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2019-09
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PI500-I係列中頻電源在空心抽油杆電加熱采油裝置上的應用
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前言

在我國石油開采中,稠油井的比例占相當大一部分,這類井原油粘度高、凝固點高、密度大、含蠟量高,難以開采。目前國內外開采這類油井的最廣泛,效果最好的采油工藝技術是稠油熱采。采用空心杆電加熱工藝技術,對油 管內的原油進行全程加熱,以降低原油粘度,防止油管內結蠟,提高原油流動性。有效的解決高凝、高粘、高含蠟原油開采過程中遇到的各種技術難題,達到油井增產、增效的目的。

以前的空心杆加熱技術,采用工頻加熱,因負載為單相,需要有一個獨立的 變壓器,將三相輸入變為單相輸出,造成三相電網的不平衡,功率因數低,電能消耗大,對電網的汙染大,加熱效果不明顯,造成電能的極大浪費。因此,需要探討一種先進的加熱方式,以提高 功效,增強加熱效果。經過多方試驗,采用現已掌握的較成熟的變頻技術,為該加熱裝置提供一種新的變頻電源—PI500-I係列中頻加熱電源。

該設備可提供最高 10——3000Hz 的頻率,實現了輸出電壓、電流的連續可調,以達到輸出功率連續可調的目 的,由於中頻電源渦流感應加強,導致集膚效應更強,漏磁減少,因此電加熱效果大大好於工頻電源,節能效果達到 20%以上,大大地降低了采油生產能源的消耗。

空心杆電加熱裝置工作原理如下圖所示:

該裝置是將空心抽油杆內穿過電纜並與抽油杆杆體形成回路,通以工頻交流電,利用內集膚效應原理在空心抽油杆壁上產生熱能,對油管內原油進行全程加熱,提高油管內原油溫度,降低原油粘度,改善其流動性,防止油管內原油結蠟,從而有效地開采高凝、高粘、高含蠟原油。


集膚效應原理如下圖所示:


空心抽油杆電加熱裝置在空心抽油杆內下入加熱電纜,使空心抽油杆和加熱電纜組成通電回路,利用集膚效應加熱原理使原油在井筒內得到加熱,從而起到降粘、清蠟作用 。集膚效應,又叫趨膚效應,是當交變電流通過導體時,電流會聚集於導體表層,而非平均分布於整個導體的截麵中,電流集中在導體表麵流過,這種現象叫集膚效應。

當鋼管中穿過電纜形成回路並通過交流電流時,鋼管截麵中電流主要集中在鋼管內表麵,此現象稱為內集膚效應,而鋼管的外 表麵幾乎沒有電流通過,空心杆外壁可視為絕緣體,這種現象不僅隨著頻率的增高而明顯加強,而且還隨著導體半徑、磁導率和電導率的增高而表現的更加顯著。電加熱抽油杆就是利用內集膚效應工作的,由於空心抽油杆的交流阻抗遠大於導線的電阻,空心抽油杆為主要發熱體。

PI500-I係列中頻電源工作原理如下圖所示:

中頻加熱電源主電路為  AC-DC-AC  變頻結構,由整流電路、濾波、逆變電路和保護電路組成。其工作原理是將三相50Hz 工頻交流電經過三相全控整流橋整流成電壓可調的脈動直流,再通過電容將脈動 的直流電濾波變成光滑平穩的直流電送到單相逆變橋,最後通過逆變橋將直流電變成單相頻率可調的中頻交流電供給負載。

