基于電磁感應加熱原理的油田生產系統加熱新技術

周雪 李祿勝 李玉蓉 楊杰

摘要：油田生產工程系統中，高溫洗井工作一直是其重點關注的問題，為了高效達到高溫洗井的效果，必須要采用一種便捷、安全、有效的新型升溫洗井技術，保證洗井工作質量。電磁微波感應技術進行高溫洗井工作，能夠起到高質量的清洗效果，且工作模式較為環保，實用效果較高。通過分析高頻感應式加熱電源的串聯并聯電路網，微波加熱技術可以使用復合式全橋逆變諧振電路當做主控系統電路。研究對象為24kHz/300kW型加熱感應電源，通過水媒介存儲熱能，進行熱能供應，提出采用嵌入式與封閉式的熱能存儲循環設備系統的具體方案。

關鍵詞：電磁感應;諧振電路;加熱系統;電感熱能技術

電磁微波感應加熱技術能夠根據系統需要，高效、快速的進行熱能輸出，當系統不需要熱能的時候，快速的停止供應能源，避免能源消耗情況，這種技術具有著升溫快、效率高、運行安全的重要技術優勢。目前時期，電磁微波感應加熱技術，已經逐漸向分布式的網絡信息遠程控制技術方向上發展。科學技術的進步使得電磁微波感應加熱技術得到了更好的優化，擴大了電磁微波感應技術在未來的發展前景。

1電磁感應加熱能源的研究現狀

感應類加熱電能源的制造發展與功率電力器件關聯密切，上世紀50年代，晶閘管制造成功，成為了加熱感應電源工作中重要的運行動力，現如今，感應類加熱電源這一新興的電力技術在社會上得到了廣泛的應用，隨即研發出了大功率高壓變頻器型加熱感應電源，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電源的研究有了更好的成果。

我國在電磁加熱感應電源方面的研究與國外對比還較為落后，早期主要是在金屬處理方面才會應用加熱感應電源，在技術水平上與發達國家有著較大差距。近年來，我國在加熱感應技術方面的發展十分迅速，各種工業裝備生產領域中都會廣泛的應用加熱感應技術，隨著高頻加熱感應電源的優化設計與創新開發，加熱電源的發展會更加可觀。

2加熱感應電源的基礎理論

現代加熱感應技術的主要運行依據是圓形效應、集膚效應以及鄰近效應這三點技術理論。加熱感應技術的各種優點，使得這一技術在金屬材質的鍛造、釬焊、熔煉、熱處理工藝、非金屬等加工中得到重要的應用。

（1）圓環效應

加熱感應電源終端為圓環形的電繞組線，高頻率電流在電阻線時，內側的磁感應程度要強于外側，電磁感強度最大的在電阻圓環中心位置，最大電流密度是圓環繞組為內側，此種電感現象為圓環電感效應。

（2）集膚效應

鐵芯線圈在接上交流電時，線圈的周圍就會出現交變磁場現象，這時鐵芯中心，就會出現感應電勢，逐漸生成出感應電流，此現象為集膚電感效應

（3）鄰近效應

鄰近效應指的是，兩個電流導體相互靠近，內部出現的高頻交變電流會以內電磁感應，而偏向于一邊。而加熱感應電力設備，也會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程度受到影響，出現分布渦流。

3分析加熱感應電源的電路主線

加熱感應逆變電源原理是，在電流功率輸出的電回路中，采用電感與電容組成串聯并聯諧振電路，以此補償電流功率。諧振電路的無功補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電路與串聯電路，其電路結構具體為下圖所示。

傳統串聯電路會使得電容與電感受到較大的電流應力;而并聯電路只適合在高阻抗的電流狀態中，但并不能用在大功率的電流狀態中。結合油田開發生產的實際特點，應該選用復合式的諧振電路當作運行電路的主板模塊，其內部電路結構具體如下圖。

復合式諧振逆變器的主要特點：

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

（2）電路運行時電流近似ZCS與ZVS的導通情況，開關電能的損耗較低，更適合一些高頻率電路的設計。

（3）逆變器輸入端與輸出端分別是電流型與電壓型，可以做到在互補與驅動間的無死區電力運行時間。

（4）等效的諧振電力回路中，含有許多能源存儲元件，負載較強且匹配簡單，更適合應對一些電力負載變化比較激烈的電路運行中。

由此可見，復合式逆變諧振電路更適合應用于電磁加熱電路系統的加熱感應控制。

4頻率跟蹤電感技術

電磁加熱感應電源應用于高頻率電力開關的工作狀態中，其運行環境、運行條件與周邊干擾情況等會對電磁加熱系統產生一定的影響。電磁加熱系統的感應設備終端相當于一個完整的電磁藕合體系，一次側為接電輸出的加熱感應繞組電路，二次側是電力換能器，由此構成為無磁芯的電力空心變壓裝置，電磁藕合模型，如下圖所示。

電磁感應系統的電感，由螺旋線圈纏繞在電能換能器上，而換能器是產熱與傳熱的重要部件，溫度變化時，電感值也會出現改變，進而導致電路諧振頻率產生變化。要降低電路開關的損耗，將頻率跟蹤加入進電磁加熱感應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的變化，有效的保證加熱感應電源保持住穩定狀態。

5電磁微波能源加熱系統的相關方案

采用24kHz/300kW型號的加熱感應電源作為主要技術支持，利用水為媒介將電能轉化為熱能，提高電能水溫以滿足油田洗井工作的相關要求。加熱系統設計結構為模塊化，系統主要分10個功率等效的工作區，每個功率工作區的額定功率為30kW;電能控制系統是以主控板、輔控板相互配合進行控制工作的系統結構，更利于操作工作和管理故障。電路主芯片負責電路信息的處理與回收工作。電磁加熱系統與電力控制器的組成結構示意圖如下。

硬件系統的電路設計主要采用LPC2214電路芯作為電路主控，芯片的外圍電路、控制電路、電源以及故障保護等結構的設計模式，具體如圖8所示。

總結：

（1）分析電磁微波系統中的電磁加熱感應技術原理，對圓環效應、集膚效應與鄰近效應進行研究，是我國電磁加熱技術系統得到深入發展的重要基礎。

（2）分析高頻加熱感應電源的常用串聯、并聯電路可以確認，將復合式諧振逆變電路當作主控電路系統，其實際效果更好。

（3）頻率跟蹤電力技術的研發，能夠高效的實現電磁加熱系統的高頻率逆變功能，并且，降低開關設備的損耗情況，對于提高電路系統的整體工作效率有著重要的作用意義。

（4）采用24kHz/300kW型號的加熱感應電源，作為本次研究的主體對象，以水能源為媒介，儲存熱力能源，或利用熱能進行暖氣供應，并且提出了嵌入式與封閉式的熱能存儲循環系統的使用方式，確定組成電磁微波能源加熱系統的主要部分，以及高頻率逆變器內部電路結構。

參考文獻：

[1]劉暢，黃正興，陳毅.雙閉環控制感應加熱電源設計與仿真分析[J].電子器件，2012，35（6）：737-740.

[2]安文斗，卿欽，鄭磊，等號補償研究[J].機電工程，諧振型軟開關逆變器控制信2011，28（2）：249-254.