陳祥 陳建潤（西南油氣田分公司重慶氣礦）

1 背景介紹

五百梯氣田增壓東站隸屬于重慶氣礦開州采輸氣作業(yè)區(qū)，位于重慶市開州區(qū)義和鎮(zhèn)漁龍村十組，是一座集采、集、輸、增壓、配氣功能為一體的大型增壓集輸站，屬一級(jí)特類井站。增壓東站于2010年10 月3 日正式投運(yùn)，站內(nèi)共有分體式壓縮機(jī)組4臺(tái)，裝機(jī)總功率4 780 kW，設(shè)計(jì)增壓處理規(guī)模為183×104m3/d。

增壓東站2020 年初安裝一套撬裝自動(dòng)溫控水套加熱爐，對(duì)站內(nèi)壓縮機(jī)組燃料氣進(jìn)行保溫。其型號(hào)為YXL-GS200，規(guī)格型號(hào)為KD-STB-32/125II，燃料氣設(shè)計(jì)壓力0.05～0.1 MPa，燃料氣工況流量為3.0 m3/h。

實(shí)施水套加熱爐溫控系統(tǒng)改進(jìn)，能夠利用水套爐溫控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制燃料氣用量，自動(dòng)控制被加熱介質(zhì)溫度，減少天然氣的消耗。并且通過火焰監(jiān)測(cè)功能，可以避免水套加熱爐熄火后，天然氣泄漏造成的火災(zāi)、爆炸等危害。同時(shí)，解決了依靠人工巡檢水套爐加熱系統(tǒng)，有效地對(duì)水套爐水溫及被加熱介質(zhì)溫度參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控[1-4]。經(jīng)過整理分析一年的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動(dòng)溫控功能真實(shí)有效，應(yīng)用效果良好。

2 自動(dòng)溫控水套加熱爐工作原理

水套加熱爐是一種間接火筒式加熱器，它的燃料通過燃燒器在浸沒于爐體下部的火筒內(nèi)燃燒，燃料燃燒所產(chǎn)生的火焰和熱煙通過火筒壁傳遞到爐內(nèi)的浴液中去，然后浴液把設(shè)置在爐體上部的加熱盤管內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行加熱[5]。傳統(tǒng)的天然氣場(chǎng)站水套加熱爐加熱系統(tǒng)只針對(duì)水套爐水溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由站控SCADA 系統(tǒng)編程設(shè)置溫度上下限報(bào)警值，站場(chǎng)值班人員通過報(bào)警情況對(duì)水套爐進(jìn)行問題排查、分析以及處理。該方式由于無法自動(dòng)對(duì)水套爐溫度進(jìn)行控制，值班人員需頻繁調(diào)整水套爐火焰燃燒大小，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)水套爐水溫超低或超高及水套爐熄火等現(xiàn)象，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等次生事故。另外，被加熱介質(zhì)因溫度無法達(dá)到工藝要求，會(huì)形成水化合物或冰堵現(xiàn)象，直接影響機(jī)組正常運(yùn)行。

自動(dòng)溫控水套加熱爐加熱系統(tǒng)充分考慮了工藝、設(shè)備、儀表、電氣、控制等環(huán)節(jié)因素，采用國產(chǎn)全自動(dòng)燃燒器，其具有多重保護(hù)裝置，能夠保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控功能。水套爐熱負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍從以前的10%左右擴(kuò)大到60%，極大地適應(yīng)了油氣田實(shí)際生產(chǎn)工況的不穩(wěn)定性和差異性。通過對(duì)水套爐液位、水溫、被加熱介質(zhì)出爐溫度的參數(shù)設(shè)置，自動(dòng)啟停水套加熱爐燃燒器自動(dòng)點(diǎn)火裝置、火焰燃燒控制電磁閥開關(guān)及調(diào)節(jié)閥開度，保證水套加熱爐水溫與被加熱介質(zhì)溫度滿足增壓機(jī)組燃料氣的使用條件。

