原油井口電加熱器出口溫度控制探討

趙才先

（中國石油工程建設有限公司 北京設計分公司，北京 100086）

0 引言

原油通過抽油機或者電潛泵從井下開采出來之后，通過集輸管線輸送到接轉站或者混輸泵站實現原油的匯聚和轉輸。從井口到站場的集輸管線采用埋地敷設方式，通常地溫溫度都低于原油溫度，因此原油在輸送過程中存在著溫度向管道周圍擴散的現象，通過工藝模擬計算，在集輸管線末端原油溫度可能會低于其自身的凝點溫度，導致原油在管道內凝結堵塞集輸管道，給生產和運維帶來較高的風險。因此，需要在井口設置電加熱器，以提高井口原油溫度，避免管道堵塞。電加熱器出口溫度過高，雖然避免了凝管，但造成過多的電能消耗，降低了油田的經濟效益，而溫度過低則會導致原油凝管。因此，電加熱器出口溫度的控制顯得尤為重要。本文通過對某項目常用的電加熱器結構進行分析，探討兩種溫度控制方案。

1 電加熱器結構介紹[1]

電加熱器的殼體內排布有電加熱棒，電加熱棒的數量根據工藝核算的電加熱器功率來確定，通常設置6 組或更多。電加熱棒需要浸沒在導熱油里面，以防止電加熱棒表面溫度過高使原油結焦，降低電加熱器的使用性能。導熱油加熱之后會發生膨脹，為防止導熱油脹裂加熱管路，需要在電加熱器上部設置一個導熱油膨脹罐。另一方面，便于后期導熱油的更換。

圖1 電加熱器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of electric heater

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

原油井口的介質通常為油、氣、水三相混合介質。當井口混合介質進入電加熱器之后，由于比重不同，電加熱器內介質會出現分層現象，尤其是氣體會聚集在電加熱器上部，而氣體的導熱系數和油水混合物的導熱系數差別比較大。當上部氣體溫度升高到設定溫度時，下部油水混合物的溫度已經超過了溫度設定值，而原油溫度過高，輕烴類的氣體又會從原油中析出，進一步加劇電加熱器內部上下的溫度差。因此，電加熱器通常設置為底進上出，并且進出口交錯排布，使介質進入電加熱器后盡量混合均勻，避免發生分層，電加熱器的結構示意圖如圖1 所示。

通常在電加熱器入口和出口設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）變送器主要做監視用。出口設置2 個溫度檢測點，一個用于出口溫度的控制（TIT NO.B），另一個用于出口溫度的報警聯鎖（TIT NO.C），出口壓力變送器（PIT NO.B）用于出口壓力的檢測和報警。對于電加熱器出口溫度的控制有兩種方式實現，一種為階梯式控制方式，另一種為連續控制方式。

2 階梯式溫度控制方式

如前所述，電加熱器內有6 組或以上電加熱棒，每組電加熱棒內布有發熱元件，利用電流的焦耳效應把電能轉化為熱能，通過導熱油把熱能傳導到油水混合物介質中，提高介質溫度。通常加載在電加熱棒上的電壓為380VAC，發熱元件電阻值為恒定值，從而加載在發熱元件上的電流也為恒定值。當入口介質溫度發生變化時，需要通過調整通電電加熱棒的數量來穩定出口溫度。比如入口介質溫度升高，出口介質溫度也會升高，此時需要停掉一部分電加熱棒，減少發熱量，把出口溫度降下來。為了避免出口溫度波動較大，需要單獨控制每組電加熱棒的通斷，組數越多控制越平滑。

以上控制都是由電加熱器自帶的控制盤自動完成，控制盤內設有PLC 控制器，實時采集電加熱器出口溫度變送器（TIT NO.C）4mA ～20mA 連續信號，在PLC 內部轉換為對應的溫度值并與預先設定的溫度值進行比較。如果測量值高于溫度值，則PLC 輸出一個DO 觸點信號到電氣配電盤內，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DO 觸點信號，斷開第二組電加熱棒，直到溫度降到設定值，通常有幾組電加熱棒PLC 就需要設置幾個DO 輸出點。如果電加熱器出口溫度低于設定值，則逐個加載電加熱棒供電回路，達到溫度設定值，其控制邏輯如圖2 所示。

3 連續溫度控制方式

隨著大功率電子器件的廣泛應用，可控硅（SCR）[3,4]被應用到了電加熱器的調溫系統中。可控硅具有體積小、效率高、壽命長等優點，可實現小功率控件控制大功率設備的優良性能。通過控制可控硅的導通角，可實現電加熱器的連續調功，使溫度調節實現平滑調節[2]。

由于溫度檢測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，再加上井口來液溫度的波動和含氣量的不確定性等干擾因素，如果用普通的PLC 控制器進行控制，即使在一定時期內控制器的P、I、D 參數整定完成，工況一變化就需要調整控制的整定參數，這在油田現場是不可行的。因此，需要采用專用的溫度控制器，此控制器在工況發生變化時，可自動對控制器參數進行整定，以適應新的工況。

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

另一方面，根據工程實踐，當入口來油介質中含氣量較大時，電加熱器殼體內仍然會存在分層現象，導致上層電加熱棒溫度過高，電加熱器內部溫度場不均衡。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溫元件（TIT NO.D,TIT NO.E, TIT NO.F），用于實施檢測每層電加熱棒的表面溫度。當某一層的電加熱棒溫度超過設定值，則直接斷開相應電加熱棒的供電回路，以保護電加熱棒。此功能可以用常規的PLC 控制器來實現，并且PLC 控制器可以采集撬內的所有信息，通過RS485 或者TCP/IP 上傳到更高一級的控制系統，實現電加熱器撬的遠程監視，同時PLC 也可以接受上一級系統來的遠程啟停命令，實現電加熱器撬的遠程啟停。圖3 為連續溫度控制方式邏輯圖。

4 結束語

本文對電加熱器的兩種控制方式進行討論。其中，階梯式控制方式邏輯簡單，易于實現。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，并且電加熱棒的頻繁起跳容易對整個油田電網造成影響，在可控硅應用之前是一種主要的控制方式。現階段主要采用專用溫度控制器加可控硅的方式進行溫度控制，可以實現較好的出口溫度控制，再加上PLC 的監視和控制有效地延長了電加熱器的使用時間。