大功率集膚效應電伴熱系統的研究

華宇飛

（西北農林科技大學，陜西咸陽，712100）

0 引言

由于我國使用的很多集膚效應電伴熱原系統功率有限，采用逆變器控制，其伴隨熱效應約為幾十千瓦，系統操縱性差，能量調試體積大、復雜、操作難度也較大。與現有的蒸汽伴熱系統（也稱作“雙管伴熱”）相比，電伴熱系統具有一系列優點，如成本低、節能，因此它是可以替代蒸汽的工藝發展方向。本文通過對加熱管和管內載體的技術研究，旨在補償運輸物質時造成的熱損耗，為運輸油田原油過程中通過管道加熱原油提供有力技術支持。通過伴熱效應時的熱能支持，能夠防止原油中的諸如石蠟等物質的冷凝，減少原油運行的阻力，從而提高石油運輸效率。管道中的石油在加熱到40℃時能不受阻滯而流動。但是，溫度過高可能會導致某些易燃和易揮發的成分蒸發，也給管道承受的壓力太大；而高溫不利于原油運輸，也會導致浪費能源的問題。

在電熱帶區域，電子產品的成本太高，使用時間有限，長距離管道不適合伴隨熱載體的有效的熱傳導。因此必須完善現有的伴熱管理系統，本文基于對集膚效應電伴熱系統的基礎原理、構建設計及其控制系統的分析，探討了創建新型大功率管道表面效應的熱系統的設計。

1 集膚效應原理

傳統的輸油管道伴熱方式有如下2種：

(1)蒸汽伴熱。蒸汽伴熱用蒸汽導熱來補充管道的熱損失，通過管道的平行鋪設和保溫設計，這樣就可以在管道中加熱原油，保持溫度。

(2)伴熱帶伴熱。伴熱帶為具有碳纖維電阻、正溫度系數的扁平帶，在輸油管道表面纏繞并與管道完全接觸的管道，通過電阻絲加熱管線。

集膚效應電伴熱技術是在前兩種方法的基礎上，在蒸汽、伴熱帶和鄰近管路的基礎上開發的管道復合加熱技術。集膚效應是指當導線通過交流電時，導線外部表面的電流密度大大超過導線內部電流密度的現象。蒸汽伴熱具有成本限制，不能長距離伴熱，不能控制溫度，熱帶熱功率小，需要多點供電，故障修復困難；而傳熱體表面效應是安全可靠的，功率大，可支持管道長度長，同時產生的熱適用于各種長時間運轉的石油管路。鄰近效應是電流接近的電磁現象，當一對導體穿過反向交流電時，管道在伴熱預熱的情況下通常在管道表面進行串接運行。電路通過伴熱管的通道，其尾部與伴隨熱管的尾部連接，形成一個完整的回路。當熱管和交流電電路接觸時，因為輸油管道的集電器的集電表面效應和鄰近效應，絕大多數電流集中在伴隨導熱管的內表面。因此，在這一點上，管道的等效電阻比管道的永久阻力大得多，可以產生足夠的功率來加熱管道；外部表面電流非常小，幾乎可以忽略不計，外部壁此時已足夠絕緣。

在交流磁場作用下，導電體通過時通常有大量電子集中在導體表面，這種現象叫做表面效應。在電熱系統應用時，導線經過鋼管，末端與鋼管相連，形成一個封閉回路，如圖1所示。當電流通過交流電時，由于表面效應和鄰近效應，電流將集中在鋼結構的內表面，在外表面沒有電流，也被稱為內表面效應。頻率越高，表面效應就越明顯。應當注意保證外墻絕緣，從而保障外表面無電流。

圖1 集膚效應原理

2 集膚效應電伴熱系統推導

根據管道溫度系統建立研究模型，各輸油管道為原始研究對象。在能量守恒定律支撐下，管道在單位時間的能量積蓄值變化情況等于單位時間內管道的輸入能量與逸散流出能量值的差，可用式子表示為：

其中，C指管道內原油的比熱容，T是管道運行溫度，G是管道輸油質量，Qin是伴熱管在單位時間生成/輸入的熱量，Qout是管道在單位時間逸散的熱量。

因此，為了計算管道伴熱系統的工作荷載情況，可以運用這一工作狀態的慣性延時設計來計量管道伴熱系統的一般工作熱量。考慮到可編程控制器（PLC）中搭載的PID控制器可以對系統進行自動化控制，因此可以基于當前計算出的工作狀態來設計管道伴熱系統的各參數值。

