一、前言(yan)
在(zai)我國石油(you)開(kai)采中(zhong)，稠油(you)井的(de)(de)比例占相(xiang)當大(da)一部分，這類井原(yuan)(yuan)(yuan)油(you)粘度高(gao)(gao)(gao)(gao)、 凝(ning)固(gu)點高(gao)(gao)(gao)(gao)、密度大(da)、含蠟量高(gao)(gao)(gao)(gao)，難(nan)以(yi)開(kai)采。目前國內外開(kai)采這類油(you)井的(de)(de)最(zui)廣泛,效果最(zui)好(hao) 的(de)(de)采油(you)工藝技術是稠油(you)熱(re)采。采用空(kong)心桿電加熱(re)工藝技術，對油(you)管(guan)內的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)油(you)進(jin)行全程加熱(re)，以(yi)降低(di)原(yuan)(yuan)(yuan)油(you)粘度，防止(zhi)油(you)管(guan)內結(jie)蠟，提高(gao)(gao)(gao)(gao)原(yuan)(yuan)(yuan)油(you)流動性。有(you)效的(de)(de)解決高(gao)(gao)(gao)(gao)凝(ning)、高(gao)(gao)(gao)(gao)粘、高(gao)(gao)(gao)(gao)含蠟原(yuan)(yuan)(yuan)油(you)開(kai)采過程中(zhong)遇到的(de)(de)各種技術難(nan)題，達到油(you)井增(zeng)產、增(zeng)效的(de)(de)目的(de)(de)。
以前的(de)(de)(de)(de)空(kong)心(xin)桿加(jia)(jia)熱(re)(re)技術，采(cai)用工頻加(jia)(jia)熱(re)(re)，因負載為(wei)單相，需(xu)要有一個(ge)獨立的(de)(de)(de)(de) 變(bian)(bian)壓器，將(jiang)三(san)相輸入變(bian)(bian)為(wei)單相輸出，造成(cheng)(cheng)三(san)相電(dian)網的(de)(de)(de)(de)不平衡，功(gong)率因數低(di)，電(dian)能消耗(hao)大(da)， 對(dui)電(dian)網的(de)(de)(de)(de)污染(ran)大(da)，加(jia)(jia)熱(re)(re)效(xiao)果(guo)(guo)不明顯(xian)，造成(cheng)(cheng)電(dian)能的(de)(de)(de)(de)極大(da)浪費。因此(ci)，需(xu)要探討一種(zhong)先進的(de)(de)(de)(de) 加(jia)(jia)熱(re)(re)方(fang)式(shi)，以提高功(gong)效(xiao)，增強加(jia)(jia)熱(re)(re)效(xiao)果(guo)(guo)。經過多(duo)方(fang)試驗，采(cai)用現(xian)已掌握的(de)(de)(de)(de)較成(cheng)(cheng)熟的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)頻 技術，為(wei)該(gai)加(jia)(jia)熱(re)(re)裝置提供一種(zhong)新的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)頻電(dian)源(yuan)—PI7800MF 系列中頻加(jia)(jia)熱(re)(re)電(dian)源(yuan)。該(gai)設備可 提供 260——1500Hz 的(de)(de)(de)(de)頻率，實現(xian)了(le)(le)輸出電(dian)壓、電(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)連(lian)續(xu)可調，以達到輸出功(gong)率連(lian)續(xu) 可調的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)，由于中頻電(dian)源(yuan)渦流(liu)感應加(jia)(jia)強,導致集膚(fu)效(xiao)應更(geng)強,漏磁(ci)減(jian)少, 因此(ci)電(dian)加(jia)(jia)熱(re)(re)效(xiao)果(guo)(guo)大(da)大(da)好(hao)于工頻電(dian)源(yuan),節(jie)能效(xiao)果(guo)(guo)達到 20%以上，大(da)大(da)地降低(di)了(le)(le)采(cai)油生產能源(yuan)的(de)(de)(de)(de)消耗(hao)。
二、空心桿電加熱裝置(zhi)工作原理如(ru)下圖(tu)所示：
