PI500-I系列中频电源在空心抽油杆电加热采油装置上的应用
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—PI500-I系列中频加热电源。
该设备可提供最高 10——3000Hz 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。
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。
PI500-I系列中频电源工作原理如下图所示：
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。
产品性能特点
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。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。
高效节能，全功率范围内，极高的功率因数
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。随着电流频率的升高，空心抽油杆阻抗也随之增大，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。
应用效果：
辽河油田应用现场
大庆油田应用现场
华北油田应用现场
PI500-I系列产品面市以来，在大庆油田、长庆油田、胜利油田、华北油田、辽河油田、玉门油田等几个稠油井分布的区域内成功运用。通过现场调整，结合加热电缆及功率，一般将频率调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具有明显的优势。
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。
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。
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