（检测技术与自动化装置专业论文）抽油杆变频电加热技术的研究与开发.pdf

摘要 随着世界稠油开采量的不断增加，稠油的黏度高、流动性差已成为制约稠油开采的 主要问题，稠油黏度对温度的敏感性使得加热成为稠油开采的主要方法。目前各大油田 通常大都采用空心抽油杆电加热方法，它具有加热均匀、成本低等的优势。但是目前广 泛使用的工频电加热装置，普遍存在着加热效率低、电耗大、功率因数差和用电三相不 平衡等缺陷。本论文针对目前工频和中频电加热存在的问题，研究开发一种中低频组合 变频加热装置，充分发挥中、低频加热各自的优势，提高加热效率和稠油采收率。 本课题在对变频加热电源的多种控制方案进行分析、总结和比较的基础上，提出了 了一种中低频组合变频电加热控制方法，以高性能单片机8 7 c 1 9 6 m h 作为控制核心， 对空心抽油杆变频电加热装置的主电路和硬软件控制系统进行了设计、仿真和研发实 现。该系统主要包括交一直一交变频主电路，检测与保护控制单元，单片机控制系统， 键盘及显示单元和驱动单元等。该装置输出的中低频电压、频率分别独立可调，用户可 以根据不同的井况进行灵活参数设置，使中、低频加热作用独立可调，达到节能增效的 目的。在系统保护方面，还结合i g b t 的驱动电路特点，提出了集中过流保护和分散过 流保护相结合的保护方案，使装置可靠性大大提高。系统所增设的远程通讯功能，通过 上位机可以对系统运行状态进行网络化监测，修改系统参数，操作安全方便。通过数字 仿真和样机试验结果验证本系统方案及控制方法的正确性与可行性。 关键词：稠油井，中频加热，低频加热，变频电源，单片机 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f v a r i a b l e f r e q u e n c y e l e c t r i c a lh e a t i n gt e c h n i q u ef o rp u m p i n g r o d l i ux i c h e n ( m e a s u r e m e n tt e c l m o l o g ya n da u t o m a t i c e q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o z h a n gj i a s h e n g a b s t r a c t s i n c em ey i e l do ft l l eh e a v yo i l i nt l l e 、v o r l di n c r e a s e s 伊a d u a l l y ，i tb e c o m e st h em a i n p r o b l e mi np e 仃o l e u mr e s 仃i c t i n ge x p l o i t a t i o no fh e a v yo i l ，t l l a tt l l eh e a v yo i l h 弱h i 曲 v i s c o s i t ) ，a n db a df l u i d i t ) ，t h ev i s c o s i t ) ，o fm eh e a v yo i li ss e n s i b l et ot 1 1 et e m p e r a t u r e ，s o h e a t i n gb e c o m e st h em a i n 、v a 【yt 0e x 仃a c tt h eh e a 、7o i l a tp r e s e n t ，m a l l yb i go i l f i e l d su s u a l l y a d o p te l e c t r i c a lh e a t i n go fh e a v yo i lu s i n gh o l l o wp u m p i n gr o d ，w h i c hh a sm a n yg o o d c h a r a c t e r s ，s u c ha sh e a t i n g 疵f o 衄i t ) r ，c h e a p e rp r i m a r yi n v e s t m e n t ，e t c b u tl o wh e a t i n g e 伍c i e n c y ，l o t so fl o s s e s ，p o o rp o w e rf a c t o ra i l du n b a l a n c e dt h r e e - p h a s ep o w e ra r et h em a i n p r o b l e m si nt h es i n g l e - p h a s ew o r k f r e q u e n c yp o 、v e rs u p p i y ，w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di n o u rc o u n t l 了n o w t os o l v et l l ea b o v ep r o b l e m sa n di m p r o v