансформатором для настройки контуров ПЭН (DEH) или улучшенного управления уровнем мощности.
Одним из вариантов осуществления регулируемого трансформатора является трансформатор, оборудованный переключателем выходных обмоток трансформатора с нагрузкой и без нагрузки, предпочтительно, способным управлять напряжением в пределах +/-30% или в более широком диапазоне.
Вторым вариантом осуществления регулируемого трансформатора является трансформатор, оборудованный устройством управления магнитным полем под нагрузкой, предпочтительно, способным управлять напряжением в пределах +/-30% или в более широком диапазоне, то есть трансформатор с регулируемым воздушным зазором или трансформатором с регулируемым индуктивным сопротивлением.
Опционально, один или несколько выводов трансформатора могут быть оборудованы последовательными реакторами, которые могут быть ответвлены или замкнуты накоротко для получения ступенчатой характеристики выходного тока.
В качестве альтернативы регулируемым трансформаторам, для ограничения напряжения, подаваемого на секцию с ПЭН (DEH) или МЭН (EFH), могут использоваться решения полупроводниковой силовой электроники, то есть обычно тиристоры во встречном включении, транзисторы или другие устройства, которые можно задействовать аналогично в качестве устройства плавного пуска для продолжительной работы. Проводники могут быть герметизированы или расположены в камере с постоянным давлением в 1 атмосферу, причем камера может быть связана или может находиться внутри бака/корпуса трансформатора с компенсированным давлением или бака устройства регулирования мощности.
Вышеуказанные способы настройки контуров ПЭН (DEH) или улучшенного управления уровнем мощности МЭН (EFH) в целом могут быть применены для вариантов осуществлений регулирования мощности с однофазными трансформаторами, трехфазно-двухфазными трансформаторами (обычно с соединением по схеме Скотта или Ле Блана), или трехфазно-четырехфазными трансформаторами, но для различных вариантов применения одни могут подходить лучше других.
В предпочтительном варианте осуществления, кабель электроснабжения содержит три фазы, и каждый из трех кабелей нагрева секции подключен между двумя различными парами фаз кабеля электроснабжения. В одном из вариантов этого осуществления, система содержит три группы кабелей нагрева секций, причем каждая группа содержит два или более кабелей секций. Кабель нагрева секции является кабелем ПЭН (DEH), выполненным с возможностью нагрева трубопроводной секции. Это будет описано далее по тексту со ссылкой на чертежи.
Параллельные трубопроводы или U-образные возвратные трубопроводы, проходимые для внутритрубного устройства или же внутрипромысловые трубопроводы могут иметь параллельные трубные секции с раздельным применением ПЭН (DEH) к каждой параллельной трубной секции, причем выделенные совмещенные (piggyback) кабели на каждой параллельной трубной секции могут запитываться через трехфазно-двухфазные трансформаторы или трехфазно-четырехфазные трансформаторы.
В варианте осуществления с концевым запитыванием, устройство регулирования мощности может быть подключено между кабелем электроснабжения и запитываемой с конца трубопроводной секцией. Одна фаза трансформатора выходит из бака через пенетратор (пенетраторы) и соединена с соответствующим удаленным концом указанной трубопроводной секции. Кроме того, второй вывод трансформатора соединен с кабелем соединения с ближним концом секции, который подключен к ближнему концу на трубопроводной секции между указанными соответствующими концами. Кабель соединения с ближним концом секции замыкается накоротко к стальной конструкции устройства регулирования мощности, как и второй вывод трансформатора. Этой стальной конструкцией может быть, например, конструкция бака.
В варианте осуществления с центральным запитыванием, устройство регулирования мощности может быть подключено между кабелем электроснабжения и запитываемой посередине трубопроводной секцией. Две фазы трансформатора выходят из бака через пенетраторы и соединены с соответствующими концами рассматриваемой трубопроводной секции. Кроме того, третий вывод трансформатора соединен с кабелем центрального соединения с секцией, подключенного в середине трубопроводной секции между указанными концами. Кабель центрального соединения с секцией замыкают накоротко на стальной конструкции устройства регулирования мощности, как и третий вывод трансформатора. Этой стальной конструкцией может быть, например, конструкция бака.
