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一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介
在我國(guó)石油開(kāi)采中，稠油的比例占相當(dāng)大一部分，這類原油粘度高、凝固點(diǎn)高、密度大、含蠟量高，難以輸送為我們所共知。目前在稠油集輸中應(yīng)用較多的工藝技術(shù)是管線摻水和油管加熱。為了解決油田稠油集輸中加熱效果差、浪費(fèi)電能等缺點(diǎn)，我們針對(duì)油田應(yīng)用、利用先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)了輸油管線中頻智能加熱系統(tǒng)。方便管理，提高加熱效率。以先進(jìn)微處理器CPU為控制部件，構(gòu)成了一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該加熱系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流、頻率的連續(xù)調(diào)節(jié), 以達(dá)到輸出功率連續(xù)可調(diào)的目的, 使油管電磁加熱系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，能源利用高，節(jié)能效果明顯。
1、系統(tǒng)構(gòu)成
圖１
系統(tǒng)構(gòu)成：
①變壓器：提供３８０Ｖ交流電源。
②中頻加熱電源：是一種采用中頻感應(yīng)加熱技術(shù)提高加熱效率的電源設(shè)備。該設(shè)備可提供250~2500HZ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，提高加熱效果。
③中頻變壓器：采用環(huán)形中頻變壓器，為非晶鈦材料，導(dǎo)磁率高，工作頻率高，用于隔離輸入輸出電壓，防止由于直流偏磁或過(guò)勵(lì)磁產(chǎn)生的飽和問(wèn)題，同時(shí)可起到串聯(lián)諧振的作用。
④溫度傳感器及溫控儀：檢測(cè)輸出液體的溫度，給變頻電源提供反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
⑤集膚加熱電纜：導(dǎo)體截面積30 mm2;額定電壓3000V;工作頻率50～4000Hz;工作溫度１２０℃。在中頻電流的作用下，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?BR>2、工作原理
⑴、電磁加熱原理：交變磁場(chǎng)中的導(dǎo)體因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流通過(guò)導(dǎo)體本身時(shí)產(chǎn)生熱量，從而加熱導(dǎo)體及介質(zhì)。交變的電流通過(guò)纏繞在管道上電纜時(shí)在線圈中表現(xiàn)出圓環(huán)效應(yīng)，在管道中的油水混合物中表現(xiàn)出集膚效應(yīng)，兩者之間同時(shí)還存在著鄰近效應(yīng)。該方法是交流電三個(gè)效應(yīng)的綜合利用，使電的應(yīng)用效率和熱效率都達(dá)到最高。同時(shí)由于交變磁場(chǎng)的作用，對(duì)管內(nèi)的液體還有攪拌效果。攪拌力F=0.1*P/D2*H*(ρ2*f)(1/2)。在電源電壓和頻率一定的條件下，功率與匝數(shù)平方近似成反比。P∝1/N2。電源電壓、功率與匝數(shù)一定的條件下，頻率與匝數(shù)成反比。
⑵、主要技術(shù)參數(shù)
１）輸出功率范圍 0~4５ＫＷ
２）輸入電壓３８０Ｖ，５０ＨＺ，三相
３）輸出電壓１００Ｖ－5００Ｖ單相，連續(xù)可調(diào)
４）頻率２５０ＨＺ－２５００ＨＺ，連續(xù)可調(diào)
５）輸出波形，正負(fù)半周對(duì)稱的方波，其占空比連續(xù)可調(diào)
⑶、整機(jī)主回路如圖１示
圖１
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管加熱。用脈寬調(diào)制技術(shù)，產(chǎn)生PWM（脈沖寬度調(diào)制）波形來(lái)控制逆變橋四支IGBT的通斷，并跟據(jù)從主電路檢測(cè)到的電壓、電流信號(hào)適時(shí)地提供出保護(hù)信號(hào)，以保護(hù)整機(jī)及負(fù)載．
⑷控制回路
圖2
采用８位工業(yè)通用的微處理芯片AT89C51控制，使該系統(tǒng)具有多項(xiàng)保護(hù)功能，短路保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、缺相保護(hù)、溫升保護(hù)等功能。開(kāi)停機(jī)均為軟起動(dòng)、軟停機(jī)，減少了沖擊電流，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。 使用更安全、操作更方便、加熱效果更佳。
⑸電源輸出
由于負(fù)載為變壓器，要求輸出波形為正負(fù)半周對(duì)稱的方波、即每個(gè)脈沖都是方波，正負(fù)對(duì)稱，且幅度一致．
圖３
圖3中的Ｅ為整流后母線電壓．
對(duì)方波而言，有效值等于平均值．則有效值V0=δE (δ為脈沖占空比)
δ＝Ｔ１／Ｔ０
調(diào)整δ即可調(diào)整輸出電壓的幅度，則對(duì)于相同的負(fù)載而言，其輸出電流即可得到調(diào)整，則負(fù)載上所獲得的功率就可以調(diào)整．
3、中頻加熱系統(tǒng)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。自動(dòng)控制，易于管理。
2、人機(jī)對(duì)話的顯示界面，可通過(guò)鍵盤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、加熱效率接近100%，安全方便。提高電網(wǎng)功率因數(shù)。節(jié)能效果明顯。
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。
二、應(yīng)用效果及其檢測(cè)
我們按每天液量為15方水，做工頻加熱與中頻加熱的對(duì)比試驗(yàn)，水溫均升高30度，測(cè)得工頻加熱時(shí)，電流65A,功率因數(shù)為0.7,可得消耗功率為1.732*380*65*0.7=29.9 KW。測(cè)得變頻2000Hz加熱時(shí)，電流36A, 功率因數(shù)為0.97, 可得消耗功率為1.732*380*36*0.97=22.98 KW。
水的比熱為4.2*106焦/（方.℃）,即理論上計(jì)算，每方水升高１℃所需4.2*106焦?fàn)柕臒崃浚匆惶欤保胺剿牧髁浚撸保啊妫枘芰繛?.2*10８焦?fàn)枺瑒t所需加熱器的功率為4.2*10８焦?fàn)?(24小時(shí))＝4.86 KW。則15方水，水溫均升高30度所需的加熱器的功率為4.86 KW×1.5×3=21.87 KW。
因此用工頻加熱時(shí)的熱效率為21.87 KW/29.9 KW=73.1%;用中頻加熱時(shí)的熱效率為21.87 KW/22.98 KW＝95.2%，另外中頻加熱時(shí)將系統(tǒng)的功率因數(shù)由0.7提高到0.97，減少了線路損耗;因此用中頻加熱時(shí)，綜合節(jié)電率達(dá)23%以上。油的比熱約是水的一半，如果液體為原油時(shí)，則溫度可升高５０℃左右。采用中頻加熱，可通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)恒溫自動(dòng)加熱，大大減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了管理水平。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)