CN102635754B - 直接式高频直流振荡含铁管道加热装置 - Google Patents

Abstract

直接式高频直流振荡含铁管道加热装置。加热电源由市电整流、滤波、高频逆变器、高频变压器和高频整流，获得高频直流脉冲电压。有逆变器的检测保护和PWM控制驱动电路，或增设单片机闭环控制。加热电源两端通过两导线直接与被加热管道的夹层金属管两端连接，用管道自身作为电流载体和发热体，不需缠线圈，安装方便快捷；全管道加热均匀；脉冲直流是直流和交变磁场加热的结合，且从管内壁直接传给其内原油，发热传热快。电源可按管长串并联叠加多台；管壁振荡防油垢产生，增加原油流动性。管径50mm，管长110m，贯满冰冻水，外表-18℃，加热半小时，温度升至24℃，消耗功率仅3.4千瓦。可用于油田聚乙烯钢网输油管、或二层以上钢质塑料管；或有外包保温层的铁管的加热和解冻。

Description

直接式高频直流振荡含铁管道加热装置

(一)技术领域：本发明涉及管道加热装置。主要用于油田井口管道的解冻、保温和其他非易燃易爆液体输送管道的解冻、保温等处，属有热源的流体加热类(F24H)。 

(二)背景技术：

目前，油田井口输油的输油管采用铁管和钢制塑料管，铁管每根5-6米长，管间用法兰联接或焊接。为提高强度的钢制塑料管径向分三层：最内是聚乙烯层PE，中间为钢网层，最外为塑料包皮(见图4)，一般每根作成几百米长，两根之间用专用卡扣轧紧，也可用其他连接方式。采用钢制塑料管的优点：①管间连接方便。②管内壁无腐蚀。③管内壁光滑，油传输阻力小。 

油田井口采油传输中，低温时原油会凝结，当降到零下时产生冰冻，导致输油停止。管道中是刚采集的原油，其物理参数密度、粘度、凝固点、含蜡量均与温度有关，在管道中保持一定温度，有利原油采集。因此，冰冻时需迅速解堵，而正常输油中应随时监测管温，进行加热或保温。常用的加热方式：A.湿法加热：通过热水加热，水蒸汽加热。B.干式加热：燃烧加热，电阻加热，电磁感应加热。采用湿法加热，在油田的采集过程中显然是不适用的。下面对现有的加热解冻方法具体说明如下： 

1)管道用泼油燃烧加热：此方式只能针对铁管进行，这种加热施工麻烦，易发生火灾。2)电阻加热：将电阻丝缠绕在被加热管道外表面，并设绝缘保温层，电阻丝两端施加交流市电或直流的加热电源。利用电流通过电阻丝放出热量来加热管道；利用加热体的热传导，把热能传输到管道原油内。3)电磁加热：将感应线圈缠绕在油田管道外，并设绝缘保温层，在感应线圈两端加上工频交流市电。利用感应线圈电磁感应产生集肤效应、涡流、电阻热来加热管道并将热量传给管内原油。采用上述电阻加热或感应加热方式，均需要把电阻丝或者是感应线圈缠绕在管道外上，如果管道埋在地下，电阻线或感应线断了，整个加热停止，更换很麻烦。4)中国实用新型专利(ZL200929234694.X，)“新型管道式流体加热器”公开了一种在被加热管道外表面开槽绕设电加热元件，通入工频市电靠电阻发热加热，此方式的缺点除与上述《电阻加热》相同之外，还存在电加热元件设在管道最外层，热量向外散失大；且通入工频市电仅靠电阻发热，热效率低。5)中国实用新型专利ZL200620021609.8，“油田管道加热解堵机”公开了一种感应加热方式。设控制主机将引出电源导线两端穿过空心手柄、钢护罩与包在输油管外的感应圈两端接通，感应圈得电产生高频电磁，进行管道加热。这种方式的不足除与上述感应加热相同外，且只能对有限长度输油管解冻或加热。6)中国发明专利申请公开：《201010135366.1》“高频涡流管道供热装置”：虽然采用了高频电源，但仍用电阻丝在被加热管道外表面缠包，因此也存在上述电阻丝断开难找到、冰冻后难以挖开、热量向外散失大等问题。 

(三)发明内容：

本发明提供的直接式高频直流振荡含铁管道加热装置，就是解决现有的上述油 田输油管各种解冻和加热方式存在的不安全、传热效率低、管道外绕电阻丝发热体有断点难查找、安装检修麻烦等问题，难以满足管道高效解冻加热的需求。 

