（控制理论与控制工程专业论文）稠油油井中频加热电源设计及控制方法研究.pdf

稠油油井中频加热电源设计及控制方法研究 于洪国( 控制理论与控制工程) 指导教师：王平教授 摘要 稠油热采是油田常用的稠油开采方式，目前使用的稠油电加热电源 存在加热效率低、耗电大等缺点，严重影响了稠油的开采成本。因此新 型中频加热电源的研制和应用对于提高石油行业经济效益，增强竞争能 力，节能降耗，具有十分重要的意义，是一个具有巨大发展潜力和广泛 应用前景的研究领域。 论文对中频加热的原理，发展现状等做了深入的研究和分析，通过 分布参数电路模型，对井筒加热功率的分布情况进行了理论分析，得出 井筒输出功率在不同频率下随井深变化的规律。对于在不同频率下对稠 油油井加热电源的研究和设计具有指导意义。 中频加热电源采用不可控整流，交一直一交变频技术，针对空心抽油 杆负载设计了电压型i g b t 串联谐振逆变电路以及以单片机为核心的控制 电路，通过p w m 调功方式实现逆变电路的功率调节，降低了电源的损耗， 提高了整机效率。 论文针对稠油电加热系统这一非线性，大滞后及强干扰的复杂被控 对象，建立了加热对象的数学模型，设计了改进的最优参数自整定p i d 控制方法，从而保证系统精确的温度闭环控制，大大缩短了调节时间， 有效抑制了系统的超调，提高了电源的加热效率。通过仿真实验对这一 控制方法进行了研究，验证了设计的正确性和有效性，并给出了仿真波 形及其分析。 关键词：稠油加热，中频电源，p w m 调功，改进的最优p i d 控制 n t h em i d d l e f r e q u e n c yh e a t i n gp o w e rd e s i g no fh e a v yo i l w e l la n ds t u d yo ni t sc o n t r o lm e t h o d s y u h o n g - g u o ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n g p i n g a b s t r a c t t h er e c o v e r yt e c h n o l o g i e st oh e a v yo i la r eu s u a l l ya d o p t i n gt h e r m a l f a s h i o n a tp r e s e n t ，t h eh e a v yo i le l e c t r i c a lh e a t i n gp o w e r s u p p l yi nu s eh a sa l o to fd i s a d v a n t a g e ss u c ha st h el o wt h e r m a le f f i c i e n c ya n dh i g he l e c t r i c i t y w a s t e i ta f f e c t se x p l o i t a t i o nc o s to ft h eh e a v yo i lb a d l y t h ed e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fn e wh i g he f f i c i e n c ym i d d l ef r e q u e n c yh e a t i n gp o w e r s u p p l yw i l lt a k eo nq u i t ei m p o r t a n tm e a n i n gt ot h ei n c r e a s i n go fo i li n d u s t r y e c o n o m yb e n e f i ta n dc o m p e t h i o na b i l i t y , a l s ot ot h ee c o n o m i z i n gt h ee n e r g y a n dt h er e d u c t i o no ft h ew a s t e i ti sar e s e a r c hf i e l dw i t hg r e a td e v e l o p i n g p o t e n t i a la n da b r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d t h ep a p e rf i n i s h e st h ed e e p l yr e s e a r c ha n da n a l y s i st ot h ef u n d a m e n t a l a n dt h ed e v e l o p i n ga c t u a l i t yo f m i d d l ef r e q u e n c y h e a t i n g t h e nc a r r yt h r o u g h t h et h e o r ya n a l y s i st ot h ep o w e rd i s t r i b u t i o no fw e l l b o r eb yd i s t