高溫高壓試驗裝置熱風循環與變頻控制設計與實踐

張建華，張 波，葉忠漢

(1.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西 西安 710021；3.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

采用新型電熱風加熱技術的試驗用高溫超高壓試驗裝置，通過高壓釜體傳導傳熱的方式，加熱釜內的試驗介質，配合超高壓系統模擬地層溫度壓力環境，應用于石油儀器高溫高壓測試領域，電熱風加熱代替導熱油循環加熱技術，具有節能高效、安全環保、運行可靠的優點[1-3]。

熱風循環與控制裝置是電熱風加熱技術的核心之一，設計合適與否，直接影響該技術的實施效果。如熱風循環通道設計不合理，風機閥門選型裝配不匹配，風量風壓控制與溫度控制不協調，就會出現風道阻力大、加熱冷卻時間長、熱風系統耗能大等問題，致使高溫高壓聯合試驗較難順利進行，嚴重影響試驗的進度和質量。

為有效提高電熱風換熱效率，降低風機噪音，消除平臺振動，滿足高溫高壓試驗技術要求，本文設計并實施一種熱風循環與風機變頻控制裝置，通過在熱風加熱區設置導流筒，將電阻加熱器和高壓釜之間的環形區域分割，熱氣流具有內外風道的熱風循環系統。通過電動切換閥門分別實現內循環加熱、外循環降溫兩種功能，根據不同試驗階段溫度跟蹤保護控制要求，采用頻率分段控制方法進行風量風壓實時調節，以最快速度按照試驗要求對釜內試驗介質溫度進行精確控制，保證釜體試驗安全，順利完成高溫高壓試驗，并能夠實現溫度、壓力、風量等數據的自動采集、記錄和輸出等功能。

1 電熱風高壓試驗裝置的設計原理與組成

1.1 熱風高溫高壓試驗原理

電熱風高壓試驗裝置，采用外熱式電阻空氣熱風爐，以空氣做為換熱介質，加熱超高壓釜體內試驗介質，模擬地層溫度壓力環境，圖1為高溫高壓熱風加熱試驗裝置組成原理示意圖。

圖1 高溫高壓熱風加熱試驗裝置組成示意圖

試驗加熱、保溫階段，熱空氣通過內循環通路，循環加熱筒體以及筒體內的試驗介質。操作時，依次打開換向閥，關閉熱風閥和冷風閥，運行變頻風機，電阻熱風爐開始加熱，風機以一定的風速風壓進行熱空氣循環，配合高壓系統完成加熱加壓和保溫保壓功能。

完成高溫高壓測試后，降溫泄壓時，關閉加熱電源，切換換向閥，形成外循環通路，外界自然冷空氣通過外循環降低筒體內外溫度，通過風機變頻器自動調節風機輸出冷風的風量，使釜內試驗介質溫度按照冷卻工藝曲線限定時間，完成降溫泄壓過程。

1.2 電熱風高壓試驗裝置的組成與溫差控制要求

電熱風高壓試驗裝置主要由熱風混合加熱系統、加熱電源系統、熱風循環與變頻控制系統、溫度測控系統和電氣控制與計算機監控系統等幾部分組成。

熱風混合加熱系統是指超高壓容器外的環形密封區，電阻發熱體按照一定規則均勻布置于熱風爐內壁，加熱導流筒內外的循環空氣流，為超高壓容器釜內試驗介質溫度提供熱量。加熱電源系統是加熱功率輸出控制主回路，主要由斷路器、熔斷器、接觸器、調功裝置等部分組成，加熱電源通過電纜與熱風爐內壁發熱體連接，協同溫度測控系統按照試驗工藝需求，對加熱電源輸出功率進行自動調節。溫度測控系統主要包含各加熱區溫度測量傳感器、變送器和智能控溫儀配合。電氣控制與計算機監控系統完成整個加熱試驗系統的工藝切換與動作控制功能，實現加熱冷卻過程的自動調節，以及對整個加熱試驗系統的安全監測監控功能。

