自动温控水套加热炉应用探讨

陈祥 陈建润（西南油气田分公司重庆气矿）

1 背景介绍

五百梯气田增压东站隶属于重庆气矿开州采输气作业区，位于重庆市开州区义和镇渔龙村十组，是一座集采、集、输、增压、配气功能为一体的大型增压集输站，属一级特类井站。增压东站于2010年10 月3 日正式投运，站内共有分体式压缩机组4台，装机总功率4 780 kW，设计增压处理规模为183×104m3/d。

增压东站2020 年初安装一套撬装自动温控水套加热炉，对站内压缩机组燃料气进行保温。其型号为YXL-GS200，规格型号为KD-STB-32/125II，燃料气设计压力0.05～0.1 MPa，燃料气工况流量为3.0 m3/h。

实施水套加热炉温控系统改进，能够利用水套炉温控系统进行自动控制燃料气用量，自动控制被加热介质温度，减少天然气的消耗。并且通过火焰监测功能，可以避免水套加热炉熄火后，天然气泄漏造成的火灾、爆炸等危害。同时，解决了依靠人工巡检水套炉加热系统，有效地对水套炉水温及被加热介质温度参数进行动态监控[1-4]。经过整理分析一年的生产运行数据，自动温控功能真实有效，应用效果良好。

2 自动温控水套加热炉工作原理

水套加热炉是一种间接火筒式加热器，它的燃料通过燃烧器在浸没于炉体下部的火筒内燃烧，燃料燃烧所产生的火焰和热烟通过火筒壁传递到炉内的浴液中去，然后浴液把设置在炉体上部的加热盘管内的介质进行加热[5]。传统的天然气场站水套加热炉加热系统只针对水套炉水温进行监测，由站控SCADA 系统编程设置温度上下限报警值，站场值班人员通过报警情况对水套炉进行问题排查、分析以及处理。该方式由于无法自动对水套炉温度进行控制，值班人员需频繁调整水套炉火焰燃烧大小，同时也会出现水套炉水温超低或超高及水套炉熄火等现象，引发火灾、爆炸等次生事故。另外，被加热介质因温度无法达到工艺要求，会形成水化合物或冰堵现象，直接影响机组正常运行。

自动温控水套加热炉加热系统充分考虑了工艺、设备、仪表、电气、控制等环节因素，采用国产全自动燃烧器，其具有多重保护装置，能够保证系统安全可靠运行，并实现异地监控功能。水套炉热负荷的调节范围从以前的10%左右扩大到60%，极大地适应了油气田实际生产工况的不稳定性和差异性。通过对水套炉液位、水温、被加热介质出炉温度的参数设置，自动启停水套加热炉燃烧器自动点火装置、火焰燃烧控制电磁阀开关及调节阀开度，保证水套加热炉水温与被加热介质温度满足增压机组燃料气的使用条件。

2.1 全自动水套炉加热系统监测控制单元

传统的水套加热炉因监测控制功能的局限性，缺少多种监测控制设备[6]。自动温控水套加热炉监测控制单元较多，具有数据采集、数据分析、控制指令下发及反馈等工作模式，通过对燃料气压力、水套炉水温、火焰监测、被测介质温度等参数的数据采集，并对其分析计算，对燃料气电磁阀开关、调节阀PID控制调节，达到稳定的浴液环境及出炉被测介质温度[7]。自动温控水套加热炉总体工作流程如图1所示。

图1 自动温控水套加热炉总体工作流程

1）燃料气自动点火单元。水套加热炉燃料气自动点火系统，可实现远程自动点火与现场一键点火功能。同时通过火焰监测，判断分析燃料气火焰燃烧情况，全自动执行燃料气自动点火功能[8]。

2）燃料气配风控制单元。水套加热炉燃烧器与鼓风机进行联动，保证了水套炉运行效率，提高了燃料气燃烧效果。通过燃料气电磁阀开关、调节阀开度反馈，燃料气鼓风机配风控制单元对风机运行功率进行相应的增大与减小，减少燃料气燃烧不完全而产生的碳排放，将完全燃烧后的尾气随烟冲排放至大气中。空气与燃料气混合燃烧见图2。