В одном частном варианте осуществления, устройство регулирования мощности подключено к некоторому числу кабелей ПЭН (DEH), расположенных вдоль разных трубопроводов.
В другом, но довольно похожем варианте осуществления, устройство регулирования мощности подключено к некоторому количеству групп кабелей ПЭН (DEH), причем каждая группа выполнена с возможностью нагрева некоторого количества отдельных трубопроводов.
В вариантах осуществления настоящего изобретения кабель электроснабжения может проходить на расстояние, например, по меньшей мере, 30 километров от источника электроэнергии до указанного устройства регулирования мощности.
Под «кабелем прямого электронагрева» (ПЭН (DEH)) понимается любой кабель, в который подают переменный электрический ток для нагрева подводного трубопровода, выполненного с возможностью транспортировки углеводородов. В уровне техники это включает в себя решения, известные как «прямой электронагрев».
Краткое описание чертежей
Несмотря на то, что выше изобретение было описано в общих чертах, далее приводится более подробный пример его осуществления со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 изображен принципиальный эскиз подводного трубопровода, нагреваемого системой прямого электронагрева, запитываемой с плавучего надводного оборудования;
на фиг. 2 в аксонометрии изображена теплоизолированная стальная труба с прикрепленными к ней кабелем прямого электронагрева и двумя кабелями электроснабжения;
на фиг. 3 показана схема из уровня техники, в которой устройство электроснабжения находится в надводном или береговом местоположении;
на фиг. 4 показана схема, с теми же отличительными признаками, что и на фиг. 3, но с тем отличием, что между подводным конденсаторным устройством и остальными компонентами устройства электроснабжения имеется кабель электроснабжения;
На фиг. 5 схематически показана система ПЭН (DEH) с концевым запитыванием в соответствии с настоящим изобретением;
На фиг. 6 схематически показана система ПЭН (DEH) с центральным запитыванием в соответствии с настоящим изобретением;
На фиг. 7 схематически показана система ПЭН (DEH) с концевым запитыванием, содержащая некоторое количество секций нагревательного кабеля;
На фиг. 8 схематически показана система ПЭН (DEH) с центральным запитыванием, содержащая некоторое количество секций нагревательного кабеля;
На фиг. 9 схематически показана система ПЭН (DEH), в которой концевое запитывание сочетается с центральным запитыванием;
На фиг. 10 схематически показана другая система ПЭН (DEH), в которой концевое запитывание сочетается с центральным запитыванием;
На фиг. 11 схематически показано возможное устройство регулирования мощности, используемое с системой ПЭН (DEH) в соответствии с изобретением;
На фиг. 12 в аксонометрии изображено устройство регулирования мощности, показанное на фиг. 11;
На фиг. 13 в аксонометрии принципиально изображен переменный емкостной элемент в устройстве регулирования мощности, показанном на фиг. 11;
На фиг. 14 в аксонометрии принципиально изображен переменный емкостной элемент по фиг 13, но в отрегулированном положении;
На фиг. 15 показан вид сбоку переменного емкостного элемента, показанного на фиг. 14;
На фиг. 16 схематически показан вариант осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 17 схематически показана система ПЭН (DEH) в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения без конденсаторного устройства;
На фиг. 18 схематически показана система ПЭН (DEH) по настоящему изобретению, в котором различные трубы нагреваются кабелями ПЭН (DEH), которые запитываются от одного и того же устройства регулирования мощности; и
На фиг. 19 схематически показана система ПЭН (DEH) по настоящему изобретению, в котором некоторое количество наборов с проходящими параллельно трубопроводами снабжено кабелями ПЭН (DEH), которые запитываются от одного и того же устройства регулирования мощности.
Подробное раскрытие изобретения
На фиг. 1 показана часть проходящего по морскому дну трубопровода 1 для транспортировки углеводородов. Вдоль секции трубопровода 1 имеется кабель 3 прямого электронагрева (кабель ПЭН (DEH)). Кабель 3 ПЭН (DEH) присоединяется к указанной секции трубопровода 1 в двух местах и обеспечивает протекание переменного электрического тока по стали трубопровода 1 между указанными двумя местами. В местах электрического контакта между кабелем 3 ПЭН (DEH) и сталью трубопровода 1 также имеется контакт с окружающей морской водой. Поэтому, часть тока потечет сквозь морскую воду вдоль трубопровода.