該(gai)裝置是將空心抽(chou)油(you)(you)桿(gan)(gan)內穿過電纜并與抽(chou)油(you)(you)桿(gan)(gan)桿(gan)(gan)體形成(cheng)回(hui)路(lu)，通以工頻(pin)交流(liu)電，利用內集膚效應原(yuan)(yuan)理(li)在空心抽(chou)油(you)(you)桿(gan)(gan)壁上產生熱(re)(re)能，對油(you)(you)管(guan)內原(yuan)(yuan)油(you)(you)進行全程加熱(re)(re)，提高(gao)油(you)(you)管(guan)內原(yuan)(yuan)油(you)(you)溫度(du)，降低原(yuan)(yuan)油(you)(you)粘(zhan)度(du)，改善其(qi)流(liu)動性，防止(zhi)油(you)(you)管(guan)內原(yuan)(yuan)油(you)(you)結蠟(la)，從而有(you)效地開采高(gao)凝、高(gao)粘(zhan)、高(gao)含蠟(la)原(yuan)(yuan)油(you)(you)。
集膚效(xiao)應原理如(ru)下圖所示：
空(kong)心(xin)抽油(you)(you)桿電(dian)加(jia)熱(re)裝置在空(kong)心(xin)抽油(you)(you)桿內下入(ru)加(jia)熱(re)電(dian)纜，使空(kong)心(xin)抽油(you)(you)桿和加(jia)熱(re)電(dian)纜組成通(tong)電(dian)回路，利(li)用集(ji)膚(fu)效(xiao)(xiao)應加(jia)熱(re)原(yuan)(yuan)理使原(yuan)(yuan)油(you)(you)在井筒內得到(dao)加(jia)熱(re)，從(cong)而(er)起(qi)到(dao)降(jiang)粘、清蠟作用。集(ji)膚(fu)效(xiao)(xiao)應，又叫(jiao)趨膚(fu)效(xiao)(xiao)應，是當交(jiao)變電(dian)流(liu)通(tong)過導(dao)(dao)體時，電(dian)流(liu)會聚集(ji)于(yu)導(dao)(dao)體表層，而(er)非平均分布于(yu)整個導(dao)(dao)體的截面中，電(dian)流(liu)集(ji)中在導(dao)(dao)體表面流(liu)過，這種現象叫(jiao)集(ji)膚(fu)效(xiao)(xiao)應。
當鋼管中(zhong)穿(chuan)過電(dian)(dian)(dian)纜形成(cheng)回路(lu)并通過交(jiao)流(liu)電(dian)(dian)(dian)流(liu)時，鋼管截(jie)面中(zhong)電(dian)(dian)(dian)流(liu)主要集(ji)中(zhong)在鋼管內(nei)表(biao)面，此現(xian)象(xiang)稱為(wei)內(nei)集(ji)膚效(xiao)(xiao)應，而(er)鋼管的外表(biao)面幾乎沒有電(dian)(dian)(dian)流(liu)通過，空(kong)心桿(gan)外壁可(ke)視為(wei)絕緣體，這種現(xian)象(xiang)不僅(jin)隨著頻率的增(zeng)(zeng)高而(er)明顯(xian)加強，而(er)且(qie)還隨著導(dao)(dao)體半徑、磁(ci)導(dao)(dao)率和電(dian)(dian)(dian)導(dao)(dao)率的增(zeng)(zeng)高而(er)表(biao)現(xian)的更加顯(xian)著。電(dian)(dian)(dian)加熱抽(chou)油(you)桿(gan)就是利用(yong)內(nei)集(ji)膚效(xiao)(xiao)應工作的，由于空(kong)心抽(chou)油(you)桿(gan)的交(jiao)流(liu)阻抗(kang)遠大于導(dao)(dao)線的電(dian)(dian)(dian)阻，空(kong)心抽(chou)油(you)桿(gan)為(wei)主要發熱體。
三、PI7800MF系列中頻電源工作原理如下圖(tu)所示：
主電路(lu)圖如(ru)下圖所示：
中(zhong)頻(pin)加(jia)熱電(dian)(dian)(dian)源主(zhu)電(dian)(dian)(dian)路(lu)為(wei) AC-DC-AC 變(bian)(bian)(bian)頻(pin)結構，由整流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)路(lu)、濾(lv)波(bo)、逆(ni)變(bian)(bian)(bian)電(dian)(dian)(dian) 路(lu)和保護電(dian)(dian)(dian)路(lu)組成(cheng)。其工作原理是將(jiang)三相(xiang)50Hz 工頻(pin)交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)經過(guo)三相(xiang)全控整流(liu)(liu)橋整流(liu)(liu)成(cheng) 電(dian)(dian)(dian)壓可調的脈動直流(liu)(liu)，再通(tong)過(guo)電(dian)(dian)(dian)容(rong)將(jiang)脈動的直流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)濾(lv)波(bo)變(bian)(bian)(bian)成(cheng)光滑平(ping)穩的直流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)送到單(dan)相(xiang) 逆(ni)變(bian)(bian)(bian)橋，最(zui)后通(tong)過(guo)逆(ni)變(bian)(bian)(bian)橋將(jiang)直流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)變(bian)(bian)(bian)成(cheng)單(dan)相(xiang)頻(pin)率可調的中(zhong)頻(pin)交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)供給負(fu)載。
