大口径长距离管道管中频供热系统的研究与应用

大口径长距离管道管中频供热系统的研究与应用

1感应加热系统设计焊接和可靠性钢长输送线的焊接和预处理已成为保证焊接质量的必要工艺。国内管道施工焊接前管口预热长期沿用传统的火焰加热方式,该方式预热升温效率低,温度不均匀,受气候条件影响大,与现代大规模工业化管道施工极不相称。感应加热具有速度快、效率高、加热均匀、无环境污染、易于实现自动化的优点。近年来,随着电力半导体技术的发展,对感应加热装置产生较大的影响,无论是设备外观还是内在的电路结构都更加简单和单一化。为适应西气东输大口径长距离管道优质高效建设的需要。采用电力半导体元件研制了大口径高强度钢管道管口中频预热设备。2大口径钢管焊口预热感应加热器设计大口径高强度钢管道中频预热设备由中频加热电源和电磁感应加热器组成。大口径钢管焊口预热设备采用电磁感应集肤效应原理对管口预热,晶闸管中频电源是一种将工频50Hz交流电变为中频500～1000Hz交流电的静止式变频装置。三相电源经空气开关至三相全控整流桥整流后,经电抗器滤波和隔离,将直流电压输出到逆变器。逆变器由快速晶闸管、感应器、中频电容器等组成,逆变器输出中频电压。整个控制电路从功能上分为整流触发部分、调节器部分、逆变触发部分、启动演算部分。负载感应线圈与中频电容器组成并联谐振回路。大口径钢管焊口预热感应加热器原理见图1。电磁感应加热器有2种形式:(1)无断点感应加热器,在开合处,导线各匝可以断开。感应加热器本体在管口部位开合自如,线圈两端输入中频交流电,电磁感应产生涡流对管口进行预热。感应线圈借助框架左右行走轮沿管壁轴向移动。(2)有断点感应加热器,开合部位采用触头开关,通过安装在加热器桥架上的气动缸实现开合。在管线移动作业时,可撑开120°以通过施工现场管墩等障碍物。感应加热器结构见图2。3工艺及施工技术大口径钢管管口预热设备与常规电磁感应加热设备相比,在技术上取得多项突破和创新。(1)选择整体设计方案,确定中频电源频率、设备动力匹配适应管道焊口预热的施工技术要求,使设备升温能力达到60℃/min,每道Φ1016mm焊口在2min内升温达到120℃,额定功率为50kW.(2)采用风冷技术,使设备结构简化,体积小、重量轻。(3)实现了与管道施工综合电站的配套,达到一机多用,满足了机械化作业的要求。(4)电磁感应加热器采用三段式结构及无断点技术,操作方便,开合自如,不受管墩等障碍物的影响,可在管线上移动作业。3.1实现动态响应及仿真为优化确定合理的技术方案,根据管道焊口预热对加热温度、升温速度和加热时间的要求。对感应器在热量传导和对流散失后所需的净热量参数,用不同的电源和不同的感应器,对管道系统的电效率进行了计算。采用计算机软件对感应器-管道系统进行仿真和辅助设计,并在中威实验室进行了感应加热实验和校核。确定该中频的最佳额定功率和额定工作频率,结果表明:该装置对管道焊口的加热能力达到60℃时,每道Φ1016焊口在2min内升温达120℃,符合管道焊口施工的技术要求和生产需要。3.2电容器在工作过程中能耗的变化中频电源的风冷化主要是指中频电源的整流、逆变组件、电抗器、中频变压器及中频电热电容器等关键部件的风冷。其风冷设计可通过降低铜耗(减少电流密度),减少铁损,增大通风散热面积来实现。中频电热电容目前只有水冷式的,根据多年实践经验,解决了电容器的风冷问题。电容器在使用过程中要消耗电能而发热,单位时间消耗的电能由下式计算:P=ω·C·V2·tgδ式中:P为电容器耗能功率;ω为电容器工作角频率;C为电容器的电容;V为电容器工作电压;tgδ为电容器材质能耗角的正切值,tgδ是由材质本身性能决定的,不随电容器运行参数变化而变化。从上式可以看出,降低电容器的工作电压、工作角频率,减少电容器的电容使用量都可以减少电容器的能耗,也就降低了电容器的发热量和散热负担。利用电容器的这些性能,把水冷电容器改为自然冷却,经室内试验和现场应用,符合管道施工预热对中频电源的性能要求。