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          智能制造

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          KL-W7000在遠程無線高效節能單井罐電加熱器產品中的應用
          2016-06-14    點擊:
          [編輯簡介]:在油田原油開采儲運過程中,油田為了提高稠油的產量和運輸效率,往往會遇到原油加熱問題,多年來采用了許多加熱方法,同時也形成了多種類型的加熱方法和設備,早期的油罐的加熱方法主要是采用蒸汽或熱水盤管式加熱器,盤管式加熱器存在事故率高,檢修維護困難,能耗大等問題。油田井口油罐受熱源的限制,它的加熱問題也困擾著廣大用戶。電熱棒正是針對解決這些問題而研制的。
          [關鍵詞]:油水雙界面液位儀、KL-W7000O系列GPRS數據采集模塊

          一、 產品概述:
              多年來經全國各油田采油廠、輸油泵站、煉油廠、油庫、海洋平臺等單位使用,驗證了產品的良好的技術性能,電加熱器目前在油田的應用已經十分廣泛,但隨著能源節約問題的日益突出,進一步節能降耗的要求,對電加熱器本身的節能要求也在不斷的提高.
            二、 產品分項性能說明:
            1、電加熱器
            油罐防爆電加熱器(以下簡稱電加熱器)是針對液體介質需要加熱升溫而設計的電熱設備。該設備成功地解決了壓力容器內的介質加熱炭化結焦、防爆安全、電熱元件使用壽命等技術問題,適用于水、原油、成品油、瀝青、潤滑油、食品油;以及化工原料如苯、海堿、樹脂、乙烯、水煤漿等多種介質加熱升溫,廣泛應用在石油、化工、冶金、玻璃、發電等各工業部門。產品持有國家防爆電氣產品質量監督檢驗測試中心頒發的防爆合格證書。
            電熱器的發熱元件采用進口鎳基合金絲,保護管采用耐高溫金屬材料制成,產品整體具有良好的高溫抗氧化性和抗滲碳性能以及使用壽命長等特點。鎳基高溫合金材料產品性能穩定,具有更高的高溫強度和抗氧化性和高溫熱轉化性能,具有較高的均勻電阻率,表面抗氧化性好。并且在高溫下有較高的強度,有良好的加工性能,主要特點是熱效率高,使用壽命長,抗氧化性能好。 
            