四(si)、產(chan)品性能特點
1、采用 32 位美國德州儀(yi)器 TI 公司專用控(kong)制芯片 DSP，控(kong)制系統性能增強(qiang)，電 路簡化(hua)(hua)，負載適應(ying)性強(qiang)。實現(xian)電源控(kong)制的全數(shu)字(zi)化(hua)(hua)，智能化(hua)(hua)。
2、采用(yong)先(xian)進的(de)大功(gong)率(lv)絕緣柵雙(shuang)極性晶體管(guan)（IGBT）作為功(gong)率(lv)開關器件，逆變 頻率(lv)可調。
3、具有相(xiang)序(xu)自(zi)適應功(gong)(gong)能(neng)，無需鑒(jian)別(bie)進(jin)(jin)線相(xiang)序(xu)。 ? 輸(shu)出可進(jin)(jin)行恒(heng)功(gong)(gong)率、恒(heng)電(dian)壓(ya)、恒(heng)電(dian)流控制(zhi)。
4、采用零壓軟(ruan)啟動,啟動成功率高無(wu)沖擊。完全能夠(gou)滿足廣大熱加工(gong)行業用戶 的需求(qiu)。
5、采(cai)用(yong)(yong)掃描式(shi)零(ling)壓啟(qi)動方式(shi)和(he)自動重復啟(qi)動 電(dian)路(lu)，啟(qi)動成功率可達 100%。采(cai)用(yong)(yong)中(zhong)頻(pin)電(dian)壓作為 取樣信號(hao)，無中(zhong)頻(pin)電(dian)流互感器，輸出部分和(he)負(fu)載的 連接(jie)不(bu)需(xu)區分極(ji)性。
6、人機(ji)對話的(de)顯示界面，可通過鍵盤的(de)選擇顯示工作頻率(lv)及(ji)電流，輸出脈沖的(de)占 空(kong)比、電流變比等，并可顯示故障(zhang)狀態(tai)及(ji)原因，使顯示更直觀，更易(yi)于操作。顯示與主(zhu) 控板(ban)共用一個線路板(ban)，排列更緊湊，避免了信號傳輸過程中的(de)干擾，工作更穩定。
7、控制電(dian)(dian)路采用(yong)電(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)流雙閉(bi)環(huan)系(xi)統，并 設有阻抗(kang)調(diao)節器，逆變角調(diao)節器，使電(dian)(dian)源的運行更 加(jia)穩定(ding)可靠。
8、輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓(ya)(ya)、電(dian)流(liu)連續可調，可以使加熱系統(tong)處于最佳工作(zuo)狀態，能(neng)源(yuan)利用(yong)(yong) 率高(gao)(gao)，節能(neng)效果明顯(xian)恒輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓(ya)(ya)/恒輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率控制(zhi)選擇(ze)功(gong)能(neng)。 ?輸(shu)出(chu)(chu)部(bu)分采用(yong)(yong)環形中頻(pin)變壓(ya)(ya)器(qi)，用(yong)(yong)于隔離輸(shu)入、輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓(ya)(ya)，同時經電(dian)容(rong)組與(yu)控 制(zhi)柜輸(shu)出(chu)(chu)相連接，起到隔直作(zuo)用(yong)(yong)，防止由于直流(liu)偏磁或過勵磁產生的磁飽和，同時可起 到串聯諧振的作(zuo)用(yong)(yong)。 中頻(pin)變壓(ya)(ya)器(qi)為非晶鈦材料，導磁率高(gao)(gao)，工作(zuo)頻(pin)率高(gao)(gao)，自
身能量(liang)損耗(hao)極低，整機效率 提高。若頻率再提高，其體積可做得更小，工作效率更高。
9、保護功(gong)能齊全(quan)。設置(zhi)了(le)過流(liu)、短路、機內(nei)溫升過高及過、欠壓保護，功(gong)能更(geng)齊全(quan)，工(gong)作更(geng)可靠，避免(mian)了(le)由于各種不(bu)正常因素而造(zao)成(cheng)的損壞。
