PID控制的間接式電加熱器異常關停故障診斷分析及對策

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.017

摘" " 要：間接式電加熱器電熱管不直接與流體接觸，熱量通過導熱油及套管傳遞給流體，此方式具有耐腐蝕、密封性好、設備壽命長等優點。間接式加熱器首次應用于北部灣海上采油平臺，在調試運行階段因流量波動過大引起設備超溫關停。根據平臺實際使用情況，從設備原理及控制系統兩方面對該問題進行診斷分析，并提出對設備輸出功率與PID控制器各項參數進行調整的解決方案，實現了對井液出口溫度準確且平穩的控制；同時，能夠有效調控設備內部溫度，確保設備平順運行，溫度控制更為準確。

關鍵詞：PID控制；間接式加熱器；流量波動；超溫關停；控制系統

Abstract：The electric heating tube of electric heaters does not direct contact with the fluid， transferring the heat through the heat transfer oil and sleeve. This method has the advantages of corrosion resistance， good sealing， and long equipment life. The indirect heater was first applied to the offshore oil production platform in the Beibu Gulf， resulting in the over-temperature shutdown of the equipment due to excessive flow fluctuations during the commissioning and operation phase. Based on the actual usage in the platform， this paper analyzes this problem from both the equipment principle and control system aspects and proposes a solution relying on the adjustment of the output power of the equipment and all parameters of the PID controller， accurately and stably controlling the outlet temperature of the well fluid. Moreover， this solution can effectively regulate the internal temperature of the equipment to ensure smooth operation and more accurate temperature control.

Keywords：PID control; indirect heater; flow fluctuation; over-temperature shutdown; control system

北部灣海域以往的海上油氣田開發項目生產運行過程中，加熱器均使用直接式電加熱器，即電熱管直接與流體接觸，利用電熱管持續加熱實現對流體的加熱，具有加熱快、熱效率高等優點。海上平臺修井作業較多，修井液需要通過加熱器再導入海管，而修井液成分復雜，容易造成加熱絲的絕緣損壞；還會腐蝕加熱器原油腔室，造成原油滲漏，嚴重影響設備的安全穩定運行。間接式電加熱器電熱管不直接與流體接觸，熱量通過導熱油及套管傳遞給流體，電熱管密封接頭不受待加熱介質影響，同時換熱油無腐蝕性，可以很好保護加熱絲，延長加熱絲的使用壽命。間接式電加熱器理論上可以解決傳統直接式電加熱器加熱絲絕緣容易損壞的難題。

某項目首次將間接式加熱器應用于北部灣某海上采油平臺，在調試運行階段因流量波動過大出現設備超溫關停的問題，根據平臺實際使用情況，從設備原理及控制系統兩方面對該問題進行診斷分析，并提出解決方案。

1" " 設備控制邏輯

1.1" " PID控制原理

PID控制適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現場，不同的現場僅僅是PID控制參數設置的不同，只要參數設置得當均可以達到很好的效果，具有結構簡單、穩定性能好、可靠性高、控制技術成熟等特點，在工業生產過程中被廣泛采用，是生產過程自動控制發展歷程中歷史最悠久、生命力最強的基礎控制方法之一[1-2]。

PID控制器是一種線性控制器，根據給定值x（t）與實際輸出值y（t）構成控制偏差e（t），e（t）=x（t）-y（t）。將偏差的比例P（Proportional）、積分I（Intergral）和微分D（Dervative）通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制。其控制規律為[3]：

寫成的傳導函數形式如下：

式中：U（t）為t時刻的控制量，Kp為比例系數，e（t）為偏差信號，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，G（s）為傳導函數，U（s）為U（t）的拉普拉斯變換，F（s）為e（t）的拉普拉斯變換，s為復變量。

在微處理器控制系統中是以采樣周期對輸入和輸出狀態進行實時采樣，對PID控制算式進行離散化，也就是數字式PID控制[4-5]。現以一系列的采樣時間點Tk代表連續時間，以和式代替積分，以增量式代替微分[6]，可得到的最終表達式如下：

式中：Ki =Kp/Ti，k為采樣序號，j為時間變量，Kd =Kp?Td，T為采樣周期。

在實際工業過程控制中，一方面，許多控制過程機理復雜，具有非線性、慢時變、大滯后等特點，很難得到確切描述控制過程的傳遞函數或狀態方程；另一方面，在噪聲、負載擾動和其他環境條件變化的影響下，過程參數會發生變化，當參數變化超過一定范圍時，系統性能就會明顯變差，致使PID控制難以發揮作用[7-9]。長期以來，在設計和應用PID控制器的過程中，PID參數的選取一直是一個難題。

