原油井口電加熱器出口溫度控制探討

趙才先

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100086）

0 引言

原油通過(guò)抽油機(jī)或者電潛泵從井下開采出來(lái)之后，通過(guò)集輸管線輸送到接轉(zhuǎn)站或者混輸泵站實(shí)現(xiàn)原油的匯聚和轉(zhuǎn)輸。從井口到站場(chǎng)的集輸管線采用埋地敷設(shè)方式，通常地溫溫度都低于原油溫度，因此原油在輸送過(guò)程中存在著溫度向管道周圍擴(kuò)散的現(xiàn)象，通過(guò)工藝模擬計(jì)算，在集輸管線末端原油溫度可能會(huì)低于其自身的凝點(diǎn)溫度，導(dǎo)致原油在管道內(nèi)凝結(jié)堵塞集輸管道，給生產(chǎn)和運(yùn)維帶來(lái)較高的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要在井口設(shè)置電加熱器，以提高井口原油溫度，避免管道堵塞。電加熱器出口溫度過(guò)高，雖然避免了凝管，但造成過(guò)多的電能消耗，降低了油田的經(jīng)濟(jì)效益，而溫度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致原油凝管。因此，電加熱器出口溫度的控制顯得尤為重要。本文通過(guò)對(duì)某項(xiàng)目常用的電加熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討兩種溫度控制方案。

1 電加熱器結(jié)構(gòu)介紹[1]

電加熱器的殼體內(nèi)排布有電加熱棒，電加熱棒的數(shù)量根據(jù)工藝核算的電加熱器功率來(lái)確定，通常設(shè)置6 組或更多。電加熱棒需要浸沒(méi)在導(dǎo)熱油里面，以防止電加熱棒表面溫度過(guò)高使原油結(jié)焦，降低電加熱器的使用性能。導(dǎo)熱油加熱之后會(huì)發(fā)生膨脹，為防止導(dǎo)熱油脹裂加熱管路，需要在電加熱器上部設(shè)置一個(gè)導(dǎo)熱油膨脹罐。另一方面，便于后期導(dǎo)熱油的更換。

圖1 電加熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of electric heater

圖2 階梯式控制邏輯圖Fig.2 Ladder control logic diagram

原油井口的介質(zhì)通常為油、氣、水三相混合介質(zhì)。當(dāng)井口混合介質(zhì)進(jìn)入電加熱器之后，由于比重不同，電加熱器內(nèi)介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，尤其是氣體會(huì)聚集在電加熱器上部，而氣體的導(dǎo)熱系數(shù)和油水混合物的導(dǎo)熱系數(shù)差別比較大。當(dāng)上部氣體溫度升高到設(shè)定溫度時(shí)，下部油水混合物的溫度已經(jīng)超過(guò)了溫度設(shè)定值，而原油溫度過(guò)高，輕烴類的氣體又會(huì)從原油中析出，進(jìn)一步加劇電加熱器內(nèi)部上下的溫度差。因此，電加熱器通常設(shè)置為底進(jìn)上出，并且進(jìn)出口交錯(cuò)排布，使介質(zhì)進(jìn)入電加熱器后盡量混合均勻，避免發(fā)生分層，電加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

通常在電加熱器入口和出口設(shè)置溫度和壓力變送器，入口的溫度（TIT NO.A）變送器和壓力（PIT NO.A）變送器主要做監(jiān)視用。出口設(shè)置2 個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，一個(gè)用于出口溫度的控制（TIT NO.B），另一個(gè)用于出口溫度的報(bào)警聯(lián)鎖（TIT NO.C），出口壓力變送器（PIT NO.B）用于出口壓力的檢測(cè)和報(bào)警。對(duì)于電加熱器出口溫度的控制有兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種為階梯式控制方式，另一種為連續(xù)控制方式。

2 階梯式溫度控制方式

如前所述，電加熱器內(nèi)有6 組或以上電加熱棒，每組電加熱棒內(nèi)布有發(fā)熱元件，利用電流的焦耳效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過(guò)導(dǎo)熱油把熱能傳導(dǎo)到油水混合物介質(zhì)中，提高介質(zhì)溫度。通常加載在電加熱棒上的電壓為380VAC，發(fā)熱元件電阻值為恒定值，從而加載在發(fā)熱元件上的電流也為恒定值。當(dāng)入口介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，需要通過(guò)調(diào)整通電電加熱棒的數(shù)量來(lái)穩(wěn)定出口溫度。比如入口介質(zhì)溫度升高，出口介質(zhì)溫度也會(huì)升高，此時(shí)需要停掉一部分電加熱棒，減少發(fā)熱量，把出口溫度降下來(lái)。為了避免出口溫度波動(dòng)較大，需要單獨(dú)控制每組電加熱棒的通斷，組數(shù)越多控制越平滑。

