中頻感應(yīng)加熱技術(shù)在陸地油田井口管線中的應(yīng)用

景陽陽 ，閆鴻魁 ，王顯銘 ，劉安康

（沈陽工程學(xué)院a.國際教育學(xué)院；b.自動化學(xué)院；c.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

由于冬季野外氣溫較低，且石油中含蠟量高，容易造成管件被凍堵。傳統(tǒng)的解堵方式是用火燒，既違反了采油區(qū)禁止明火的安全規(guī)定，極易發(fā)生火災(zāi)事故，又破壞了原有的保溫層，而且工作量大、耗費(fèi)時間長。節(jié)能電磁加熱器的高頻磁力線可以穿過石棉、纖維布等保溫材料，以電磁感應(yīng)的方式快速加熱金屬管件實(shí)現(xiàn)解堵［1-2］。

為了解決傳統(tǒng)輸油管加熱裝置熱效率低和熱效果差的問題，采用電磁感應(yīng)技術(shù)研制了機(jī)電一體化的電磁加熱器［3］。電磁加熱是通過高頻控制發(fā)生器將50 Hz交流電變成10 kHz～30 kHz的高頻交流電流，利用渦流效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱換熱器內(nèi)流動的原油，實(shí)現(xiàn)原油的長距離管線輸送［4］。

1 中頻感應(yīng)加熱技術(shù)及其原理

中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)是一種將工頻50 Hz交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l（300 Hz～20 kHz）的電源裝置，把三相工頻交流電整流后變成直流電，再把直流電變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的中頻電流，供給從電容和感應(yīng)線圈里流過的中頻交變電流，在感應(yīng)圈中產(chǎn)生高密度的磁力線，并切割感應(yīng)圈里盛放的金屬材料，在金屬材料中會產(chǎn)生很大的渦流［5］。這種渦流同樣具有中頻電流的一些性質(zhì)，即金屬自身的自由電子在有電阻的金屬體里流動會產(chǎn)生熱量［6-7］。例如，把一根金屬圓柱體放在有交變中頻電流的感應(yīng)圈里，金屬圓柱體沒有與感應(yīng)線圈直接接觸，通電線圈本身溫度已很低，可圓柱體表面被加熱到發(fā)紅，而且這種加熱的速度只要通過調(diào)節(jié)頻率大小和電流的強(qiáng)弱就能實(shí)現(xiàn)［8］。具體工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理

2 硬件結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)

圖2 系統(tǒng)功能模塊

該系統(tǒng)的功能框圖如圖2所示。熱。電磁線與被加熱工件并不直接接觸，電磁線將設(shè)備的電能通過磁場傳遞給被加熱的工件，電能在工件內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

2）管壁出口溫度的實(shí)時采集。當(dāng)管壁出口溫度低于設(shè)定值溫度時，處理器通過控制電路驅(qū)動IGBT驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)控制與保護(hù)。采用自適應(yīng)PID技術(shù)實(shí)時調(diào)節(jié)加熱電源的功率輸出參數(shù)，保證設(shè)備輸出功率的一致性和穩(wěn)定性，并通過PDM功率控制技術(shù)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電流，保證設(shè)備輸出穩(wěn)定的功率，使得作用在工件上的能量可以得到穩(wěn)定控制，保證加熱后的工件溫度一致。

3）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。控制柜帶有RS-485/422標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，可實(shí)現(xiàn)手動操作和遙控操作，可以滿足數(shù)據(jù)傳輸功能［9-10］。

感應(yīng)加熱的最大特點(diǎn)是將工件直接加熱，其優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快，溫度容易控制，加熱過程中不會混入雜質(zhì)，金屬燒損小等。

系統(tǒng)框圖由電源濾波電路、工作電源電路、主電路、振蕩電路、隔離電路、驅(qū)動電路、單片機(jī)控制電路和保護(hù)電路等單元電路組成。所完成的功能如下：

1）工作時，工頻交流電源經(jīng)整流電路整流成直流，再經(jīng)濾波電容平滑后送給逆變電路，逆變電路將直流電流逆變?yōu)楹线m的交變電流，利用電磁感應(yīng)原理，交變電流使被加熱的材料（即被加熱工件）內(nèi)部產(chǎn)生渦流電流，依靠這些渦流電流能量將工件加

3 控制電路硬件構(gòu)成

3.1 控制電路

交流電通過三相整流后經(jīng)過IGBT搭建的橋式逆變電路，生成頻率可變的交流電施加到感應(yīng)線圈上。DSP通過PID出口實(shí)時檢測的溫度進(jìn)行判別，實(shí)時控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，整個控制原理如圖3所示。

圖3 控制原理

3.2 控制芯片的選取

控制芯片采用的是TMS320F28335型數(shù)字信號處理器，與以往的定點(diǎn)DSP相比，該器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)。TMS320F28335具有150 MHz的高速處理能力，32位浮點(diǎn)處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），12位16通道ADC。TMS320F28335芯片如圖4所示。

圖4 TMS320F28335芯片

4 裝置軟件的實(shí)現(xiàn)過程

本裝置通過檢測出口管壁溫度與設(shè)定溫度的大小來判別是否被啟動，同時通過PID來進(jìn)行調(diào)節(jié)，整個裝置實(shí)現(xiàn)加熱調(diào)節(jié)流程如圖5所示。當(dāng)PID檢測出口溫度大于設(shè)定值時，停止加載功率；當(dāng)PID檢測出口溫度小于設(shè)定值時，啟動加載功率。

圖5 裝置實(shí)現(xiàn)加熱調(diào)節(jié)流程

同時，裝置的額定功率可調(diào)，當(dāng)前工作頻率、輸入電壓、輸入電流、IGBT工作溫度等都可以通過該裝置面板顯示及調(diào)節(jié)。面板顯示及參數(shù)設(shè)置操作流程如圖6所示。

5 裝置的功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

該中頻感應(yīng)加熱裝置接通三相380 V電源，輸出的中頻交流電源線螺旋式盤在盤管箱上，同時在其外面加上保溫棉。盤管箱的輸入接到陸地油田井口處，輸出接到運(yùn)輸管道，最終連接到存放的儲油罐中，具體連接線路如圖7、圖8所示。

圖6 面板顯示及參數(shù)設(shè)置操作流程

圖7 中頻加熱裝置實(shí)物接線

圖8 盤管箱

當(dāng)該中頻感應(yīng)加熱裝置通電工作后，通過PID檢測盤管箱出口油的溫度，當(dāng)油溫超過裝置設(shè)定值時，停止加熱；當(dāng)油溫低于設(shè)定值時，繼續(xù)加熱；同時通過PID自身的調(diào)節(jié)，出口油的溫度會一直維持在設(shè)定溫度左右［12］。

6 結(jié)語

該中頻感應(yīng)加熱裝置在某油田運(yùn)行良好，該技術(shù)通過提高加熱電源輸出頻率，利用集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和渦流效應(yīng)等，使加熱效果更加明顯，從而提高加熱效率［13-15］。與以前的工頻加熱電源相比較，每天的用電量降低了，大大降低了生產(chǎn)成本，減少了電能消耗，避免浪費(fèi)，節(jié)約了能源，同時減輕了對環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了稠油開采節(jié)能降耗的目的。