張延堂，馬青峰，王濤

(中國(guó)石油西部管道 新疆輸油氣分公司，烏魯木齊 830000)

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利用流量計(jì)信號(hào)對(duì)加熱器進(jìn)行控制

張延堂，馬青峰，王濤

(中國(guó)石油西部管道 新疆輸油氣分公司，烏魯木齊 830000)

天然氣輸送過(guò)程中從高壓到低壓，需要從外界吸收熱量，使管線的溫度迅速下降，因而需要對(duì)管線加熱。由于天然氣分輸是間斷分輸，用調(diào)壓后的天然氣溫度控制加熱器工作，經(jīng)常出現(xiàn)超溫報(bào)警，加熱器停止運(yùn)行，會(huì)造成天然氣管線冰賭，設(shè)備運(yùn)行存在隱患。為了解決該問(wèn)題，在站場(chǎng)控制PLC程序中，加入流量計(jì)的流量信號(hào)參與加熱器的控制，實(shí)現(xiàn)了電加熱器的可靠控制，提高了天然氣分輸工作的可靠性，使天然氣夜間分輸、冬季分輸?shù)陌踩禂?shù)得到提升。

天然氣分輸站 加熱器 流量 溫度 PLC程序

作為代替煤炭的清潔能源，天然氣在國(guó)家“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃中起著關(guān)鍵的作用。以西氣東輸二線工程為代表的長(zhǎng)輸管道在國(guó)家的大力推動(dòng)下逐步形成了縱貫?zāi)媳?、橫貫東西和聯(lián)通海外的全國(guó)性供氣網(wǎng)絡(luò)，形成了“西氣東輸、緬氣北上、海氣登陸、就近外供”的供氣格局。天然氣分輸站是長(zhǎng)輸管道直接面對(duì)地區(qū)供氣的窗口，是直接關(guān)系百姓民生的重點(diǎn)工程，因此天然氣分輸站的優(yōu)化、改進(jìn)是十分必要的。

1 哈密天然氣分輸站簡(jiǎn)介

1.1 投產(chǎn)情況

哈密天然氣分輸站，是西氣東輸二線工程行至新疆哈密地區(qū)所建設(shè)的一個(gè)高壓天然氣分輸工程。目前日分輸量在5×104m3以上，總計(jì)分輸量已達(dá)3×107m3，極大地惠及了哈密地區(qū)民眾。

1.2 工藝流程簡(jiǎn)介

該分輸站主要包括分輸流程和越站流程，主要設(shè)備包括2路臥式過(guò)濾器、2套調(diào)壓加熱裝置。分輸站流程如圖1所示，通過(guò)過(guò)濾、加熱、調(diào)壓等工藝程序，將高達(dá)12MPa的天然氣降至5.5MPa左右，輸送至哈密新捷燃?xì)夤尽?/p>

1.3 電加熱器的重要性

由工藝流程可知，高達(dá)12MPa的天然氣從管徑1219mm的干線引出，經(jīng)過(guò)濾、調(diào)壓至5.5MPa。該過(guò)程中壓力變化巨大，根據(jù)能量守恒定律，天然氣從高壓到低壓，需要從外界吸收熱量，天然氣及所在管線的溫度迅速下降。特別是在冬天室外溫度極低的情況下，天然氣經(jīng)過(guò)調(diào)壓后溫度可降至零度以下，所以必須對(duì)調(diào)壓前的天然氣進(jìn)行加熱，否則會(huì)出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象，對(duì)分輸產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖1 哈密天然氣分輸站工藝流程示意

2 電加熱器工作原理

2.1 電加熱器的加熱原理和溫控方式

哈密天然氣分輸站采用2臺(tái)30kW電加熱器進(jìn)行加熱，一備一用。加熱器為立式結(jié)構(gòu)，殼體設(shè)計(jì)壓力為13.2MPa，按三類容器設(shè)計(jì)制作。加熱器殼體中有9根換熱管，每3根為1組，分別用3個(gè)接觸器控制。加熱器運(yùn)行后，電熱元件首先將導(dǎo)熱油加熱，然后將換熱管加熱，再將熱量傳給在殼體內(nèi)流動(dòng)的天然氣，熱量從內(nèi)向外的傳遞方式，傳熱效率非常高。

