基于電磁感應(yīng)加熱原理的油田生產(chǎn)系統(tǒng)加熱新技術(shù)

周雪 李祿勝 李玉蓉 楊杰

摘要：油田生產(chǎn)工程系統(tǒng)中，高溫洗井工作一直是其重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，為了高效達(dá)到高溫洗井的效果，必須要采用一種便捷、安全、有效的新型升溫洗井技術(shù)，保證洗井工作質(zhì)量。電磁微波感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行高溫洗井工作，能夠起到高質(zhì)量的清洗效果，且工作模式較為環(huán)保，實(shí)用效果較高。通過(guò)分析高頻感應(yīng)式加熱電源的串聯(lián)并聯(lián)電路網(wǎng)，微波加熱技術(shù)可以使用復(fù)合式全橋逆變諧振電路當(dāng)做主控系統(tǒng)電路。研究對(duì)象為24kHz/300kW型加熱感應(yīng)電源，通過(guò)水媒介存儲(chǔ)熱能，進(jìn)行熱能供應(yīng)，提出采用嵌入式與封閉式的熱能存儲(chǔ)循環(huán)設(shè)備系統(tǒng)的具體方案。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng);諧振電路;加熱系統(tǒng);電感熱能技術(shù)

電磁微波感應(yīng)加熱技術(shù)能夠根據(jù)系統(tǒng)需要，高效、快速的進(jìn)行熱能輸出，當(dāng)系統(tǒng)不需要熱能的時(shí)候，快速的停止供應(yīng)能源，避免能源消耗情況，這種技術(shù)具有著升溫快、效率高、運(yùn)行安全的重要技術(shù)優(yōu)勢(shì)。目前時(shí)期，電磁微波感應(yīng)加熱技術(shù)，已經(jīng)逐漸向分布式的網(wǎng)絡(luò)信息遠(yuǎn)程控制技術(shù)方向上發(fā)展?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步使得電磁微波感應(yīng)加熱技術(shù)得到了更好的優(yōu)化，擴(kuò)大了電磁微波感應(yīng)技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展前景。

1電磁感應(yīng)加熱能源的研究現(xiàn)狀

感應(yīng)類(lèi)加熱電能源的制造發(fā)展與功率電力器件關(guān)聯(lián)密切，上世紀(jì)50年代，晶閘管制造成功，成為了加熱感應(yīng)電源工作中重要的運(yùn)行動(dòng)力，現(xiàn)如今，感應(yīng)類(lèi)加熱電源這一新興的電力技術(shù)在社會(huì)上得到了廣泛的應(yīng)用，隨即研發(fā)出了大功率高壓變頻器型加熱感應(yīng)電源，將加熱電流的頻率逐漸提升至中等頻率。晶閘管使得加熱感應(yīng)電源的研究有了更好的成果。

我國(guó)在電磁加熱感應(yīng)電源方面的研究與國(guó)外對(duì)比還較為落后，早期主要是在金屬處理方面才會(huì)應(yīng)用加熱感應(yīng)電源，在技術(shù)水平上與發(fā)達(dá)國(guó)家有著較大差距。近年來(lái)，我國(guó)在加熱感應(yīng)技術(shù)方面的發(fā)展十分迅速，各種工業(yè)裝備生產(chǎn)領(lǐng)域中都會(huì)廣泛的應(yīng)用加熱感應(yīng)技術(shù)，隨著高頻加熱感應(yīng)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)與創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，加熱電源的發(fā)展會(huì)更加可觀。

2加熱感應(yīng)電源的基礎(chǔ)理論

現(xiàn)代加熱感應(yīng)技術(shù)的主要運(yùn)行依據(jù)是圓形效應(yīng)、集膚效應(yīng)以及鄰近效應(yīng)這三點(diǎn)技術(shù)理論。加熱感應(yīng)技術(shù)的各種優(yōu)點(diǎn)，使得這一技術(shù)在金屬材質(zhì)的鍛造、釬焊、熔煉、熱處理工藝、非金屬等加工中得到重要的應(yīng)用。

（1）圓環(huán)效應(yīng)

加熱感應(yīng)電源終端為圓環(huán)形的電繞組線，高頻率電流在電阻線時(shí)，內(nèi)側(cè)的磁感應(yīng)程度要強(qiáng)于外側(cè)，電磁感強(qiáng)度最大的在電阻圓環(huán)中心位置，最大電流密度是圓環(huán)繞組為內(nèi)側(cè)，此種電感現(xiàn)象為圓環(huán)電感效應(yīng)。

（2）集膚效應(yīng)

鐵芯線圈在接上交流電時(shí)，線圈的周?chē)蜁?huì)出現(xiàn)交變磁場(chǎng)現(xiàn)象，這時(shí)鐵芯中心，就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電勢(shì)，逐漸生成出感應(yīng)電流，此現(xiàn)象為集膚電感效應(yīng)

（3）鄰近效應(yīng)

鄰近效應(yīng)指的是，兩個(gè)電流導(dǎo)體相互靠近，內(nèi)部出現(xiàn)的高頻交變電流會(huì)以?xún)?nèi)電磁感應(yīng)，而偏向于一邊。而加熱感應(yīng)電力設(shè)備，也會(huì)受到加熱繞組和被加熱電力物體的安裝限制，使得換能器的磁感應(yīng)程度受到影響，出現(xiàn)分布渦流。

