一种中高频感应加热系统及其应用
阅读：422发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种中高频感应加热系统及其应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种中高频 感应加热 系统，包括：用于产生 频率 在0.3-8kHz交流电的中高频加热电源和通过交流电产生 磁场 、并作用于磁场中的金属导体使金属导体 温度 升高的电感线圈，所述的中高频加热电源包括顺序连通的三相工频交流输入 电路 、整流电路和IGBT输出电路，所述的IGBT输出电路通过一控制电路调节 输出 电压 的占空比。本发明所述系统结构简单、施工期短、工程造价较低、 热能 利用率较高，降低了集输管线的建设投资和运行 费用 ，为油田集输工艺的多样化提供了更多的选择。，下面是一种中高频感应加热系统及其应用专利的具体信息内容。
1.一种中高频感应加热系统，其特征在于，包括： 用于产生频率在0.3-8kHz交流电的中高频加热电源和通过交流电产生磁场、并作用于磁场中的金属导体使金属导体温度升高的电感线圈，所述的中高频加热电源包括顺序连通的三相工频交流输入电路、整流电路和IGBT输出电路，所述的IGBT输出电路通过一控制电路调节输出电压的占空比。
2.根据权利要求1所述的一种中高频感应加热系统，其特征在于，所述的控制电路包括：通过功率给定电位器改变IGBT输出电路脉冲的调节电路和温度监测电路。
3.根据权利要求2所述的一种中高频感应加热系统，其特征在于，所述的温度监测电路通过设置在进料口和出料口的热电偶实现温度监测。
4.根据权利要求2所述的一种中高频感应加热系统，其特征在于，所述的控制电路还包括：状态指示电路、本身电源工作电路、报警电路、温度控制电路、散热电路中的至少一种电路。
5.根据权利要求4所述的一种中高频感应加热系统，其特征在于，所述的状态指示电路包括主接触器吸合指示电路和/或故障指示电路。
6.根据权利要求4所述的一种中高频感应加热系统，其特征在于，所述的报警电路为进料口温度过高报警电路。
7.根据权利要求4所述的一种中高频感应加热系统，其特征在于，所述的温度控制电路通过温控表、感应器温度开关和温度控制继电器串联形成。
8.根据权利要求4所述的一种中高频感应加热系统，其特征在于，所述的本身电源工作电路包括串联的主回路启动开关、主回路停止开关和继电器，且所述的继电器包括并联的加热继电器、预充电继电器和延时继电器。
9.权利要求1-8任一项权利要求所述的一种中高频感应加热系统在加热金属管道上的应用。
10.根据权利要求9所述的一种中高频感应加热系统的应用，其特征在于，所述的金属管道应用于油田的石油生产中，且所述的金属管道为碳钢输油管道、油井抽油杆、井口节能金属管、储油罐排水管、干燥器排水管中的任意一种。
一种中高频感应加热系统及其应用
技术领域
背景技术
[0002] 油田天热气高产井由于产量高压力大并有伴生液体，天热气在通过喷油嘴时受到到节流由高压气体转化为低压气体。气体膨胀吸收大量热量导致低压侧输气管道的气体及液体温度过低，从而致使管道及喷油嘴结冰堵塞管道。以前油田采用高压锅炉给天然气加热，这种加热方式设备庞大笨重、投资高、属于压力容器安全系数高、有废气排放污染环境、在狭小的地方无法使用。
[0003] 且，传统的双管掺水流程需要大规模的基建投入来建立完善的热能供应循环系统。如铺设掺水管线，购置锅炉及热水循环泵，建立泵站，并配套相应的辅助设施及人员。由此带来前期投资高，后期运行及维护保养工作量大，费用较高以及燃气锅炉废气排放，污水处理等诸多因素带来的安全环保等问题。
[0004] 另外，针对，二氧化碳加热:油田的许多油井已经进入到后期采油，由于油量少需采用驱油手段将原油集中到一起从而提高产量。二氧化驱油就是一种技术手段，将液态二氧化碳注入到井下液态变为气态体积膨胀。膨胀的二氧化碳挤压原油致使原油聚合在一起。由于液态二氧化碳温度低在气体膨胀时温度进一步降低，低温导致井下及井口结冰温度低，导致管线损坏影响生产。以前油田并无好的加热方式，而采用注入柴油作为保护液来保护井下注入管线这种方式成本高。
发明内容
[0005] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、加热快、效率高的中高频感应加热系统。
[0006] 在本发明中，申请人依据的原理为感应加热原理：
[0007] 当铁芯线圈通过交流电流时线圈周围会产生交变磁场，在铁芯中便有感应电势生成，利用涡流效应，在金属导体中生成与磁场强度成正比的感生旋转电流(即涡流)，旋转电流借助金属导体内的电阻，将其转换成热能。同时还有磁滞效应、趋肤效应、边缘效应等，也能生成少量热量，它们共同使金属导体的温度急速升高，实现快速加热的目的。
