PID调节器在集气管道电伴热上的应用

2016-02-05张淼大庆油田工程有限公司

石油石化节能 2016年8期

张淼（大庆油田工程有限公司）

PID调节器在集气管道电伴热上的应用

张淼（大庆油田工程有限公司）

电伴热是目前采用的先进、有效的集气管道保温措施，缺点是当在介质温度变化时，电伴热系统无法作出供热调整。当供热不足时，会导致管线冻堵；当供热过量时会造成不必要的能源浪费。针对上述问题提出了一种解决方法，即在电伴热系统上应用PID调节器。此装置根据井口来气温度、节流后温度，控制功率调节器的输出电流，在保障集气管道伴热温度的同时，降低电伴热消耗的能源，实现了深层气田工艺的安全、稳定运行。通过现场实际应用表明，PID调节器在保温降耗方面效果显著，具有良好的应用前景。

集气管道；PID调节器；电伴热；功率调节器；节能降耗

1 大庆油田集气管道电伴热现状

大庆油田深层气田所采用的处理流程是：高压采气、伴热集输、集中加热、常温分离、轮换计量、集中脱水等。其中伴热集输部分是整个生产处理流程不可或缺至关重要的一步。由于大庆油田地处东北，冬季气温比较低，最冷月平均气温-18.5℃，油田采气管线在井口到集气站之间发生冻堵、冷凝现象。通常对该管线采取伴热措施，而为了保证极端工况下的管道安全运行，电伴热系统的功率需要考虑余量，运行时往往造成能源浪费。

电伴热是用电产生的热能来补充被伴热介质在传输过程中所散失的热量，从而保证输气管道内介质正常流动而不产生冷凝的温度。电伴热是沿集气管线方向在管线上均匀放热，它不同于在一个点或小面积上热负荷高度集中的电伴热[1]；电伴热温度梯度小，热稳定时间较长，适合长期使用；电伴热具有节约能源、热效率高、设计简单、施工安装方便、无污染、使用寿命长等优点，因此，目前工业上大多采用电伴热的方式，对管道和仪表进行保温。

电伴热基本是以金属电阻丝或专用碳纤维束结合导线及绝缘保护材料制成的各种发热元件(如电伴热环、电伴热带等)作为热源，安装在绝热层和管道(或设备)外壁之间对管线提供伴热，以维持在一定的温度范围内，达到保温和防冻的目的。由于电伴热的电热带是利用电热来补充集输过程中所散失的热量[2]，通常的电伴热为恒功率电伴热，能耗大，无法满足油田节能要求。

2 PID调节器工作原理

PID调节器即比例、积分、微分调节器，是对被调量与给定值的偏差分别进行比例、微分和积分运算，取其和构成连续信号以控制执行器的模拟调节器[3]。

PID调节以其响应速度快、调节动作迅速、余差小、根据偏差信号的变化趋势提前动作等优点[4]，成为工程实际应用最为广泛的调节器。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID调节就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。

3 PID调节器在天然气管道电伴热上的应用

大庆油田集气管道采用的普通电伴热系统，在介质温度变化时，无法作出供热调整，造成能源浪费，或无法达到温度要求。因此，将PID调节技术应用到天然气管道电伴热系统中，实现保证管道伴热温度的同时，降低电伴热消耗的能源，从而达到节能降耗的目的。在现场实际应用的过程中取得了良好的效果。

以汪家屯集气站新建6口井为例，由于井口气水化物形成温度在17.7～18.7℃之间，所以伴热温度设定为20℃。由于井口距集气站较远，将电伴热系统分为站外伴热带控制和站内伴热带控制。站外共计6条伴热带，由井口电源供电；站内共计6条伴热带，由集气站内电源供电。站内、外每条伴热带配置1个功率调节器。为了确保控制系统的安全，汪家屯伴热带控制系统中，每个伴热带功率调节器都安装了过热继电器，过载时自动停止功率调节器的运行。每个功率调节器的输出电流通过电流变送器反馈到集气站控制系统。

该6口井所属集气站已建了PLC控制系统，对井口来气温度、节流后温度进行采集，根据采集温度对电伴热系统进行调节，原理如图1所示。

图1 PID调节电伴热系统原理

集气站控制系统具有统一的网络通讯协议TCP/IP，将采集的井口温度通过以太网交换机传给站内PID调节器，PID调节器可以通过交换机与集气站系统进行通讯，获取井口和节流后温度，通过这些温度来控制功率调节器的输出。站外PID调节器与集气站控制系统之间的通信可以通过光纤传输，或者利用无线通讯模块将数据传输到附近已建的基站，再由基站传输到站内控制系统。站外6条伴热带用6个功率调节器，由1个PID调节器控制；站内6条伴热带用6个功率调节器，由1个PID调节器控制，这2个PID调节器通过网络通讯，由集气站进行集中控制。由于站外电伴热系统放置在井口附近，距离集气站较远，在有基站的情况下，可采取无线通讯，以节约投资。在集气站系统计算机上显示管道温度，从而进行温度的设定，整套PID调节电伴热控制系统配置如图2所示。

4 PID调节电伴热与常规电伴热效果对比

无论管道温度如何变化，常规伴热带都是恒功率工作。当管道温度比较高时，不需要很大的能量输出，这时就会浪费大量的电能，而且管道温度变化也很大。采用功率控制器和PID调节器后，通过跟设定温度的比较，系统会自动调整输出电压，使管道温度在设定温度小范围内浮动，直至保持一致，达到节能和温度平稳的效果。

伴热控制系统通过站外来气温度或者节流后温度作为被控对象，站外来气或节流后的管道内天然气温度和设定温度比较，根据差值大小来控制功率调节器输出电流大小。当差值大时，功率调节器将输出电流调大，保证控制管道的温度；当差值减小时，功率调节器将输出较小电流，达到节能效果。PID调节器通过控制功率调节器输出的电流，来控制伴热带的功率，这样就可以控制管道伴热的温度始终在设定温度值上。

5 结束语

根据大庆油田所处地理位置、自然环境和大庆油田深层气田工艺特点等实际情况，针对集气管道存在的保温问题，以及目前管道保温所采取的电伴热措施存在的缺点，提出了一种有效的解决方法，即将PID调节器应用在集气管道的电伴热调节上。与传统的电伴热系统相比较，虽然增加自动控制温度系统的投资，但大大减少了为避免极端工况时管道运行的安全而提高电伴热功率所浪费的能源。从长远投资来看，将PID调节器应用到集气管道电伴热系统上，不仅节约了投资，实现了深层气田工艺的安全、稳定运行的同时，更满足了当前日趋紧迫的节约能源的要求。在现场实际应用过程中取得了较好的保温降耗效果，展现了良好的应用前景，也为国内同类型油田提供了参考和借鉴。

[1]李迎春.电伴热在液化石油气行业中的应用[J].石油化工安全技术，2000（3）：10-12.

[2]王茂盛.自控温电伴热材料在仪表测量管线上的应用[J].石油化工应用，2007（5）：64-66.

[3]张亮.PID调节器在石灰窑煤气流量控制中的应用[J].现代冶金，2015，43（6）：35-37.

[4]孙晓晴.锅炉液位PID控制系统设计思路与实现[J].机电产品开发与创新，2015，28（6）：130-132.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.017

2016-07-15

（编辑王艳）