（电力电子与电力传动专业论文）稠油井筒变频加热电源研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r em a i n l yn e e d st w oc o n d i t i o n st op u m pt h ev i s c o u so i l o n ei st om a k et h e v i s c o u so i lf l o wo nt h er e s e r v o i rb yu s i n gi n j e c t i n gs t e a m ，m i x i n gi n t oh o tw a t e ro r h o to i l d e c r e a s eo i lv i s c o s i t yw i t hc h e m i c a la c c e l e r a t o r , e t c t h eo t h e ri st om a k et h e v i s c o u so i lf l o wi nt h es h a f tb yu s i n gm i x i n gi n t oh o tw a t e ro rh o to i l d e c r e a s eo i l v i s c o s i t yw i t hc h e m i c a la c c e l e r a t o ra n dp o w e rh e a t i n ge t c n i eh o l l o wp u m p i n gr o d p o w e rh e a t i n gw h i c h i su s e dw i d e l yi nv i s c o u so i ls h a f th a sm a n yg o o dc h a r a c t e r s ， s u c ha sh e a t i n gu n i f o r m i t y , c h e a p e ri n v e s t m e n t ，e t e ，b u ti ta l s oh a st h ed i s a d v a n t a g e o fl o t so fp o w e rl o s s ，l o wh e a t i n ge f f i c i e n c y , p o o rp o w e rf a c t o r , u n s a f e l ya n dt h e t e m p e r a t u r ec a l l tb ec o n t r o l l e dp r e c i s e l y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mi nc u r r e n t e q u i p m e n t ，t h ep a p e rd o e ss o m er e l a t i v er e s e a r c h f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h et h e o r yo fp o w e rh e a t i n gv i s c o u so i ls h a f tw i t h h o l l o wp u m p i n gr o da n ds e t su pt h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fl o a di n c l u d i n gt h e l i n ea n dh o l l o wp u m p i n gr o d c o m p a r i n gt oa n o t h e rd i s t r i b u t i o ne q u i v a l e n tc i r c u i t m o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h ec o i t e c t i o no ft h i sm o d e l t h ep a p e rd r a w so u t t h eh i i g he f f i c i e n c yr a n g eo fw o r k i n gf r e q u e n c ya n df i n d st h eo p t i m a lw o r k i n g f r e q u e n c yd u r i n gt h i sr a n g eb yu s i n go f g o l d e ns e c t i o n sm e t h o d s e c o n d l y , t h ep a p e rd e s i g n sa n dr e a l i z e st h et w ol e v e lv a r i a b l ef r e q u e