中频感应加热技术在陆地油田井口管线中的应用

景阳阳 ，闫鸿魁 ，王显铭 ，刘安康

（沈阳工程学院a.国际教育学院；b.自动化学院；c.电力学院，辽宁 沈阳 110136）

由于冬季野外气温较低，且石油中含蜡量高，容易造成管件被冻堵。传统的解堵方式是用火烧，既违反了采油区禁止明火的安全规定，极易发生火灾事故，又破坏了原有的保温层，而且工作量大、耗费时间长。节能电磁加热器的高频磁力线可以穿过石棉、纤维布等保温材料，以电磁感应的方式快速加热金属管件实现解堵［1-2］。

为了解决传统输油管加热装置热效率低和热效果差的问题，采用电磁感应技术研制了机电一体化的电磁加热器［3］。电磁加热是通过高频控制发生器将50 Hz交流电变成10 kHz～30 kHz的高频交流电流，利用涡流效应把电能转化为热能，加热换热器内流动的原油，实现原油的长距离管线输送［4］。

1 中频感应加热技术及其原理

中频感应加热系统是一种将工频50 Hz交流电转变为中频（300 Hz～20 kHz）的电源装置，把三相工频交流电整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给从电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中会产生很大的涡流［5］。这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动会产生热量［6-7］。例如，把一根金属圆柱体放在有交变中频电流的感应圈里，金属圆柱体没有与感应线圈直接接触，通电线圈本身温度已很低，可圆柱体表面被加热到发红，而且这种加热的速度只要通过调节频率大小和电流的强弱就能实现［8］。具体工作原理如图1所示。

图1 工作原理

2 硬件结构与功能实现

图2 系统功能模块

该系统的功能框图如图2所示。热。电磁线与被加热工件并不直接接触，电磁线将设备的电能通过磁场传递给被加热的工件，电能在工件内部转变为热能。

2）管壁出口温度的实时采集。当管壁出口温度低于设定值温度时，处理器通过控制电路驱动IGBT驱动电路，实现控制与保护。采用自适应PID技术实时调节加热电源的功率输出参数，保证设备输出功率的一致性和稳定性，并通过PDM功率控制技术调节逆变器的输出电流，保证设备输出稳定的功率，使得作用在工件上的能量可以得到稳定控制，保证加热后的工件温度一致。

3）远程数据通信。控制柜带有RS-485/422标准通讯接口，可实现手动操作和遥控操作，可以满足数据传输功能［9-10］。

感应加热的最大特点是将工件直接加热，其优点是加热速度快，温度容易控制，加热过程中不会混入杂质，金属烧损小等。

系统框图由电源滤波电路、工作电源电路、主电路、振荡电路、隔离电路、驱动电路、单片机控制电路和保护电路等单元电路组成。所完成的功能如下：

1）工作时，工频交流电源经整流电路整流成直流，再经滤波电容平滑后送给逆变电路，逆变电路将直流电流逆变为合适的交变电流，利用电磁感应原理，交变电流使被加热的材料（即被加热工件）内部产生涡流电流，依靠这些涡流电流能量将工件加

3 控制电路硬件构成

3.1 控制电路

交流电通过三相整流后经过IGBT搭建的桥式逆变电路，生成频率可变的交流电施加到感应线圈上。DSP通过PID出口实时检测的温度进行判别，实时控制IGBT的导通和关断，整个控制原理如图3所示。

图3 控制原理

3.2 控制芯片的选取

控制芯片采用的是TMS320F28335型数字信号处理器，与以往的定点DSP相比，该器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据以及程序存储量大、A/D转换更精确快速等优点。TMS320F28335具有150 MHz的高速处理能力，32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出（HRPWM），12位16通道ADC。TMS320F28335芯片如图4所示。

图4 TMS320F28335芯片

4 装置软件的实现过程

本装置通过检测出口管壁温度与设定温度的大小来判别是否被启动，同时通过PID来进行调节，整个装置实现加热调节流程如图5所示。当PID检测出口温度大于设定值时，停止加载功率；当PID检测出口温度小于设定值时，启动加载功率。

图5 装置实现加热调节流程

同时，装置的额定功率可调，当前工作频率、输入电压、输入电流、IGBT工作温度等都可以通过该装置面板显示及调节。面板显示及参数设置操作流程如图6所示。

5 装置的功能验证实验

该中频感应加热装置接通三相380 V电源，输出的中频交流电源线螺旋式盘在盘管箱上，同时在其外面加上保温棉。盘管箱的输入接到陆地油田井口处，输出接到运输管道，最终连接到存放的储油罐中，具体连接线路如图7、图8所示。

图6 面板显示及参数设置操作流程

图7 中频加热装置实物接线

图8 盘管箱

当该中频感应加热装置通电工作后，通过PID检测盘管箱出口油的温度，当油温超过装置设定值时，停止加热；当油温低于设定值时，继续加热；同时通过PID自身的调节，出口油的温度会一直维持在设定温度左右［12］。

6 结语

该中频感应加热装置在某油田运行良好，该技术通过提高加热电源输出频率，利用集肤效应、邻近效应和涡流效应等，使加热效果更加明显，从而提高加热效率［13-15］。与以前的工频加热电源相比较，每天的用电量降低了，大大降低了生产成本，减少了电能消耗，避免浪费，节约了能源，同时减轻了对环境的污染，实现了稠油开采节能降耗的目的。