港口原油管道電伴熱自動控制系統(tǒng)設(shè)計

張恩科，張福軍，馬瑞民，韓進(jìn)東，姚凱，晁明哲

(1. 營口港務(wù)股份有限公司 第四分公司，遼寧 營口 115007；2. 中國石油天然氣股份有限公司 東北銷售營口分公司，遼寧 營口 115007；3. 中國石油海洋工程有限公司 鉆井事業(yè)部，天津 300280)

能源安全事關(guān)國家戰(zhàn)略，油品的戰(zhàn)略儲備是各國都重視的問題。近些年，隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷增長，原油進(jìn)口依存度也增長到約50%。伴隨著綜合國力的增強，國內(nèi)原油進(jìn)口量也隨之增加，中國有可能成為世界第一大原油進(jìn)口國，從而加大了沿海各港口油品儲運設(shè)施的建設(shè)。由于港口碼頭與后方儲罐區(qū)距離較遠(yuǎn)，因而管道是船岸連接的動脈。根據(jù)原油的特性，北方港口的原油管道大部分都需要進(jìn)行保溫伴熱，防止管道凝堵。

1 原油管道電伴熱自動控制系統(tǒng)概述

1.1 管道伴熱的發(fā)展情況

油品管道早期主要是用熱水和蒸汽進(jìn)行伴熱保溫。根據(jù)管道直徑和輸送距離的長短，選用粗細(xì)不等的鋼管捆綁在原油管道上，通過熱水和蒸汽對管道進(jìn)行保溫伴熱。傳統(tǒng)的熱水和蒸汽伴熱，熱效率低，會出現(xiàn)“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，存在維修工作量大、浪費能源、破壞環(huán)境等缺點。

電伴熱是利用電伴熱產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量，補償伴熱管道等工藝裝置損失的熱量，使相應(yīng)的介質(zhì)溫度維持在合理的范圍內(nèi)，以滿足工藝要求。電伴熱可直接將電能轉(zhuǎn)換為熱能，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便等特點，廣泛應(yīng)用在石油化工管道保溫伴熱上。

1.2 管道電伴熱系統(tǒng)的現(xiàn)狀

電伴熱系統(tǒng)初期都是由生產(chǎn)廠家根據(jù)企業(yè)需求，對需要保溫伴熱的管道選擇伴熱形式、確定控制回路數(shù)量，在現(xiàn)場增加控制箱，通過每個控制箱對溫控器進(jìn)行控制。由于溫度調(diào)節(jié)時需要對每個控制箱進(jìn)行溫度參數(shù)設(shè)置，溫度調(diào)節(jié)的工程量及巡視的工作量較大，無法及時發(fā)現(xiàn)并解決出現(xiàn)的問題。

隨著港口碼頭控制水平的提高，部分港口引入了監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)，對電伴熱控制系統(tǒng)實現(xiàn)了集中控制和監(jiān)視，大幅提高了港口碼頭的自動化管理水平。

2 原油管道電伴熱系統(tǒng)選型

2.1 電伴熱系統(tǒng)電伴熱帶的分類

電伴熱帶是安裝在管道絕熱層和外壁之間，利用電熱補充輸送、存儲過程中所損失的熱量，使輸送管道維持在一定溫度范圍內(nèi)，達(dá)到加熱、保溫和防凍的目的。根據(jù)電伴熱帶的控制方式，可分為以下兩類：

1) 恒功率電熱帶。由金屬絲或?qū)Ｓ锰祭w維束串聯(lián)或并聯(lián)，再與導(dǎo)電線芯及絕緣材料結(jié)合制成，由于其輸出功率恒定，溫度積累必須采取通、斷電控溫。

2) 自控溫電熱帶。由導(dǎo)電聚合物和2條平行金屬導(dǎo)線及絕緣層構(gòu)成，導(dǎo)電聚合物具有較高的電阻正溫度系數(shù)特性且相互并聯(lián)，能隨被加熱體的溫度變化自動調(diào)節(jié)輸出功率，自動限制加熱溫度。

2.2 原油管道電伴熱系統(tǒng)的伴熱計算

1) 工藝參數(shù)。工藝參數(shù)主要有： 管道參數(shù)、天氣參數(shù)、控制溫度。

a) 管道參數(shù)。某原油管道總長度約4.2 km；管徑為φ508 mm；管道材質(zhì)為L245；保溫材料選用超細(xì)玻璃棉管殼，在保溫材料厚度為80 mm時，容重為60 kg/m3。

b) 天氣參數(shù)。平均最大風(fēng)速： 27.5 m/s；冬季最低溫度： -25 ℃。

c) 控制溫度。管道伴熱溫度： 60 ℃。

2) 管道散熱量的計算。根據(jù)確定的工藝參數(shù)，通過式(1)進(jìn)行管道熱損失的計算：

(1)

式中：qT——管道實際散熱損失，W/m；t1——介質(zhì)維持溫度，℃；t2——冬季最低溫度，℃；d——管道外徑，m；δ——保溫層厚度，m；λ——介質(zhì)維持溫度時保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。將工藝參數(shù)代入式(1)中，計算出該原油管道的電伴熱系統(tǒng)補償熱損失約為72.0 W/m。

