一种电加热电缆的发热预警方法及装置与流程

本申请涉及油田开发领域技术领域，尤其是涉及一种电加热电缆的发热预警方法及装置。

背景技术：

目前，随着稠油、超稠油、高凝油不断开发，电加热方法已在火烧油层电点火、井筒降粘(解堵)、井筒清防蜡等油井作业中广泛应用，它以加热功率调控方便，作业施工及时、安全可靠而广受现场欢迎。目前电加热主要通过电加热电缆实现，常用的电加热电缆主要包括电热电缆和连续油管两种。其中，电热电缆主要运用在火烧油层电点火和空心杆电加热中；连续油管主要运用在井筒降粘(解堵)和井筒清防蜡中。

通常将电加热电缆缠绕在金属滚筒上，使用时，将电加热电缆下直空心抽油管中，通上交流电进行加热。由于油井的流体性质差异较大，加热深度也不尽相同，因此，在每次作业时，滚筒上总会剩余部分电缆。加热运行过程中，剩余电加热电缆或者其所缠绕的滚筒上会产生热量，导致温度升高，给安全生产带来隐患。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种电加热电缆的发热预警方法及装置，可以在安全生产中提供科学合理的指导。

为达到上述目的，本申请实施例提供了一种电加热电缆的发热预警方法，该方法包括：

获取电热电缆所缠绕的滚筒的尺寸参数、所述滚筒的质量、所述电热电缆在所述滚筒上缠绕的匝数、以及所述电热电缆的电流参数；

根据所述尺寸参数、所述匝数、以及所述电流参数确定所述滚筒的发热量；

根据所述发热量以及所述滚筒的质量，获取所述滚筒的温度增量；

判断所述温度增量是否达到了预设预警温度值，若判断结果为是，则发出预警信号。

本申请实施例还提供了一种电加热电缆的滚筒发热预警装置，用来指导安全生产，该装置包括：

参数获取模块，用于获取电热电缆所缠绕的滚筒的尺寸参数、所述滚筒的质量、所述电热电缆在所述滚筒上缠绕的匝数、以及所述电热电缆的电流参数；

热量确定模块，用于根据所述尺寸参数、所述匝数、以及所述电流参数确定所述滚筒的发热量；

温度增量确定模块，用于根据所述发热量以及所述滚筒的质量，获取所述滚筒的温度增量；

判断模块，用于判断所述温度增量是否达到了预设预警温度值，若判断结果为是，则发出预警信号。

本申请实施例还提供了另一种电加热电缆的发热预警方法，该方法包括：

获取连续油管的质量和长度，以及所述连续油管的电流参数；

根据所述长度，以及所述电流参数确定所述连续油管的发热量；

根据所述发热量和质量，获取所述连续油管的温度增量；

判断所述温度增量是否达到了预设预警温度值，若判断结果为是，则发出预警信号。

本申请实施例还提供了另一种电加热电缆的发热预警装置，该装置包括

参数获取模块，用于获取连续油管的质量和长度，以及所述连续油管的电流参数；

热量确定模块，用于根据所述长度，以及所述电流参数确定所述连续油管的发热量；

温度增量确定模块，用于根据所述发热量和质量，获取所述连续油管的温度增量；

判断模块，用于判断所述温度增量是否达到了预设预警温度值，若判断结果为是，则发出预警信号。

由以上本申请实施例所提供的技术方案可知，本申请实施例通过计算在使用过程中发热部件的发热量，获得因为发热使得发热部件上升的温度。该发热部件指电热电缆或者其缠绕的滚筒。再判断该上升的温度是否达到了预设预警温度，若判断结果为是则发出相应的预警信号，从而在安全生产中提供科学合理的指导。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，构成本申请实施例的一部分，并不构成对本申请实施例的限定。在附图中：

