PID調節器在集氣管道電伴熱上的應用

張淼 （大慶油田工程有限公司）

PID調節器在集氣管道電伴熱上的應用

張淼 （大慶油田工程有限公司）

電伴熱是目前采用的先進、有效的集氣管道保溫措施，缺點是當在介質溫度變化時，電伴熱系統無法作出供熱調整。當供熱不足時，會導致管線凍堵；當供熱過量時會造成不必要的能源浪費。針對上述問題提出了一種解決方法，即在電伴熱系統上應用PID調節器。此裝置根據井口來氣溫度、節流后溫度，控制功率調節器的輸出電流，在保障集氣管道伴熱溫度的同時，降低電伴熱消耗的能源，實現了深層氣田工藝的安全、穩定運行。通過現場實際應用表明，PID調節器在保溫降耗方面效果顯著，具有良好的應用前景。

集氣管道；PID調節器；電伴熱；功率調節器；節能降耗

1 大慶油田集氣管道電伴熱現狀

大慶油田深層氣田所采用的處理流程是：高壓采氣、伴熱集輸、集中加熱、常溫分離、輪換計量、集中脫水等。其中伴熱集輸部分是整個生產處理流程不可或缺至關重要的一步。由于大慶油田地處東北，冬季氣溫比較低，最冷月平均氣溫-18.5℃，油田采氣管線在井口到集氣站之間發生凍堵、冷凝現象。通常對該管線采取伴熱措施，而為了保證極端工況下的管道安全運行，電伴熱系統的功率需要考慮余量，運行時往往造成能源浪費。

電伴熱是用電產生的熱能來補充被伴熱介質在傳輸過程中所散失的熱量，從而保證輸氣管道內介質正常流動而不產生冷凝的溫度。電伴熱是沿集氣管線方向在管線上均勻放熱，它不同于在一個點或小面積上熱負荷高度集中的電伴熱[1]；電伴熱溫度梯度小，熱穩定時間較長，適合長期使用；電伴熱具有節約能源、熱效率高、設計簡單、施工安裝方便、無污染、使用壽命長等優點，因此，目前工業上大多采用電伴熱的方式，對管道和儀表進行保溫。

電伴熱基本是以金屬電阻絲或專用碳纖維束結合導線及絕緣保護材料制成的各種發熱元件(如電伴熱環、電伴熱帶等)作為熱源，安裝在絕熱層和管道(或設備)外壁之間對管線提供伴熱，以維持在一定的溫度范圍內，達到保溫和防凍的目的。由于電伴熱的電熱帶是利用電熱來補充集輸過程中所散失的熱量[2]，通常的電伴熱為恒功率電伴熱，能耗大，無法滿足油田節能要求。

2 PID調節器工作原理

PID調節器即比例、積分、微分調節器，是對被調量與給定值的偏差分別進行比例、微分和積分運算，取其和構成連續信號以控制執行器的模擬調節器[3]。

PID調節以其響應速度快、調節動作迅速、余差小、根據偏差信號的變化趨勢提前動作等優點[4]，成為工程實際應用最為廣泛的調節器。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其他技術難以采用，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。PID調節就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。

3 PID調節器在天然氣管道電伴熱上的應用

大慶油田集氣管道采用的普通電伴熱系統，在介質溫度變化時，無法作出供熱調整，造成能源浪費，或無法達到溫度要求。因此，將PID調節技術應用到天然氣管道電伴熱系統中，實現保證管道伴熱溫度的同時，降低電伴熱消耗的能源，從而達到節能降耗的目的。在現場實際應用的過程中取得了良好的效果。

以汪家屯集氣站新建6口井為例，由于井口氣水化物形成溫度在17.7～18.7℃之間，所以伴熱溫度設定為20℃。由于井口距集氣站較遠，將電伴熱系統分為站外伴熱帶控制和站內伴熱帶控制。站外共計6條伴熱帶，由井口電源供電；站內共計6條伴熱帶，由集氣站內電源供電。站內、外每條伴熱帶配置1個功率調節器。為了確保控制系統的安全，汪家屯伴熱帶控制系統中，每個伴熱帶功率調節器都安裝了過熱繼電器，過載時自動停止功率調節器的運行。每個功率調節器的輸出電流通過電流變送器反饋到集氣站控制系統。