1.2" " 設備控制邏輯

平臺加熱器采用PID控制。控制柜內部主回路設有進線框架斷路器、塑殼斷路器、交流接觸器、快速熔斷器、可控硅系統等。通過溫度傳感元件采集加熱器出口流體的溫度信號，經智能溫度變送器將信號傳送至控制柜控制器中，由PID控制器運算后將采集信號與設定溫度信號進行比較。溫度設定點分為低溫加熱、高溫報警、超高溫卸載，采集信號經比較值達到各設定點值時，則由可控硅系統根據對應工況進行輸出。可根據不同溫度的設定值設置負載投入大小，實現設備輸出功率在0～100%間無級調節。同時，對加熱器本體導熱油配置溫度傳感元件及溫度開關進行監控，并與電氣連鎖，防止設備加熱元件干燒或因持續超高溫而損壞，當采集溫度超過保護設定值時，連鎖信號切斷加熱器的電源，待故障排除后才可重新啟動設備。

2" " 設備故障問題及分析

2.1" " 設備運行情況

在試運行過程中，加熱器功率設定為700 kW，出口溫度設定為70 ℃，出口溫度高高報警為80 ℃；膨脹罐液位高高報警為800 mm，液位低低報警為100 mm；加熱器爐內電熱管超溫關停溫度為95 ℃。

2.2" " 設備問題說明

當加熱器持續運轉一段時間后，現場人員發現加熱器溫度曲線波動較大，設備溫度控制不穩定，無法將流體出口溫度準確地控制在70 ℃左右，加熱器出口溫度及膨脹罐內導熱油溫度經常出現超高報警現象。

加熱器在實際運行過程中，出口溫度一般在65～78 ℃之間波動，溫度曲線較陡且波形不對稱，設備瞬時啟動功率大，溫度達到設定值后容易出現超溫問題，設備溫控不精準，且設備可控硅調功器需高頻率、大功率工作，也對低壓配電柜各項檢測產生了干擾。

加熱器在持續運行一段時間后出現電熱管溫度超溫報警，報警后電熱管持續升溫最終引起設備關停。在首次出現設備因電熱管超溫關停后，設備隨即多次出現同類情況，即加熱器經常出現因電熱管超溫引起關停。

2.3" " 原因分析

加熱器多次出現的電熱管超溫關停問題已影響到平臺的正常生產，甚至可能會使原油在管線內凝固而堵塞整個工藝流程。一旦出現管線堵塞的情況，需要對整個井口管線進行切除并更換。為盡快解決上述問題，確保平臺安全生產，從以下幾方面對加熱器關停問題進行分析。

2.3.1" " 加熱器本體

對加熱器本身進行詳細檢查。首先，對控制回路及程序軟件進行檢測；其次，對膨脹罐導熱油的液位及油溫進行檢測；最后，對加熱器本體溫度開關、溫度變送器，以及撬塊出口溫度變送器進行檢測及標定。經檢查，確認設備的控制回路及程控、膨脹罐導熱油、溫控元器件等均無異常情況。

2.3.2" " 加熱器輸出功率

當平臺井液流量17 m3/h的實際工況下，設備實際輸出功率達700 kW，加熱器啟動功率大，且由于導熱油的傳熱比較低，間接式加熱器普遍存在導熱滯后的情況；當井液出口溫度達到70 ℃時，雖然電熱管已經停止工作，但導熱油仍在一定時間內保持高溫，因此容易出現設備超溫的情況。綜合現場實際工況，認為加熱器并不需要全功率輸出，需調整輸出功率。

2.3.3" " PID控制參數

在加熱器的出廠設置時，設備的P、I、D參數設置如下：P=50，I=5，D=0，功率700 kW。在實際使用過程中，由于輸出功率過大，根據上述參數設置，設備內部可控硅調功器動作過于靈敏。設備輸出功率能夠在30 s內從0 kW升至700 kW，電流從45 A升至1 000 A左右；同時，設備輸出功率亦能在極短時間內從滿負荷運轉降至0 kW。如此靈敏的調功速率，使得設備功率輸出大開大合，不利于設備長時間運行，也不利于設備導熱油溫度及井液出口溫度的控制，還會對低壓配電柜的各項檢測產生干擾。

