變頻-加熱電源在稠油井抽油系統(tǒng)上的應(yīng)用

在我國石油開采中，稠油井的比例占相當(dāng)大一部分，這類井原油粘度高、凝固點高、密度大、含蠟量高，難以開采。目前國內(nèi)外開采這類油井的最廣泛效果最好的采油工藝技術(shù)是稠油熱采。采用空心桿電加熱工藝技術(shù)，使稠油變稀，可實現(xiàn)稠油的順利開采。
　　
以前的空心桿加熱技術(shù)，采用工頻加熱，因負載為單相，需要有一個獨立的變壓器，將三相輸入變?yōu)閱蜗噍敵觯斐扇嚯娋W(wǎng)的不平衡，功率因數(shù)低，電能消耗大，對電網(wǎng)的污染大，加熱效果不明顯，造成電能的極大浪費。因此，需要探討一種先進的加熱方式，以提高功效，增強加熱效果。

經(jīng)過多方試驗，采用我們現(xiàn)已掌握的較成熟的變頻技術(shù)，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(shè)備可提供250——1000HZ的頻率，實現(xiàn)了輸出電壓、電流的連續(xù)可調(diào)，以達到輸出功率連續(xù)可調(diào)的目的，提高了加熱效果，目前已在勝利油田、遼河油田應(yīng)用上百臺，很受油田采油工的歡迎。

一、變頻加熱電源的基本原理：

1、集膚效應(yīng)原理：在加熱理論中，有一個集膚效應(yīng)原理，即：
　　S=K（1/FC）1/2
　　式中：S — 集膚效應(yīng)深度
　　K — 修正系數(shù)
　　FC — 頻率
　　
由此可以看出，當(dāng)FC增大時，S變小，則集膚深度越深，同時其交流阻抗
　　
Z= KZC（FC）1/2也變大，因此在相同數(shù)值的電流作用下，負載所獲得的能量也越高，而電流及線路損耗相應(yīng)地也會變小，從而提高了加熱效率，同時還可起到節(jié)約電能的目的。變頻加熱電源正是基于這一原理做成的，利用變頻技術(shù)，可將運行頻率提高到工頻的數(shù)倍，加熱效果會明顯提高。

2、整機原理框圖如圖一示。

首先將380V/50HZ的三相交流電經(jīng)整流、濾波成直流電，經(jīng)逆變電路變成頻率連續(xù)可調(diào)的單相電，再經(jīng)中頻變壓器隔離后，輸送到加熱電纜給油層加熱。

其主功率器件采用的是德國西門子公司的第三代大功率器件IGBT，控制器件為單片機，是8位工業(yè)專用微處理機AT89C51，它具有很強的環(huán)境自適應(yīng)能力和抗干擾能力，工作可 靠，壽命長等優(yōu)點。

二、變頻加熱電源的特點：

1、采用了先進的移相控制技術(shù)和軟起動技術(shù)，使工作更可靠。
　　
2、人機對話的顯示界面，可通過鍵盤的選擇顯示工作頻率及電流，輸出脈沖的占空比、電流變比等，并可顯示故障狀態(tài)及原因，使顯示更直觀，更易于操作。顯示與主控板共用一個線路板，排列更緊湊，避免了信號傳輸過程中的干擾，工作更穩(wěn)定。

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(jīng)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(chǎn)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(dǎo)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。

4、保護功能齊全。設(shè)置了過流、短路、機內(nèi)溫升過高及過、欠壓保護，功能更齊全，工作更可靠，避免了由于各種不正常因素而造成的損壞。

三、應(yīng)用效果

我們在勝利油田濱南采油廠、遼河油田曙光采油廠等幾個稠油井分布的區(qū)域內(nèi)上百口井運用了該技術(shù)，通過現(xiàn)場調(diào)整，結(jié)合加熱電纜及功率，一般將頻率調(diào)至500HZ左右，比工頻提高了10倍，根據(jù)功率調(diào)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：

（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(jīng)測試都在0.95以上。

（2）減少了對電網(wǎng)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(wǎng)污染嚴重。應(yīng)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(wǎng)的污染。

（3）加熱效果明顯。根據(jù)集膚效應(yīng)，頻率提高后，負載所獲得的能量提高，線路損耗也相應(yīng)減少從而提高了加熱效果。據(jù)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）保護功能齊全。原工頻柜因無單片機控制，其保護功能差，往往由于負載的短路、斷路及電壓的不穩(wěn)定，造成變壓器燒毀、工作不穩(wěn)定。而變頻柜由于單片機的控制，其保護功能齊全，避免了由于電網(wǎng)及負載的故障引起的問題，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（5）節(jié)能效果明顯。據(jù)測試，每臺變頻柜比相應(yīng)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。

總之，變頻加熱是稠油熱采的一次革命，我國的稠油資源相當(dāng)豐富，我們推廣該技術(shù)，是可以為我國的采油事業(yè)作出一定貢獻的。

參考文獻

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2、韓文昭 李瑞來 程緒東 《1140V潛油電泵專用變頻器》北京 《電氣傳動》2002.3