張淼 （大慶油田工程有限公司）

PID調(diào)節(jié)器在集氣管道電伴熱上的應(yīng)用

張淼 （大慶油田工程有限公司）

電伴熱是目前采用的先進(jìn)、有效的集氣管道保溫措施，缺點(diǎn)是當(dāng)在介質(zhì)溫度變化時(shí)，電伴熱系統(tǒng)無法作出供熱調(diào)整。當(dāng)供熱不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管線凍堵；當(dāng)供熱過量時(shí)會(huì)造成不必要的能源浪費(fèi)。針對(duì)上述問題提出了一種解決方法，即在電伴熱系統(tǒng)上應(yīng)用PID調(diào)節(jié)器。此裝置根據(jù)井口來氣溫度、節(jié)流后溫度，控制功率調(diào)節(jié)器的輸出電流，在保障集氣管道伴熱溫度的同時(shí)，降低電伴熱消耗的能源，實(shí)現(xiàn)了深層氣田工藝的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，PID調(diào)節(jié)器在保溫降耗方面效果顯著，具有良好的應(yīng)用前景。

集氣管道；PID調(diào)節(jié)器；電伴熱；功率調(diào)節(jié)器；節(jié)能降耗

1 大慶油田集氣管道電伴熱現(xiàn)狀

大慶油田深層氣田所采用的處理流程是：高壓采氣、伴熱集輸、集中加熱、常溫分離、輪換計(jì)量、集中脫水等。其中伴熱集輸部分是整個(gè)生產(chǎn)處理流程不可或缺至關(guān)重要的一步。由于大慶油田地處東北，冬季氣溫比較低，最冷月平均氣溫-18.5℃，油田采氣管線在井口到集氣站之間發(fā)生凍堵、冷凝現(xiàn)象。通常對(duì)該管線采取伴熱措施，而為了保證極端工況下的管道安全運(yùn)行，電伴熱系統(tǒng)的功率需要考慮余量，運(yùn)行時(shí)往往造成能源浪費(fèi)。

電伴熱是用電產(chǎn)生的熱能來補(bǔ)充被伴熱介質(zhì)在傳輸過程中所散失的熱量，從而保證輸氣管道內(nèi)介質(zhì)正常流動(dòng)而不產(chǎn)生冷凝的溫度。電伴熱是沿集氣管線方向在管線上均勻放熱，它不同于在一個(gè)點(diǎn)或小面積上熱負(fù)荷高度集中的電伴熱[1]；電伴熱溫度梯度小，熱穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，適合長(zhǎng)期使用；電伴熱具有節(jié)約能源、熱效率高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工安裝方便、無污染、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前工業(yè)上大多采用電伴熱的方式，對(duì)管道和儀表進(jìn)行保溫。

電伴熱基本是以金屬電阻絲或?qū)Ｓ锰祭w維束結(jié)合導(dǎo)線及絕緣保護(hù)材料制成的各種發(fā)熱元件(如電伴熱環(huán)、電伴熱帶等)作為熱源，安裝在絕熱層和管道(或設(shè)備)外壁之間對(duì)管線提供伴熱，以維持在一定的溫度范圍內(nèi)，達(dá)到保溫和防凍的目的。由于電伴熱的電熱帶是利用電熱來補(bǔ)充集輸過程中所散失的熱量[2]，通常的電伴熱為恒功率電伴熱，能耗大，無法滿足油田節(jié)能要求。

2 PID調(diào)節(jié)器工作原理

PID調(diào)節(jié)器即比例、積分、微分調(diào)節(jié)器，是對(duì)被調(diào)量與給定值的偏差分別進(jìn)行比例、微分和積分運(yùn)算，取其和構(gòu)成連續(xù)信號(hào)以控制執(zhí)行器的模擬調(diào)節(jié)器[3]。

PID調(diào)節(jié)以其響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)動(dòng)作迅速、余差小、根據(jù)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)提前動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)[4]，成為工程實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其他技術(shù)難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID調(diào)節(jié)就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。

3 PID調(diào)節(jié)器在天然氣管道電伴熱上的應(yīng)用

大慶油田集氣管道采用的普通電伴熱系統(tǒng)，在介質(zhì)溫度變化時(shí)，無法作出供熱調(diào)整，造成能源浪費(fèi)，或無法達(dá)到溫度要求。因此，將PID調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用到天然氣管道電伴熱系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)保證管道伴熱溫度的同時(shí)，降低電伴熱消耗的能源，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的過程中取得了良好的效果。

以汪家屯集氣站新建6口井為例，由于井口氣水化物形成溫度在17.7～18.7℃之間，所以伴熱溫度設(shè)定為20℃。由于井口距集氣站較遠(yuǎn)，將電伴熱系統(tǒng)分為站外伴熱帶控制和站內(nèi)伴熱帶控制。站外共計(jì)6條伴熱帶，由井口電源供電；站內(nèi)共計(jì)6條伴熱帶，由集氣站內(nèi)電源供電。站內(nèi)、外每條伴熱帶配置1個(gè)功率調(diào)節(jié)器。為了確?？刂葡到y(tǒng)的安全，汪家屯伴熱帶控制系統(tǒng)中，每個(gè)伴熱帶功率調(diào)節(jié)器都安裝了過熱繼電器，過載時(shí)自動(dòng)停止功率調(diào)節(jié)器的運(yùn)行。每個(gè)功率調(diào)節(jié)器的輸出電流通過電流變送器反饋到集氣站控制系統(tǒng)。

