普传科技PI7800MF系列中频电源在空心抽油杆电加热采油装置上的应用

普传科技PI7800MF系列中频电源在空心抽油杆电加热采油装置上的应用

一、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—PI7800MF 系列中频加热电源。该设备可 提供 260——1500Hz 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。
二、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。
三、PI7800MF系列中频电源工作原理如下图所示:


 

 

主电路图如下图所示:


 


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。
四、产品性能特点
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
5、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。
6、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。显示与主 控板共用一个线路板,排列更紧凑,避免了信号传输过程中的干扰,工作更稳定。
7、控制电路采用电压、电流双闭环系统,并 设有阻抗调节器,逆变角调节器,使电源的运行更 加稳定可靠。
8、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。
9、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。
10、 高效节能,全功率范围内,极高的功率因数和电源效率
五、应用效果
产品面市以来,普传科技在胜利油田、辽河油田、青海油田等几个稠油井分布的区域内成功 运用了中频加热电源技术。通过 现场调整,结合加热电缆及功率 ,一般将频率调至 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:
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。


六、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。集肤效应的强弱可以用集肤电流透入钢管的深度S来表示。它与导体的电阻率ρ,相对磁导率μ,交流频率f有如下关系



从式中可以看出,导体材料确定后,电阻率ρ和相对磁导率μ就是一个常数,保持不变,要增强集肤效应,就必需提高交流电的频率f,f越高则S越小,则集肤效应就越强。
同样,钢管阻抗Z的大小与频率f的关系为:


从式中可以看出,f越高则钢管阻抗就越大。


将电源、电源内阻和负载钢管看成一个等效电路。


U—交流电源 r—电源内阻 Z—负载阻抗

 

随着电流频率的升高,空心抽油杆阻抗Z也随之增大,当Z远远大于r时,PZ的大小近似于P。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。
七、参数设定
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、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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