2.1 全自動(dòng)水套爐加熱系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制單元

傳統(tǒng)的水套加熱爐因監(jiān)測(cè)控制功能的局限性，缺少多種監(jiān)測(cè)控制設(shè)備[6]。自動(dòng)溫控水套加熱爐監(jiān)測(cè)控制單元較多，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、控制指令下發(fā)及反饋等工作模式，通過對(duì)燃料氣壓力、水套爐水溫、火焰監(jiān)測(cè)、被測(cè)介質(zhì)溫度等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)其分析計(jì)算，對(duì)燃料氣電磁閥開關(guān)、調(diào)節(jié)閥PID控制調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定的浴液環(huán)境及出爐被測(cè)介質(zhì)溫度[7]。自動(dòng)溫控水套加熱爐總體工作流程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)溫控水套加熱爐總體工作流程

1）燃料氣自動(dòng)點(diǎn)火單元。水套加熱爐燃料氣自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)點(diǎn)火與現(xiàn)場(chǎng)一鍵點(diǎn)火功能。同時(shí)通過火焰監(jiān)測(cè)，判斷分析燃料氣火焰燃燒情況，全自動(dòng)執(zhí)行燃料氣自動(dòng)點(diǎn)火功能[8]。

2）燃料氣配風(fēng)控制單元。水套加熱爐燃燒器與鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，保證了水套爐運(yùn)行效率，提高了燃料氣燃燒效果。通過燃料氣電磁閥開關(guān)、調(diào)節(jié)閥開度反饋，燃料氣鼓風(fēng)機(jī)配風(fēng)控制單元對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率進(jìn)行相應(yīng)的增大與減小，減少燃料氣燃燒不完全而產(chǎn)生的碳排放，將完全燃燒后的尾氣隨煙沖排放至大氣中?？諝馀c燃料氣混合燃燒見圖2。

圖2 空氣與燃料氣混合燃燒

3）燃料氣電磁閥開關(guān)、調(diào)節(jié)閥開度控制單元。水套加熱爐被測(cè)介質(zhì)出爐溫度設(shè)置在一定溫度的前提下，調(diào)節(jié)燃料氣調(diào)節(jié)閥開度，調(diào)節(jié)燃料氣燃燒火焰大小，將被測(cè)介質(zhì)溫度保持在一定溫度范圍內(nèi)，而使整個(gè)加熱系統(tǒng)達(dá)到一種平衡的臨界狀態(tài)。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度高于臨界狀態(tài)值時(shí)，燃料氣調(diào)節(jié)閥開度減小或者切斷燃料氣電磁閥；當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度低于臨界狀態(tài)值時(shí)，燃料氣電磁閥開啟點(diǎn)火加熱或者調(diào)節(jié)閥開度增大[9]。

4）燃料氣火焰監(jiān)測(cè)單元。水套加熱爐被燃料氣火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到熄火后，燃料氣自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)啟動(dòng)。

5）燃料氣內(nèi)漏監(jiān)測(cè)單元。水套加熱爐具有閥門內(nèi)漏測(cè)試功能，在電磁閥關(guān)閉后，通過壓力變送器檢測(cè)電磁閥及調(diào)壓閥之間的壓力，當(dāng)開關(guān)調(diào)節(jié)閥后，壓力值上升，則判定電磁閥內(nèi)漏；當(dāng)開關(guān)調(diào)節(jié)閥后，壓力值下降為零，則判定電磁閥無內(nèi)漏。

2.2 基于PID控制算法

目前，國內(nèi)的加熱爐溫控系統(tǒng)一般采用簡單的PID 控制算法其具體算法見圖3。加熱爐自控溫控系統(tǒng)是一種溫度PID調(diào)節(jié)器，在加熱爐溫度的控制中取得了較好的應(yīng)用效果。PID 控制集比例、積分、微分三者之長，既消除了余差，也具有微分的超前控制功能。具有控制及時(shí)的特點(diǎn)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間和上升時(shí)間[10]。PID控制仿真圖見圖4。