在設計使用過程中，熱風加熱試驗裝置中的高壓釜體在承壓大于150 MPa情況下，釜體內外溫差引起的熱應力影響超高壓筒體強度時，釜壁承受最高溫度、升溫速度和內外溫差必須合理控制，否則影響高壓釜的整體性能甚至損壞，這種不利的安全影響必須重視[4-5]。在加熱試驗過程中，應杜絕出現組合疊加應力超過筒壁材料的當量應力的危險工況，特別是在升降溫開始切換階段，應避免出現溫差峰值區[6]。

1.3 熱風循環控制系統

熱風循環與變頻控制系統完成釜體內外加熱功能，是整個電熱風試驗裝置的技術核心。電熱風加熱循環試驗系統包括高壓釜、電阻加熱器、導流筒、測溫檢測元件、熱風循環系統、變頻控制系統和管道等，圖2為超高壓容器(高壓釜體)組成示意圖。

圖2 超高壓容器(高壓釜)組成圖

導流筒將電阻加熱器和高壓釜之間的環形區域分割，產生熱風循環的內風道和外風道，并分別通過管道與熱風循環系統連接。溫度檢測元件設置在釜內和釜壁，對試驗過程釜內介質溫度和釜壁安全溫度檢測，并通過變頻控制系統進行控制。釜內溫度檢測元件采用特殊定制的鎧裝熱電偶，采用耐高壓密封連接結構進行安裝，使熱電偶絲深入釜內試驗介質，測得釜內真實溫度，以模擬地層的環境溫度。釜壁測溫熱電偶通過彈簧輔助頂緊裝置，準確測得釜壁實際溫度。

根據釜內、釜外溫差數值大小和釜內試驗技術要求，結合風量風壓傳感器所測得風量風壓信號，通過頻率控制系統模糊PID調節器，調整變頻裝置輸出頻率大小，對風機輸出風量進行自動控制。

2 熱風循環與變頻控制裝置的設計與實施

2.1 電熱風加熱循環裝置整體設計

熱風循環系統由離心變頻風機、熱風單向閥、冷風單向閥、變頻裝置、頻率控制裝置、風量傳感器、管道等組成，加熱和降溫過程中適時提供循環風，通過控制風機的轉速來調節風量和風速的大小，實現按程序曲線加熱和降溫的試驗要求。

風機出風口與外風道聯通，風機進風口與換向閥一端連接，換向閥另一端與內風道聯通，在換向閥與風機進風口之間焊接分支管道連接冷風閥，冷風閥另一端與管道連接并延伸至室外作為冷風進風口，同時內風道通過管道和熱風閥一端聯通，熱風閥另一端連接管道并延伸至室外，作為熱風抽風口。在風機出風口附近安裝風量風壓傳感器，所得風量信號與溫度檢測元件測得的溫度信號共同傳送到頻率控制系統，由變頻控制系統根據試驗溫度變化要求，實時調整變頻裝置輸出頻率大小，對風機輸出風量進行自動控制[7]。圖3為熱風高壓試驗裝置三維效果圖。

圖3 熱風高壓試驗裝置三維模型圖

變頻控制系統根據不同試驗階段溫度變化的要求，采用頻率分段控制方式，進行風量風壓實時調節，使升溫降溫過程中釜體內外溫差在允許范圍內，保證釜體溫差熱應力安全。打開換向閥，同時關閉冷風閥和熱風閥，熱風循環系統運行于內循環模式，實現加熱功能，保溫保壓實驗完成后，關閉換向閥，同時打開冷風閥和熱風閥，熱風循環系統運行于外循環模式，實現降溫功能。

2.2 熱風加熱循環裝置設計選型

變頻控制裝置主要由斷路器、變頻器、電抗器等組成，變頻器選用風機專用變頻器，使用時觀察啟動過程出現機械共振的頻率點，利用頻率跳躍設定功能，屏蔽掉共振頻率點，消除機械振動噪音。

風機選用耐高溫離心式變頻通風機，采用臥式安裝，風機葉輪水平安裝，葉輪的長軸套與電機軸直接連接，在長軸套的外部安裝水冷散熱裝置，在風機運行啟動前先開啟冷卻水泵，以保證風機運行安全，運行過程中，對風機軸瓦溫度進行實時監測，采取有效控制措施，保證風機穩定安全運行。