图1为本申请实施例的一种电加热电缆的发热预警方法的流程示意图；

图2为本申请实施例的铠装电缆结构示意图；

图3为本申请实施例的缠绕有铠装电缆的滚筒剖面图；

图4为本申请实施例的图3中滚筒内感生电流示意图；

图5为本申请实施例的一种电加热电缆的发热预警装置示意图；

图6为本申请实施例的另一种电加热电缆的发热预警方法的流程示意图；

图7为本申请实施例的连续油管结构示意图；

图8为本申请实施例的缠绕有连续油管的滚筒剖面图；

图9为本申请实施例的另一种电加热电缆的发热预警装置示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请实施例的示意性实施例及其说明用于解释本申请实施例，但并不作为对本申请实施例的限定。

下面结合附图，对本申请实施例的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1所示为本申请实施例一种电加热电缆的发热预警方法的流程示意图，如图1所示一种电加热电缆的发热预警方法可以包括以下步骤。

S101，获取电热电缆所缠绕的滚筒的尺寸参数、所述滚筒的质量、所述电热电缆在所述滚筒上缠绕的匝数、以及所述电热电缆的电流参数。

本申请各个实施例中，所述的电热电缆均为滚筒上剩余部分的电热电缆，不包括，下至井内的电热电缆。所述电热电缆又可以包括铠装和非铠装两种。其中，铠装电热电缆结构如图2所示，铠装电热电缆包括金属导线，导线外缠绕有绝缘层，在绝缘层的外面还有一个铠装保护层。通常该铠装保护层由不锈钢钢丝制成，对内部结构起保护作用。非铠装的电缆包括金属导线，导线外缠绕有绝缘层。

在本申请的一个实施例中，所述电流参数可以为交流电电流的振幅。所述尺寸参数可以为所述滚筒的内外直径数，以及缠绕有所述电加热电缆的滚筒的长度。

在本申请的另一个实施方式中，采用的电加热电缆为电热电缆。此时，所述电流参数可以包括：所述电热电缆内电流的频率和有效值。电流的有效值比较好测量，因此这里选用有效值。所述尺寸参数可以包括：所述滚筒的直径，所述滚筒的滚筒壁厚度，缠绕有所述电热电缆的滚筒的长度。

在本申请的一个实施例中，获取滚筒的质量可以通过滚筒的尺寸参数计算得到。例如，滚筒壁厚度为δ(m)，滚筒的直径为D₀(m)，缠绕有电加热电缆的滚筒的长度为L₀(m)，则滚筒的质量m为：m＝ρ₀·π·D₀·δ·L₀。其中ρ₀表示滚筒材料的密度。

S102，根据所述尺寸参数、所述匝数，以及所述电流参数确定所述滚筒的发热量。

在本申请的一个实施方式中，采用的电加热电缆为电热电缆。加热时，电热电缆上通有交流电，缠绕有电热电缆的滚筒此时相当于一个通电螺线管，该滚筒内部会产生感生电动势，且滚筒构成了一个闭合回路，会有感生电流通过其内部，而滚筒上缠绕的电热电缆主要起导线作用，此时的滚筒就是一个发热部件。

将所述尺寸参数、匝数，以及所述电流参数，带入以下公式计算得到所述滚筒的发热量，

式中，W表示t₀时间内所述滚筒上产生的热功，N表示所述滚筒上缠绕的电热电缆的匝数，D₀表示所述滚筒的直径，δ表示所述滚筒的滚筒壁厚度，f表示所述电热电缆内电流的频率，μ表示空气介质的磁导率，ρ表示滚筒材料的电阻率，L₀表示缠绕有所述电热电缆的滚筒的长度，I表示所述电加热电缆内电流的有效电流值。

