PID控制的間接式電加熱器異常關(guān)停故障診斷分析及對(duì)策

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.017

摘" " 要：間接式電加熱器電熱管不直接與流體接觸，熱量通過導(dǎo)熱油及套管傳遞給流體，此方式具有耐腐蝕、密封性好、設(shè)備壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。間接式加熱器首次應(yīng)用于北部灣海上采油平臺(tái)，在調(diào)試運(yùn)行階段因流量波動(dòng)過大引起設(shè)備超溫關(guān)停。根據(jù)平臺(tái)實(shí)際使用情況，從設(shè)備原理及控制系統(tǒng)兩方面對(duì)該問題進(jìn)行診斷分析，并提出對(duì)設(shè)備輸出功率與PID控制器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的解決方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井液出口溫度準(zhǔn)確且平穩(wěn)的控制；同時(shí)，能夠有效調(diào)控設(shè)備內(nèi)部溫度，確保設(shè)備平順運(yùn)行，溫度控制更為準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：PID控制；間接式加熱器；流量波動(dòng)；超溫關(guān)停；控制系統(tǒng)

Abstract：The electric heating tube of electric heaters does not direct contact with the fluid， transferring the heat through the heat transfer oil and sleeve. This method has the advantages of corrosion resistance， good sealing， and long equipment life. The indirect heater was first applied to the offshore oil production platform in the Beibu Gulf， resulting in the over-temperature shutdown of the equipment due to excessive flow fluctuations during the commissioning and operation phase. Based on the actual usage in the platform， this paper analyzes this problem from both the equipment principle and control system aspects and proposes a solution relying on the adjustment of the output power of the equipment and all parameters of the PID controller， accurately and stably controlling the outlet temperature of the well fluid. Moreover， this solution can effectively regulate the internal temperature of the equipment to ensure smooth operation and more accurate temperature control.

Keywords：PID control; indirect heater; flow fluctuation; over-temperature shutdown; control system

北部灣海域以往的海上油氣田開發(fā)項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)行過程中，加熱器均使用直接式電加熱器，即電熱管直接與流體接觸，利用電熱管持續(xù)加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的加熱，具有加熱快、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。海上平臺(tái)修井作業(yè)較多，修井液需要通過加熱器再導(dǎo)入海管，而修井液成分復(fù)雜，容易造成加熱絲的絕緣損壞；還會(huì)腐蝕加熱器原油腔室，造成原油滲漏，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。間接式電加熱器電熱管不直接與流體接觸，熱量通過導(dǎo)熱油及套管傳遞給流體，電熱管密封接頭不受待加熱介質(zhì)影響，同時(shí)換熱油無腐蝕性，可以很好保護(hù)加熱絲，延長(zhǎng)加熱絲的使用壽命。間接式電加熱器理論上可以解決傳統(tǒng)直接式電加熱器加熱絲絕緣容易損壞的難題。

某項(xiàng)目首次將間接式加熱器應(yīng)用于北部灣某海上采油平臺(tái)，在調(diào)試運(yùn)行階段因流量波動(dòng)過大出現(xiàn)設(shè)備超溫關(guān)停的問題，根據(jù)平臺(tái)實(shí)際使用情況，從設(shè)備原理及控制系統(tǒng)兩方面對(duì)該問題進(jìn)行診斷分析，并提出解決方案。

1" " 設(shè)備控制邏輯

1.1" " PID控制原理

PID控制適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現(xiàn)場(chǎng)，不同的現(xiàn)場(chǎng)僅僅是PID控制參數(shù)設(shè)置的不同，只要參數(shù)設(shè)置得當(dāng)均可以達(dá)到很好的效果，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好、可靠性高、控制技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中被廣泛采用，是生產(chǎn)過程自動(dòng)控制發(fā)展歷程中歷史最悠久、生命力最強(qiáng)的基礎(chǔ)控制方法之一[1-2]。

PID控制器是一種線性控制器，根據(jù)給定值x（t）與實(shí)際輸出值y（t）構(gòu)成控制偏差e（t），e（t）=x（t）-y（t）。將偏差的比例P（Proportional）、積分I（Intergral）和微分D（Dervative）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為[3]：

寫成的傳導(dǎo)函數(shù)形式如下：

式中：U（t）為t時(shí)刻的控制量，Kp為比例系數(shù)，e（t）為偏差信號(hào)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，G（s）為傳導(dǎo)函數(shù)，U（s）為U（t）的拉普拉斯變換，F(xiàn)（s）為e（t）的拉普拉斯變換，s為復(fù)變量。