10、 高(gao)效節能，全功(gong)率(lv)(lv)范圍內(nei)，極高(gao)的功(gong)率(lv)(lv)因數(shu)和電源效率(lv)(lv)
五(wu)、應用效果(guo)
產品面(mian)市以來，普傳科技(ji)在勝(sheng)利油(you)(you)(you)(you)田(tian)、遼河油(you)(you)(you)(you)田(tian)、青海油(you)(you)(you)(you)田(tian)等幾個稠(chou)油(you)(you)(you)(you)井分(fen)布的(de)區域內成功 運用(yong)了(le)中(zhong)頻(pin)加熱(re)電(dian)源(yuan)技(ji)術。通過 現場調整(zheng)，結合加熱(re)電(dian)纜及功率(lv)(lv)(lv) ，一(yi)般(ban)將頻(pin)率(lv)(lv)(lv)調至 400Hz-1000Hz 左右(you)，比工(gong)頻(pin)提(ti)高了(le) 10 幾倍，根據功率(lv)(lv)(lv)調整(zheng)電(dian)流，一(yi)般(ban) 75kW 的(de)電(dian)源(yuan)輸(shu)出電(dian) 流在 80A 左右(you)，93kW 的(de)電(dian)源(yuan)在 100A 左右(you)，通過中(zhong)頻(pin)變壓器，輸(shu)出電(dian)壓 800V 左右(you)（串(chuan) 聯輸(shu)出電(dian)壓： 600V、800V、1000V、1200V），其(qi)加熱(re)效果十分(fen)明顯。
較之(zhi)工頻(pin)加熱(re)：
1、功(gong)率因數(shu)明顯提(ti)高(gao)，原工頻加熱，功(gong)率因數(shu)約(yue)在(zai) 0.7 左右，而用變頻加熱，經(jing) 測(ce)試(shi)都(dou)在(zai) 0.95 以上。
2、減少了對(dui)(dui)電(dian)網的(de)污染。原工頻(pin)加熱，需三(san)相(xiang)變二相(xiang)，造(zao)成(cheng)變壓(ya)器輸(shu)入(ru)三(san)相(xiang)電(dian)壓(ya) 嚴(yan)(yan)重不平衡，對(dui)(dui)電(dian)網污染嚴(yan)(yan)重。應用變頻(pin)器以后(hou)，功率(lv)因(yin)數提高(gao)，諧波含量明顯(xian)減少， 減輕了對(dui)(dui)電(dian)網的(de)污染。
3、加(jia)(jia)(jia)熱效果(guo)明顯 。根據(ju)集膚效應，頻率提(ti)(ti)(ti)高后，負載所(suo)獲(huo)得的能量提(ti)(ti)(ti)高，線路(lu)損 耗也相應減少(shao)從而(er)提(ti)(ti)(ti)高了加(jia)(jia)(jia)熱效果(guo)。據(ju)測(ce)試(shi)，變頻加(jia)(jia)(jia)熱可比工頻加(jia)(jia)(jia)熱提(ti)(ti)(ti)前(qian) 1—2 小時達 到(dao)預(yu)定效果(guo)，而(er)且溫(wen)度也要高。
4、保護(hu)功能(neng)齊全。 原工頻(pin)柜因無單(dan)片機控(kong)制(zhi)，其保護(hu)功能(neng)差，往往由(you)(you)于(yu)負(fu)載的(de)(de)短 路、斷路及電(dian)壓的(de)(de)不穩定，造成變(bian)(bian)壓器(qi)燒毀、工作不穩定。而(er)變(bian)(bian)頻(pin)電(dian)源柜由(you)(you)于(yu) DSP 的(de)(de)控(kong) 制(zhi)，其保護(hu)功能(neng)齊全，避免了由(you)(you)于(yu)電(dian)網及負(fu)載的(de)(de)故障引起的(de)(de)問題，保證(zheng)系統的(de)(de)穩定運行。
5、節(jie)能效(xiao)(xiao)果(guo)明顯。據測(ce)試，每臺(tai)變頻(pin)電(dian)源(yuan)柜比相應(ying)的(de)工頻(pin)柜節(jie)電(dian)都在 20%左右，有 力的(de)節(jie)約了電(dian)能，提高了工作效(xiao)(xiao)率，保(bao)證(zheng)了加(jia)熱(re)(re)系統(tong)的(de)效(xiao)(xiao)果(guo)。 總之，變頻(pin)加(jia)熱(re)(re)是稠(chou)油(you)(you)熱(re)(re)采的(de)一次革命。我(wo)國的(de)稠(chou)油(you)(you)資源(yuan)相當豐富，推廣該技術(shu)， 是采油(you)(you)行業(ye)節(jie)能減排和提高效(xiao)(xiao)率的(de)有效(xiao)(xiao)途徑。
六、頻(pin)率與(yu)加熱效(xiao)果的關系
