井場內(nèi)穿式輸油管線數(shù)字化加熱系統(tǒng)研究及應(yīng)用

高寶元，孫學(xué)萌，趙鵬

(1. 中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018；2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；3. 中國石油集團(tuán) 川慶鉆探工程公司，陜西 西安 710018)

目前，長慶油田井場原油需要先加熱到一定溫度后，才能通過輸油管線向外輸送，加熱方式通過井場燃燒伴生氣加熱爐或燃煤加熱爐實(shí)現(xiàn)[1]。然而大部分井場已經(jīng)沒有伴生氣了，燃?xì)饧訜釥t已停用，燃煤加熱爐又污染環(huán)境，不符合地方環(huán)保要求。這兩種加熱方法成本高，加熱效果差，污染環(huán)境，輸油管線在輸送過程中不能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控；輸油管線外需采用伴熱帶加熱，伴熱帶熱效率低，且埋地管道損壞后維修困難，經(jīng)常需要?jiǎng)哟罅客练絒2]。

因此，亟需開展井場內(nèi)穿式輸油管線數(shù)字化加熱系統(tǒng)研究，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃?xì)饧訜釥t、燃煤加熱爐給原油加熱的方式及輸油管道伴熱帶加熱方式，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

1 井場內(nèi)穿式輸油管線數(shù)字化加熱系統(tǒng)構(gòu)成

井場內(nèi)穿式輸油管線數(shù)字化加熱系統(tǒng)，主要由變頻控制器、數(shù)字化控制器和內(nèi)穿式輸油管線加熱系統(tǒng)三部分組成[4]，如圖1所示。

圖1 井場內(nèi)穿式輸油管線數(shù)字化加熱系統(tǒng)組成示意

1.1 變頻控制器

變頻控制器主要由功率驅(qū)動(dòng)單元和供電控制單元組成，采用先進(jìn)的加熱技術(shù)和分檔位節(jié)能控制的方法，與傳統(tǒng)電阻式加熱器相比可節(jié)能30%左右。功率驅(qū)動(dòng)單元。功率驅(qū)動(dòng)單元與加熱電纜是設(shè)備能量轉(zhuǎn)換關(guān)鍵部分，功率驅(qū)動(dòng)單元采用變頻器控制不同功率加熱電纜進(jìn)行工作，弱電控制強(qiáng)電，軟啟動(dòng)，軟關(guān)斷，運(yùn)行平穩(wěn)，功率可根據(jù)環(huán)境溫度變化采用檔位控制。供電控制單元。由整流電路將50 Hz/60 Hz的交流電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓，再經(jīng)過功率逆變控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為20～40 kHz的高頻交流電壓，當(dāng)高頻變化的交流電流通過加熱電纜時(shí)，加熱電纜會(huì)產(chǎn)生高速變化的磁場，磁場內(nèi)的交變磁力線通過導(dǎo)磁又導(dǎo)電的大塊金屬時(shí)，金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使大塊金屬本身自行發(fā)熱，然后通過大塊金屬散發(fā)熱量來完成給所需物體加熱[5]。

該變頻控制器設(shè)置有多種保護(hù)功能，包括： 原油溫度保護(hù)、漏電保護(hù)功能和短路保護(hù)功能。

原油溫度保護(hù)： 加熱原油設(shè)有鉑熱電阻溫度傳感器，用于測量、監(jiān)控加熱溫度，并輸出溫度信號(hào)至變頻控制器，由溫控系統(tǒng)控制內(nèi)穿式輸油管線加熱系統(tǒng)的運(yùn)行情況，從而控制加熱溫度。當(dāng)加熱原油溫度低于設(shè)定值時(shí)，該加熱系統(tǒng)啟動(dòng)；高于設(shè)定溫度值時(shí)，該加熱系統(tǒng)自動(dòng)停止加熱或降低輸出功率加熱。漏電保護(hù)功能： 當(dāng)加熱電纜某一點(diǎn)發(fā)生漏電故障時(shí)，漏電電流大于或等于斷路器漏電設(shè)定值時(shí)，主漏電斷路器保護(hù)動(dòng)作切斷控制柜電源，從而防止故障擴(kuò)大化。短路保護(hù)功能： 當(dāng)加熱電纜某一點(diǎn)發(fā)生短路故障，其短路電流大于25 kA時(shí)，斷路器瞬時(shí)保護(hù)跳閘[6]。

1.2 數(shù)字化控制器

數(shù)字化控制器根據(jù)檢測到的輸油管線首末端溫度、井口回壓、電流、電源狀態(tài)等數(shù)據(jù)智能控制加熱，使加熱系統(tǒng)始終處在最佳節(jié)能狀態(tài)，保證輸油管線內(nèi)原油溫度和井口回壓自動(dòng)運(yùn)行在設(shè)定范圍內(nèi)，當(dāng)高于上限報(bào)警溫度或高于輸油管線壓力時(shí)自動(dòng)控制輸出功率停止加熱。該控制器還提供全部數(shù)據(jù)的Modbus通信協(xié)議，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控[7]。

1.3 內(nèi)穿式輸油管線加熱系統(tǒng)

內(nèi)穿式輸油管線加熱系統(tǒng)采用加熱電纜變頻感應(yīng)加熱，變頻電源給輸油管線內(nèi)穿加熱電纜施加變頻電流，并經(jīng)輸油管線金屬管壁形成加熱回路。結(jié)構(gòu)上形成超長感應(yīng)線圈，使輸油管線感應(yīng)發(fā)熱，大幅降低了輸送液阻力。由于發(fā)熱源來自輸油管線和輸油管線內(nèi)部，相較外敷伴熱節(jié)能不小于15%，因此電纜加熱效率要比電加熱管效率高[8]。