et i l er e c o v e r ye f j e i c i e n c yo f h e a v y o i la n dt h ee f n c i e n c yo fh e a t i n g ，t h ep a p e rs t u d i e sa n dd e v e l o p sak i n do fl o w m e d i a f k q u e n c y i n v e r t e r p o w e rs u p p l yf o rh e a t i n gw 1 1 i c hm a k e su s eo fm em e r i to ft h e m e d i a - f r e q u e n c ya 1 1 dl o w - 丘e q u e n c yh e a t i n gm l l y b a s e do na j l a l y s i s ，s 啪一u pa l l dc o m p 撕s o no fv a r i e t i e so fc o n t r o l 啪y so fv 撕a b l e f k q u e n c yp o w e 卜s u p p l y f o r h e a t i n g ， t h i s p a p e rp r o p o s e st l l el o w - m e d i a f - r e q u e n c y c o m b i n a t i o nc o n t r o l m e t h o d ，a n dc 删e so u tt h e d e s i g m n g ，s i m u l a t i o n ，r e s e a u r c k n g ， d e v e l o p m e n ta n dr e a l i z a t i o no fh o l l o wp 啪p i n gr o dv 耐a b l e f b q u e n c yp o w e rs u p p l y sm a i n c i r c u i ta n dh a r d w a r ea i l ds o 纳，a r ec o n 仃o lc i r c u i t s b yh i 曲p e 哟硼a n c em i c r o c o n 仃o l l e r 8 7 cl9 6 m h 缎t 1 1 ec o n t r o lc o r e t h j ss y s t e mm a i l l l yi n c l u d e st 1 1 ea c d c a cf - r e q u e n c y c o n v e r s i o nm a i nc i r c u i t ，t h ee x 锄i n a t i o na n d p r o t e c t i o nu n i t ，t h em i c r o c o n t r o l l e rc o m r o lu n i t ， t l l ed i s p l a yu n i to fm l m i n gs t a 咖sa 1 1 dt h e “v i n g 嘶ta i l ds oo n t h eo u t p u t sl o wa n dm e d i a 行e q u e n c yv o l t a g e 砒l d 行e q u e n c yo ft 1 1 i se q u i p m e n ta r ei n d e p e n d e n t l ya d j u s t a b l e ，a n dt l l eu s e r c a l ls e t4p a 聊n e t e r sa c c o r d i n gt om ed i 虢r e n tw e l ls i t u a t i o n ，t oa c l l i e v em eg o a lo fs a v i n g e n e r g ya 1 1 de n h a n c i n ge m c i e n c y i ns y s t e mp r o t e c t i o na s p e c t ，a l s ow i t ht l l ei g b td r i v ec i r c u i t c h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sac e n t r a l i z e da n dd e c e n 仃a l i z e do v e rc u l l 广e n tp r o t e c t i o n p r o g r a m ，s o t h a tt l l ed e v i c e s r e l i a b i l i t yi s 铲e a t l yi m p r o v e d w i t h l el o n g d i s t a n c e c o m m l i c a t i o n 舢1 c t i o n ，t h eu s e rc 锄o b s e n ，et h ed e v i c e s 删n gs t 