稠油遠程遙控感應加熱系統的研究

黃顯湯

【摘要】稠油（高凝油）的儲量和產量在我國大部分油田占有相當大的比重，目前國內外對稠油或高凝油的開采多采用熱采技術。感應加熱具有高效，節能且可控性好以及易于實現等優點。本設計以稠油開采加熱電源裝置為設計對象，以Atmega128單片機為控制核心采用IGBT大功率開關管以及光耦等電力電子器件，編程實現了可控交流-直流-交流的稠油高頻感應加熱裝置。通過Labview編程，此裝置還實現了遠程監控的功能。通過完善的保護設計，本裝置具有穩定性高，加熱速度快，使用方便，成本低等諸多優點。通過實際應用，效果良好。本裝置在稠油油田開采上具有很大的實用性和應用前景。

【關鍵詞】高頻;稠油;閉環;IGBT;節能;高效

1.引言

目前解決在油層內稠油能流動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，不易于實施。現有的加熱方法也存在一定的問題。本裝置采用電力電子、數字電子以及高頻感應加熱系統。

2.系統整體方案設計

本系統采用ATMEGA128單片機作為主控制器，采用集成光電隔離驅動模塊HCPL-3120對IGBT的驅動電路進行了設計。集成光電隔離驅動模塊一方面用來避免單片機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提供驅動。

圖1 系統整體結構框圖

IGBT可以通過單片機輸出的PWM信號的寬度和頻率來改變改變輸出脈沖的寬度，即采用脈寬調制達到直接改變輸出交流電壓幅值的目的。由軟件很容易實現既變壓又變頻的目的。感應加熱電源裝置結構所示。

3.系統工作原理

本設計的逆變器采用雙IGBT并聯單相半橋逆變電路，通過串聯諧振電路，把恒定的直流電壓變成20kHz方波電壓輸出給負載。主控電路如圖2所示。

圖2 感應加熱電源主電路

本系統采用三相380V的交流電網電壓，設計輸出20Khz電流為6-10A，功率再4-7KW。采用AC-DC-AC的設計方式，濾波電路和四個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半橋電路并聯組合而成，目的是減輕管子在開通和關斷過程中承受的過電壓及過電流。兩對橋臂交替各導通180度。

4.IGBT驅動及保護

為了提高系統的抗干擾及系統的工作穩定，本設計采用的IGBT驅動電路采用性價比較高的AGILENT公司的光電耦合驅動器件HCPL-3120。

本設計的驅動電路輸出選擇+15V和-10V為開通和關斷電壓。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引腳接與單片機的PWM輸出口相連，實現芯片按指定頻率導通和關斷。

圖3 下位機設置子程序流程

圖4 IGBT驅動波形圖

5.軟件設計

如圖3所示，軟件設計分為單片機軟件和上位機軟件兩個部分的設計。

由于本裝置需要操作人員可以遠程電腦操控感應加熱裝置以及實時掌握裝置的運行情況，本裝置采用Labview來設計上位機界面。

6.實驗

圖4所示為驅動電路輸出的隔離驅動波形。上下橋臂輸出為互補關系，其開通電壓為+15V，關斷負電壓為-10V。為了防止IGBT上下橋臂直通短路，在上下橋臂驅動信號之間留有一定的死區時間，死區時間t=8us左右。

如圖5所示為負載回路波形。輸出電壓近似為方波，輸出電流近似為正弦波，且滿足設計要求：電壓超前電流，系統工作在偏感性的串聯諧振狀態。

圖5 負載回路波形

圖6 稠油感應加熱裝置遠程監控

如圖6所示為稠油加熱裝置的監控系統，在此處可以對加熱器進行頻率及輸出溫度設置并可以反饋一些實際的輸出和效果反饋。非常方便了操作人員根據實際情況進行集中監控各個分區的加熱裝置。

7.總結

本文以Atmega128為控制核心，完成了輸油管道高頻感應加熱系統的設計。利用高頻加熱電源產生交流電，利用集膚效應、圓環效應和鄰近效應對空心抽油桿進行加熱。通過實際現場測試，系統運行穩定，效果良好，且熱效率高并實現了遠程監控系統，使得操作人員可以更加方便直觀地對加熱設備進行遠程操控。

參考文獻

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