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一、系統簡介
在我國石油開采中，稠油的比例占相當大一部分，這類原油粘度高、凝固點高、密度大、含蠟量高，難以輸送為我們所共知。目前在稠油集輸中應用較多的工藝技術是管線摻水和油管加熱。為了解決油田稠油集輸中加熱效果差、浪費電能等缺點，我們針對油田應用、利用先進技術開發了輸油管線中頻智能加熱系統。方便管理，提高加熱效率。以先進微處理器CPU為控制部件，構成了一個完整的自動控制系統。該加熱系統可以實現輸出電壓、電流、頻率的連續調節, 以達到輸出功率連續可調的目的, 使油管電磁加熱系統處于最佳工作狀態，實現溫度閉環控制，能源利用高，節能效果明顯。
1、系統構成
圖１
系統構成：
①變壓器：提供３８０Ｖ交流電源。
②中頻加熱電源：是一種采用中頻感應加熱技術提高加熱效率的電源設備。該設備可提供250~2500HZ的頻率，實現了輸出電壓、電流的連續可調，以達到輸出功率連續可調的目的，提高加熱效果。
③中頻變壓器：采用環形中頻變壓器，為非晶鈦材料，導磁率高，工作頻率高，用于隔離輸入輸出電壓，防止由于直流偏磁或過勵磁產生的飽和問題，同時可起到串聯諧振的作用。
④溫度傳感器及溫控儀：檢測輸出液體的溫度，給變頻電源提供反饋信號，實現閉環控制。
⑤集膚加熱電纜：導體截面積30 mm2;額定電壓3000V;工作頻率50～4000Hz;工作溫度１２０℃。在中頻電流的作用下，產生交變磁場，將電能轉變為熱能。
2、工作原理
⑴、電磁加熱原理：交變磁場中的導體因電磁感應產生的感應電流通過導體本身時產生熱量，從而加熱導體及介質。交變的電流通過纏繞在管道上電纜時在線圈中表現出圓環效應，在管道中的油水混合物中表現出集膚效應，兩者之間同時還存在著鄰近效應。該方法是交流電三個效應的綜合利用，使電的應用效率和熱效率都達到最高。同時由于交變磁場的作用，對管內的液體還有攪拌效果。攪拌力F=0.1*P/D2*H*(ρ2*f)(1/2)。在電源電壓和頻率一定的條件下，功率與匝數平方近似成反比。P∝1/N2。電源電壓、功率與匝數一定的條件下，頻率與匝數成反比。
⑵、主要技術參數
１）輸出功率范圍 0~4５ＫＷ
２）輸入電壓３８０Ｖ，５０ＨＺ，三相
３）輸出電壓１００Ｖ－5００Ｖ單相，連續可調
４）頻率２５０ＨＺ－２５００ＨＺ，連續可調
５）輸出波形，正負半周對稱的方波，其占空比連續可調
⑶、整機主回路如圖１示
圖１
首先將380V/50HZ的三相交流電經整流、濾波成直流電，經逆變電路變成頻率連續可調的單相電，再經中頻變壓器隔離后，輸送到加熱電纜給油管加熱。用脈寬調制技術，產生PWM（脈沖寬度調制）波形來控制逆變橋四支IGBT的通斷，并跟據從主電路檢測到的電壓、電流信號適時地提供出保護信號，以保護整機及負載．
⑷控制回路
圖2
采用８位工業通用的微處理芯片AT89C51控制，使該系統具有多項保護功能，短路保護、過壓保護、過流保護、缺相保護、溫升保護等功能。開停機均為軟起動、軟停機，減少了沖擊電流，從而延長設備的使用壽命。 使用更安全、操作更方便、加熱效果更佳。
⑸電源輸出
由于負載為變壓器，要求輸出波形為正負半周對稱的方波、即每個脈沖都是方波，正負對稱，且幅度一致．
圖３
圖3中的Ｅ為整流后母線電壓．
對方波而言，有效值等于平均值．則有效值V0=δE (δ為脈沖占空比)
δ＝Ｔ１／Ｔ０
調整δ即可調整輸出電壓的幅度，則對于相同的負載而言，其輸出電流即可得到調整，則負載上所獲得的功率就可以調整．
3、中頻加熱系統的特點：
１、采用了先進的移相控制技術和軟起動技術，使工作更可靠。自動控制，易于管理。
2、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，工作更穩定。
3、加熱效率接近100%，安全方便。提高電網功率因數。節能效果明顯。
4、保護功能齊全。
設置了過流、短路、機內溫升過高及過、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。
二、應用效果及其檢測
我們按每天液量為15方水，做工頻加熱與中頻加熱的對比試驗，水溫均升高30度，測得工頻加熱時，電流65A,功率因數為0.7,可得消耗功率為1.732*380*65*0.7=29.9 KW。測得變頻2000Hz加熱時，電流36A, 功率因數為0.97, 可得消耗功率為1.732*380*36*0.97=22.98 KW。
水的比熱為4.2*106焦/（方.℃）,即理論上計算，每方水升高１℃所需4.2*106焦爾的熱量，按一天１０方水的流量，升高１０℃，所需能量為4.2*10８焦爾，則所需加熱器的功率為4.2*10８焦爾/(24小時)＝4.86 KW。則15方水，水溫均升高30度所需的加熱器的功率為4.86 KW×1.5×3=21.87 KW。
因此用工頻加熱時的熱效率為21.87 KW/29.9 KW=73.1%;用中頻加熱時的熱效率為21.87 KW/22.98 KW＝95.2%，另外中頻加熱時將系統的功率因數由0.7提高到0.97，減少了線路損耗;因此用中頻加熱時，綜合節電率達23%以上。油的比熱約是水的一半，如果液體為原油時，則溫度可升高５０℃左右。采用中頻加熱，可通過調節占空比，實現恒溫自動加熱，大大減少了勞動強度，提高了管理水平。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號