狐l sa n dr e v i s et h e s y g c e m sp a r 锄印e r sm r o u 曲t h es u p e r i o rm a c h i n ea n dm eo p e r a t i o ni sv e 巧s a f e 锄d c o r e n i e n t t l u 0 u 曲d i g i t a ls i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t s ，m es y s t e m 肌dc o n t r o lp r o 留锄s c o n e c t n e s sa n df e a s i b i l i t ) ri sp r o v e d k e y w o r d s ：h e a v yo i lw e l l ，m e d i u m - 行e q u e n c yh e a t i n g ，l o w 行e q u e n c yh e a t i n g ，s i n g l e c i l i pm i c r o c o m p u t e r l i l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：塞= ! 益壁日期：溯r 年f 月1 1日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：型益墨 指导教师签名：二难 日期：溯年石月f 日 日期：多年月日 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 1 1 稠油的特性及开采方法 第1 章前言 稠油亦称重质原油或高粘原油( 英文名为h e a v yo i l ) ，并不是一个严格的范畴。按 粘度分类，把在油层温度下粘度高于1 0 0 m p a s 的脱气原油称为稠油n3 。 油井生产过程中所产生的沉淀物( 结蜡块) 常为固态或半固态，颜色呈黑褐色或深 褐色，成份以石蜡为主，同时胶质与沥青质以及井液所携带的沙粒等掺杂其中。这些沉 淀物使得原油粘度很高，高含蜡原油的流变特性随温度变化较大，在不同温度下表现出 不同的流变特性幢1 。高凝高含蜡稠油中蜡晶的形成和聚结直接受温度的影响。当稠油温 度高于析蜡温度时，一方面，油中的蜡晶颗粒会部分或全部溶解；另一方面，沥青胶质 将高度分散，减小了结蜡凝固的可能性。随着稠油体系的冷却，蜡晶将按分子量的高低 依次不断析出、聚结、长大，使油凝固，同时沥青胶质也依次均匀的吸附在已析出的蜡 晶上或共晶长大，加剧了稠油的凝固。稠油的温度越低，其粘度越高，越不利于开采。 实践说明，开采稠油必须具备两个基本条件：一是在油层内稠油可以流动；二是能 通过一定的技术条件，将流入井底的原油举升到地面，具备这两个条件，稠油就可以投 入商业性开采了。目前解决在油层内稠油能流动的问题，其核心：在油层内降低稠油的 粘度，注蒸汽、注c 0 2 、火烧油层等方法。可根据油层和稠油物性，选择相适应的开采 方式。 解决第二个条件即井筒举升工艺技术，关键在于给井筒油流增温、降粘、提高流动 能力，目前采用的基本方法主要有以下3 种，一是热油或热水伴随方法，即将热载体由 环空注入，与油层出来的油混合，由泵举升到地面( 也有不混合、单独循环方式) ，从 而提高油流温度，达到降粘的目的。二是井简化学加药降粘，即由环空连续不断的将化 学药剂注入井底，与井底原油形成乳化液( 水包油型) ，从而降低原油粘度。三是井筒 电加热技术，将加热电缆下入空心杆内，使空心抽油杆和加热电缆组成加热体，利用集 肤效应等加热手段使稠油在井简内得到加热降粘。 1 2 课题研究的目的及意义 稠油是石油烃类能源中的重要组成部分，具有比常规原油资源高达数倍的巨大油藏 潜力。据估计世界常规石油的总资源量为3 0 0 0 亿吨，此外还有稠油、油砂及油页岩等 第l 章前言 非常规石油资源，它们的储量折合为石油估计有八、九千亿吨之多，这些将成为2 1 世 纪石油的重要来源。据有关资料报道口3 ，我国稠油的储量在世界上居第七位，迄今已发 现有七个大中型含油盆地和数量众多的稠油油藏区块。世界各国在石油工业的发展过程 中，都是先开采较易开采的、较轻的原油。随着较轻原油资源的逐渐减少，不得不开始 开采一些较难开采的重质油，因此在世界石油产量中重质油的份额正在逐渐增大。近年 来，我国也加速了稠油的开发，目前稠油的产量已经占全国石油年产量的十分之一左右。 油井生产时油流从井底向井口的流动过程中，温度是逐渐降低的。温度降低的因素 主要有两个：一个与地温梯度有关，即油流上升过程中由于地层温度是逐渐降低的，因 而油流通过油管和套管不断把热量传给地层，使油流本身温度降低。另一个因素与稠油 中气体析出有关。当气体从稠油中分离出来时，体积膨胀，流速增加，因而需要吸收一 部分热量，使稠油本身温度降低h 1 。 为了提高稠油在井筒内的流动能力，电加热技术得到了广泛应用。目前，由于各油 田大量采用工频电加热装置，用于加热的电能消耗很大，加热装置的节能问题已经引起 了广泛的注意。全国己具备开采条件的稠油井数量超过1 0 0 0 口，每年耗电总量超过2 亿k w h ，若能节省l 5 ，效益相当可观凸1 。