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摘要：某平台的生产/计量电加热器在生产中起到重要作用，但由于控制其功率大小的可控硅是采取过零控制开关的，因此生产电加热器运行时对平台电站有较大的负荷冲击。通过对生产加热器控制系统的改造，加热器控制系统由原来的晶闸管两相过零控制，变为了晶闸管3相移相控制，由热电偶TT-1033检测到的生产流程的温度信号输入PLC，经过比较检测值与给定值的误差，调用PID功能模块，给晶闸管驱动电路输入4~20mA的电流信号，控制晶闸管导通角，从而控制输出电压有效值。实现了系统根据温度的变化自动控制加热器输出功率的大小，实现了电压、电流的平稳变化，达到加热器的平稳运行的目的，减少对平台电站的冲击。
关键词：晶闸管；过零控制；移相控制；电加热器
1 生产/计量电加热器的作用与平台电站的关系
1.1生产/计量电加热器在采油平台上的作用及流程
某平台安装了一套电加热器撬，它由生产/计量电加热器组成，热负荷分别为660Kw和165Kw,利用平台主机（1500Kw）电源进行加热，分别由两个控制柜进行控制。平台油井产出液体通过油嘴进入生产/计量管汇汇合，经过生产/计量电加热器至55℃再进入生产/计量分离器，在生产/计量分离器内进行气液两相分离，分离出来的含水原油依靠自身压力进入海底管线，分离出来的气体部分进入燃料气系统进行处理，剩余气体与液相混合后进入海底管线。由于某平台部分油井的井温较低,析蜡温度较高,生产/计量加热器为保证海底管线的安全运行极为重要。
平台生产、计量加热器运行期间，通过对安装在控制柜面板上的电流表观察发现电流表存在明显的大幅度波动，从波动的幅度看，几乎是从零点到最大值之间以一定的频率均匀的波动。这种负荷的冲击直接危害平台主机的安全运行，在主机12000小时维修时发现主机12个连杆大端尺寸椭圆度超标，返回陆地进行喷镀处理。
生产加热器温度取样点
2 电加热器能量的晶闸管控制
电加热器通过晶闸管的触发导通方式分为过零触发和移相触发。过零触发方式在交流电波形的每个过零点触发导通晶闸管, 靠在一定时间内触发导通一定的周波数来调节输出电压。过零触发调功器容易实现线性调节, 但调节周期较长, 不适于热惯性较小的电加热调节。移相触发方式是靠改变交流电每半个周期内晶闸管的导通角度来改变输出电压的有效值。晶闸管的移相触发方式具有调节周期短(相对于过零触发方式的几秒、几十秒, 50H z工频时移相触发方式只有0. 01 s)、调节分辨率高( 12MH z主频的51系列单片机用于直接数字触发时可达满功率的1/10 000)的特点。
2.1晶闸管过零触发的电加热器控制系统
生产计量加热器的过零触发晶闸管的原理是按电网半周波或全周波为基本单位，以占空比方式进行调功。由电路图可以看出，整个电路为一个由两相可控（过零触发）的间歇工作电路。在过零触发中，只有当正弦曲线过零时负载电源才通或关断。由于电路设计的特殊性，只能为间歇工作；这种方式的优点是：晶闸管（可控硅）工作于过零开通、过零关断状态，对晶闸管的控制简单，工作波形为正弦，无高次谐波；缺点是：工作时为全功率，关断时为零功率。
2.2晶闸管移相控制的电加热器控制系统
可控硅移相调功的原理是将PLC作为控制核心。PLC通过热电偶检测加热介质温度，与设定温度比较，按PID调节算法计算出当前的加热功率（以全功率的百分比计），按正弦面积率折算为可控硅导通角，通过PLC的模拟量端口传输至晶闸管驱动电路，由晶闸管驱动电路触发可控硅实现加热器的调功。三相晶闸管移相控制系统，可以避免了加热器系统电压、电流的大幅波动，而且三相均应用了移相控制，保证了输出3相电流的平衡。
上图为系统改造部分的框图，改造后系统工作原理如下：热电偶TT-1033检测到的温度信号经隔离变送器输入PLC，加热器系统的给定温度从触摸屏设定，通过通讯输入到PLC，PLC比较检测值与给定值的误差，调用PID功能模块，输出4~20mA的电流信号，经信号隔离器，输出到晶闸管驱动电路，控制晶闸管导通角，从而控制输出电压有效值。
3.1.2 控制软件
改造后的系统软件部分包括PLC控制程序以及触摸屏界面，其中触摸屏界面编辑是在HITECH_ADP6.2软件下编辑的，用户通过触摸屏可以观察系统的参数设置、当前实际温度等信息，并可以通过触摸屏对系统参数进行设置。
3.1.3系统改造增加的主要部件
3.2加热器晶闸管控制系统改进的成本控制
在改造过程中通过合理的改造方案严格控制成本，由原设计的改造费用百万元，控制在20万元以内。
3.2.1 晶闸管电流控制模块的改进
生产加热器总功率为660Kw，加热元件由192根盘管（电阻丝）组成，它分32组回路由4个307型三相两序晶闸管电流控制器（SCR）控制，每个晶闸管控制器（SCR）并联控制8组加热元件，每组加热元件由6根加热元件每两根串接后并成一组三相角接电路。
生产加热器控制系统的核心部件是晶闸管电流控制器，原型号是307型三相两序晶闸管电流控制模块，其触发电路是过零控制；为了控制成本，平台技术人员与维修单位一起研究决定在三相两序晶闸管电流控制模块基础上增加一个晶闸管，改为三相三序电流控制模块，其触发电路改为移相控制的JS-03A晶闸管驱动电路板；改造过程中仅仅增加4个晶闸管和4个移相触发电路。
3.2.2 加热器晶闸管控制系统的控制柜改造
平台上的生产、计量加热器的控制柜是由两个高2.3m、 长1.2m、宽0.8m符合电力标准的配电柜组成，经过调研：控制柜的空间满足所需的增加的电气元件的要求，实施方案中决定在原控制柜的基础上进行改造。
3.2.3加热器控制柜的改造实施
生产、计量加热器是生产流程中的两个不同设备，计量加热器的功率较小（165Kw）,即有一个晶闸管控制模块；生产加热器的功率较大（660 Kw），由四个晶闸管控制模块组成；改造在计量加热器上先进行，将在陆地准备的元器件模块，安装在控制柜上进行加载试验取得圆满成功后在生产加热器上实施。生产加热器控制系统的改造仅用了60小时完成。
4 生产加热器控制系统改造后的应用
通过对生产加热器控制系统的改造，加热器控制系统由原来的晶闸管两相过零控制，变为了晶闸管3相移相控制，通过热电偶TT-1033检测到的生产流程的温度信号输入PLC，经过比较检测值与给定值的误差，调用PID功能模块，给晶闸管驱动电路输入4~20mA的电流信号，控制晶闸管导通角，从而控制输出电压有效值。
参考文献
[1]郑文.状态监测及故障诊断技术在采油平台上的应用[J].广州大学学报(综合版),2000,03:6-9.
[2]杨太年,赵准.外加电流系统在自安装采油平台上的应用[J].中国港湾建设,2012,02:135-137.
论文作者:谢尔维,何玉仓,张凤山
论文发表刊物:《防护工程》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/8
标签：晶闸管论文; 加热器论文; 控制系统论文; 电流论文; 电路论文; 电加热器论文; 功率论文; 《防护工程》2017年第19期论文;