原油井口电加热器出口温度控制探讨

赵才先

（中国石油工程建设有限公司 北京设计分公司，北京 100086）

0 引言

原油通过抽油机或者电潜泵从井下开采出来之后，通过集输管线输送到接转站或者混输泵站实现原油的汇聚和转输。从井口到站场的集输管线采用埋地敷设方式，通常地温温度都低于原油温度，因此原油在输送过程中存在着温度向管道周围扩散的现象，通过工艺模拟计算，在集输管线末端原油温度可能会低于其自身的凝点温度，导致原油在管道内凝结堵塞集输管道，给生产和运维带来较高的风险。因此，需要在井口设置电加热器，以提高井口原油温度，避免管道堵塞。电加热器出口温度过高，虽然避免了凝管，但造成过多的电能消耗，降低了油田的经济效益，而温度过低则会导致原油凝管。因此，电加热器出口温度的控制显得尤为重要。本文通过对某项目常用的电加热器结构进行分析，探讨两种温度控制方案。

1 电加热器结构介绍[1]

电加热器的壳体内排布有电加热棒，电加热棒的数量根据工艺核算的电加热器功率来确定，通常设置6 组或更多。电加热棒需要浸没在导热油里面，以防止电加热棒表面温度过高使原油结焦，降低电加热器的使用性能。导热油加热之后会发生膨胀，为防止导热油胀裂加热管路，需要在电加热器上部设置一个导热油膨胀罐。另一方面，便于后期导热油的更换。

图1 电加热器结构示意图Fig.1 Structure diagram of electric heater

图2 阶梯式控制逻辑图Fig.2 Ladder control logic diagram

原油井口的介质通常为油、气、水三相混合介质。当井口混合介质进入电加热器之后，由于比重不同，电加热器内介质会出现分层现象，尤其是气体会聚集在电加热器上部，而气体的导热系数和油水混合物的导热系数差别比较大。当上部气体温度升高到设定温度时，下部油水混合物的温度已经超过了温度设定值，而原油温度过高，轻烃类的气体又会从原油中析出，进一步加剧电加热器内部上下的温度差。因此，电加热器通常设置为底进上出，并且进出口交错排布，使介质进入电加热器后尽量混合均匀，避免发生分层，电加热器的结构示意图如图1 所示。

通常在电加热器入口和出口设置温度和压力变送器，入口的温度（TIT NO.A）变送器和压力（PIT NO.A）变送器主要做监视用。出口设置2 个温度检测点，一个用于出口温度的控制（TIT NO.B），另一个用于出口温度的报警联锁（TIT NO.C），出口压力变送器（PIT NO.B）用于出口压力的检测和报警。对于电加热器出口温度的控制有两种方式实现，一种为阶梯式控制方式，另一种为连续控制方式。

2 阶梯式温度控制方式

如前所述，电加热器内有6 组或以上电加热棒，每组电加热棒内布有发热元件，利用电流的焦耳效应把电能转化为热能，通过导热油把热能传导到油水混合物介质中，提高介质温度。通常加载在电加热棒上的电压为380VAC，发热元件电阻值为恒定值，从而加载在发热元件上的电流也为恒定值。当入口介质温度发生变化时，需要通过调整通电电加热棒的数量来稳定出口温度。比如入口介质温度升高，出口介质温度也会升高，此时需要停掉一部分电加热棒，减少发热量，把出口温度降下来。为了避免出口温度波动较大，需要单独控制每组电加热棒的通断，组数越多控制越平滑。

以上控制都是由电加热器自带的控制盘自动完成，控制盘内设有PLC 控制器，实时采集电加热器出口温度变送器（TIT NO.C）4mA ～20mA 连续信号，在PLC 内部转换为对应的温度值并与预先设定的温度值进行比较。如果测量值高于温度值，则PLC 输出一个DO 触点信号到电气配电盘内，断开一组电加热棒的供电回路；如果出口温度仍然在升高，则PLC 输出另一个DO 触点信号，断开第二组电加热棒，直到温度降到设定值，通常有几组电加热棒PLC 就需要设置几个DO 输出点。如果电加热器出口温度低于设定值，则逐个加载电加热棒供电回路，达到温度设定值，其控制逻辑如图2 所示。

3 连续温度控制方式

随着大功率电子器件的广泛应用，可控硅（SCR）[3,4]被应用到了电加热器的调温系统中。可控硅具有体积小、效率高、寿命长等优点，可实现小功率控件控制大功率设备的优良性能。通过控制可控硅的导通角，可实现电加热器的连续调功，使温度调节实现平滑调节[2]。

由于温度检测本身存在不均匀性和滞后性，温度的PID 控制本身存在一定的难度，再加上井口来液温度的波动和含气量的不确定性等干扰因素，如果用普通的PLC 控制器进行控制，即使在一定时期内控制器的P、I、D 参数整定完成，工况一变化就需要调整控制的整定参数，这在油田现场是不可行的。因此，需要采用专用的温度控制器，此控制器在工况发生变化时，可自动对控制器参数进行整定，以适应新的工况。

图3 连续温度控制方式逻辑图Fig.3 Logic diagram of continuous temperature control mode

另一方面，根据工程实践，当入口来油介质中含气量较大时，电加热器壳体内仍然会存在分层现象，导致上层电加热棒温度过高，电加热器内部温度场不均衡。因此，在上层电加热棒、中层电加热棒和下层电加热棒上面，分别安装了热电偶测温元件（TIT NO.D,TIT NO.E, TIT NO.F），用于实施检测每层电加热棒的表面温度。当某一层的电加热棒温度超过设定值，则直接断开相应电加热棒的供电回路，以保护电加热棒。此功能可以用常规的PLC 控制器来实现，并且PLC 控制器可以采集撬内的所有信息，通过RS485 或者TCP/IP 上传到更高一级的控制系统，实现电加热器撬的远程监视，同时PLC 也可以接受上一级系统来的远程启停命令，实现电加热器撬的远程启停。图3 为连续温度控制方式逻辑图。

4 结束语

本文对电加热器的两种控制方式进行讨论。其中，阶梯式控制方式逻辑简单，易于实现。但出口温度控制精度比较差，只能控制在一定的温度范围内，并且电加热棒的频繁起跳容易对整个油田电网造成影响，在可控硅应用之前是一种主要的控制方式。现阶段主要采用专用温度控制器加可控硅的方式进行温度控制，可以实现较好的出口温度控制，再加上PLC 的监视和控制有效地延长了电加热器的使用时间。