中頻感應加熱技術在陸地油田井口管線中的應用

景陽陽 ，閆鴻魁 ，王顯銘 ，劉安康

（沈陽工程學院a.國際教育學院；b.自動化學院；c.電力學院，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。傳統的解堵方式是用火燒，既違反了采油區禁止明火的安全規定，極易發生火災事故，又破壞了原有的保溫層，而且工作量大、耗費時間長。節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，以電磁感應的方式快速加熱金屬管件實現解堵［1-2］。

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

1 中頻感應加熱技術及其原理

中頻感應加熱系統是一種將工頻50 Hz交流電轉變為中頻（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，再把直流電變為可調節的中頻電流，供給從電容和感應線圈里流過的中頻交變電流，在感應圈中產生高密度的磁力線，并切割感應圈里盛放的金屬材料，在金屬材料中會產生很大的渦流［5］。這種渦流同樣具有中頻電流的一些性質，即金屬自身的自由電子在有電阻的金屬體里流動會產生熱量［6-7］。例如，把一根金屬圓柱體放在有交變中頻電流的感應圈里，金屬圓柱體沒有與感應線圈直接接觸，通電線圈本身溫度已很低，可圓柱體表面被加熱到發紅，而且這種加熱的速度只要通過調節頻率大小和電流的強弱就能實現［8］。具體工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理

2 硬件結構與功能實現

圖2 系統功能模塊

該系統的功能框圖如圖2所示。熱。電磁線與被加熱工件并不直接接觸，電磁線將設備的電能通過磁場傳遞給被加熱的工件，電能在工件內部轉變為熱能。

2）管壁出口溫度的實時采集。當管壁出口溫度低于設定值溫度時，處理器通過控制電路驅動IGBT驅動電路，實現控制與保護。采用自適應PID技術實時調節加熱電源的功率輸出參數，保證設備輸出功率的一致性和穩定性，并通過PDM功率控制技術調節逆變器的輸出電流，保證設備輸出穩定的功率，使得作用在工件上的能量可以得到穩定控制，保證加熱后的工件溫度一致。

3）遠程數據通信。控制柜帶有RS-485/422標準通訊接口，可實現手動操作和遙控操作，可以滿足數據傳輸功能［9-10］。

感應加熱的最大特點是將工件直接加熱，其優點是加熱速度快，溫度容易控制，加熱過程中不會混入雜質，金屬燒損小等。

系統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、驅動電路、單片機控制電路和保護電路等單元電路組成。所完成的功能如下：

1）工作時，工頻交流電源經整流電路整流成直流，再經濾波電容平滑后送給逆變電路，逆變電路將直流電流逆變為合適的交變電流，利用電磁感應原理，交變電流使被加熱的材料（即被加熱工件）內部產生渦流電流，依靠這些渦流電流能量將工件加

3 控制電路硬件構成

3.1 控制電路

交流電通過三相整流后經過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線圈上。DSP通過PID出口實時檢測的溫度進行判別，實時控制IGBT的導通和關斷，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型數字信號處理器，與以往的定點DSP相比，該器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據以及程序存儲量大、A/D轉換更精確快速等優點。TMS320F28335具有150 MHz的高速處理能力，32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達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 裝置軟件的實現過程

本裝置通過檢測出口管壁溫度與設定溫度的大小來判別是否被啟動，同時通過PID來進行調節，整個裝置實現加熱調節流程如圖5所示。當PID檢測出口溫度大于設定值時，停止加載功率；當PID檢測出口溫度小于設定值時，啟動加載功率。

圖5 裝置實現加熱調節流程

同時，裝置的額定功率可調，當前工作頻率、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節。面板顯示及參數設置操作流程如圖6所示。

5 裝置的功能驗證實驗

該中頻感應加熱裝置接通三相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 面板顯示及參數設置操作流程

圖7 中頻加熱裝置實物接線

圖8 盤管箱

當該中頻感應加熱裝置通電工作后，通過PID檢測盤管箱出口油的溫度，當油溫超過裝置設定值時，停止加熱；當油溫低于設定值時，繼續加熱；同時通過PID自身的調節，出口油的溫度會一直維持在設定溫度左右［12］。

6 結語

該中頻感應加熱裝置在某油田運行良好，該技術通過提高加熱電源輸出頻率，利用集膚效應、鄰近效應和渦流效應等，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，大大降低了生產成本，減少了電能消耗，避免浪費，節約了能源，同時減輕了對環境的污染，實現了稠油開采節能降耗的目的。