1 引言
我国多数油田生产的原油含蜡粘度高,输送过程中需要加热降粘。传统的加热方式有蒸汽伴热和水浴加热。燃气、燃油炉和电热水套炉是产生热能的主要装置,这些装置一般都包含燃油回路、热媒回路和换热器回路等众多附属设备。其缺点是系统较为庞大,热惯性大,热滞后性大;不是以控制原油出口的温度为控制对象,属于开环加热,加热效率低;保温比较困难,热损失严重。如:电热水套炉热效率为50%左右,燃气、燃油炉热效率仅为20%左右。
电磁加热技术已广泛应用于炼钢和金属热处理等行业,由于采用无热源加热且能量集中又无热损失,被认为是加热效率最高的一种方式。目前有一种管道中频电磁加热式热水器,感应线圈与中频电源连接,利用电磁感应原理对局部流动水进行加热。电磁感应体一端连接进水管,另一端连接出水管,具有加热迅速、节能且不需要使用水箱容体作为传热媒介,节约空间并且清洗维护方便、使用安全等优点[1]。还有一种由主铁芯和主线圈组成的中频电磁加热炉,通过铁心导磁体导磁产生涡流对工件进行加热,使得工件均匀地同时升温[2]。
针对传统蒸汽伴热和水浴加热的加热方式存在的不足,本文提出一种加热速度快,热效率高,调温、控温容易的中频井口电磁加热器。
2 基本构成
井口电磁加热器由中频感应电源、换热器和操作监控保护三大部分组成。换热器由DN65钢管外敷感应线圈和保温层、内置挡流板组成,用来热能交换。操作监控保护由漏电空气开关、电流互感器、电度表、显示仪表、中频控制器等组成。
(1) 中频电源
如图1所示,中频感应电源的主电路为AC-DC-AC变频结构,由整流电路、滤波电路和逆变电路组成,三相交流电源与整流电路的输入端相连接,整流电路的输出端经滤波电路与逆变电路的输入端相连接,逆变电路的输出端与电磁感应线圈的两端相连接。管壁温度检测传感器和出口油温检测传感器检测到的温度信号经过检测电路处理后,送给控制器,实现控制与保护,控制器经驱动电路与逆变电路相连接。
为了确保电磁加热器效率最优,中频感应电源的频率为500～1500Hz。换热器的功率密度低于3.5W/cm2。
三相工频交流电压经过三相全控整流桥整流成电压可调的脉动直流电压,再通过滤波电容将脉动的直流电压滤波变成光滑平稳的直流电压送到单相逆变桥,最后通过逆变桥将直流电压变成单相频率可调的中频交流电压,供给电磁感应线圈。
(2) 换热器
如图2所示,换热器由DN65钢管外敷感应线圈和保温层组成,用来热能交换。导磁钢管外表面上缠绕电磁感应线圈,感应线圈外部有保温层。在靠近出油口的钢管上设置有管壁温度检测传感器,在出油口处有油温检测传感器。在使用过程中,换热器的管径选择要和油井管径匹配,而且尽量不增加管程阻力损失,以提高加热效率。
换热面积(长度)按照如下公式选择:
(3) 系统结构
如图3所示,换热器置于换热器箱内,中频感应电源置于中频感应电源箱内。中频感应电源箱置于换热器箱顶部。换热器结构如图2所示,导磁钢管为DN89或DN65或DN50,在导磁钢管的外表面上均匀缠绕设置有耐高温180℃、耐电压5000V的玻璃丝绕包多芯电磁感应线圈,再在电磁感应线圈的外部包上保温层。管壁温度检测传感器安装在靠近出油口且有电磁感应线圈的导磁钢管上,油温检测传感器安装在出油口处的导磁钢管上。
换热器不仅具有加热和换热的功能,还具有油汽分离功能。换热器的进油口在下部,出油口在上部,有利于油和气的分离。
3 控制过程
启动中频井口电磁加热器的电源后,由整流电路将50/60Hz的交流电压转变成电压可调的脉动直流电压,再经过滤波电容将脉动直流电压滤波变成光滑平稳的直流电压送到单相逆变桥,最后通过逆变桥将直流电压变成单相频率为0～1000Hz可调的中频交流电压。当高速变化的交流电流通过电磁感应线圈时,电磁感应线圈会产生高速变化的磁场,交变磁场在导磁钢管表面产生涡流,使导磁钢管发热。当原油在导磁钢管内流动时,带走导磁钢管发出的热量。当油温检测传感器检测到出油口的温度达到期望值时,由控制器通过驱动电路控制逆变电路,使通过电磁感应线圈的加热电流慢慢变小。如果导磁钢管的热量不能迅速交换给原油,而导致导磁钢管的管壁温度超过设定温度100℃～110℃(该值可人工调整)时,系统会自动断电,发出报警信号;直到导磁钢管的管壁温度降到安全值时,才再次加热。
如图4所示,为了保证出油口油温恒定,避免冷热不均现象的出现,中频井口电磁加热器采用反馈加前馈补偿控制,油温检测传感器采集到的温度信号经检测电路处理后作为反馈信号,管壁温度检测传感器采集到的温度信号经检测电路处理后作为前馈补偿信号。
当导磁钢管的管壁温度上升到设定的出口油温时,由于热惯性,原油的温度并没有达到设定值,导磁钢管的管壁温度继续上升,通过热传导,把热能传给原油,随着原油的温度慢慢接近于设定值,加热电流慢慢减小,当原油温度达到设定值时,加热电流减为零;此时,导磁钢管的管壁温度要高于原油温度。随着原油的流动,带走了导磁钢管的管壁热量,导磁钢管的管壁温度降低,但原油温度还高于设定值,加热电流还保持为零。如果在原油温度低于设定值后再施加加热电流,由于热惯性大,这会造成温度超调过大。本发明采用反馈加前馈补偿控制,当管壁温度检测传感器检测到导磁钢管的管壁温度有下降趋势后,开始施加一个正的补偿给定电流,管壁温度下降的幅度越大,施加的正的补偿给定电流越大;当管壁温度检测传感器检测到导磁钢管的管壁温度有上升趋势后,补偿给定电流给为零,按常规的PID控制方式进行控制。
4 结束语
电磁加热装置属于无热源加热技术,无明火,不漏电,适合于高危防爆场所的设备加热,如石油、化工行业。电磁加热圈本身并不发热,而且是采用绝缘材料和耐高温多股高温线制造,所以不存在着像电阻丝加热方式在高温状态下易氧化等问题,因此电磁加热方式具有使用寿命长、升温速率快、维修简单的优点,减少了维修时间,降低了成本。由于交变电磁场的作用,极大的消弱了液体中金属离子的结合力,可使液体中钙、钠、镁等金属离子有序排列不宜结合,不会形成水垢,因此不会影响热交换。同时电磁加热方式可大大降低原油分子的结合力,使稠油在较低温度下输送而不会凝结。对电网没有污染,与同类产品相比,提高了电源的可靠性,减少了因停机造成的生产损失。传统加热炉属于压力容器,造价高,本加热器属于管道范畴,免除传统加热炉的缺点,安全可靠。
参考文献:
[1] 刘桥.管道中频电磁加热式热水器[P].专利号:200620200096.7,2006年1月26日.
[2] 施锦兴,一种中频电磁加热炉体结构[P].专利号:200820114754.X,2008年5月14日.
作者简介:丁亚军(1963-),男,工程师,主要从事超稠油蒸汽辅助重力泄油(SAGD)采油工艺研发工作。