电加热集输管道时控周期及能耗的研究*

孙英（辽河油田公司沈阳采油厂）

电加热集输管道时控周期及能耗的研究*

孙英（辽河油田公司沈阳采油厂）

电加热集输控制方式有温控电伴热与时控电伴热两种，目前现场采用温控电伴热——点控温的方法，通过温控器限定温度传感器处的最高温度和最低温度，从而控制电热带的加热时间和停止加热时间。此方法缺点是在温度控制器失灵时，可能造成电加热带停止加热或一直保持加热状态，造成管线阻塞或油温过高，电能损耗过大。针对这种集输状况，将电加热集输控制方式改为时控电伴热，通过确定时控周期，控制管道的加热状态。相对于点控温，时控温不但施工简便，而且节约了能耗，同时矿场试验也证明，时控电伴热具有显著的经济效益和良好的应用前景。

电加热集输 电伴热 时控周期 能耗

在沈阳油田外围区块，受地理位置、气油比、单井产量等因素的影响，为了确保低产低渗透油田得以有效动用，采用了树状电加热[1-4]集油工艺，但其控制方式采取的是末端温控器控制，运行中出现了故障率高和耗电量大的问题；为了降低故障率和节约能耗，将电加热集输控制方式由温控电伴热改为时控电伴热。

1 温控电伴热

温度传感器就是常说的温度探头，温度探头与管道捆绑，给施工带来不便，施工质量也影响测量温度的准确性。温度探头是一种敏感元件，很容易损坏，应特别注意探头的维护，一旦损坏，应及时更换，这增加了生产管理的维护费用和更换施工费用。探头的热敏元件容易受到环境干扰信号的影响，也与摆放位置有关；同时，探头的响应时间也影响测量温度的准确性，温度显示的延迟性使输出温度不是测试点的当前温度，通常会有一定的误差。管道流体的实际工作范围往往比温控器设定的范围宽，而实际生产中设定的温度上下限都很高，造成相当大的电能损耗。

2 时控电伴热

与温控工作方式相比，时控电伴热取消了温度传感器这一元件，电加热带直接与时控器相连，与电源组成回路。时控器事先设定好加热的时间段与停止加热的时间段，通过控制箱内接触器的闭合与断开，实现电加热带对管道的加热与停止加热。

时控电伴热在保证合理井口回压的条件下，通过设置一定的时间，能够及时接通和切断电源回路，起到及时加热和及时停止加热管道流体的目的，解决了温控方式中测量准确性和实时性受影响的弊端，可以大幅节约电能[5]。实际生产过程中，要严密监测端点井回压，不能超过井口回压的上限，预防生产事故的发生。

3 时控周期的确定

3.1 物理模型

设管内集输流体的热物性为比定压热容cp、密度ρ、导热系数λf、管径d0、管厚δg、保温层厚钢管和保温层的导热系数分别为钢管内壁传给流体的热量为Qw，钢管内壁与流体的表面传热系数为h，保温层外壁与大地的表面传热系数为h0，电阻丝传给管壁的热量为Q1，电热带传给保温层的热量为Q2，电热带在dx段管长内功率为dp，钢管内壁温度为t3，钢管外壁温度为t2，保温层外壁温度为t1，电加热集输管道周围接触土壤温度为t0，微元流体的平均温度为tm。电加热集输管道剖面见图1。

图1 电加热集输管道剖面图

取管长z处，dz的微元流体的电加热功率、管道内介质温度和大地温度场之间的关系如下式：

3.2 模型求解

以上建立的数学模型为常微分方程，用改进的欧拉法（预测-校正法）进行求解：

迭代过程进行到连续两次迭代结果之差的绝对值小于给定的精度，见式（3）、式（4），然后再转入下一步计算。

利用电加热集输的最基本关系式，如果在功率，流体进、出口温度，流速，含水率一定的条件下，可以求出相应的加热时间，结合苏霍夫温降公式[8-9]，即可求出停止加热时间，这样即可求出时控周期的加热时间及停止加热时间。

3.3 能耗计算

能耗包括抽油机能耗、井口加热器能耗和电伴热带能耗。

3.3.1 抽油机能耗

式中：

Ppump——抽油机井能量消耗，kWh/d；

Pin——抽油机井输入功率，W；

Pe——抽油机井有效功率，W；

η——抽油机井的系统效率，%；

k——修正因数，见表1；

s——抽油机使用冲程，m；

n——抽油机井实测冲速，min-1；

H——举升高度，m；

H1——泵挂深度，m；

ηej——抽油机排量因素，即抽油机泵效，%；

m——抽油机井的产液量，kg/s；

Hd——动液面深度，m；

Po——油压，Pa；

pt——套压，Pa；

ρ——产液密度，kg/m3。

表1 修正因数k值的确定

3.3.2 井口加热器能耗

式中：

Pjk——井口加热器的能量消耗，kWh/d；

t1——抽油机井井口出油温度，℃；

t2——井口加热器的设定温度，℃；

m——抽油机井的产液量，kg/s；

Cy——管道内介质的混合比热，J/(kg·℃)；

w0——管道内介质的含水率；

Cw——水的比热，J/(kg·℃)；

Co——油的比热，J/(kg·℃)；

t——油温，℃。

3.3.3 电热带能耗

式中：

Pp——集输管线的能量消耗，kWh/d；

h——电加热带额定功率，W/m；

L——集输管线的长度，m；

T——电加热的时控周期，h；

Tre——集输管线时控周期中的加热时间，h。

3.4 实例计算

以10号线为例，时控周期计算结果见表2。将10号线的时控电伴热能耗与温控电伴热能耗进行了对比，这里的能耗包括电热带能耗、抽油机能耗及井口加热器能耗，电价为0.614 6元/kWh，计算结果见表3。

表2 夏季10号线正常运行时控周期

表3 夏季10号线时控与温控能耗对比

同理，可以计算出该管线冬季的时控周期与总能耗。如果冬季和夏季各按6个月计算，夏季每天节电200.13 kWh，冬季每天节电566.22 kWh，10号线一年共节电13.79×104kWh。

4 矿场试验

根据矿场试验，当57#→60#平台与60#→62#平台2个电热带都加热时，电加热带平均耗电量为30 kWh/h；如果只有上游或下游加热，平均耗电15 kWh/h。根据矿场试验，在最保守条件下，每条支线上安装2个时控器，交替工作，控制2段管线，不影响油井生产。如果每条支线上每天节电360 kWh，1个月节可约10 800 kWh。区块共有14条支线，每年5月至9月可节约75.6×104kWh，按电价0.614 6元/kWh计算，一年节约46.5万元电费。

5 结论

1）与温控方式相比，时控电伴热取消了温度传感器这一元件，通过控制箱内的接触器，实现电加热带加热管道与停止加热管道。

2）理论计算和矿场试验表明，时控伴热比温控伴热具有更好的节电效果。

3）时控伴热较温控伴热便于施工，可以减少故障率，降低能耗，具有很好的应用前景。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.001

2014-11-20）

孙英，1992年毕业于辽河石油学校（采油工程专业），2009年毕业于中国石油大学（石油工程专业），从事节能管理工作，E-mail：starmq@163.com，地址：辽宁省盘锦市兴隆堡沈阳采油厂电力维修大队，110316。

国家自然科学基金项目“基于非平衡态热力学的含蜡原油管输过程蜡沉积机理研究”（51174042）部分研究内容。