r i b u t i n g p a r a m e t e rm o d e lo ft h el o a dc i r c u i t ，a n dg e tt h er u l eo ft h ew e l l b o r eo u t p u t p o w e rc h a n g i n ga l o n gw i t ht h ew e l ld e e pa tt h ed i f f e r e n tf r e q u e n c y i tw i l l t a k eo nd i r e c t i o ns i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c ha n dd e s i g no fh e a t i n gp o w e r s u p p l yo f h e a v yo i lw e l li nd i f f e r e n tf r e q u e n c y t h em i d d l e f r e q u e n c yh e a t i n gp o w e rs u p p l ya d o p t s n oc o n t r o l l e d i i i r e c t i f i e ra n da c - d c - a cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y t h ev o l t a g et y p e i g b ts e r i e sr e s o n a n c ei n v e r t e rc i r c u i ti sd e s i g n e df o rt h eh o l l o wc e n t e r s u c k e rr o dl o a d t h ec o n t r o le i r e u i tu s e st h es c ma st h ek e r n e l t h ep o w e r m o d u l a t i o no ft h ei n v e r t e rc i r c u i ti sr e a l i z e db yp w mf a s h i o nt or e d u c et h e w a s t eo f t h ep o w e ra n di n c r e a s et h eh e a t i n ge f f i c i e n c y t h em a t hm o d e lo fh e a t i n go b j e c ti sb u i l tt ot h eh e a v yo i le l e c t r i c a l h e a t i n gs y s t e m i ti san o n - l i n e a r i t ) r ，b i gl a ga n ds t r o n gi n t e r f e r e n t i a lc o m p l e x c o n t r o l l e do b j e c t t h ei m p r o v e dp i dc o n t r o lm e t h o dw i t hs e l f - t u r u i n g o p t i m a lp a r a m e t e ri sd e s i g n e dt om a k et h es y s t e mh a v et h ea c c u r a t e t e m p e r a t u r ed o s e dl o o pc o n t r o la n di n c r e a s et h eh e a t i n ge f f i c i e n c yo ft h e p o w e rs u p p l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n d i t sa n a l y s i sa r eg i v e no u tt oc o n f l r m t h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo f t h e d e s i g n k e yw o r d s ：h e a v yo i lh e a t i n g ，m i d d l ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l y , p w m c o n t r o l ，i m p r o v e do p t i m a lp i dc o n t r o l i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 励7 年亏月；1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 寸溅闭 耳 加口7 年j 月： ，日 功7 年箩月乡日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 世界上稠油资源极为丰富，在世界油气资源中占有较大的比例，其 分布也十分广泛。