產品性能特點

    采用 32 位美國德州儀器 TI 公司專用控製芯片 DSP,控製係統性能增強,電路簡化,負載適應性強。實現電源控製的全數字化,智能化。

    采用先進的大功率絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)作為功率開關器件,逆變頻率可調。

    具有相序自適應功能,無需鑒別進線相序。輸出可進行恒功率、恒電壓、恒電流控製。

    采用零壓軟啟動,啟動成功率高無衝擊。完全能夠滿足廣大熱加工行業用戶的需求。

    采用掃描式零壓啟動方式和自動重複啟動電路,啟動成功率可達 100%

    采用中頻電壓作為 取樣信號,無中頻電流互感器,輸出部分和負載的 連接不需區分極性。

    人機對話的顯示界麵,可通過鍵盤的選擇顯示工作頻率及電流,輸出脈衝的占空比、電流變比等, 並可顯示故障狀態及原因,使顯示更直觀,更易於操作。

    輸出電壓、電流連續可調,可以使加熱係統處於最佳工作狀態,能源利用 率高,節能效果明顯恒輸出電壓/恒輸出功率控製選擇功能。

    輸出部分采用環形中頻變壓器,用於隔離輸入、輸出電壓,同時經電容組與控製櫃輸出相連接,起到隔直作用,防止由於直流偏磁或過勵磁產生的磁飽和,同時可起 到串聯諧振的作用。 中頻變壓器為非晶鈦材料,導磁率高,工作頻率高,自身能量損耗極低,整機效率 提高。若頻率再提高,其體積可做得更小,工作效率更高。保護功能齊全。設置了過流、短路、機內溫升過高及過、欠 壓保護,功能更齊全,工作更可靠,避免了由於各種不正常因素而造成的損壞。

    高效節能,全功率範圍內,極高的功率因數。

頻率與加熱效果的關係

鋼管在交流電下的阻抗顯著大於它的直流 電阻,因為鋼管是鐵磁質材料,它的磁導率要比銅高1000倍。隨著電流頻率的升高,空心抽油杆阻抗也隨之增大,根據能量守恒的原理,在相同輸入功率下,電源頻率越高,集膚效應越強烈,則空心抽油杆阻抗也越 大,其獲得的有效電功率越就越大,使電源自損降低到最低限度,從而節約了大量的電能,並獲得了良好的加熱效果。 

應用效果:

遼河油田應用現場


大慶油田應用現場



華北油田應用現場



PI500-I係列產品麵市以來,在大慶油田、長慶油田、勝利油田、華北油田、遼河油田、玉門油田等幾個稠油井分布的區域內成功運用。通過現場調整,結合加熱電纜及功率,一般將頻率調400Hz-1000Hz  左右,比工頻提高了10幾倍,根據功率調整電流,一般75kW 的電源輸出電流在80A左右,93kW的電源在100A左右,通過中頻變壓器,輸出電壓800V左右(串聯輸出電壓:600V、800V、1000V、1200V),其加熱效果十分明顯較之工頻加熱具有明顯的優勢。

1、功率因數明顯提高,原工頻加熱,功率因數約在 0.7 左右,而用變頻加熱,經測試都在 0.95 以上 。

2、減少了對電網的汙染。原工頻加熱,需三相變二相,造成變壓器輸入三相電壓嚴重不平衡,對電網汙染嚴重。應用變頻器以後,功率因數提高,諧波含量明顯減少,減輕了對電網的汙染。

3、加熱效果明顯 。根據集膚效應,頻率提高後,負載所獲得的能量提高,線路損耗也相應減少從而提高了加熱效果。據測試,變頻加熱可比工頻加熱提前 1—2小時達到預定效果,而且溫度也要高。

4、 保護功能齊全。 原工頻櫃因無單片機控製,其保護功 能差,往往由於負載的短路、斷路及電壓的不穩定,造成變壓器燒毀、工作不穩定。而變頻電源櫃由於DSP 的控製,其保護功能齊全,避免了由於電網及負載的故障引起的問題,保證係統的穩定運行。

5、節能效果明顯。據測試,每台變頻電源櫃比相應的工頻櫃節電都在 20%左右,有力的節約了電能,提高了工作效率,保證了加熱係統的效果。 總之,變頻加熱是稠油熱采的一次革命。我國的稠油資源相當豐富,推廣該技術, 是采油行業節能減排和提高效率的有效途徑。

結束語

    空心杆電加熱裝置中,電熱杆產生的熱量並不是一成不變的,越靠近地麵,單位長度產生的熱量越多,越向下單位長度產生的熱量越少。原油在提升的過程中,地層溫度逐漸降低,利用電熱杆加熱功率和地層溫度的變化機理,可以用較小的功率使井筒內原油保持一定的溫度。由於電源頻率越高,寄生電容截取的電流越大,所以在相同的井況條件下,中頻電加熱裝置采用較小的加熱功率就會取得良好的加熱效果,試驗結果表明,中頻加熱與工頻加熱對比,在井口原油溫度相同的情況下,加熱功率平均低10~20KW,節電率在15%以上

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