基于電磁感應加熱原理的油田生產系統(tǒng)加熱新技術

曾黎

大慶油田有限責任公司第三采油廠

應用電磁微波加熱技術可以根據(jù)需要快速、高效輸出熱能，在不需要的時候快速停止能源消耗，它具有效率高、升溫快、運行穩(wěn)定、安全可靠的特點。目前電磁微波加熱技術正向分布式物聯(lián)網網絡遠程控制方式發(fā)展。隨著科技的進步及對電磁微波加熱系統(tǒng)技術的不斷探索與研究，未來電磁微波加熱技術具有更加廣泛的應用前景。

大慶油田轉油站燃氣熱洗水加熱系統(tǒng)由于運行年限長，熱損失問題日益嚴重，熱洗水溫度難以達到最初的設計要求，采用高效節(jié)能、施工簡便的加熱提溫系統(tǒng)具有非常現(xiàn)實的意義。針對大慶油田的實際情況，對大功率電磁微波加熱系統(tǒng)的設計和高頻感應加熱逆變電源控制器實現(xiàn)問題進行理論分析，為今后系統(tǒng)設計及現(xiàn)場試驗應用奠定基礎。

1 感應加熱電源研究現(xiàn)狀

感應加熱電源的制造水平與功率器件兩者是不可分割的，20世紀50年代晶閘管的問世給感應加熱電源提供了一個巨大的發(fā)展動力，感應加熱電源新技術應用廣泛，出現(xiàn)了高壓大功率變頻器感應加熱電源，加熱電流頻率提升到了中頻。晶閘管的出現(xiàn)使感應加熱電源有了質的飛躍，自20世紀80年代絕緣柵晶體管（IGBT）誕生以來，感應加熱電源的發(fā)展突飛猛進，新型大功率加熱電源不斷涌現(xiàn)。

在我國，電磁感應加熱電源的研究相對比較落后，在20世紀50年代，感應加熱電源主要用于金屬熱處理，技術水平與發(fā)達國家相比有巨大的差距[1]。近10年來，我國感應加熱技術水平發(fā)展迅速，并且在工業(yè)裝備領域得到廣泛應用[2]。

國外IGBT逆變器感應加熱電源規(guī)格可以達到1 200 kW、180 kHz，MOSFET逆變器感應加熱電源規(guī)格普遍是1 000 kW、400 kHz。大功率容量、高頻率、智能化是感應加熱電源的發(fā)展方向。國內的高頻感應加熱電源的設計和開發(fā)具有廣闊的提升空間，隨著高頻感應加熱電源的應用越來越受青睞，推動高頻感應加熱電源發(fā)展也是勢在必行。

2 感應加熱電源的基礎理論

現(xiàn)代感應加熱主要依據(jù)集膚效應、鄰近效應和圓形效應三項基本理論。基于感應加熱的許多優(yōu)點使其在金屬的熔煉、釬焊、鍛造、熱處理等工藝以及非金屬的加工作業(yè)方面都有成功的應用。

（1）集膚效應。當鐵芯線圈通以交流電流時線圈周圍會產生交變磁場，在鐵芯中便有感應電勢而生成感應電流——渦流[3]

（2）鄰近效應。鄰近效應是指相互靠近的兩個導體在其內部流過交變高頻電流時，因為有電磁感應的作用，高頻電流會由于電磁力的作用而偏向一邊。在感應加熱設備中，由于受加熱繞組與被加熱物體安裝位置的限制（必須要平行安裝或同心安裝），換能器表面磁感應強度會受到干擾，影響表面渦流分布。

（3）圓環(huán)效應。感應加熱電源的終端大多是圓環(huán)形繞組，當高頻電流通過時磁感應強度內側相對于外側較強，中心處磁感應強度最大，圓環(huán)繞組在內側的電流密度最大，這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應。

3 感應加熱電源主電路分析

感應加熱逆變電源在功率輸出回路中利用電容與電感組成諧振電路進行無功功率補償。諧振電路按諧振無功補償電容與電感繞組連接方式不同，分為串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路[4]，電路結構如圖1、圖2所示。

傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路容易給電容和電感造成較大的應力；并聯(lián)諧振電路雖然適合于高阻抗狀態(tài)，但不適用于在大功率狀態(tài)下應用[5]。根據(jù)油田生產對象特點，選擇復合諧振電路作為主電路模塊，拓撲結構示意圖見圖3。

圖1 串聯(lián)諧振電路Fig.1 Series resonant circuit

圖2 并聯(lián)諧振電路Fig.2 Parallel resonant circuit

圖3 復合諧振電路拓撲結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the topologic structure for composite resonator circuit

