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(xiàn)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(tài)，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(tài)。相對于點控溫，時控溫不但施工簡便，而且節(jié)約了能耗，同時礦場試驗也證明，時控電伴熱具有顯著的經(jīng)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(qū)塊，受地理位置、氣油比、單井產(chǎn)量等因素的影響，為了確保低產(chǎn)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(xiàn)了故障率高和耗電量大的問題；為了降低故障率和節(jié)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(zhì)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(chǎn)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(huán)境干擾信號的影響，也與擺放位置有關(guān)；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(shè)定的范圍寬，而實際生產(chǎn)中設(shè)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(shè)定好加熱的時間段與停止加熱的時間段，通過控制箱內(nèi)接觸器的閉合與斷開，實現(xiàn)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(shè)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(jié)約電能[5]。實際生產(chǎn)過程中，要嚴密監(jiān)測端點井回壓，不能超過井口回壓的上限，預防生產(chǎn)事故的發(fā)生。

3 時控周期的確定

3.1 物理模型

設(shè)管內(nèi)集輸流體的熱物性為比定壓熱容cp、密度ρ、導熱系數(shù)λf、管徑d0、管厚δg、保溫層厚鋼管和保溫層的導熱系數(shù)分別為鋼管內(nèi)壁傳給流體的熱量為Qw，鋼管內(nèi)壁與流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，保溫層外壁與大地的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)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(nèi)功率為dp，鋼管內(nèi)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(nèi)介質(zhì)溫度和大地溫度場之間的關(guān)系如下式：

3.2 模型求解

以上建立的數(shù)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(xù)兩次迭代結(jié)果之差的絕對值小于給定的精度，見式（3）、式（4），然后再轉(zhuǎn)入下一步計算。

利用電加熱集輸?shù)淖罨娟P(guān)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(jié)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(tǒng)效率，%；

k——修正因數(shù)，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(chǎn)液量，kg/s；

Hd——動液面深度，m；

Po——油壓，Pa；

pt——套壓，Pa；

ρ——產(chǎn)液密度，kg/m3。

表1 修正因數(shù)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(shè)定溫度，℃；

m——抽油機井的產(chǎn)液量，kg/s；

Cy——管道內(nèi)介質(zhì)的混合比熱，J/(kg·℃)；

w0——管道內(nèi)介質(zhì)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(jié)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(jié)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(jié)電200.13 kWh，冬季每天節(jié)電566.22 kWh，10號線一年共節(jié)電13.79×104kWh。

4 礦場試驗

根據(jù)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(jù)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(chǎn)。如果每條支線上每天節(jié)電360 kWh，1個月節(jié)可約10 800 kWh。區(qū)塊共有14條支線，每年5月至9月可節(jié)約75.6×104kWh，按電價0.614 6元/kWh計算，一年節(jié)約46.5萬元電費。

5 結(jié)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(nèi)的接觸器，實現(xiàn)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(jié)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(yè)于遼河石油學校（采油工程專業(yè)），2009年畢業(yè)于中國石油大學（石油工程專業(yè)），從事節(jié)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(tài)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(nèi)容。