碳達(dá)峰目標(biāo)下稠油電加熱控制裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

劉沛津 ，肖勇，王鄭凱 ，賀寧，何林，李杰

(1.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710055；3.西安鵬瑞石油有限公司，陜西西安 710016)

0 前言

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》，強(qiáng)調(diào)全方位全過程促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，確保實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。在“雙碳”目標(biāo)的指引下，我國(guó)石油企業(yè)必須立足于能源需求現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)，抓緊制定“碳達(dá)峰”“碳中和”行動(dòng)方案，在保障能源安全的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化節(jié)能優(yōu)先戰(zhàn)略，健全企業(yè)碳排放制度。在強(qiáng)化自主創(chuàng)新基礎(chǔ)上，加大綠色低碳技術(shù)研發(fā)力度，促進(jìn)企業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展[1]。

在2021石化產(chǎn)業(yè)大會(huì)碳達(dá)峰和碳中和論壇上，優(yōu)化系統(tǒng)、開展工藝環(huán)節(jié)及設(shè)備的節(jié)能是目前減少碳排放最直接有效的辦法，被排在了減少碳排放路徑的第一位。國(guó)家發(fā)改委提供的數(shù)據(jù)顯示，1度電供電煤耗為360 g標(biāo)準(zhǔn)煤，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤折算3 t二氧化碳，則僅油井開采一項(xiàng)因電能的消耗，碳排放量每年可達(dá)3×1011t[2]。因此，降低石油開采的電能消耗對(duì)于推進(jìn)油田節(jié)能生產(chǎn)，減少碳排放意義重大。

我國(guó)有豐富的稠油資源，但一般對(duì)于稠油的開采都配置了電加熱裝置，其中電加熱裝置的耗電量幾乎達(dá)到整個(gè)抽油機(jī)總能耗的1/2。因此，其生產(chǎn)過程中的耗能較普通石油更高，產(chǎn)生的碳排放也更大[3]。目前在很多稠油油田現(xiàn)場(chǎng)采用的空心抽油桿電加熱法，都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值人工設(shè)定或者采用PLC與組態(tài)軟件結(jié)合的方法來控制加熱電源的輸出功率[4]。采用人工經(jīng)驗(yàn)值時(shí)，為避免原油中蠟晶析出,避免卡井等生產(chǎn)事故,往往會(huì)采用較大的功率來加熱油管內(nèi)的原油，這使得電加熱設(shè)備的耗電量達(dá)井場(chǎng)總能耗的40%。采用PLC與組態(tài)軟件結(jié)合的控制方式，存在開發(fā)成本高不利于大規(guī)模推廣、PLC編程靈活性差難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法等缺點(diǎn)[5]。

隨著用工成本的不斷上升，越來越多的企業(yè)開始使用智能化設(shè)備代替人工，有些則直接引進(jìn)全新的智能設(shè)備。但引進(jìn)全新設(shè)備成本較高，因此在現(xiàn)有的設(shè)備上進(jìn)行改造成為一種新的思路。本文作者基于油田現(xiàn)有設(shè)備，研究開發(fā)一套稠油電加熱控制裝置，在稠油井的實(shí)際運(yùn)行過程中對(duì)加熱電源的輸出功率進(jìn)行控制，使得加熱電源供給空心抽油桿的電能所產(chǎn)生的熱量能夠維持原油的流動(dòng)性；避免原油中蠟晶析出造成卡井、光桿斷裂等生產(chǎn)事故的發(fā)生；同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻電源的能耗控制，使中頻電源的能耗減少，節(jié)約稠油開采的成本，顯著降低碳排放。

