港口原油管道電伴熱自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張恩科，張福軍，馬瑞民，韓進(jìn)東，姚凱，晁明哲

(1. 營(yíng)口港務(wù)股份有限公司 第四分公司，遼寧 營(yíng)口 115007；2. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司 東北銷售營(yíng)口分公司，遼寧 營(yíng)口 115007；3. 中國(guó)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(guó)家戰(zhàn)略，油品的戰(zhàn)略儲(chǔ)備是各國(guó)都重視的問(wèn)題。近些年，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，原油進(jìn)口依存度也增長(zhǎng)到約50%。伴隨著綜合國(guó)力的增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)原油進(jìn)口量也隨之增加，中國(guó)有可能成為世界第一大原油進(jìn)口國(guó)，從而加大了沿海各港口油品儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的建設(shè)。由于港口碼頭與后方儲(chǔ)罐區(qū)距離較遠(yuǎn)，因而管道是船岸連接的動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)短，選用粗細(xì)不等的鋼管捆綁在原油管道上，通過(guò)熱水和蒸汽對(duì)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(huì)出現(xiàn)“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，存在維修工作量大、浪費(fèi)能源、破壞環(huán)境等缺點(diǎn)。

電伴熱是利用電伴熱產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量，補(bǔ)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(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，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(duì)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(chǎng)增加控制箱，通過(guò)每個(gè)控制箱對(duì)溫控器進(jìn)行控制。由于溫度調(diào)節(jié)時(shí)需要對(duì)每個(gè)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(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決出現(xiàn)的問(wèn)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(duì)電伴熱控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集中控制和監(jiān)視，大幅提高了港口碼頭的自動(dòng)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(bǔ)充輸送、存儲(chǔ)過(guò)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(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，自動(dòng)限制加熱溫度。

2.2 原油管道電伴熱系統(tǒng)的伴熱計(jì)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(zhǎng)度約4.2 km；管徑為φ508 mm；管道材質(zhì)為L(zhǎng)245；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(shí)，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(jì)算。根據(jù)確定的工藝參數(shù)，通過(guò)式(1)進(jìn)行管道熱損失的計(jì)算：

(1)

式中：qT——管道實(shí)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(shí)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(jì)算出該原油管道的電伴熱系統(tǒng)補(bǔ)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(shí)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(jì)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(bǔ)償；通過(guò)原油管道的參數(shù)、工藝運(yùn)行情況、管道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(chǎng)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(jī)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(jì)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(zhǎng)、工藝管道分支少的場(chǎng)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(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電伴熱自動(dòng)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(chǎng)總線單元連接，通過(guò)PLC網(wǎng)絡(luò)連接上位機(jī)，用編譯好的程序?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)原油管道溫度的自動(dòng)控制。現(xiàn)場(chǎng)原油管道溫度控制示意如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)原油管道溫度控制示意

3.2 電伴熱自動(dòng)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.2.1PLC程序

由于港口碼頭與后方儲(chǔ)罐區(qū)距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)控制系統(tǒng)存在的實(shí)際問(wèn)題：

1) 選用現(xiàn)場(chǎng)總線模塊與PLC通信，采用總線方式時(shí)，控制回路的信號(hào)檢測(cè)用1根通信線纜即可實(shí)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(jiàn)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(duì)PLC進(jìn)行編程、調(diào)試、運(yùn)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(dòng)化組態(tài)軟件，通過(guò)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(kāi)始按鈕-程序”中啟動(dòng)Intouch Windows Make。然后在Intouch Windows Make中創(chuàng)建新的組態(tài)程序，點(diǎn)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(diǎn)擊“下一步”后輸入程序名稱，然后點(diǎn)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(dòng)態(tài)鏈接和編譯相關(guān)的組態(tài)程序。

3) 通過(guò)編譯完的組態(tài)程序，進(jìn)入Intouch Window Viewer人機(jī)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(yǔ)

本文根據(jù)港口儲(chǔ)運(yùn)特點(diǎn)，利用現(xiàn)有的控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，針對(duì)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(jì)。通過(guò)優(yōu)化控制，簡(jiǎn)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王長(zhǎng)力，羅安.分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 熊偉.工控組態(tài)軟件及應(yīng)用[M].北京： 北京電力出版社，

2011.

[3] 鄭明方，楊長(zhǎng)春.石油化工儀表及自動(dòng)化[M].北京： 中國(guó)石化出版社，2011.

[4] 徐紹坤，劉玉.工廠電氣控制技術(shù)[M].北京： 中國(guó)電力出版社，2011.

[5] 張會(huì)泉，陳靖，楊瑞先，等.現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國(guó)儀器儀表， 2010 (09)： 45-48.

[6] 吳登權(quán).DCS與FCS控制系統(tǒng)集成方案[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2010 (05)： 73-74.

[7] 孫璇，王莉.淺談串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中的幾個(gè)問(wèn)題[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2006(34)： 58.

[8] 崔倩，王浩.總線智能儀表溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電力科學(xué)與工程，2007(04)： 75-77.

[9] 潘鳳全.石油化工油品儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化系統(tǒng)中PLC技術(shù)的應(yīng)用研究[J].中國(guó)科技縱橫，2012(18)： 25.

[10] 王笑.石油化工罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2014，50(06)： 37-40.