3分析加熱感應(yīng)電源的電路主線

加熱感應(yīng)逆變電源原理是，在電流功率輸出的電回路中，采用電感與電容組成串聯(lián)并聯(lián)諧振電路，以此補(bǔ)償電流功率。諧振電路的無(wú)功補(bǔ)償連接方式與電感連接的方式有所不同，諧振電路又分為并聯(lián)電路與串聯(lián)電路，其電路結(jié)構(gòu)具體為下圖所示。

傳統(tǒng)串聯(lián)電路會(huì)使得電容與電感受到較大的電流應(yīng)力;而并聯(lián)電路只適合在高阻抗的電流狀態(tài)中，但并不能用在大功率的電流狀態(tài)中。結(jié)合油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的實(shí)際特點(diǎn)，應(yīng)該選用復(fù)合式的諧振電路當(dāng)作運(yùn)行電路的主板模塊，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)具體如下圖。

復(fù)合式諧振逆變器的主要特點(diǎn)：

（1）電源存在平波電感，逆變段是串聯(lián)電路負(fù)載，能夠避免電路引線上寄生的電感，出現(xiàn)短路情況可以保護(hù)電力系統(tǒng)。

（2）電路運(yùn)行時(shí)電流近似ZCS與ZVS的導(dǎo)通情況，開(kāi)關(guān)電能的損耗較低，更適合一些高頻率電路的設(shè)計(jì)。

（3）逆變器輸入端與輸出端分別是電流型與電壓型，可以做到在互補(bǔ)與驅(qū)動(dòng)間的無(wú)死區(qū)電力運(yùn)行時(shí)間。

（4）等效的諧振電力回路中，含有許多能源存儲(chǔ)元件，負(fù)載較強(qiáng)且匹配簡(jiǎn)單，更適合應(yīng)對(duì)一些電力負(fù)載變化比較激烈的電路運(yùn)行中。

由此可見(jiàn)，復(fù)合式逆變諧振電路更適合應(yīng)用于電磁加熱電路系統(tǒng)的加熱感應(yīng)控制。

4頻率跟蹤電感技術(shù)

電磁加熱感應(yīng)電源應(yīng)用于高頻率電力開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)中，其運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行條件與周邊干擾情況等會(huì)對(duì)電磁加熱系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。電磁加熱系統(tǒng)的感應(yīng)設(shè)備終端相當(dāng)于一個(gè)完整的電磁藕合體系，一次側(cè)為接電輸出的加熱感應(yīng)繞組電路，二次側(cè)是電力換能器，由此構(gòu)成為無(wú)磁芯的電力空心變壓裝置，電磁藕合模型，如下圖所示。

電磁感應(yīng)系統(tǒng)的電感，由螺旋線圈纏繞在電能換能器上，而換能器是產(chǎn)熱與傳熱的重要部件，溫度變化時(shí)，電感值也會(huì)出現(xiàn)改變，進(jìn)而導(dǎo)致電路諧振頻率產(chǎn)生變化。要降低電路開(kāi)關(guān)的損耗，將頻率跟蹤加入進(jìn)電磁加熱感應(yīng)高頻率逆變電源中十分有必要，能夠跟蹤電路諧振頻率出現(xiàn)的變化，有效的保證加熱感應(yīng)電源保持住穩(wěn)定狀態(tài)。

5電磁微波能源加熱系統(tǒng)的相關(guān)方案

采用24kHz/300kW型號(hào)的加熱感應(yīng)電源作為主要技術(shù)支持，利用水為媒介將電能轉(zhuǎn)化為熱能，提高電能水溫以滿(mǎn)足油田洗井工作的相關(guān)要求。加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為模塊化，系統(tǒng)主要分10個(gè)功率等效的工作區(qū)，每個(gè)功率工作區(qū)的額定功率為30kW;電能控制系統(tǒng)是以主控板、輔控板相互配合進(jìn)行控制工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更利于操作工作和管理故障。電路主芯片負(fù)責(zé)電路信息的處理與回收工作。電磁加熱系統(tǒng)與電力控制器的組成結(jié)構(gòu)示意圖如下。

硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)主要采用LPC2214電路芯作為電路主控，芯片的外圍電路、控制電路、電源以及故障保護(hù)等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模式，具體如圖8所示。

總結(jié)：

（1）分析電磁微波系統(tǒng)中的電磁加熱感應(yīng)技術(shù)原理，對(duì)圓環(huán)效應(yīng)、集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)進(jìn)行研究，是我國(guó)電磁加熱技術(shù)系統(tǒng)得到深入發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

（2）分析高頻加熱感應(yīng)電源的常用串聯(lián)、并聯(lián)電路可以確認(rèn)，將復(fù)合式諧振逆變電路當(dāng)作主控電路系統(tǒng)，其實(shí)際效果更好。

（3）頻率跟蹤電力技術(shù)的研發(fā)，能夠高效的實(shí)現(xiàn)電磁加熱系統(tǒng)的高頻率逆變功能，并且，降低開(kāi)關(guān)設(shè)備的損耗情況，對(duì)于提高電路系統(tǒng)的整體工作效率有著重要的作用意義。

（4）采用24kHz/300kW型號(hào)的加熱感應(yīng)電源，作為本次研究的主體對(duì)象，以水能源為媒介，儲(chǔ)存熱力能源，或利用熱能進(jìn)行暖氣供應(yīng)，并且提出了嵌入式與封閉式的熱能存儲(chǔ)循環(huán)系統(tǒng)的使用方式，確定組成電磁微波能源加熱系統(tǒng)的主要部分，以及高頻率逆變器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。

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