合理选择加热装置和合适的控制方法，对节 约能量，提高加热设备运行的可靠性和安全性均有重大的意义。该课题目的就是设计一 种高效、节能的加热电源。 1 3 稠油井电加热技术的研究现状及发展趋势 国外石油储量大的国家，因其资源丰富且开采稠油成本高、风险大，尚未将开采稠 油列入议事日程嫡1 ，一旦打出稠油井，除部分为满足工业生产开采外，一般是采用封井 的办法，暂时搁置，不进行开采，所以在油田用变频加热电源方面的研究较少。由于我 国是贫油国，对于开采稠油的要求日趋强烈。多年来，许多油田为了提高稠油的产量， 采用电加热的方法，同时形成了多种类型的电加热设备，如工频加热电源、中频加热电 源和低频加热电源，在开采稠油的过程中这些设备起到了重要的作用。 1 3 1 空心抽油杆工频电加热 二十世纪9 0 年代兴起的“空心抽油杆电加热技术”从某种程度上降低了稠油开采 的难度盯1 。基本原理是通过向空心杆内孔下入整体专用电缆，经终端器使电缆和空心杆 内壁构成回路，加单相工频交流电，加单相工频交流电，加热电压3 5 0 7 0 0 v 分段可 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 调，由于频率比较低，主要通过加热电缆和被加热的空心抽油杆对稠油和高凝油的热传 导实现加热降粘。 从生产的角度看，该项技术在当时起到了非常重要的作用，提高了采集稠油的效率， 降低了开采成本。但是该技术在应用中也存在着一些明显的不足呻1 。 ( 1 ) 加热效率不高。空心抽油杆单相工频加热技术与其它各种物理加热技术相比， 确实具有较高的效率。但是工频频率低，集肤效应差，实际上主要是利用阻抗加热稠油， 感应的涡流效应并不显著，因此加热效率较低，耗电非常严重，每口井每天耗电在1 5 0 0 2 0 0 0 k w h 。 ( 2 ) 对电网造成的影响大。由于该项技术采用单相交流电加热，实用功率一般为 抽油机实用功率的3 4 倍。将比例如此悬殊的两种负载接在同一三相电网中运行，显 然会导致三相配电系统的不平衡。 ( 3 ) 设备有效容量的利用率低。设备有效容量利用率是指设备的额定容量的实际 利用率。单相工频加热装置变压器至少为1 2 0 k w ，抽油机电机配电变压器为1 0 0 k w ， 设备总容量为2 2 0 k w 。可见，单相工频加热装置的设备有效容量利用率仅为4 0 左右。 ( 4 ) 操作不方便。工频加热电源是利用工频移相叠加的方式，通过改变变压器绕 组抽头来调节输出功率，功率调节不能连续；电压等级分接头的更换必须由专门的人员 操作。这就带来了成本高、笨重、效率低等缺点。可见，该项技术己经不适合高效化生 产发展的需要。 1 3 2 空心抽油杆中频电加热 为了解决工频电源存在的严重问题，在此基础上提出了中频加热的方法，采用中频 加热的原理如下：中频加热电源采用5 0 0 2 0 0 0 h z 变频电源，加热电压5 0 0 1 0 0 0 v 。 当空心抽油杆上通过中频交流电时，在加热电缆与钢质空心抽油杆之间建立起交变磁 场，由于趋肤效应产生涡流和磁滞损耗，从而产生大量的热量( 抽油杆内电阻也发热) ， 然后再通过钢质空心抽油杆将这些热量传递给稠油。采用中频加热实现了对稠油的高效 开采其主要的特点如下州1 州1 1 1 ： ( 1 ) 加热效率高。中频加热电源提高了加热电源的输出频率，一方面，从涡流效 应角度，频率越高，有效加热功率越高；另一方面，原油在中频强电磁场的作用下，稠 油分子链结构和高凝油的晶格产生了物理变化，这种变化在客观上起到了加速分子运动 的效果，与加热产生的热效果刚好吻合。这一原理也符合物理学有关“热是物质分子平 3 第l 章前言 均运动动能的标志的定义。多口稠油井现场生产试验也表明n0 1 ，在同种工况下比工频 电热采油节能2 5 4 2 ，节能效果明显。 ( 2 ) 对电网无不良影响。中频加热电源采用交一直一交变频逆变技术，输入侧为 三相不可控整流、l c 滤波，克服了电源三相负载不平衡问题，提高了进线功率因数，对 电网波形和平衡度均无不良影响。 ( 3 ) 控制安全方便。通过微处理器进行控制，人机界面友好，采用键盘操作简单 方便，并有各种故障自动停机和报警功能，可靠性高。 中频加热虽然比工频加热效率高，但每口井每天耗电也高达1 0 0 0 1 5 0 0 k w h ，而 且使用过程中需加较高电压，对设备耐压等级要求高。 1 3 3 空心抽油杆低频电加热 基本原理：采用8 2 0 h z 的变频电源，加热电压在1 0 0 2 5 0 v 。低频电源在用于 油井加热时会产生一种特殊的效果一低频效应。这种加热方式除通过电缆和抽油杆对稠 油和高凝油的热传导加热外，还通过稠油中带电粒子剧烈运动、摩擦碰撞，使液体本身 发热，而且热传导加对液体加热效率远小于液体本身的发热效率n 引。通过调节低频电源 频率，改变低频电场效应，使负载获得最大加热效率。 低频电源主要具有以下特点： ( 1 ) 安全性好。该设备可用较低的电压输出较大的加热电流。这样大大降低了加 热电缆击穿的可能性，延长了电缆的使用寿命，降低了油井维护作业次数，并且提高了 作业维护人员自身的安全。 ( 2 ) 可靠性高。