該6口井所屬集氣站已建了PLC控制系統，對井口來氣溫度、節流后溫度進行采集，根據采集溫度對電伴熱系統進行調節，原理如圖1所示。

圖1 PID調節電伴熱系統原理

集氣站控制系統具有統一的網絡通訊協議TCP/IP，將采集的井口溫度通過以太網交換機傳給站內PID調節器，PID調節器可以通過交換機與集氣站系統進行通訊，獲取井口和節流后溫度，通過這些溫度來控制功率調節器的輸出。站外PID調節器與集氣站控制系統之間的通信可以通過光纖傳輸，或者利用無線通訊模塊將數據傳輸到附近已建的基站，再由基站傳輸到站內控制系統。站外6條伴熱帶用6個功率調節器，由1個PID調節器控制；站內6條伴熱帶用6個功率調節器，由1個PID調節器控制，這2個PID調節器通過網絡通訊，由集氣站進行集中控制。由于站外電伴熱系統放置在井口附近，距離集氣站較遠，在有基站的情況下，可采取無線通訊，以節約投資。在集氣站系統計算機上顯示管道溫度，從而進行溫度的設定，整套PID調節電伴熱控制系統配置如圖2所示。

4 PID調節電伴熱與常規電伴熱效果對比

無論管道溫度如何變化，常規伴熱帶都是恒功率工作。當管道溫度比較高時，不需要很大的能量輸出，這時就會浪費大量的電能，而且管道溫度變化也很大。采用功率控制器和PID調節器后，通過跟設定溫度的比較，系統會自動調整輸出電壓，使管道溫度在設定溫度小范圍內浮動，直至保持一致，達到節能和溫度平穩的效果。

伴熱控制系統通過站外來氣溫度或者節流后溫度作為被控對象，站外來氣或節流后的管道內天然氣溫度和設定溫度比較，根據差值大小來控制功率調節器輸出電流大小。當差值大時，功率調節器將輸出電流調大，保證控制管道的溫度；當差值減小時，功率調節器將輸出較小電流，達到節能效果。PID調節器通過控制功率調節器輸出的電流，來控制伴熱帶的功率，這樣就可以控制管道伴熱的溫度始終在設定溫度值上。

5 結束語

根據大慶油田所處地理位置、自然環境和大慶油田深層氣田工藝特點等實際情況，針對集氣管道存在的保溫問題，以及目前管道保溫所采取的電伴熱措施存在的缺點，提出了一種有效的解決方法，即將PID調節器應用在集氣管道的電伴熱調節上。與傳統的電伴熱系統相比較，雖然增加自動控制溫度系統的投資，但大大減少了為避免極端工況時管道運行的安全而提高電伴熱功率所浪費的能源。從長遠投資來看，將PID調節器應用到集氣管道電伴熱系統上，不僅節約了投資，實現了深層氣田工藝的安全、穩定運行的同時，更滿足了當前日趨緊迫的節約能源的要求。在現場實際應用過程中取得了較好的保溫降耗效果，展現了良好的應用前景，也為國內同類型油田提供了參考和借鑒。

[1]李迎春.電伴熱在液化石油氣行業中的應用[J].石油化工安全技術，2000（3）：10-12.

[2]王茂盛.自控溫電伴熱材料在儀表測量管線上的應用[J].石油化工應用，2007（5）：64-66.

[3]張亮.PID調節器在石灰窯煤氣流量控制中的應用[J].現代冶金，2015，43（6）：35-37.

[4]孫曉晴.鍋爐液位PID控制系統設計思路與實現[J].機電產品開發與創新，2015，28（6）：130-132.

book=46,ebook=49

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.017

2016-07-15

（編輯 王艷）

圖2PID調節電伴熱控制系統配置

張淼，工程師，2008年畢業于東北石油大學（測量技術與測試專業），碩士，從事儀表專業設計工作，E-mail：zhangmiao_dod@petrochina.com.cn；地址：黑龍江省大慶市讓胡路區大慶油田設計院儀表電信室，161100。