鋼管(guan)在(zai)交流(liu)電(dian)(dian)下的(de)(de)阻(zu)(zu)抗顯著大于(yu)它的(de)(de)直流(liu)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)。因為鋼管(guan)是鐵磁(ci)質材料(liao)，它的(de)(de)磁(ci)導率要比銅高1000倍。集膚效應的(de)(de)強弱可(ke)以用集膚電(dian)(dian)流(liu)透入(ru)鋼管(guan)的(de)(de)深度S來表示。它與導體的(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)率ρ,相對磁(ci)導率μ，交流(liu)頻率f有如下關系(xi)
從式中可以(yi)看出，導(dao)體材料確定后，電(dian)阻率ρ和相對(dui)磁導(dao)率μ就是一個常數(shu)，保持不變(bian)，要增(zeng)強集膚效(xiao)應，就必需提高(gao)交流電(dian)的頻率f，f越高(gao)則(ze)S越小，則(ze)集膚效(xiao)應就越強。
同樣，鋼管阻抗Z的大(da)小與頻率f的關(guan)系為：
將電(dian)(dian)源、電(dian)(dian)源內阻和負載鋼管看成一個等效電(dian)(dian)路。
隨(sui)著電(dian)流頻率(lv)的(de)(de)升高，空心(xin)抽(chou)油桿(gan)(gan)阻抗Z也(ye)隨(sui)之增(zeng)大(da)，當Z遠遠大(da)于(yu)r時，PZ的(de)(de)大(da)小近似于(yu)P。根據能量(liang)守(shou)恒的(de)(de)原理，在相同(tong)輸入功(gong)率(lv)下，電(dian)源頻率(lv)越(yue)高，集膚效(xiao)應越(yue)強烈，則(ze)空心(xin)抽(chou)油桿(gan)(gan)阻抗也(ye)越(yue)大(da)，其獲(huo)得的(de)(de)有效(xiao)電(dian)功(gong)率(lv)越(yue)就(jiu)越(yue)大(da)，使電(dian)源自(zi)損降(jiang)低到最低限度(du)，從而(er)節(jie)約了大(da)量(liang)的(de)(de)電(dian)能，并(bing)獲(huo)得了良好的(de)(de)加熱效(xiao)果。
七、參數(shu)設定
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、結束語
空心桿(gan)電(dian)(dian)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)裝置(zhi)中(zhong)，電(dian)(dian)熱(re)(re)桿(gan)產(chan)生(sheng)的(de)(de)熱(re)(re)量(liang)并不是(shi)一成(cheng)不變(bian)的(de)(de)，越靠近地面，單(dan)位(wei)長度產(chan)生(sheng)的(de)(de)熱(re)(re)量(liang)越多，越向下(xia)單(dan)位(wei)長度產(chan)生(sheng)的(de)(de)熱(re)(re)量(liang)越少。原油在(zai)提升的(de)(de)過(guo)程中(zhong)，地層溫度逐(zhu)漸降低(di)，利用(yong)電(dian)(dian)熱(re)(re)桿(gan)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)功率(lv)和地層溫度的(de)(de)變(bian)化機理，可以(yi)用(yong)較(jiao)小的(de)(de)功率(lv)使井筒內原油保(bao)持一定的(de)(de)溫度。由于電(dian)(dian)源頻(pin)率(lv)越高，寄生(sheng)電(dian)(dian)容截取(qu)的(de)(de)電(dian)(dian)流越大(da)，所(suo)以(yi)在(zai)相同(tong)的(de)(de)井況條件(jian)下(xia)，中(zhong)頻(pin)電(dian)(dian)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)裝置(zhi)采用(yong)較(jiao)小的(de)(de)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)功率(lv)就會取(qu)得良好的(de)(de)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)效果，試驗結果表明，中(zhong)頻(pin)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)與工(gong)頻(pin)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)對比，在(zai)井口(kou)原油溫度相同(tong)的(de)(de)情況下(xia)，加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)功率(lv)平均低(di)10~20KW，節(jie)電(dian)(dian)率(lv)在(zai)15%以(yi)上(shang)。
