可控硅调功电加热器在油气田应用中的技术分析

2018-08-02，

石油化工设备 2018年4期

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(1.上海蓝滨石化设备有限公司，上海 201518； 2. 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州 730070)

电加热相对于传统的蒸汽加热、水浴炉加热以及海水换热等加热方式来说，具有快捷、清洁及易于控制等优点。电加热器可以直接加热工艺介质，也可以用来加热传热介质，再由传热介质将热量传递给工艺介质[1]。海洋平台上目前使用最多的是直接式电加热器，即直接加热工艺介质。

根据电能转换为热能的方式，电加热通常分为电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和电介质加热等[2]。在油气集输及燃料气处理中多采用的是利用电流焦耳效应的电阻加热方式，即电加热器内的电加热元件产生热量，通过强制对流的方式对介质进行加热。文中对油气田中应用最广的电阻式电加热器的结构组成及其基于可控硅调功原理的温控系统做了详细介绍。

1 电加热器简介

电加热器由电热集束、筒体、封头、支座、吊耳、进口接管及出口接管等组成，主要结构示意见图1。

图1 典型电加热器结构示图

通常，根据不同的应用场合，筒体上还设有几个管口，用于连接安全阀管线以及排污管线等。需加热的介质通过管道在压力作用下进入电加热器，沿着电加热器内部特定的且根据散热热力学原理设计的路径，带走电热集束表面散发出的热量，然后在电加热器出口完成一次满足工艺要求的换热过程。

1.1 电热集束结构

电热集束主要由接线腔室、汇集法兰、U形电热管束、固定网和温度控制部分组成，结构示意图见图2。

图2 电热集束结构示图

汇集法兰为U形电热管束提供了一个固定的支撑。U形电热管束与汇集法兰的焊接形式主要有套管焊接和直接焊接两种。套管焊接是指在U形电热管靠近法兰处，从法兰内侧到法兰外侧的一段距离外加套管，将套管焊接于法兰面上。直接焊接则不加套管，将U形电热管直接接触法兰面进行焊接，焊接的密封性能较好，但是对U形电热管材质以及焊接工艺要求较高，国内厂家直接焊接的经验较少[3]。

固定网位于电热集束后部，其目的是为了加强U形电热管束的固定，保证U形电热管束不弯曲变形而影响电加热器性能，且便于均匀加热介质，避免局部过热烧坏U形电热管束。

单根U形电热管主要由金属管、电热丝、氧化镁粉、接线柱、接线螺母及螺纹接头等零件组成，见图3。

图3 单根U形电热管结构示图

单根U形电热管具有耐高温、耐腐蚀及可承压的特性，可以通过直接接触被加热体或通过介质间接传热。螺旋状电热丝沿竖直金属管中心轴向均布，在电热丝和金属管的间隙内填充高密实度的结晶氧化镁粉，将竖直金属管通过缩管及弯曲处理成型后，对管口处进行封口密封，金属管两端引出接线柱。

电热丝采用铁铬铝电热丝或镍铬电热丝。工程应用中，常选用的是性能良好的高温镍铬合金电阻丝，此电阻丝具有耐温能力强、电阻率高、屈服强度高、抗氧化性好、抗硫化性好以及延伸性好的显著特点。其中，延伸性使得米电阻一致性误差一般控制在0.5%以内，确保了整个发热长度上发热均匀且热效率较高。

氧化镁粉填充料是从海水中提炼，经过超高温电熔结晶后再加工形成的高纯度氧化镁粉，具有良好的导热性、绝缘性和耐热性。

封口材料的作用是有效阻止U形电热管内电热丝和氧化镁粉吸收水分而受潮。U形电热管内若吸收过多的水分，在其通电使用时，水分受热蒸发成气体，气体积聚膨胀容易导致发生爆管现象。

1.2 可控硅调功器简介

可控硅是可控硅整流元件(Silicon Controlled Rectifier，SCR)的简称，是一种具有3个PN结的4层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管[4]。双向可控硅是一种特殊的可控硅器件，即硅5层3端器件，相当于2个单向可控硅反向并联。

将可控硅接在电源和加热器负载中间，配上相应的触发控制电路板就可以调整加到负载上的电压、电流，从而控制电加热器输出功率，在电路中能实现交流电无触点控制、以小电流控制大电流的目的。目前，电加热器温度控制系统主要采用可控硅调功器或是固态继电器两种，二者均以可控硅为主要部件而制作。其区别在于可控硅调功器有自带的控制模块，而固态继电器需配同步触发驱动。固态继电器只能控制输出为通态或断态，控温精度差。大功率固态继电器散热效果不是很好，容易受主电压不平衡波动影响造成内部元件损坏，过载能力较差，发生短路时很容易被击穿，移相调压时产生谐波较大，对电网冲击污染有较大影响。通常固态继电器选型时必须加大功率要求，由此增加了不必要的成本。

可控硅调功器是应用可控硅及其触发控制电路调整负载功率的盘装单元，一般由触发板、可控硅模块、专用散热器、风机及外壳等组成，核心部件是控制板和可控硅模块[5]。可控硅调功器有2种调节功率方式，一种是通过改变触发角的大小，只导通正弦波的一部分，即移相调压技术，2只可控硅分别在电源的正半波和负半波轮流导通[6]，控制级触发脉冲的触发时刻不同则加热器输出功率不同。另一种是在正弦波的零点触发，通过调节完整的正弦波个数从而达到调节功率的目的，即过零调功技术。