電加熱器的溫度控制通過(guò)REX-RD900溫度調(diào)節(jié)儀的控制柜實(shí)現(xiàn)。30kW電加熱器采用單回路全功率調(diào)節(jié)方式，來(lái)自調(diào)壓撬下游的溫度信號(hào)，經(jīng)配電隔離器傳輸至溫度調(diào)節(jié)儀，該溫度調(diào)節(jié)儀經(jīng)PID運(yùn)算輸出4～20mA控制信號(hào)觸發(fā)可控硅調(diào)整器的導(dǎo)通，使加熱器投入工作，并實(shí)現(xiàn)加熱器輸出功率的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。該溫度控制為SCR無(wú)級(jí)調(diào)功方式，可使電加熱器輸出功率從0～100%無(wú)級(jí)調(diào)控，加熱器出口溫度可控制在設(shè)定溫度±5℃范圍內(nèi)。

2.2 電氣控制柜組成

電加熱器配套的控制系統(tǒng)為RKW-100/1LN電熱控制柜，其主電路由空開(kāi)、可控硅調(diào)整器、交流接觸器組成，控制電路由溫控儀表、安全配電隔離器、中間繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、按鈕組成。

2.3 電加熱器的控制方式

電加熱器控制系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)/自動(dòng)2種控制模式，控制模式的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)置在儀表間內(nèi)的電加熱控制柜上。

1) 當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處于手動(dòng)位置時(shí)，可手動(dòng)控制啟停電加熱器。具體過(guò)程：當(dāng)啟動(dòng)手動(dòng)按鈕，主控電路中的可控硅調(diào)整器接到手操器的信號(hào)，加熱器投入運(yùn)行，該過(guò)程加熱器啟停均需人為控制。

2) 當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處于自動(dòng)位置時(shí)，站控遠(yuǎn)程控制按鈕啟動(dòng)，接觸器吸合，主控電路中的電力調(diào)整器得到溫度調(diào)節(jié)儀表輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)，加熱器自動(dòng)進(jìn)行加熱。加熱器控制設(shè)備根據(jù)測(cè)量溫度對(duì)加熱器進(jìn)行自動(dòng)啟/?？刂?，并且自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱器的輸出功率。該控制設(shè)備應(yīng)能夠根據(jù)調(diào)壓橇出口溫度反饋信號(hào)對(duì)加熱器進(jìn)行自動(dòng)控制，以保證調(diào)壓橇下游溫度滿足需要。

2.4 電加熱器安全保護(hù)

為了保證安全，電加熱器的控制柜設(shè)置了溫度保護(hù)措施。當(dāng)加熱溫度達(dá)到設(shè)定的溫度值時(shí)加熱器自動(dòng)停止加熱，一般調(diào)整調(diào)壓撬出口溫度為15℃，加熱器為間接結(jié)構(gòu)，電熱元件先將導(dǎo)熱油加熱再通過(guò)導(dǎo)熱油將熱量傳遞給換熱管將介質(zhì)加熱，因而加熱器上部的導(dǎo)熱油腔內(nèi)設(shè)有2個(gè)溫度保護(hù)裝置對(duì)導(dǎo)熱油進(jìn)行保護(hù)，其中1個(gè)作為一級(jí)保護(hù)，其溫度設(shè)定值為150℃，另一個(gè)作為二級(jí)保護(hù)，其溫度設(shè)定值為180℃。當(dāng)導(dǎo)熱油溫度大于150℃時(shí)，加熱器一級(jí)保護(hù)程序啟動(dòng)，控制柜接觸器斷開(kāi)，加熱器停止運(yùn)行，控制柜指示燈亮，發(fā)出報(bào)警指示信號(hào)；當(dāng)導(dǎo)熱油溫度大于180℃時(shí)，二級(jí)保護(hù)程序啟動(dòng)，控制柜空開(kāi)斷電，并發(fā)出報(bào)警聲音信號(hào)。若此時(shí)需要加熱器繼續(xù)工作，需由工作人員解除故障，空開(kāi)恢復(fù)后才能繼續(xù)進(jìn)行加熱。