[0009] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0010] 一种中高频感应加热系统，包括：用于产生频率在0.3-8kHz交流电的中高频加热电源和通过交流电产生磁场、并作用于磁场中的金属导体使金属导体温度升高的电感线圈，所述的中高频加热电源包括顺序连通的三相工频交流输入电路、整流电路和IGBT输出电路，所述的IGBT输出电路通过一控制电路调节输出电压的占空比，上述的电感线圈为通过电缆绕成的线圈。
[0012] 具体计算依据为：
[0013] 1)线圈的电感值(微亨)：
[0014]
[0015] D-线圈的平均直径，厘米
[0016] l-线圈的长度，厘米
[0017] N-线圈的匝数。
[0018] 2)线圈的Q值：
[0019] 对于石油管道加热负载，频率1000Hz附近，Q值约为1.5～2.5，线圈密绕则Q值略大，效率较高。
[0020] 例：50米，10匝/米，共500匝。
[0021] 计算电感量：295uH，计算电阻值：1.3ou，计算Q值：1.43，加热效率高。
[0022] 50米，5匝/米，共250匝。
[0023] 计算电感量：88uH，计算电阻值：0.4ou，计算Q值：1.38，加热效率低。
[0024] 且在本发明中，所述的中高频加热电源采用AC—DC—AC的变频结构，电源输出的中高频交流电流流过电感线圈，利用电磁感应原理加热电感线圈里的金属导体。
[0025] 具体为：起始的电源采用三相交流电源，形成三相工频交流输入电路，其通过二极管形成的整流电路进行整流，保证电网侧的功率因数最高(0.95)，谐波最小。形成直流后，通过IGBT输出电路进行逆变。
[0026] 上述的控制电路包括：通过功率给定电位器改变IGBT输出电路脉冲的调节电路和温度监测电路，具体是采用功率给定和输出电流反馈的比例积分调节来保证电源输出功率恒定，并且功率调节连续稳定，且温度监测电路可以通过设置在进料口和出料口的热电偶实现温度监测。
[0029] 此外，上述的本身电源工作电路包括串联的主回路启动开关、主回路停止开关和继电器，且所述的继电器包括并联的加热继电器、预充电继电器和延时继电器。
[0030] 另外，本发明还公开了一种中高频感应加热系统在加热金属管道上的应用。上述的金属管道应用于油田的石油生产中，且所述的金属管道为碳钢输油管道、油井抽油杆、井口节能金属管、储油罐排水管、干燥器排水管中的任意一种。当然，上述的中高频感应加热系统也可以运用于塑料机械、油田管道、冶金、医药化工等几乎任何需要加热的领域。
[0031] 本发明的有益之处在于：
[0032] 本发明所述系统结构简单、施工期短、工程造价较低、热能利用率较高，降低了集输管线的建设投资和运行费用，为油田集输工艺的多样化提供了更多的选择。
[0033] 通过本发明所述的中高频感应加热系统进行加热，其可广发泛地运用于塑料机械、油田管道、冶金、医药化工等几乎任何需要加热的领域。具体有以下性能特点：
[0034] 1)热效高：中高频感应加热器开机短时间可使国标金属管道温度达到100℃以上；
[0035] 2)不破坏管道保温层：由于是感应加热，中高频磁力线能快速穿透保温材料；
[0036] 3)安全性高：由于采用的是国家环保总局规定的安全节能电磁加热频率范围，所以对人体没有影响，另外因为是非接触性加热，所以不存在漏电等安全隐患和温度过高的可能性。；
[0037] 4)操作方便，自动化程度高：接通电源后只需将中高频感应加热感应系统靠近金属管道即可加热；中高频感应电感线圈为柔性设计，能够适合各种不同形状的金属管道节能加热。基本实现无人值守，全温控自动启停模式。附图说明
[0038] 图1为本发明实施例中应用的金属导体的结构示意图；
[0039] 图2为本发明所述的中高频感应加热系统的电路原理结构示意图；
[0040] 图3为本发明所述的控制电路的电路结构示意图。
[0041] 图中附图标记的含义：
[0042] 1、卡箍接头 2、接管 3、变径接头 4、金属管主体[0043] 5、防护板 6、接地螺丝 7、三相工频交流输入电路
[0044] 8、整流电路 9、IGBT输出电路 10、电感线圈 11、去逆变电流表[0045] 12、电流互感器 13、漏电检测磁环。
具体实施方式
[0046] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0047] 图1为本发明实施例中应用的金属导体的结构示意图。