在微處理器控制系統(tǒng)中是以采樣周期對(duì)輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，對(duì)PID控制算式進(jìn)行離散化，也就是數(shù)字式PID控制[4-5]。現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)間點(diǎn)Tk代表連續(xù)時(shí)間，以和式代替積分，以增量式代替微分[6]，可得到的最終表達(dá)式如下：

式中：Ki =Kp/Ti，k為采樣序號(hào)，j為時(shí)間變量，Kd =Kp?Td，T為采樣周期。

在實(shí)際工業(yè)過程控制中，一方面，許多控制過程機(jī)理復(fù)雜，具有非線性、慢時(shí)變、大滯后等特點(diǎn)，很難得到確切描述控制過程的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程；另一方面，在噪聲、負(fù)載擾動(dòng)和其他環(huán)境條件變化的影響下，過程參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)參數(shù)變化超過一定范圍時(shí)，系統(tǒng)性能就會(huì)明顯變差，致使PID控制難以發(fā)揮作用[7-9]。長(zhǎng)期以來，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用PID控制器的過程中，PID參數(shù)的選取一直是一個(gè)難題。

1.2" " 設(shè)備控制邏輯

平臺(tái)加熱器采用PID控制?？刂乒駜?nèi)部主回路設(shè)有進(jìn)線框架斷路器、塑殼斷路器、交流接觸器、快速熔斷器、可控硅系統(tǒng)等。通過溫度傳感元件采集加熱器出口流體的溫度信號(hào)，經(jīng)智能溫度變送器將信號(hào)傳送至控制柜控制器中，由PID控制器運(yùn)算后將采集信號(hào)與設(shè)定溫度信號(hào)進(jìn)行比較。溫度設(shè)定點(diǎn)分為低溫加熱、高溫報(bào)警、超高溫卸載，采集信號(hào)經(jīng)比較值達(dá)到各設(shè)定點(diǎn)值時(shí)，則由可控硅系統(tǒng)根據(jù)對(duì)應(yīng)工況進(jìn)行輸出。可根據(jù)不同溫度的設(shè)定值設(shè)置負(fù)載投入大小，實(shí)現(xiàn)設(shè)備輸出功率在0～100%間無級(jí)調(diào)節(jié)。同時(shí)，對(duì)加熱器本體導(dǎo)熱油配置溫度傳感元件及溫度開關(guān)進(jìn)行監(jiān)控，并與電氣連鎖，防止設(shè)備加熱元件干燒或因持續(xù)超高溫而損壞，當(dāng)采集溫度超過保護(hù)設(shè)定值時(shí)，連鎖信號(hào)切斷加熱器的電源，待故障排除后才可重新啟動(dòng)設(shè)備。

2" " 設(shè)備故障問題及分析

2.1" " 設(shè)備運(yùn)行情況

在試運(yùn)行過程中，加熱器功率設(shè)定為700 kW，出口溫度設(shè)定為70 ℃，出口溫度高高報(bào)警為80 ℃；膨脹罐液位高高報(bào)警為800 mm，液位低低報(bào)警為100 mm；加熱器爐內(nèi)電熱管超溫關(guān)停溫度為95 ℃。

2.2" " 設(shè)備問題說明

當(dāng)加熱器持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)現(xiàn)加熱器溫度曲線波動(dòng)較大，設(shè)備溫度控制不穩(wěn)定，無法將流體出口溫度準(zhǔn)確地控制在70 ℃左右，加熱器出口溫度及膨脹罐內(nèi)導(dǎo)熱油溫度經(jīng)常出現(xiàn)超高報(bào)警現(xiàn)象。

加熱器在實(shí)際運(yùn)行過程中，出口溫度一般在65～78 ℃之間波動(dòng)，溫度曲線較陡且波形不對(duì)稱，設(shè)備瞬時(shí)啟動(dòng)功率大，溫度達(dá)到設(shè)定值后容易出現(xiàn)超溫問題，設(shè)備溫控不精準(zhǔn)，且設(shè)備可控硅調(diào)功器需高頻率、大功率工作，也對(duì)低壓配電柜各項(xiàng)檢測(cè)產(chǎn)生了干擾。

加熱器在持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)電熱管溫度超溫報(bào)警，報(bào)警后電熱管持續(xù)升溫最終引起設(shè)備關(guān)停。在首次出現(xiàn)設(shè)備因電熱管超溫關(guān)停后，設(shè)備隨即多次出現(xiàn)同類情況，即加熱器經(jīng)常出現(xiàn)因電熱管超溫引起關(guān)停。