3 加熱器控制的不足之處

從理論上來(lái)看，哈密天然氣的電加熱器結(jié)構(gòu)合理、控制程序合理。然而下游新捷燃?xì)夤静⒉皇沁B續(xù)不停地接受天然氣，而是根據(jù)CNG車輛的實(shí)際情況來(lái)決定實(shí)際分輸情況，這是不容忽視的實(shí)際問(wèn)題。

當(dāng)有CNG車輛到該公司裝載天然氣時(shí)，通過(guò)壓縮機(jī)從管道內(nèi)向CNG車輛裝載天然氣。當(dāng)車輛裝滿后，壓縮機(jī)停止運(yùn)行；若此時(shí)有下一輛CNG車來(lái)裝載天然氣，那么重新啟動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行裝車；若沒(méi)有車輛則停止裝載，而一旦停止裝載，就會(huì)導(dǎo)致該站的調(diào)壓閥自動(dòng)關(guān)閉，停止分輸。倘若此時(shí)調(diào)壓后的溫度并沒(méi)有達(dá)到加熱器停止運(yùn)行的溫度，那么加熱器就會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。因?yàn)榇藭r(shí)管道內(nèi)的天然氣不流動(dòng)，所以天然氣的溫度在加熱器內(nèi)部會(huì)迅速升高，導(dǎo)熱油溫度迅速達(dá)到導(dǎo)熱油一級(jí)保護(hù)溫度150℃，從而導(dǎo)致電加熱器停止加熱。雖然加熱器停止工作，但加熱器的溫度不會(huì)停止上升，因?yàn)榧訜嵩臏囟群芨?，天然氣不流?dòng)，沒(méi)有將熱量帶走，導(dǎo)熱油溫度繼續(xù)升高，導(dǎo)熱油的溫度可能達(dá)到二級(jí)保護(hù)溫度180℃，就會(huì)造成加熱器空氣開(kāi)關(guān)跳閘(生產(chǎn)分輸中出現(xiàn)過(guò)數(shù)次該狀況)。

如果加熱器空氣開(kāi)關(guān)跳閘，新捷燃?xì)夤鞠麓螁?dòng)壓縮機(jī)裝車時(shí)，調(diào)壓撬調(diào)壓閥自動(dòng)打開(kāi)，開(kāi)始調(diào)壓分輸，天然氣溫度下降。電加熱器不會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，導(dǎo)致管線溫度隨著天然氣調(diào)壓溫度迅速降低，就可能出現(xiàn)管線冰堵的情況，尤其是在室外溫度極低的冬季，冰堵概率非常大，2013年12月投產(chǎn)初期新捷公司管道就出現(xiàn)過(guò)2次冰堵事件。

為了避免此類情況的出現(xiàn)，計(jì)量輸送員必須時(shí)刻關(guān)注電加熱器運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)加熱器出現(xiàn)超溫報(bào)警導(dǎo)致空氣開(kāi)關(guān)閉合，需重新將加熱器投入運(yùn)行。因?yàn)镃NG車輛裝載天然氣時(shí)間分布不均，且晚間裝載較多，所以計(jì)量員每天需要數(shù)次閉合加熱器空氣開(kāi)關(guān)，既嚴(yán)重加大了員工的工作強(qiáng)度，也對(duì)分輸站設(shè)備及管道安全運(yùn)行造成重大安全隱患。

4 加熱控制程序改進(jìn)方案選擇

要解決該問(wèn)題，就需要從加熱器控制原理和實(shí)際分輸?shù)那闆r考慮。首先從控制的角度考慮為管線加裝1個(gè)流量開(kāi)關(guān)，通過(guò)流量開(kāi)關(guān)的實(shí)際檢測(cè)值來(lái)判斷分輸情況，從而對(duì)加熱器進(jìn)行自動(dòng)控制。然而，若加裝流量開(kāi)關(guān)，必然要對(duì)加熱器本體進(jìn)行切割和焊接、對(duì)管線天然氣進(jìn)行氮?dú)庵脫Q、需要進(jìn)行開(kāi)挖布線，這樣不僅需要?jiǎng)踊鹱鳂I(yè)，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，且投入資金不菲。

從分輸站整體數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)控制信號(hào)的角度考慮，加熱器遠(yuǎn)程控制啟、停信號(hào)，從SCADA進(jìn)入可編程控制器(PLC)，再?gòu)腜LC到加熱器。流量計(jì)的流量信號(hào)也進(jìn)入了PLC，再?gòu)腜LC進(jìn)入站控SCADA上位機(jī)進(jìn)行顯示。理論上可以通過(guò)改進(jìn)PLC程序，利用流量計(jì)的流量信號(hào)對(duì)加熱器進(jìn)行控制。

