井场内穿式输油管线数字化加热系统研究及应用

高宝元，孙学萌，赵鹏

(1. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 钻采工程技术研究院，陕西 西安 710018；2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；3. 中国石油集团 川庆钻探工程公司，陕西 西安 710018)

目前，长庆油田井场原油需要先加热到一定温度后，才能通过输油管线向外输送，加热方式通过井场燃烧伴生气加热炉或燃煤加热炉实现[1]。然而大部分井场已经没有伴生气了，燃气加热炉已停用，燃煤加热炉又污染环境，不符合地方环保要求。这两种加热方法成本高，加热效果差，污染环境，输油管线在输送过程中不能实现数字化远程监控；输油管线外需采用伴热带加热，伴热带热效率低，且埋地管道损坏后维修困难，经常需要动大量土方[2]。

因此，亟需开展井场内穿式输油管线数字化加热系统研究，代替传统的燃气加热炉、燃煤加热炉给原油加热的方式及输油管道伴热带加热方式，收到了良好的经济效益[3]。

1 井场内穿式输油管线数字化加热系统构成

井场内穿式输油管线数字化加热系统，主要由变频控制器、数字化控制器和内穿式输油管线加热系统三部分组成[4]，如图1所示。

图1 井场内穿式输油管线数字化加热系统组成示意

1.1 变频控制器

变频控制器主要由功率驱动单元和供电控制单元组成，采用先进的加热技术和分档位节能控制的方法，与传统电阻式加热器相比可节能30%左右。功率驱动单元。功率驱动单元与加热电缆是设备能量转换关键部分，功率驱动单元采用变频器控制不同功率加热电缆进行工作，弱电控制强电，软启动，软关断，运行平稳，功率可根据环境温度变化采用档位控制。供电控制单元。由整流电路将50 Hz/60 Hz的交流电压转变成直流电压，再经过功率逆变控制电路将直流电压转换成频率为20～40 kHz的高频交流电压，当高频变化的交流电流通过加热电缆时，加热电缆会产生高速变化的磁场，磁场内的交变磁力线通过导磁又导电的大块金属时，金属体内产生无数的小涡流，使大块金属本身自行发热，然后通过大块金属散发热量来完成给所需物体加热[5]。

该变频控制器设置有多种保护功能，包括： 原油温度保护、漏电保护功能和短路保护功能。

原油温度保护： 加热原油设有铂热电阻温度传感器，用于测量、监控加热温度，并输出温度信号至变频控制器，由温控系统控制内穿式输油管线加热系统的运行情况，从而控制加热温度。当加热原油温度低于设定值时，该加热系统启动；高于设定温度值时，该加热系统自动停止加热或降低输出功率加热。漏电保护功能： 当加热电缆某一点发生漏电故障时，漏电电流大于或等于断路器漏电设定值时，主漏电断路器保护动作切断控制柜电源，从而防止故障扩大化。短路保护功能： 当加热电缆某一点发生短路故障，其短路电流大于25 kA时，断路器瞬时保护跳闸[6]。

1.2 数字化控制器

数字化控制器根据检测到的输油管线首末端温度、井口回压、电流、电源状态等数据智能控制加热，使加热系统始终处在最佳节能状态，保证输油管线内原油温度和井口回压自动运行在设定范围内，当高于上限报警温度或高于输油管线压力时自动控制输出功率停止加热。该控制器还提供全部数据的Modbus通信协议，用于远程监控[7]。

1.3 内穿式输油管线加热系统

内穿式输油管线加热系统采用加热电缆变频感应加热，变频电源给输油管线内穿加热电缆施加变频电流，并经输油管线金属管壁形成加热回路。结构上形成超长感应线圈，使输油管线感应发热，大幅降低了输送液阻力。由于发热源来自输油管线和输油管线内部，相较外敷伴热节能不小于15%，因此电缆加热效率要比电加热管效率高[8]。

加热电缆直径为6 mm，材质为硅胶。该硅胶加热电缆从内至外依次设置有纯铜线芯、内层特氟龙层、金属屏蔽层和特氟龙外层，加热时间长、受热均匀、热量利用率高。

2 加热方法

该输油管线数字化加热系统加热步骤如下：

1)加热电缆安装。先停止抽油机工作，在井口输油管线处和输油管线加热距离末端处再安装1个法兰，在井口输油管线法兰处插入加热电缆并沿着输油管线至加热距离末端法兰处穿出，并和输油管线进行短接后，再开启抽油机工作。

2)开始加热工作。当步骤1)完成后，按送电操作规程要求确认安全后，将主电源空气开关合闸；观察变频控制器和数字化控制器是否正常，有无异常动作；变频控制器开始工作，加热电缆开始加热，设定加热温度。当温度升高到设计值上线时变频控制器自动停机，温度降低至设计值下线时变频器自动开机。开机20 min可使输油管线管温达到50 ℃以上，热效率高达98%以上。

3)数据获取。当步骤2)完成后，监控室通过现场数字化控制器进行远程监控，并设置现场实时低温、高温和井口回压报警功能，实现无人值守。

4)停止加热。当井场内穿式输油管线数字化加热系统出现故障后或不需要加热时，就地或数字化远程控制加热工作停止。

3 系统特点

该输油管线数字化加热系统有如下特点：

1)具有防冻抗凝效果。整根输油管线内穿电缆可以实现防冻抗凝效果，即使停产也不影响该加热系统工作，或在投产前一定时间开启系统即可，避免了输油管线凝堵问题。

2)加热升温快，热效率高。高频型内穿式输油管线加热系统可以在50～200 m内实现20 kW的加热功率，可以代替井口电加热器实现原油加热升温。

3)防结蜡。输油管线自身发热，不易结蜡，而交变电磁场作用于油水也有防止石蜡与水垢结晶析出的作用。

4 现场应用

自主研发的内穿式输油管线数字化加热系统，自2021年8月在某采油厂作业区2个井场进行了现场应用， 该加热系统可代替现有的燃气加热炉、燃煤加热炉、伴热带和各种电热管加热原油的方式，实现了无热源单向内加热，热效率高，安全、环保、节能，全面解决了传统加热效率低、易损坏、维修困难的缺点，同时能数字化远程监控输油管线原油的温度和井口回压[9]。

5 结束语

内穿式输油管线数字化加热系统是继输油管线电加热器、输油管线电伴热、输油管线集肤加热系统之后开发的新型节能设备。相比之前的输油管线加热设备，能耗进一步降低，解决了现有输油管线加热维温设备能耗大、故障率高等不足，增强了稳定性[10]。该加热系统有如下优势：

1)高效节能。该加热系统本身不会产生热量，使用寿命长，由于发热源来自输油管线内部，相较于外敷伴热节能不小于15%。

2)安装简单。埋地管线改造不用破土即可安装，柔性内穿电缆降低了施工难度。

3)阻力小。输油管线(或导线)作为发热体，降低了输送与管壁之间的摩阻，即便输送原油低于凝点温度也可以达到非常好的流动性。

4)操作方便。加热电缆安装后接通电源即可，当温度升高到设定上限温度时该加热系统自动停止加热；当温度降低到设定下限温度时该加热系统自动开始加热。

5)调控性好。预设工作温度，自动控温，具有多个温度探头进行控制，当温度上升超过100 ℃时数字化控制器自动锁定保护，不再继续加热。该加热系统根据原油温度、井口回压智能控制加热，实现最佳节能状态下运行。