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KE300M中频电源在稠油井抽油系统上的应用

一、引言

石油的安全供应不仅关系到人们的正常生活，也关系到一个国家的农业、轻工业、重工业、交通运输和国防建设，石油的重要性不言而喻。

石油的开采却并不是那么容易，存在很多问题。比如在石油开采中，有一部分是稠油井，这类油井原油粘度高、凝固点高、密度大、含蜡量高，出油困难；尤其当天气寒冷的时候，原油稠度更大流动性更差，更加难以开采。

为了解决这一难题，目前国内外使用广泛、效果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。

二、行业背景

由于石油是一种混合物，不同地区的油田所出产的原油凝固点都各不相同。--般来说原油产品的析蜡点在19摄氏度左右，其中黑油凝固点在19--27摄氏度，凝析油凝固点在-1--7摄氏度。位于我国东北地区的大庆油田所产出的石油含蜡量较高，所以其石油的凝固点也偏高，平均凝固点高达32.5摄氏度。而我国东北三省的环境恶劣，特别是在冬季，室外温度在零下30摄氏度以下。一般来说加热温度控制在60摄氏度左右时，对石油运输的最佳温度。

三、行业现状

以前的抽油杆加热技术，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，传统加热方案力不从心，变革势在必行。

电磁加热也称电磁感应加热，即电磁加热技术，电磁加热的原理是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质容器放置上面时，容器表面即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流(即涡流)，涡流使容器底部的载流子高速无规则运动，载流子与原子互相碰撞、摩擦而产生热能。从而起到加热物品的效果。因为是铁制容器自身发热，所以热转化率特别高，最高可达到95％是一种直接加热的方式。

经过多方试验，采用我们现已掌握的较成熟的变频技术，为该加热装置提供一种电源，这就是我们公司与油田共同研发的中频加热电源。该设备最高输出达到6000Hz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。

四、感应加热原理

1、感应加热原理：

感应加热是根据集肤效应原理，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。

2、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。

五、中频感应加热系统

在大庆油田抽油机现场，根据负载情况，客户要求加热电流达到100A左右，确保抽油机运行时不堵塞，加热采用时间和温度双重控制，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。另外，系统要能长时间稳定可靠运行。针对这种情况，深圳市迈凯诺（Micno）与客户进行深入的探讨并进行详细的实地考察，研发出了KE300M中频电源专用变频器，推出了完整的控制系统方案。

油田抽油机加热电缆

1、工作原理

KE300M系列中频电源是一种将三相工频电流变换成某一频率的中频的单相电，实现输出电压连续可调，从而使输出功率的连续可调，利用中、高频电流的集肤效应，使得系统加热效率大大提高，同时极大改善了原工频电源带来的功率因数低、电能浪费严重等问题，使采油生产更加节能和高效。

下图显示中频电源的主回路简图。整流器将三相交流电压转换为直流电压。中间电路的电容器组稳定直流电压。逆变器将直流电压转换为方波交流电压。

主回路简图

2、系统配置

控制系统配置： KE300M 中频电源专用变频器 + PLC + PLC扩展模块 + HMI

KE300M中频电源专用变频器先将市电变成中频连续可调的单相电，再经中频变压器升压隔离后，将高频高压电流输入到加热电缆给油层加热；外部温度检测信号和互感器检测电流、电压信号经4路AD模块送入PLC，PLC作为主控元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。

3、系统运行及调试

系统搭建完毕后，可以通过触摸屏启停中频电源专用变频器，通过调功旋钮调节输出电压，出现故障时可以显示故障名称并复位；

1、温度控制：启用温控模式，设定油温下限和上限，系统自动在设定温度范围内运行，更易于操作。

2、根据不同应用情况可调节变压器的档位：高电压档和低电压档；输出频率高低不同，集肤效应程度不同，高频率加热效果较好，但电流会小一些。

3、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。

六、使用效果

通过现场调整，结合加热电缆及功率，一般将频率调至500HZ左右，比工频提高了10倍，根据功率调整电流，一般75KW的在80A左右，90KW的在100A左右，其加热效果十分明显，较之工频加热快，不到1分钟即可达到设定温度。系统可根据设定的上下限温度和运行时间实现温度和定时双重控制，系统长时间运行稳定。另外，KE300M可不同于一般的变频器，它稳定性好，还具有以下优势：

（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小时达到欲定效果，而且温度也要高。

（4）节能效果明显。据测试，每台变频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。

七、结束语

随着微电子技术和电力电子技术的发展，变频调速技术的发展也突飞猛进，如今，中频电源专用变频器加热是稠油热采的一次革命，与传统的工频电源感应加热相比，使用KE300M中频电源专用变频器效率高、功率因素高，干的多吃的少；加热速度快，较工频方式提高了几倍；对电网无污染，再也不用担心影响PLC等设备运行了。现场应用表明，深圳市迈凯诺研发出了KE300M中频电源专用变频器为抽油管感应加热系统提供的成套解决方案加热速度快、效果好、运行稳定，成为油田抽油管电加热应用的理想选择。已在胜利油田、辽河油田稠油加热、输油管道加热解除油路堵塞及油井井口加热中广泛应用，很受油田采油人员的欢迎。

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