n c yh e a t i n g p o w e rs u p p l y 、i t l ll i n eo f3 8 0 v t h em a i nc i r c u i to u t p u ta cs q u a r ew a v eb ya d o p t i n g t h et e c h n o l o g yo fa c d c a cv a r i a b l ef r e q u e n c ya n dp h a s es h i f tp w m i no r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n ds a f e t yo f t h ee q u i p m e n t ，t h ep a p e r u s e st h ec u r r e n to p t i m a l c o n t r o la n dw i r e l e s st r a n s f e rt e c h n o l o g y t h i r d l y , t h ep a p e rr e a l i z e st h r e el e v e lv a r i a b l ef r e q u e n c yh e a t i n gp o w e rs u p p l y w i t hl i n eo fl1 4 0 vo nb a s eo ft w ol e v e lo n e f o ri m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c ya n d s i m p l i f y i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h ep a p e ru s e st h em e t h o do ft w ol e v e lo u t p u ti n t h r e el e v e lt o p o l o g y t h ep a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e ro fl o a ds h o r tc i r c u i to ft h r e e l e v e lt o p o l o g y , a n dt h e ng i v e st h er e l a t e dp r o t e c t i o ns c h e d u l e t or e d u c et h ev o l u m eo fm e d i u mf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r , t h ep a p e rp r o p o s e st w o t o p o l o g i e so fd c h f a c ( h i g hf r e q u e n c ya l t e r n a t i n gc u r r e n t ) 一d c - m f a c ( m e d i u m f r e q u e n c ya l t e r n a t i n gc u r r e n t ) h i 曲f r e q u e n c yl i n ka n dc y c l o c o n v e r t e rh i 曲f r e q u e n c y l i n k n l es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h em e t h o di sc o r r e c t a t 也ee n do ft h ep a p e r , t h ed i r e c t i o n sa n dm e a s l e st ob ei m p r o v e da n ds t u d i e d f u r t h e ra r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：h e a t i n go f v i s c o u so i li ns h a f t v a r i a b l ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l y w i r e l e s st r a n s f e r o p t i m a lc o n t r o lo f c u r r e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：二赵陴 日期：赴 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ，论文作者签名：藿拌导师签名： r 。 