我国稠油资源也十分丰富，仅探明的稠油储量就高达 十几亿吨，是世界闻名稠油田区之一。由于稠油在石油资源中所占比例 较大，因此如何开采稠油，使之成为可动用储量，是石油界一直探究的 问题。稠油由于其粘度高、流动性能差，甚至在油层条件下不能流动， 因而采用一般常规开采方法很难经济有效地开发。从2 0 世纪初开始，热 力采油已逐渐成为开采这类原油的有效方法。自2 0 世纪6 0 年代开采稠油 以来，稠油开采技术有了突飞猛进的发展“1 。我国的稠油资源的开发从 2 0 世纪8 0 年代开始迅速发展，随着石油开采技术的不断提高，这些特殊 油藏越来越引起石油工作者的重视。到目前为止，国内外对稠油和高凝 油开采常采用热采方式，稠油开采工艺可概括为：注入蒸汽、伴热水、 化学降粘、掺热稀油、热水射流和电加热等方法。1 。但大多存在着投资 高、生产效率低、不便管理等缺点，其中空心抽油杆电加热法具有加热 均匀、成本低等明显的优势0 1 。 稠油分布范围广，由于蕴藏有巨大的资源量而被世界产油国所重视。 随着热力开采技术的发展，开采规模在逐步扩大，产量在不断增加，稠 油热采在石油工业中已占有较重要的位置，热力采油已逐渐成为开采这 类原油的有效方法。 1 1 国内外研究概况、水平、发展趋势 由于有些稠油油藏埋藏较深、或含夹层多，使注蒸汽热损失大，或 者由于油层难于注蒸汽等原因，使得这些油藏不适合注蒸汽开采啪。油 藏电加热技术就是针对这些油藏的开采而设计开发的。其工作的基本原 理：在空心抽油杆中穿一根电缆，电缆的一端与抽油杆的底端通过接触 器相连，在电缆、空心抽油杆构成的回路中通入单相交流电，通过被加 热的电缆和空心抽油杆对稠油和高凝油的热传导使液体本身发热，实现 加热降粘。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 电源频率不同，加热效率相差很大，直接关系到采油成本。目前主 要有工频加热电源和中频加热电源两种稠油电加热电源。 工频加热电源采用5 0 h z 工频，加热电压2 0 0 v 至8 0 0 v 分段可调，由于 频率低主要利用加热电缆和抽油杆通过热传导方式对稠油加热。中频加 热电源采用5 0 0 h z 2 0 0 0 h z 变频电源，加热电压5 0 0 v - 1 0 0 0 v 。当空心抽油 杆上通过中频交流电时，在加热电缆与钢质空心抽油杆之间建立起交变 磁场，由于趋肤效应产生涡流和磁滞损耗，从而产生大量的热量( 抽油 杆内电阻也发热) ，然后再通过钢质空心抽油杆将这些热量传递给稠油。 国外石油储量大的国家，因其资源丰富且开采稠油成本高、风险大， 尚未将开采稠油列入议事日程。因此打出的稠油井，除部分为满足工 业生产进行开采外，一般是采用封井的办法，暂时搁置，不进行开采， 所以在油田用变频加热电源及油温控制装置方面的研究较少。采用空心 抽油杆电加热技术实现稠油开采是国内近年来兴起的新技术；西方国家， 特别是稠油开采大国，在稠油开采理论和基础研究方面不断加大力度， 也促进了稠油开采技术的不断发展。经调研表明国内关于用于钢铁加热、 熔炼、弯管等方厦的中频、高频加热电源的研究及产品较多，目前关于 油田用变频逆变电源的研制已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓 了较为广阔的应用市场。 由于石油需求的逐年增加，稠油开采量越来越大，而且该电源同样 适用于原油管道运输加热”1 ，因此新型高效油田用大容量中频变频电源 的研制和应用是一个具有巨大发展潜力和广泛应用前景的研究领域。它 对于提高石油行业经济效益，增强竞争能力，发展石油生产建设，都具 有十分重要的意义。 1 2 空心抽油杆工频电加热存在的问题 空心抽油杆单相工频电加热技术，是9 0 年代初由辽河石油勘查设计 研究院开发的一种解决稠油和高凝油开采问题的加热技术。在当时，该 项技术的开发对稠油和高凝油的开采带来了很多的方便。从生产的角度 看，仍是稠油和高凝油开采的重要工艺手段之一，这虽然对稠油和高凝 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 油的开采带来了很大的方便，但是采用工频加热还存在着一些明显的不 足之处： ( 1 ) 加热效率低 由于空心油杆加热采用5 0 h z 频率，主要利用电阻热功率对稠油和高 凝油的热传导在加热，集肤效应，涡流效应微乎其微，热效果差，耗电 非常严重。 ( 2 ) 易导致三相不平衡 由于负载是单相的，一般采用单相交流电加热，极易导致用电三相 不平衡，若大面积集中使用，将威胁到电网的安全运行。 ( 3 ) 操作不方便 通过改变变压器的绕组抽头来调节电源的输出功率，功率不能连续 可调，电压等级的接头必须有专门的人员操作，调节时需要停杌& ：并且 功率因数比较低。 由于目前空心抽油杆单相工频电加热存在的种种弊端，严重影响了 稠油开采的经济效益和社会效益。现在的一些油田用中频电源也在不同 程度上存在很多技术问题。它们能够克服电网电压不平衡，较工频电加 热有一定的节能效果，但是现在的许多中频电源本身存在着很多技术问 题，没有根据不同频率下井筒功率的分布来进行电源频率的调节；没有 形成温度闭环控制及采用并行之有效的控制方法；不能根据负载的变化 自动调节电源的输出频率、功率等参数，从而不能实现温度的精确控制， 使系统达不到最佳的节能效果。 