電加熱集輸管道時控周期及能耗的研究*

孫英（遼河油田公司沈陽采油廠）

電加熱集輸管道時控周期及能耗的研究*

孫英（遼河油田公司沈陽采油廠）

電加熱集輸控制方式有溫控電伴熱與時控電伴熱兩種，目前現場采用溫控電伴熱——點控溫的方法，通過溫控器限定溫度傳感器處的最高溫度和最低溫度，從而控制電熱帶的加熱時間和停止加熱時間。此方法缺點是在溫度控制器失靈時，可能造成電加熱帶停止加熱或一直保持加熱狀態，造成管線阻塞或油溫過高，電能損耗過大。針對這種集輸狀況，將電加熱集輸控制方式改為時控電伴熱，通過確定時控周期，控制管道的加熱狀態。相對于點控溫，時控溫不但施工簡便，而且節約了能耗，同時礦場試驗也證明，時控電伴熱具有顯著的經濟效益和良好的應用前景。

電加熱集輸 電伴熱 時控周期 能耗

在沈陽油田外圍區塊，受地理位置、氣油比、單井產量等因素的影響，為了確保低產低滲透油田得以有效動用，采用了樹狀電加熱[1-4]集油工藝，但其控制方式采取的是末端溫控器控制，運行中出現了故障率高和耗電量大的問題；為了降低故障率和節約能耗，將電加熱集輸控制方式由溫控電伴熱改為時控電伴熱。

1 溫控電伴熱

溫度傳感器就是常說的溫度探頭，溫度探頭與管道捆綁，給施工帶來不便，施工質量也影響測量溫度的準確性。溫度探頭是一種敏感元件，很容易損壞，應特別注意探頭的維護，一旦損壞，應及時更換，這增加了生產管理的維護費用和更換施工費用。探頭的熱敏元件容易受到環境干擾信號的影響，也與擺放位置有關；同時，探頭的響應時間也影響測量溫度的準確性，溫度顯示的延遲性使輸出溫度不是測試點的當前溫度，通常會有一定的誤差。管道流體的實際工作范圍往往比溫控器設定的范圍寬，而實際生產中設定的溫度上下限都很高，造成相當大的電能損耗。

2 時控電伴熱

與溫控工作方式相比，時控電伴熱取消了溫度傳感器這一元件，電加熱帶直接與時控器相連，與電源組成回路。時控器事先設定好加熱的時間段與停止加熱的時間段，通過控制箱內接觸器的閉合與斷開，實現電加熱帶對管道的加熱與停止加熱。

時控電伴熱在保證合理井口回壓的條件下，通過設置一定的時間，能夠及時接通和切斷電源回路，起到及時加熱和及時停止加熱管道流體的目的，解決了溫控方式中測量準確性和實時性受影響的弊端，可以大幅節約電能[5]。實際生產過程中，要嚴密監測端點井回壓，不能超過井口回壓的上限，預防生產事故的發生。

3 時控周期的確定

3.1 物理模型

設管內集輸流體的熱物性為比定壓熱容cp、密度ρ、導熱系數λf、管徑d0、管厚δg、保溫層厚鋼管和保溫層的導熱系數分別為鋼管內壁傳給流體的熱量為Qw，鋼管內壁與流體的表面傳熱系數為h，保溫層外壁與大地的表面傳熱系數為h0，電阻絲傳給管壁的熱量為Q1，電熱帶傳給保溫層的熱量為Q2，電熱帶在dx段管長內功率為dp，鋼管內壁溫度為t3，鋼管外壁溫度為t2，保溫層外壁溫度為t1，電加熱集輸管道周圍接觸土壤溫度為t0，微元流體的平均溫度為tm。電加熱集輸管道剖面見圖1。