山东大学硕士学位论文 1 引言 稠油( 也称高凝油、重质油) 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。 目i j ，世界上的稠油生产大国主要是美国、加拿大、委内瑞拉和中国。近 几年来。国外围绕热力采油的稠油开发技术发展很快，稠油开采技术中水平井 的应用也越来越广，其它开采技术，如出砂冷采等也有一定的应用，但其采收 率较低，后期仍然要依靠注蒸汽来采出大量剩余油【1 - 3 1 。 在美国，稠油蒸汽驱热采技术属国际领先。由于采用了天然气热电联供及 污水处理再利用技术，稠油蒸汽驱的成本大幅度降低。美国稠油开发区主要集 中在加州，并于上世纪7 0 至8 0 年代初由蒸汽吞吐开采转入蒸汽驱开采。k e r n r i v e r 及s a na r d o 油田最下面的2 个油层组已结束蒸汽驱，其采收率高达6 2 4 。近几 年来，美国水平井热采技术也有很大发展。 在加拿大，稠油开发主要靠蒸汽辅助下的重力泄油( s a g d ) 技术，而且以 s a g d 为基础的水平井注蒸汽热采技术在向多种方式发展，如水平井注挥发性轻 烃溶剂萃取( v a p e x ) 、单水平井注非凝结气辅助蒸汽重力驱( s a g p ) 等即将投入 现场试验。 委内瑞拉的主要稠油_ 刀二发区位于西部马拉开波湖，其油层较浅( 4 0 0 5 0 0 m ) 。 由于在该地区实施汽驱开采的效益不够理想，因而技术发展重点放在了改善蒸 汽吞吐开采效果的新技术上。 。 我国稠油资源也十分丰富。辽河油田是我国主要的稠油开发区，油藏类型多， 其次是克拉玛依油田、胜利油田及大港油区。目前发现数量众多的稠油油藏， 其埋藏深度变化很大，在1 0 2 0 0 0 m 之间，但从全国范围来看，绝大部分稠油油 藏埋藏深度为1 0 0 0 1 5 0 0 m 。注入蒸汽、伴热水、掺热稀油、化学降粘等方法在 我国都有应用。由于地域、地质矿藏的条件的不同，不同油井的稠油的粘稠度 不同，可以采用不同的开采方法。 上述采油方法主要针对井底稠油加热，实现稠油在油层的流动。为实现稠油 开采，还需解决井简举升工艺，提高稠油在井筒内的流动能力。目前稠油井筒 加热采用的方法主要有以下三种：第一种是伴热油或热水，将热载体由中环注 入，与油层出来的油混合，由泵举升到地面，从而提高油流温度，达到降粘的 1 山东大学硕士学位论文 目的：第二种是并简化学加药降粘方法，即由中环将化学药剂连续注入井底， 与井底原油形成乳化液( 水包油型) ，从而降低原油粘度；第三种是电加热技术， 将加热电缆下入空心杆内，使空心抽油卡丁和电缆组成加热体，利用集肤效应等 加热手段使稠油在井筒内得到加热降粘。相比前两种方法投资高以及作业难等 原因，电加热技术应用更为广泛【4 l 【5 1 。 1 1 工频空心抽油杆加热电源 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4 1 ，其结构如图1 1 所示。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，利用工频交流电的集肤效 应等机理使抽油杆杆壁发热，向井筒稠油传热，增加原油的流动性，实现稠油 开采。 1 变雎器2 电源控制柜3 输入电缆4 输出电缦5 接线盘 6 加热f 乜缆7 空心抽油杆8 油管 9 套管1 0 接头 圈卜i 空心抽油杆电加热系统基本结构 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，降低了丌采成本。但是该技术在应用中也存在着一些明显的不足【7 l 。 ( 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。 ( 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。 2 _ _ _ _ _ 一 山东大学硕士学位论文 ( 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。 “) 操作不方便。工频加热电源是利用工频移褶叠加的方式，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，该项技术已经不适合高效化生产发展的需要。 1 2 中频空心抽油杆加热电源 由于空心抽油杆单相工频电加热技术在实际应用中存在的问题，影响了稠 油开采的经济效益和社会效益，现在油田井筒稠油加热越来越多的应用了中频 空心抽油杆电加热技术。与工频加热电源相比，中频加热电源提高了输出频率( 几 百h z 至1 0 0 0 h z ) ，可以高效加热稠油井筒，具有比工频加热更为优越的特剧5 ”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1 6 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直交变频逆变技术，输入侧为三相不控整流、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。 