主变频器采用大功率高可靠变频器件，耐冲击、抗老化。电子控 制器应用工业及计算机芯片及相应级别的外围电路，抗干扰，耐高温，工作稳定，适应 性好。耐高温，耐低温，抗潮湿，抗雷击，适合野外长期连续工作的油井环境。由于采 用了低压方式变频供电，减少了设备本身的故障率，极大的提高了电源本身的可靠性。 ( 3 ) 变频效率高。低频供电消除了加热回路的电感，提高了功率因数，提高了电 热的转换效率。低频电源除主要的特点是节电节能，低频电源加热效率比工频电源和中 频电源有很大的提高，每口井每天耗电在5 0 0 8 0 0 k w h 口3 1 。通过胜利油田电热采油治 理专家组测得的表1 的测试数据可以看出，在相同的加热功率下，中频加热温度高于工 频，低频加热温度高于中频。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表1 1 测试数据 电加热 井号 加热方式 有功功率( k w )功率因数日耗电量( k w h )井口温度( ) 王工频4 5 6 0o 8 5 61 0 9 4 45 4 7 1 4 0 一2 中频 4 5 2 9o 9 8 71 0 8 6 9 65 6 9 低频2 8 7 30 6 3 86 8 9 5 25 8 7 6 一p 5 中频2 8 7 10 8 8 76 8 9 0 45 5 0 1 4 本文的主要研究内容 针对目前抽油杆电加热技术所存在的问题，运用新型电力电子技术和计算机控制技 术，研究开发了一种基于8 7 c 1 9 6 m h 的抽油杆变频电加热装置，提高系统效率，节约 电能。该装置采用了一种新的控制方案“中低频组合的变频控制方法”，将低频加 热和中频加热相结合，既克服了工频加热效率和热量利用率低的缺点，又消除了中频加 热交流阻抗增大、加热电流及调功范围减小的负面影响。从根本上说，课题的研究目的 就是提高电源效率，节能降耗，降低生产成本。 系统采用全控型电力电子器件i g b t 等快速模块及高频p w m 控制方式，以1 6 位 单片机( 8 7 c 1 9 6 瑚) 为控制核心，实现键盘参数设定，数据显示，变频控制，故障保 护，数据远传及远程控制等功能。 本课题所完成的任务如下： ( 1 ) 研究稠油变频加热的工作机理和负载特性，分别建立了中频和低频的负载模 型。 ( 2 ) 对变频节能控制系统方案进行理论分析和仿真研究，为控制系统设计奠定理 论基础。 ( 3 ) 设计系统软件和控制电路，进行电路板设计、制板和焊接工作，搭建系统样 机，进行大量系统调试实验，对实验波形及数据进行综合分析。 ( 4 ) 为装置增加了远程通讯功能，对系统的工作状态和运行工况进行远程控制与 监视，保证控制系统能够在过压、过流等故障发生时及时地进行处理。 5 第2 章空心抽油杆电加热原理及应用 第2 章空心抽油杆电加热原理及应用 空心抽油杆电加热系统主要由变压器、控制柜、加热电缆、空心抽油杆等组成，图 2 1 所示为系统的基本结构图。基本加热原理是：在空心抽油杆中穿一根电缆，电缆的 一端与抽油杆的底端相连，在由电缆、空心抽油杆构成的回路中加交流电，将电能变成 热能，对稠油加热降粘，提高稠油在井筒内的流动能力n 4 1 。 1 变压器2 控制柜3 输入电缆4 输出电缆 5 电缆引入器6 加热电缆7 空心抽油杆8 油管 9 套管l o 导电连接器 图2 1 空心抽油杆电加热示意图 f i 9 2 - 1 t h ee l e c t r i ch e a t i n gs c h e m a t i cd r a w i n go f h o o we x t r a c t i n go i lr o d 2 1中频交流电加热的基本原理 中频电加热主要依据电流的集肤效应、邻近效应和涡流效应等共同作用，使加热电 缆和抽油杆产生高温，进而对稠油加热。 2 1 1集肤效应 交流电流通过导体时，由于在近导体中心处比导体表面处所交链的磁通量多，在近 表面处的感应电动势就较中心处小，因而在同一外加电压下，导体表面处的电流密度较 大，导体内部的电流密度较小n5 1 ，这种现象称为集肤效应( 也称趋肤效应) 。它增加了 导体的电阻，减少了内电感。集肤效应随着频率、导线的直径、电导率和磁导率的增大 而增大。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 通常，电流流过的厚度称为集肤深度，采用交流电集肤深度s ( c m ) 作为表示这种集 肤效应强弱的指示，当s 越小时，集肤效应就越大。该指标s 被表示为： s ：s 咖参 p ， 式中：r 一导体的电阻率，剑c m ； 一导体的导磁率； 卜电源频率，h z 。 集肤效应强度是以电流透入导体表面深度表示的，由式( 2 1 ) 可知：集肤效应电流透 入深度与钢管的电阻率成正比，与钢管的相对磁导率及电源频率成反比。在材质电阻率 相同的情况下，相对磁导率越高，电源频率越高，集肤效应越强，电流透入深度越小。 对于铜，r - 1 8 1 0 石，1 ；而钢的r _ 1 8 1 0 石，1 0 0 0 。假设电源频率仁6 0 h z ， 则铜的s = 0 8 7 ( c m ) ，而钢的s = 0 0 8 7 ( c m ) 。