KL-W7000在远程无线高效节能单井罐电加热器产品中的应用

一、产品概述：
在油田原油开采储运过程中，油田为了提高稠油的产量和运输效率，往往会遇到原油加热问题，多年来采用了许多加热方法，同时也形成了多种类型的加热方法和设备，早期的油罐的加热方法主要是采用蒸汽或热水盘管式加热器，盘管式加热器存在事故率高，检修维护困难，能耗大等问题。油田井口油罐受热源的限制，它的加热问题也困扰着广大用户。电热棒正是针对解决这些问题而研制的。多年来经全国各油田采油厂、输油泵站、炼油厂、油库、海洋平台等单位使用，验证了产品的良好的技术性能，电加热器目前在油田的应用已经十分广泛，但随着能源节约问题的日益突出，进一步节能降耗的要求，对电加热器本身的节能要求也在不断的提高，
二、产品分项性能说明：
1、电加热器
油罐防爆电加热器（以下简称电加热器）是针对液体介质需要加热升温而设计的电热设备。该设备成功地解决了压力容器内的介质加热炭化结焦、防爆安全、电热元件使用寿命等技术问题，适用于水、原油、成品油、沥青、润滑油、食品油；以及化工原料如苯、海碱、树脂、乙烯、水煤浆等多种介质加热升温，广泛应用在石油、化工、冶金、玻璃、发电等各工业部门。产品持有国家防爆电气产品质量监督检验测试中心颁发的防爆合格证书。
电热器的发热元件采用进口镍基合金丝，保护管采用耐高温金属材料制成，产品整体具有良好的高温抗氧化性和抗渗碳性能以及使用寿命长等特点。镍基高温合金材料产品性能稳定，具有更高的高温强度和抗氧化性和高温热转化性能,具有较高的均匀电阻率，表面抗氧化性好。并且在高温下有较高的强度，有良好的加工性能，主要特点是热效率高，使用寿命长，抗氧化性能好。
主要技术性能及特点
(1) 产品发热元件采用电热镍基合金丝，不同于一般管式电加热元件，其形状属于线形加热电缆发热芯体和金属护套之间温差很小，导热性能很好，工作可靠，使用寿命长。
(2) 电加热丝绕制成型后热交换面积大，表面热负荷低，无炭化结焦现象（可根据工艺介质的特殊要求，将表面热负荷设计的很低，这是其它电加热器无法做到的）。加热均匀，热效率高。
(3) 发热元件根据使用功率分为铜护套和不锈钢护套。还可采用金属喷涂防腐。
(4) 外壳由无缝钢管与法兰焊接而成，整体结构紧密结实，密封性能好，使用安全，工作压力 2.5MPa~10MPa。
(5) 器件连接及电器接线符合防爆要求，防爆等级为ExeⅡT3
(6) 电加热器内装有温度传感器，与配套控制柜连接后可实现恒温自动控制或者远程定温遥控，定时提前预热等功能。
(7) 为适应节能需要，设备采用独特的热储能缓释技术，在同等电能消耗下，将额定热交换效率下过剩热能进行热储能。并保持在无功情况下维持热能释放。提高单位电能的热转化效率。
(8) 日常无需维护，安装简易，检修方便。
(9) 应变性和实用性强，可根据用户提出的不同用途和要求来进行设计非标准类型的电加热器。
2、远程智能控制器（DTU）
在节能方面，除了在热转化效能上采用新的技术手段外，在控制实现方式上还成功的应用了网由®系列GPRS无线数据传输技术，进一步提高控制的智能化和人性化，将原有控制方式中的24小时不间断恒温加热改为长间隔，不定时按需加热方式，将不需要加热时间段的电能全部节省下来，将电能按需分配，合理利用，将有限的电能最大限度的利用起来。
以往的远程监控实现方式一般是利用公共电话网，通过MODEM拨号，配合相应软件来实现监控。它明显的缺点是只有拨号后才能通信，不能同时“点对多点”通信。实现远程通信的其它方式还有采用卫星、微波、光纤或电台。以应用较多的无线数传电台为例，无线数传电台的数据传输在初期建站过程中需建设相应配套的定向/全向天线及天线架、每点均需配备电台，在距离较远的情况下还需增设中继站进行转发，同时还引发了一次防雷（直击雷）和二次防雷（感应雷）后续设备采购问题。从而产生了较大的采购成本和运行维护成本。
　　 GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，是在GSM业务基础上发展起来的一种分组交换的资料承载和传输方式。GPRS的用户只需购买SIM卡并开通数据服务业务而无需自行建站，具有充分利用现有的移动通信网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。GPRS提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于不间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS是目前阶段解决移动通信信息服务的一种完美、有广阔前景的业务。
　 GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。同时，用户只需按数据通信流量付费，而无需对整个链路占用期间付费。不会产生像拨号方式按占用线路时和收费的情况，实际上，GPRS用户可能连接的时间长达数小时而没有产生大量的数据流量，就只需支付相对低廉的连接费用，可使用户的使用费用大大降低。同时随着电信移动公司的交费调整，各类的数据套餐产品的出现，可实现用户包月或包年制的数据通信服务，进一步的降低运行成本。
GPRS系统结构图：