上述实施方式中，量化计算了电加热电缆的滚筒发热情况，可以为后续合理指导安全生提供基础。

S103，根据所述发热量以及所述滚筒的质量，获取所述滚筒的温度增量。

在本申请的一个实施方式中，可以根据以下公式计算所述滚筒的温度增量，此时为了简化计算温度增量过程，不考虑滚筒向外散热。

W＝c·m·ΔT

式中，c表示滚筒材料的比热容，m表示所述滚筒的质量，m可以根据发热部件的尺寸数据以及密度计算得到，ΔT表示所述发热部件温度的增量。

S104，判断所述温度增量是否达到了预设预警温度值，若判断结果为是，则发出预警信号。

由图1所示的实施例可知，本申请实施例通过计算在使用过程中发热部件滚筒的发热量，获得因为发热使得发热部件上升的温度，再判断该上升的温度是否达到了预设预警温度，若判断结果为是则发出相应的预警信号，从而在安全生产中提供科学合理的指导。

在本申请的一个实施例中，采用的电加热电缆为电热电缆，该加热电缆为铠装电缆。缠绕有电缆的滚筒的剖面图如图3所示。图3中滚筒壁厚度为δ(m)，滚筒的直径为D₀(m)，缠绕有电热电缆的滚筒的长度为L₀(m)，滚筒中所缠绕的电缆匝数为N。加热时，电缆中通有频率为f的交变电流，该电流为正弦交流电且有效值为I(A)，振幅为I_m。

缠绕有剩余铠装电缆的滚筒在通上交流电之后相当于一个通电螺线管。根据法拉第电磁感应定律可知，此时，滚筒上会有感生电动势产生，且闭合的滚筒构成了回路，会有感生电流通过，电流方向如图4中虚线所示，图4为滚筒的侧视图。

滚筒内所形成磁场的磁感应强度B如下所示：

式中，μ表示所述空气介质的磁导率，i表示剩余电缆内的电流。假设该交流电的表达式如下：

i＝I_m sinωt (2)

则有，且ω＝2πf。

滚筒形成的闭合回路所围成面积内的磁通量Φ为：

Φ＝B·S (3)

式中，S表示滚筒形成回路所围成的面积。

滚筒上的感生电流可以表示成如下：

式中，R表示滚筒的轴向交流电阻。

式中，ρ表示滚筒材料的电阻率。

综合以上(1)至(6)可得到，

令则有，

I_i＝I_im cosωt (8)

滚筒发热的功率P为：

在时间t₀内由于滚筒发热产生的热量W如下所示，单位J，

我国交流电频率f＝50Hz，而0≤sin2ωt₀≤1，则可以忽略不计。所以有，

将式(11)中代入各个变量，可以得到，

根据上式(12)计算滚筒上的发热量，再得到滚筒升高的温度，判断所述增量是否达到了预设预警温度值，若判断为是，则发出预警信号。

在本实施例中，根据物理定律推导得到了电热电缆加热方式下，滚筒由于发热所产生的能量的计算公式，根据此公式就可以明确计算出滚筒发热产生的热量。

在本申请的一个实施方式中，根据以上实施例中的公式(12)计算得到了滚筒的发热产生的热量，再根据以下公式计算得到由于发热导致滚筒升高的温度。

W＝c·m·ΔT (13)

式中，c表示所述滚筒材料的比热容，单位为J/(kg·℃)；m表示所述滚筒的质量，单位为kg，可以根据滚筒材料的密度和尺寸数据计算得到；ΔT表示所示所述滚筒升高的温度，单位℃；W表示滚筒上发热产生的热量，单位J。

再将ΔT与预设预警温度进行比较，在本申请的一个具体实施例中，预设预警温度为40℃，当ΔT达到40℃时，此时就会对安全生产带来隐患，则需要发出预警信号，以便作业人员采取预警措施。预警措施可以为将缠绕在滚筒上的电缆摊开放在地上，避免在滚筒上形成闭合螺线管而产生感生电流。

在本实施方式中，根据发热产生的热量，得到了滚筒的由于发热升高的温度，将此温度与预设预警温度进行比较，判断是否达到了预设预警温度。提醒作业人员采取预警措施。若一开始就将滚筒上的电缆摊开放在地上，会占据很大的地面面积，从而影响正常生产。根据本实施例提供的技术方案就可以根据滚筒发热升高的温度判断是否需要采取预警操作，从而指导合理指导安全生产。

