利用流量計信號對加熱器進行控制

張延堂，馬青峰，王濤

(中國石油西部管道 新疆輸油氣分公司，烏魯木齊 830000)

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利用流量計信號對加熱器進行控制

張延堂，馬青峰，王濤

(中國石油西部管道 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)超溫報警，加熱器停止運行，會造成天然氣管線冰賭，設(shè)備運行存在隱患。為了解決該問題，在站場控制PLC程序中，加入流量計的流量信號參與加熱器的控制，實現(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輸管道在國家的大力推動下逐步形成了縱貫?zāi)媳?、橫貫東西和聯(lián)通海外的全國性供氣網(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。天然氣分輸站是長輸管道直接面對地區(qū)供氣的窗口，是直接關(guān)系百姓民生的重點工程，因此天然氣分輸站的優(yōu)化、改進是十分必要的。

1 哈密天然氣分輸站簡介

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)的一個高壓天然氣分輸工程。目前日分輸量在5×104m3以上，總計分輸量已達3×107m3，極大地惠及了哈密地區(qū)民眾。

1.2 工藝流程簡介

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路臥式過濾器、2套調(diào)壓加熱裝置。分輸站流程如圖1所示，通過過濾、加熱、調(diào)壓等工藝程序，將高達12MPa的天然氣降至5.5MPa左右，輸送至哈密新捷燃氣公司。

1.3 電加熱器的重要性

由工藝流程可知，高達12MPa的天然氣從管徑1219mm的干線引出，經(jīng)過濾、調(diào)壓至5.5MPa。該過程中壓力變化巨大，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)過調(diào)壓后溫度可降至零度以下，所以必須對調(diào)壓前的天然氣進行加熱，否則會出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象，對分輸產(chǎn)生嚴重影響。

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30kW電加熱器進行加熱，一備一用。加熱器為立式結(jié)構(gòu)，殼體設(shè)計壓力為13.2MPa，按三類容器設(shè)計制作。加熱器殼體中有9根換熱管，每3根為1組，分別用3個接觸器控制。加熱器運行后，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REX-RD900溫度調(diào)節(jié)儀的控制柜實現(xiàn)。30kW電加熱器采用單回路全功率調(diào)節(jié)方式，來自調(diào)壓撬下游的溫度信號，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運算輸出4～20mA控制信號觸發(fā)可控硅調(diào)整器的導(dǎo)通，使加熱器投入工作，并實現(xiàn)加熱器輸出功率的無級調(diào)節(jié)。該溫度控制為SCR無級調(diào)功方式，可使電加熱器輸出功率從0～100%無級調(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、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/自動2種控制模式，控制模式的轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)置在儀表間內(nèi)的電加熱控制柜上。

1) 當轉(zhuǎn)換開關(guān)處于手動位置時，可手動控制啟停電加熱器。具體過程：當啟動手動按鈕，主控電路中的可控硅調(diào)整器接到手操器的信號，加熱器投入運行，該過程加熱器啟停均需人為控制。

2) 當轉(zhuǎn)換開關(guān)處于自動位置時，站控遠程控制按鈕啟動，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，加熱器自動進行加熱。加熱器控制設(shè)備根據(jù)測量溫度對加熱器進行自動啟/停控制，并且自動調(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對加熱器進行自動控制，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

為了保證安全，電加熱器的控制柜設(shè)置了溫度保護措施。當加熱溫度達到設(shè)定的溫度值時加熱器自動停止加熱，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個溫度保護裝置對導(dǎo)熱油進行保護，其中1個作為一級保護，其溫度設(shè)定值為150℃，另一個作為二級保護，其溫度設(shè)定值為180℃。當導(dǎo)熱油溫度大于150℃時，加熱器一級保護程序啟動，控制柜接觸器斷開，加熱器停止運行，控制柜指示燈亮，發(fā)出報警指示信號；當導(dǎo)熱油溫度大于180℃時，二級保護程序啟動，控制柜空開斷電，并發(fā)出報警聲音信號。若此時需要加熱器繼續(xù)工作，需由工作人員解除故障，空開恢復(fù)后才能繼續(xù)進行加熱。

3 加熱器控制的不足之處

從理論上來看，哈密天然氣的電加熱器結(jié)構(gòu)合理、控制程序合理。然而下游新捷燃氣公司并不是連續(xù)不停地接受天然氣，而是根據(jù)CNG車輛的實際情況來決定實際分輸情況，這是不容忽視的實際問題。