2.3.4" " 加熱器流量

經過上述加熱器內部原因排查后，又對加熱器相關外部因素進行了排查。流量變化是與加熱器密切相關的外部因素，當流經加熱器內部的流量減少時，尤其是流量大幅度降低時（此情況常出現在平臺生產人員進行單井測試時），經常會出現電熱管超溫，而之前發生的幾次電熱管超溫關停均是出現在流量大幅度降低時（流量從17 m3/h降低至4.5 m3/h）。

加熱器出現異常關停的另一重要原因就是流量的大幅度波動，由于流量的大幅度降低，尤其在加熱器持續加熱時，流量降低使得加熱器內部產生的熱量未能及時被帶走，因此出現了設備超溫關停的情況。

綜上，在確認加熱器本身無故障的前提下，超溫關停的主要原因是設備P、I、D參數設置不夠合理，設備功率調整過快、過大，電熱管瞬時啟動功率大、速度快，溫度控制極不穩定，而且加熱器內部的誤差補償調整及預防控制均未能發揮作用；同時，由于流量瞬間大幅度降低導致加熱器內部余熱無法及時帶走。上述兩種情況疊加后導致設備內部溫度超高，從而引起了設備超溫關停的問題。

3" " 設備故障問題處理

綜上所述，加熱器出現超溫關停的主要原因是設備P、I、D參數設置未充分考慮現場實際工況，設備輸出功率、設備內部比例調節輸出、設備誤差補償及預防控制四者未能有效聯動，致使設備溫控極為失準，當平臺井液流量出現大幅度波動時，加熱器經常出現超溫關停的問題。針對上述原因引起的設備超溫關停問題，主體解決思路為：P、I、D參數設置需充分考慮平臺正常生產情況下流量大幅波動的實際情況，加熱器需在一定流量范圍內實現對溫度進行精確控制，即需使設備的調功速率、誤差響應時間及超溫前預防控制取得一個平衡點。

經多次試驗驗證后，得出優化后的P、I、D參數設置為：P=20，I=10，D=0，輸出功率設置為100 kW。參數調整后加熱器運行十分穩定，設備出口溫度較穩定地維持在70 ℃上下，溫度曲線非常理想，調功器長期在工作狀態。平臺方進行多次單井測試作業時，設備溫控、溫度曲線仍十分穩定（近乎一條直線），能夠滿足液量波動這一復雜工況，更能滿足平臺日常生產的使用需求。

經過深入的研究分析，以及反復的現場試驗，總結出設定參考值（見表1）供該平臺現場后續操作使用。

在上述參數設置下，加熱器能夠在17 m3/h及以下的流量波動時，對井液的出口溫度實現準確且平穩的控制，同時能夠有效調控設備內部溫度，確保設備平順運行，溫度控制更為準確。如平臺后期產液量加大，只需要調整功率即可，當達不到設點或需較長時間才能達到，可以把功率再往上調整；當溫度曲線在設點波動較大、較頻繁，則可適當調低功率。

4" " 結論及建議

直接式加熱器的控制邏輯較間接式加熱器的控制邏輯靈敏，因此間接式加熱器不能簡單沿用直接式加熱器的控制邏輯。一旦間接式加熱器較容易出現超溫關停的故障，在排除設備本體故障的前提下，應優先結合平臺流量的實際波動情況，對設備輸出功率與PID參數進行調整，而P、I、D參數則需經試驗得出調整范圍后再做微調。

建議在采辦設備時對設備的使用環境、流量波動范圍及實際控制需求進行更深入明確的描述，同時對此類間接式加熱器應在進口處增加一個流量計（如孔板流量計），同時要求加熱器生產廠家在控制邏輯中加入流量信號的檢測及運算，即通過在設備進口處收集流量數據，將流量數據傳輸至設備控制柜，由控制柜邏輯運算后，設備將自動根據流量變化調整輸出功率及P、I、D參數，以使設備溫度控制更為精確，真正實現設備智能化運行的目的。

參考文獻

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作者簡介：翟梓皓（1986—），男，廣東茂名人，工程師，2008年畢業于廣州航海學院海事管理專業，現主要從事海洋油氣田生產方面的研究管理工作。Email：zhaizh2@cnooc.com.cn

收稿日期：2024-07-16；修回日期：2024-09-26