本申请实施例中还提供了一种电加热电缆的发热预警装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与一种电加热电缆的发热预警方法相似，因此该装置的实施可以参见一种电加热电缆的发热预警方法的实施，重复之处不再赘述。

如图5所示，在本申请的一个实施例中，一种电加热电缆的发热预警装置可以包括，

参数获取模块501，用于获取电热电缆所缠绕的滚筒的尺寸参数、所述滚筒的质量、所述电热电缆在所述滚筒上缠绕的匝数、以及所述电热电缆的电流参数。

热量计算模块502，用于根据所述尺寸参数、所述匝数、以及所述电流参数确定所述滚筒的发热量。

温度获取模块503，用于根据所述发热量以及所述滚筒的质量，获取所述滚筒的温度增量。

判断模块504，用于判断所述温度增量是否达到了预设预警温度值，若判断结果为是，则发出预警信号。

由上述装置的实施例可知，本申请实施例通过计算在使用过程中发热部件滚筒的发热量，获得因为发热使得发热部件上升的温度，再判断该上升的温度是否达到了预设预警温度，若判断结果为是则发出相应的预警信号，从而在安全生产中提供科学合理的指导。

如图6所示，本申请实施例还提供了另一种电加热电缆的发热预警方法，所述方法可以包括：

S601，获取连续油管的质量和长度，以及所述连续油管的电流参数。

本申请各个实施例中，所述的连续油管均为滚筒上剩余部分的连续油管，不包括，下至井内的。所述连续油管结构如图7所示。如图7中所示，连续油管是将一根包裹有绝缘层的金属导线置于连续油管内，连续油管通常使用不锈钢制成。加热时，图7中的金属导线与外围连续油管相连，形成闭合回路。

在本申请的一个实施例中，获取连续油管的质量可以通过所述连续油管尺寸计算得到。例如，滚筒上的连续油管的长度为L，连续油管的密度为ρ₀，连续油管的直径为D_g。例如，滚筒上的连续油管的长度为L，连续油管的密度为ρ₀，连续油管的直径为D_g，则连续油管的质量m为：

由于连续油管内装有导线绝缘材料等，所以一般这里的ρ₀可以为视密度或者综合密度，现场常用线密度来表示。在本申请一个实施例中，ρ₀表示为单位长度的质量，则连续油管的质量m为：m＝ρ₀·L。

在本申请的一个实施例中，所述连续油管的电流参数可以为连续油管内交流电的有效值，当然获取所述连续油管中电流的振幅也可以，再根据振幅计算得到连续油管内电流的有效值。

S602，根据所述长度，以及所述电流参数确定所述连续油管的发热量。

在本申请的一个实施方式中，采用的电加热电缆为连续油管。加热时，如图7中所示，导线会跟外圈连续油管形成闭合回路，且电流方向相反，此时滚筒上不会产生感生电动势，但此时连续油管本身就是发热的，因此发热部件为连续油管。

将所述长度，以及所述电流参数，带入以下公式计算得到所述连续油管的发热量，

W＝r·L·I²·t₀

式中，W表示t₀时间内所述连续油管上产生的热功，L表示所述滚筒上缠绕的连续油管的长度，I表示所述连续油管内电流的有效值，r表示连续油管单位长度上的阻抗。

S603，根据所述发热量和质量，获取所述连续油管的温度增量。

在本申请的一个实施方式中，可以根据以下公式计算连续油管的温度增量，

W＝c·m·ΔT

式中，c表示连续油管材料的比热容，m表示所述连续油管的质量，m可以根据连续油管的尺寸数据以及密度计算得到，ΔT表示所述连续油管的温度增量。

S604，判断所述温度增量是否达到了预设预警温度值，若判断结果为是，则发出预警信号。

由图6所示的实施例可知，本申请实施例通过计算在使用过程中发热部件连续油管的发热量，获得因为发热使得发热部件上升的温度，再判断该上升的温度是否达到了预设预警温度，若判断结果为是则发出相应的预警信号，从而在安全生产中提供科学合理的指导。

