变频加热电源的基本原理及在采油工艺技术中的应用

作者：周加胜,吴海涛 ,郝英杰

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，使稠油变稀，可实现稠油的顺利开采。

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，采用我们现已掌握的较成熟的变频技术，为该加热装置提供一种电源，这就是我们公司与油田共同研发的中频加热电源。该设备可提供250——1000HZ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，提高了加热效果，目前已在胜利油田、辽河油田应用上百台，很受油田采油工的欢迎。

一、变频加热电源的基本原理：

1、集肤效应原理：在加热理论中，有一个集肤效应原理，即：

S=K（1/FC）1/2

式中：S — 集肤效应深度

K — 修正系数

FC — 频率

由此可以看出，当FC增大时，S变小，则集肤深度越深，同时其交流阻抗Z= KZC（FC）1/2也变大，因此在相同数值的电流作用下，负载所获得的能量也越高，而电流及线路损耗相应地也会变小，从而提高了加热效率，同时还可起到节约电能的目的。变频加热电源正是基于这一原理做成的，利用变频技术，可将运行频率提高到工频的数倍，加热效果会明显提高。

2、整机原理框图如图一示。

首先将380V/50HZ的三相交流电经整流、滤波成直流电，经逆变电路变成频率连续可调的单相电，再经中频变压器隔离后，输送到加热电缆给油层加热。

其主功率器件采用的是德国西门子公司的第三代大功率器件IGBT，控制器件为单片机，是8位工业专用微处理机AT89C51，它具有很强的环境自适应能力和抗干扰能力，工作可 靠，寿命长等优点。

二、变频加热电源的特点：

1、采用了先进的移相控制技术和软起动技术，使工作更可靠。

2、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。

3、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。

4、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。

三、应用效果。

我们在胜利油田滨南采油厂、辽河油田曙光采油厂等几个稠油井分布的区域内上百口井运用了该技术，通过现场调整，结合加热电缆及功率，一般将频率调至500HZ左右，比工频提高了10倍，根据功率调整电流，一般75KW的在80A左右，90KW的在100A左右，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小时达到欲定效果，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。而变频柜由于单片机的控制，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，我们推广该技术，是可以为我国的采油事业作出一定贡献的。

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