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一、引言
石油的安全供應不僅關系到人們的正常生活，也關系到一個國家的農業(yè)、輕工業(yè)、重工業(yè)、交通運輸和國防建設，石油的重要性不言而喻。
石油的開采卻并不是那么容易，存在很多問題。比如在石油開采中，有一部分是稠油井，這類油井原油粘度高、凝固點高、密度大、含蠟量高，出油困難；尤其當天氣寒冷的時候，原油稠度更大流動性更差，更加難以開采。
為了解決這一難題，目前國內外使用廣泛、效果好的工藝技術是稠油熱采技術，即采用空心桿電加熱工藝技術，使稠油變稀，可實現(xiàn)稠油的順利開采。
二、 行業(yè)背景
由于石油是一種混合物，不同地區(qū)的油田所出產的原油凝固點都各不相同。--般來說原油產品的析蠟點在19攝氏度左右，其中黑油凝固點在19--27攝氏度，凝析油凝固點在-1--7攝氏度。位于我國東北地區(qū)的大慶油田所產出的石油含蠟量較高，所以其石油的凝固點也偏高，平均凝固點高達32.5攝氏度。而我國東北三省的環(huán)境惡劣，特別是在冬季，室外溫度在零下30攝氏度以下。一般來說加熱溫度控制在60攝氏度左右時，對石油運輸?shù)淖罴褱囟取?/p>
三、行業(yè)現(xiàn)狀
以前的抽油桿加熱技術，采用工頻電源，因負載為特殊加熱電纜屬于單相負荷，需要獨立的變壓器，將三相輸入變?yōu)閱蜗噍敵觯瑫斐呻娋W的三相不平衡，功率因數(shù)低，電能浪費嚴重，對電網的污染加大，傳統(tǒng)加熱方案力不從心，變革勢在必行。
電磁加熱也稱電磁感應加熱，即電磁加熱技術，電磁加熱的原理是通過電子線路板組成部分產生交變磁場、當用含鐵質容器放置上面時，容器表面即切割交變磁力線而在容器底部金屬部分產生交變的電流(即渦流)，渦流使容器底部的載流子高速無規(guī)則運動，載流子與原子互相碰撞、摩擦而產生熱能。從而起到加熱物品的效果。因為是鐵制容器自身發(fā)熱，所以熱轉化率特別高，最高可達到95％是一種直接加熱的方式。
經過多方試驗，采用我們現(xiàn)已掌握的較成熟的變頻技術，為該加熱裝置提供一種電源，這就是我們公司與油田共同研發(fā)的中頻加熱電源。 該設備最高輸出達到6000Hz頻率，實現(xiàn)輸出電壓、電流連續(xù)可調，進而實現(xiàn)輸出功率的連續(xù)可調，提升了加熱效果，同時利用中高頻的集膚效應，使得加熱效率大大提高，極大降低了采油生產的能源消耗。
四、感應加熱原理
1、感應加熱原理：
感應加熱是根據集膚效應原理，即頻率增大時，集膚深度越深，交流阻抗增大，從而在相同電流作用下產生的熱量增多，提高加熱效率。
2、集膚效應：
當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分布不均勻，且電流集中在導體的“皮膚”部分的一種現(xiàn)象。導線內部實際上電流變小，電流集中在導線外表的薄層。結果導線的電阻增加，使它的損耗功率也增加。這一現(xiàn)象稱為集膚效應。
五、中頻感應加熱系統(tǒng)
在大慶油田抽油機現(xiàn)場，根據負載情況，客戶要求加熱電流達到100A左右，確保抽油機運行時不堵塞，加熱采用時間和溫度雙重控制，即設定好運行時間和停止時間后，系統(tǒng)按照此設定運行，同時加入溫度控制、設定溫度上限和下限，高于溫度上限時停機，低于溫度下限時開機運行。另外，系統(tǒng)要能長時間穩(wěn)定可靠運行。針對這種情況，深圳市邁凱諾（Micno）與客戶進行深入的探討并進行詳細的實地考察，研發(fā)出了KE300M中頻電源專用變頻器，推出了完整的控制系統(tǒng)方案。
油田抽油機 加熱電纜
1、工作原理
KE300M系列中頻電源是一種將三相工頻電流變換成某一頻率的中頻的單相電，實現(xiàn)輸出電壓連續(xù)可調，從而使輸出功率的連續(xù)可調，利用中、高頻電流的集膚效應，使得系統(tǒng)加熱效率大大提高，同時極大改善了原工頻電源帶來的功率因數(shù)低、電能浪費嚴重等問題，使采油生產更加節(jié)能和高效。