Между кабелем 3 ПЭН (DEH) и источником электроснабжения на надводной конструкции 5 проходит кабель 7 электроснабжения. Известно также, что по кабелю 7 электроснабжения электроэнергию можно подавать с берега.
На фиг. 2 в аксонометрии изображен в разрезе трубопровод 1. К трубопроводу 1 прикреплен один кабель 3 ПЭН (DEH) и два кабеля 7 электроснабжения. В уровне техники такой способ прокладки кабелей по трубопроводам называется «piggyback».
Следует отметить, что кабели 7 электроснабжения, показанные прикрепленными к трубопроводу 1 на фиг. 2, не обязательно используются для подачи электроснабжения на кабель 3 ПЭН (DEH). То есть, они могут быть использованы для запитывания других кабелей ПЭН (DEH), не только одного показанного, а также могут подавать электроснабжение на другое подводное оборудование.
На стальной секции трубопровода 1 имеется теплоизоляция. Это снижает потери тепла в окружающую морскую воду после того, как сталь нагреется.
На фиг. 3 схематично изображена схема из уровня техники, конкретно - из опубликованной заявки на патент ЕР 2166637. Чертеж показывает устройство источника электроснабжения, выполненного с возможностью подачи электрического тока в кабель ПЭН (DEH), расположенный под водой, как, например, кабель 3 ПЭН (DEH).
На фиг. 4 показан чертеж по фиг. 3, видоизмененный согласно осуществлению настоящего изобретения. В данном осуществлении, конденсаторное устройство 110 перед кабелем 3 ПЭН (DEH), находится в подводном местоположении вблизи кабеля 3 ПЭН (DEH). В результате этого, кабель 7 электроснабжения располагается между кабелем 3 ПЭН (DEH) и другими частями источника электроснабжения. Как показано на фиг. 1, кабель 7 электроснабжения от местоположения на поверхности (или на берегу) спускается вниз к кабелю 3 ПЭН (DEH).
На фиг. 5 и фиг. 6 показаны два типа систем ПЭН (DEH) в соответствии с настоящим изобретением. В этих вариантах осуществления, а также в дополнительно приводимых далее вариантах осуществления со ссылкой на дополнительные чертежи, подразумевается, что применяется трубопровод диаметром 30ʺ из углеродистой стали и кабели электроснабжения номиналом 52 кВ. Тем не менее, специалистам должно быть понятно, что изобретение не ограничивается вышеуказанными величинами. То есть, диаметр трубопровода может быть меньшим или большим, а номинал напряжения кабелей электроснабжения может быть более низким или более высоким, например, 132 кВ. В 2011 году в промышленности в качестве верхнего предела для электрических подводных коннекторов или пенетраторов было принято напряжение 132 (145) кВ, например, Mecon DM 145 кВ. Кроме того, раскрываемые в настоящей заявке варианты осуществления не ограничены глубоководным использованием, например, от 1000 до 2000 метров. Но раскрытые варианты осуществления согласно изобретению прекрасно подходят для таких глубин.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 5, примерно 50 километров теплоизолированного трубопровода 1 нагревают системой ПЭН (DEH) согласно изобретению. От непоказанного на чертеже источника электроснабжения, который, например, может располагаться на надводной конструкции или на береговой станции, электрическая энергия подается по кабелю 7 электроснабжения. Кабель 7 электроснабжения имеет три отдельных проводника или фазы (что показано тремя наклонными линиями, схематично пересекающими кабель 7 электроснабжения).
Трехфазный кабель 7 электроснабжения подсоединяется к устройству 100 регулирования мощности. В данном варианте осуществления изобретения, устройство 100 регулирования мощности содержит конденсаторное устройство 110 и трансформатор 120. К устройству 100 регулирования мощности подключен кабель 3 ПЭН (DEH), проходящий вдоль трубопровода 1. Электрическую мощность, подводимую кабелем электроснабжения 7, можно изменять и/или компенсировать в подводном местоположении для приведения в соответствие с индуктивной нагрузкой кабеля 3 ПЭН (DEH) (то есть, кабеля ПЭН (DEH) и подсоединенного трубопровода). Таким образом, в данном варианте осуществления, подаваемая от кабеля 7 электроснабжения мощность в устройстве 100 регулирования мощности преобразуется как однофазная нагрузка, уровень напряжения которой снижен (ток повышен), а коэффициент мощности (cos ϕ) приведен в соответствие с индуктивной нагрузкой.