1 3 新型中频电加热的特点 本文研究的稠油中频变频加热电源装置，利用中频感应加热”1 的原 理，采用空心抽油杆电加热工艺，较工频电加热技术具有以下特点0 1 ： ( 1 ) 加热效率高 一方面，利用电阻热功率对稠油和高凝油的热传导加热：另一方面 提高了加热电源的输出频率，集肤效应，临近效应，涡流加热效果明显 提高了加热功率。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 2 ) 对电网污染小 中频电源采用工频三相3 8 0 v 电源的平衡输入，采用交一直一交变频技 术，采用三相不可控整流、直流滤波、单相逆变变频技术，由于直流环 节的隔离电抗和电容作用，使电源三相负载对称，对电网波形污染小， 克服了电源三相负载不平衡问题，提高了系统的功率因数。 ( 3 ) 提高设备的有效容量的利用率 本加热装置可以与抽油机电机共用l 台三相变压器，可以提高设备有 效容量利用率，从而节约了设备容量费，而且提高设备的运行效率，同 样也可减少生产成本。 ( 4 ) 控制性能优越 控制系统采用基于单片机的温度闭环控制系统，并设计具有最优p i d 参数自整定的控制器，输出采用脉宽调制( p w m ) 控制，控制特性的稳定 性好，动态调节过程比较快，具有很强的抗干扰能力。通过改进的最优 p i d 参数的自整定来适应对象的参数变化，更能达到理想的控制效果，实 现了油温的准确控制，可靠性高，从而提高加热效率，达到节能降耗的 目的。 1 4 主要研究内容 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 对国内外稠油油井加热技术的现状及原理进行了深入的分析和 研究；采用分布参数电路模型对不同频率时油井井筒电加热的功率分布 进行了理论研究，并得出了井筒输出功率在不同频率下随井深变化的规 律，对于在不同频率下对稠油油井加热电源的研究和设计具有指导意义。 ( 2 ) 对稠油油井中频加热电源的主电路及必要的保护电路进行了设 计，并完成了单片机控制电路的设计及相关功能的软件设计。 ( 3 ) 对稠油油井中频加热电源井口温度的控制方法进行了研究和对 比分析，针对稠油油井电加热这一非线性，大滞后及强干扰的系统并设 计了改进的最优参数自整定p i d 控制方法，通过仿真实验和对比验证了 该控制方法的有效性。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 论文的创新点主要有： 采用分布参数电路模型对稠油油井电加热井筒的功率分布进行了理 论研究，并得出了井筒输出功率在不同频率下随井深变化的规律，从而 证明了提高加热频率可以有效避免低频时加热功率近似平均分布造成在 井底温度过高造成的能量损失。 针对稠油油井电加热这一非线性，大滞后及强干扰的系统，设计了 改进的最优参数自整定p i d 控制方法，能够缩短稠油油井加热系统的调 节时间，有效抑制系统的超调量。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 2 1 中频电加热原理 大块的金属相对于磁场运动或处于变化的磁场中，金属内部要产生自 行闭合的涡旋状的感应电流，这种电流叫做涡电流简称涡流。 f 3 闹 、，- - _ d _ ， 图2 - 1 趋肤效应原理图 在直流电路中，导线横截面上的电流密度是均匀分布的。但在交流 电路里面，随着频率的增加，导线截面上的电流分布越来越趋向表面集 中，这种现象叫做趋肤效应0 1 。 严格的说，趋肤效应本质是衰减电磁波向导体内传播引起的效应， 属于电动力学的内容。但在趋肤效应不太显著的情况下，可做粗略的说 明。图2 - 1 是一圆柱型导体，当导体中有电流i 流过时，磁场在导体中 产生涡流i o ，如果分析一下两个电流的瞬时方向就会发现，在一个周期 的大部分时间内，轴线附近i 与1 0 方向相反，表面附近i 与i o 方向相同， 于是在导体截面上电流密度的分布将是边缘大于中心的，从而产生趋肤 效应。趋肤效应使导体的有效截面积减小，从而使它的等效电阻增大“”。 本课题也是利用了抽油杆在高频时的趋肤效应来提高加热的电流， 加大加热的功率从而可以是原油在比较快的时间内加热到预定的温度。 对于本系统来说当导线从铁磁钢管的中间穿过并与钢管连接形成回路 时，通一交流电时，绝大多数电流集中在钢管的内表面通过，而钢管的 外表面几乎没有电流通过，也被称为内趋肤效应，产生这种效应的原因 是钢管的内径很小，导线与钢管的内壁距离很近，在磁通和邻近效应的 作用下，电流驱向两个导体邻近的一面。由于加热电缆在趋肤效应的作 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 用下电流趋向外表面流动所以对于空心抽油杆来说就趋向内表面流动， 同样也相当于是趋肤效应的作用结果。因此也可以利用空心抽油杆的趋 肤效应来提高其电阻达到提高加热效率的目的。 如果有若干个载有交流的导体彼此相距较近时，则每一导体不仅处 在本身电流产生的电磁场中，同时还处在其他载流导体产生的电磁场中， 因此，每一个导体的电流分布与只有单一导体时不同，这种效应称为邻 近效应。