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)

曾黎

大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠

應(yīng)用電磁微波加熱技術(shù)可以根據(jù)需要快速、高效輸出熱能，在不需要的時(shí)候快速停止能源消耗，它具有效率高、升溫快、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠的特點(diǎn)。目前電磁微波加熱技術(shù)正向分布式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制方式發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步及對(duì)電磁微波加熱系統(tǒng)技術(shù)的不斷探索與研究，未來(lái)電磁微波加熱技術(shù)具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

大慶油田轉(zhuǎn)油站燃?xì)鉄嵯此訜嵯到y(tǒng)由于運(yùn)行年限長(zhǎng)，熱損失問(wèn)題日益嚴(yán)重，熱洗水溫度難以達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求，采用高效節(jié)能、施工簡(jiǎn)便的加熱提溫系統(tǒng)具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。針對(duì)大慶油田的實(shí)際情況，對(duì)大功率電磁微波加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和高頻感應(yīng)加熱逆變電源控制器實(shí)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行理論分析，為今后系統(tǒng)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 感應(yīng)加熱電源研究現(xiàn)狀

感應(yīng)加熱電源的制造水平與功率器件兩者是不可分割的，20世紀(jì)50年代晶閘管的問(wèn)世給感應(yīng)加熱電源提供了一個(gè)巨大的發(fā)展動(dòng)力，感應(yīng)加熱電源新技術(shù)應(yīng)用廣泛，出現(xiàn)了高壓大功率變頻器感應(yīng)加熱電源，加熱電流頻率提升到了中頻。晶閘管的出現(xiàn)使感應(yīng)加熱電源有了質(zhì)的飛躍，自20世紀(jì)80年代絕緣柵晶體管（IGBT）誕生以來(lái)，感應(yīng)加熱電源的發(fā)展突飛猛進(jìn)，新型大功率加熱電源不斷涌現(xiàn)。

在我國(guó)，電磁感應(yīng)加熱電源的研究相對(duì)比較落后，在20世紀(jì)50年代，感應(yīng)加熱電源主要用于金屬熱處理，技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有巨大的差距[1]。近10年來(lái)，我國(guó)感應(yīng)加熱技術(shù)水平發(fā)展迅速，并且在工業(yè)裝備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。

國(guó)外IGBT逆變器感應(yīng)加熱電源規(guī)格可以達(dá)到1 200 kW、180 kHz，MOSFET逆變器感應(yīng)加熱電源規(guī)格普遍是1 000 kW、400 kHz。大功率容量、高頻率、智能化是感應(yīng)加熱電源的發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)的高頻感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有廣闊的提升空間，隨著高頻感應(yīng)加熱電源的應(yīng)用越來(lái)越受青睞，推動(dòng)高頻感應(yīng)加熱電源發(fā)展也是勢(shì)在必行。

2 感應(yīng)加熱電源的基礎(chǔ)理論

現(xiàn)代感應(yīng)加熱主要依據(jù)集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和圓形效應(yīng)三項(xiàng)基本理論。基于感應(yīng)加熱的許多優(yōu)點(diǎn)使其在金屬的熔煉、釬焊、鍛造、熱處理等工藝以及非金屬的加工作業(yè)方面都有成功的應(yīng)用。

（1）集膚效應(yīng)。當(dāng)鐵芯線圈通以交流電流時(shí)線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵芯中便有感應(yīng)電勢(shì)而生成感應(yīng)電流——渦流[3]

（2）鄰近效應(yīng)。鄰近效應(yīng)是指相互靠近的兩個(gè)導(dǎo)體在其內(nèi)部流過(guò)交變高頻電流時(shí)，因?yàn)橛须姶鸥袘?yīng)的作用，高頻電流會(huì)由于電磁力的作用而偏向一邊。在感應(yīng)加熱設(shè)備中，由于受加熱繞組與被加熱物體安裝位置的限制（必須要平行安裝或同心安裝），換能器表面磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)受到干擾，影響表面渦流分布。

（3）圓環(huán)效應(yīng)。感應(yīng)加熱電源的終端大多是圓環(huán)形繞組，當(dāng)高頻電流通過(guò)時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度內(nèi)側(cè)相對(duì)于外側(cè)較強(qiáng)，中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，圓環(huán)繞組在內(nèi)側(cè)的電流密度最大，這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應(yīng)。

3 感應(yīng)加熱電源主電路分析

感應(yīng)加熱逆變電源在功率輸出回路中利用電容與電感組成諧振電路進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。諧振電路按諧振無(wú)功補(bǔ)償電容與電感繞組連接方式不同，分為串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路[4]，電路結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路容易給電容和電感造成較大的應(yīng)力；并聯(lián)諧振電路雖然適合于高阻抗?fàn)顟B(tài)，但不適用于在大功率狀態(tài)下應(yīng)用[5]。根據(jù)油田生產(chǎn)對(duì)象特點(diǎn)，選擇復(fù)合諧振電路作為主電路模塊，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖1 串聯(lián)諧振電路Fig.1 Series resonant circuit

圖2 并聯(lián)諧振電路Fig.2 Parallel resonant circuit

圖3 復(fù)合諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the topologic structure for composite resonator circuit

復(fù)合諧振電路逆變器有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）電源輸入端有平波電感，逆變輸出端為串聯(lián)負(fù)載，因此可以避免引線寄生電感，短路保護(hù)能力較強(qiáng)。

（2）電路在工作狀態(tài)下近似ZVS、ZCS導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)損耗較小，更加適合超高頻設(shè)計(jì)。