          主要技術性能及特點
            (1) 產品發熱元件采用電熱鎳基合金絲,不同于一般管式電加熱元件,其形狀屬于線形加熱電纜發熱芯體和金屬護套之間溫差很小,導熱性能很好,工作可靠,使用壽命長。
            (2) 電加熱絲繞制成型后熱交換面積大,表面熱負荷低,無炭化結焦現象(可根據工藝介質的特殊要求,將表面熱負荷設計的很低,這是其它電加熱器無法做到的)。加熱均勻,熱效率高。 
            (3) 發熱元件根據使用功率分為銅護套和不銹鋼護套。還可采用金屬噴涂防腐。
            (4) 外殼由無縫鋼管與法蘭焊接而成,整體結構緊密結實,密封性能好,使用安全,工作壓力 2.5MPa~10MPa。
            (5) 器件連接及電器接線符合防爆要求,防爆等級為ExeⅡT3
            (6) 電加熱器內裝有溫度傳感器,與配套控制柜連接后可實現恒溫自動控制或者遠程定溫遙控,定時提前預熱等功能。
            (7) 為適應節能需要,設備采用獨特的熱儲能緩釋技術,在同等電能消耗下,將額定熱交換效率下過剩熱能進行熱儲能。并保持在無功情況下維持熱能釋放。提高單位電能的熱轉化效率。
            (8) 日常無需維護,安裝簡易,檢修方便。
            (9) 應變性和實用性強,可根據用戶提出的不同用途和要求來進行設計非標準類型的電加熱器。
            2、遠程智能控制器(DTU)
            在節能方面,除了在熱轉化效能上采用新的技術手段外,在控制實現方式上還成功的應用了網由®系列GPRS無線數據傳輸技術,進一步提高控制的智能化和人性化,將原有控制方式中的24小時不間斷恒溫加熱改為長間隔,不定時按需加熱方式,將不需要加熱時間段的電能全部節省下來,將電能按需分配,合理利用,將有限的電能最大限度的利用起來。
                以往的遠程監控實現方式一般是利用公共電話網,通過MODEM撥號,配合相應軟件來實現監控。它明顯的缺點是只有撥號后才能通信,不能同時“點對多點”通信。實現遠程通信的其它方式還有采用衛星、微波、光纖或電臺。以應用較多的無線數傳電臺為例,無線數傳電臺的數據傳輸在初期建站過程中需建設相應配套的定向/全向天線及天線架、每點均需配備電臺,在距離較遠的情況下還需增設中繼站進行轉發,同時還引發了一次防雷(直擊雷)和二次防雷(感應雷)后續設備采購問題。從而產生了較大的采購成本和運行維護成本。
               GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的簡稱,是在GSM業務基礎上發展起來的一種分組交換的資料承載和傳輸方式。GPRS的用戶只需購買SIM卡并開通數據服務業務而無需自行建站,具有充分利用現有的移動通信網絡、資源利用率高、始終在線、傳輸速率高、資費合理等特點。GPRS提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務,特別適用于不間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸,也適用于偶爾的大數據量傳輸。GPRS是目前階段解決移動通信信息服務的一種完美、有廣闊前景的業務。
                GPRS用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源,這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道,從而提高了資源的利用率。同時,用戶只需按數據通信流量付費,而無需對整個鏈路占用期間付費。不會產生像撥號方式按占用線路時和收費的情況,實際上,GPRS用戶可能連接的時間長達數小時而沒有產生大量的數據流量,就只需支付相對低廉的連接費用,可使用戶的使用費用大大降低。同時隨著電信移動公司的交費調整,各類的數據套餐產品的出現,可實現用戶包月或包年制的數據通信服務,進一步的降低運行成本。
            GPRS系統結構圖:
            
            基于GPRS的遠程監控具有以下特點: 
            1、快速登錄,永遠在線、實時性強、兼容性好: 
            由于GPRS具有實時在線特性,無需輪巡就可以同步接收、處理多個監控制點的各種數據。可很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。支持900/1800/1900MHz三頻GSM/GPRS。
            2、安全性高,可靠性強,可實現雙向數據傳遞
            系統在數據傳輸過程中加入了加密機制,數據可以在公網上安全地傳輸;可靠性強,系統具有糾錯、重發機制,從而確保數據的完整性和正確性。其次,系統具有自動恢復功能,在GPRS網絡狀態不穩定的情況下,保證系統穩定工作,而無需人工干預。可對各監測點儀器設備進行遠程雙向控制:通過GPRS雙向系統除可正向采集信息外還可實現對儀器設備進行反向控制,如:時間校正、狀態報告、開關等控制功能。
            3、建設成本少低:
            由于采用GPRS公網平臺,無需建設網絡,只需安裝好設備就可以,建設成本低;
            4、監控范圍廣、覆蓋面廣:
            控制要求數據通信覆蓋范圍廣,擴容無限制,接入地點無限制,能滿足大范圍和跨地區的接入需求。由于石油信息采集點數量眾多,分布在范圍較廣,部分信息采集點位于偏僻地區,而且地理位置分散。而GPRS的特點可以完美體現這一特性。GPRS具有良好的可擴展性。由于目前GSM/GPRS網絡已覆蓋省內絕大部分地區,基本不存在盲區,可實現大范圍的在線監控,滿足監控和數據采集傳輸對覆蓋范圍的要求。
            6、系統的傳輸容量大:
            多用戶的業務復用,不同的網絡用戶共享同一組GPRS信道,但只有當某一個用戶需要發送或接收資料時才會占用信道資源。系統依托相應的軟件,可以靈活同時實現點~點、點~多點的數據傳輸;監控中心站要和每一個信息采集點實現實時連接。由于加熱控制采集點數量眾多,系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要,而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
            7、數據傳送速率高:
            每個監控信息采集點每次數據傳輸量在10Kbps之內。GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s,目前GPRS實際數據傳輸速率在40Kbps以上,完全能滿足統數據傳輸速率(≥10Kbps)的需求。并且設備支持數據傳輸與協議轉換。
            8、通信費用低:
            采用包月計費方式或按流量收費方式,運營成本低,設備可定時上下線節約流量,在不發送資料的時間里設備可以處于待機狀態,定時或事件觸發登錄網絡。
               GPRS遠程終端主要由智能控制器和GPRS模塊構成。首先,傳感器采集到工業現場參數,并將物理量轉化為電信號傳給智能控制器分析處理采集,進行傳輸前的數據量綱轉化,另一方面要控制GPRS模塊的操作,包括啟動和關閉服務,建立和關閉連接,資料與命令模式的轉換等,并在資料模式下把經過加密和容錯處理后的資料發送給數據服務器,智能控制器的主要技術指標:   
            
