高寶元，譚歡，李強(qiáng)

(1. 中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安710018； 2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710018)

原油從地下抽出時(shí)，因受地層及空氣溫度的影響，其溫度逐漸降低，尤其是冬天原油在管道內(nèi)傳輸過程中，溫度降低的速度更快，從而在井口外的輸油管道內(nèi)壁上，很容易出現(xiàn)結(jié)蠟現(xiàn)象，減小了管線的有效直徑，增大了回壓，降低了傳輸效率和泵效，使得油井產(chǎn)量下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)把管線堵死，造成經(jīng)濟(jì)損失，增加生產(chǎn)成本。目前，長慶油田通過井場燃燒伴生氣加熱爐和燃煤加熱爐給井場原油加熱，加熱到一定溫度后才能輸送[1]。然而，大部分井場目前已經(jīng)沒有伴生氣，燃?xì)饧訜釥t已經(jīng)停用，燃煤加熱爐又污染環(huán)境，地方環(huán)保部門已要求停止使用。上述兩種加熱方法成本高，加熱效果差，污染環(huán)境，又不能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用伴熱帶加熱和各種電熱管加熱，伴熱帶熱效率低且損壞后維修困難[2]。

因此，亟需開展數(shù)字化井場原油電磁加熱解堵技術(shù)研究，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃?xì)饧訜釥t和燃煤加熱爐給原油加熱的設(shè)備[3]。

1 井場原油電磁加熱清蠟機(jī)理研究

電磁加熱是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換過程，由整流電路將50/60 Hz的交流電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓，再經(jīng)過功率控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為20～40 kHz的高頻電壓，當(dāng)高速變化的交流電流通過線圈時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生高速變化的磁場，磁場內(nèi)的交變磁力線通過大塊導(dǎo)磁又導(dǎo)電金屬時(shí)，金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使大塊金屬本身自行發(fā)熱，然后通過大塊金屬散發(fā)熱量來完成給物體加熱。原油加熱后，可改變分子排列結(jié)構(gòu)，使雜亂的分子團(tuán)變成極化的穩(wěn)定分子鏈，使蠟分子電中性化，失去脫離溶液而析出的能力，從而達(dá)到防蠟的目的。同時(shí)磁場會(huì)降低原油溶液的黏度，增強(qiáng)流動(dòng)性，有利于管線輸送。

2 電磁加熱裝置構(gòu)成

數(shù)字化井場原油電磁加熱裝置組成如圖1所示，該裝置主要由電磁加熱部分、變頻控制部分，數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控終端和保護(hù)輔助部分組成。電磁加熱部分包括加熱外殼、護(hù)線管、電磁線圈、加熱管、溫度傳感器和壓力傳感器；變頻控制柜和電磁線圈、溫度傳感器、壓力傳感器電連接；數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控終端和變頻控制柜電連接[4]。

圖1 數(shù)字化井場原油電磁加熱裝置組成示意

2.1 電磁加熱部分

電磁加熱部分內(nèi)腔采用筒狀水電分離結(jié)構(gòu)，非金屬防腐內(nèi)膽，內(nèi)部走水，外部纏繞高頻導(dǎo)線。該加熱部分采用電磁感應(yīng)渦流加熱技術(shù)，將柱形電磁線圈套入鋼管(外殼)內(nèi)部，形成閉合磁場，通電后線圈電流使鋼管迅速產(chǎn)生強(qiáng)烈磁滯渦流及磁阻效應(yīng)熱，該熱量是電磁加熱器的主要熱量；而線圈釋放的雜散磁場經(jīng)鋼管屏蔽吸收并產(chǎn)生圓環(huán)內(nèi)集膚效應(yīng)熱，再次用來直接加熱。電磁感應(yīng)加熱通過磁場能量直接使鋼管發(fā)熱，沒有熱傳遞過程，雙向發(fā)熱，且表面熱負(fù)荷低、不易炭化結(jié)焦。因此電磁加熱效率要比電加熱管效率高。電磁加熱部分總長為5 m，外徑為0.4 m，不影響各種掃線作業(yè)，承壓能力達(dá)10 MPa，蒸汽高壓掃線時(shí)無影響，內(nèi)部采用特殊結(jié)構(gòu)，高壓鋼球掃線時(shí)會(huì)疏導(dǎo)鋼球順利通過該裝置[5]。該裝置采用低進(jìn)高出、往復(fù)式加熱結(jié)構(gòu)，即低溫原油在管道壓力作用下，由進(jìn)入口流入，經(jīng)加熱管首次加熱后由尾端流出，經(jīng)護(hù)線管再次加熱后由外殼出液口流出，即可得到工藝要求的溫度。該裝置加熱時(shí)間長、受熱均勻、熱量利用率高[6]。