另外，考慮到管道材質(zhì)的導(dǎo)熱修正系數(shù)、保溫材料的導(dǎo)熱修正系數(shù)、環(huán)境條件的風(fēng)速修正系數(shù)、管托及其他附件的熱損失修正系數(shù)，該原油管道的實際散熱損失約為87.5 W/m。

2.3 電伴熱系統(tǒng)電伴熱帶配置選型

根據(jù)電伴熱保溫系統(tǒng)計算出的管道熱損失，用一定規(guī)格、數(shù)量的電伴熱產(chǎn)品所產(chǎn)生的等值熱量進(jìn)行替代補償；通過原油管道的參數(shù)、工藝運行情況、管道現(xiàn)場實際的鋪設(shè)形式，并結(jié)合恒功率電伴熱帶的特性，電伴熱帶配置選型如下：

1) 并聯(lián)恒功率電伴熱帶。該電伴熱帶適用于管道距離短、工藝管道支線多的場合，為滿足該次原油管道的伴熱需求，罐區(qū)主管網(wǎng)鋪設(shè)了6條電伴熱帶；分支管網(wǎng)鋪設(shè)了4條伴電熱帶；泵房機泵出入口管線鋪設(shè)了2條電伴熱帶；碼頭輸油臂分支到主管線交接處鋪設(shè)了2條電伴熱帶，共計鋪設(shè)了14條并聯(lián)恒功率電伴熱帶。

2) 串聯(lián)恒功率電伴熱帶。該電伴熱帶適用管道距離長、工藝管道分支少的場合，因而原油管道的罐區(qū)至碼頭區(qū)域的主管道鋪設(shè)了12條串聯(lián)恒功率電伴熱帶。

3 原油管道電伴熱自動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電伴熱自動控制系統(tǒng)組成

根據(jù)電伴熱系統(tǒng)的選型和供電位置，利用碼頭、中心控制室、罐區(qū)的可編程控制器(PLC)，增加了通信模塊與現(xiàn)場總線單元連接，通過PLC網(wǎng)絡(luò)連接上位機，用編譯好的程序?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場原油管道溫度的自動控制?，F(xiàn)場原油管道溫度控制示意如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場原油管道溫度控制示意

3.2 電伴熱自動控制系統(tǒng)程序設(shè)計

3.2.1PLC程序

由于港口碼頭與后方儲罐區(qū)距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)場較分散，如采用硬接線方式，投資成本較大，因而采用如下方式解決現(xiàn)場控制系統(tǒng)存在的實際問題：

1) 選用現(xiàn)場總線模塊與PLC通信，采用總線方式時，控制回路的信號檢測用1根通信線纜即可實現(xiàn)。以某控制回路的I/O表為例，其他回路可參考該設(shè)置，總線單元模塊參數(shù)設(shè)置見表1所列。

表1 總線單元模塊參數(shù)設(shè)置

2) 根據(jù)電伴熱溫度控制要求，PLC采用該公司現(xiàn)有OMRON PLC的CX-programmer編程軟件，它可在Windows環(huán)境下進(jìn)行編程。為了方便用戶操作和使用，該編程軟件設(shè)置了許多功能，使用戶可直觀高效地對PLC進(jìn)行編程、調(diào)試、運行。該編程軟件具有的主要功能包括： 離線編程功能、在線監(jiān)視功能、在線更換單元功能、網(wǎng)絡(luò)配置功能。

3.2.2組態(tài)程序

Intouch是一款工業(yè)自動化組態(tài)軟件，通過該軟件進(jìn)行程序的組態(tài)編譯，能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的控制。原油管道的電伴熱控制系統(tǒng)的組態(tài)程序包括以下幾部分內(nèi)容：

1) 在“開始按鈕-程序”中啟動Intouch Windows Make。然后在Intouch Windows Make中創(chuàng)建新的組態(tài)程序，點擊左上角“文件-新建”后，彈出“創(chuàng)建新應(yīng)用程序”，輸入程序保存位置，點擊“下一步”后輸入程序名稱，然后點擊“完成”。

2) 在Intouch Windows Make創(chuàng)建新的組態(tài)程序中進(jìn)行圖表繪制、動態(tài)鏈接和編譯相關(guān)的組態(tài)程序。

3) 通過編譯完的組態(tài)程序，進(jìn)入Intouch Window Viewer人機界面，即可完成相應(yīng)的參數(shù)控制編輯和顯示相關(guān)的控制參數(shù)。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)港口儲運特點，利用現(xiàn)有的控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備，針對該公司的原油管道系統(tǒng)，從電伴熱帶選型、控制系統(tǒng)組成、控制參數(shù)分析等方面進(jìn)行了設(shè)計。通過優(yōu)化控制，簡化了人員操作，降低了維護(hù)和系統(tǒng)成本，提高了電伴熱系統(tǒng)的綜合使用。

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