Как также показано на фиг. 5, перемычка от устройства 100 регулирования мощности подсоединяется к трубопроводу 1 в первой соединительной точке 9 (левая часть фиг. 5). На противоположном конце трубопровода 1 кабель 3 ПЭН (DEH) подсоединяется ко второй соединительной точке 9, находящейся на расстоянии 9,50 км. Соединительные точки 9 расположены в токосъемной зоне 11 (ТСЗ (CTZ, от англ. Current Transfer Zone)), оборудованной анодами 13. Между токосъемными зонами также расположены промежуточные аноды 15 для катодной защиты трубопровода от коррозии, особенно в случаях растрескивания покрытия/теплоизоляции, промежуточные аноды 15 также выполняют функцию точек заземления трубы. Показанный на фиг. 5 вариант осуществления называется системой с концевым запитыванием, в которой два однофазных вывода подсоединяются к двум противоположным концам секции трубы.
На фиг. 6 схематично показано другой вариант осуществления настоящего изобретения. В данном варианте используется система с центральным запитыванием. В таком осуществлении используют две фазы, каждая из которых подсоединена к соответствующему концу секции трубопровода длиной примерно 100 км. Длина трубопровода 1, нагреваемого двумя фазами, следовательно, в два раза превышает длину, нагреваемую по варианту осуществления, показанному на фиг. 5 (в котором используется концевая система запитывания). Хотя это и не показано на фиг. 6, необходимо также подключить точку, находящуюся между двумя разнесенными точками 9 подключения к земле (третий проводник от емкостей на трансформаторе к центральной точке трубопровода).
Как показано на фиг. 6, два кабеля 3 ПЭН (DEH) выходят из устройства 100 регулирования мощности. Кабели 3 ПЭН (DEH) расходятся в противоположных направлениях вдоль трубопровода 1, который нужно подогревать системой ПЭН (DEH). В соответствии с отличительными особенностями показанного на фиг. 5 варианта осуществления, кабели 3 ПЭН (DEH) подсоединяются к соответствующим соединительным точкам 9 (находящихся на расстоянии 100 км друг от друга) в пределах токосъемной зоны 11.
В этом варианте осуществления, как видно из фиг. 6, устройство 100 регулирования мощности преобразует три фазы в кабеле 7 электроснабжения в две фазы, каждая из которых подается в каждый из соответствующих кабелей 3 ПЭН (DEH).
В показанных на фиг. 5 и фиг. 6 вариантах осуществления, конденсаторное устройство 110 выполнено с возможностью адаптации электрической мощности, подаваемой в кабели 3 ПЭН (DEH), так как кабели 3 ПЭН (DEH) вместе с подлежащим нагреву трубопроводу 1 составляют индуктивную нагрузку. В результате, меньше тока будет протекать в кабеле 7 электроснабжения, что позволяет устанавливать меньший кабель с меньшим поперечным сечением проводника (меди). Требуемое поперечное сечение проводника может быть уменьшено примерно до Ѕ-ј поперечного сечения из решений уровня техники без подводного конденсаторного устройства 110.
На фиг. 7 и фиг. 8 схематично показана компоновка ПЭН (DEH), где трубопровод 1 разделен на три нагреваемые трубопроводные секции 1а. В обоих вариантах осуществления электрическая мощность подается по кабелю 7 электроснабжения номиналом 52 кВ. В варианте осуществления, показанном на фиг. 7, кабель 3 ПЭН (DEH) (не показан) проходит между двумя соединительными точками 9 с каждого конца каждой из трех трубопроводных секций 1а. Между каждым из трех кабелей 3 ПЭН (DEH) и кабелем 7 электроснабжения подключено устройство 100 регулирования мощности, содержащее конденсаторное устройство 110 (смотри фиг. 5). В этом варианте осуществления каждая трубопроводная секция 1а имеет длину примерно 50 километров. То есть, показанный система ПЭН (DEH) нагревает трубопровод 1 на длине примерно 150 километров.