當有CNG車輛到該公司裝載天然氣時，通過壓縮機從管道內(nèi)向CNG車輛裝載天然氣。當車輛裝滿后，壓縮機停止運行；若此時有下一輛CNG車來裝載天然氣，那么重新啟動壓縮機進行裝車；若沒有車輛則停止裝載，而一旦停止裝載，就會導(dǎo)致該站的調(diào)壓閥自動關(guān)閉，停止分輸。倘若此時調(diào)壓后的溫度并沒有達到加熱器停止運行的溫度，那么加熱器就會繼續(xù)運行。因為此時管道內(nèi)的天然氣不流動，所以天然氣的溫度在加熱器內(nèi)部會迅速升高，導(dǎo)熱油溫度迅速達到導(dǎo)熱油一級保護溫度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停止上升，因為加熱元件的溫度很高，天然氣不流動，沒有將熱量帶走，導(dǎo)熱油溫度繼續(xù)升高，導(dǎo)熱油的溫度可能達到二級保護溫度180℃，就會造成加熱器空氣開關(guān)跳閘(生產(chǎn)分輸中出現(xiàn)過數(shù)次該狀況)。

如果加熱器空氣開關(guān)跳閘，新捷燃氣公司下次啟動壓縮機裝車時，調(diào)壓撬調(diào)壓閥自動打開，開始調(diào)壓分輸，天然氣溫度下降。電加熱器不會自動啟動，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2次冰堵事件。

為了避免此類情況的出現(xiàn)，計量輸送員必須時刻關(guān)注電加熱器運行情況，一旦發(fā)現(xiàn)加熱器出現(xiàn)超溫報警導(dǎo)致空氣開關(guān)閉合，需重新將加熱器投入運行。因為CNG車輛裝載天然氣時間分布不均，且晚間裝載較多，所以計量員每天需要數(shù)次閉合加熱器空氣開關(guān)，既嚴重加大了員工的工作強度，也對分輸站設(shè)備及管道安全運行造成重大安全隱患。

4 加熱控制程序改進方案選擇

要解決該問題，就需要從加熱器控制原理和實際分輸?shù)那闆r考慮。首先從控制的角度考慮為管線加裝1個流量開關(guān)，通過流量開關(guān)的實際檢測值來判斷分輸情況，從而對加熱器進行自動控制。然而，若加裝流量開關(guān)，必然要對加熱器本體進行切割和焊接、對管線天然氣進行氮氣置換、需要進行開挖布線，這樣不僅需要動火作業(yè)，存在較大安全風險，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)控制信號的角度考慮，加熱器遠程控制啟、停信號，從SCADA進入可編程控制器(PLC)，再從PLC到加熱器。流量計的流量信號也進入了PLC，再從PLC進入站控SCADA上位機進行顯示。理論上可以通過改進PLC程序，利用流量計的流量信號對加熱器進行控制。

每次分輸，新捷燃氣公司都是通過壓縮機為CNG罐車充壓，管線壓力隨著壓縮機的抽氣而下降，哈密天然氣分輸站調(diào)壓閥自動打開，同時流量計開始計量，當裝車結(jié)束后，壓縮機停止運行，哈密天然氣分輸站調(diào)壓閥自動關(guān)閉。該公司有2臺壓縮機，壓縮機輸量為3000m3/h。若1臺壓縮機運行，輸量為3000m3/h左右，若是2臺壓縮機同時運行則是6000m3/h的輸量。從圖2可以看出，天然氣分輸開啟后，加熱器應(yīng)處于工作狀態(tài)，因為在流量較小時天然氣的節(jié)流降溫效應(yīng)不明顯，所以選擇天然氣流量大于300m3/h，作為啟動加熱器的條件。

對現(xiàn)有的SCADA的PLC程序進行恰當修改，在原來的控制程序上加入了1個比較關(guān)系的邏輯程序。當流量計流量小于300m3/h，加熱器停止加熱；當流量大于300m3/h，加熱器啟動加熱。原來啟動站控機上的啟動按鍵后，電加熱立即啟動?，F(xiàn)在啟動站控機上的啟動按鍵后，加熱器不會立即加熱運行，必須通過邏輯比較，符合啟動條件之后加熱器才會加熱運行。

圖2 流量變化瞬時趨勢示意

5 結(jié)束語

從2014年11月27日對哈密天然氣分輸站電加熱器控制程序改進至今，電加熱器運行經(jīng)受住了時間、天氣和實踐的考驗。自改造之后，天然氣分輸過程中再也沒有發(fā)生過凍堵事件，有效地保障了哈密地區(qū)清潔能源的供給；不僅節(jié)約了增加流量開關(guān)的投資，避免了施工過程中的安全風險，而且實現(xiàn)了電加熱器的遠程控制，提高了站場工作效率；切實減輕了員工的工作量和心理壓力，提高了站場夜間分輸、冬季分輸?shù)陌踩禂?shù)。通過程序改進，熱量不會在電加熱器內(nèi)持續(xù)聚集，避免出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，所以有利于延長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)院檢測技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣站場的運行管理及壓縮機維護工作，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。