从中可以看出，钢仅为铜集肤深度的l 1 0 。 显然，钢的集肤效应应远远大于铜的集肤效应，且与电源频率成正比，钢管和铜导体的 集肤深度s 与电源频率f 间关系见下图2 2 。 图2 2 钢管和铜导体集肤深度s 与电源频率f 间关系曲线 f i 9 2 2 t h er e i a t i o n a ic u r y eo fs t e e ip i p ea n dc o p p e rc o n d u c t o r s k j nd e p t hsa n ds u p p i yf r e q u e n c yf 2 1 2 邻近效应 如果有若干个载有交流的导体彼此相距较近时，则每导体不仅处在本身电流产生 的电磁场中，同时还处在其他载流导体产生的电磁场中，因此，每一个导体的电流分布 7 第2 章空心抽油杆电加热原理及应用 与只有单一导体时不同。这种效应称为邻近效应。设有一单根导线，其中通以正弦交变 的电流，由于集肤效应，电流主要集中在导体的表面附近。如果在其相邻近处有另一根 载有相同方向的正弦交变电流的导线，则将使两导线之间内侧的电磁场减弱，而使外侧 的电磁场加强。因此，两导线外侧的电磁场量和电流密度比内侧的大，从而使电流的分 布更趋向于不均匀，使导线的有效电阻变大，如果两根相邻近的导体载有相反的正弦交 变电流，则使两导线之间内侧的电磁场增强，而使外侧的电磁场减弱n 引。这样，电磁场 量和电流密度将集中在两导体相对应的内侧。 2 1 3 涡流效应 如果将导电材料放在高频磁场内，则磁力线因切割导体而产生感应电动势，从而产 生涡流。利用感应涡流的热效应进行加热，称为感应加热。 感应加热利用电磁感应的原理将电能转化为热能。当交流电通入导体时，产生交变 磁通，受到电磁感应而产生感应电势。 感应电势：p ：一掣 ( 2 2 ) 口r 如果磁通是呈正弦变化的，即 则 p 的有效值为： 2 痧ms i n ( ) t p ：一譬一矽ms i n t p = 一二= _ 妒ms l n ( - ) i d t “ e = 4 4 4 j 碜m ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 2 1 4 磁滞效应 导磁金属( 例如磁性钢、铁、钻、镍) 内部存在磁滞效应，磁滞效应是由于导体中 电流的不均匀分布引起的。导磁金属在被交变磁场反复磁化的过程中由于磁滞损耗而发 热，也是加热源之一。由于磁通在导体中的分布是非线性的，还没有一个简单的数学公 式来精确描述它们的数量关系。但利用斯坦梅茨方程可以得到比较好的估计值，能够满 足实际生产的精确要求n 引。 斯坦梅茨方程： u = 徊急 ( 2 6 ) 式中，t 1 称作斯坦梅茨系数，随材料不同而变化，在某些情况下还与b 有关。 b m 缸是一个周期中的磁通密度的最大值，在数值上有： 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ：脾一：型等 ( 2 7 ) 刀“ 式中，d 为环形导体的直径。 在长度为l 的圆管中，由于磁滞产生的热量可以根据电流流过的路径内总的容积来 计算，假定电流透入的深度为4 ，则磁滞损耗为： 最。，= 妙= 徊磊皿刎( 2 8 ) 其中，厂为频率；u 为斯坦梅茨方程；y 为电流流过的体积。 2 2 低频交流电加热的基本原理 l 、低频效应的概念 所谓低频效应1 8 1 是低频电源在用于油井加热时会产生一种特殊的效果，这种效应 表现为在负载电压达到一定值时，加热负载的电阻非线性下降，加热电流非线性上升。 这是由于在低频电场的作用下，液体中带电粒子运动，形成液体低频电流，导致负载阻 抗的变化。 由于低频效应的存在，液体中带电粒子形成粒子电流，这种粒子在低频电场的作用 下，剧烈运动、摩擦碰撞，使液体本身发热，发热量大幅度提高，导致液体温度上升。 而电缆及抽油杆产生的热量是靠热传导方式加热液体的，对液体的加热效率远小于液体 本身的发热效率。 2 、低频效应发生的条件 低频效应并不是在任何条件下都能够发生的，它需要在一定的电压和某一特定的频 率范围内才能发生，因此要求能够发生低频效应的液体必须具备两个条件： ( 1 ) 液体中必须有带电粒子； ( 2 ) 带电粒子的分子量比较大，能够在低频范围内振动。 满足了以上两个条件，低频效应才能发生。 3 、低频效应发生的可能性 烃类的电导率是相当低的。一般油品的电导率在1 0 一7 到1 0 。1 0 之间，如果混有杂质 则其电导率显著增大，油品的导电性并不符合欧姆定律，即通过的电流并不与电场强度 成正比，在一定范围内按指数规律变化，多数情况下，油品的电导率是随温度升高而增 大的。 9 第2 章空心抽油杆电加热原理及应用 胶质、沥青质都是有数目众多的、结构各异的非烃类化合物组成的复杂混合物，对 于它们不可能从单体化合物的角度来进行分析，只能从平均分子结构的角度来加以研 究。目前一般认为，石油中的胶质、沥青质分子的基本结构是以多个芳香环组成的稠合 的芳香环系为核心，周围连接有若干个环烷环，芳香环和环烷环上都带有若干个长度不 一的正构的或异构的烷基侧链，分子中还杂有各种含氧、氮、硫的基团，同时还络合有 镍、钒、铁等金属，是石油中极性最强的部分。