数控电加热带节能控制器的研制与应用

岳大伟（昆仑能源（大连）有限公司）

沈阳采油厂是全国最大的高凝油生产基地，其生产的原油以凝固点高著称，在集输过程中由于原油本身黏度大，联合站、计量站、单井点、井口管线大量应用电热带伴热，缠绕电热带总量达4.8×104m，每年冬季需要耗电280×104kWh，需要支付电费175多万元，电热带也因频繁损坏造成巨大经济损失。为解决能耗浪费和过热问题，曾经采用时间控制器代替人控制时间，但是时间温度控制器采取机械式的时间设置按钮，误差范围较大，时间设置控制范围宽，多次出现电热带批量损坏现象，另外恒功率电热带采取导线外包聚乙烯塑料，塑料外缠近于灯丝粗细的发热电阻丝，电阻丝与聚乙烯热膨胀系数不一致造成电阻丝损坏电热带失效，频繁起停造成电热带的发热丝位移变形、氧化脆弱、应力疲劳破坏[1]。因此，原有的粗放型温度控制，频繁升温、降温加热方式，已经不满足电热带伴热的工艺要求，迫切需要开发一套数控电加热带节能控制器。

1 数控电加热带节能控制器的研发

沈阳采油厂研发的数控电加热带节能控制器，由继电器、串口线缆、串行通讯接口、LED状态指示灯、变压器、单片机、微控器、时钟芯片、存储器、测温电阻、便携微机组成。

1.1 工作原理

数控电加热带节能控制器外壳内的变压器将220V的线电压，降成12V的电压，经过整流给单片机供电，单片机接收到测温电阻的温度信号，上限值设定为管内介质运行温度，下限值设定为介质凝点温度。如果温度达到控制下限值，驱动继电器接通三个输出接线柱，给电热带加热；当温度高于温度控制的上限后，驱动继电器断开三个输出接线柱，停止给电热带加热。单片机根据设置的采集频率，将通电及断电的平均时间间隔数据保存到存储器中，工作人员可以逐点进行数控节能控制器状态跟踪，打开每个串行通讯接口密封盖，通过串口数据线连接便携微机，用程序读取单片机内存储的温度及时间控制参数，分析加热带及数控节能控制器的工作状况，以确定最优的加热方案。

1.2 技术优势

数控电加热带节能控制器的设计结构新颖，设置方便，参数调整精准可靠，利用它可以对电热带加热进行精确的温度控制，由于没有外露的机械按钮，提高了装置防爆的可靠性，提高了油气集输管线电热保温和节能效果。另外，数据分析软件可以采取数据读取、数据分析、曲线绘图的方式，进行温度变化的对比分析，可以确定最优的节能方案。

2 现场应用情况

2.1 温度采集试验

沈二联脱水岗污水收油管线长度约35m，直径DN100，其作用为污水岗斜板除油罐不定时收油至脱水岗，停运前利用污水反复冲洗管线。2011年11月1日安装了数控电加热带节能控制器进行温度数据采集，管内介质温度在29～83℃之间变化，其中90h3min管线运行温度在29～51℃之间波动，4h 28min温度持续在44～83℃间持续上升，数控电加热带节能控制器记录温度与管线实测温度相符，见图1。

图1 沈二联脱水筒污水收油管线温度曲线

2.2 荷载运行试验

2011年11月10日，沈二联脱水岗安装一台数控电加热带节能控制器，温度设定为45℃带动现场负荷，管线长度为40m，管径为DN150。用温水模拟管壁温度，并联声光报警器进行状态指示，数控节能控制器开关工作正常，将微动开关设定为20℃，与其并联做为保险措施备用数控电加热带节能控制器试运行，48h内运行正常。11月13日又为其它5条管线安装了数控电加热带节能控制器，试验载荷运行均正常。

2.3 安装电表计量

2011年11月17日为6条线路安装了电表进行计量。由于每条管线对电伴热依赖程度不同，节能潜力也不一样。通过电表计量发现，同以往比较节电均在90%左右。

3 应用效果

经过半年的应用试验，技术人员认为该数控电加热带节能控制器实现了预期的设计目标，采集数据非常准确，运行故障率很低，完全能够满足生产需要，同时在以下四个方面效果突出。

3.1 节电效果显著

电热带原送电制度为送2h停2h，电热带平均日工作时间12h，日耗电量490kWh，采用数控电加热带节能控制器后，设定加热范围2～8℃，电热带平均日工作时间1.2h，日耗电64kWh，节电率达到86.9%，年可以节电42600kWh，节约电费26740元。如果全厂的电热带都改用数控电加热带节能控制器，年可节电243×104kWh，节约电费153万元。

3.2 实现数字化可控管理

以前检查电热带是否损坏的手段非常原始，只能靠通电后进行人工手摸判断，改进后在值班室即可掌控管线的运行温度、电热带的运行状态、耗电情况，出现损坏自动报警，还可通过互联网在任何地方进行监控管理，解决了电热带运行故障发现难的问题。

3.3 电热带使用寿命延长

该数控电加热带节能控制器有效改善了电热带过热工作和频繁启动状态，特别是单片机吸收PWM脉宽控制技术可使电热带启动缓慢升温，缓解发热丝与聚乙烯膨胀不一致造成的破坏。根据温度自动调节电热带的功率匹配管道的伴热要求，工作更加平稳，使恒功率电热带当做可自由设定工作温度的自限温电热带使用，节能方式更合理，在役寿命可达到原来的10倍[2]。

3.4 管理认识得到创新

在试验过程中发现，收油泵停运后管道散热时间很长可以不加热，这在采用时间控制时是不敢尝试的。收油降温阶段从69℃降到59℃仅需要3min，59℃降至49℃需要1h37min，49℃降至39℃需要2h52min。可见由于环境温度影响，电热带加热温度从低到高，热散失从小到大，速度从快到慢；加热停止管道散热温度从高到低，热散失从大到小，速度从快到慢。因此热散失速度的快慢也应是电伴热温度上下限值设定的一个重要参考因素。

4 结论及建议

采用数控电加热带节能控制器实现了地面管线加热保温自动精确控制，精准记录地面管线各种状态下的温度变化，有效节约了大量电能，并降低了电热带的损坏率；解决了传统温控器0～10℃盲区和温控固定差动值的影响，适用于运行温度范围差值很小条件下的应用。

由于高凝油油品的特殊性，采油工艺大部分采用电加热生产，耗电量大、生产成本高，目前温度控制采用粗放式手动控制模式，如果将该技术应用于电加热油井，既能实现精细化数字管理，又能创造巨大的经济效益[3]。

[1]闫石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006:35-41.

[2]马浩.电力电子技术[M].北京:科学出版社,2006:71-72.

[3]贾斐,廖林,韩鹏,等.电加热工艺的选择及配套应用[J].石油矿场机械,2004,33（增刊1）:89-91.