基于GPRS的远程监控具有以下特点：
1、快速登录，永远在线、实时性强、兼容性好：
由于GPRS具有实时在线特性，无需轮巡就可以同步接收、处理多个监控制点的各种数据。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。支持900／1800／1900MHz三频GSM/GPRS。
2、安全性高，可靠性强，可实现双向数据传递
系统在数据传输过程中加入了加密机制，数据可以在公网上安全地传输；可靠性强，系统具有纠错、重发机制，从而确保数据的完整性和正确性。其次，系统具有自动恢复功能，在GPRS网络状态不稳定的情况下，保证系统稳定工作，而无需人工干预。可对各监测点仪器设备进行远程双向控制：通过GPRS双向系统除可正向采集信息外还可实现对仪器设备进行反向控制，如：时间校正、状态报告、开关等控制功能。
3、建设成本少低：
由于采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需安装好设备就可以，建设成本低；
4、监控范围广、覆盖面广：
控制要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足大范围和跨地区的接入需求。由于石油信息采集点数量众多，分布在范围较广，部分信息采集点位于偏僻地区，而且地理位置分散。而GPRS的特点可以完美体现这一特性。GPRS具有良好的可扩展性。由于目前GSM/GPRS网络已覆盖省内绝大部分地区，基本不存在盲区，可实现大范围的在线监控，满足监控和数据采集传输对覆盖范围的要求。
6、系统的传输容量大：
多用户的业务复用，不同的网络用户共享同一组GPRS信道，但只有当某一个用户需要发送或接收资料时才会占用信道资源。系统依托相应的软件，可以灵活同时实现点～点、点～多点的数据传输；监控中心站要和每一个信息采集点实现实时连接。由于加热控制采集点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。
7、数据传送速率高：
每个监控信息采集点每次数据传输量在10Kbps之内。GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s，目前GPRS实际数据传输速率在40Kbps以上，完全能满足统数据传输速率（≥10Kbps）的需求。并且设备支持数据传输与协议转换。
8、通信费用低：
采用包月计费方式或按流量收费方式，运营成本低，设备可定时上下线节约流量，在不发送资料的时间里设备可以处于待机状态，定时或事件触发登录网络。
　　 GPRS远程终端主要由智能控制器和GPRS模块构成。首先，传感器采集到工业现场参数，并将物理量转化为电信号传给智能控制器分析处理采集，进行传输前的数据量纲转化，另一方面要控制GPRS模块的操作，包括启动和关闭服务，建立和关闭连接，资料与命令模式的转换等，并在资料模式下把经过加密和容错处理后的资料发送给数据服务器，智能控制器的主要技术指标：　　　
供电类型：DC24V(范围：9VDC～36VDC)
工作环境：-30～70℃，5～95%RH柜内安装
静态功耗：＜0.5W
网络登陆后功耗（平均）：＜1.25W
通信方式：支持TCP/UDP通讯方式
协议类型：MODBUS RTU
模拟量：4～20mA信号，0.5%采集精度
开关量：干节点信号
继电器：继电器干节点输出
天线：:内/外置
外形尺寸：121mm×70mm×26mm
安装方式：滑轨式
主要的功能
智能控制器的外观小巧美观，使用方便，抗干扰性能好。提供RS232以及RS485工业通讯接口，智能控制器RS232串口连接其它智能设备（如仪表等）时，智能设备的数据就可以实现无线透明传输。串口数据透明转发的应用，方便现场设备的联网无线使用。在数据的传送上支持TCP/UDP两种通讯模式，保证在不同的网络状况下数据的收发正常。支持低功耗应用，支持双频GSM/GPRS应用。智能控制器本身具备主动报警功能，当控制器的某个通道值越过预置报警限值时，产生生报警，会立即向设置好的多个手机号码发出报警短信。方便值班人及时了解设备的运行状况，及早预防危险事故的发生，提高设备运行的稳定性和安全性。同时还可将现场的安全防护与控制结合起来，实现一机多能，使用户远程了解设备现场的安全情况。智能控制器还提供语音通话功能，当用户在现场将耳麦即插入智能控制器的耳麦插孔时，智能控制器即可改换当前的数据传输模式，重新上线和设定好的手机号码进行语音通话。当通话结束后再次恢复数据传输模式。对于流量的控制智能控制器在工况允许的情况下还可采取定时上线，节约流量的方式来节约产生的费用。通过设置GPRS上线时间和下线时间，既能够保证GPRS数据传输，又能够适时下线，节约数据流量。而且在下线状态下支持报警主动上线功能。在不间断上线过程中，智能控制器与数据中心在数据交换传输的同时还会定期的发送“心跳”数据包，以保证设备处于正常的在线状态。一旦出现意外断线情况，智能控制器会主动采取断线重连方式重新上线，在网络不稳定的时候，如果出现了网络中断，智能控制器也会重新连接网络，确保及时有效的监控现场数据。
与无线数传电台的性能比对