Вариант осуществления, показанный на фиг. 8, аналогичен показанному на фиг. 7, с тем отличием, что в нем использована центральная система запитывания, такая, как была описана со ссылкой на фиг. 6 выше. В этом варианте осуществления имеются также три трубопроводные секции 1а, но благодаря тому, что использована система центрального запитывания, каждую из трубопроводных секций 1а можно удлинить, например, сделав их длиной от 50 до 100 километров. Каждая трубопроводная секция 1а и связанное с ней устройство 100 регулирования мощности, могут соответствовать варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 6.
На фиг. 9 показан еще один вариант осуществления системы ПЭН (DEH) согласно настоящему изобретению. В данном варианте осуществления, две трубопроводные секции 1а длиной 80 километров нагреваются системой центрального запитывания, в то время как третья трубопроводная секция 1а длиной 40 километров нагревается системой концевого запитывания. Запитываемая с конца трубопроводная секция 1а длиной 40 км находится близко к источнику электроснабжения и может частично находиться выше поверхности моря. Поэтому отсутствует устройство 100 регулирования мощности между обычно двухжильным кабелем 7 электроснабжения и кабелем 3 ПЭН (DEH), связанным с этой трубопроводной секцией 1а. Так как трубопровод 1 проходит на большое расстояние вдоль морского дна, например, до подводной скважины (не показана) углеводородного промысла, то оставшиеся две трубопроводные секции нагреваются системой ПЭН (DEH) в соответствии с настоящим изобретением. Между трехфазным кабелем 7 электроснабжения и кабелями 3 ПЭН (DEH) в подводном местоположении вблизи трубопровода 1 расположены устройства 100 регулирования мощности. В данном варианте осуществления изобретения, устройство 100 регулирования мощности содержит трехфазно-двухфазный трансформатор 120. Оно также содержит конденсаторное устройство 110 с емкостным элементом 115, находящееся между центральным соединением 4 секции с трубопроводом в центральной точке между точками 9 присоединения соответствующей трубопроводной секции 1а, и трансформатором 120. Трансформатор 120 обеспечивает гальваническое разделение между первичной обмоткой, запитываемой по трехфазному кабелю 7 электроснабжения и вторичной обмоткой, электрически соединенной с трубопроводом посредством кабеля 3 ПЭН (DEH) и центральным соединением 4.
Как будет разъяснено ниже со ссылкой на фиг. 16, центральное соединение 4 секции между указанной срединной точкой трубопровода и трансформатором, может быть соединено с шасси или баком/корпусом трансформатора 120.
На фиг. 10 показан частный вариант осуществления изобретения, в котором имеется три примерно одинаково длинных секции 1а длиной 60 км, и более короткая секция трубопровода длиной примерно 20 км. Как и в варианте осуществления, показанном на фиг. 9, отдельный короткий, обычно двухжильный, кабель 7 электроснабжения идет от берегового источника электроснабжения к короткой трубопроводной секции 1а длиной 20 км. Для этой трубопроводной секции 1а не имеется устройства 100 регулирования мощности ни под водой, ни между кабелем 7 электроснабжения и кабелем 3 ПЭН (DEH). Однако устройство 100 регулирования мощности имеется применительно к каждой из трех следующих трубопроводных секций 1а. Кроме того, в этом варианте осуществления, ни для одной из секций не предусмотрено ни одного центрального соединения 4 между трансформатором 120 и трубопроводом 1. В этом осуществлении, трансформатор 120 является однофазным трансформатором (то есть однофазным трансформатором 120 для каждого устройства 100 регулирования мощности).
Трансформатор 120 обеспечивает гальваническое разделение между первичной обмоткой, запитываемой по трехфазному кабелю 7 электроснабжения и вторичной обмоткой, электрически соединенной с трубопроводом посредством кабеля 3 ПЭН (DEH).
В варианте осуществления, показанном на фиг. 10, система ПЭН (DEH), связанная с тремя самыми длинными трубопроводными секциями 1а, подключена к единственной паре двух фаз трехфазного кабеля 7 электроснабжения. То есть, три соответствующих трансформатора 120, связанных с тремя длинными (60 км) трубопроводными секциями 1а, подсоединены к фазам L1+L3, L2+L3 и L1+L2 кабеля электроснабжения соответственно. Между каждым трансформатором 120 и кабелем 3 ПЭН (DEH) подключено по конденсаторному устройству 110. При такой схеме подключения достигается сбалансированная нагрузка на фазы L1, L2, L3 кабеля 7 электроснабжения тогда, когда длина или нагрузка каждой трубопроводной секции 1а одинаковы.