设有一单根导线，其中通以正弦交变的电流，由于集肤效应， 电流主要集中在导体的表面附近。如果在其相邻近处有另一根载有相同 方向的正弦交变电流的导线，则将使两导线之间内侧的电磁场减弱，而 使外侧的电磁场加强。因此，两导线外侧的电磁场量和电流密度比内侧 的大，从而使电流的分布更趋向于不均匀“，使导线的有效电阻变大， 如果两根相邻近的导体载有相反的正弦交变电流，则使两导线之间内侧 的电磁场增强、而使外侧的电磁场减弱。这样，电磁场量和电流密度将 集中在两导体相对应的内侧。 2 2 空心抽油杆电加热的工作原理 空心抽油杆是开采高粘、高凝、高含蜡原油的采油装备【1 2 】。可通过 杆体的中心孔道向油井内注入热载体( 热油、热水、热气) ，化学药剂或下 入电缆加热以达到降粘溶蜡，从而提高原油流动性，改善“三高”原油 的开采效率。它具有很多的优点：可用于注水、清蜡、冲砂和分层采油； 增加柱塞有效行程，提高泵效，增加产油量；减少修井及洗井次数，避 免高凝，高含蜡井堵井、死井等事故：它刚度大，承受扭矩能力强，结 构合理、密封可靠、机械性能d 级。 如图2 - 2 所示为中频电源装置的基本结构，基本加热原理是：特种 电缆由电缆引入器插入空心抽油杆内，与空心抽油杆形成回路。通电后 使电缆和空心抽油杆基本形成大小相等方向相反的电流，在加热电缆与 刚质空心抽油杆之间建立起交变磁场，空心油杆内壁就会产生趋肤效应， 使电流集中在管内壁薄层流过，从而大幅度增加交流阻抗。同时趋肤效 应产生涡流和磁滞损耗，从而产生大量的热量，然后再通过刚质空心抽 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 油杆将这些热量传递给原油。由于加热体在油管内部，故产生的热量随 时被所举升的介质( 油流) 带走，实现了对油管内部原油的全过程加热。 原油的正常开采过程中，电费是主要的生产成本，随着各大油田对节能 降耗、挖潜增效的呼声越来越高，如何最大限度地提高投入产出比，已 成为一项首要考虑的课题。 图2 - 2 空心抽油杆中频电加热示意图 中频加热电源采用5 0 0 h z 2 0 0 0 h z 变频电源，加热电压5 0 0 伏至1 0 0 0 伏。当空心抽油杆上通过中频交流电时，在加热电缆与钢质空心抽油杆 之间建立起交变磁场，由于趋肤效应产生涡流和磁滞损耗，从而产生大 量的热量，然后再通过钢质空心抽油杆将这些热量传递给稠油。 中频加热电源根据趋肤效应原理，如果导体的相对导磁率为常数， 则电流透入深度“”可根据下式计算： 厂 a = 5 0 3 0 f ( c 呐 ( 2 1 ) v 以， 式中；趋肤电流透入深度；1 1 广嘲管的相对导磁率； p 钢管的电阻率；f 一交流电源的频率。 由于透入深度的影响，在一定的相对导磁率、磁场强度情况下，电 源的输出频率越高，趋肤效应越强，电流在导体中的流过的截面积越小， 电阻就越大，根据焦耳一楞茨定理可有：w - - 1 2 r t ，从而看出工作频率的提 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 高使得空心抽油杆的趋肤效应强度增加。因此，在相同数值的电流作用 下，负载所获得能量就增高，从而可以提高加热效率。 2 3 用分布参数模型研究井筒电加热功率分布 稠油从油层流到井底，再由井底举升到地面是一个降压、脱气、降 温、变稠的过程。油井生产时油流从井底向井口的流动过程中，温度是 逐渐降低的。温度降低的因素主要有两个：一个与地温梯度有关，即油流 上升过程中由于地层温度是逐渐降低的，因而油流通过油管和套管不断 把热量传给地层，使油流本身温度降低。另一个因素与稠油中气体析出 有关。当气体从稠油中分离出来时，体积膨胀，流速增加，因而需要吸 收一部分热量，使稠油本身温度降低。对应用广泛的有杆抽油井而言， 在开采稠油时，由于粘度过高，含蜡量大，使得油管的油流通道减小， 抽油杆柱的上、下行阻力增加，严重时会使抽油杆卡死在油管中，甚至 造成抽油杆断裂的井下事故。此外，对于油层温度较低的井，在抽油泵 固定阀、固定阀罩及其以下部位由于压力低，在生产过程中也容易形成 堵井，而要被迫进行修井。 稠油对温度有较强的敏感性，即当稠油的温度达到一定值后，。其粘 度将随着温度下降而急剧上升，迅速稠化，把这个定值温度称为稠油的 拐点温度。对于不同类型的稠油，其拐点温度不同，拐点对应的粘度不 同。要使稠油井在自喷或举升过程中，能具备较好的流动性，要求在自 喷或举升过程中油流温度要保持在拐点温度以上，保证油井的正常生产。 稠油的开采过程中的困难，由于稠油的性质造成开采中的井下事故及其 费用，会使采油成本大幅度上升。因此，对井筒电加热功率分布的研究 对于减小井下事故的发生及降低稠油开采成本具有重要意义。 2 3 1 负载的等效电路 由于要研究井筒加热功率的分布情况，因此不能用集总参数电路的 模型来计算电路的特性，因此采用分布参数电路模型。在传输线中，电 流在导线中的电阻中引起原线的电压降，并在导线的周围产生磁场，即 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 沿线有电感的存在，变动的电流沿线产生电感电压降。所以导线间的电 压是连续变化的。