图2 空气与燃料气混合燃烧

3）燃料气电磁阀开关、调节阀开度控制单元。水套加热炉被测介质出炉温度设置在一定温度的前提下，调节燃料气调节阀开度，调节燃料气燃烧火焰大小，将被测介质温度保持在一定温度范围内，而使整个加热系统达到一种平衡的临界状态。当被测介质温度高于临界状态值时，燃料气调节阀开度减小或者切断燃料气电磁阀；当被测介质温度低于临界状态值时，燃料气电磁阀开启点火加热或者调节阀开度增大[9]。

4）燃料气火焰监测单元。水套加热炉被燃料气火焰监测系统检测到熄火后，燃料气自动点火系统启动。

5）燃料气内漏监测单元。水套加热炉具有阀门内漏测试功能，在电磁阀关闭后，通过压力变送器检测电磁阀及调压阀之间的压力，当开关调节阀后，压力值上升，则判定电磁阀内漏；当开关调节阀后，压力值下降为零，则判定电磁阀无内漏。

2.2 基于PID控制算法

目前，国内的加热炉温控系统一般采用简单的PID 控制算法其具体算法见图3。加热炉自控温控系统是一种温度PID调节器，在加热炉温度的控制中取得了较好的应用效果。PID 控制集比例、积分、微分三者之长，既消除了余差，也具有微分的超前控制功能。具有控制及时的特点，减少调节时间和上升时间[10]。PID控制仿真图见图4。

图3 PID控制算法

图4 PID控制仿真图

2.3 减少班组巡检操作工作量

通过自动温控水套加热炉系统改造，班组可以在上位机SCADA 系统及现场触摸控制面板上进行相关参数设置及控制。通过对加热系统各参数的设置，达到全面自动化监视控制的功能，减少了班组巡检、操作工作量，真正达到智能化管理的水平，上位机控制系统见图5。

图5 上位机控制系统

3 现场应用

3.1 改造前后能耗数据比对

该项目已于2019 年12 月建设完成并通过竣工验收，因增压东站水套加热炉均在冬季时使用，所以选取2019年1—3月与到2020年1—3月的水套炉天然气消耗量及增压机组燃料气消耗量进行对比，改造前后天然气能耗对比见表1。

表1 改造前后天然气能耗对比

通过数据比对，2019 年1—3 月与2020 年1—3月单耗差平均为41.115 7 m3/104m3。2019年1—3月水套加热炉处理单位机组耗气量单耗均值为108.038 2 m3/104m3。2020 年1—3 月水套加热炉处理单位机组耗气量单耗均值为66.922 6 m3/104m3，能耗消耗水平进一步得到改善。

3.2 重点用能设备绩效参数确定

根据改造前后能耗数据比对，确定了自动温控水套加热炉加热系统有助于作业区节能减排管理方针、政策。该水套炉加热系统确定了浴液温度控制范围为（60～90）℃，被测介质出炉温度为25 ℃，水套加热炉燃料气供气压力为0.03 MPa。该绩效参数的确定，有力于水套加热炉在最佳使用工况下，能够满足增压机组燃料气加热的需求，并减少了水套加热炉的燃料气消耗。

4 应用效果评价

通过公式（1）计算出增压东站在使用自动温控水套加热炉期间产生的节能价值量，见表2。

表2 节能价值量计算

W=P×E（1）式中：W为节能价值量，万元；P为天然气单价，万元/104m3；E为节能量，104m3。

增压东站在2020 年1—3 月期间节能量合计为0.417 3 m3，获得的经济效益价值合计为0.585 7 万元，折合5.55 t(标煤)。

5 结论

综上所述，实施水套加热炉温控系统改造，在保证水套加热炉正常运行的前提下，在预先设定被测介质温度后，能够利用水套炉温控系统进行自动控制燃料气用量，自动控制被加热介质温度，减少天然气的消耗，并且通过火焰监测功能，避免水套加热炉熄火后，天然气泄漏造成的火灾、爆炸等危害。解决了水套炉加热系统依靠传统的员工巡检，来定期调整水套炉火焰燃烧大小和配风系统的工作强度，有效地对水套炉水温、燃料气压力与被加热介质温度参数的动态监控及设置。达到了能量交换过程中的最优工作控制条件。