            供電類型:DC24V(范圍:9VDC~36VDC)
            工作環境:-30~70℃,5~95%RH柜內安裝
            靜態功耗:<0.5W
            網絡登陸后功耗(平均):<1.25W
            通信方式:支持TCP/UDP通訊方式
            協議類型:MODBUS RTU
            模擬量:4~20mA信號,0.5%采集精度
            開關量:干節點信號
            繼電器:繼電器干節點輸出
            天線::內/外置
            外形尺寸:121mm×70mm×26mm
            安裝方式:滑軌式
            
          主要的功能:
            智能控制器的外觀小巧美觀,使用方便,抗干擾性能好。提供RS232以及RS485工業通訊接口,智能控制器RS232串口連接其它智能設備(如儀表等)時,智能設備的數據就可以實現無線透明傳輸。串口數據透明轉發的應用,方便現場設備的聯網無線使用。在數據的傳送上支持TCP/UDP兩種通訊模式,保證在不同的網絡狀況下數據的收發正常。支持低功耗應用,支持雙頻GSM/GPRS應用。智能控制器本身具備主動報警功能,當控制器的某個通道值越過預置報警限值時,產生生報警,會立即向設置好的多個手機號碼發出報警短信。方便值班人及時了解設備的運行狀況,及早預防危險事故的發生,提高設備運行的穩定性和安全性。同時還可將現場的安全防護與控制結合起來,實現一機多能,使用戶遠程了解設備現場的安全情況。智能控制器還提供語音通話功能,當用戶在現場將耳麥即插入智能控制器的耳麥插孔時,智能控制器即可改換當前的數據傳輸模式,重新上線和設定好的手機號碼進行語音通話。當通話結束后再次恢復數據傳輸模式。對于流量的控制智能控制器在工況允許的情況下還可采取定時上線,節約流量的方式來節約產生的費用。通過設置GPRS上線時間和下線時間,既能夠保證GPRS數據傳輸,又能夠適時下線,節約數據流量。而且在下線狀態下支持報警主動上線功能。在不間斷上線過程中,智能控制器與數據中心在數據交換傳輸的同時還會定期的發送“心跳”數據包,以保證設備處于正常的在線狀態。一旦出現意外斷線情況,智能控制器會主動采取斷線重連方式重新上線,在網絡不穩定的時候,如果出現了網絡中斷,智能控制器也會重新連接網絡,確保及時有效的監控現場數據。
            與無線數傳電臺的性能比對
             
           