1 3 国内外变频加热电源研究概况 由于中频加热电源效率与工频加热电源相比有了较大的提高，在油田稠油 山东大学硕士学位论文 开采中的应用越来越广泛。虽然国外对于中频空心抽油杆井筒加热电源报导较 少【8 】。【1 0 1 ，但是国内涌现了如济宁新风光电子等一些公司，规模生产油田中频加 热电源，图1 2 ，1 3 所示为抽油机应用现场。但是现存产品中存在着如下技术 问题：抗干扰能力差；没有温度闭环控制，需要专门人员现场进行监视与调节 l l - u 1 ；不能根据负载的变化自动调节频率、功率等参数，不能达到最佳的节能效 果 i 鳘| 1 2 变频加热i 乜源与变雁器 幽l - 3 受频加热b 源与抽油帆丁作幽 清华大学孙梅生就提高中频加热电源的频率做了尝试【“1 2 】。在分析稠油开 采线性电加热效率的基础上，提出了增加频率( 至2 k h z ) 提高电加热效率的方法。 按其实测结果，提高频率可以有效提高加热功率。但是由于频率的升高，集肤 效应增强，负载阻抗增加，为了输出相应的功率，需要提高输出电压。这样就 需要提高加热电缆的耐压等级，这显然是个不小的困难。 山东大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 本课题来源于山东省科技厅计划项目“油井用大容量变频逆变电源及智能 控制装置”。课题组与济宁新风光电子有限公司合作，研制了一类大功率变频 加热电源用于稠油井筒加热。通过“黄金分割”算法，在线搜索最佳工作频率， 优化电流控制，提高了加热效率：引入无线控制模块，传输温度信号，不仅控 制简单方便，而且能够防窃防盗；针对需要大容量加热功率的井简，提出三电 平拓扑的两电平输出模式，简化了控制，有效降低了装置成本。该装置加热稠 油井筒，具有节约电能、提高采油效率、降低维护费用等特点。 实现的主要技术指标如下： 1 1 输入电压：三相，3 8 0 v 士1 5 ，1 1 4 0 v a ：1 5 。 2 ) 额定输出功率：7 0 k v a ，9 0 k v a ，连续可调。 3 1 输出电压范围：0 - 1 0 0 0 v ，连续可调。 4 ) 输出频率范围：2 0 0 1 0 0 0 h z 。 5 1 输入功率因数：0 9 。 6 、油井出口温度：6 0 9 0 。c ，连续可调。 n 具有过载、过流、过压等保护功能及故障自诊断功能。 本文所做主要工作如下： 1 ) 分析了稠油井筒变频加热原理，提出了一种简单实用的负载集中参数电 路模型。从单位加热功率和传导加热两个方面分析，得到变频电源得频率范围， 并应用“黄金分割”算法搜索最优工作频率。 2 ) 针对油田线缆传输信号的不安全问题，引入无线控制模块传输温度信号。 3 ) 针对不同的加热功率，分别给出了两电平和三电平变频加热电源的设计 与具体实现。 4 1 针对油田中频变压器体积庞大的缺点，应用两种新型的拓扑结构于变频 加热电源。 山东大学硕士学位论文 | = t j = ! = 自_ e = = 目e = = = 1 0 = = = e = = 自= = _ 2 = = = = j l = j _ _ _ e 目_ e = i e = 自e = = j e = 日| e = e 5 4- 2 稠油井筒空心抽油杆电加热原理及应用 i i 稠油井筒加热的空心抽油杆和电缆负载，在集肽效应、邻近效应和涡流效应i 等共同作用下，实现电热转换。了解这些基本的物理原理，不仅有助于理解变 i 频加热电源的工作原理，而e i i 够求得最佳加热频率，提高加热效率。 i 】 2 1 空心抽油杆电加热的物理原理【8 1 1 3 l t 5 i 1 2 1 1 集肤效应 导体中流过电流时，在它的周围便会产生磁场，通过的电流为直流时，产 生的磁场是固定的，不影响导体的导电性能；而通过交流电时，产生的磁场是 交变的，集肤效应使大部分电流在导体的表面流通，即有效导电面积减小，电 阻增加。交流电流的频率越商，集肤效应越强。 ( i ) 透入深度 由电磁场理论推得电流沿导体表面的分白规律： 一! d 巫， 4 = 4 e 9 ( 2 。1 ) 式中，4 、4 0 分别为距表面x 处和表层( 垆o ) 处的电流密度；c 为光速；p 为导体 或工件的电阻率；肼为相对导磁率；f 为频率。 可见，电流密度由表面向中心近似地按指数函数迅速下降。为简化计算， 引入电流透入深度的概念，即认为电流只在深度为4 的薄层中以均匀的电流密度 4 i 流过，其余部分无电流流过。这样，把复杂的指数函数计算化成了普通 乘积的等效计算。电流在导体中所产生的焦耳热是与电流平方成正比的，当电 流密度衰减至l 尼时，其功率已衰减至1 e 2 = o 1 3 5 ，即在电流透入深度4 层中所 产生的热量为导体总功率的0 8 6 5 ，已能满足实用工程中电加热计算的要求。 