3、油水双界面液位仪
为了保证控制的可靠性和更合理的利用能源，本套产品对罐内液体的液位也进行了分类精确测量，控制器可以将罐内的液体情况准确的回传给控制中心，以便对不同情况下的液体采取不同的控制方式，并且实现自动低液位防干烧控制。
油水双界面液位仪，采用介电原理，结合独特微电容检测传送技术及大规模高速单片机数字处理技术研制而成的智能化、自校正、多相物位检测分析仪，其在油田原油罐中对原油油位与水位的测量具有其它传感器无可比拟的优越性。其主要用于油田及石油化工行业进行油水双界面的高精度测量。利用多段微电容串联组合测量方法，微电容检测和单片机智能控制相结合，突破了传统测量方法，成功解决了介质对测量结果的干扰，实现双界面液位测量。探极采用聚四氟乙烯管材防护，与多电容串连组合设计使产品能够适应各种液体、浆体、粉末、颗粒，并不受挂料、压力、密度、温度甚至化学特性变化的影响，在测量精度和使用环境上都优于其他测量产品。独特测量技术能够适用于恶劣的测量环境，使这一技术从一般应用到危险场所都能可靠运行。

产品能够耐受高温，可达150℃，非常适合与加热环境配套使用，一般的压敏式液位会因为温度漂移而影响测量的准确性，在超过60度以上的环境下，一般的压敏式液位就会发生严重的温漂而使测量结果失去意义。而近几年出现的光纤式油罐液位仪因造价过高推广起来存在一定的困难，且光纤式的液位在使用过程中因结蜡等原因还需定期的对液位导杆进行清理 ，而电容式的双界面仪由于实现在线多段扫描自较正功能，基本处于免维护状态，且不受测量介质的粘稠度限制。
油水双界面液位仪实现了多界面同时准确测量，有液晶本地显示，按键进行参数设置功能，聚四氟防护外套，耐酸碱腐蚀，超强耐磨损。分析仪由多段微电容串组合探极和逐段扫描自校正式界面液位变送器组成。其传感探极安装在液罐中，变送器由单片机构成，完成检测和自校正功能，将检测的水面、油面高度以两路4-20mA恒流信号分别输出，测量误差为量程的±0.5％(空气中) 。有国家防爆电气产品质量监督检验测试中心颁发的防爆合格证书。防爆等级Ex(ib)IIBT4，产品本身有密钥保护功能、在线自校正功能、基准电压自适应功能、智能信号处理技术，能够适应多种恶劣的工况环境。使用示意图如下：




三、产品软件功能：
产品的软件可在初始界面上显示用户的实际监测位置的地理分布图，并在图上清晰标注出各个监测点的与相邻监测点的实际位置关系。用户可以在分布图上清楚的看到全部被监测的罐的报警显示以及无线设备的在线状态。如图：