該6口井所屬集氣站已建了PLC控制系統(tǒng)，對(duì)井口來氣溫度、節(jié)流后溫度進(jìn)行采集，根據(jù)采集溫度對(duì)電伴熱系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，原理如圖1所示。

圖1 PID調(diào)節(jié)電伴熱系統(tǒng)原理

集氣站控制系統(tǒng)具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議TCP/IP，將采集的井口溫度通過以太網(wǎng)交換機(jī)傳給站內(nèi)PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器可以通過交換機(jī)與集氣站系統(tǒng)進(jìn)行通訊，獲取井口和節(jié)流后溫度，通過這些溫度來控制功率調(diào)節(jié)器的輸出。站外PID調(diào)節(jié)器與集氣站控制系統(tǒng)之間的通信可以通過光纖傳輸，或者利用無線通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇呀ǖ幕?，再由基站傳輸?shù)秸緝?nèi)控制系統(tǒng)。站外6條伴熱帶用6個(gè)功率調(diào)節(jié)器，由1個(gè)PID調(diào)節(jié)器控制；站內(nèi)6條伴熱帶用6個(gè)功率調(diào)節(jié)器，由1個(gè)PID調(diào)節(jié)器控制，這2個(gè)PID調(diào)節(jié)器通過網(wǎng)絡(luò)通訊，由集氣站進(jìn)行集中控制。由于站外電伴熱系統(tǒng)放置在井口附近，距離集氣站較遠(yuǎn)，在有基站的情況下，可采取無線通訊，以節(jié)約投資。在集氣站系統(tǒng)計(jì)算機(jī)上顯示管道溫度，從而進(jìn)行溫度的設(shè)定，整套PID調(diào)節(jié)電伴熱控制系統(tǒng)配置如圖2所示。

4 PID調(diào)節(jié)電伴熱與常規(guī)電伴熱效果對(duì)比

無論管道溫度如何變化，常規(guī)伴熱帶都是恒功率工作。當(dāng)管道溫度比較高時(shí)，不需要很大的能量輸出，這時(shí)就會(huì)浪費(fèi)大量的電能，而且管道溫度變化也很大。采用功率控制器和PID調(diào)節(jié)器后，通過跟設(shè)定溫度的比較，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整輸出電壓，使管道溫度在設(shè)定溫度小范圍內(nèi)浮動(dòng)，直至保持一致，達(dá)到節(jié)能和溫度平穩(wěn)的效果。

伴熱控制系統(tǒng)通過站外來氣溫度或者節(jié)流后溫度作為被控對(duì)象，站外來氣或節(jié)流后的管道內(nèi)天然氣溫度和設(shè)定溫度比較，根據(jù)差值大小來控制功率調(diào)節(jié)器輸出電流大小。當(dāng)差值大時(shí)，功率調(diào)節(jié)器將輸出電流調(diào)大，保證控制管道的溫度；當(dāng)差值減小時(shí)，功率調(diào)節(jié)器將輸出較小電流，達(dá)到節(jié)能效果。PID調(diào)節(jié)器通過控制功率調(diào)節(jié)器輸出的電流，來控制伴熱帶的功率，這樣就可以控制管道伴熱的溫度始終在設(shè)定溫度值上。

5 結(jié)束語

根據(jù)大慶油田所處地理位置、自然環(huán)境和大慶油田深層氣田工藝特點(diǎn)等實(shí)際情況，針對(duì)集氣管道存在的保溫問題，以及目前管道保溫所采取的電伴熱措施存在的缺點(diǎn)，提出了一種有效的解決方法，即將PID調(diào)節(jié)器應(yīng)用在集氣管道的電伴熱調(diào)節(jié)上。與傳統(tǒng)的電伴熱系統(tǒng)相比較，雖然增加自動(dòng)控制溫度系統(tǒng)的投資，但大大減少了為避免極端工況時(shí)管道運(yùn)行的安全而提高電伴熱功率所浪費(fèi)的能源。從長(zhǎng)遠(yuǎn)投資來看，將PID調(diào)節(jié)器應(yīng)用到集氣管道電伴熱系統(tǒng)上，不僅節(jié)約了投資，實(shí)現(xiàn)了深層氣田工藝的安全、穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，更滿足了當(dāng)前日趨緊迫的節(jié)約能源的要求。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過程中取得了較好的保溫降耗效果，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，也為國(guó)內(nèi)同類型油田提供了參考和借鑒。

[1]李迎春.電伴熱在液化石油氣行業(yè)中的應(yīng)用[J].石油化工安全技術(shù)，2000（3）：10-12.

[2]王茂盛.自控溫電伴熱材料在儀表測(cè)量管線上的應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用，2007（5）：64-66.

[3]張亮.PID調(diào)節(jié)器在石灰窯煤氣流量控制中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代冶金，2015，43（6）：35-37.

[4]孫曉晴.鍋爐液位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015，28（6）：130-132.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.017

2016-07-15

（編輯 王艷）

圖2PID調(diào)節(jié)電伴熱控制系統(tǒng)配置

張淼，工程師，2008年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（測(cè)量技術(shù)與測(cè)試專業(yè)），碩士，從事儀表專業(yè)設(shè)計(jì)工作，E-mail：zhangmiao_dod@petrochina.com.cn；地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)大慶油田設(shè)計(jì)院儀表電信室，161100。