數字化井場原油電磁加熱裝置研究應用

高寶元，譚歡，李強

(1. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術研究院，陜西 西安710018； 2. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西 西安710018)

原油從地下抽出時，因受地層及空氣溫度的影響，其溫度逐漸降低，尤其是冬天原油在管道內傳輸過程中，溫度降低的速度更快，從而在井口外的輸油管道內壁上，很容易出現結蠟現象，減小了管線的有效直徑，增大了回壓，降低了傳輸效率和泵效，使得油井產量下降，嚴重時會把管線堵死，造成經濟損失，增加生產成本。目前，長慶油田通過井場燃燒伴生氣加熱爐和燃煤加熱爐給井場原油加熱，加熱到一定溫度后才能輸送[1]。然而，大部分井場目前已經沒有伴生氣，燃氣加熱爐已經停用，燃煤加熱爐又污染環境，地方環保部門已要求停止使用。上述兩種加熱方法成本高，加熱效果差，污染環境，又不能實現數字化遠程監控。采用伴熱帶加熱和各種電熱管加熱，伴熱帶熱效率低且損壞后維修困難[2]。

因此，亟需開展數字化井場原油電磁加熱解堵技術研究，代替傳統的燃氣加熱爐和燃煤加熱爐給原油加熱的設備[3]。

1 井場原油電磁加熱清蠟機理研究

電磁加熱是利用電磁感應原理將電能轉換為熱能的能量轉換過程，由整流電路將50/60 Hz的交流電壓轉變成直流電壓，再經過功率控制電路將直流電壓轉換成頻率為20～40 kHz的高頻電壓，當高速變化的交流電流通過線圈時，線圈會產生高速變化的磁場，磁場內的交變磁力線通過大塊導磁又導電金屬時，金屬體內產生無數的小渦流，使大塊金屬本身自行發熱，然后通過大塊金屬散發熱量來完成給物體加熱。原油加熱后，可改變分子排列結構，使雜亂的分子團變成極化的穩定分子鏈，使蠟分子電中性化，失去脫離溶液而析出的能力，從而達到防蠟的目的。同時磁場會降低原油溶液的黏度，增強流動性，有利于管線輸送。

2 電磁加熱裝置構成

數字化井場原油電磁加熱裝置組成如圖1所示，該裝置主要由電磁加熱部分、變頻控制部分，數字化遠程監控終端和保護輔助部分組成。電磁加熱部分包括加熱外殼、護線管、電磁線圈、加熱管、溫度傳感器和壓力傳感器；變頻控制柜和電磁線圈、溫度傳感器、壓力傳感器電連接；數字化遠程監控終端和變頻控制柜電連接[4]。

圖1 數字化井場原油電磁加熱裝置組成示意

2.1 電磁加熱部分

電磁加熱部分內腔采用筒狀水電分離結構，非金屬防腐內膽，內部走水，外部纏繞高頻導線。該加熱部分采用電磁感應渦流加熱技術，將柱形電磁線圈套入鋼管(外殼)內部，形成閉合磁場，通電后線圈電流使鋼管迅速產生強烈磁滯渦流及磁阻效應熱，該熱量是電磁加熱器的主要熱量；而線圈釋放的雜散磁場經鋼管屏蔽吸收并產生圓環內集膚效應熱，再次用來直接加熱。電磁感應加熱通過磁場能量直接使鋼管發熱，沒有熱傳遞過程，雙向發熱，且表面熱負荷低、不易炭化結焦。因此電磁加熱效率要比電加熱管效率高。電磁加熱部分總長為5 m，外徑為0.4 m，不影響各種掃線作業，承壓能力達10 MPa，蒸汽高壓掃線時無影響，內部采用特殊結構，高壓鋼球掃線時會疏導鋼球順利通過該裝置[5]。該裝置采用低進高出、往復式加熱結構，即低溫原油在管道壓力作用下，由進入口流入，經加熱管首次加熱后由尾端流出，經護線管再次加熱后由外殼出液口流出，即可得到工藝要求的溫度。該裝置加熱時間長、受熱均勻、熱量利用率高[6]。

2.2 變頻控制部分

變頻控制柜主要由功率驅動單元、中心控制單元和供電控制單元組成。

1)功率驅動單元。功率驅動單元與加熱線圈是設備能量轉換關鍵部分，不同功率的電磁加熱器的加熱線圈與功率驅動單元有所不同。

2)中心控制單元。帶有雙路溫度采集和控制、雙路報警輸出與通信接口輸出，該控制單元能夠檢測加熱管道的出入口溫度，保證加熱管道內溫度自動運行在設定工作溫度范圍內，當溫度高于上限報警溫度時設備自動上報和控制輸出。

3)供電控制單元。通過變頻器，利用弱電控制強電，采用軟啟動和軟關斷，保證裝置運行平穩。

變頻控制柜功率可變，根據季節不同采用不同檔位控制，當夏天加熱時可將空氣開關斷開，以減小加熱功率。該裝置采用先進的加熱技術和分檔位節能控制的方法，與傳統電阻式加熱器相比可節能20%左右。