3 控制系統設計

3.1 管道基礎結構

將有穿心電纜的圓形管道，電流在xOy 平面管壁上的分布不是均勻的，把石油管道的管壁分割成一系列厚度極小的等厚的同心圓環，假設這些同心圓環的厚度為dy，管道長度為Lt。令管道內徑為r，可以據此來計算任意圓環中所流經的電流。最終計算需要為管道內原油進行加熱的功率P為I2Rg，取運行狀態下的功率電阻。

3.2 綜合控制系統設計

系統原理如圖4所示,工業三相交流電輸入系統中，通過AC～DC逆變電路轉換為直流，然后通過IGBT逆變電路轉換為方波交流電，輸入到負載對其進行加熱.由控制器輸出脈寬調制(PWM)控制信號，從而控制輸出功率和負載溫度。

圖2 管壁恒截圖

圖3 導體平板電磁場示意圖

圖4 控制系統設計

其中的IGBT逆變電路部分，主要由新型電力電子器件絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）搭載，整個逆變電路一般需要4個IGBT來參與構建。在每一個控制周期中，前半個部分先由IGBT1、2號導通工作, 后半周期則由IGBT3、4號導通工作，從而實現了交流電負載。為了控制IGBT交流中的電熱蓄積問題，應當采取有效措施來做好冷卻散熱工作。風扇風冷的效果受到風速條件的影響，還可能因風速過大導致靜電、灰塵等多種問題，加速了IGBT的性能衰退和報廢時限。因而，一般采用空調制冷、管控工作溫度的方法進行IGBT冷卻，既能有效控制了IGBT的工作溫度，也能促進其散熱，從而為IGBT的正常工作提供了有力的溫度條件保障，也有利于構建大功率(100 kW)電伴熱系統穩定輸出能力。

3.3 軟件系統設計

與硬件的結構模塊不同，軟件總體上可以分為兩個主要功能模塊：功能信息處理模塊和數據顯示模塊，即處理人機接口界面的功能模塊;另一個是控制內部電路的模塊.處理 人機界面接口的模塊主要功能是處理來自鍵盤的控 制信號，如啟動、停止、設置等,并將系統的狀態信息 如負載溫度、負載電流、設定溫度輸出到數碼管。一部分模塊包括顯示子程序、譯碼子程序、閃爍子程序、延時子程序、啟動子程序、停止子程序、設置子程序、增加和減少子程序。

內部電路控制功能模塊負責將傳感器收集的現場模擬信號轉換為數字信號，可識別的系統和根據這些參數控制武裝沖突法信號的輸出，調節系統的輸出電流，以實現控制輸出功率，保持和調整管道溫度的目標。系統快速響應故障，故障修復程序放在主程序中，以提高系統的穩定性。

3.4 穩定變化情況模擬計算

原油在運輸過程中環境溫度不是靜止的，特別是在北方的油田，那里晝夜溫差很大，一年四季溫度變化很大，考慮到實際溫度不可能是模擬時的極端溫度，應當在設境時注意控制環境溫度和初始加熱溫度為20℃，并對相應的設計參數進行有效調整。原油管道正式運輸前，儲蓄油池會對其做預加熱，所以管道運行的初始溫度往往20℃-40℃范圍內，這可能導致土壤溫度及管內溫度的共同變化，因此需要在集膚效應電伴熱系統中調整其運行參數，從而為系統穩定、可持續運行提供有力保障。一般來說，石油運輸管路的位置都在地下5m左右，該深度區域的土壤溫度不會太受到氣候條件的影響，因此較地面氣溫的變化幅度更小，也更容易保持管路及集膚效應電伴熱系統運行的穩定性。冬季時，土壤溫度比空氣溫度；夏季時，土壤穩定比空氣溫度低。

因此，應當在系統設計時主要保留一定的溫度調整裕度，結合以上溫度分析，可以將油田區域的土壤工作溫度設計為-15℃-25℃范圍內，從而保障集膚效應電伴熱系統對運行溫度的適應性。可以在進行參數設計后，利用 Simulink 仿真分析來在不同模擬工況下測試集膚效應電伴熱系統的運行水平，及在控制策略、溫度調控上的表現，從而優化系統設計。

4 結語

取最常見的25℃土壤溫度、22℃加熱起始溫度情況下的工作狀態，若利用傳統的蒸汽控制策略來對其進行管路溫度控制，不僅需要進行多點設計，也需要在運行時通過試湊相關參數，大大降低了工作效率。利用集膚效應電伴熱系統進行控制，則能夠有力支持大功率運行狀態，而且合理的參數設計也讓系統擁有良好的適應性，從而能夠在前期反應時及時進行產熱升溫，并在實際溫度接近目標溫度時降低升溫速度，實現油田附近較長管路的伴熱控制。