冷風閥、換向閥、熱風閥均采用全開全閉式電動蝶閥，內外循環模式不進行開度控制。通過采集閥門打開、關閉到位信號，變頻控制系統的PLC邏輯程序進行遠程電動執行操作。這種操控模式，可以根據不同試驗階段工藝控制要求，方便實現內外循環風道快速切換，便于遠程人機界面操控。

3 實施具體細節與應用效果

3.1 電熱風加熱循環控制實施細節

熱風高壓試驗裝置在中石油某測井公司成功投運以來，整體使用效果良好，在設備安裝調試過程中有以下細節問題需要注意。

(1)在加熱和保溫過程中，開啟電阻熱風爐的加熱器電源，通過電阻帶發熱體對流加熱循環空氣。降溫時，關閉電阻加熱器，按照釜內外溫差大小的變化，進行頻率分段控制降溫。

(2)變頻分段控制系統，應根據不同試驗階段溫度變化的要求，采用頻率分段控制方法，進行風量風壓實時調節，使升溫降溫過程中釜體內外溫差在允許范圍內，保證釜體應力值限制在最大應變能理論允許應力值的安全范圍內。

(3)熱風循環系統所涉及的管道設計與布置，為減小管道風阻，應根據安裝工況盡量縮短管道長度，避免因施工引起的變徑和縮徑，減少管道拐彎特別是直角拐彎，必須改變方向時最好采用圓彎頭或蝦米腰連接結構，盡可能使管阻減小，提高試驗效率。

(4)冷風進風口，宜設置在室外，便于換熱。為提高抽風效率，進風口外形設計為喇叭狀，并加裝網狀空氣過濾器，保證加熱循環空氣氣源為潔凈溫度可調的空氣。

(5)熱風循環系統的風速較高，為保證加熱氣源為潔凈溫度可調的空氣，在冷風抽風口加裝網狀空氣過濾器，但過濾網密度選擇要合適，不使柴草、塑料袋、金屬粉末等雜物吸入加熱爐膛為宜。

3.2 應用效果

熱風循環與變頻控制系統，可根據不同試驗階段溫度控制要求，通過電動蝶閥遠程切換功能，方便地實現內循環加熱、外循環降溫兩種功能模式。在內循環加熱模式，高溫離心風機的抽風口與內循環通道連接，有效提高熱風利用率和換熱效率，且風機噪音很小。熱風循環系統設置的風量變頻控制裝置，根據試驗溫度的變化，實時進行風量風壓的調節，能夠保證釜體運行安全，滿足試驗技術要求。

抽風口設計為喇叭狀并加裝網狀空氣過濾器后，熱風循環系統管道連接結構合理設計，使管阻大大減小，風量增加，使換熱效率有效提高。在降溫初期，要求釜壁溫度下降不能太快，要求風量降到最大風量的80%，風機輸出軸功率約只有額定功率的一半。由于風機軸功率與風機轉速三次方成正比，風量調節采用變頻節能技術，代替控制閥門開度增加管阻的節流控制方式，操作簡單，節電效果明顯，風機節電率最高可達到50%，節電效果明顯。

4 結 語

本文設計并實施一種熱風循環與風機變頻控制裝置，在熱風加熱區設置導流筒，分割電阻加熱器和高壓釜之間的環形區域熱氣流，形成具有內外風道的熱風循環系統，通過電動切換閥門分別實現內循環加熱、外循環降溫兩種功能，根據不同試驗階段溫度跟蹤保護控制要求，采用頻率分段控制方法進行風量風壓實時調節，以最快速度按照試驗要求對釜內試驗介質溫度進行精確控制，保證釜體試驗安全，完成高溫高壓試驗。通過對高溫高壓試驗裝置內外風道雙循環變頻控制系統的設計與實施，能夠有效提高電熱風利用率和換熱效率，降低噪音，消除振動，滿足高溫高壓試驗技術要求，系統操作簡單，節電效果明顯。