另一方面，由于两导体构成电容，因此在线间存在电 容电流，导体间还有漏电流，故还有电导电流。这样沿线不同的地方， 导线中的电流也就不是相同的。特种加热电缆置于空心抽油杆内部并贯 穿稠油井全长，其系统的等效电路模型如图2 3 所示。 f 焉出厶出f + 芸出 图2 - 3 系统的等效电路模型 设单位长度的传输线的参数为： 风一单位长度的o g e t h i m ；厶单位长度的电感h i m ； c o 一单位长度的电容f i m ；g o 单位长度的电导s i m 。 2 3 2 井筒电加热功率分布理论研究 如图2 - 3 所示，设无穷小的长度元为出，每一长度元威具有电阻 r d x 和电感厶出，而两导线间具有电容c o 出和电导g o d x 。这样就构成 了如下的电路模型。设在出左端的电压和电流为“和i ，在出右端的电 压为“+ 娑斑和电流为f + 昙出， 根据k c l 定理，对于节点b 有： f 邓+ 磊o id x ，- = g o ( u + 豢+ c o 昙 + 罢出冲( 2 - 2 ) 对于回路a b e d a 应用k v l ，则有。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 加( 料a x ) = r o i a r 4 - 厶誊出( 2 - 3 )讲 不考虑二阶无穷小量并消去出后，得到下面的方程： 一耄2 r “。厶罨 ( 2 4 ) 一罢= g o 针c 0 警 实际电路中负载主要是空心抽油杆由集肤效应、涡流效应、邻近效 应产生的阻抗和感抗以及加热电缆铜线产生的阻抗和感抗，以及由它们 互相作用产生的电容和电感。 根据图2 - 3 电路模型和均匀传输线在始端电源为正弦时间函数时电 路的稳态分析有“： u = 4 p 一捧+ a 2 e 芦；j = 蜀p 一声+ b 2 e 捧； 舯 弘辰朋，2 丢，易一乏 由初始条件始端距离为x = 0 处的电压u = w , e 慨，末端x = ，处吹= o 由边界条件可以得到： 驴l = a l + a 2 ，o = 4 p 一“+ a 2 e “； 解得： 一。= 南爿：= 丁_ = ；耳r ； 因此有： d = 南e - w + 尚九 k 煮e 一一d 由于，= 口+ 伊，设u o = a 1l ，w 刊4l ，有： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 4 l = la lle 9 + = u ；e 押+ ， a2 = i 彳2lp 9 = ui p 9 一； o = u ：ei 9 e + uo - ej 9 e l = u ：e 一“ei t 9 1 一。1 + u ；e ”e jl 9 。p 1 1 从而有： ，：堕e pm + 讪) 一堕e 一e m 一似) ，= ! q 一口f p ，( 矿+ 一，j ) 一! q 口j ，( p 一+ ，) z 。z 。 化为时间函数形式，得： t l = 一2 u ：g - 。c o s ( c o t p x + 9 、) + 4 2 u o e ”c o s ( c o t + 母x + f o 一) 设i z 。l 和护为z 。的模和辐角，有： b 箐“卜肚训 。一u ； i z 。i t4 - ；bx + 妒。一8 、 因此有功率： p = ；r ，2 r o d x 西 = 季f 箐( 簖e - t = c o s 研嘶一簖e 。u c o s 缸嘶矿啪 2 等f ( m 4 一饵嘶枷婀删嘶2 毋 2 酉r o - d x 【簖) 2 e - 2 4 + ( ) 2 产一2 w c o s ( _ 2 厣+ 矿一矿一) 】 其中： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 f ( ( u j e 一“c 。s ( 耐一肚+ 矿+ 一口) ) 2 + ( u i e “c 。s ( c o t + i x + p 一一p ) ) 2 ) d r = ( w ) 2 e - 2 “fc o s ( c o t 肛+ 伊+ 一口) 2 a r t + ( w ) 2 e 2 “fc o s ( r o t + 犀x + 矿一一目) 2 d t = ( w ) 2 c - 2 a g l i r + 石1 s i n 2 一肛+ 矿一咄) + ( u d 2e 2 , = 、t 2 。+ 石1s i l l 2 + 摩+ 伊- - e ) o = ( w ) 2 e - 2 a = l - t + 去( s i n 2 ( r o t 一肛+ 矿一s i n 2 ( - f i x + 矿帼) 】 + ( w ) 2 e 2 a t 百t + 去( s i n 2 ( r + 摩+ q , - - a ) “n 2 ( p x + 尹一一例 = 吾( u d 2 e - 2 a = + 去( w ) 2 e - 2 a t s i n 2 ( 加胁卅 “n 2 ( 一肛+ 伊+ 帼】+ 三( w ) 2 + ( u i ) 2 p 2 “( s i n 2 ( r o t + 皿+ 妒一一口) 一s i n 2 ( 摩+ f o 一- o ) ) 珥 下巾 = 冬( u ；) 2 e 4 “+ 寺( u d 2 e 2 “ 而： f2 ( 酣p ”c o s 似一肛+ 矿一印( p “c o s 曰+ 胁+ 妒一一e ) d t ：f 2 w w 。