[0048] 如图1所示：金属导体包括由金属导体两端向中心同步设置且顺序连接的卡箍接头1、接管2、变径接头3和金属管主体4，而在接管2的近卡箍接头1端还焊接有接地螺丝6，在接管2和变径接头3之间设置防护板5，以及在金属管主体4的中部两侧均垂直焊接有一铜排。
[0049] 图2为本发明所述的中高频感应加热系统的电路原理结构示意图。
[0050] 如图2所示：中高频感应加热系统，包括：用于产生频率在0.3-8kHz交流电的中高频加热电源和通过交流电产生磁场、并作用于磁场中的金属导体使金属导体温度升高的通过电缆绕成的线圈的电感线圈10，中高频加热电源包括顺序连通的三相工频交流输入电路7、整流电路8和IGBT输出电路9，IGBT输出电路9通过控制电路调节输出电压的占空比。三相工频交流输入电路7端采用35平方大线，整流电路8的输出端采用70平方大线，IGBT输出电路9端则采用95平方中高频线。
[0051] 在本实施例中，整流电路8为二极管，保证电网侧的功率因数最高(0.95)，谐波最小，二极管后面并联一0.15mH的LF(RV/800V)，再接着并联一主接触器吸合开关，再顺序并联电容C16-23、Cd1-4、C1-2(1uf灰壳电容)、IGBT1-2(全桥逆变器)、C4-9(0.1uF)吸收电容(形成谐振电路)，最后与电感线圈10连通，所述的电感线圈输入电路上还设置有去逆变电流表11、电流互感器12和漏电检测磁环13。
[0052] 本发明所述的中高频感应加热系统采用AC—DC—AC的变频结构，电源输出的中高频交流电流流过电感线圈10，利用电磁感应原理加热电感线圈里的金属导体。
[0053] 图3为本发明所述的控制电路的电路结构示意图。
[0054] 如图3所示：控制电路包括：
[0055] 通过功率给定电位器改变IGBT输出电路脉冲的调节电路和温度监测电路，具体是采用功率给定和输出电流反馈的比例积分调节来保证电源输出功率恒定，并且功率调节连续稳定；
[0056] 通过设置在进料口和出料口的热电偶实现温度监测的温度监测电路；
[0057] 包括串联的主回路启动开关SB1、主回路停止开关SB2、故障中间继电器KA3和继电器的本身电源工作电路，且继电器包括并联的加热继电器KA1、预充电继电器KA2和延时继电器KT；
[0058] 包括串联的主接触器吸合开关KM和指示灯HL2的主接触器吸合指示电路；
[0059] 包括串联的故障中间继电器KA3和故障指示灯HL3的故障指示电路；
[0060] 包括串联的温控表SR1和指示灯HL4的进料口温度过高报警电路；
[0061] 包括串联的故障继电器SR1和故障中间继电器KA3的故障控制电路；
[0062] 包括串联的故障继电器SR2、感应器65℃温度开关和温度控制继电器KA4的温度控制电路；
[0063] 包括串联的感应器100℃温度开关和超温故障继电器KA5的超温控制电路；
[0065] 以上多个电路的设置，使得本发明所述系统使用方便灵活，故障率低。
[0066] 本发明所述系统使用流程为：
[0067] 给外部三相电源(注：送外部电源时，先确保主电路空气开关QS在断开位置)[0068] 首先闭合本系统的主电源空气开关QF(10A/3P)，随后闭合主电路空气开关QS。按一下复位按钮观察数码显示管显示的代码，显示“H”表示设备正常，其他代码则表示设备故障，禁止启动本系统。
[0069] 在设备正常的情况下按下启动按钮延时5到7秒，本身电源工作电路工作，主接触器吸合开始加热。
[0070] 2、功率调节
[0071] 顺时针调节功率给定电位器，逆变电流增加，输出功率增大；
[0072] 逆时针调节功率给定电位器，逆变电流减小，输出功率减小。
[0073] 3、运行
[0074] 将“手动/自动”开关设置在“手动位置”：通过功率给定电位器的“加热、停止”按钮控制电源的工作与否。电源实际功率输出不受管道上安装的温度开关的控制；
[0075] “手动/自动”开关在“手动位置”：电源实际功率输出受管道上安装的温度开关控制。
[0076] 4、故障说明
[0077] 电源正常时，逆变板数码管显示工作频率“#.#”，功率给定电位器数码管显示“H”。故障时，功率给定电位器数码管显示故障码如下：
[0078] “2”——逆变输出过流。检查输出是否短路，功率给定是否过高，过流设定是否正确(可用万用表测量CK5和CK0，调节RW2使值适当增大)。
[0079] “5”——逆变桥板温度过高。检查散热的风扇是否运转，温度保护接线是否松动。
[0080] “6”——驱动故障。检查驱动板是否正常，IGBT是否损坏。
[0081] “7”——电缆接地故障。检查加热电缆是否接地，保护设定值CK6是否过低(逆时针调节RW3可增大)。
[0082] 关机操作：按下主回路停止按钮；断开本系统的主电路空气开关QS和主电源空气开关QF。
