普传科技PI7800MF系列中频电源在空心抽油杆电加热采油装置上的应用

一、前言
在我国石油开采中，稠油井的比例占相当大一部分，这类井原油粘度高、 凝固点高、密度大、含蜡量高，难以开采。目前国内外开采这类油井的最广泛,效果最好 的采油工艺技术是稠油热采。采用空心杆电加热工艺技术，对油管内的原油进行全程加热，以降低原油粘度，防止油管内结蜡，提高原油流动性。有效的解决高凝、高粘、高含蜡原油开采过程中遇到的各种技术难题，达到油井增产、增效的目的。
以前的空心杆加热技术，采用工频加热，因负载为单相，需要有一个独立的 变压器，将三相输入变为单相输出，造成三相电网的不平衡，功率因数低，电能消耗大， 对电网的污染大，加热效果不明显，造成电能的极大浪费。因此，需要探讨一种先进的 加热方式，以提高功效，增强加热效果。经过多方试验，采用现已掌握的较成熟的变频 技术，为该加热装置提供一种新的变频电源—PI7800MF 系列中频加热电源。该设备可 提供 260——1500Hz 的频率，实现了输出电压、电流的连续可调，以达到输出功率连续 可调的目的，由于中频电源涡流感应加强,导致集肤效应更强,漏磁减少, 因此电加热效果大大好于工频电源,节能效果达到 20%以上，大大地降低了采油生产能源的消耗。
二、空心杆电加热装置工作原理如下图所示：

    

该装置是将空心抽油杆内穿过电缆并与抽油杆杆体形成回路，通以工频交流电，利用内集肤效应原理在空心抽油杆壁上产生热能，对油管内原油进行全程加热，提高油管内原油温度，降低原油粘度，改善其流动性，防止油管内原油结蜡，从而有效地开采高凝、高粘、高含蜡原油。 集肤效应原理如下图所示：
    

空心抽油杆电加热装置在空心抽油杆内下入加热电缆，使空心抽油杆和加热电缆组成通电回路，利用集肤效应加热原理使原油在井筒内得到加热，从而起到降粘、清蜡作用。集肤效应，又叫趋肤效应，是当交变电流通过导体时，电流会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面中，电流集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。
当钢管中穿过电缆形成回路并通过交流电流时，钢管截面中电流主要集中在钢管内表面，此现象称为内集肤效应，而钢管的外表面几乎没有电流通过，空心杆外壁可视为绝缘体，这种现象不仅随着频率的增高而明显加强，而且还随着导体半径、磁导率和电导率的增高而表现的更加显著。电加热抽油杆就是利用内集肤效应工作的，由于空心抽油杆的交流阻抗远大于导线的电阻，空心抽油杆为主要发热体。
三、PI7800MF系列中频电源工作原理如下图所示：

主电路图如下图所示：

中频加热电源主电路为 AC-DC-AC 变频结构，由整流电路、滤波、逆变电 路和保护电路组成。其工作原理是将三相50Hz 工频交流电经过三相全控整流桥整流成 电压可调的脉动直流，再通过电容将脉动的直流电滤波变成光滑平稳的直流电送到单相 逆变桥，最后通过逆变桥将直流电变成单相频率可调的中频交流电供给负载。
四、产品性能特点
1、采用 32 位美国德州仪器 TI 公司专用控制芯片 DSP，控制系统性能增强，电 路简化，负载适应性强。实现电源控制的全数字化，智能化。
2、采用先进的大功率绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为功率开关器件，逆变 频率可调。
3、具有相序自适应功能，无需鉴别进线相序。  输出可进行恒功率、恒电压、恒电流控制。
4、采用零压软启动,启动成功率高无冲击。完全能够满足广大热加工行业用户 的需求。
5、采用扫描式零压启动方式和自动重复启动 电路，启动成功率可达 100%。采用中频电压作为 取样信号，无中频电流互感器，输出部分和负载的 连接不需区分极性。
6、人机对话的显示界面，可通过键盘的选择显示工作频率及电流，输出脉冲的占 空比、电流变比等，并可显示故障状态及原因，使显示更直观，更易于操作。显示与主 控板共用一个线路板，排列更紧凑，避免了信号传输过程中的干扰，工作更稳定。
7、控制电路采用电压、电流双闭环系统，并 设有阻抗调节器，逆变角调节器，使电源的运行更 加稳定可靠。
8、输出电压、电流连续可调，可以使加热系统处于最佳工作状态，能源利用 率高，节能效果明显恒输出电压/恒输出功率控制选择功能。 输出部分采用环形中频变压器，用于隔离输入、输出电压，同时经电容组与控 制柜输出相连接，起到隔直作用，防止由于直流偏磁或过励磁产生的磁饱和，同时可起 到串联谐振的作用。 中频变压器为非晶钛材料，导磁率高，工作频率高，自
身能量损耗极低，整机效率 提高。若频率再提高，其体积可做得更小，工作效率更高。
9、保护功能齐全。设置了过流、短路、机内温升过高及过、欠压保护，功能更齐全，工作更可靠，避免了由于各种不正常因素而造成的损坏。
10、 高效节能，全功率范围内，极高的功率因数和电源效率
五、应用效果
产品面市以来，普传科技在胜利油田、辽河油田、青海油田等几个稠油井分布的区域内成功 运用了中频加热电源技术。通过 现场调整，结合加热电缆及功率 ，一般将频率调至 400Hz-1000Hz 左右，比工频提高了 10 几倍，根据功率调整电流，一般 75kW 的电源输出电 流在 80A 左右，93kW 的电源在 100A 左右，通过中频变压器，输出电压 800V 左右（串 联输出电压： 600V、800V、1000V、1200V），其加热效果十分明显。

