英威腾变频器在油田加热系统中的应用

2015年06月12日

　　摘要：本文主要介绍了深圳市英威腾电气股份有限公司研发的CHF100A中频变频器在稠油加热系统中的实际应用情况。通过集肤效应原理实现稠油井的空心抽油杆电加热，稀释稠油方便开采。本文详细介绍了CHF100A中频变频器在此类应用中的优越性。

　　关键词：中频加热集肤效应 CHF100A

　　一、引言

　　在我国石油开采中，稠油井的比例相当大，这类油井原油粘度高、凝固点高、密度大、含蜡量高、特别是东北部油田天气寒冷，原油稠度不高流动性不强，难以开采。目前国内外开采这类油井使用最广泛、效果最好的工艺技术是稠油热采技术，即采用空心杆电加热工艺技术，使稠油变稀，可实现稠油的顺利开采。

　　以前的空心杆加热技术，采用工频电源，因负载为特殊加热电缆属于单相负荷，需要独立的变压器，将三相输入变为单相输出，会造成电网的三相不平衡，功率因数低，电能浪费严重，对电网的污染加大。采用CHF100A中频加热电源装置解决了上述问题，该设备输出500~2000Hz频率，实现输出电压、电流连续可调，进而实现输出功率的连续可调，提升了加热效果，同时利用中高频的集肤效应，使得加热效率大大提高，极大降低了采油生产的能源消耗。

　　本文主要结合深圳英威腾CHF100A系列中频变频器在某油田的一台加热抽油杆上的实际应用情况，对CHF100A变频器在此类场合的应用特点和注意事项进行简要介绍。

　　二、应用环境分析

　　1、中频加热原理

　　集肤效应：当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，且电流集中在导体的“皮肤”部分的一种现象。导线内部实际上电流变小，电流集中在导线外表的薄层。结果导线的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为集肤效应。

　　中频加热原理：中频加热是根据上述集肤效应原理，即频率增大时，集肤深度越深，交流阻抗增大，从而在相同电流作用下产生的热量增多，提高加热效率。S=K(1/fc)0.5 S为集肤效应投入深度;K为修正系数;fc为频率;由式中得出，fc增大时，S变小，即集肤深度越深，交流阻抗Z=KZ(fc)0.5也变大，随之产生的能量增加。

　　控制原理：将380V/50Hz的三相交流电经整流后变成直流，再经逆变电路变成500~2000Hz的单相电，再经中频变压器隔离升压后输送到加热电缆。

　　2、客户现场情况

　　油田名称：中石油大港某油田

　　配套抽油机系统：磕头机

图1 ：油田磕头机

图2：加热电缆

　　3、客户要求

　　客户要求此110KW电源加热电流可达到100A左右，确保抽油机运行时不堵塞，加热控制为时间和温度双控，即设定好运行时间和停止时间后，系统按照此设定运行，同时加入温度控制、设定温度上限和下限，高于温度上限时停机，低于温度下限时开机运行。系统长时间在恶劣环境下运行，要求稳定可靠。

　　三、系统方案提出

　　1、系统具体方案

　　该系统使用一台CHF100A中频变频器，16点IVC1型号PLC，一块4AD模数转换模块，一块7寸VF触摸屏构成。其中变频器作为加热电源，外部温度检测信号和互感器检测电流、电压信号经4AD模块送入PLC， PLC作为主控原件控制变频器完成加热作业。触摸屏作为操作界面，将控制命令传达到PLC，同时显示相关运行参数，实时了解工作状态。

　　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，并可起到串联谐振的作用。中频变压器输出电压多档位可选，工作频率高，自身能量损耗极低，整机效率提高。

图3 ：系统框图

图4：电控柜图5：电容及变压器

　　注：串联谐振原理：在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振。当电路发生串联谐振时电路的阻抗Z=√R^2 +(XC-XL)^2=R，电路中总阻抗最小，电流将达到最大值。因此在中频加热系统中，依据串联谐振的原理可以使加热效率提高到最大。

　　2、系统调试

　　变频器设置参数如下：