以上控制都是由電加熱器自帶的控制盤自動(dòng)完成，控制盤內(nèi)設(shè)有PLC 控制器，實(shí)時(shí)采集電加熱器出口溫度變送器（TIT NO.C）4mA ～20mA 連續(xù)信號(hào)，在PLC 內(nèi)部轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值并與預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較。如果測(cè)量值高于溫度值，則PLC 輸出一個(gè)DO 觸點(diǎn)信號(hào)到電氣配電盤內(nèi)，斷開一組電加熱棒的供電回路；如果出口溫度仍然在升高，則PLC 輸出另一個(gè)DO 觸點(diǎn)信號(hào)，斷開第二組電加熱棒，直到溫度降到設(shè)定值，通常有幾組電加熱棒PLC 就需要設(shè)置幾個(gè)DO 輸出點(diǎn)。如果電加熱器出口溫度低于設(shè)定值，則逐個(gè)加載電加熱棒供電回路，達(dá)到溫度設(shè)定值，其控制邏輯如圖2 所示。

3 連續(xù)溫度控制方式

隨著大功率電子器件的廣泛應(yīng)用，可控硅（SCR）[3,4]被應(yīng)用到了電加熱器的調(diào)溫系統(tǒng)中。可控硅具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)小功率控件控制大功率設(shè)備的優(yōu)良性能。通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通角，可實(shí)現(xiàn)電加熱器的連續(xù)調(diào)功，使溫度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)[2]。

由于溫度檢測(cè)本身存在不均勻性和滯后性，溫度的PID 控制本身存在一定的難度，再加上井口來(lái)液溫度的波動(dòng)和含氣量的不確定性等干擾因素，如果用普通的PLC 控制器進(jìn)行控制，即使在一定時(shí)期內(nèi)控制器的P、I、D 參數(shù)整定完成，工況一變化就需要調(diào)整控制的整定參數(shù)，這在油田現(xiàn)場(chǎng)是不可行的。因此，需要采用專用的溫度控制器，此控制器在工況發(fā)生變化時(shí)，可自動(dòng)對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定，以適應(yīng)新的工況。

圖3 連續(xù)溫度控制方式邏輯圖Fig.3 Logic diagram of continuous temperature control mode

另一方面，根據(jù)工程實(shí)踐，當(dāng)入口來(lái)油介質(zhì)中含氣量較大時(shí)，電加熱器殼體內(nèi)仍然會(huì)存在分層現(xiàn)象，導(dǎo)致上層電加熱棒溫度過(guò)高，電加熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)不均衡。因此，在上層電加熱棒、中層電加熱棒和下層電加熱棒上面，分別安裝了熱電偶測(cè)溫元件（TIT NO.D,TIT NO.E, TIT NO.F），用于實(shí)施檢測(cè)每層電加熱棒的表面溫度。當(dāng)某一層的電加熱棒溫度超過(guò)設(shè)定值，則直接斷開相應(yīng)電加熱棒的供電回路，以保護(hù)電加熱棒。此功能可以用常規(guī)的PLC 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且PLC 控制器可以采集撬內(nèi)的所有信息，通過(guò)RS485 或者TCP/IP 上傳到更高一級(jí)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電加熱器撬的遠(yuǎn)程監(jiān)視，同時(shí)PLC 也可以接受上一級(jí)系統(tǒng)來(lái)的遠(yuǎn)程啟停命令，實(shí)現(xiàn)電加熱器撬的遠(yuǎn)程啟停。圖3 為連續(xù)溫度控制方式邏輯圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電加熱器的兩種控制方式進(jìn)行討論。其中，階梯式控制方式邏輯簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但出口溫度控制精度比較差，只能控制在一定的溫度范圍內(nèi)，并且電加熱棒的頻繁起跳容易對(duì)整個(gè)油田電網(wǎng)造成影響，在可控硅應(yīng)用之前是一種主要的控制方式。現(xiàn)階段主要采用專用溫度控制器加可控硅的方式進(jìn)行溫度控制，可以實(shí)現(xiàn)較好的出口溫度控制，再加上PLC 的監(jiān)視和控制有效地延長(zhǎng)了電加熱器的使用時(shí)間。