稠油遠(yuǎn)程遙控感應(yīng)加熱系統(tǒng)的研究

黃顯湯

【摘要】稠油（高凝油）的儲(chǔ)量和產(chǎn)量在我國(guó)大部分油田占有相當(dāng)大的比重，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)稠油或高凝油的開采多采用熱采技術(shù)。感應(yīng)加熱具有高效，節(jié)能且可控性好以及易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)以稠油開采加熱電源裝置為設(shè)計(jì)對(duì)象，以Atmega128單片機(jī)為控制核心采用IGBT大功率開關(guān)管以及光耦等電力電子器件，編程實(shí)現(xiàn)了可控交流-直流-交流的稠油高頻感應(yīng)加熱裝置。通過Labview編程，此裝置還實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。通過完善的保護(hù)設(shè)計(jì)，本裝置具有穩(wěn)定性高，加熱速度快，使用方便，成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)際應(yīng)用，效果良好。本裝置在稠油油田開采上具有很大的實(shí)用性和應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】高頻;稠油;閉環(huán);IGBT;節(jié)能;高效

1.引言

目前解決在油層內(nèi)稠油能流動(dòng)的問題主要方法有注蒸汽，注CO2，火燒油層等方法。但這些方法多有不便，不易于實(shí)施。現(xiàn)有的加熱方法也存在一定的問題。本裝置采用電力電子、數(shù)字電子以及高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ATMEGA128單片機(jī)作為主控制器，采用集成光電隔離驅(qū)動(dòng)模塊HCPL-3120對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。集成光電隔離驅(qū)動(dòng)模塊一方面用來避免單片機(jī)主控電路與主電路之間的互相影響提高抗擾和安全，另一方面可以為IGBT提供驅(qū)動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

IGBT可以通過單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)的寬度和頻率來改變改變輸出脈沖的寬度，即采用脈寬調(diào)制達(dá)到直接改變輸出交流電壓幅值的目的。由軟件很容易實(shí)現(xiàn)既變壓又變頻的目的。感應(yīng)加熱電源裝置結(jié)構(gòu)所示。

3.系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)的逆變器采用雙IGBT并聯(lián)單相半橋逆變電路，通過串聯(lián)諧振電路，把恒定的直流電壓變成20kHz方波電壓輸出給負(fù)載。主控電路如圖2所示。

圖2 感應(yīng)加熱電源主電路

本系統(tǒng)采用三相380V的交流電網(wǎng)電壓，設(shè)計(jì)輸出20Khz電流為6-10A，功率再4-7KW。采用AC-DC-AC的設(shè)計(jì)方式，濾波電路和四個(gè)IGBT組成的逆變電路。主控電路為電壓型半橋逆變電路由兩個(gè)半橋電路并聯(lián)組合而成，目的是減輕管子在開通和關(guān)斷過程中承受的過電壓及過電流。兩對(duì)橋臂交替各導(dǎo)通180度。

4.IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)

為了提高系統(tǒng)的抗干擾及系統(tǒng)的工作穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)采用的IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用性價(jià)比較高的AGILENT公司的光電耦合驅(qū)動(dòng)器件HCPL-3120。

本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路輸出選擇+15V和-10V為開通和關(guān)斷電壓。因此3120的5引腳VEE接-10V，8引腳VCC接+15V。電壓由整流橋整流得，VCC與VEE之間接一電容，抑制干擾。HCPL-3120的2引腳接與單片機(jī)的PWM輸出口相連，實(shí)現(xiàn)芯片按指定頻率導(dǎo)通和關(guān)斷。

圖3 下位機(jī)設(shè)置子程序流程

圖4 IGBT驅(qū)動(dòng)波形圖

5.軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示，軟件設(shè)計(jì)分為單片機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)。

由于本裝置需要操作人員可以遠(yuǎn)程電腦操控感應(yīng)加熱裝置以及實(shí)時(shí)掌握裝置的運(yùn)行情況，本裝置采用Labview來設(shè)計(jì)上位機(jī)界面。

6.實(shí)驗(yàn)

圖4所示為驅(qū)動(dòng)電路輸出的隔離驅(qū)動(dòng)波形。上下橋臂輸出為互補(bǔ)關(guān)系，其開通電壓為+15V，關(guān)斷負(fù)電壓為-10V。為了防止IGBT上下橋臂直通短路，在上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間留有一定的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間t=8us左右。

如圖5所示為負(fù)載回路波形。輸出電壓近似為方波，輸出電流近似為正弦波，且滿足設(shè)計(jì)要求：電壓超前電流，系統(tǒng)工作在偏感性的串聯(lián)諧振狀態(tài)。

圖5 負(fù)載回路波形

圖6 稠油感應(yīng)加熱裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控

如圖6所示為稠油加熱裝置的監(jiān)控系統(tǒng)，在此處可以對(duì)加熱器進(jìn)行頻率及輸出溫度設(shè)置并可以反饋一些實(shí)際的輸出和效果反饋。非常方便了操作人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行集中監(jiān)控各個(gè)分區(qū)的加熱裝置。

7.總結(jié)

本文以Atmega128為控制核心，完成了輸油管道高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用高頻加熱電源產(chǎn)生交流電，利用集膚效應(yīng)、圓環(huán)效應(yīng)和鄰近效應(yīng)對(duì)空心抽油桿進(jìn)行加熱。通過實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，且熱效率高并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，使得操作人員可以更加方便直觀地對(duì)加熱設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

參考文獻(xiàn)

[1]熊一頻，沈錦飛，初中原.基于IGBT倍頻式180kHz感應(yīng)加熱電源研究[J].電力電子技術(shù)，2008，42（11）.