變頻加熱電源的基本原理及在采油工藝技術(shù)中的應(yīng)用

作者：周加勝,吳海濤 ,郝英杰

在我國(guó)石油開(kāi)采中，稠油井的比例占相當(dāng)大一部分，這類(lèi)井原油粘度高、凝固點(diǎn)高、密度大、含蠟量高，難以開(kāi)采。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)采這類(lèi)油井的最廣泛效果最好的采油工藝技術(shù)是稠油熱采。采用空心桿電加熱工藝技術(shù)，使稠油變稀，可實(shí)現(xiàn)稠油的順利開(kāi)采。

以前的空心桿加熱技術(shù)，采用工頻加熱，因負(fù)載為單相，需要有一個(gè)獨(dú)立的變壓器，將三相輸入變?yōu)閱蜗噍敵?，造成三相電網(wǎng)的不平衡，功率因數(shù)低，電能消耗大，對(duì)電網(wǎng)的污染大，加熱效果不明顯，造成電能的極大浪費(fèi)。因此，需要探討一種先進(jìn)的加熱方式，以提高功效，增強(qiáng)加熱效果。

經(jīng)過(guò)多方試驗(yàn)，采用我們現(xiàn)已掌握的較成熟的變頻技術(shù)，為該加熱裝置提供一種電源，這就是我們公司與油田共同研發(fā)的中頻加熱電源。該設(shè)備可提供250——1000HZ的頻率，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓、電流的連續(xù)可調(diào)，以達(dá)到輸出功率連續(xù)可調(diào)的目的，提高了加熱效果，目前已在勝利油田、遼河油田應(yīng)用上百臺(tái)，很受油田采油工的歡迎。

一、變頻加熱電源的基本原理：

1、集膚效應(yīng)原理：在加熱理論中，有一個(gè)集膚效應(yīng)原理，即：

S=K（1/FC）1/2

式中：S — 集膚效應(yīng)深度

K — 修正系數(shù)

FC — 頻率

由此可以看出，當(dāng)FC增大時(shí)，S變小，則集膚深度越深，同時(shí)其交流阻抗Z= KZC（FC）1/2也變大，因此在相同數(shù)值的電流作用下，負(fù)載所獲得的能量也越高，而電流及線路損耗相應(yīng)地也會(huì)變小，從而提高了加熱效率，同時(shí)還可起到節(jié)約電能的目的。變頻加熱電源正是基于這一原理做成的，利用變頻技術(shù)，可將運(yùn)行頻率提高到工頻的數(shù)倍，加熱效果會(huì)明顯提高。

2、整機(jī)原理框圖如圖一示。

首先將380V/50HZ的三相交流電經(jīng)整流、濾波成直流電，經(jīng)逆變電路變成頻率連續(xù)可調(diào)的單相電，再經(jīng)中頻變壓器隔離后，輸送到加熱電纜給油層加熱。

其主功率器件采用的是德國(guó)西門(mén)子公司的第三代大功率器件IGBT，控制器件為單片機(jī)，是8位工業(yè)專(zhuān)用微處理機(jī)AT89C51，它具有很強(qiáng)的環(huán)境自適應(yīng)能力和抗干擾能力，工作可 靠，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

二、變頻加熱電源的特點(diǎn)：

1、采用了先進(jìn)的移相控制技術(shù)和軟起動(dòng)技術(shù)，使工作更可靠。

2、人機(jī)對(duì)話的顯示界面，可通過(guò)鍵盤(pán)的選擇顯示工作頻率及電流，輸出脈沖的占空比、電流變比等，并可顯示故障狀態(tài)及原因，使顯示更直觀，更易于操作。顯示與主控板共用一個(gè)線路板，排列更緊湊，避免了信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾，工作更穩(wěn)定。

3、輸出部分采用環(huán)形中頻變壓器，用于隔離輸入、輸出電壓，同時(shí)經(jīng)電容組與控制柜輸出相連接，起到隔直作用，防止由于直流偏磁或過(guò)勵(lì)磁產(chǎn)生的磁飽和，同時(shí)可起到串聯(lián)諧振的作用。

中頻變壓器為非晶鈦材料，導(dǎo)磁率高，工作頻率高，自身能量損耗極低，整機(jī)效率提高。若頻率再提高，其體積可做得更小，工作效率更高。

4、保護(hù)功能齊全。

設(shè)置了過(guò)流、短路、機(jī)內(nèi)溫升過(guò)高及過(guò)、欠壓保護(hù)，功能更齊全，工作更可靠，避免了由于各種不正常因素而造成的損壞。

三、應(yīng)用效果。

我們?cè)趧倮吞餅I南采油廠、遼河油田曙光采油廠等幾個(gè)稠油井分布的區(qū)域內(nèi)上百口井運(yùn)用了該技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，結(jié)合加熱電纜及功率，一般將頻率調(diào)至500HZ左右，比工頻提高了10倍，根據(jù)功率調(diào)整電流，一般75KW的在80A左右，90KW的在100A左右，其加熱效果十分明顯，較之工頻加熱：

（1）功率因數(shù)明顯提高，原工頻加熱，功率因數(shù)約在0、7左右，而用變頻加熱，經(jīng)測(cè)試都在0.95以上。

（2）減少了對(duì)電網(wǎng)的污染。原工頻加熱，需三相變二相，造成變壓器輸入三相電壓嚴(yán)重不平衡，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重。應(yīng)用變頻器以后，功率因數(shù)提高，諧波含量明顯減少，減輕了對(duì)電網(wǎng)的污染。

（3）加熱效果明顯。根據(jù)集膚效應(yīng)，頻率提高后，負(fù)載所獲得的能量提高，線路損耗也相應(yīng)減少?gòu)亩岣吡思訜嵝Ч?。?jù)測(cè)試，變頻加熱可比工頻加熱提前1—2小時(shí)達(dá)到欲定效果，而且溫度也要高。

（4）保護(hù)功能齊全。原工頻柜因無(wú)單片機(jī)控制，其保護(hù)功能差，往往由于負(fù)載的短路、斷路及電壓的不穩(wěn)定，造成變壓器燒毀、工作不穩(wěn)定。而變頻柜由于單片機(jī)的控制，其保護(hù)功能齊全，避免了由于電網(wǎng)及負(fù)載的故障引起的問(wèn)題，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）節(jié)能效果明顯。據(jù)測(cè)試，每臺(tái)變頻柜比相應(yīng)的工頻柜節(jié)電都在20%左右，有力的節(jié)約了電能，提高了工作效率，保證了加熱系統(tǒng)的效果。

總之，變頻加熱是稠油熱采的一次革命，我國(guó)的稠油資源相當(dāng)豐富，我們推廣該技術(shù)，是可以為我國(guó)的采油事業(yè)作出一定貢獻(xiàn)的。

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