1 稠油開采加熱系統(tǒng)組成及控制原理

1.1 系統(tǒng)組成

稠油開采系統(tǒng)主要包括配電箱、變頻器、中頻電源、抽油機(jī)、空心抽油桿、井筒以及稠油電加熱控制裝置。配電箱主要是將三相380 V電壓分配給變頻器和中頻電源。變頻器用來改變工頻電流頻率使抽油電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行；中頻電源將中頻交流電通過自懸連接器送到電加熱抽油桿的終端，利用電纜線與空心桿桿體形成的回路，采用集膚效應(yīng)原理，對(duì)空心桿桿體實(shí)現(xiàn)由上而下的非線性加熱，通過熱傳導(dǎo)有效提高了井筒內(nèi)原油溫度，降低原油黏度，增加其流動(dòng)性。其中，可將中頻電源部分、整體(加熱)電纜部分、終端接觸器、井口懸接器、二次電纜(回路) 組成空心抽油桿電加熱采油系統(tǒng)[6]。稠油電加熱控制裝置主要控制對(duì)象是中頻電源，以系統(tǒng)總能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，確定中頻電源最優(yōu)功率。

1.2 控制原理

由上述稠油開采加熱系統(tǒng)組成可知，在油井安全生產(chǎn)條件下，中頻加熱電源輸出功率與抽油電機(jī)電功率具有下列定性的關(guān)系：

中頻電源輸出功率Pf上升→油液溫度T上升→油液載荷P下降→抽油電機(jī)功率Pm下降

顯然，中頻電源輸出功率越大，油液加熱溫度越高，抽油電機(jī)電功率越小。但是當(dāng)油液溫度顯著高于拐點(diǎn)溫度時(shí)，隨著溫度的升高，油液載荷下降緩慢，抽油電機(jī)電功率的減小幅度下降，此時(shí)系統(tǒng)的總能耗反而增大，因此以系統(tǒng)總功率最小(總能耗最小)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，確定抽油電機(jī)最優(yōu)功率。裝置的控制任務(wù)即為以尋優(yōu)獲取的抽油電機(jī)最優(yōu)功率為參考輸入，通過控制中頻電源的輸出功率，使得油液加熱到合適溫度，最終使稠油開采系統(tǒng)抽油電機(jī)的電功率跟蹤最優(yōu)功率，從而達(dá)到節(jié)能的效果[7]。同時(shí)，在油井開采現(xiàn)場(chǎng)，抽油電機(jī)電信號(hào)非嵌入式的獲取方式使得其可靠性及精度均高于游梁光桿載荷信號(hào)?；谏鲜鲆蛩?，本文作者設(shè)計(jì)的控制方案主要以稠油開采抽油電機(jī)電功率信號(hào)為反饋信號(hào)，以最優(yōu)功率為參考輸入進(jìn)行系統(tǒng)的加熱控制。

一般情況下，系統(tǒng)溫度滯后時(shí)間約為10～40 min[8-9]?？紤]稠油加熱溫度隨加熱功率變化的遲滯效應(yīng)及現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)獲取的可行性，文中控制方案加入井口油液溫度信號(hào)，在溫度信號(hào)的反饋環(huán)節(jié)采用微分優(yōu)先控制，與抽油電機(jī)電功率信號(hào)形成雙閉環(huán)控制。裝置控制原理如圖1所示，其中：Pmref為電機(jī)參考功率；ΔPm為電機(jī)參考功率與實(shí)際功率的差值；Tref為油液溫度參考值；u為中頻電源電壓；Pf為中頻電源輸出功率；T為油液溫度；Pm為電機(jī)功率。

圖1 裝置控制原理

2 稠油電加熱控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于控制方案及現(xiàn)場(chǎng)用戶通信與監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)電加熱控制裝置的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中，井口溫度傳感器和抽油機(jī)電壓電流角位移傳感器是裝置的基礎(chǔ)，它們采集電壓、電流、角位移、溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)作為電加熱控制器的輸入量。觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備，可對(duì)井口溫度、加熱桿電流和抽油機(jī)功率等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以供操作人員觀察，同時(shí)操作人員可通過觸摸屏按鍵對(duì)功率系數(shù)、井口溫度最大值和最小值、加熱最大時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。電加熱控制器模塊是整個(gè)裝置的核心，能夠?qū)⒏黝悢?shù)據(jù)分析處理并在執(zhí)行相應(yīng)的控制運(yùn)算后通過D/A輸出模塊輸出控制電壓，傳輸給中頻電源以控制中頻電源的輸出功率；同時(shí)，將發(fā)生變化的載荷、井口溫度、加熱桿電流和抽油機(jī)電流反饋給電加熱控制器，自動(dòng)連續(xù)地對(duì)中頻電源的輸出功率進(jìn)行控制。電加熱控制裝置功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 稠油電加熱控制裝置功能結(jié)構(gòu)