На фиг. 11 схематично изображено устройство 100 регулирования мощности, выполненное с возможностью установки в подводной среде. Устройство 100 регулирования мощности имеет конденсаторное устройство 110, выполненное внутри жесткого бака 105. Бак 105 заполнен жидкостью, такой как масло. Конденсаторное устройство 110 может также содержать трансформаторное устройство 120 внутри того же самого бака 105. К конденсаторному устройству 110 и/или трансформаторному устройству 120 электрически подключена пара электрических кабелей 103, подсоединенных к паре пенетраторов 130. Электрические кабели 103 в подводной среде могут быть подсоединены к конденсаторному устройству 110 через пенетраторы. Поэтому устройство 100 регулирования мощности может быть добавлено к существующей под водой электрической системе и/или может быть отсоединено для выполнения технического обслуживания или ремонта. Электрические кабели 103 могут быть подсоединены к кабелю (кабелям) 3 ПЭН (DEH), или могут сами представлять собой кабель (кабели) 3.
Для того чтобы сделать подводное устройство 100 регулирования мощности пригодным для установки в подводной среде, возможно, с высоким окружающим давлением, давление жидкости внутри бака 105 выравнивают. Выравнивание давления обеспечивается отсеком 135 выравнивания давления. Отсек 135 выравнивания давления функционально соединен с внутренностью бака 105 жидкостной линией 140 выравнивания давления.
Жидкостная линия 140 выравнивания давления проходит от внутренности бака 105 до основного металлического сильфона 145, который может быть заполнен маслом. Основной сильфон 145 является сжимаемым. Поэтому, когда устройство регулирования мощности опускают в море под воду, окружающее давление сожмет основной сильфон 145. Это приведет к примерному уравниванию давления внутри основного сильфона 145 и бака 105 на уровне давления окружающей воды. Для того чтобы внутри главного сильфона 145 и бака 105 можно было создавать немного повышенное давление, на основном сильфоне расположен груз 150, который может предварительно нагружать или сжимать сильфон 145. Таким образом, давление в баке 105 всегда будет немного превышать давление окружающей воды. Этим предотвращается попадание морской воды в бак 105. Для того чтобы обеспечить возможность заполнения главного сильфона 145 жидкостью или его опустошения (например, с помощью ROV), с главным сильфоном связаны присоединительная линия и клапан 147.
Снаружи основного сильфона 145 может быть устроен вспомогательный сильфон 155. Вспомогательный сильфон 155 вмещает в себя основной сильфон 145 вместе с днищем. Вспомогательный сильфон 155, то есть объем между вспомогательным сильфоном 155 и основным сильфоном 145 также может быть заполнен маслом или другой пригодной барьерной жидкостью. При этом основной сильфон 145 становится защищенным от морской воды. Так же, как и основной сильфон 145, вспомогательный сильфон 155 снабжен присоединительной линией и клапаном 157. Кроме того, вспомогательный сильфон оснащен индикаторным штифтом 159, проходящим вверх от верхней поверхности вспомогательного сильфона 155. Индикаторный штифт 159 указывает вертикальное положение верхней поверхности вспомогательного сильфона, исходя из чего оператор может понять, нужно ли добавить или убавить количество жидкости во вспомогательном сильфоне.
Как будет понятно специалисту, функция выравнивания давления обеспечивается также и без вспомогательного сильфона 155. Также, если не будет вспомогательного сильфона 155, то индикаторный штифт можно расположить на основном сильфоне.
Основной сильфон 145 и вспомогательный сильфон 155 окружены жестким корпусом 160, который защищает сильфоны 145, 155, например, от ударов падающих объектов или от столкновения с ROV.
Применяя устройство 100 регулирования мощности в различных вариантах осуществления настоящего изобретения, можно и конденсаторное устройство 110, и трансформаторный блок 120 расположить внутри одного и того же бака 105. Также можно расположить их в разных баках. Однако при этом нужно будет соединить их друг с другом электрическими перемычками и дополнительными коннекторами, предназначенными для работы под водой. В соответствии с настоящим изобретением, возможны варианты осуществления без трансформаторов (смотри фиг. 17).
