海底管道伴热技术应用

万光芬，欧阳俊，刘国锋，徐正海

(1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452)

0 引 言

原油在海底管道输送过程中温度降低，通常会导致黏度增加、水合物形成和蜡沉积。这将直接影响海上油气有效运输，甚至导致管道堵塞，严重时将导致海底管道废弃，尤其在海上稠油开发中，这一现象更加明显。为满足生产作业和停输期间海底管道中的原油对温度的要求，通常需要对海底管道采取适当的维温措施。

由于海底管道输送过程中的热量损失，通过简单的被动保温很难达到理想的维温效果。主动伴热，就是通过外界的热量补偿海底管道的热损失，使海底管道维持在一定温度下运行。在实际工程中，通常将被动保温技术与主动伴热技术相结合，以达到最佳的维温效果[1]。

1 海底管道主要伴热技术特点

海底管道伴热技术根据不同的加热热源分为热流体加热和电加热，具体分类如图1所示。

图1 海底管道伴热技术分类

1.1 直接电加热技术

直接电加热(开环)技术的加热系统主要由输送流体的海底管道和捆扎于其上的背负式电缆(Piggy-Back Cable，PBC)组成(见图2)。上部模块供电至海底电缆，海底电缆的一端与海底管道的一端相连，海底管道与海底电缆形成串联电路，海底电缆再与平台的供电电缆相连，形成闭合回路。在该系统中，海底管道作为单相用电负荷，其加热原理是利用流经海底管道的交流电产生的热量为其内部流体加热，以达到维温或升温的功效。

图2 直接电加热(开环)技术海底管道与PBC示例

1.2 管中管直接电加热技术

在直接电加热技术中，海底管道可使用管中管结构，外管代替开环直接电加热系统的PBC。交流电沿内管传输并通过外管返回。管中管数字电液控制系统(Digital Electro-Hydraulic Control System，DEH)具有2种形式：端部馈电系统和中心馈电系统，分别如图3和图4所示。

图3 管中管DEH端部馈电系统

图4 管中管DEH中心馈电系统

1.3 管中管电伴热技术

管中管电伴热系统由传统的伴热电缆组成，基于欧姆电阻加热产生热量。采用低阻铜合金缆芯的绝缘电缆直接束缚在管道上，进而实现最大化的加热效率。该系统的海底管道总体布局如图5所示。加热电缆分为3组，构成1个三相系统，且在系统远端电流相位的总和为零，因此不需要返回电缆。加热电缆在管道周围均匀分布，三相电流彼此间的角度为120°，确保加热输入的均匀分布。

图5 管中管电加热系统原理示例

1.4 集肤效应电伴热技术

集肤效应电伴热基于交流电的“集肤效应”和“邻近效应”。集肤效应电伴热系统产生的焦耳热主要来自如下3个部分[2-3]：

(1)在电流通过加热管时加热管发热。这部分热量是集肤效应电加热系统的主要热源。

(2)加热管内部电缆产生的热量。

(3)加热管内磁滞损耗产生部分热量。

集肤效应电伴热技术对海底管道的长度、伴热电缆的寿命、接头质量、海底管道材质和海上工程施工质量具有较高要求，一旦发生故障，修复成本较高。

1.5 流体加热-热介质循环加热技术

热介质循环加热系统由闭合管道回路和平台上部热介质系统组成，其工作原理类似加长版的管式换热器。热介质循环加热系统通常具有2种加热方式：管中管加热和管束循环加热。

2 主要伴热技术成熟度评估及选型流程

主要伴热技术成熟度评估矩阵如表1所示。

表1 主要伴热技术成熟度评估矩阵

经过综合比较分析，在选择和设计海底管道加热方式时建议考虑如下3个方面：

(1)直接电加热电效率低，需要特殊的防腐设计，需要定期检查和维护。目前，大多数直接电热管道均为短期使用，较少长期使用。

(2)热介质循环加热的伴热效率低，需要考虑热流体对伴热管引起的腐蚀问题。但在平台上余热足够时，热流体加热具有一定优势。

(3)电伴热温度梯度小，热稳定时间长，所需要的电功率小，适合长期使用。电伴热具有应用范围广、热效率高、节能、无污染、使用寿命长、可远程控制和自动控制等优点，是伴热技术的发展方向。