3 電加熱控制裝置硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片選取

根據(jù)文中控制方案及稠油生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境及需求，選取STM32F103RDT6作為控制器的主控芯片。

該芯片是ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32系列中一款高性能的以ARM 32位的CortexTM-M3 CPU作為內(nèi)核的64腳芯片。該芯片具有低成本、低功耗、高性能以及片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，片內(nèi)具有內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，包括384 kB的閃存和64 kB的SRAM，用于存放程序和數(shù)據(jù)。豐富地增強(qiáng)了I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，包含：3個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器、2個(gè)看門狗定時(shí)器、12通道DMA控制器等。此外，還包含多種標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口多種：5個(gè)USART、3個(gè)SPI 、2個(gè)I2C、2個(gè)I2S、1個(gè)SDIO、1個(gè)USB、1個(gè)CAN。該控制芯片工作頻率為72 MHz，可工作于-40 ～85 ℃的環(huán)境[10]。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

稠油電加熱控制器中各模塊都需要電源供電，電源模塊提高電壓的穩(wěn)定性，直接影響各個(gè)模塊的正常運(yùn)行，情況嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)模塊損壞以發(fā)生火災(zāi)，影響油田現(xiàn)場(chǎng)安全。為滿足安全設(shè)計(jì)要求，選用具有過壓保護(hù)和過載保護(hù)的明緯HDR-60-24型開關(guān)電源，可直接提供24 V穩(wěn)定直流電壓，而控制器中的芯片需要5、3.3 V電壓，為此設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路

本文作者采用MP4462DN穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)24 V到5 V的降壓電路，該芯片內(nèi)部集成高性能振蕩器，有較好的穩(wěn)壓效果，能夠提供穩(wěn)定的電壓輸出。對(duì)于5 V到3.3 V降壓電路的設(shè)計(jì)使用LM1117-3.3V穩(wěn)壓芯片，其中C30為輸入電容，防止斷電后出現(xiàn)電壓倒置，C31、C32為輸出濾波電容，作用是抑制自激振蕩和穩(wěn)定輸出電壓。

3.3 HLW8032電路設(shè)計(jì)

在稠油電加熱控制裝置中，將抽油機(jī)電功率作為控制中頻電源功率輸出的重要條件，故采用HLW8032芯片測(cè)量抽油機(jī)電功率。HLW8032是一款高精度的電能計(jì)量芯片,它采用CMOS制造工藝，能夠測(cè)量線電壓和電流，并能計(jì)算有功功率、視在功率和功率因數(shù)。HLW8032具有精度高、功耗小、可靠性高、適用環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用LM7805穩(wěn)壓芯片為HLW8032提供5 V電源，使用UART進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過其TX引腳將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控芯片。為防止現(xiàn)場(chǎng)低壓控制電路與外圍高壓電路之間的干擾，在HLW8032與主控芯片之間連接光耦隔離芯片。HLW8032電路如圖4所示。

圖4 HLW8032電路

3.4 通信電路設(shè)計(jì)

為能更加直觀地監(jiān)測(cè)抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)，控制器需要將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接|摸屏上。由于油田現(xiàn)場(chǎng)情況比較復(fù)雜，各種電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生比較多的電磁干擾，從而導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤。因此，采用工業(yè)中常用的基于Modbus協(xié)議的RS485總線通信。將SP3485芯片作為收發(fā)器，該芯片符合RS485串行協(xié)議的電氣規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)10 Mb/s，平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收，抗共模干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離多站點(diǎn)通信。在長(zhǎng)距離通信過程中，需要在RS485總線的最后一臺(tái)設(shè)備之后接入一個(gè)120 Ω的電阻，以抑制干擾[11]。RS485接口電路如圖5所示。