较之工频加热：
1、功率因数明显提高，原工频加热，功率因数约在 0.7 左右，而用变频加热，经 测试都在 0.95 以上。
2、减少了对电网的污染。原工频加热，需三相变二相，造成变压器输入三相电压 严重不平衡，对电网污染严重。应用变频器以后，功率因数提高，谐波含量明显减少， 减轻了对电网的污染。
3、加热效果明显 。根据集肤效应，频率提高后，负载所获得的能量提高，线路损 耗也相应减少从而提高了加热效果。据测试，变频加热可比工频加热提前 1—2 小时达 到预定效果，而且温度也要高。
4、保护功能齐全。 原工频柜因无单片机控制，其保护功能差，往往由于负载的短 路、断路及电压的不稳定，造成变压器烧毁、工作不稳定。而变频电源柜由于 DSP 的控 制，其保护功能齐全，避免了由于电网及负载的故障引起的问题，保证系统的稳定运行。
5、节能效果明显。据测试，每台变频电源柜比相应的工频柜节电都在 20%左右，有 力的节约了电能，提高了工作效率，保证了加热系统的效果。 总之，变频加热是稠油热采的一次革命。我国的稠油资源相当丰富，推广该技术， 是采油行业节能减排和提高效率的有效途径。

六、频率与加热效果的关系
钢管在交流电下的阻抗显著大于它的直流电阻。因为钢管是铁磁质材料，它的磁导率要比铜高1000倍。集肤效应的强弱可以用集肤电流透入钢管的深度S来表示。它与导体的电阻率ρ,相对磁导率μ，交流频率f有如下关系

从式中可以看出，导体材料确定后，电阻率ρ和相对磁导率μ就是一个常数，保持不变，要增强集肤效应，就必需提高交流电的频率f，f越高则S越小，则集肤效应就越强。
同样，钢管阻抗Z的大小与频率f的关系为：

从式中可以看出，f越高则钢管阻抗就越大。

将电源、电源内阻和负载钢管看成一个等效电路。

U—交流电源 r—电源内阻 Z—负载阻抗

随着电流频率的升高，空心抽油杆阻抗Z也随之增大，当Z远远大于r时，PZ的大小近似于P。根据能量守恒的原理，在相同输入功率下，电源频率越高，集肤效应越强烈，则空心抽油杆阻抗也越大，其获得的有效电功率越就越大，使电源自损降低到最低限度，从而节约了大量的电能，并获得了良好的加热效果。
七、参数设定
F03=1 F04=0 F05=1 F08=32 F09=40 F10=40 F12=90 F13=1500  F17=1500 F27=1 F28=50 F29=50 F43=1 F61=8 F63=4 P02=2  Y12=1
八、结束语
空心杆电加热装置中，电热杆产生的热量并不是一成不变的，越靠近地面，单位长度产生的热量越多，越向下单位长度产生的热量越少。原油在提升的过程中，地层温度逐渐降低，利用电热杆加热功率和地层温度的变化机理，可以用较小的功率使井筒内原油保持一定的温度。由于电源频率越高，寄生电容截取的电流越大，所以在相同的井况条件下，中频电加热装置采用较小的加热功率就会取得良好的加热效果，试验结果表明，中频加热与工频加热对比，在井口原油温度相同的情况下，加热功率平均低10~20KW，节电率在15%以上。

PLC案例

变频器案列