在本申请的一个实施方式中，所采用的电加热电缆为连续油管。连续油管的构造如图7所示。加热时，连续油管外既无电场也无磁场，不会形成感生电流。但是连续油管自身就是一个加热器，也会发热，从而使得滚筒温度升高。

缠绕有连续油管的滚筒剖面图如图8所示。如图8中所示，滚筒壁厚度为δ(m)，滚筒的直径为D₀(m)，缠绕在滚筒上的连续油管的长度为L(m)。连续油管在滚筒上一共缠绕了n层。加热时，电缆中通有频率为f的交变电流，该电流为正弦交流电且有效值为I(A)，振幅为I_m。

连续油管的发热功率为P，单位为瓦(w)，

式中，R_g表示滚筒上的连续油管的电阻，单位为Ω。

在t₀时间内，滚筒上的连续油管上电加热产生的热功W如下，单位为J，

又有，R_g＝r·L，且r表示连续油管单位长度上的阻抗(单位Ω/m)，则有：

W＝r·L·I²·t₀ (16)

在本申请的一个具体实施例中，滚筒上第i层上连续油管的匝数为N_i，其中i＝1,2…n。剩余连续油管单位长度的阻抗为r，单位Ω/m，可以通过实验测得。则滚筒上剩余的连续油管的电阻R_g(Ω)可以表示为，

式中，如图8中所示，D_g(m)为滚筒上剩余连续油管的直径。

将式(17)带入式(16)，则可以得到，

根据上式(18)计算连续油管上的发热量，连续油管上热量使得其温度升高，再判断升高温度是否达到了预设的预警温度，若是，则需要发出预警信号，以便作业人员采取预警措施。

在本实施例中，根据物理定律推导得到了电热电缆加热方式下，滚筒上剩余连续油管由于发热所产生的能量的计算公式，根据此公式就可以明确计算出滚筒上的剩余连续油管发热产生的热量。

在本申请的一个实施方式中，根据以上实施例中的公式(18)计算得到了滚筒上的连续油管发热产生的热量，则可以根据以下公式计算得到由于发热导致连续油管升高的温度。

W＝c·m·ΔT (19)

式中，c表示连续油管材料的比热容，单位为J/(kg·℃)；m表示所述连续油管的质量，单位为kg，可以根据滚筒上的连续油管的尺寸和密度计算得到；ΔT表示所示所述连续油管温度增量，单位℃；W表示滚筒上的连续油管发热产生的热量，单位J。

再将ΔT与预设预警温度进行比较，在本申请的一个具体实施例中，预设预警温度为40℃，当ΔT达到40℃时，此时就会对安全生产带来隐患，需要发出预警信号。

在本实施方式中，根据发热产生的热量，得到了滚筒上连续油管的由于发热升高的温度，将此温度与预设预警温度进行比较。

本申请实施例中还提供了另一种电加热电缆的发热预警装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与一种电加热电缆的发热预警方法相似，因此该装置的实施可以参见一种电加热电缆的发热预警方法的实施，重复之处不再赘述。

如图9所示，在本申请的一个实施例中，一种电加热电缆的发热预警装置可以包括，

参数获取模块901，用于获取连续油管的质量和长度，以及所述连续油管的电流参数。

热量确定模块902，用于根据所述长度，以及所述电流参数确定所述连续油管的发热量。

温度增量确定模块903，用于根据所述发热量和质量，获取所述连续油管的温度增量。

判断模块904，用于判断所述温度增量是否达到了预设预警温度值，若判断结果为是，则发出预警信号。

由上述装置的实施例可知，本申请实施例通过计算在使用过程中发热部件连续油管的发热量，获得因为发热使得发热部件上升的温度，再判断该上升的温度是否达到了预设预警温度，若判断结果为是则发出相应的预警信号，从而在安全生产中提供科学合理的指导。

在一个或多个示例性的设计中，本申请实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请实施例的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。