当用户需要查看更进一步的详细信息的时候，可以单击罐的标志，进入该监测点的详细页面进行数据和设备情况查看。在该页面中，用户可以看到当前这个罐的加热棒的工作状态，开关情况，控制箱的供电情况以及现场相关的防盗的一些附加信息。如果在现场安装一个红外探测传感器，一旦在无人值守期间，红外探测器探测到有人在布控范围内活动，则会通过无线在中心控制室显示出来，在一定程度上体现无人值守的防盗特性。另外门磁开关也是附加在监控系统上的一个安防措施，一旦无人值守时门被打开，则控制室会在第一时间知道，并尽快的通知公安联防部门以起到防盗的作用。在页面的左下角，可以看到这个罐的加热棒的温度和被加热的油的温度。以及由油水界面分析仪所提供的罐内温层的厚度以及水的高度。能够远程控制加热棒控制器的启停，并能实时的读取加热棒实际工作运行状态，当加热棒处于加热状态时，图上的加热棒会变成红色，同时运行状态指示灯会变成绿色，当加热棒处于停止加热状态时，加热棒会变成灰黑色，运行状态指示灯会变成红色。在页面的右侧能够看到加热棒温度、罐内油温和罐内液体总高的历史趋势图。罐内的液体高度的动画与实际罐内的液体高度是成正比的，也就是说图上显示液体位置在哪，罐内的实际液位高度就在哪里。


软件当中，还可以远程的设置报警的限值，但这个设置是有权限限制的，也就是说不是任何一个操作人员均可进行设置，要通过密码认证才能进入到设置当中，如图：




同时软件提供实时的数据报表和历史数据报表，方便用户对数据进行提取和处理，并且这些数据可以通过第三方软件进行读取，例如将数据导出到excel当中或是Access数据库当中，为计量提供第一手的测量数据，软件也可以根据用户提供的公式来按照高度换算当前的罐容并根据油水分界面的情况换算实际的原油产量。




软件可以根据用户的实现办公作业流程需求，将办公自动化与监控自动化结合起来，彻底的提高工作效率，并且可以根据正常情况下液面高度的变化情况来判断当前是否有漏油和盗油的隐患，即时通知控制中心，以便防患于未然。