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            3、油水雙界面液位儀
            為了保證控制的可靠性和更合理的利用能源,本套產品對罐內液體的液位也進行了分類精確測量,控制器可以將罐內的液體情況準確的回傳給控制中心,以便對不同情況下的液體采取不同的控制方式,并且實現自動低液位防干燒控制。
            油水雙界面液位儀,采用介電原理,結合獨特微電容檢測傳送技術及大規模高速單片機數字處理技術研制而成的智能化、自校正、多相物位檢測分析儀,其在油田原油罐中對原油油位與水位的測量具有其它傳感器無可比擬的優越性。其主要用于油田及石油化工行業進行油水雙界面的高精度測量。利用多段微電容串聯組合測量方法,微電容檢測和單片機智能控制相結合,突破了傳統測量方法,成功解決了介質對測量結果的干擾,實現雙界面液位測量。探極采用聚四氟乙烯管材防護,與多電容串連組合設計使產品能夠適應各種液體、漿體、粉末、顆粒,并不受掛料、壓力、密度、溫度甚至化學特性變化的影響,在測量精度和使用環境上都優于其他測量產品。獨特測量技術能夠適用于惡劣的測量環境,使這一技術從一般應用到危險場所都能可靠運行。
            
           

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            產品能夠耐受高溫,可達150℃,非常適合與加熱環境配套使用,一般的壓敏式液位會因為溫度漂移而影響測量的準確性,在超過60度以上的環境下,一般的壓敏式液位就會發生嚴重的溫漂而使測量結果失去意義。而近幾年出現的光纖式油罐液位儀因造價過高推廣起來存在一定的困難,且光纖式的液位在使用過程中因結蠟等原因還需定期的對液位導桿進行清理 ,而電容式的雙界面儀由于實現在線多段掃描自較正功能,基本處于免維護狀態,且不受測量介質的粘稠度限制。
            油水雙界面液位儀實現了多界面同時準確測量,有液晶本地顯示,按鍵進行參數設置功能,聚四氟防護外套,耐酸堿腐蝕,超強耐磨損。分析儀由多段微電容串組合探極和逐段掃描自校正式界面液位變送器組成。其傳感探極安裝在液罐中,變送器由單片機構成,完成檢測和自校正功能,將檢測的水面、油面高度以兩路4-20mA恒流信號分別輸出,測量誤差為量程的±0.5%(空氣中) 。有國家防爆電氣產品質量監督檢驗測試中心頒發的防爆合格證書。防爆等級Ex(ib)IIBT4,產品本身有密鑰保護功能、在線自校正功能、基準電壓自適應功能、智能信號處理技術,能夠適應多種惡劣的工況環境。使用示意圖如下:
            
           

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            三、產品軟件功能:
               產品的軟件可在初始界面上顯示用戶的實際監測位置的地理分布圖,并在圖上清晰標注出各個監測點的與相鄰監測點的實際位置關系。用戶可以在分布圖上清楚的看到全部被監測的罐的報警顯示以及無線設備的在線狀態。如圖:
            
           

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            當用戶需要查看更進一步的詳細信息的時候,可以單擊罐的標志,進入該監測點的詳細頁面進行數據和設備情況查看。在該頁面中,用戶可以看到當前這個罐的加熱棒的工作狀態,開關情況,控制箱的供電情況以及現場相關的防盜的一些附加信息。如果在現場安裝一個紅外探測傳感器,一旦在無人值守期間,紅外探測器探測到有人在布控范圍內活動,則會通過無線在中心控制室顯示出來,在一定程度上體現無人值守的防盜特性。另外門磁開關也是附加在監控系統上的一個安防措施,一旦無人值守時門被打開,則控制室會在第一時間知道,并盡快的通知公安聯防部門以起到防盜的作用。在頁面的左下角,可以看到這個罐的加熱棒的溫度和被加熱的油的溫度。以及由油水界面分析儀所提供的罐內溫層的厚度以及水的高度。能夠遠程控制加熱棒控制器的啟停,并能實時的讀取加熱棒實際工作運行狀態,當加熱棒處于加熱狀態時,圖上的加熱棒會變成紅色,同時運行狀態指示燈會變成綠色,當加熱棒處于停止加熱狀態時,加熱棒會變成灰黑色,運行狀態指示燈會變成紅色。在頁面的右側能夠看到加熱棒溫度、罐內油溫和罐內液體總高的歷史趨勢圖。罐內的液體高度的動畫與實際罐內的液體高度是成正比的,也就是說圖上顯示液體位置在哪,罐內的實際液位高度就在哪里。
           