На фиг. 12 в более реалистичном виде в аксонометрии показано подводное устройство 100 регулирования мощности. На этой иллюстрации секция 135 выравнивания давления также содержит несколько баллонных компенсаторов 165. Эти компенсаторы отсутствуют в варианте осуществления, показанном на фиг. 11. Баллонные компенсаторы 165 подсоединены к вспомогательному сильфону 155 вместо присоединительной линии и клапана, показанных на фиг. 11. Каждый баллонный компенсатор 165 имеет жесткий сосуд, содержащий объем жидкости и объем газа, причем эти объемы разделены гибкой мембраной. Жидкостная линия (не показана), проходящая между баллонными компенсаторами 165 и внутренностью вспомогательного сильфона 155, может иметь клапан, выполненный с возможностью заполнения жидкостью (например, маслом) баллонных компенсаторов 165 и вспомогательного сильфона 155 или их опорожнения.
Перейдем к рассмотрению фиг. 13, фиг. 14 и фиг. 15. На этих чертежах приведены эскизы принципиального устройства одного из возможных вариантов осуществления регулируемого конденсаторного устройства 110. Конденсаторное устройство 110 содержит группу первых обкладок 111 и группу вторых обкладок 113. Не показано, но должно быть понятно специалистам, что группа первых обкладок 111 функционально присоединена к одному из электрических кабелей 103, в то время как группа вторых обкладок 113 функционально присоединена к другому электрическому кабелю 103 (смотри фиг. 11). Кроме того, группа вторых обкладок 113 соединена с поворотным рычагом 115, вращаемым электрическим исполнительным органом (не показан) внутри бака 105. При вращении набора вторых обкладок 113 относительно неподвижного набора первых обкладок 111, электрическая емкость изменяется.
На фиг. 13 изображена ситуация, при которой первые обкладки 111 совмещены со вторым откладками 113. На фиг. 14 изображена ситуация, при которой вторые обкладки 113 были повернуты примерно на 90 градусов относительно совмещенного положения, показанного на фиг. 13. В новом положении площадь перекрытия первых и вторых обкладок меньше, чем в совмещенном положении, что снижает емкость конденсаторного устройства 110. Повернув набор вторых обкладок 113 далее, их можно перевести в положение, при котором будет отсутствовать какое-либо существенное перекрытие первых и вторых обкладок 111 и 113 соответственно. Емкость конденсаторного устройства при этом станет практически нулевой. На фиг. 15 показана та же самая ситуация, что и на фиг. 14, но на виде сбоку.
В более реалистичном осуществлении, конденсаторное устройство 110 будет иметь большее количество обкладок 111, 113, и обкладки могут быть расположены ближе друг к другу. Кроме того, вместо того, чтобы иметь один емкостной элемент, как показано на фиг. 13, конденсаторное устройство 110 может содержать некоторое количество емкостных элементов, то есть некоторое количество сборок, показанных на фиг. 13. Они могут быть соединены параллельно и некоторые из них могут быть регулируемого типа. Зазоры между обкладками 111 и 113 могут быть заполнены жидкостью, предпочтительно, маслом, находящимся в баке 105.
На фиг. 16 схематические показано устройство 100 регулирования мощности, связанное с трубопроводом 1 или трубопроводной секцией 1а с центральным запитыванием. В этом варианте осуществления изобретения, устройство 100 регулирования мощности содержит трансформатор 120 и конденсаторное устройство 110. Две из выходящих из трансформатора 120 фаз подключены параллельно с конденсаторным устройством 110. Покидающие конденсаторное устройство 110 две фазы выходят из бака 105 через пенетраторы 130. Одна из фаз подсоединена к одному концу трубопроводной секции 1а и оконцовывается на трубопроводе 1. В этом варианте осуществления, выходящий из пенетратора 130 кабель 103 является тем же самым кабелем 3 ПЭН (DEH), который установлен способом «piggyback» на трубопровод 1. Вторая фаза подсоединена ко второму концу трубопроводной секции 1а и оконцована на трубопроводе 1. Выходящая из трансформатора 120 третья фаза функционально присоединена к кабелю 4 центрального соединения с секцией, который присоединен к секции 1а трубопровода.