主 。8 暇一肚+ 矿一印+ + 肛+ 妒。绷 4 + c o s c a 一胁+ 妒+ 一9 一( c a + f i r + q , - 一印1 ) 西 = w f 【c o s t ：址+ 矿+ 妒一一聊+ c o s ( - 2 胁+ 矿一o o - ) d t = w 。蛎。荔1s i n o x a + 矿+ 矿一2 纠：+ w w r c o s ( - 2 肛+ 矿一伊一) = w ；一 s 如( 2 c 盯+ 矿+ 伊一一2 d s i n + + 矿一2 d 】 倒 + w 蛎t c o s ( - 2 + 矿一矿) = u 2 u ：t c o s ( - 2 k + 矿一p 一) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 同样可以假设x = ，一x ，转换为以井底为零点，则有： 驴= a i p 一7 7 一。+ 彳2 e 7 卜。j = 曰1 e 7 一。+ b 2 p 7 一。； u p ：c ，= a 1 e 一”+ a2 p p ，= b l 口一 + b2e7 r ； 由初始条件，始端距离为x = ，处的电压驴，= u ，e j ，o ，末端，= o 处晚- - 0 由边界条件可以得到：o = 4 + 爿2 ，d 1 = a l p 一”+ a 2 e ” 解得：彳j = 爿= 蕊- 丽u i 因此有； 爿：= 歹= 嚣面u 1 两； 驴一二型! p 刮+ 型! p 2 s i n h ( r t )2 s l a b ( y ) j ： = 堡 e 叫一 堡 ： 2 s i n h ( f 1 ) 乙2 s i n h ( f 1 ) 乙 从而有： j = _ ；旨c o s h ( ) ； s i n h ( ) z 。 一 ，2 ：堕c o s h ( 2 a x ) + c o s ( 2 , b x ) ： 刚2 e o s h ( 2 a 1 ) 一c o s ( 2 p 1 ) 。 肚m。dx=学丽eosh(2ax)+cos(2fix)； 特种加热电缆置于空心抽油杆内部并贯穿稠油井全长，根据负载电 路模型，假设特种电缆长度为1 2 0 0 m 。电缆芯为铜，外壳为钢。铜芯半 径、钢壳内径和钢壳外径分别用1 i 、1 2 和1 3 代表。由于特种电缆长达l ( m 数量级，因此选用图2 3 分布参数电路模型。对于均匀材质制成的特种 电缆。圈2 - 3 中各审j 阳信、各电感量和备电容量均相等( 一般忽略漏电 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 流g o 的影响) ，分别设为r o 、k 和c o ；r o 、l o 、c o 三个量中，c o 仅取 决于电缆结构和材料。然而在交流电流作用下，电缆中存在趋肤效应、 涡流效应、和磁滞效应，因此，硒和h 不仅取决于电缆结构和材料，还 取决于电源频率“”，即： l r = 届积，r 2 ，r 3 ，岛，岛，h ，肫，力 厶= 巧瓴，r 2 ，r 3 ，局，岛，“，段，力( 2 5 ) l c o = e g ，r 2 ，晏) 式中：p1 ，p2 分别为铜和钢的电阻率；肛l ，1 1 2 分别为铜和钢的磁导 率；e ，为相对电容率；f 为电源频率。因此，在电缆的材料和结构一定 的情况下，c o 的大小将被确定，而和k 为f 的函数。 选用电缆铜芯半径：r l = 3 5 m m ；抽油杆内半径：r 2 = 1 0 r n m ；绝缘材 料er = 3 8 8 ，从而有： g ；翌盟：2 0 5 6 9 p f 柳； l n 口) 其它参数测量与计算结果如表2 1 。 表2 - 1 相关参数测量与计算 频率( h z ) a ( x 1 0 4 )p ( 1 0 _ 6 ) r o ( n m ) 1 0 一工0 ( ，村，m ) 1 0 。 5 0 08 o4 3 7 51 72 3 7 1 k9 03 1 2 52 3 14 o 2 k1 1 o1 8 6 2 53 6 56 1 9 将以上参数代入，得出在不同电源频率下，电缆各段功率随井深变 化规律，通过m a t l a b 编程实现仿真曲线如图2 - 4 所示。 其中，图2 - 4 ( a ) q b 变量p 为电缆各段的发热功率，p 0 为井口处电缆 段的发热功率。图2 - 4 ( b ) 中变量p 为电缆各段的发热功率，p o 为井底处 电缆段的发热功率。在电加热频率较高时，电缆功率分布取决于分布参 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章空心抽油杆电加热功率分布理论研究 ( a ) p o 为井口处电缆段的发热功率( b ) p o 为井底处电缆段的发热功率 图2 4 不同频率下功率随井变化的曲线 数( 其中g 很小，可忽略) 和电源频率。 油井生产时稠油油流从井底向井口流动的过程，是一个降压、脱气、 降温、变稠的过程，温度是逐渐降低的。因此在电加热过程中，期望加 热的功率分布从井底到井口成逐渐升高的趋势。