伴热方式选择流程如图6所示，为今后稠油油田伴热方式选取提供选型思路。

图6 伴热方式选择流程

3 南海某稠油油田技术方案

3.1 原油参数

南海某稠油平台15-1DPP平台水深为286.0 m，该平台物流通过1条23.8 km海底管道输送至14-4DPP平台。海底管道伴热要求在48 h内将海底环境温度维持在48.0 ℃。管道设计温度为86.0 ℃，最高工作温度为81.0 ℃。系统设计压力为8.0 MPa。海底管道敷设位置水下环境温度为11.6 ℃。原油参数如表2所示。

表2 原油参数

续表2 原油参数

3.2 传热方式选择

管道参数如表3所示。

表3 管道参数

主要加热系统对比如表4所示。

表4 主要加热系统对比

项目中的海底管道加热系统需要长期运行，由上述分析可知：从效率、费用到寿命，推荐采用电伴热加热方式。

3.3 电伴热方案

3.3.1 伴热电量需求

在由短时间至中时间的关断期间，伴热温度保持在48.0 ℃及以上，热量输入为30.0 W/m。在48 h内，将冷却的海底管道由临界温度11.6 ℃加热至48.0 ℃，热量输入为63.0 W/m。

为保证满足最大加热需求，同时保证供电系统的三相平衡，每相电缆需要保证可提供21.0 W/m的加热电至海底管道。不同温度下的纯铜电缆阻抗如表5所示。

表5 不同温度下的纯铜电缆阻抗

加热功率Pth公式为

Pth=3R(V/R)2

(1)

式中：R为电缆电阻；V为电压等级。

根据式(1)，在加热电缆的功率和电阻确定时，可计算该系统所需要的电压等级。由于不同温度下的电阻不同，因此计算存在一定偏差。最终，电缆选取3×16.0 mm2的导体，电压为3.8 kV(相电压)/6.6 kV(线电压)。

3.3.2 加热工况

加热工况下的海底电缆参数如表6所示。计划选用国际电伴热常用的Habia和Heat Trace UK电缆。

表6 加热工况下海底电缆参数

3.3.3 维温工况

为保证海底管道在11.6 ℃的海水温度保持48.0 ℃，该系统需要的热量输入为21.0 W/m。维温工况下的海底电缆参数如表7所示。

表7 维温工况下海底电缆参数

续表7 维温工况下海底电缆参数

3.3.4 供电方案设计

由于系统需要处理不同的功率输出，根据所需操作和加热情况，变压器的二次绕组通常具有至少5个抽头。抽头调整可自动完成，也可手动完成。通过抽头调整实现伴热温度有级调控。

3.3.5 电缆具体布置

选用目前运用范围较广的Habia电缆。该电缆在维温工况下需要1套电缆，在加热工况下需要2套电缆，因此综合考虑满足2种工况和备用需求，共选用4套电缆(在加热工况下，两用两备)。这4套电缆均匀铺设在内层海底管道周围，如图7所示。

图7 电缆布置结构示例

考虑加热电缆100%冗余的设计原则，选择配置4组加热电缆(三相)(共12条单芯电缆，2根光纤)。海底加热电缆Habia的具体参数如下：导体截面为16.0 mm2；电缆截面为5.2 mm2；电压等级为3.8 kV(相电压)/6.6 kV(线电压)；电流等级为120.0 A；温度额定值为-25.0～120.0 ℃。

4 结 论

海底管道伴热是一项国际前沿新课题，是一项涉及多专业多学科的综合科研技术。海底管道伴热技术方案的选取受工程项目的自身特点、加热工况需求、施工船舶资源和潜在供应商等多因素影响，需要具体分析。着重从伴热的电气系统设计及特点方面对国际较常用的几种加热技术进行简要介绍，为今后海上稠油输送流动安全保障技术提供一些新思路和方法。海上稠油开发的流动安全保障是一个世界性的难题，也是当前中国海油面临的一个重要课题，做好海底管道加热的技术储备具有重要意义。