圖5 RS485接口電路

為方便程序燒寫，并提高控制程序優(yōu)化調(diào)試效率，設(shè)計(jì)串口通信電路。該串口通信為RS232通信，控制芯片和PC機(jī)之間采用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換。其中，控制芯片是TTL電平+5 V，表示為1,0 V表示為0；RS232是負(fù)邏輯電平-3～-15 V，表示為1，3～15 V表示為0。RS232串口電路如圖6所示，J4為PC端使用的RS232接口，采用DB9封裝，連接PC時(shí)使用串口轉(zhuǎn)接線轉(zhuǎn)出串口即可。

圖6 RS232串口電路

3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

該控制裝置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要包括EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、Micro SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。EEPROM是一種可以通過電子信號(hào)多次復(fù)寫的半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)設(shè)備，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，可以在專用設(shè)備上擦除已有信息，重新編程，在所設(shè)計(jì)的裝置中主要用于存儲(chǔ)固件升級(jí)信息、處理系統(tǒng)的設(shè)備信息。采用AT45DB161D芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片采用Rapids串行接口，減少了可用引腳數(shù)量，同時(shí)可提高系統(tǒng)可靠性，降低開關(guān)噪聲，縮小封裝體積。其中，Rapids串行接口與SPI相兼容，速度可到66 MHz。該芯片內(nèi)部有4 096個(gè)頁，每個(gè)頁有512或529個(gè)字節(jié)。芯片可以采用2.7 ～3.6 V單電源供電，進(jìn)行編程與讀取操作。EEPROM電路如圖7所示。

圖7 EEPROM電路

Micro SD卡具有數(shù)據(jù)寫入和讀取速度快、支持熱插拔、容量大、體積小、攜帶方便等優(yōu)良特性，非常適合在便攜式設(shè)備上使用。Micro SD結(jié)合FAT文件系統(tǒng)，可以高效地把采集到的抽油機(jī)電壓、電流、功率、角位移和井口油液溫度的原始數(shù)據(jù)以.TXT文件格式存儲(chǔ)在Micro SD卡里中，并以時(shí)間作為文件名[12]。在PC端通過讀卡器可以方便地讀取到控制裝置里的數(shù)據(jù)。Micro SD模塊電路如圖8所示。

圖8 Micro SD模塊電路

4 控制裝置軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，在Keil uVision5軟件編譯環(huán)境中用C語言進(jìn)行編程、J-Link仿真器調(diào)試、ST-Link燒錄程序，結(jié)合系統(tǒng)的功能及相應(yīng)指標(biāo)，控制器軟件部分應(yīng)具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置、算法運(yùn)行、系統(tǒng)升級(jí)及通信等功能。裝置運(yùn)行時(shí)，首先是系統(tǒng)上電完成操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備初始化，然后檢測(cè)觸摸屏參數(shù)配置，接著對(duì)EEPROM、Micro SD卡模塊、A/D采樣模塊自檢，完成初始化[13-14]。

在完成以上步驟后系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)采集模塊采集各個(gè)傳感器的輸出數(shù)據(jù)并輸入控制芯片中，先按照存儲(chǔ)協(xié)議把數(shù)據(jù)保存到Micro SD卡，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理子程序，將處理過的數(shù)據(jù)應(yīng)用于控制算法中，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出控制中頻電源輸出功率的電壓；進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)變化對(duì)中頻電源輸出功率進(jìn)行連續(xù)控制，程序一直做循環(huán)控制。該裝置沒有結(jié)束過程，只能通過外部手動(dòng)與自動(dòng)切換開關(guān)才能結(jié)束程序?？刂破鬈浖鞒倘鐖D9所示。

圖9 控制器軟件流程

4.2 數(shù)據(jù)處理程序

抽油電機(jī)的功率數(shù)據(jù)是通過傳感器采集得到的，得到的原始數(shù)據(jù)中存在一些奇異點(diǎn)，采用中值濾波法去除這些奇異點(diǎn)。功率數(shù)據(jù)是一維信號(hào)，因此在數(shù)據(jù)處理過程中編寫一維數(shù)據(jù)處理程序，其流程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)處理流程