如果导体的相对磁导率肼为常数，则电流透入深度4 ( c m ) 可根据下式计算： 如5 0 3 0 1 治 p 2 ) ( 2 ) 集肤效应强度 集肤效应强度是以电流透入导体表面深度表示的，由式( 2 2 ) 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。 山东大学硕士学位论文 在材质电阻率相同的情况下，相对磁导率越高，电源频率越商，集肤效应越强， 电流透入深度越小 2 ，1 。2 邻近效应 相邻两导体通过交流电流时，在相互影响下导体中的电流重新分配。假设两 平行导体中的电流方向相反时，在导体之间由两电流所建立的磁场方向相同， 总磁场增大，而两导体外侧的磁场减弱。两导体之间的磁通不仅通过空气，而 且也通过导体内部。显然导体外侧比内侧交链更多的磁通，因而导体外侧的电 感和阻抗较内侧大。所以当两电流相反时，电流聚集予导体内侧，如图2 1 ( a ) ； 方向相同时，电流被排于导体外侧，如图2 1 ( b ) 。 2 1 3 涡流效应 鳓簪 ( a ) 电流方向相反 ( b j 屯流方向相同 图2 - i 导体邻近效应示意图 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，称作感应加热。 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， 产生交变磁通西受到电磁感应而产生感应电势。 感应电势： 一警 如果磁通提呈正弦变化的，即 矽= 九s i n 则 p 的有效值为： 。：一譬：一妒m a ) c , o s f t l t 忙一玄一妒 e = 4 4 4 f m ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 2 1 4 磁滞效应 导磁金属( 例如，磁性钢、铁、钻、镍) 内部存在磁滞现象，滞后效应是由于 山东大学硕士学位论文 导体中电流的不均匀分却引起的。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值【哺l 。 斯坦梅茨方程： u = 节啦( 2 - 7 ) 式中，”称作斯坦梅茨系数，随材料不同而变化，在某些情况下还与曰有关。 b 。是一个周期中的磁通密度的最大值，在数值上有： = 吁= 譬( 2 - 8 ) 式中，d 为环形导体的直径。 在长度为的圆管中，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： = u v ( 2 - 9 ) 其中，厂为频率；【，为斯坦梅茨方程；v 为电流流过的体积。 将式( 2 7 ) 代入式( 2 9 ) 可得： = ”b 。1 。6 归石d a ( 2 - l o ) 2 1 5 有效加热层 在纵向交变磁场中半径为r 2 的圆柱形导体，由电磁感应产生的涡流密度的分 布随着频率的降低逐渐向导体内部扩张。但无论在怎样低的频率下，也得不到 均匀分布的电流，其中心线上的电流密度始终为零。有效加热层f 是指圆柱形 导体在纵向交变磁场中，在导体由表至里的某一层中吸收全部能量的8 6 5 时的 深度。当频率较高时，即4 r 2 o 4 时， f 0 4 r 2 o 4 时，已不能进一步改善电流在导体界面上的均和状态，所以有 效加热层的深度极限为0 4 r 2 。 2 1 6 稠油分子运动 中频电流会产生强电磁场，稠油在中频强电磁场的作用下，分子链结构或 分子的晶格产生了物理变化【5 1 ，这种变化在客观上起到了加速分子运动效果，与 加热产生的效果刚好吻合。由于中频电磁场直接加速了稠油分子的运动，可以 取得更好的加热效果。 2 2 稠油井简空心抽油杆电加热的工作原理 如图2 3 所示，加热电缆在空心抽油杆的中间，电流经电缆流入，由空心抽 油杆流出，两者在底端相接，靠电缆绝缘层进行电隔离。当有交流电通过电缆 和空心抽油杆时，它们因集肤效应、邻近效应、涡流效应、滞后效应等共同作 用而发热。其示意图如2 - 4 所示。 剧2 3 空心抽油杆及屯缆安装结构示意图 1 抽油扦2 屯缆 幽2 - 4 窄心抽油杆集肽效应原理示意图 由于钢质空心抽油杆在中频交流电作用下集肤效应显著，其交流电阻远大 于电缆电阻，空心抽油杆为主要的发热体。 电缆距离空心抽油秆内壁很近且电流方向相反，由于集肤效应和邻近效应 使绝大多数电流从钢管的内表面和接近内壁的环形截面通过，越接近外壁电流 密度越小。它存在着两面性：一方面绝缘性比较好，有利于操作人员的操作安 全；另一方面，在空心抽油杆内层加热，靠传导传递热量，加热慢，而且容易 加速抽油杆内电缆绝缘层的老化。 。 山东大学硕士学位论文 2 3 空心抽油杆和电缆负载分析 2 3 1 空心抽油杆 空心抽油杆是开采高粘、高凝、高含蜡原油的采油装备。可通过杆体的中心 孔道向油井内注入热载体( 热油、热水、热气) ，化学药剂或下入电缆加热以达到 降粘溶蜡的目的，从而改善原油流动性，提高稠油的开采效率。 设计采用空心抽油杆规格为k g y g 3 6 ，其外径为3 6 m m ，厚度为5 5 m r n ，用 于稠油井筒加热。