Для того чтобы уменьшить количество пенетраторов и тем самым удешевить и упростить конструкцию, кабель центрального соединения 4 с секцией, соединенный с трубопроводной секцией 1а, замыкают накоротко на металлоконструкции устройства 100 регулирования мощности, например, на наружной поверхности бака 105. Это можно выполнить различными путями. Например, подсоединив кабель центрального соединения 4 с секцией к стальной втулке и приварив последнюю к металлоконструкции бака 105. На внутренней стороне бака 105 третья фаза может быть подключена к трансформатору 120 медным кабелем, замкнутым накоротко с внутренней стороной бака 105. Если сделать так, то не нужен будет кабель, идущий через конденсаторное устройство, то есть понадобиться одним пенетратором меньше.
Специалистам будет понятно, что устройство 100 регулирования мощности подключено к непоказанному кабелю 7 электроснабжения, как это было показано в раскрытых выше вариантах осуществления изобретения.
На фиг. 17 показан дополнительный вариант осуществления системы подводного ПЭН (DEH) согласно настоящему изобретению. Данный вариант осуществления во многом соответствует варианту осуществления, раскрытому со ссылкой на фиг. 10. Отличие заключается в том, что показанное на фиг. 17 устройство 100 регулирования мощности не содержит трансформатор, и поэтому различные секции с ПЭН (DEH) не имеют гальванического разделения. Для соседних систем гальваническое разделение обеспечивается питающими трансформаторами и, опционально, принимающим трансформатором, если таковой установлен на дальнем конце.
На фиг. 18 показан частный вариант осуществления настоящего изобретения. На морском дне расположено некоторое количество разных трубопроводов 1. Каждый трубопровод снабжен кабелем 3 ПЭН (DEH). В данном конкретном варианте осуществления каждый трубопровод нагревают системой с концевым запитыванием, причем каждый соответствующий кабель 3 ПЭН (DEH) запитывается от общего для всех устройства 100 регулирования мощности. Как и в описанных выше вариантах осуществления, устройство 100 регулирования мощности, расположенное под водой, получает электроэнергию по кабелю 7 электроснабжения.
На фиг. 19 показан вариант осуществления изобретения, аналогичный рассмотренному со ссылкой на фиг. 18. Однако в показанном на фиг. 19 варианте осуществления, каждый кабель 3 ПЭН (DEH) выполнен в конфигурации для нагрева некоторого количества (трех) трубопроводов 1. То есть, каждый кабель 3 ПЭН (DEH) связан с сегментами трех трубопроводов, проходящих между одними и теми же местоположениями. Кроме того, в показанном на фиг. 19 варианте осуществления, одно устройство 100 регулирования мощности запитывает три группы из трех кабелей 3 ПЭН (DEH). Как будет понятно специалисту, в показанной на фиг. 19 конфигурации было бы предпочтительно, чтобы трубопроводы 1 находились вблизи друг друга, для того, чтобы сократить требуемую длину кабелей 3 ПЭН (DEH) и перемычек, соединяющих каждый из трубопроводов (или каждый сегмент 1а разных трубопроводов 1 соответственно).
Специалисту в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение пригодно для использования в вариантах осуществления, иных, чем показаны выше, например, в технологии «труба-в-трубе», которая подразумевается известной специалистам.
Вышеописанные варианты осуществления обычно использоваться с трубопроводами диаметром, например, от 20 до 30 дюймов и длиной, например, более 100 километров. Путем разбиения нагреваемого трубопровода 1 на секции 1а можно нагревать трубопровод, имеющий длину много более 100 километров.
2
2
2
2
Для иллюстрирования технических преимуществ, обеспеченных настоящим изобретением, приведем нижеследующий пример. При использовании системы прямого электронагрева согласно настоящему изобретению, можно, например, избавиться от 2-10 райзеров ПЭН (DEH) (показанных как кабель 7 электроснабжения на фиг. 7), отходящих от плавучей платформы (обычно для месторождений с 2-10 нагреваемыми магистралями), причем каждый райзер обычно содержит два проводника с поперечным сечением медного провода 1200 мм - 1600 мм. Все эти райзеры можно заменить одним 3-жильным райзером, имеющим три проводника с поперечным сечением от 200 мм до 800 мм.