四、实际测试总结：
本套系统在胜利油田的东辛二矿进行了运行试验，系统使用了25KW的加热棒适配40立方的卧罐。主要从节能方面对产品进行了定性的测试。
在节能方面，除了在热转化效能上采用新的技术手段外，在控制实现方式上还成功的应用了GPRS远程无线数据传输技术，进一步提高控制的智能化和人性化，控制方式更加灵活，用户可以将原有控制方式中的24小时不间断恒温加热模式改为按需要提前加热或者用户根据当前实测的罐温修改当前的保温工作限值，使加热周期拉长，但能保证罐温在一个长的时间内维持相对的稳定，远程修改控制温度，远程实现不同温度的恒温控制。从控制方式上来讲，更加方便，更加人性化，也降低井队值班工作人员的劳动强度，同进也节约了能源。
从节能方面上来讲，节能主要是将不必要支出的能源消耗节约下来，就以空调加热为例，如果一种方式是一天24小时不论房间有没有人空调控制器都以一个恒定的温度来控制空调启停。而另一种方式是只在有人来之前提前一个时间段来以一个恒定的温度启停空调，虽然是都能够达到在人到达这个房间时，温度达到指定的温度，但这两种控制方式下所消耗的电能就不言而喻了。
我们的这种远程控制正是以按需方式为主，可以远程启停控制加热棒工作，同时也可以灵活多变的实现用户所需的例如24小时恒温加热或是长间隔，定时加热到指定温度等不同的加热控制方式。以按需要提前加热这种控制方式来讲，在平时，加热棒是可以不必启动加热的，按照所安装设备的油井的不同产油情况，加热一罐油水混合物的时间可能会不尽相同，调度人员可以按实际油井不同含水含蜡情况确定提前加热的时间长短。
我们以一口井日产7-8吨的产量来计，根据拉油车的一次最大的拉油量来算，一个40方的罐可能会在两天左右来拉一次油，假设加热这口井所产的20吨左右的原油混合物需要3个小时的话，工作安排人员只需在准备去拉油的前3个小时远程启动加热，由于加热过程有多重的保护，不会出现加热棒干烧或是油温过高的情况。所以控制过程是非常安全可靠的。并且工作安排人员可以远程的看到现场实际的加热变化情况和加热棒的工作状况。
依据上述的情况，我们来计算一下拉一次油所消耗的电能。我们以加热棒的实际有功功率为25KW来进行计算。以实际加热工作时间长度为3小时进行能耗统计，两天内（48小时）所消耗电能为25(KW)×3(h)=75(KWh)，即75度电。而且实际的运行当中，由于加热过程采取渐进式的加热控制，所以，实际当中，所消耗的75度电中我们实际消的约在33%左右。
我们再来计算48小时内恒温加热所消耗的电能，我们的加热控制器在加热3小时达到指定温度，在实际测量中，加热和停止加热所占时间比约为1：2，按这种的保温情况来计算，则所需的加热时间长度为3+(48-3)*33%=17.85小时，则所消耗的电能为25(KW) ×17. 85(h)=446.25(KWh), 则按需加热方式所消耗的电能是恒温加热控制方式所需电能的50/625×100%=16.8%。也就是我们只花掉了原有控制方式16.8%的电能同样达到了原有控制方式下所需要达到的效果。
而且拉油的间隔时间越长，两种控制方式下能耗差别就会越大，而依照当前电价所产生的费用也就会随之差别更大。
建设这种远程控制站的便捷性：这种远程控制的加热控制箱与其它厂家的加热控制箱在外观上和动力电安装上没有什么区别，也不需要额外建设数据传输的天线塔之类的建筑，安装方便快捷。由于移动的信号覆盖基本上没有盲区，所以控制的区域可以非常的广，控制数据的传输不受地理距离的限制。并且一个井队或是一个矿在对原有点进行扩容或是新增点时，只需在控制端的软件上做扩容处理，不会影响到其它原有设备的工作，扩容工作方便高效，并且扩容不受数量的限制。但为了便于数据管理，我们建议在超过250口井左右控制容量时，能再增加一台控制主机。
这种控制器本身也具备主动报警功能，当控制器的某个通道值越过预置报警限值时，便会产生报警，会立即向设置好的手机号码发出报警短信。方便值班人及时了解设备的运行状况，及早预防危险事故的发生，提高设备运行的稳定性和安全性。也可以通过主控制站位置选配的短信发送设备实现不同情况不同内容的短信自动报警发送。同时还可将现场的安全防护与控制结合起来，实现一机多能，使生产的组织安排者能远程了解设备现场的安全情况。例如，可以在井场安装防盗或其它的安防设备，将这种防盗的信号送到控制箱，远端控制室的人员即可了解到现场的安防状态。智能控制器还提供语音通话功能，当用户在现场将耳麦即插入智能控制器的耳麦插孔时，智能控制器即可改换当前的数据传输模式，重新上线和设定好的手机号码进行语音通话。当通话结束后再次恢复数据传输模式。对于流量的控制智能控制器在工况允许的情况下还可采取定时上线，节约流量的方式来节约产生的费用。通过设置GPRS上线时间和下线时间，既能够保证GPRS数据传输，又能够适时下线，节约数据流量。而且在下线状态下支持报警主动上线功能。在不间断上线过程中，智能控制器与数据中心在数据交换传输的同时还会定期的发送“心跳”数据包，以保证设备处于正常的在线状态。一旦出现意外断线情况，智能控制器会主动采取断线重连方式重新上线，在网络不稳定的时候，如果出现了网络中断，智能控制器也会重新连接网络，确保及时有效的监控现场数据。
为了保证控制的可靠性和更合理的利用能源，本套产品还可对罐内液体的液位也进行了分类精确测量，控制器可以将罐内的液体的高度情况准确的回传给控制中心，以便对不同情况下的原油混合物采取不同的控制方式，为确定提前加热时间长短提供一数据依据。并且液位数据的提供还可以实现自动低液位防干烧控制。在有条件对原油储罐进行排污处理的情况下，油水界面分析仪可以实现自动的油水分离器的控制，采用对水层的合理监测，将水层排出，降低原油的含水率。
以下是监控48小时的监测数据，记录间隔为1分钟，前期为维持加热棒300-350工作，油温从60度左右持续升温，在后续的控制时间段内，将控制的限值进行了不同的此伏修改，同时拉大了控制的周期，试验了几种不同的控制温度方式，但维持了油温在70度左右波动。