具体参数如表2 1 所示，它有如下特点： 1 ) 增加柱塞有效行程，提高泵效，增加产油量。 2 ) 减少修井及洗井次数，避免高凝，高含蜡井堵井、死井等事故。 3 ) 刚度大，承受扭矩能力强，结构合理、密封可靠。 表2 1 几种空心抽油轩的规格参数袁( r a m ) 螺纹公称扳下力颈扳手出劫 规格 轲体直径接箍外径抽油杆长度 赢径宽度长度 k g y g 3 43 41 9 ，1 65 04 63 8 长杆摘扦 k g y g 3 63 61 9 ，1 65 0 4 6 3 8 6 0 0 7 5 0 0 8 5 0 0 1 0 0 0 k g y g 3 83 81 3 ，45 75 33 8 2 0 0 0 2 3 2 电加热电缆 稠油电加热电缆作为负载的一部分，其选择与单位截面积电流有关，并需 考虑整体拉断力、耐压、耐热等条件。济南华联电缆厂生产的y g p f d 空心抽油 杆油井加热专用电缆能够很好的满足加热要求，并在市场中处于主导地位。其 工作温度为1 5 0 。c ；整体拉断力不小于1 5 0 0 0 n ；2 0 。c 直流电阻3 0 m m 2 不大于 0 6 2 5q k i n 。由式( 2 1 ) 可知，在频率不太高的情况下，铜质电缆的透入深度4 比 较大，d 2 z j 一1 时，可以认为其交流阻抗等于其直流阻抗。 2 3 3 负载等效电路模型 在较低丌关频率下，电缆及空心抽油杆模型可用集中参数表示，只有当上 升时间达到次微秒级时，p w m 脉冲上升沿含高频成分，强化了电缆及空心抽油 杆杆分布参数的影响，才需建立分布参数模型i m 。本文建立了集中参数模型。 负载阻抗包括两部分：加热电缆阻抗和空心抽油杆阻抗。加热电缆部分交 流电阻约等于其直流电阻，大小主要由电缆的长度决定；钢质空心抽油杆部分 1 0 - 山东大学硕士学位论文 的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，而且由于加热电缆与空心抽油杆的距离比较近，不仅存在着电阻、电 抗，还有杂散电容存在。 综上所述，将负载分成月等份，则等效电路如图2 - 5 ( a ) 所示。 l 如 矗 r h c ) 幽2 - 5 空心抽油杆电加热负载的等效电路 实际上，在中频电加热的情况下，负载主要是由集肤效应、涡流效应、滞 后效应产生的阻抗如、r h 。和感抗凰以及加热铜电缆的阻抗r 。尺h c 和感抗五c ( 如 图2 - 5 ( b ) 所示) 。虽然还存在着其他作用引起的额外电感。和杂散电容c ，但它 们的等效电感量和电容量很小，故在频率不太高的情况下，它们的感抗乩和容 抗恐均可忽略。负载等效阻抗用z 表示，则： z = r n + r m + 足懿+ r l l c + x h + 彳二= r + ，d ( 2 - 1 1 ) 由于z 与拖两者之间是并联关系，则总电抗近似等于后者z 。因此，空心 抽油杆中频电加热负载可以等效为感抗与阻抗串联，如图2 - 5 ( c ) 所示。 由此得到的仿真波形如图2 - 6 所示。 图2 _ 6 集中参数模型电压、屯流波形 m a t l a b 中基于b e r g e r o n 的行波理论的分布参数电缆模型如图2 7 所示： - 1 1 霉 幽2 - 8 分布参数模型屯瓜电流波形幽模型 比较图2 8 和2 - 6 可以看出，分布参数模型和集中参数电压和电流波形相差 无几。 本文也饶有兴趣的改变了电缆的参数，得到l o o k m 长电缆的电压电流仿真 波形，如图2 9 所示。 比较发现，频率对波形的影响并不大，而占主导作用的是电缆的长度，究 其原因是电缆长度变化引起r 变化，从而引起电缆模型变化；而频率的影响不 能引起电缆模型变化，从仿真角度来说，对电缆没有影响，所建立集中参数模 型适用于电缆不太长的加热井筒( 小于l o g a n ) 。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 4 加热频率 幽2 - 9 长也缆分布参教模型也压和电流波形 随着电力电子技术和功率器件的发展，电源的频率输出可从直流到交流的 几兆赫兹。一般用途不同所需的电源频率也不同，用于熔炼、透热，要求加热 温度均匀，此时希望电流透入的深度要大一些；淬火不需要加热温度均匀，却 要求满足淬硬层厚度。空心杆稠油电加热电源通过加热空心抽油杆，靠其热传 导加热稠油，加热频率的选择需综合考虑决定n8 】【1 9 l 。 2 4 1 单位加热功率 综合考虑空心抽油秆电加热时的集肤效应、涡流损耗、磁滞损耗等因素， 厚度为d 的金属圆筒状铁磁导体加热时，单位吸收的功率近似地表示为： p ；2 7 r 2 h ；d “, o f 1 0 _ 9 k ( 2 1 4 ) 式中，p 为单位长圆筒状导体吸收的功率；凰为导体表面的平均磁场强度；d 为 导体的厚度；肼为导体的相对导磁率；p 为导体的电阻率；f 为电流频率；k 为 小于l 的修正系数，当d 2 4 = 2 时，k = o 6 5 ；d 2 4 2 时，k 值迅速减小。 