數控電加熱帶節能控制器的研制與應用

岳大偉（昆侖能源（大連）有限公司）

沈陽采油廠是全國最大的高凝油生產基地，其生產的原油以凝固點高著稱，在集輸過程中由于原油本身黏度大，聯合站、計量站、單井點、井口管線大量應用電熱帶伴熱，纏繞電熱帶總量達4.8×104m，每年冬季需要耗電280×104kWh，需要支付電費175多萬元，電熱帶也因頻繁損壞造成巨大經濟損失。為解決能耗浪費和過熱問題，曾經采用時間控制器代替人控制時間，但是時間溫度控制器采取機械式的時間設置按鈕，誤差范圍較大，時間設置控制范圍寬，多次出現電熱帶批量損壞現象，另外恒功率電熱帶采取導線外包聚乙烯塑料，塑料外纏近于燈絲粗細的發熱電阻絲，電阻絲與聚乙烯熱膨脹系數不一致造成電阻絲損壞電熱帶失效，頻繁起停造成電熱帶的發熱絲位移變形、氧化脆弱、應力疲勞破壞[1]。因此，原有的粗放型溫度控制，頻繁升溫、降溫加熱方式，已經不滿足電熱帶伴熱的工藝要求，迫切需要開發一套數控電加熱帶節能控制器。

1 數控電加熱帶節能控制器的研發

沈陽采油廠研發的數控電加熱帶節能控制器，由繼電器、串口線纜、串行通訊接口、LED狀態指示燈、變壓器、單片機、微控器、時鐘芯片、存儲器、測溫電阻、便攜微機組成。

1.1 工作原理

數控電加熱帶節能控制器外殼內的變壓器將220V的線電壓，降成12V的電壓，經過整流給單片機供電，單片機接收到測溫電阻的溫度信號，上限值設定為管內介質運行溫度，下限值設定為介質凝點溫度。如果溫度達到控制下限值，驅動繼電器接通三個輸出接線柱，給電熱帶加熱；當溫度高于溫度控制的上限后，驅動繼電器斷開三個輸出接線柱，停止給電熱帶加熱。單片機根據設置的采集頻率，將通電及斷電的平均時間間隔數據保存到存儲器中，工作人員可以逐點進行數控節能控制器狀態跟蹤，打開每個串行通訊接口密封蓋，通過串口數據線連接便攜微機，用程序讀取單片機內存儲的溫度及時間控制參數，分析加熱帶及數控節能控制器的工作狀況，以確定最優的加熱方案。

1.2 技術優勢

數控電加熱帶節能控制器的設計結構新穎，設置方便，參數調整精準可靠，利用它可以對電熱帶加熱進行精確的溫度控制，由于沒有外露的機械按鈕，提高了裝置防爆的可靠性，提高了油氣集輸管線電熱保溫和節能效果。另外，數據分析軟件可以采取數據讀取、數據分析、曲線繪圖的方式，進行溫度變化的對比分析，可以確定最優的節能方案。

2 現場應用情況

2.1 溫度采集試驗

沈二聯脫水崗污水收油管線長度約35m，直徑DN100，其作用為污水崗斜板除油罐不定時收油至脫水崗，停運前利用污水反復沖洗管線。2011年11月1日安裝了數控電加熱帶節能控制器進行溫度數據采集，管內介質溫度在29～83℃之間變化，其中90h3min管線運行溫度在29～51℃之間波動，4h 28min溫度持續在44～83℃間持續上升，數控電加熱帶節能控制器記錄溫度與管線實測溫度相符，見圖1。

圖1 沈二聯脫水筒污水收油管線溫度曲線

2.2 荷載運行試驗

2011年11月10日，沈二聯脫水崗安裝一臺數控電加熱帶節能控制器，溫度設定為45℃帶動現場負荷，管線長度為40m，管徑為DN150。用溫水模擬管壁溫度，并聯聲光報警器進行狀態指示，數控節能控制器開關工作正常，將微動開關設定為20℃，與其并聯做為保險措施備用數控電加熱帶節能控制器試運行，48h內運行正常。11月13日又為其它5條管線安裝了數控電加熱帶節能控制器，試驗載荷運行均正常。

2.3 安裝電表計量

2011年11月17日為6條線路安裝了電表進行計量。由于每條管線對電伴熱依賴程度不同，節能潛力也不一樣。通過電表計量發現，同以往比較節電均在90%左右。

3 應用效果

經過半年的應用試驗，技術人員認為該數控電加熱帶節能控制器實現了預期的設計目標，采集數據非常準確，運行故障率很低，完全能夠滿足生產需要，同時在以下四個方面效果突出。

3.1 節電效果顯著

電熱帶原送電制度為送2h停2h，電熱帶平均日工作時間12h，日耗電量490kWh，采用數控電加熱帶節能控制器后，設定加熱范圍2～8℃，電熱帶平均日工作時間1.2h，日耗電64kWh，節電率達到86.9%，年可以節電42600kWh，節約電費26740元。如果全廠的電熱帶都改用數控電加熱帶節能控制器，年可節電243×104kWh，節約電費153萬元。

3.2 實現數字化可控管理

以前檢查電熱帶是否損壞的手段非常原始，只能靠通電后進行人工手摸判斷，改進后在值班室即可掌控管線的運行溫度、電熱帶的運行狀態、耗電情況，出現損壞自動報警，還可通過互聯網在任何地方進行監控管理，解決了電熱帶運行故障發現難的問題。

3.3 電熱帶使用壽命延長

該數控電加熱帶節能控制器有效改善了電熱帶過熱工作和頻繁啟動狀態，特別是單片機吸收PWM脈寬控制技術可使電熱帶啟動緩慢升溫，緩解發熱絲與聚乙烯膨脹不一致造成的破壞。根據溫度自動調節電熱帶的功率匹配管道的伴熱要求，工作更加平穩，使恒功率電熱帶當做可自由設定工作溫度的自限溫電熱帶使用，節能方式更合理，在役壽命可達到原來的10倍[2]。

3.4 管理認識得到創新

在試驗過程中發現，收油泵停運后管道散熱時間很長可以不加熱，這在采用時間控制時是不敢嘗試的。收油降溫階段從69℃降到59℃僅需要3min，59℃降至49℃需要1h37min，49℃降至39℃需要2h52min。可見由于環境溫度影響，電熱帶加熱溫度從低到高，熱散失從小到大，速度從快到慢；加熱停止管道散熱溫度從高到低，熱散失從大到小，速度從快到慢。因此熱散失速度的快慢也應是電伴熱溫度上下限值設定的一個重要參考因素。

4 結論及建議

采用數控電加熱帶節能控制器實現了地面管線加熱保溫自動精確控制，精準記錄地面管線各種狀態下的溫度變化，有效節約了大量電能，并降低了電熱帶的損壞率；解決了傳統溫控器0～10℃盲區和溫控固定差動值的影響，適用于運行溫度范圍差值很小條件下的應用。

由于高凝油油品的特殊性，采油工藝大部分采用電加熱生產，耗電量大、生產成本高，目前溫度控制采用粗放式手動控制模式，如果將該技術應用于電加熱油井，既能實現精細化數字管理，又能創造巨大的經濟效益[3]。

[1]閆石.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2006:35-41.

[2]馬浩.電力電子技術[M].北京:科學出版社,2006:71-72.

[3]賈斐,廖林,韓鵬,等.電加熱工藝的選擇及配套應用[J].石油礦場機械,2004,33（增刊1）:89-91.