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            軟件當中,還可以遠程的設置報警的限值,但這個設置是有權限限制的,也就是說不是任何一個操作人員均可進行設置,要通過密碼認證才能進入到設置當中,如圖:
           

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            同時軟件提供實時的數據報表和歷史數據報表,方便用戶對數據進行提取和處理,并且這些數據可以通過第三方軟件進行讀取,例如將數據導出到excel當中或是Access數據庫當中,為計量提供第一手的測量數據,軟件也可以根據用戶提供的公式來按照高度換算當前的罐容并根據油水分界面的情況換算實際的原油產量。
             
           

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            軟件可以根據用戶的實現辦公作業流程需求,將辦公自動化與監控自動化結合起來,徹底的提高工作效率,并且可以根據正常情況下液面高度的變化情況來判斷當前是否有漏油和盜油的隱患,即時通知控制中心,以便防患于未然。
            
            四、實際測試總結:
            本套系統在勝利油田的東辛二礦進行了運行試驗,系統使用了25KW的加熱棒適配40立方的臥罐。主要從節能方面對產品進行了定性的測試。
            在節能方面,除了在熱轉化效能上采用新的技術手段外,在控制實現方式上還成功的應用了GPRS遠程無線數據傳輸技術,進一步提高控制的智能化和人性化,控制方式更加靈活,用戶可以將原有控制方式中的24小時不間斷恒溫加熱模式改為按需要提前加熱或者用戶根據當前實測的罐溫修改當前的保溫工作限值,使加熱周期拉長,但能保證罐溫在一個長的時間內維持相對的穩定,遠程修改控制溫度,遠程實現不同溫度的恒溫控制。從控制方式上來講,更加方便,更加人性化,也降低井隊值班工作人員的勞動強度,同進也節約了能源。
            從節能方面上來講,節能主要是將不必要支出的能源消耗節約下來,就以空調加熱為例,如果一種方式是一天24小時不論房間有沒有人空調控制器都以一個恒定的溫度來控制空調啟停。而另一種方式是只在有人來之前提前一個時間段來以一個恒定的溫度啟停空調,雖然是都能夠達到在人到達這個房間時,溫度達到指定的溫度,但這兩種控制方式下所消耗的電能就不言而喻了。
            我們的這種遠程控制正是以按需方式為主,可以遠程啟停控制加熱棒工作,同時也可以靈活多變的實現用戶所需的例如24小時恒溫加熱或是長間隔,定時加熱到指定溫度等不同的加熱控制方式。以按需要提前加熱這種控制方式來講,在平時,加熱棒是可以不必啟動加熱的,按照所安裝設備的油井的不同產油情況,加熱一罐油水混合物的時間可能會不盡相同,調度人員可以按實際油井不同含水含蠟情況確定提前加熱的時間長短。
            我們以一口井日產7-8噸的產量來計,根據拉油車的一次最大的拉油量來算,一個40方的罐可能會在兩天左右來拉一次油,假設加熱這口井所產的20噸左右的原油混合物需要3個小時的話,工作安排人員只需在準備去拉油的前3個小時遠程啟動加熱,由于加熱過程有多重的保護,不會出現加熱棒干燒或是油溫過高的情況。所以控制過程是非常安全可靠的。并且工作安排人員可以遠程的看到現場實際的加熱變化情況和加熱棒的工作狀況。
            依據上述的情況,我們來計算一下拉一次油所消耗的電能。我們以加熱棒的實際有功功率為25KW來進行計算。以實際加熱工作時間長度為3小時進行能耗統計,兩天內(48小時)所消耗電能為25(KW)×3(h)=75(KWh),即75度電。而且實際的運行當中,由于加熱過程采取漸進式的加熱控制,所以,實際當中,所消耗的75度電中我們實際消的約在33%左右。