3.3u3000jpf-a中电源KGPF电源是国家电路行业通用的可控硅中频电源,该中频电源的质量约800kg,箱体尺寸为1620mm×850mm×1820mm.而KGPF-A中频电源的质量约240kg,箱体尺寸只有700mm×600mm×900mm,相当于一个较大的电焊机,可以很方便地安装在自行研制的GS电站上,成为车载式中频电源。KGPF-A中频电源体积小、重量轻,与电焊机同车,在野外施工更机动灵活。为减少KGPF-A中频电源的质量和体积,采用了以下技术:首先是利用一个三相整流模块代替了6只整流可控硅管,利用2只IGBT管代替4只逆变可控硅管,实现了整流、电压调节和逆变;其次是适当配备电容,用高导磁材料代替笨重的硅钢片铁心。采用这些措施使整机布置合理,电源的质量和体积得到减少,效果十分显著。3.4自动启动加热通用的中频电源每次启动,都要操作调功电位器,把电源输出功率调到需要值。而KGPF-A中频电源,可根据管口温度要求,调试并锁定时间设定值和调功电位器的位置,在以后的同种管口预热中,只需按动启动按钮,电源就会自动启动到预定功率,达到预定时间(管口达到预定温度)后,自动断电停止加热。这样既简化了操作,又消除了人为操作调功电位器造成的快慢差异对管口温度的影响,同时又可以实现在电源处、管口处两地操作。3.5igbt具有高形成测量公式由于KGPF-A中频电源采用了全波不控整流和大容量电容滤波,使其具有高功率因数,其值约为0.95。工作时,IGBT逆变管交替导通,由于IGBT处于近饱和状态,管压降很小;IGBT换向几乎没有能量损失,因此,IGBT逆变效率比可控硅逆变高。3.6电磁感应加热器大型化设计的基础中频电源所配备的管口预热电磁感应加热器是在DGRF加热器的基础上改进而成的,该电磁感应加热器是专为西气东输设计的,实现了大型化。它适用于管径为1016mm的各种壁厚的高强度钢管,是目前国内应用于管道施工最大的电磁感应加热器。3.7无断点加热器的关闭环行中频电磁感应加热器一般设计为有断点开合式,在加热器打开时,加热器的绕组也必须断开。目前无断点加热器的框架设计基本上采用了有断点开合式加热器的框架型式。两种加热器的根本区别在于:无断点加热器的绕组的设计在开合处始终不连接,在加热器打开时,加热器的开合不影响加热器绕组的完整。有断点开合式电磁感应加热器操作较为烦琐,每加热一道口,必须先把加热器开关闭合(如断开点接触不良,断开点发热易出故障),加热后,等加热器绕组的电流安全消失后再把加热器断开(为防止绕组电感放电伤人,不允许带电打开加热器)。每道管口加热都要重复上述操作。无断点开合式电磁感应加热器,只要将加热器放到管口处,加热器就会自动闭合,开始加热,并在到达需要的温度后自动断电,停电后就可以把加热器移动。此加热器无断开点,减少了维修量,简化了操作,提高了安全可靠性。3.8合式电磁感应加热器磁场不集中,加热范围过大,超出管口预热范围,是以往各种电磁感应加热器热能利用率低的主要原因。而无断点开合式电磁感应加热器,密集绕组的导线,集中了加热器的磁场,把加热范围合理集中,充分利用电能,使热能利用率显著高于以往任何一种电磁感应加热器。在结构设计上,在满足管口预热工艺要求前提下,把加热器的间隙设计到最小。这是无断点开合式电磁感应加热器高效的另一原因,也是减少KGPF-A中频电源容量、体积、质量的原因之一。4设备的技术标准4.1功率及功率输入电压为380V,输入电流为100A,功率为50kW;输出电压为380V,输出电流为800A,频率为2.5～4.0kHz.4.2磁体电磁干燥器的电气参数额定电压为380V,额定电流为800A,适用频率为1.0～4.0kHz;暂载率为5∶1,允许管体温度为180℃.5管口焊接前预热中频电磁感应加热应用于管口预热,在国外已经广泛使用。在国内管道施工建设中,中频发电机组感应加热技术也先后在多条管线中被采用。可控硅大口径高强度钢管管口中频加热设备已成功应用于西气东输管口焊接前预热。推广应用情况如下:2001年10月,推广4台成套设备,胜利油田油建一公司用于西气东输27标段施工。现场反馈加热均匀,加热时间短