（3）輸入端為電流型，輸出端為電壓型，互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)之間無(wú)死區(qū)時(shí)間。

（4）等效諧振回路有較多儲(chǔ)能元件，負(fù)載匹配更為簡(jiǎn)單，從而適合負(fù)載變化較激烈的場(chǎng)合。

綜上所述，復(fù)合諧振逆變電路更加適合電磁微波加熱系統(tǒng)感應(yīng)加熱電源控制器，因此可采用該逆變電路為主逆變電路[6-7]。

4 頻率跟蹤技術(shù)

電磁感應(yīng)加熱電源在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，工作環(huán)境、使用條件及干擾情況比較復(fù)雜，對(duì)于電磁微波加熱系統(tǒng)，感應(yīng)加熱設(shè)備的終端等同于一個(gè)電磁耦合系統(tǒng)，其中一次側(cè)為接于電源輸出端的感應(yīng)加熱繞組，二次側(cè)為換能器，構(gòu)成一個(gè)無(wú)磁芯的空心變壓器，其電磁耦合模型如圖4所示。

圖4 電磁耦合模型Fig.4 Electromagnetic coupling model

工業(yè)領(lǐng)域電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)電感通常是由螺旋線圈纏繞換能器[8]，換能器作為產(chǎn)熱、傳熱部件，其內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化較大，電感值在某種程度上會(huì)發(fā)生改變，繼而導(dǎo)致諧振頻率的變化。為了降低開(kāi)關(guān)損耗，提高輸出功率，電磁感應(yīng)加熱高頻逆變電源加入頻率跟蹤電路很有必要，可使得功率器件開(kāi)關(guān)頻率跟蹤諧振頻率的變化趨勢(shì)，來(lái)保證感應(yīng)加熱電源始終保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

5 鎖相環(huán)原理

相位同步自動(dòng)控制稱為鎖相，能完成兩個(gè)信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)，簡(jiǎn)稱PLL。鎖相環(huán)進(jìn)入鎖相狀態(tài)時(shí)具有自動(dòng)捕捉信號(hào)的能力，壓控振蕩器VCO可在一定范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的變化。當(dāng)輸入信號(hào)頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)變化時(shí)，鎖相環(huán)能捕捉到輸入信號(hào)頻率，同時(shí)控制VCO鎖定在這個(gè)頻率上。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、低通濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）等組成，其原理見(jiàn)圖5。

圖5 鎖相環(huán)原理Fig.5 Principle of phase locked loop

輸入被鎖相的信號(hào)Ui至相位比較器中的一個(gè)輸入端，相位比較器的另一個(gè)輸入信號(hào)來(lái)自壓控振蕩器的輸出Uo，二者進(jìn)行相位比較，輸出的誤差信號(hào)電壓Ue正比于Ui與Uo兩者信號(hào)的相位差Δψ。該誤差信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量后送入壓控振蕩器的輸入端，低通濾波器輸出的控制電壓Ud使壓控振蕩器的輸出頻率與輸入信號(hào)的相位差Δψ朝著減小的方向變化。這種自動(dòng)循環(huán)跟蹤過(guò)程最終使兩相位差保持恒定不變，實(shí)現(xiàn)頻率和相位的鎖定。

6 電磁微波加熱系統(tǒng)整體方案

以24 kHz/300 kW的電磁微波加熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用水為媒介將電能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)提高水溫以供油田洗井使用。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分為10個(gè)等效的功率工作區(qū)域，每個(gè)功率區(qū)額定功率在30 kW左右；控制系統(tǒng)采用主控板與輔助控制板配合控制的結(jié)構(gòu)，便于操作與故障管理，其中主芯片主要負(fù)責(zé)電路的信息回收和處理工作。電磁微波加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及加熱控制器組成示意圖如圖6、圖7所示。

圖6 電磁微波加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Struture of electromagnetic microwave heating system

圖7 電磁微波加熱控制器組成Fig.7 Component of electromagnetic microwave heating controller

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)考慮以LPC2214芯片為主控芯片，包括芯片外圍電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)、采樣控制電路設(shè)計(jì)和故障保護(hù)電路設(shè)計(jì)等。圖8為系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖。

7 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)電磁微波加熱系統(tǒng)的電磁感應(yīng)加熱原理進(jìn)行分析，以及對(duì)集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、圓環(huán)效應(yīng)的理解，為今后電磁微波加熱系統(tǒng)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

圖8 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖Fig.8 Design block diagram of system hardware circuit

（2）通過(guò)對(duì)高頻感應(yīng)加熱電源常用的諧振電路（即串聯(lián)、并聯(lián)諧振電路）的分析表明，可采用復(fù)合諧振式全橋逆變電路為主控電路。

（3）鎖相環(huán)、頻率跟蹤技術(shù)的開(kāi)發(fā)，對(duì)于電磁微波加熱系統(tǒng)中高頻逆變器功能的實(shí)現(xiàn)，以及減小開(kāi)關(guān)器件損耗、提高系統(tǒng)工作效率具有重要意義。

（4）以24 kHz/300 kW感應(yīng)加熱電源為研究對(duì)象，利用水為媒介將熱能存儲(chǔ)起來(lái)或者應(yīng)用于供暖，提出了封閉式、嵌入式儲(chǔ)熱設(shè)備循環(huán)系統(tǒng)工程使用方案，初步確定了電磁微波加熱系統(tǒng)的組成部分及高頻逆變器的結(jié)構(gòu)。