電加熱集輸管道時(shí)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(shí)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(shí)控電伴熱兩種，目前現(xiàn)場(chǎng)采用溫控電伴熱——點(diǎn)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(shí)間和停止加熱時(shí)間。此方法缺點(diǎn)是在溫度控制器失靈時(shí)，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(duì)這種集輸狀況，將電加熱集輸控制方式改為時(shí)控電伴熱，通過確定時(shí)控周期，控制管道的加熱狀態(tài)。相對(duì)于點(diǎn)控溫，時(shí)控溫不但施工簡便，而且節(jié)約了能耗，同時(shí)礦場(chǎng)試驗(yàn)也證明，時(shí)控電伴熱具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的應(yīng)用前景。

電加熱集輸 電伴熱 時(shí)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(dòng)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(yùn)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(shí)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(cè)量溫度的準(zhǔn)確性。溫度探頭是一種敏感元件，很容易損壞，應(yīng)特別注意探頭的維護(hù)，一旦損壞，應(yīng)及時(shí)更換，這增加了生產(chǎn)管理的維護(hù)費(fèi)用和更換施工費(fèi)用。探頭的熱敏元件容易受到環(huán)境干擾信號(hào)的影響，也與擺放位置有關(guān)；同時(shí)，探頭的響應(yīng)時(shí)間也影響測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，溫度顯示的延遲性使輸出溫度不是測(cè)試點(diǎn)的當(dāng)前溫度，通常會(huì)有一定的誤差。管道流體的實(shí)際工作范圍往往比溫控器設(shè)定的范圍寬，而實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)定的溫度上下限都很高，造成相當(dāng)大的電能損耗。

2 時(shí)控電伴熱

與溫控工作方式相比，時(shí)控電伴熱取消了溫度傳感器這一元件，電加熱帶直接與時(shí)控器相連，與電源組成回路。時(shí)控器事先設(shè)定好加熱的時(shí)間段與停止加熱的時(shí)間段，通過控制箱內(nèi)接觸器的閉合與斷開，實(shí)現(xiàn)電加熱帶對(duì)管道的加熱與停止加熱。

時(shí)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(shí)間，能夠及時(shí)接通和切斷電源回路，起到及時(shí)加熱和及時(shí)停止加熱管道流體的目的，解決了溫控方式中測(cè)量準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性受影響的弊端，可以大幅節(jié)約電能[5]。實(shí)際生產(chǎn)過程中，要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)端點(diǎn)井回壓，不能超過井口回壓的上限，預(yù)防生產(chǎn)事故的發(fā)生。

3 時(shí)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(dǎo)熱系數(shù)λf、管徑d0、管厚δg、保溫層厚鋼管和保溫層的導(dǎo)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(chǎng)之間的關(guān)系如下式：

3.2 模型求解

以上建立的數(shù)學(xué)模型為常微分方程，用改進(jìn)的歐拉法（預(yù)測(cè)-校正法）進(jìn)行求解：

迭代過程進(jìn)行到連續(xù)兩次迭代結(jié)果之差的絕對(duì)值小于給定的精度，見式（3）、式（4），然后再轉(zhuǎn)入下一步計(jì)算。

利用電加熱集輸?shù)淖罨娟P(guān)系式，如果在功率，流體進(jìn)、出口溫度，流速，含水率一定的條件下，可以求出相應(yīng)的加熱時(shí)間，結(jié)合蘇霍夫溫降公式[8-9]，即可求出停止加熱時(shí)間，這樣即可求出時(shí)控周期的加熱時(shí)間及停止加熱時(shí)間。

3.3 能耗計(jì)算

能耗包括抽油機(jī)能耗、井口加熱器能耗和電伴熱帶能耗。

3.3.1 抽油機(jī)能耗

式中：

Ppump——抽油機(jī)井能量消耗，kWh/d；

Pin——抽油機(jī)井輸入功率，W；

Pe——抽油機(jī)井有效功率，W；

η——抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率，%；

k——修正因數(shù)，見表1；

s——抽油機(jī)使用沖程，m；

n——抽油機(jī)井實(shí)測(cè)沖速，min-1；

H——舉升高度，m；

H1——泵掛深度，m；

ηej——抽油機(jī)排量因素，即抽油機(jī)泵效，%；

m——抽油機(jī)井的產(chǎn)液量，kg/s；

Hd——?jiǎng)右好嫔疃?，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(jī)井井口出油溫度，℃；

t2——井口加熱器的設(shè)定溫度，℃；

m——抽油機(jī)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(shí)控周期，h；

Tre——集輸管線時(shí)控周期中的加熱時(shí)間，h。

3.4 實(shí)例計(jì)算

以10號(hào)線為例，時(shí)控周期計(jì)算結(jié)果見表2。將10號(hào)線的時(shí)控電伴熱能耗與溫控電伴熱能耗進(jìn)行了對(duì)比，這里的能耗包括電熱帶能耗、抽油機(jī)能耗及井口加熱器能耗，電價(jià)為0.614 6元/kWh，計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 夏季10號(hào)線正常運(yùn)行時(shí)控周期

表3 夏季10號(hào)線時(shí)控與溫控能耗對(duì)比

同理，可以計(jì)算出該管線冬季的時(shí)控周期與總能耗。如果冬季和夏季各按6個(gè)月計(jì)算，夏季每天節(jié)電200.13 kWh，冬季每天節(jié)電566.22 kWh，10號(hào)線一年共節(jié)電13.79×104kWh。

4 礦場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)礦場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)57#→60#平臺(tái)與60#→62#平臺(tái)2個(gè)電熱帶都加熱時(shí)，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(chǎng)試驗(yàn)，在最保守條件下，每條支線上安裝2個(gè)時(shí)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(gè)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(jià)0.614 6元/kWh計(jì)算，一年節(jié)約46.5萬元電費(fèi)。

5 結(jié)論

1）與溫控方式相比，時(shí)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(shí)現(xiàn)電加熱帶加熱管道與停止加熱管道。

2）理論計(jì)算和礦場(chǎng)試驗(yàn)表明，時(shí)控伴熱比溫控伴熱具有更好的節(jié)電效果。

3）時(shí)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(yīng)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(xué)校（采油工程專業(yè)），2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（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(duì)，110316。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于非平衡態(tài)熱力學(xué)的含蠟原油管輸過程蠟沉積機(jī)理研究”（51174042）部分研究內(nèi)容。