港口原油管道电伴热自动控制系统设计

2018-07-05张恩科张福军马瑞民韩进东姚凯晁明哲

石油化工自动化 2018年3期

张恩科，张福军，马瑞民，韩进东，姚凯，晁明哲

(1. 营口港务股份有限公司第四分公司，辽宁营口 115007；2. 中国石油天然气股份有限公司东北销售营口分公司，辽宁营口 115007；3. 中国石油海洋工程有限公司钻井事业部，天津 300280)

能源安全事关国家战略，油品的战略储备是各国都重视的问题。近些年，随着中国经济的不断增长，原油进口依存度也增长到约50%。伴随着综合国力的增强，国内原油进口量也随之增加，中国有可能成为世界第一大原油进口国，从而加大了沿海各港口油品储运设施的建设。由于港口码头与后方储罐区距离较远，因而管道是船岸连接的动脉。根据原油的特性，北方港口的原油管道大部分都需要进行保温伴热，防止管道凝堵。

1 原油管道电伴热自动控制系统概述

1.1 管道伴热的发展情况

油品管道早期主要是用热水和蒸汽进行伴热保温。根据管道直径和输送距离的长短，选用粗细不等的钢管捆绑在原油管道上，通过热水和蒸汽对管道进行保温伴热。传统的热水和蒸汽伴热，热效率低，会出现“跑、冒、滴、漏”现象，存在维修工作量大、浪费能源、破坏环境等缺点。

电伴热是利用电伴热产品产生的热量，补偿伴热管道等工艺装置损失的热量，使相应的介质温度维持在合理的范围内，以满足工艺要求。电伴热可直接将电能转换为热能，具有结构简单、安装维护方便等特点，广泛应用在石油化工管道保温伴热上。

1.2 管道电伴热系统的现状

电伴热系统初期都是由生产厂家根据企业需求，对需要保温伴热的管道选择伴热形式、确定控制回路数量，在现场增加控制箱，通过每个控制箱对温控器进行控制。由于温度调节时需要对每个控制箱进行温度参数设置，温度调节的工程量及巡视的工作量较大，无法及时发现并解决出现的问题。

随着港口码头控制水平的提高，部分港口引入了监控及数据采集系统(SCADA)，对电伴热控制系统实现了集中控制和监视，大幅提高了港口码头的自动化管理水平。

2 原油管道电伴热系统选型

2.1 电伴热系统电伴热带的分类

电伴热带是安装在管道绝热层和外壁之间，利用电热补充输送、存储过程中所损失的热量，使输送管道维持在一定温度范围内，达到加热、保温和防冻的目的。根据电伴热带的控制方式，可分为以下两类：

1) 恒功率电热带。由金属丝或专用碳纤维束串联或并联，再与导电线芯及绝缘材料结合制成，由于其输出功率恒定，温度积累必须采取通、断电控温。

2) 自控温电热带。由导电聚合物和2条平行金属导线及绝缘层构成，导电聚合物具有较高的电阻正温度系数特性且相互并联，能随被加热体的温度变化自动调节输出功率，自动限制加热温度。

2.2 原油管道电伴热系统的伴热计算

1) 工艺参数。工艺参数主要有：管道参数、天气参数、控制温度。

a) 管道参数。某原油管道总长度约4.2 km；管径为φ508 mm；管道材质为L245；保温材料选用超细玻璃棉管壳，在保温材料厚度为80 mm时，容重为60 kg/m3。

b) 天气参数。平均最大风速： 27.5 m/s；冬季最低温度： -25 ℃。

c) 控制温度。管道伴热温度： 60 ℃。

2) 管道散热量的计算。根据确定的工艺参数，通过式(1)进行管道热损失的计算：

(1)

式中：qT——管道实际散热损失，W/m；t1——介质维持温度，℃；t2——冬季最低温度，℃；d——管道外径，m；δ——保温层厚度，m；λ——介质维持温度时保温材料的导热系数，W/(m·℃)。将工艺参数代入式(1)中，计算出该原油管道的电伴热系统补偿热损失约为72.0 W/m。

另外，考虑到管道材质的导热修正系数、保温材料的导热修正系数、环境条件的风速修正系数、管托及其他附件的热损失修正系数，该原油管道的实际散热损失约为87.5 W/m。

2.3 电伴热系统电伴热带配置选型

根据电伴热保温系统计算出的管道热损失，用一定规格、数量的电伴热产品所产生的等值热量进行替代补偿；通过原油管道的参数、工艺运行情况、管道现场实际的铺设形式，并结合恒功率电伴热带的特性，电伴热带配置选型如下：

1) 并联恒功率电伴热带。该电伴热带适用于管道距离短、工艺管道支线多的场合，为满足该次原油管道的伴热需求，罐区主管网铺设了6条电伴热带；分支管网铺设了4条伴电热带；泵房机泵出入口管线铺设了2条电伴热带；码头输油臂分支到主管线交接处铺设了2条电伴热带，共计铺设了14条并联恒功率电伴热带。

2) 串联恒功率电伴热带。该电伴热带适用管道距离长、工艺管道分支少的场合，因而原油管道的罐区至码头区域的主管道铺设了12条串联恒功率电伴热带。

3 原油管道电伴热自动控制系统设计

3.1 电伴热自动控制系统组成

根据电伴热系统的选型和供电位置，利用码头、中心控制室、罐区的可编程控制器(PLC)，增加了通信模块与现场总线单元连接，通过PLC网络连接上位机，用编译好的程序实现现场原油管道温度的自动控制。现场原油管道温度控制示意如图1所示。

图1 现场原油管道温度控制示意

3.2 电伴热自动控制系统程序设计

3.2.1PLC程序

由于港口码头与后方储罐区距离较远，现场较分散，如采用硬接线方式，投资成本较大，因而采用如下方式解决现场控制系统存在的实际问题：

1) 选用现场总线模块与PLC通信，采用总线方式时，控制回路的信号检测用1根通信线缆即可实现。以某控制回路的I/O表为例，其他回路可参考该设置，总线单元模块参数设置见表1所列。

表1 总线单元模块参数设置

2) 根据电伴热温度控制要求，PLC采用该公司现有OMRON PLC的CX-programmer编程软件，它可在Windows环境下进行编程。为了方便用户操作和使用，该编程软件设置了许多功能，使用户可直观高效地对PLC进行编程、调试、运行。该编程软件具有的主要功能包括：离线编程功能、在线监视功能、在线更换单元功能、网络配置功能。

3.2.2组态程序

Intouch是一款工业自动化组态软件，通过该软件进行程序的组态编译，能够实现更精准的控制。原油管道的电伴热控制系统的组态程序包括以下几部分内容：

1) 在“开始按钮-程序”中启动Intouch Windows Make。然后在Intouch Windows Make中创建新的组态程序，点击左上角“文件-新建”后，弹出“创建新应用程序”，输入程序保存位置，点击“下一步”后输入程序名称，然后点击“完成”。

2) 在Intouch Windows Make创建新的组态程序中进行图表绘制、动态链接和编译相关的组态程序。

3) 通过编译完的组态程序，进入Intouch Window Viewer人机界面，即可完成相应的参数控制编辑和显示相关的控制参数。