2.2 變頻控制部分

變頻控制柜主要由功率驅(qū)動(dòng)單元、中心控制單元和供電控制單元組成。

1)功率驅(qū)動(dòng)單元。功率驅(qū)動(dòng)單元與加熱線圈是設(shè)備能量轉(zhuǎn)換關(guān)鍵部分，不同功率的電磁加熱器的加熱線圈與功率驅(qū)動(dòng)單元有所不同。

2)中心控制單元。帶有雙路溫度采集和控制、雙路報(bào)警輸出與通信接口輸出，該控制單元能夠檢測加熱管道的出入口溫度，保證加熱管道內(nèi)溫度自動(dòng)運(yùn)行在設(shè)定工作溫度范圍內(nèi)，當(dāng)溫度高于上限報(bào)警溫度時(shí)設(shè)備自動(dòng)上報(bào)和控制輸出。

3)供電控制單元。通過變頻器，利用弱電控制強(qiáng)電，采用軟啟動(dòng)和軟關(guān)斷，保證裝置運(yùn)行平穩(wěn)。

變頻控制柜功率可變，根據(jù)季節(jié)不同采用不同檔位控制，當(dāng)夏天加熱時(shí)可將空氣開關(guān)斷開，以減小加熱功率。該裝置采用先進(jìn)的加熱技術(shù)和分檔位節(jié)能控制的方法，與傳統(tǒng)電阻式加熱器相比可節(jié)能20%左右。

2.3 數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控終端

數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控終端根據(jù)管道壓力、季節(jié)變化，遠(yuǎn)程智能增加或減少加熱功率，可達(dá)到節(jié)能30%以上的效果。

2.4 保護(hù)輔助部分

電磁加熱部分、變頻控制柜設(shè)置有多種保護(hù)功能，按保護(hù)級(jí)別分為二級(jí)(可復(fù)位)和一級(jí)即終級(jí)保護(hù)(不可復(fù)位)，保護(hù)動(dòng)作順序?yàn)橄榷?jí)保護(hù)動(dòng)作，二級(jí)保護(hù)失靈后一級(jí)保護(hù)動(dòng)作，一級(jí)保護(hù)動(dòng)作后，必須更換相關(guān)元件，才能恢復(fù)。

1)原油溫度保護(hù)。加熱裝置設(shè)有鉑熱電阻溫度傳感器，用于測量、監(jiān)控加熱溫度，并輸出溫度信號(hào)至變頻控制柜，由溫度控制系統(tǒng)控制電磁加熱器的運(yùn)行情況，從而控制加熱溫度。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，加熱器啟動(dòng)；高于設(shè)定值時(shí)，加熱器自動(dòng)停機(jī)或降低輸出功率[7]。

2)防干燒保護(hù)。一級(jí)保護(hù)失效后，電磁加熱器溫度持續(xù)升高，達(dá)到極限溫度時(shí)，內(nèi)部溫度保護(hù)動(dòng)作切斷控制電路電源，電磁加熱器停止工作，控制柜將無法正常啟動(dòng)。

3)漏電保護(hù)功能。當(dāng)變頻控制柜內(nèi)導(dǎo)線、絕緣件或連接動(dòng)力電纜及電磁加熱器本體，某一點(diǎn)發(fā)生漏電故障時(shí)，漏電電流大于或等于斷路器漏電設(shè)定值時(shí)，主漏電斷路器保護(hù)動(dòng)作切斷控制柜電源，從而防止故障擴(kuò)大化。漏電保護(hù)動(dòng)作電流分為200 mA， 300 mA與500 mA 3檔，可按實(shí)際需要選擇設(shè)定。

4)短路保護(hù)功能。當(dāng)控制柜內(nèi)導(dǎo)線、絕緣件、動(dòng)力電纜或電磁加熱器本體中某一點(diǎn)發(fā)生短路故障，其短路電流量大于25 kA時(shí)，斷路器瞬時(shí)保護(hù)跳閘。

5)過流保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)電壓大于標(biāo)稱電壓 10%或電纜導(dǎo)線絕緣阻值下降或電磁加熱器線圈有局部匝間短路等現(xiàn)象引起的系統(tǒng)電流增大，斷路器均保護(hù)跳閘[8]。