因此沥青质和胶质分子便提供了带电微 粒这一条件，使得低频效应的发生成为可能。 胶质的分子量一般是5 0 0 1 0 0 0 ，沥青质的分子量一般是1 5 0 0 5 0 0 0 0 。沥青质是胶 质的进一步聚合物。在沥青质胶质中，既有极性部分，也有非极性部分n 9 1 。 沥青质分子中有类似石墨的有序排列结构，也就是说沥青质分子中的以稠合芳香环 为核心的单元薄片之间由于分子内或分子间芳香环万电子云的重叠而络合，形成部分有 序的似晶结构。但由于这些芳香环系都连有非平面结构的环烷环和烷基链等，所以它们 的层间距略大于石墨的，约为o 3 6 m 。芳香片的平均直径厶都在0 8 1 5 r u i l 之间，晶胞 高度l 大多在2 0 m 左右，似晶微粒中相叠的芳香薄片的平均层数札大多在5 6 之间。 其中每个单元薄片重约为1 0 0 0 ，这样每个似晶微粒重便为数千。由此可以看出，沥青 质和胶质的分子量都十分巨大，它们的振动频率必然很低，这也是低频效应发生的必不 可少的条件。低频效应发生的第二个条件也满足了。 低频效应的两个必备条件乜町都满足了，所以低频效应的发生是很有可能的。 2 3 系统负载的等效电路 油井加热电源的负载是一个复杂的电路，不能用常规的方法测量，而且在电源频率 不同时，表现出的负载特性不同，下面分别建立低频和中频的负载模型。 2 3 1 低频负载模型 对低频电源来说，负载有四个部分组成，专用加热电缆部分，空心抽油杆部分，抽 油杆与电缆之间的部分，井内油水混合物可变电阻四部分。下面分别讨论四部分的电参 数： l 、加热电缆部分 根据空心杆泵加热的需要，针对井筒温度的高低，下井深度的不同而特制的专用电 缆。这部分阻抗有电缆电阻和电缆电感串联而成，当频率不高、截面积在3 0 平方毫米 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的情况下，其交流阻抗可以认为等于其直流电阻；电感量的大小可以通过公式进行估算， 他们的大小由电缆的长度决定。由于本系统电源的工作频率很低，故其电感量可以忽略 不计。 电缆的电阻：龟缆= 龟缆 ( 2 9 ) 其中：r 。一该种电缆单位长度的电阻值； ，电缆一电缆的长度。 2 、钢质抽油杆部分 空心抽油杆除了将抽油机的动力传给抽油泵，抽取井液外，还可使特种电缆穿过泵 筒，下到泵下进行加热，降粘减阻，使原油充分入泵，提高泵效。该部分阻抗除了与长 度有关外，还与材料的成分、通过的电流大小、电源频率等因素有关。考虑到当交流电 流通过电缆及抽油杆时，由于加热电缆与空心稠油杆的距离比较近，必然引起电荷在各 自的表面上变化，所以不仅存在电阻、电抗，还有分布的杂散电容存在。 抽油杆的电阻：r 杆= p 喜 ( 2 1 0 ) 其中：p 一抽油杆的电阻率； 卜一抽油杆的长度； s 一抽油杆的截面积。 另外，s = 万( 孑一2 ) 其中：一抽油杆的外半径； 一抽油杆的内半径。 3 、抽油杆与电缆之间的电容 因为电缆在抽油杆的内部，电缆和抽油杆之间自然形成了圆柱形电容器。由于电缆 和抽油杆的长度有上千米，故这部分电容不可忽略：另外，本系统的电源工作频率比较 低，不必采用分部参数的方法处理心，因此这部分电容采用集中参数来处理： c ：冬1 0 巧： ( 2 - 1 1 ) 1 8 l l l 垒 、。 其中：c 一抽油杆与电缆之间的电容； 第2 章空心抽油杆电加热原理及应用 s 一空气的介电常数； 一抽油杆的内半径； 一电缆的铜芯半径。 4 、井内油水混合物的电参数 本来井内的油水混合物可以看作是纯电阻性的，但由于低频效应的存在，在某一频 率，某个电压下它的电阻呈非线性变化，油品的导电性并不符合欧姆定律，即通过的电 流并不与电场强度成正比，在一定范围内按指数规律变化，多数情况下，油品的电导率 是随温度升高而增大的乜羽。故将其按受控电阻处理，该可变电阻受电压控制。 在低频条件下，当电压小于4 0 v 时， 该电阻可以看作是常数，即是油水混合物 的实际阻值。当电压大于4 0 v 时，该电阻 呈非线性减小：当电压大于1 1 0 v 时，电阻 值不再减小，而稳定在一个很小的值。 为了便于数学计算及建立模型，我们 将模型简化，将其非线性部分线性处理， 如图2 3 所示，把该电阻分三段分析： 当u 1 1 0 v 时，尺精= o 8 q ； 4 0 v 一功能；八一数值加l ；v 一数值减1 。 五位数码显示屏在正常状况下以低位显示当前运行低频频率( 未启动时显示0 0 ) ， 在按键操作下可以显示的菜单有低频电压、低频频率、中频电压、中频频率、油井编号、 故障代码和电流，并可通过相应的按键操作完成数值显示和参数修改。 系统建立以后，现场人员不必了解系统内部结构，仅仅依靠键盘的操作就可以完成 变频电源的启动、停机、复位、频率设定、电压设定等多种功能参数设置，只需按下不 同的按键就能实现各部分功能。图3 1 2 中键盘面板的左上角是一个矩型缺口，将显示 3 3 第4 章变频加热装簧硬件电路设计 板置于键盘之下，显示板的五个l e d 数码管恰好能从这个缺口显露出来，主要用来反 图4 1 1 键盘操作面板 f i 9 4 一l lk e y b o a r do p e r a t i o b o a r d 馈给用户当前的频率或参数值，还可以在故障时显示故障代码以区别故障类型，该部分 通过l e d ( l o we m i t t i n gd i o d e ，发光二极管) 模块、芯片7 4 h c 2 7 3 和g a l l 6 v 8 的 配合电路来实现。