每次分輸，新捷燃?xì)夤径际峭ㄟ^(guò)壓縮機(jī)為CNG罐車充壓，管線壓力隨著壓縮機(jī)的抽氣而下降，哈密天然氣分輸站調(diào)壓閥自動(dòng)打開(kāi)，同時(shí)流量計(jì)開(kāi)始計(jì)量，當(dāng)裝車結(jié)束后，壓縮機(jī)停止運(yùn)行，哈密天然氣分輸站調(diào)壓閥自動(dòng)關(guān)閉。該公司有2臺(tái)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)輸量為3000m3/h。若1臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行，輸量為3000m3/h左右，若是2臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行則是6000m3/h的輸量。從圖2可以看出，天然氣分輸開(kāi)啟后，加熱器應(yīng)處于工作狀態(tài)，因?yàn)樵诹髁枯^小時(shí)天然氣的節(jié)流降溫效應(yīng)不明顯，所以選擇天然氣流量大于300m3/h，作為啟動(dòng)加熱器的條件。

對(duì)現(xiàn)有的SCADA的PLC程序進(jìn)行恰當(dāng)修改，在原來(lái)的控制程序上加入了1個(gè)比較關(guān)系的邏輯程序。當(dāng)流量計(jì)流量小于300m3/h，加熱器停止加熱；當(dāng)流量大于300m3/h，加熱器啟動(dòng)加熱。原來(lái)啟動(dòng)站控機(jī)上的啟動(dòng)按鍵后，電加熱立即啟動(dòng)?，F(xiàn)在啟動(dòng)站控機(jī)上的啟動(dòng)按鍵后，加熱器不會(huì)立即加熱運(yùn)行，必須通過(guò)邏輯比較，符合啟動(dòng)條件之后加熱器才會(huì)加熱運(yùn)行。

圖2 流量變化瞬時(shí)趨勢(shì)示意

5 結(jié)束語(yǔ)

從2014年11月27日對(duì)哈密天然氣分輸站電加熱器控制程序改進(jìn)至今，電加熱器運(yùn)行經(jīng)受住了時(shí)間、天氣和實(shí)踐的考驗(yàn)。自改造之后，天然氣分輸過(guò)程中再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)凍堵事件，有效地保障了哈密地區(qū)清潔能源的供給；不僅節(jié)約了增加流量開(kāi)關(guān)的投資，避免了施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了電加熱器的遠(yuǎn)程控制，提高了站場(chǎng)工作效率；切實(shí)減輕了員工的工作量和心理壓力，提高了站場(chǎng)夜間分輸、冬季分輸?shù)陌踩禂?shù)。通過(guò)程序改進(jìn)，熱量不會(huì)在電加熱器內(nèi)持續(xù)聚集，避免出現(xiàn)溫度過(guò)高的現(xiàn)象，所以有利于延長(zhǎng)電加熱器的使用壽命。

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Heater Control with Flowmeter Signal

Zhang Yantang, Ma Qinfeng, Wang Tao

(Xinjiang Oil & Gas Transmission Branch of PetroChina West Pipeline Company, Urumqi, 830000, China)

s：The pipeline needs to be heated as temperature drops sharply with absorbing heat from external during transportation from high pressure to low one. Since natural gas is not transported continuously, high temperature alarming and heater shutting down will always occur when the heater is controlled by pressure-regulated natural gas temperature. It will lead to natural gas pipeline ice block and potential risk for equipment operation. To resolve the problem, flowmeter signal is added in statiton PLC to control heater together. Reliable control for electric heater is realized. The reliability for natural gas distribution is improved. Safety coeffieient for natural gas transportation for night time and winter is increased.

natural gas distribution station; heater; flow; temperature; PLC program

張延堂(1973—)，男，1996年畢業(yè)于青島化工學(xué)院檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣站場(chǎng)的運(yùn)行管理及壓縮機(jī)維護(hù)工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2016)05-0044-03

稿件收到日期：2016-06-01，修改稿收到日期：2016-08-22。