圖3 PID控制算法

圖4 PID控制仿真圖

2.3 減少班組巡檢操作工作量

通過自動(dòng)溫控水套加熱爐系統(tǒng)改造，班組可以在上位機(jī)SCADA 系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)觸摸控制面板上進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置及控制。通過對(duì)加熱系統(tǒng)各參數(shù)的設(shè)置，達(dá)到全面自動(dòng)化監(jiān)視控制的功能，減少了班組巡檢、操作工作量，真正達(dá)到智能化管理的水平，上位機(jī)控制系統(tǒng)見圖5。

圖5 上位機(jī)控制系統(tǒng)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 改造前后能耗數(shù)據(jù)比對(duì)

該項(xiàng)目已于2019 年12 月建設(shè)完成并通過竣工驗(yàn)收，因增壓東站水套加熱爐均在冬季時(shí)使用，所以選取2019年1—3月與到2020年1—3月的水套爐天然氣消耗量及增壓機(jī)組燃料氣消耗量進(jìn)行對(duì)比，改造前后天然氣能耗對(duì)比見表1。

表1 改造前后天然氣能耗對(duì)比

通過數(shù)據(jù)比對(duì)，2019 年1—3 月與2020 年1—3月單耗差平均為41.115 7 m3/104m3。2019年1—3月水套加熱爐處理單位機(jī)組耗氣量單耗均值為108.038 2 m3/104m3。2020 年1—3 月水套加熱爐處理單位機(jī)組耗氣量單耗均值為66.922 6 m3/104m3，能耗消耗水平進(jìn)一步得到改善。

3.2 重點(diǎn)用能設(shè)備績效參數(shù)確定

根據(jù)改造前后能耗數(shù)據(jù)比對(duì)，確定了自動(dòng)溫控水套加熱爐加熱系統(tǒng)有助于作業(yè)區(qū)節(jié)能減排管理方針、政策。該水套爐加熱系統(tǒng)確定了浴液溫度控制范圍為（60～90）℃，被測(cè)介質(zhì)出爐溫度為25 ℃，水套加熱爐燃料氣供氣壓力為0.03 MPa。該績效參數(shù)的確定，有力于水套加熱爐在最佳使用工況下，能夠滿足增壓機(jī)組燃料氣加熱的需求，并減少了水套加熱爐的燃料氣消耗。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

通過公式（1）計(jì)算出增壓東站在使用自動(dòng)溫控水套加熱爐期間產(chǎn)生的節(jié)能價(jià)值量，見表2。

表2 節(jié)能價(jià)值量計(jì)算

W=P×E（1）式中：W為節(jié)能價(jià)值量，萬元；P為天然氣單價(jià)，萬元/104m3；E為節(jié)能量，104m3。

增壓東站在2020 年1—3 月期間節(jié)能量合計(jì)為0.417 3 m3，獲得的經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值合計(jì)為0.585 7 萬元，折合5.55 t(標(biāo)煤)。

5 結(jié)論

綜上所述，實(shí)施水套加熱爐溫控系統(tǒng)改造，在保證水套加熱爐正常運(yùn)行的前提下，在預(yù)先設(shè)定被測(cè)介質(zhì)溫度后，能夠利用水套爐溫控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制燃料氣用量，自動(dòng)控制被加熱介質(zhì)溫度，減少天然氣的消耗，并且通過火焰監(jiān)測(cè)功能，避免水套加熱爐熄火后，天然氣泄漏造成的火災(zāi)、爆炸等危害。解決了水套爐加熱系統(tǒng)依靠傳統(tǒng)的員工巡檢，來定期調(diào)整水套爐火焰燃燒大小和配風(fēng)系統(tǒng)的工作強(qiáng)度，有效地對(duì)水套爐水溫、燃料氣壓力與被加熱介質(zhì)溫度參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控及設(shè)置。達(dá)到了能量交換過程中的最優(yōu)工作控制條件。