加熱電纜直徑為6 mm，材質(zhì)為硅膠。該硅膠加熱電纜從內(nèi)至外依次設(shè)置有純銅線芯、內(nèi)層特氟龍層、金屬屏蔽層和特氟龍外層，加熱時(shí)間長、受熱均勻、熱量利用率高。

2 加熱方法

該輸油管線數(shù)字化加熱系統(tǒng)加熱步驟如下：

1)加熱電纜安裝。先停止抽油機(jī)工作，在井口輸油管線處和輸油管線加熱距離末端處再安裝1個(gè)法蘭，在井口輸油管線法蘭處插入加熱電纜并沿著輸油管線至加熱距離末端法蘭處穿出，并和輸油管線進(jìn)行短接后，再開啟抽油機(jī)工作。

2)開始加熱工作。當(dāng)步驟1)完成后，按送電操作規(guī)程要求確認(rèn)安全后，將主電源空氣開關(guān)合閘；觀察變頻控制器和數(shù)字化控制器是否正常，有無異常動(dòng)作；變頻控制器開始工作，加熱電纜開始加熱，設(shè)定加熱溫度。當(dāng)溫度升高到設(shè)計(jì)值上線時(shí)變頻控制器自動(dòng)停機(jī)，溫度降低至設(shè)計(jì)值下線時(shí)變頻器自動(dòng)開機(jī)。開機(jī)20 min可使輸油管線管溫達(dá)到50 ℃以上，熱效率高達(dá)98%以上。

3)數(shù)據(jù)獲取。當(dāng)步驟2)完成后，監(jiān)控室通過現(xiàn)場數(shù)字化控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并設(shè)置現(xiàn)場實(shí)時(shí)低溫、高溫和井口回壓報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)無人值守。

4)停止加熱。當(dāng)井場內(nèi)穿式輸油管線數(shù)字化加熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障后或不需要加熱時(shí)，就地或數(shù)字化遠(yuǎn)程控制加熱工作停止。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

該輸油管線數(shù)字化加熱系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

1)具有防凍抗凝效果。整根輸油管線內(nèi)穿電纜可以實(shí)現(xiàn)防凍抗凝效果，即使停產(chǎn)也不影響該加熱系統(tǒng)工作，或在投產(chǎn)前一定時(shí)間開啟系統(tǒng)即可，避免了輸油管線凝堵問題。

2)加熱升溫快，熱效率高。高頻型內(nèi)穿式輸油管線加熱系統(tǒng)可以在50～200 m內(nèi)實(shí)現(xiàn)20 kW的加熱功率，可以代替井口電加熱器實(shí)現(xiàn)原油加熱升溫。

3)防結(jié)蠟。輸油管線自身發(fā)熱，不易結(jié)蠟，而交變電磁場作用于油水也有防止石蠟與水垢結(jié)晶析出的作用。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

自主研發(fā)的內(nèi)穿式輸油管線數(shù)字化加熱系統(tǒng)，自2021年8月在某采油廠作業(yè)區(qū)2個(gè)井場進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用， 該加熱系統(tǒng)可代替現(xiàn)有的燃?xì)饧訜釥t、燃煤加熱爐、伴熱帶和各種電熱管加熱原油的方式，實(shí)現(xiàn)了無熱源單向內(nèi)加熱，熱效率高，安全、環(huán)保、節(jié)能，全面解決了傳統(tǒng)加熱效率低、易損壞、維修困難的缺點(diǎn)，同時(shí)能數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控輸油管線原油的溫度和井口回壓[9]。

5 結(jié)束語

內(nèi)穿式輸油管線數(shù)字化加熱系統(tǒng)是繼輸油管線電加熱器、輸油管線電伴熱、輸油管線集膚加熱系統(tǒng)之后開發(fā)的新型節(jié)能設(shè)備。相比之前的輸油管線加熱設(shè)備，能耗進(jìn)一步降低，解決了現(xiàn)有輸油管線加熱維溫設(shè)備能耗大、故障率高等不足，增強(qiáng)了穩(wěn)定性[10]。該加熱系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：

1)高效節(jié)能。該加熱系統(tǒng)本身不會(huì)產(chǎn)生熱量，使用壽命長，由于發(fā)熱源來自輸油管線內(nèi)部，相較于外敷伴熱節(jié)能不小于15%。

2)安裝簡單。埋地管線改造不用破土即可安裝，柔性內(nèi)穿電纜降低了施工難度。

3)阻力小。輸油管線(或?qū)Ь€)作為發(fā)熱體，降低了輸送與管壁之間的摩阻，即便輸送原油低于凝點(diǎn)溫度也可以達(dá)到非常好的流動(dòng)性。

4)操作方便。加熱電纜安裝后接通電源即可，當(dāng)溫度升高到設(shè)定上限溫度時(shí)該加熱系統(tǒng)自動(dòng)停止加熱；當(dāng)溫度降低到設(shè)定下限溫度時(shí)該加熱系統(tǒng)自動(dòng)開始加熱。

5)調(diào)控性好。預(yù)設(shè)工作溫度，自動(dòng)控溫，具有多個(gè)溫度探頭進(jìn)行控制，當(dāng)溫度上升超過100 ℃時(shí)數(shù)字化控制器自動(dòng)鎖定保護(hù)，不再繼續(xù)加熱。該加熱系統(tǒng)根據(jù)原油溫度、井口回壓智能控制加熱，實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行。