由公式( 2 1 4 ) - j 知，当磁场强度一定时，电功率p 与厂和t 值成正比，厂 和k 越大，得到的单位加热功率尸就越大，也即电加热效率越高。这涉及两个 参数的变化，一是提高五二是增大d 2 a 。在d 值一定时，减小4 ，需提高 由此，提高单位加热功率，只需提高二 2 4 2 传导加热 当空心抽油杆通过交流电流时，由于集肤效应，内表面会快速升温，但是 1 3 山东大学硕士学位论文 稠油的流动需靠空心抽油柯的热传导作用，从内部表面高温区向外表面低 传导热量。表面与中心的温度差4t ，可以下式表示： 拈z s x 饕 c z 式中，d 为导体厚度；k 为导体的热导率；p n 为p p r ，p f 为导体的散热损失， 只为功率密度( 等于导体吸收功率导体表面积) ；岛为与d 2 a 和只。，以相关的小于 l 的修正系数。 从式( 2 - 1 5 ) 可知，为了减小4 t ，应尽量选小的勿值和小的七t 值。这说 明为使被加热工件的温度均匀分布对物值的要求，与满足高的电效率对讲劢 的要求是矛盾的。 根掘式( 2 一1 4 ) 可以绘出如图2 - l o 所示的电加热效率与矗a 的关系曲线l ；据 式( 2 一1 8 ) 可以得到表面与中心的温度差at 与们4 的关系曲线2 ，综合考虑可得 稠油加热的电效率叮曲线3 。由曲线1 可以看出，当彤物= 3 时其电加热效率约 为7 5 ；当频率增加到使d y 物等于4 时其电热效接近9 0 ，但是继续增加电源 频率对电热效率的影响不大；由曲线2 可以看出，随着扰彳的增加导热系数接 近线性逐步减小。尽管空心抽油杆是铁磁物质，其磁导率随着磁场强度的变化 而变化，电阻率随温度变化而变化，导热系数也存在一些差异，但是在温度不 太高( 远低于居里点的温度) 、电流强度基本不变、导热系数相对不变的情况下， 一般以勿= 3 5 6 作为选择范围。 y 口 圈2 1 0i 乜加热效率与d j 的关系 钢质空心抽油杆选择d 级3 5 c r m o 材料，外径d = 3 6 m m ，厚度赤5 5 m m 。 则空心抽油杆电加热的最佳透入深度范围：a = 0 5 0 8 r n m 之间，如果相对磁导 率肼为定值( ，俨3 0 0 ) ，由公式( 2 - 2 ) 可以得出最佳电源工作频率区域产3 0 0 6 0 0 h z 。 根据加热效率、温度分稀、操作工艺的安全性以及实际生产所要求的长度 1 4 山东大学硕士学位论文 不同，选用空心加热抽油杆的规格参数也不尽相同，透入深度的选择也不完全 一样。因此不同的油井对电源输出频率的要求也不一样。为了使加热电源具有 更好的适用性，设计输出频率在一定范围内可调，即变频。 2 4 3 优化电流控制 产3 0 0 6 0 0 h z 仅为频率的工作范围，实际工作中，电源需工作在频率的某个 点上。从电路谐振的角度来讲，当电源中的感抗和容抗大小相等时，电路发生 谐振，二者相互抵消，负载表现为纯阻性，电源效率最高。所以电源设计选择 补偿电容的思路就是抵消抽油杆和电缆的感抗1 1 9 1 。但实际上，由于地况、湿度、 温度等诸多环境因素以及抽油杆材质的影响，安装到每口油井的抽油杆和电缆 负载表现的特性各不一样，感抗也相差很大，而且随着时问的变化，负载所表 现出的感抗也会发生变化。这样，对于固定的补偿电容的方法，即使在允许的 较宽范围内变化频率，也不一定能搜索到谐振点。试图通过串联或者并联谐振 得到系统的最佳工作频率的方法，显然不具备普适性【1 9 1 。 本文通过最优控制思想对频率搜索进行了尝试。一些直线搜索方法如对分 法、牛顿法等都是容易实现的，但是这些方法涉及到导数或者方程的求解，对 于单片机来说，编程复杂，占用存储器空间大。综合考虑，本系统选用“黄金 分割”搜索算法【2 0 l 【2 1 1 。 ( 1 ) 黄金分割法 黄金分割法适用于【4 ，b 】区间上的任何单谷函数p ( f ) 求极小点的问题。它对 函数除“单谷”外不作其它要求，甚至可以不连续，因此黄金分割法适用范围 非常广疰。 单谷函数p ( t ) ( 如图2 - 1 1 ) 有一条很重要 问无限缩小， ，“ o 从而求得函数的最小值。 搜索区 图2 - 1 1 单谷函数圈形 性质设【n ，加是单谷函数p ( f ) 极小点的一个搜索区间，在【d ，b l 上任取两点 1 5 山东大学硕士学位论文 ，f 2 且t a t 2 。若p ( f i ) p ( t 2 ) ，则 t ib ) 是p ( r ) 极小点的一个搜索区b j 。 黄会分割法的基本思想是，在搜索区b 】【a , b 】内适当插入两点f i 、r 2 ，把【口 b 】 分为三段，通过比较这两点的函数值，并根据单谷函数的性质，删去最左段， 或者删去最右段。如此为迭代一次。然后在保留下来的区间上作同样的处理， 如此迭代下去，可将搜索区间无限缩小。 但是如何寻找这两个插入点的位置，才能使得在函数值计算次数同样多的 条件下区同缩短得最快昵? 分析如下。 设区间【口，b 】的长为1 ，在与a m 距分别为口和的点处插入 、r 2 。