这样的一个键盘及显示单元给用户带来很直观的感觉，有利于在油田 的推广使用。 3 4 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 第5 章控制系统的软件设计及实验结果 变频加热装置硬件电路设计完成之后，软件程序的编写、调试就成为了整个系统开 发中最为重要的工作。软件是系统控制器的核心与灵魂，软件的编写质量直接决定了控 制器乃至整个系统的可靠性、稳定性以及实用性。本章将详细介绍软件的设计思路和各 部分程序流程，并对实验结果进行分析。 5 1 系统软件设计 系统软件设计的中心思想就是控制波形发生器的输出实现变频调压。设计思路是： 中频频率和电压按设定值运行，低频电压幅值从零升高到设定值之后，频率再逐渐增加， 并采集霍尔电流传感器检测的直流电流值，计算出输出电流，并与允许的最大电流相比 较，形成电流闭环，若电流大于允许值时，则减小输出电压，防止过流发生。根据键盘 及远程操作，改变中低频电压频率，调整系统运行状态，提高加热效率。这就是本课题 所提出的“中低频组合”思想。软件的整体思路比较简单，但涉及到许多细节问题，使 得软件的具体编写比较复杂。 控制软件采用了1 9 6 单片机的汇编语言编程，提高了程序运行的速度。但在实际应 用中，涉及到大量数据运算的话，将很大程度上增加单片机的负担，降低运行效率，造 成不必要的资源浪费；然而程序中不可避免的存在大量数据的运算。因此，设计单片机 控制系统时，充分考虑实时性特点和系统硬件的速度要求，应尽量避免同时处理大量的 整数或浮点数运算所造成的延迟问题。软件设计中采用脱机数学运算产生大量的数据， 并将这部分数据紧随主程序存储在单片机的内部e p r o m 程序段中，在需要运算时随时 查出所需要的数值来简化运算。这种常用的方法称之为查表法。使用了查表法，单片机 就可以有足够的时间去处理其它紧迫的任务。软件中所使用的数据表就是1 8 0 0 正弦表， 这些数据产生的原理将在p w m 产生程序流程小节中作详细的介绍。 5 2 系统软件流程分析 考虑到软件编写和调用方便等问题，程序结构采用了模块式的设计方式，各个模块 既具有自己独立的功能，又与其它模块相互配合衔接在一起。本节针对控制软件的设计， 从总体流程出发，将对各主要程序模块进行详细介绍。 3 5 第5 章控制系统的软件设计及实验结果 5 2 1 主程序控制流程 图孓l 主程序控制流程图 f i 9 5 - l m a s t e rr o u t i n ec o n t i o ln o wc h a n 主程序是软件执行的主轴，流程如图5 1 所示。程序开始，首先要清除程序中所有 3 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 中断向量的中断屏蔽位和使能位；然后初始化定义单片机的特殊寄存器，并对单片机相 应的引脚进行设置，以避免单片机控制的器件误动作；接下来，从a t 2 4 c 0 1 a 中读取存 储的设定参数，对程序中的其他变量进行初始化赋值，显示0 o ；再配置串行通讯口， 设置串行口接收和发送中断向量，允许串口中断，等待用户进行下一步的远程操作或键 盘操作。 若系统未启动时，键盘功能键按下，则系统进入键盘处理程序中的静态处理部分( 简 称静态键盘) 。在静态键盘中，可以对各种功能参数根据要求进行适当的调整，按照进 入处理菜单的顺序，可供调整的变量依次是：低频电压( 0 v 4 0 0 v ) ，低频频率( 5 h z 2 0 h z ) ，中频电压( o v 4 0 0 v ) ，中频频率( 5 0 0 h z 2 0 0 0 h z ) ，油井编号( o 1 5 ) ，故 障代码、电流。每个参数设定好后，会覆盖前一次的设定值而立即保存到a t 2 4 c 0 1 a 中。 此时就可以通过上位机进行远程操作，设置各种参数，代替键盘的各种功能。 启动键按下之后，各控制继电器、接触器执行相应动作，系统启动。首先延时一段 时间为直流侧电容充电，完毕后短路该限流电阻。软件中所用到的波形发生器和定时器 中断向量设置好后，开中断，随时准备进入中断服务程序，p w m 波形开始正常输出。 变频器的输出电压、频率匀速自动上升到设定频率，实现了软启动功能。软启动过程中， 除了复位键和停机键，其他键盘操作不发挥作用，但是远程操作可以发挥作用；软启动 结束后，键盘操作、远程操作均有效，可以对运行参数进行动态调整。 软启动结束之后，系统稳定运行，单片机控制板不断对检测保护板所采集的各种故 障信号以及应用信号( 包括电压、电流等) 进行判断计算，做出相应的处理。如果没有 故障发生，将按照当前设定的参数运行。此时按下功能键，系统进入键盘处理程序中的 动态处理部分( 简称动态键盘) 。在进行动态键盘操作时，显示板显示当前键盘操作参 数，但是系统的电流反馈功能并没有受到影响，系统仍能正常运行。动态键盘可以依据 当前系统的工作情况进行合理的在线调