过零调功技术可以分为定周期过零调功和变周期过零调功，定周期是在固定的周期内，通过改变输出的交流电周波数来达到控制输出功率的目的，变周期是通过改变通断正弦波的周期来调整输出功率。由于可控硅导通瞬间容易产生电压畸变，移相调压型触发方式会对电网产生谐波污染[7]。因而在油气田工程项目中，多采用过零调功型电加热器。

可控硅调功器可以实现温度的连续调节，相比于固态继电器，具有控温精度高、温度波动小、消耗功率低、效率高、节能、响应速度快、运行时噪声小及寿命长等显著特点，近年来得到了广泛应用。

2 电加热器温控系统

电加热器温控系统主回路由断路器、熔断器及电加热器负载构成。采用继电控制电加热器的启停，同时为主回路配置电流表、电压表用以测量、观察三相电源电压和电流，其主回路设计示意图见图4。

图4 电加热器主回路设计示图

电加热器温度系统的关键设备之一为可控硅调功器，一般与带0～5 V、4～20 mA的智能PID(Proportion-Integral-Derivative)调节器或PLC(Programmable Logic Controller)配套使用[8-9]。

温度变送器设置于设备或出口管线处，温度变送器采集加热后的介质温度信号并送至智能调节器或直接至PCS(Process Control System)进行PID整定后，输出4～20 mA信号给可控硅调功器控制模块。可控硅调功器根据4～20 mA电流信号大小调节加热器输出功率，实现0～100%的连续调功，使加热器的介质温度保持恒温[10-11]。接线腔室内安装1个温度开关，温度传感器套管安装在电热元件集束外侧表面，用以检测加热芯管壁温度信号，防止设备过高温。

某燃气电加热器项目电加热器控制回路设计见图5。

图5 电加热器控制回路设计图

温度开关设定高高温度值。当加热芯电热元件温度超过高高温度值时，温控开关输出后到达控制柜，在控制柜上实现声光报警，并停止加热器。

3 工程应用

3.1 250 kW燃料气电加热器

此250 kW燃料气电加热器2017年用于位于南海北部海域的东方13-2气田群开发工程项目，年平均最低环境温度为13.2 ℃、最高35.1 ℃，年平均相对湿度在40.9%～100%，年平均风速59.6 m/s。

来自过滤器的燃料气介质经加热器橇处理后送至分配总管。燃料气加热器橇设2台负荷250 kW加热器，电加热器设计压力为4.6 MPa，进口工作温度为0～5 ℃，出口温度为40～60 ℃，设计温度为-36.0～90.0 ℃。基于加热器用电功率对平台负荷影响很小，其启动、停止不会造成平台电力系统明显不稳定，电压、频率波动均在正常范围内。因而，选用了可控硅电加热器。

调功器、温度传感器和电加热器构成闭环控制系统，当电加热器温度大幅度低于设定值时，调功器连续全输出，随着温度上升，调功器向电加热器供给功率相应减少，温度向设定值逼近时，调功器输出一定的微小功率，保持热元件的发热和电加热器散热的平衡，电加热器温度几乎保持不变[12]。此加热器占地空间少、操作简便、不产生燃烧废气，有效解决了节能环保问题，可为燃料气处理装置安全稳定运行提供保障。

3.2 500 kW生产电加热器

此500 kW生产电加热器2014年用于位于渤海南部海域的垦利10-4油田开发项目，年平均环境温度最低为-10 ℃、最高36.5 ℃，年平均相对湿度在32%～90%，区域级别GLASSⅠZONE 2 GROUPⅡA。

原油介质来自生产测试管汇，经生产加热器处理后送至清管发射装置及开排、闭排系统。生产电加热器橇设1台负荷500 kW电加热器,电加热器设计压力为2 000 kPa(G)，进口工作温度为57～69 ℃，出口温度为72 ℃，设计温度为102 ℃。

变周期方式调功输出的正弦波是均匀分布的，在正弦波的零点触发，对电网没有污染，功率因数高，恒阻性负载一般都采用这种触发方式[13-15]，且橇块空间有限，加热器温度调节要求较高，进出口温差小。所以，加热器类型选用可控硅电加热器，以此保证原油的流动性，防止过低温度造成原油凝结和管阻增大。

加热器功率未能影响到平台发电设备选型，由此可以避免电力设备增容，平台电源利用率高，无危险气体产生，十分适用于危险区域，对恶劣环境适应性良好，仪表用量少，节约成本。工人操作难度几乎降低至零，设备工作现场清洁，电加热器升温速度快，出口温度满足设计要求。

3.3 其他

近年来，可控硅调功技术应用到了多项工程项目中，如曹妃甸11-1Ⅱ期项目原油加热器，绥中36-1项目原油加热器，蓬莱19-3项目柴油加热器，渤南Ⅱ期项目天然气原油加热器、生产电加热器、测试电加热器，荔湾3-1项目燃气加热器，垦利3-2项目燃气加热器、计量加热器，齐鲁石化导热油加热器，乐东22-1密封气加热器等。前期均通过了调试，顺利投产，后期均工作正常，在降低黏稠度、促进雾化燃烧、获得预期介质温度等方面均达到工艺指标，为油气处理工艺系统、辅助工艺系统等的生产条件及效率提供了保障，增加了经济效益。