一、前言
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)，對油管內(nèi)的原油進行全程加熱，以降低原油粘度，防止油管內(nèi)結(jié)蠟，提高原油流動性。有效的解決高凝、高粘、高含蠟原油開采過程中遇到的各種技術(shù)難題，達到油井增產(chǎn)、增效的目的。
以前的空心桿加熱技術(shù)，采用工頻加熱，因負(fù)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?，造成三相電網(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新的變頻電源—PI7800MF 系列中頻加熱電源。該設(shè)備可 提供 260——1500Hz 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，由于中頻電源渦流感應(yīng)加強,導(dǎo)致集膚效應(yīng)更強,漏磁減少, 因此電加熱效果大大好于工頻電源,節(jié)能效果達到 20%以上，大大地降低了采油生產(chǎn)能源的消耗。
二、空心桿電加熱裝置工作原理如下圖所示：
該裝置是將空心抽油桿內(nèi)穿過電纜并與抽油桿桿體形成回路，通以工頻交流電，利用內(nèi)集膚效應(yīng)原理在空心抽油桿壁上產(chǎn)生熱能，對油管內(nèi)原油進行全程加熱，提高油管內(nèi)原油溫度，降低原油粘度，改善其流動性，防止油管內(nèi)原油結(jié)蠟，從而有效地開采高凝、高粘、高含蠟原油。
集膚效應(yīng)原理如下圖所示：
空心抽油桿電加熱裝置在空心抽油桿內(nèi)下入加熱電纜，使空心抽油桿和加熱電纜組成通電回路，利用集膚效應(yīng)加熱原理使原油在井筒內(nèi)得到加熱，從而起到降粘、清蠟作用。集膚效應(yīng)，又叫趨膚效應(yīng)，是當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時，電流會聚集于導(dǎo)體表層，而非平均分布于整個導(dǎo)體的截面中，電流集中在導(dǎo)體表面流過，這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)。
當(dāng)鋼管中穿過電纜形成回路并通過交流電流時，鋼管截面中電流主要集中在鋼管內(nèi)表面，此現(xiàn)象稱為內(nèi)集膚效應(yīng)，而鋼管的外表面幾乎沒有電流通過，空心桿外壁可視為絕緣體，這種現(xiàn)象不僅隨著頻率的增高而明顯加強，而且還隨著導(dǎo)體半徑、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的增高而表現(xiàn)的更加顯著。電加熱抽油桿就是利用內(nèi)集膚效應(yīng)工作的，由于空心抽油桿的交流阻抗遠(yuǎn)大于導(dǎo)線的電阻，空心抽油桿為主要發(fā)熱體。
三、PI7800MF系列中頻電源工作原理如下圖所示：
主電路圖如下圖所示：
中頻加熱電源主電路為 AC-DC-AC 變頻結(jié)構(gòu)，由整流電路、濾波、逆變電 路和保護電路組成。其工作原理是將三相50Hz 工頻交流電經(jīng)過三相全控整流橋整流成 電壓可調(diào)的脈動直流，再通過電容將脈動的直流電濾波變成光滑平穩(wěn)的直流電送到單相 逆變橋，最后通過逆變橋?qū)⒅绷麟娮兂蓡蜗囝l率可調(diào)的中頻交流電供給負(fù)載。
四、產(chǎn)品性能特點
1、采用 32 位美國德州儀器 TI 公司專用控制芯片 DSP，控制系統(tǒng)性能增強，電 路簡化，負(fù)載適應(yīng)性強。實現(xiàn)電源控制的全數(shù)字化，智能化。
2、采用先進的大功率絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）作為功率開關(guān)器件，逆變 頻率可調(diào)。
3、具有相序自適應(yīng)功能，無需鑒別進線相序。 ? 輸出可進行恒功率、恒電壓、恒電流控制。
4、采用零壓軟啟動,啟動成功率高無沖擊。完全能夠滿足廣大熱加工行業(yè)用戶 的需求。
5、采用掃描式零壓啟動方式和自動重復(fù)啟動 電路，啟動成功率可達 100%。采用中頻電壓作為 取樣信號，無中頻電流互感器，輸出部分和負(fù)載的 連接不需區(qū)分極性。
6、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。
7、控制電路采用電壓、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，并 設(shè)有阻抗調(diào)節(jié)器，逆變角調(diào)節(jié)器，使電源的運行更 加穩(wěn)定可靠。
