一、前言
    在我國石油開(kāi)采中，稠油井的比例占相當大一部分，這類(lèi)井原油粘度高、 凝固點(diǎn)高、密度大、含蠟量高，難以開(kāi)采。目前國內外開(kāi)采這類(lèi)油井的最廣泛,效果最好 的采油工藝技術(shù)是稠油熱采。采用空心桿電加熱工藝技術(shù)，對油管內的原油進(jìn)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(dòng)性。有效的解決高凝、高粘、高含蠟原油開(kāi)采過(guò)程中遇到的各種技術(shù)難題，達到油井增產(chǎn)、增效的目的。
    以前的空心桿加熱技術(shù)，采用工頻加熱，因負載為單相，需要有一個(gè)獨立的 變壓器，將三相輸入變?yōu)閱蜗噍敵?，造成三相電網(wǎng)的不平衡，功率因數低，電能消耗大， 對電網(wǎng)的污染大，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(jìn)的 加熱方式，以提高功效，增強加熱效果。經(jīng)過(guò)多方試驗，采用現已掌握的較成熟的變頻 技術(shù)，為該加熱裝置提供一種新的變頻電源—PI7800MF 系列中頻加熱電源。該設備可 提供 260——1500Hz 的頻率，實(shí)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，由于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于工頻電源,節能效果達到 20%以上，大大地降低了采油生產(chǎn)能源的消耗。
二、空心桿電加熱裝置工作原理如下圖所示：

 

    空心抽油桿電加熱裝置在空心抽油桿內下入加熱電纜，使空心抽油桿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(guò)導體時(shí)，電流會(huì )聚集于導體表層，而非平均分布于整個(gè)導體的截面中，電流集中在導體表面流過(guò)，這種現象叫集膚效應。
    當鋼管中穿過(guò)電纜形成回路并通過(guò)交流電流時(shí)，鋼管截面中電流主要集中在鋼管內表面，此現象稱(chēng)為內集膚效應，而鋼管的外表面幾乎沒(méi)有電流通過(guò)，空心桿外壁可視為絕緣體，這種現象不僅隨著(zhù)頻率的增高而明顯加強，而且還隨著(zhù)導體半徑、磁導率和電導率的增高而表現的更加顯著(zhù)。電加熱抽油桿就是利用內集膚效應工作的，由于空心抽油桿的交流阻抗遠大于導線(xiàn)的電阻，空心抽油桿為主要發(fā)熱體。
三、PI7800MF系列中頻電源工作原理如下圖所示：

主電路圖如下圖所示：

    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(jīng)過(guò)三相全控整流橋整流成 電壓可調的脈動(dòng)直流，再通過(guò)電容將脈動(dòng)的直流電濾波變成光滑平穩的直流電送到單相 逆變橋，最后通過(guò)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。
四、產(chǎn)品性能特點(diǎn)
1、采用 32 位美國德州儀器 TI 公司專(zhuān)用控制芯片 DSP，控制系統性能增強，電 路簡(jiǎn)化，負載適應性強。實(shí)現電源控制的全數字化，智能化。
2、采用先進(jìn)的大功率絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）作為功率開(kāi)關(guān)器件，逆變 頻率可調。
3、具有相序自適應功能，無(wú)需鑒別進(jìn)線(xiàn)相序。 ? 輸出可進(jìn)行恒功率、恒電壓、恒電流控制。
4、采用零壓軟啟動(dòng),啟動(dòng)成功率高無(wú)沖擊。完全能夠滿(mǎn)足廣大熱加工行業(yè)用戶(hù) 的需求。
5、采用掃描式零壓?jiǎn)?dòng)方式和自動(dòng)重復啟動(dòng) 電路，啟動(dòng)成功率可達 100%。采用中頻電壓作為 取樣信號，無(wú)中頻電流互感器，輸出部分和負載的 連接不需區分極性。
6、人機對話(huà)的顯示界面，可通過(guò)鍵盤(pán)的選擇顯示工作頻率及電流，輸出脈沖的占 空比、電流變比等，并可顯示故障狀態(tài)及原因，使顯示更直觀(guān)，更易于操作。顯示與主 控板共用一個(gè)線(xiàn)路板，排列更緊湊，避免了信號傳輸過(guò)程中的干擾，工作更穩定。
7、控制電路采用電壓、電流雙閉環(huán)系統，并 設有阻抗調節器，逆變角調節器，使電源的運行更 加穩定可靠。
8、輸出電壓、電流連續可調，可以使加熱系統處于最佳工作狀態(tài)，能源利用 率高，節能效果明顯恒輸出電壓/恒輸出功率控制選擇功能。 ?輸出部分采用環(huán)形中頻變壓器，用于隔離輸入、輸出電壓，同時(shí)經(jīng)電容組與控 制柜輸出相連接，起到隔直作用，防止由于直流偏磁或過(guò)勵磁產(chǎn)生的磁飽和，同時(shí)可起 到串聯(lián)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。
9、保護功能齊全。設置了過(guò)流、短路、機內溫升過(guò)高及過(guò)、欠壓保護，功能更齊全，工作更可靠，避免了由于各種不正常因素而造成的損壞。
10、 高效節能，全功率范圍內，極高的功率因數和電源效率
五、應用效果
    產(chǎn)品面市以來(lái)，普傳科技在勝利油田、遼河油田、青海油田等幾個(gè)稠油井分布的區域內成功 運用了中頻加熱電源技術(shù)。通過(guò) 現場(chǎng)調整，結合加熱電纜及功率 ，一般將頻率調至 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(guò)中頻變壓器，輸出電壓 800V 左右（串 聯(lián)輸出電壓： 600V、800V、1000V、1200V），其加熱效果十分明顯。