復合諧振電路逆變器有如下幾個特點：

（1）電源輸入端有平波電感，逆變輸出端為串聯(lián)負載，因此可以避免引線寄生電感，短路保護能力較強。

（2）電路在工作狀態(tài)下近似ZVS、ZCS導通，開關損耗較小，更加適合超高頻設計。

（3）輸入端為電流型，輸出端為電壓型，互補驅動之間無死區(qū)時間。

（4）等效諧振回路有較多儲能元件，負載匹配更為簡單，從而適合負載變化較激烈的場合。

綜上所述，復合諧振逆變電路更加適合電磁微波加熱系統(tǒng)感應加熱電源控制器，因此可采用該逆變電路為主逆變電路[6-7]。

4 頻率跟蹤技術

電磁感應加熱電源在高頻開關狀態(tài)下工作，工作環(huán)境、使用條件及干擾情況比較復雜，對于電磁微波加熱系統(tǒng)，感應加熱設備的終端等同于一個電磁耦合系統(tǒng)，其中一次側為接于電源輸出端的感應加熱繞組，二次側為換能器，構成一個無磁芯的空心變壓器，其電磁耦合模型如圖4所示。

圖4 電磁耦合模型Fig.4 Electromagnetic coupling model

工業(yè)領域電磁感應加熱系統(tǒng)電感通常是由螺旋線圈纏繞換能器[8]，換能器作為產熱、傳熱部件，其內部溫度隨時間變化較大，電感值在某種程度上會發(fā)生改變，繼而導致諧振頻率的變化。為了降低開關損耗，提高輸出功率，電磁感應加熱高頻逆變電源加入頻率跟蹤電路很有必要，可使得功率器件開關頻率跟蹤諧振頻率的變化趨勢，來保證感應加熱電源始終保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

5 鎖相環(huán)原理

相位同步自動控制稱為鎖相，能完成兩個信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)，簡稱PLL。鎖相環(huán)進入鎖相狀態(tài)時具有自動捕捉信號的能力，壓控振蕩器VCO可在一定范圍內自動跟蹤輸入信號的變化。當輸入信號頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內變化時，鎖相環(huán)能捕捉到輸入信號頻率，同時控制VCO鎖定在這個頻率上。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、低通濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）等組成，其原理見圖5。

圖5 鎖相環(huán)原理Fig.5 Principle of phase locked loop

輸入被鎖相的信號Ui至相位比較器中的一個輸入端，相位比較器的另一個輸入信號來自壓控振蕩器的輸出Uo，二者進行相位比較，輸出的誤差信號電壓Ue正比于Ui與Uo兩者信號的相位差Δψ。該誤差信號經低通濾波器濾除高頻分量后送入壓控振蕩器的輸入端，低通濾波器輸出的控制電壓Ud使壓控振蕩器的輸出頻率與輸入信號的相位差Δψ朝著減小的方向變化。這種自動循環(huán)跟蹤過程最終使兩相位差保持恒定不變，實現(xiàn)頻率和相位的鎖定。

6 電磁微波加熱系統(tǒng)整體方案

以24 kHz/300 kW的電磁微波加熱系統(tǒng)為研究對象，利用水為媒介將電能轉化為熱能來提高水溫以供油田洗井使用。系統(tǒng)采用模塊化的設計結構，分為10個等效的功率工作區(qū)域，每個功率區(qū)額定功率在30 kW左右；控制系統(tǒng)采用主控板與輔助控制板配合控制的結構，便于操作與故障管理，其中主芯片主要負責電路的信息回收和處理工作。電磁微波加熱系統(tǒng)結構及加熱控制器組成示意圖如圖6、圖7所示。

圖6 電磁微波加熱系統(tǒng)結構Fig.6 Struture of electromagnetic microwave heating system

圖7 電磁微波加熱控制器組成Fig.7 Component of electromagnetic microwave heating controller

系統(tǒng)硬件電路設計考慮以LPC2214芯片為主控芯片，包括芯片外圍電路設計、電源電路設計、采樣控制電路設計和故障保護電路設計等。圖8為系統(tǒng)硬件電路設計框圖。

7 結束語

（1）通過對電磁微波加熱系統(tǒng)的電磁感應加熱原理進行分析，以及對集膚效應、鄰近效應、圓環(huán)效應的理解，為今后電磁微波加熱系統(tǒng)的深入研究奠定了基礎。

圖8 系統(tǒng)硬件電路設計框圖Fig.8 Design block diagram of system hardware circuit

（2）通過對高頻感應加熱電源常用的諧振電路（即串聯(lián)、并聯(lián)諧振電路）的分析表明，可采用復合諧振式全橋逆變電路為主控電路。

（3）鎖相環(huán)、頻率跟蹤技術的開發(fā)，對于電磁微波加熱系統(tǒng)中高頻逆變器功能的實現(xiàn)，以及減小開關器件損耗、提高系統(tǒng)工作效率具有重要意義。

（4）以24 kHz/300 kW感應加熱電源為研究對象，利用水為媒介將熱能存儲起來或者應用于供暖，提出了封閉式、嵌入式儲熱設備循環(huán)系統(tǒng)工程使用方案，初步確定了電磁微波加熱系統(tǒng)的組成部分及高頻逆變器的結構。