2.3" " 原因分析

加熱器多次出現(xiàn)的電熱管超溫關(guān)停問題已影響到平臺(tái)的正常生產(chǎn)，甚至可能會(huì)使原油在管線內(nèi)凝固而堵塞整個(gè)工藝流程。一旦出現(xiàn)管線堵塞的情況，需要對(duì)整個(gè)井口管線進(jìn)行切除并更換。為盡快解決上述問題，確保平臺(tái)安全生產(chǎn)，從以下幾方面對(duì)加熱器關(guān)停問題進(jìn)行分析。

2.3.1" " 加熱器本體

對(duì)加熱器本身進(jìn)行詳細(xì)檢查。首先，對(duì)控制回路及程序軟件進(jìn)行檢測(cè)；其次，對(duì)膨脹罐導(dǎo)熱油的液位及油溫進(jìn)行檢測(cè)；最后，對(duì)加熱器本體溫度開關(guān)、溫度變送器，以及撬塊出口溫度變送器進(jìn)行檢測(cè)及標(biāo)定。經(jīng)檢查，確認(rèn)設(shè)備的控制回路及程控、膨脹罐導(dǎo)熱油、溫控元器件等均無異常情況。

2.3.2" " 加熱器輸出功率

當(dāng)平臺(tái)井液流量17 m3/h的實(shí)際工況下，設(shè)備實(shí)際輸出功率達(dá)700 kW，加熱器啟動(dòng)功率大，且由于導(dǎo)熱油的傳熱比較低，間接式加熱器普遍存在導(dǎo)熱滯后的情況；當(dāng)井液出口溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，雖然電熱管已經(jīng)停止工作，但導(dǎo)熱油仍在一定時(shí)間內(nèi)保持高溫，因此容易出現(xiàn)設(shè)備超溫的情況。綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，認(rèn)為加熱器并不需要全功率輸出，需調(diào)整輸出功率。

2.3.3" " PID控制參數(shù)

在加熱器的出廠設(shè)置時(shí)，設(shè)備的P、I、D參數(shù)設(shè)置如下：P=50，I=5，D=0，功率700 kW。在實(shí)際使用過程中，由于輸出功率過大，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置，設(shè)備內(nèi)部可控硅調(diào)功器動(dòng)作過于靈敏。設(shè)備輸出功率能夠在30 s內(nèi)從0 kW升至700 kW，電流從45 A升至1 000 A左右；同時(shí)，設(shè)備輸出功率亦能在極短時(shí)間內(nèi)從滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)降至0 kW。如此靈敏的調(diào)功速率，使得設(shè)備功率輸出大開大合，不利于設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，也不利于設(shè)備導(dǎo)熱油溫度及井液出口溫度的控制，還會(huì)對(duì)低壓配電柜的各項(xiàng)檢測(cè)產(chǎn)生干擾。

2.3.4" " 加熱器流量

經(jīng)過上述加熱器內(nèi)部原因排查后，又對(duì)加熱器相關(guān)外部因素進(jìn)行了排查。流量變化是與加熱器密切相關(guān)的外部因素，當(dāng)流經(jīng)加熱器內(nèi)部的流量減少時(shí)，尤其是流量大幅度降低時(shí)（此情況常出現(xiàn)在平臺(tái)生產(chǎn)人員進(jìn)行單井測(cè)試時(shí)），經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電熱管超溫，而之前發(fā)生的幾次電熱管超溫關(guān)停均是出現(xiàn)在流量大幅度降低時(shí)（流量從17 m3/h降低至4.5 m3/h）。

加熱器出現(xiàn)異常關(guān)停的另一重要原因就是流量的大幅度波動(dòng)，由于流量的大幅度降低，尤其在加熱器持續(xù)加熱時(shí)，流量降低使得加熱器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量未能及時(shí)被帶走，因此出現(xiàn)了設(shè)備超溫關(guān)停的情況。

綜上，在確認(rèn)加熱器本身無故障的前提下，超溫關(guān)停的主要原因是設(shè)備P、I、D參數(shù)設(shè)置不夠合理，設(shè)備功率調(diào)整過快、過大，電熱管瞬時(shí)啟動(dòng)功率大、速度快，溫度控制極不穩(wěn)定，而且加熱器內(nèi)部的誤差補(bǔ)償調(diào)整及預(yù)防控制均未能發(fā)揮作用；同時(shí)，由于流量瞬間大幅度降低導(dǎo)致加熱器內(nèi)部余熱無法及時(shí)帶走。上述兩種情況疊加后導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部溫度超高，從而引起了設(shè)備超溫關(guān)停的問題。