下圖顯示中頻電源的主回路簡圖。整流器將三相交流電壓轉換為直流電壓。中間電路的電容器組穩(wěn)定直流電壓。逆變器將直流電壓轉換為方波交流電壓。
主回路簡圖
2、系統(tǒng)配置
控制系統(tǒng)配置： KE300M 中頻電源專用變頻器 + PLC + PLC擴展模塊 + HMI
KE300M中頻電源專用變頻器先將市電變成中頻連續(xù)可調的單相電，再經中頻變壓器升壓隔離后，將高頻高壓電流輸入到加熱電纜給油層加熱；外部溫度檢測信號和互感器檢測電流、電壓信號經4路AD模塊送入PLC，PLC作為主控元件控制變頻器完成加熱作業(yè)；觸摸屏作為操作界面，將控制命令傳達到PLC，同時顯示相關運行參數(shù)，實時了解工作狀態(tài)。
3、系統(tǒng)運行及調試
系統(tǒng)搭建完畢后，可以通過觸摸屏啟停中頻電源專用變頻器，通過調功旋鈕調節(jié)輸出電壓，出現(xiàn)故障時可以顯示故障名稱并復位；
1、溫度控制：啟用溫控模式，設定油溫下限和上限，系統(tǒng)自動在設定溫度范圍內運行，更易于操作。
2、根據不同應用情況可調節(jié)變壓器的檔位：高電壓檔和低電壓檔；輸出頻率高低不同，集膚效應程度不同，高頻率加熱效果較好，但電流會小一些。
3、輸出部分采用環(huán)形中頻變壓器，用于隔離輸入、輸出電壓，同時經電容組與控制柜輸出相連接，起到隔直作用，防止由于直流偏磁或過勵磁產生的磁飽和，同時可起到串聯(lián)諧振的作用。中頻變壓器為非晶鈦材料，導磁率高，工作頻率高，自身能量損耗極低，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。
六、 使用效果
通過現(xiàn)場調整，結合加熱電纜及功率，一般將頻率調至500HZ左右，比工頻提高了10倍，根據功率調整電流，一般75KW的在80A左右，90KW的在100A左右，其加熱效果十分明顯，較之工頻加熱快，不到1分鐘即可達到設定溫度。系統(tǒng)可根據設定的上下限溫度和運行時間實現(xiàn)溫度和定時雙重控制，系統(tǒng)長時間運行穩(wěn)定。另外，KE300M可不同于一般的變頻器，它穩(wěn)定性好，還具有以下優(yōu)勢：
（1）功率因數(shù)明顯提高，原工頻加熱，功率因數(shù)約在0、7左右，而用變頻加熱，經測試都在0.95以上。
（2）減少了對電網的污染。原工頻加熱，需三相變二相，造成變壓器輸入三相電壓嚴重不平衡，對電網污染嚴重。應用變頻器以后，功率因數(shù)提高，諧波含量明顯減少，減輕了對電網的污染。
（3）加熱效果明顯。根據集膚效應，頻率提高后，負載所獲得的能量提高，線路損耗也相應減少從而提高了加熱效果。據測試，變頻加熱可比工頻加熱提前1—2小時達到欲定效果，而且溫度也要高。
（4）節(jié)能效果明顯。據測試，每臺變頻柜比相應的工頻柜節(jié)電都在20%左右，有力的節(jié)約了電能，提高了工作效率，保證了加熱系統(tǒng)的效果。
七、 結束語
隨著微電子技術和電力電子技術的發(fā)展，變頻調速技術的發(fā)展也突飛猛進，如今，中頻電源專用變頻器加熱是稠油熱采的一次革命，與傳統(tǒng)的工頻電源感應加熱相比，使用KE300M中頻電源專用變頻器效率高、功率因素高，干的多吃的少；加熱速度快，較工頻方式提高了幾倍；對電網無污染，再也不用擔心影響PLC等設備運行了。現(xiàn)場應用表明，深圳市邁凱諾研發(fā)出了KE300M中頻電源專用變頻器為抽油管感應加熱系統(tǒng)提供的成套解決方案加熱速度快、效果好、運行穩(wěn)定，成為油田抽油管電加熱應用的理想選擇。已在勝利油田、遼河油田稠油加熱、輸油管道加熱解除油路堵塞及油井井口加熱中廣泛應用，很受油田采油人員的歡迎。
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