[0083] 另外，本发明还公开了一种中高频感应加热系统在加热金属管道上的应用。具体为：上述的金属管道应用于油田的石油生产中。
[0084] 实施例1
[0085] 油气混合加热：
[0086] 一.现场条件
[0087] 天然气产量：0.5兆帕，300～400立方米/天。
[0088] 石油产量：12吨/天。
[0089] 加热温升：由10度提温到30度。
[0090] 加热管道：76mm管道，长度50米。
[0091] 二.相关参数
[0092] 常温常压下天然气的密度：0.75～0.8kg/m3；
[0093] 0.5兆帕天然气的密度：约4kg/m3
[0094] 定压比热容：12kJ/kg.K。
[0095] 原油比热：2200J/kgK，密度：900kg/m3
[0096] 三.加热功率计算
[0097] 每秒流过的原油和天然气的重量分别为：
[0098] G1＝12000/24/3600＝0.14kg/s
[0099] G2＝4×400/24/3600＝0.0185kg/s；
[0100] 加热温升5～35度，石油需要功率：P1＝GcT＝0.14*2.2*30＝9.3kW；
[0101] 加热温升5～35度，天然气需要功率：P2＝GcT＝0.0185*12*30＝6.66kW；
[0102] 加热电源效率约0.6，则电源功率为：P0＝(P2+P1)/0.7＝22.8kW。
[0103] 四.电感线圈绕制
[0104] 电源输入电压400V、输入电流约25A，功率为17kW，功率不够，实际需要约25kW。
[0105] 选择35mm2电缆绕制电感线圈，匝间距100mm，即10匝/米，总匝数约500匝。
[0106] 计算电感量：295uH。计算电阻值：1.3ou。计算Q值：1.5。
[0107] 选择常规35kW电源即可以满足要求。
[0108] 实施例2：
[0109] 一.现场条件
[0110] 天然气产量：常温常压下，20000立方米/天。
[0111] 二.天然气相关参数
[0112] 常温常压下天然气的密度：0.75～0.8kg/m3。
[0113] 常温常压下天然气的定压比热容：30度，2.273kJ/kg.K；50度，2.357kJ/kg.K。
[0114] 三.加热功率计算
[0115] 20000立方米/天，则折合每秒为：V＝20000/24/3600＝0.2315m3/s，[0116] 因此，每秒加热的天然气质量为：G＝Vp＝0.2315*0.8＝0.185kg/s，[0117] 温度提高30度，天然气需要功率：P1＝GcT＝0.185*2.357*30＝13.1kW[0118] 一.现场条件
[0119] 液量：10吨/天。
[0120] 二.相关参数
[0121] 水的比热容在液态情况下是4.2×103J/(㎏·℃)。
[0122] 三.加热功率计算
[0123] 每秒流过的原油和天然气的重量分别为：
[0124] G＝1000/24/3600＝0.115kg/s，
[0125] 温度提高30度，石油需要功率：P2＝GcT＝0.115*4.2*30＝14.49kw，[0126] 加热电源效率约0.7，则电源功率为：P0＝(P1+P2)/0.7＝39.41kw。
[0127] 本发明所述系统加热效率高、设备体积小、便于安装摆放、投资低、排放无污染、在原有管道上制作导电线圈10安全系数低。本发明据有温度自动控制、高温保护、漏电保护、过载保护、设备工作参数可以远传可以在值班室监测设备运行状态，并可以对设备进行相应操作。
[0128] 实施例3：
[0129] 二氧化碳加热：油田的许多油井已经进入到后期采油，由于油量少需采用驱油手段将原油集中到一起从而提高产量。二氧化驱油就是一种技术手段，将液态二氧化碳注入到井下液态变为气态体积膨胀。膨胀的二氧化碳挤压原油致使原油聚合在一起。由于液态二氧化碳温度低在气体膨胀时温度进一步降低，低温导致井下及井口结冰温度低，导致管线损坏影响生产。以前油田并无好的加热方式，采用注入柴油作为保护液来保护井下注入管线这种方式成本高，而采用中高频加热以把-30摄氏度的二氧化化碳加热到10摄氏度左右。解决了井口及井下管道冻堵问题(液态二氧化碳每小时注入量为2立方米)。
[0130] 通过众多油井使用总结，中高频加热技术同其它伴热工艺技术相比，具有以下优势：安全性好(设备具有防高温保护)、综合效益高、可靠性高、操作维护方便(设备具有自动加热模式)、环保零排放、工作效率高(90％)。
[0131] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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