8、輸出電壓、電流連續(xù)可調(diào)，可以使加熱系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，能源利用 率高，節(jié)能效果明顯恒輸出電壓/恒輸出功率控制選擇功能。 ?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。
9、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。
10、 高效節(jié)能，全功率范圍內(nèi)，極高的功率因數(shù)和電源效率
五、應(yīng)用效果
產(chǎn)品面市以來，普傳科技在勝利油田、遼河油田、青海油田等幾個稠油井分布的區(qū)域內(nèi)成功 運用了中頻加熱電源技術(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 400Hz-1000Hz 左右，比工頻提高了 10 幾倍，根據(jù)功率調(diào)整電流，一般 75kW 的電源輸出電 流在 80A 左右，93kW 的電源在 100A 左右，通過中頻變壓器，輸出電壓 800V 左右（串 聯(lián)輸出電壓： 600V、800V、1000V、1200V），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(yán)重不平衡，對電網(wǎng)污染嚴(yán)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(fù)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 到預(yù)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(fù)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。而變頻電源柜由于 DSP 的控 制，其保護功能齊全，避免了由于電網(wǎng)及負(fù)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，每臺變頻電源柜比相應(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，推廣該技術(shù)， 是采油行業(yè)節(jié)能減排和提高效率的有效途徑。
六、頻率與加熱效果的關(guān)系
鋼管在交流電下的阻抗顯著大于它的直流電阻。因為鋼管是鐵磁質(zhì)材料，它的磁導(dǎo)率要比銅高1000倍。集膚效應(yīng)的強弱可以用集膚電流透入鋼管的深度S來表示。它與導(dǎo)體的電阻率ρ,相對磁導(dǎo)率μ，交流頻率f有如下關(guān)系
從式中可以看出，導(dǎo)體材料確定后，電阻率ρ和相對磁導(dǎo)率μ就是一個常數(shù)，保持不變，要增強集膚效應(yīng)，就必需提高交流電的頻率f，f越高則S越小，則集膚效應(yīng)就越強。
同樣，鋼管阻抗Z的大小與頻率f的關(guān)系為：
將電源、電源內(nèi)阻和負(fù)載鋼管看成一個等效電路。
隨著電流頻率的升高，空心抽油桿阻抗Z也隨之增大，當(dāng)Z遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于r時，PZ的大小近似于P。根據(jù)能量守恒的原理，在相同輸入功率下，電源頻率越高，集膚效應(yīng)越強烈，則空心抽油桿阻抗也越大，其獲得的有效電功率越就越大，使電源自損降低到最低限度，從而節(jié)約了大量的電能，并獲得了良好的加熱效果。
七、參數(shù)設(shè)定
F03=1 F04=0 F05=1 F08=32 F09=40 F10=40 F12=90 F13=1500 F17=1500 F27=1 F28=50 F29=50 F43=1 F61=8 F63=4 P02=2 Y12=1
八、結(jié)束語
空心桿電加熱裝置中，電熱桿產(chǎn)生的熱量并不是一成不變的，越靠近地面，單位長度產(chǎn)生的熱量越多，越向下單位長度產(chǎn)生的熱量越少。原油在提升的過程中，地層溫度逐漸降低，利用電熱桿加熱功率和地層溫度的變化機理，可以用較小的功率使井筒內(nèi)原油保持一定的溫度。由于電源頻率越高，寄生電容截取的電流越大，所以在相同的井況條件下，中頻電加熱裝置采用較小的加熱功率就會取得良好的加熱效果，試驗結(jié)果表明，中頻加熱與工頻加熱對比，在井口原油溫度相同的情況下，加熱功率平均低10~20KW，節(jié)電率在15%以上。