            我們再來計算48小時內恒溫加熱所消耗的電能,我們的加熱控制器在加熱3小時達到指定溫度,在實際測量中,加熱和停止加熱所占時間比約為1:2,按這種的保溫情況來計算,則所需的加熱時間長度為3+(48-3)*33%=17.85小時,則所消耗的電能為25(KW) ×17. 85(h)=446.25(KWh), 則按需加熱方式所消耗的電能是恒溫加熱控制方式所需電能的50/625×100%=16.8%。也就是我們只花掉了原有控制方式16.8%的電能同樣達到了原有控制方式下所需要達到的效果。
            而且拉油的間隔時間越長,兩種控制方式下能耗差別就會越大,而依照當前電價所產生的費用也就會隨之差別更大。
            建設這種遠程控制站的便捷性:這種遠程控制的加熱控制箱與其它廠家的加熱控制箱在外觀上和動力電安裝上沒有什么區別,也不需要額外建設數據傳輸的天線塔之類的建筑,安裝方便快捷。由于移動的信號覆蓋基本上沒有盲區,所以控制的區域可以非常的廣,控制數據的傳輸不受地理距離的限制。并且一個井隊或是一個礦在對原有點進行擴容或是新增點時,只需在控制端的軟件上做擴容處理,不會影響到其它原有設備的工作,擴容工作方便高效,并且擴容不受數量的限制。但為了便于數據管理,我們建議在超過250口井左右控制容量時,能再增加一臺控制主機。
                 這種控制器本身也具備主動報警功能,當控制器的某個通道值越過預置報警限值時,便會產生報警,會立即向設置好的手機號碼發出報警短信。方便值班人及時了解設備的運行狀況,及早預防危險事故的發生,提高設備運行的穩定性和安全性。也可以通過主控制站位置選配的短信發送設備實現不同情況不同內容的短信自動報警發送。同時還可將現場的安全防護與控制結合起來,實現一機多能,使生產的組織安排者能遠程了解設備現場的安全情況。例如,可以在井場安裝防盜或其它的安防設備,將這種防盜的信號送到控制箱,遠端控制室的人員即可了解到現場的安防狀態。智能控制器還提供語音通話功能,當用戶在現場將耳麥即插入智能控制器的耳麥插孔時,智能控制器即可改換當前的數據傳輸模式,重新上線和設定好的手機號碼進行語音通話。當通話結束后再次恢復數據傳輸模式。對于流量的控制智能控制器在工況允許的情況下還可采取定時上線,節約流量的方式來節約產生的費用。通過設置GPRS上線時間和下線時間,既能夠保證GPRS數據傳輸,又能夠適時下線,節約數據流量。而且在下線狀態下支持報警主動上線功能。在不間斷上線過程中,智能控制器與數據中心在數據交換傳輸的同時還會定期的發送“心跳”數據包,以保證設備處于正常的在線狀態。一旦出現意外斷線情況,智能控制器會主動采取斷線重連方式重新上線,在網絡不穩定的時候,如果出現了網絡中斷,智能控制器也會重新連接網絡,確保及時有效的監控現場數據。
                為了保證控制的可靠性和更合理的利用能源,本套產品還可對罐內液體的液位也進行了分類精確測量,控制器可以將罐內的液體的高度情況準確的回傳給控制中心,以便對不同情況下的原油混合物采取不同的控制方式,為確定提前加熱時間長短提供一數據依據。并且液位數據的提供還可以實現自動低液位防干燒控制。在有條件對原油儲罐進行排污處理的情況下,油水界面分析儀可以實現自動的油水分離器的控制,采用對水層的合理監測,將水層排出,降低原油的含水率。
            以下是監控48小時的監測數據,記錄間隔為1分鐘,前期為維持加熱棒300-350工作,油溫從60度左右持續升溫,在后續的控制時間段內,將控制的限值進行了不同的此伏修改,同時拉大了控制的周期,試驗了幾種不同的控制溫度方式,但維持了油溫在70度左右波動。
             
           

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