較之工頻加熱：
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(jīng) 測試都在 0.95 以上。
2、減少了對電網(wǎng)的污染。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(wǎng)污染嚴重。應用變頻器以后，功率因數提高，諧波含量明顯減少， 減輕了對電網(wǎng)的污染。
3、加熱效果明顯 。根據集膚效應，頻率提高后，負載所獲得的能量提高，線(xiàn)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(shí)達 到預定效果，而且溫度也要高。
4、保護功能齊全。 原工頻柜因無(wú)單片機控制，其保護功能差，往往由于負載的短 路、斷路及電壓的不穩定，造成變壓器燒毀、工作不穩定。而變頻電源柜由于 DSP 的控 制，其保護功能齊全，避免了由于電網(wǎng)及負載的故障引起的問(wèn)題，保證系統的穩定運行。
5、節能效果明顯。據測試，每臺變頻電源柜比相應的工頻柜節電都在 20%左右，有 力的節約了電能，提高了工作效率，保證了加熱系統的效果。 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(shù)， 是采油行業(yè)節能減排和提高效率的有效途徑。

六、頻率與加熱效果的關(guān)系
    鋼管在交流電下的阻抗顯著(zhù)大于它的直流電阻。因為鋼管是鐵磁質(zhì)材料，它的磁導率要比銅高1000倍。集膚效應的強弱可以用集膚電流透入鋼管的深度S來(lái)表示。它與導體的電阻率ρ,相對磁導率μ，交流頻率f有如下關(guān)系

    從式中可以看出，導體材料確定后，電阻率ρ和相對磁導率μ就是一個(gè)常數，保持不變，要增強集膚效應，就必需提高交流電的頻率f，f越高則S越小，則集膚效應就越強。
    同樣，鋼管阻抗Z的大小與頻率f的關(guān)系為：

    將電源、電源內阻和負載鋼管看成一個(gè)等效電路。

    隨著(zhù)電流頻率的升高，空心抽油桿阻抗Z也隨之增大，當Z遠遠大于r時(shí)，PZ的大小近似于P。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，則空心抽油桿阻抗也越大，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，并獲得了良好的加熱效果。
七、參數設定
    F03=1 F04=0 F05=1 F08=32 F09=40 F10=40 F12=90 F13=1500  F17=1500 F27=1 F28=50 F29=50 F43=1 F61=8 F63=4 P02=2  Y12=1
八、結束語(yǔ)
    空心桿電加熱裝置中，電熱桿產(chǎn)生的熱量并不是一成不變的，越靠近地面，單位長(cháng)度產(chǎn)生的熱量越多，越向下單位長(cháng)度產(chǎn)生的熱量越少。原油在提升的過(guò)程中，地層溫度逐漸降低，利用電熱桿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。由于電源頻率越高，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(huì )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。