通过不同频率加热功率 随井深变化曲线可以看出，功率分布随井深按非线性变化，增加电源频 率可提高使井筒各段发热功率在井底的加热功率明显降低。要保证油井 的正常生产的情况下，只要保证油流温度要保持在拐点温度以上。提高 加热频率可以有效避免工频时加热功率近似平均分布造成在井底温度过 高造成的能量损失。因此提高加热频率，能够在保证油流温度在拐点温 度以上的情况下，提高加热效率，降低加热成本，达到节能降耗的目的。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章中频加热电源主电路设计 第3 章中频加热电源主电路设计 3 1 电力电子器件的研究进展 电力电子技术的发展与电力电子器件的发展是相辅相成、互相促进 的，新的器件的出现开拓出新的应用领域，研制出新的装置，在新装置 应用中又根据实际情况对器件提出新的要求，促进新器件的更新与改造。 电力电子器件的发展过程自5 0 年代末晶闸管问世以来，电力电子器件便 登上了现代科技舞台。五十年代初，普通的整流器件可控硅( s c r ) 获得 广泛的应用，但这种器件只能控制其开通，无法控制其关断，而且是流 控型器件，工作频率不高，在一些频率要求高的应用领域受到限制。于 是七十年代出现了可提高工作频率的场效应晶体管( m 0 s f e t ) ，八十年 代出现了可关断晶闸管( g t o ) 及压控型器件如绝缘栅双极型晶体管 ( i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 和功率场效应晶体管( v m o s ) 等，这些 压控型、频率高、电压电流大的高性能电力电子器件的出现必定促使电 力电子技术的迅速发展“”。 然而，s c r 毕竟是一种只能控制其导通而不能控制关断的半控型开 关器件，在交流传动和变频电源的应用中受到限制，如果不附加强迫换 流电路就无法应用，换流电路体积大、重、线路复杂，且关断时间较长、 效率低，开关损耗大，加之s c r 工作频率低，因而限制了它的应用范围。 7 0 年代以后陆续发明的功率晶体管( g t r ) 、门极可关断晶闸管( g 1 o ) 、 功率m o s 场效应管( p o w e r m o s f e t ) 、绝缘栅极晶闸管( i g b t ) 、静电感 应晶体管( s i t ) 和静电感应晶闸管( s i t h ) 等，现在统称为第二代电力电 子器件或功率集成器件，它们的共同特点是既控制其导通，又能控制其 关断的全控制开关器件，由于不需要换流电路，故体积、重量较之s c r 有大幅度下降。 i g b t 是8 0 年代中期问世的一种新型电力电子器件，是由m o s f e t 和 g t r 技术结合而成的复合型器件，由于它兼有m o s f e t 的快速响应、高 输入阻抗和g t r 的低通态压降、高电流密度的特性，另外其热稳定性好， 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章中频加热电源主电路设计 所需驱动功率小且驱动电路简单。i g b t 为栅极电压控制，驱动功率小； 开关损耗小，工作频率高；没有二次击穿，不需要缓冲电路，是目前等 功率电力电子装置中的主流器件“”。i g b t 器件弥补了晶闸管的缺点，一 方面使逆变电路工作频率提高；另一方面使逆变电路工作频率既可大于 负载自然谐振频率进行负载换流，也可小于负载自然谐振频率进行强迫 换流，故可使逆变电路工作在近谐振状态，负载功率因数可大为提高。 3 2 中频加热电源主电路的结构 随着电力电子技术的不断发展和实际工业生产等应用领域中的不同 要求的提出，加热电源发展出了多种不同的种类形式。但总体上来说， 主电路一般采用交一直一交变频电路，由整流电路、逆变电路、负载电路 和保护电路组成，感应加热电源包括以下几个组成部分： ； ( 1 ) 整流器( a c d c ) ( 2 ) 滤波环节( f i l t e r ) ( 3 ) 逆变器( d e a c ) ( 4 ) 谐振回路及负载( r e s o n a n t 悄k ) ( 5 ) 控制及保护环节( c o n t r o la n dp r o t e c t ) 中频加热电源一般是把5 0 h z 交流电经过整流器、滤波器和逆变器， 变换成负载所需频率段的电压或电流，滤波器则用电容或电感以满足逆 交器的工作要求，逆变器则由于不同的电源( 中频、超音频、高频) 而采 用不同的电力电子器件及电路。逆变器采用i g b t ( v i - v 4 ) 组成的h 桥逆变 电路。通过桥路对角线的两组i g b t 模块交替导通与关断，使得在负载通 路中流过所需频率的交流电。 根据目前采油井场三相四线制的供电模式，钢质空心抽油杆感应电 加热系统的工频电源由于三相不平衡，对电网产生污染。以i g b t 为核心 的中频电源，采取的整流、逆变方式，三相平衡，对电网不产生影响； 可以通过调节频率及占空比，从而任意调节输出功率，满足用户的不同 需求。 感应加热按其应用频率的不同可分为中频、超音频和高频，中频一 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章中频加热电源主电路设计 般是指4