其中:n為功率數(shù)組的長(zhǎng)度；N為濾波窗口，取奇數(shù)。

4.3 控制程序

將抽油電機(jī)和中頻電源能耗總和作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，確定抽油電機(jī)最優(yōu)功率。以獲取的抽油電機(jī)最優(yōu)功率為參考輸入，通過控制中頻電源的輸出功率，使得油液加熱到合適溫度，使抽油電機(jī)的電功率跟蹤最優(yōu)功率。在溫度信號(hào)的反饋環(huán)節(jié)采用微分控制，與抽油電機(jī)電功率信號(hào)形成雙閉環(huán)控制，其控制流程如圖11所示。

圖11 控制流程

5 現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能降碳測(cè)試與分析

為驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的節(jié)能效果，將該裝置應(yīng)用于遼河油田L(fēng)-88油井現(xiàn)場(chǎng)，如圖12所示。啟動(dòng)抽油機(jī)等待采油系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，給稠油電加熱控制裝置上電后，首先在手動(dòng)模式下，對(duì)各個(gè)傳感器采集到的信號(hào)值進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)過與現(xiàn)場(chǎng)電表和手持儀表對(duì)比，傳感器的測(cè)量值誤差滿足要求。

圖12 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

在手動(dòng)模式即井場(chǎng)原本的控制方式下，中頻電源采用恒功率加熱，加熱電流50 A。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)中頻電源輸入端電能表，結(jié)果如表1所示?？芍涸诤愎β始訜釙r(shí)，中頻電源每小時(shí)耗電量均值為40.9 kW·h。

表1 油田現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)值控制的中頻電源能耗數(shù)據(jù)

完成手動(dòng)模式的測(cè)試后，進(jìn)行裝置自動(dòng)控制功能測(cè)試，先通過觸摸屏設(shè)置L-88油井抽油電機(jī)參數(shù)，然后調(diào)至自動(dòng)模式，中頻電源按照控制器的輸出信號(hào)對(duì)井下的空心抽油桿加熱。稠油電加熱控制裝置的中頻電源能耗如表2所示?？芍涸谧詣?dòng)模式下，中頻電源每小時(shí)耗電量的均值為32.2 kW·h，明顯低于現(xiàn)場(chǎng)目前的耗電量。

表2 稠油電加熱控制裝置的中頻電源能耗數(shù)據(jù)

結(jié)果表明：采用稠油電加熱控制裝置，中頻電源可節(jié)約原耗電量的21%，平均每年中頻電源可節(jié)約電能76 212 kW·h，折算標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量為27 436 kg，折算二氧化碳排放82.3 t。遼寧省峰谷平電價(jià)規(guī)則為峰時(shí)8 h電價(jià)是平時(shí)電價(jià)的1.5倍、谷時(shí)7 h電價(jià)是平時(shí)電價(jià)的50%，平時(shí)9 h，峰、谷、平電價(jià)分別為0.76、0.30、0.531元/(kW·h)[15]。為便于計(jì)算，峰、谷、平電價(jià)折算為0.54元/(kW·h)，可得稠油電加熱控制裝置每口井每年可節(jié)約電費(fèi)41 154元。

6 結(jié)論

針對(duì)目前仍然采取落后控制方式控制中頻電源的井場(chǎng)，本文作者設(shè)計(jì)了一種稠油電加熱控制裝置。該裝置設(shè)有手動(dòng)與自動(dòng)兩種工作模式，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況由工人任意切換。在自動(dòng)模式下，通過傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用電加熱控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中頻電源的輸出功率進(jìn)行控制。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：應(yīng)用稠油電加熱控制裝置后，中頻電源可節(jié)能約21%，平均每年中頻電源可節(jié)約電能76 212 kW·h，相當(dāng)于27 436 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，可少排放二氧化碳約82.3 t，節(jié)能、降碳效果顯著。