3" " 設(shè)備故障問題處理

綜上所述，加熱器出現(xiàn)超溫關(guān)停的主要原因是設(shè)備P、I、D參數(shù)設(shè)置未充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，設(shè)備輸出功率、設(shè)備內(nèi)部比例調(diào)節(jié)輸出、設(shè)備誤差補(bǔ)償及預(yù)防控制四者未能有效聯(lián)動(dòng)，致使設(shè)備溫控極為失準(zhǔn)，當(dāng)平臺(tái)井液流量出現(xiàn)大幅度波動(dòng)時(shí)，加熱器經(jīng)常出現(xiàn)超溫關(guān)停的問題。針對(duì)上述原因引起的設(shè)備超溫關(guān)停問題，主體解決思路為：P、I、D參數(shù)設(shè)置需充分考慮平臺(tái)正常生產(chǎn)情況下流量大幅波動(dòng)的實(shí)際情況，加熱器需在一定流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行精確控制，即需使設(shè)備的調(diào)功速率、誤差響應(yīng)時(shí)間及超溫前預(yù)防控制取得一個(gè)平衡點(diǎn)。

經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證后，得出優(yōu)化后的P、I、D參數(shù)設(shè)置為：P=20，I=10，D=0，輸出功率設(shè)置為100 kW。參數(shù)調(diào)整后加熱器運(yùn)行十分穩(wěn)定，設(shè)備出口溫度較穩(wěn)定地維持在70 ℃上下，溫度曲線非常理想，調(diào)功器長(zhǎng)期在工作狀態(tài)。平臺(tái)方進(jìn)行多次單井測(cè)試作業(yè)時(shí)，設(shè)備溫控、溫度曲線仍十分穩(wěn)定（近乎一條直線），能夠滿足液量波動(dòng)這一復(fù)雜工況，更能滿足平臺(tái)日常生產(chǎn)的使用需求。

經(jīng)過深入的研究分析，以及反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總結(jié)出設(shè)定參考值（見表1）供該平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)后續(xù)操作使用。

在上述參數(shù)設(shè)置下，加熱器能夠在17 m3/h及以下的流量波動(dòng)時(shí)，對(duì)井液的出口溫度實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且平穩(wěn)的控制，同時(shí)能夠有效調(diào)控設(shè)備內(nèi)部溫度，確保設(shè)備平順運(yùn)行，溫度控制更為準(zhǔn)確。如平臺(tái)后期產(chǎn)液量加大，只需要調(diào)整功率即可，當(dāng)達(dá)不到設(shè)點(diǎn)或需較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到，可以把功率再往上調(diào)整；當(dāng)溫度曲線在設(shè)點(diǎn)波動(dòng)較大、較頻繁，則可適當(dāng)調(diào)低功率。

4" " 結(jié)論及建議

直接式加熱器的控制邏輯較間接式加熱器的控制邏輯靈敏，因此間接式加熱器不能簡(jiǎn)單沿用直接式加熱器的控制邏輯。一旦間接式加熱器較容易出現(xiàn)超溫關(guān)停的故障，在排除設(shè)備本體故障的前提下，應(yīng)優(yōu)先結(jié)合平臺(tái)流量的實(shí)際波動(dòng)情況，對(duì)設(shè)備輸出功率與PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，而P、I、D參數(shù)則需經(jīng)試驗(yàn)得出調(diào)整范圍后再做微調(diào)。

建議在采辦設(shè)備時(shí)對(duì)設(shè)備的使用環(huán)境、流量波動(dòng)范圍及實(shí)際控制需求進(jìn)行更深入明確的描述，同時(shí)對(duì)此類間接式加熱器應(yīng)在進(jìn)口處增加一個(gè)流量計(jì)（如孔板流量計(jì)），同時(shí)要求加熱器生產(chǎn)廠家在控制邏輯中加入流量信號(hào)的檢測(cè)及運(yùn)算，即通過在設(shè)備進(jìn)口處收集流量數(shù)據(jù)，將流量數(shù)據(jù)傳輸至設(shè)備控制柜，由控制柜邏輯運(yùn)算后，設(shè)備將自動(dòng)根據(jù)流量變化調(diào)整輸出功率及P、I、D參數(shù)，以使設(shè)備溫度控制更為精確，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化運(yùn)行的目的。

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作者簡(jiǎn)介：翟梓皓（1986—），男，廣東茂名人，工程師，2008年畢業(yè)于廣州航海學(xué)院海事管理專業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋油氣田生產(chǎn)方面的研究管理工作。Email：zhaizh2@cnooc.com.cn

收稿日期：2024-07-16；修回日期：2024-09-26