为确定 口和提出了一些条件： 1 ) 希望和t 2 两点在【d ，b 】中的位置是对称的。这样无论删去哪一段，总是 保留长度为卢的区问，如图2 1 2 ，于是口+ = 1 。 2 ) 无论删掉哪一段，例如删掉 f 2 ，b 】，在保留下来的区间里，再插入一个点 使得f ，在【口，f 2 】中的位置与，2 在f 口，叼中的位置具有相同的比例。这样就可 以保证每次迭代都以同一卢的比率缩短区间，由芳= 竿可得 口；2 ( 2 1 6 ) 将式2 - 1 9 带a a + = 1 中，n - q p a 得到关于得卢的一元二次方程： 2 + 一1 ， ( 2 - 1 7 1 ，一 整理后得： 、 = 字地a = 学她， 因为按0 6 1 8 的比率分割线段的方法被称为“黄金分割”，因此上面缩短搜 索区间的迭代方法也称为黄金分割法或优选法。其算法步骤如下。 已知：单谷函数p o ) ，容许误差占。 1 6 - ；。带 j 山东大学硕士学位论文 1 ) 确定p ( t ) 的初始搜索区1 日j 【a , b 】。 矽计算t 2 = n + p ( b - a ) ，p 2 = p ( t 2 ) 。 3 ) 计算= 口+ b - t 2 ，p j = p ( ) 。 4 ) 若k t , i 占，则输出最小值点广= 生，结束计算；否则转( 5 ) 。 5 ) 判断p p 2 是否满足：若满足，则置6 = t 2 ，t 2 = ，p 2 = p t 转( 3 ) ；否则， 贝0 置口= ，= t 2 ，p l = p 2 ，此时f 2 = d + p ( b 一口) ，p 2 = p ( t o 转( 4 ) 。 ( 2 ) 仿真实验 利用m a t l a b 仿真实验了黄金分割算法。首先确定控制器的频率搜索区间 l ，o ，兀一】，加热频率区间选择 3 0 0 ，6 0 0 。之后分别计算两个插入点 厶= ：i 。；。+ ( 五m “一_ ，赫。) ，：= 五。+ 一一尼，同时检测这两点的电流 大小小f 2 。由于对电流精度要求不高，设定容许误差为占- - - - 5 ，当l f l i 2 l f 时 停止搜索，并令厂：毕，此时的厂为最优电流对应的给定值。 下边给出主要的算法程序： f u n c t i o ns f 2 = a + o 6 18 + ( b a ) f l = a + b f 2 e = 1 w h i l e ( 1 ) i f a b s ( f l - 1 2 ) m f n = ( f l + f 2 ) 2 b r e a k e l s e i f ( c = = 1 、 p 1 ；( ( 2 + p i ) + f l + 0 0 0 0 4 - 1 ，“2 + p i ) f l + 0 0 0 0 3 6 ) ) “2 p 2 = ( ( 2 + p i ) + t 2 + 0 0 0 0 4 l ( ( 2 + p i ) + t 2 + 0 0 0 0 3 6 ) ) 2 c o e n d i f p l 甲2 b - - - f 21 2 = f l p 2 = p l f 1 = a + b _ 也 p 1 = “2 + p i ) + f l + 0 0 0 0 4 1 ( ( 2 + p i ) + f l + 0 0 0 0 3 6 ) ) “2 e l s e - 1 7 幽2 1 4 受频加热电源频翠曲线 系统仿真结果表明，该算法可以有效搜索系统的最佳工作频率，提高加热 效率。 在实际应用中，一般将检测的电流作为比较值。 2 5 小结 本章首先分析了稠油井筒空心抽油杆变频加热的物理原理，在分析负载特 性的基础上建立了电路集中参数模型，并仿真验证了电路模型的正确。随后从 加热功率和传导加热两个方面分析，得到最优的工作频率范围。最后，从优化 控制电流的角度，应用了一种优化控制算法搜索工作频率点，并得出了正确的 仿真结果。 本章的分析，对稠油井筒变频加热电源的研制具有理论指导意义。 - 1 8 山东大学硕士学位论文 3 二电平稠油井筒变频加热电源设计与实现 不同的稠油井，由于稠油粘度、凝度等指标的不同，需要不同的加热功率， 提高加热功率的方法通常是提高输出电压。目前油田稠油井筒电加热供电电源 主要有3 8 0 v 和1 1 4 0 v 两个电压等级，本章主要研究了针对3 8 0 v 供电( 7 0 k w 以 下) 的二电平变频加热电源【2 2 】1 2 3 1 。 3 1 调功方式选择 随着大功率刀：关型功率器件( 如i g b r ) 的出现，大功率逆变电源控制精度大 大提高，而在这种功率模块中封装了快恢复型反并联二极管，更加适合于本文 应用电压型逆变器。对于电压型逆变器有如下几种调功方式1 2 4 1 。 ( 1 ) 调压调功方式 调压调功方式分直流端调压和脉宽调压。 直流端调压通常分为相控整流和斩波方式。采用相控整流，通过控制晶闸 管导通角来控制整流输出电压值的加热电源，电路简单成熟，控制方便。其主 要缺点是输入侧功率因数低，动态响应慢。随着可关断器件的发展，斩波调压 方式广