電磁加熱裝置具有數(shù)字化遠(yuǎn)程低溫、高溫報(bào)警功能，在變頻控制柜內(nèi)可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA溫度信號(hào)輸出，通過現(xiàn)場數(shù)字化遠(yuǎn)程控制終端(RTU)端口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，并配備現(xiàn)場實(shí)時(shí)低溫、高溫報(bào)警功能[9]。

3 電磁加熱裝置操作方法

將數(shù)字化井場原油電磁加熱裝置安裝完成后，啟動(dòng)抽油機(jī)油井，油井原油從裝置的進(jìn)口流入，從原油出口流出。按送電操作規(guī)程要求確認(rèn)安全后，將主電源空氣開關(guān)合閘；觀察控制柜儀表、信號(hào)燈以及柜內(nèi)是否正常，有無異常動(dòng)作；變頻控制柜工作，電磁加熱器開始工作，設(shè)定加熱溫度。當(dāng)溫度升高到設(shè)計(jì)上限溫度加熱器自動(dòng)停機(jī)，溫度降低到設(shè)計(jì)下限溫度加熱器自動(dòng)開機(jī)。開機(jī)20 s可使金屬管溫度達(dá)到100 ℃以上，熱效率高達(dá)98%以上。同時(shí)通過RTU實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)無人值守。當(dāng)該裝置出現(xiàn)故障后或不需要加熱時(shí)，就地或數(shù)字化遠(yuǎn)程控制停止工作。

4 技術(shù)參數(shù)

該裝置使用380 V，50 Hz電壓，功率為15～60 kW；采用自動(dòng)溫控方式，連接管道直徑為DN50～DN125，最大承載壓力為10 MPa；采用法蘭連接，頻率為0.05～20 kHz，管道總長為5 m，外徑0.4 m。

5 應(yīng)用效果

筆者參與研發(fā)的數(shù)字化井場原油電磁加熱裝置，2020年6月在長慶油田第三采油作業(yè)區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用，該裝置開機(jī)20 s后，達(dá)到設(shè)定的加熱溫度90 ℃，在同等條件下，比燃煤加熱爐和燃?xì)饧訜釥t加熱方式節(jié)能20%以上，預(yù)熱時(shí)間比燃煤加熱爐和燃?xì)饧訜釥t縮短50%～66.7%，增大了輸油管線壓差，提高了日輸油量。且在一定條件下降低了運(yùn)行成本[10]。該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)高效節(jié)能。該裝置開機(jī)20 s可使金屬管道溫度快速達(dá)到要求設(shè)定值。

2)性能穩(wěn)定。由于是電磁感應(yīng)加熱，磁力線能快速穿透保溫材料，不破壞管道保溫層。

3)降低費(fèi)用。該裝置采用線圈加熱，本身不會(huì)產(chǎn)生熱量，使用壽命長。

4)改善環(huán)境。該裝置具有內(nèi)向加熱的特點(diǎn)，因而外向熱損小，從而顯著降低工作環(huán)境溫度，達(dá)到較佳的環(huán)保效果。

5)操作方便。高頻電磁感應(yīng)加熱器安裝后接通電源即可，當(dāng)溫度升高到設(shè)計(jì)上限溫度，加熱器自動(dòng)停機(jī)；當(dāng)溫度降低到設(shè)計(jì)下限溫度，加熱器自動(dòng)開機(jī)。

6)安全可靠。電磁感應(yīng)制熱，水電分離；軟啟動(dòng)，軟關(guān)斷，無啟動(dòng)沖擊電流，避免因電壓波動(dòng)造成損壞；預(yù)設(shè)工作溫度，自動(dòng)控溫，多個(gè)感應(yīng)探頭及高溫主機(jī)自動(dòng)鎖定，如超過100 ℃主機(jī)自動(dòng)鎖定停機(jī)。

6 結(jié)束語

該裝置經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明，可代替現(xiàn)有的燃?xì)饧訜釥t、燃煤加熱爐給原油加熱、伴熱帶加熱以及各種電熱管加熱，進(jìn)行無熱源單向內(nèi)加熱，熱效率高，全面解決傳統(tǒng)電熱熱效率低、易損壞、維修困難的缺點(diǎn)[11]。該裝置技術(shù)先進(jìn)，智能化程度高，生產(chǎn)工藝簡單，應(yīng)用成本低，安全可靠，節(jié)能環(huán)保，達(dá)到了油井長期不結(jié)蠟安全高效運(yùn)行的目的，是數(shù)字化井場原油加熱發(fā)展的方向。