2.3 數字化遠程監控終端

數字化遠程監控終端根據管道壓力、季節變化，遠程智能增加或減少加熱功率，可達到節能30%以上的效果。

2.4 保護輔助部分

電磁加熱部分、變頻控制柜設置有多種保護功能，按保護級別分為二級(可復位)和一級即終級保護(不可復位)，保護動作順序為先二級保護動作，二級保護失靈后一級保護動作，一級保護動作后，必須更換相關元件，才能恢復。

1)原油溫度保護。加熱裝置設有鉑熱電阻溫度傳感器，用于測量、監控加熱溫度，并輸出溫度信號至變頻控制柜，由溫度控制系統控制電磁加熱器的運行情況，從而控制加熱溫度。當溫度低于設定值時，加熱器啟動；高于設定值時，加熱器自動停機或降低輸出功率[7]。

2)防干燒保護。一級保護失效后，電磁加熱器溫度持續升高，達到極限溫度時，內部溫度保護動作切斷控制電路電源，電磁加熱器停止工作，控制柜將無法正常啟動。

3)漏電保護功能。當變頻控制柜內導線、絕緣件或連接動力電纜及電磁加熱器本體，某一點發生漏電故障時，漏電電流大于或等于斷路器漏電設定值時，主漏電斷路器保護動作切斷控制柜電源，從而防止故障擴大化。漏電保護動作電流分為200 mA， 300 mA與500 mA 3檔，可按實際需要選擇設定。

4)短路保護功能。當控制柜內導線、絕緣件、動力電纜或電磁加熱器本體中某一點發生短路故障，其短路電流量大于25 kA時，斷路器瞬時保護跳閘。

5)過流保護功能。當系統電壓大于標稱電壓 10%或電纜導線絕緣阻值下降或電磁加熱器線圈有局部匝間短路等現象引起的系統電流增大，斷路器均保護跳閘[8]。

電磁加熱裝置具有數字化遠程低溫、高溫報警功能，在變頻控制柜內可實現標準4～20 mA溫度信號輸出，通過現場數字化遠程控制終端(RTU)端口實現遠程監控功能，并配備現場實時低溫、高溫報警功能[9]。

3 電磁加熱裝置操作方法

將數字化井場原油電磁加熱裝置安裝完成后，啟動抽油機油井，油井原油從裝置的進口流入，從原油出口流出。按送電操作規程要求確認安全后，將主電源空氣開關合閘；觀察控制柜儀表、信號燈以及柜內是否正常，有無異常動作；變頻控制柜工作，電磁加熱器開始工作，設定加熱溫度。當溫度升高到設計上限溫度加熱器自動停機，溫度降低到設計下限溫度加熱器自動開機。開機20 s可使金屬管溫度達到100 ℃以上，熱效率高達98%以上。同時通過RTU實現遠程監控功能，實現無人值守。當該裝置出現故障后或不需要加熱時，就地或數字化遠程控制停止工作。

4 技術參數

該裝置使用380 V，50 Hz電壓，功率為15～60 kW；采用自動溫控方式，連接管道直徑為DN50～DN125，最大承載壓力為10 MPa；采用法蘭連接，頻率為0.05～20 kHz，管道總長為5 m，外徑0.4 m。

5 應用效果

筆者參與研發的數字化井場原油電磁加熱裝置，2020年6月在長慶油田第三采油作業區現場應用，該裝置開機20 s后，達到設定的加熱溫度90 ℃，在同等條件下，比燃煤加熱爐和燃氣加熱爐加熱方式節能20%以上，預熱時間比燃煤加熱爐和燃氣加熱爐縮短50%～66.7%，增大了輸油管線壓差，提高了日輸油量。且在一定條件下降低了運行成本[10]。該裝置具有以下優點：

1)高效節能。該裝置開機20 s可使金屬管道溫度快速達到要求設定值。

2)性能穩定。由于是電磁感應加熱，磁力線能快速穿透保溫材料，不破壞管道保溫層。

3)降低費用。該裝置采用線圈加熱，本身不會產生熱量，使用壽命長。

4)改善環境。該裝置具有內向加熱的特點，因而外向熱損小，從而顯著降低工作環境溫度，達到較佳的環保效果。

5)操作方便。高頻電磁感應加熱器安裝后接通電源即可，當溫度升高到設計上限溫度，加熱器自動停機；當溫度降低到設計下限溫度，加熱器自動開機。

6)安全可靠。電磁感應制熱，水電分離；軟啟動，軟關斷，無啟動沖擊電流，避免因電壓波動造成損壞；預設工作溫度，自動控溫，多個感應探頭及高溫主機自動鎖定，如超過100 ℃主機自動鎖定停機。

6 結束語

該裝置經現場應用表明，可代替現有的燃氣加熱爐、燃煤加熱爐給原油加熱、伴熱帶加熱以及各種電熱管加熱，進行無熱源單向內加熱，熱效率高，全面解決傳統電熱熱效率低、易損壞、維修困難的缺點[11]。該裝置技術先進，智能化程度高，生產工藝簡單，應用成本低，安全可靠，節能環保，達到了油井長期不結蠟安全高效運行的目的，是數字化井場原油加熱發展的方向。