圖1 電加熱集輸管道剖面圖

取管長z處，dz的微元流體的電加熱功率、管道內介質溫度和大地溫度場之間的關系如下式：

3.2 模型求解

以上建立的數學模型為常微分方程，用改進的歐拉法（預測-校正法）進行求解：

迭代過程進行到連續兩次迭代結果之差的絕對值小于給定的精度，見式（3）、式（4），然后再轉入下一步計算。

利用電加熱集輸的最基本關系式，如果在功率，流體進、出口溫度，流速，含水率一定的條件下，可以求出相應的加熱時間，結合蘇霍夫溫降公式[8-9]，即可求出停止加熱時間，這樣即可求出時控周期的加熱時間及停止加熱時間。

3.3 能耗計算

能耗包括抽油機能耗、井口加熱器能耗和電伴熱帶能耗。

3.3.1 抽油機能耗

式中：

Ppump——抽油機井能量消耗，kWh/d；

Pin——抽油機井輸入功率，W；

Pe——抽油機井有效功率，W；

η——抽油機井的系統效率，%；

k——修正因數，見表1；

s——抽油機使用沖程，m；

n——抽油機井實測沖速，min-1；

H——舉升高度，m；

H1——泵掛深度，m；

ηej——抽油機排量因素，即抽油機泵效，%；

m——抽油機井的產液量，kg/s；

Hd——動液面深度，m；

Po——油壓，Pa；

pt——套壓，Pa；

ρ——產液密度，kg/m3。

表1 修正因數k值的確定

3.3.2 井口加熱器能耗

式中：

Pjk——井口加熱器的能量消耗，kWh/d；

t1——抽油機井井口出油溫度，℃；

t2——井口加熱器的設定溫度，℃；

m——抽油機井的產液量，kg/s；

Cy——管道內介質的混合比熱，J/(kg·℃)；

w0——管道內介質的含水率；

Cw——水的比熱，J/(kg·℃)；

Co——油的比熱，J/(kg·℃)；

t——油溫，℃。

3.3.3 電熱帶能耗

式中：

Pp——集輸管線的能量消耗，kWh/d；

h——電加熱帶額定功率，W/m；

L——集輸管線的長度，m；

T——電加熱的時控周期，h；

Tre——集輸管線時控周期中的加熱時間，h。

3.4 實例計算

以10號線為例，時控周期計算結果見表2。將10號線的時控電伴熱能耗與溫控電伴熱能耗進行了對比，這里的能耗包括電熱帶能耗、抽油機能耗及井口加熱器能耗，電價為0.614 6元/kWh，計算結果見表3。

表2 夏季10號線正常運行時控周期

表3 夏季10號線時控與溫控能耗對比

同理，可以計算出該管線冬季的時控周期與總能耗。如果冬季和夏季各按6個月計算，夏季每天節電200.13 kWh，冬季每天節電566.22 kWh，10號線一年共節電13.79×104kWh。

4 礦場試驗

根據礦場試驗，當57#→60#平臺與60#→62#平臺2個電熱帶都加熱時，電加熱帶平均耗電量為30 kWh/h；如果只有上游或下游加熱，平均耗電15 kWh/h。根據礦場試驗，在最保守條件下，每條支線上安裝2個時控器，交替工作，控制2段管線，不影響油井生產。如果每條支線上每天節電360 kWh，1個月節可約10 800 kWh。區塊共有14條支線，每年5月至9月可節約75.6×104kWh，按電價0.614 6元/kWh計算，一年節約46.5萬元電費。

5 結論

1）與溫控方式相比，時控電伴熱取消了溫度傳感器這一元件，通過控制箱內的接觸器，實現電加熱帶加熱管道與停止加熱管道。

2）理論計算和礦場試驗表明，時控伴熱比溫控伴熱具有更好的節電效果。

3）時控伴熱較溫控伴熱便于施工，可以減少故障率，降低能耗，具有很好的應用前景。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.001

2014-11-20）

孫英，1992年畢業于遼河石油學校（采油工程專業），2009年畢業于中國石油大學（石油工程專業），從事節能管理工作，E-mail：starmq@163.com，地址：遼寧省盤錦市興隆堡沈陽采油廠電力維修大隊，110316。

國家自然科學基金項目“基于非平衡態熱力學的含蠟原油管輸過程蠟沉積機理研究”（51174042）部分研究內容。