其技术方案如下： 

1)设置如下的直流脉冲加热电源U₆：①主回路中将三相工频市电1顺次连接工频整流电路2、滤波电路3、高频逆变器4、高频变压器5和高频整流电路6。②控制回路中选如下A或B：A.包括在高频整流电路输出端连接的取样电路8、与取样电路输出端连接的显示器11、高频逆变器的检测保护单元9和PWM控制及驱动电路10。B.除设有取样电路、显示器、检测保护单元和PWM控制及驱动电路以外，还增设与取样电路输出端连接的单片机12、与单片机双向连接的给定操作电路13和计算机联网系统14；给定操作电路输出端接PWM控制及驱动电路10，显示器与单片机输出端连接。2)设置如下一个发热负载回路7：发热负载回路中接入被加热管道7w，被加热管道选择如下三种结构之一：①油田用聚乙烯钢网输油管：径向分三层，最内是聚乙烯层PE，中间为钢网层，最外为塑料包皮；②径向至少二层的钢质复合塑料管；③有外包保温层的铁管；加热电源U₆两端通过两导线直接与上述三种被加热管道7w的夹层金属管沿长度两端连接，以形成发热负载回路7；夹层金属管采用油田用聚乙烯钢网输油管的中间钢网层、或径向至少二层的钢质复合塑料管钢质层；或有外包保温层的铁管。 

上述加热电源可按上述钢网层、钢质层或有外包保温层的铁管的长度、截面积、电阻率大小和管内液体的状态选择两台以上的加热电源串联或并联供电；每台加热电源电压U₇可选300伏。上述高频变压器原边可设防止偏磁的隔直电容C₅。 

本发明有益效果： 

1)本发明利用被加热管道的金属夹层自身作为电流的载体，不再考虑管道外部进行线圈缠绕，安装施工方便快捷。2)加热均匀：振荡电流在全管道内金属夹层上加热，全管道截面相同，材料相同、环境条件相同、电流相同、热能相等，加热均匀。3)发热传热速度快：管道金属夹层有电流产生一定热能，同时脉冲电流产生交变磁场产生集肤效应和涡流发热，是直流和交变磁场两种加热方式的结合，且直接通过管道内壁传导给液体。因此发热传热快。同时因脉冲振荡分子碰撞，也促进发热传热速度快。4)加热温度可控：加热速度和温度仅与电流大小成正比，采用控制电流大小来控制加热温度，有利于加热控制。5)管道采用直接式高频直流加热，比工频交流电安全，可以根据管道长度实现串联或并联叠加加热。6)具有管壁振荡作用，增加原油流动性：由于是脉冲电流加热，可在管壁内快速形成雾化气泡，可形成汽泡层，防止管内壁油垢产生，增加原油流动性。7)与现有发热体缠包在被加热管道外表面的方法相比除上述安装施工方便快捷外，由于钢网层距输油管内壁内原油近，热径向传递快，传热效率高。8)与现有的《感应加热》相比，它可以加 热无限长管道，因为电源是直流可以采用多台电源串联供电。9)本发明发热装置能耗低、节电节能。例如：钢网塑料管管径φ50mm，管道长L＝110m，外包一层海绵保温层，其内部已经形成冰冻，管壁外表为-18℃，加热0.5小时，温度升至24℃，在不同的位置测量管壁温度，除两端无保温层露头温度较低外，沿管道其他有保温层位置处温度基本相等。电压表读数150V，电流表读数23A，消耗功率＝3.4千瓦，若加热1小时，上述加热电源耗量为6.8度电，解冻一次仅需交电费约7元。而现有电阻丝缠包方法解冻一次不仅耗电量大，且要挖沟去冻土，高压冲气等至少花费几千元费用。10)本发明克服了现有油田一些加热方式的缺陷，不仅用于油田输油管加热解冻，且可用于任何外有保温层的含铁管道的加热解冻，均可实现高效节能成本低。 

(四)附图说明：

图1本发明加热装置主回路框图和开环控制回路框图。 

图2图1加热电源主回路电路图和闭环控制回路框图。 

图3图1加热电源主回路各部分电路波形变化示意图。 

图4油田用聚乙烯钢网输油管剖面图。 

图5油田用三台串联加热电源及钢丝网发热负载回路总示意图。 

(五)具体实施方式：

实施例1：直接式高频直流振荡含铁管道加热装置，如下组成： 

1)设置如下的加热电源U₆：见图1，图2，图3，主回路中的各电路及波形如下：①三相工频市电1内为A、B、C三相交流、手动开关1.1和控制回路驱动的接触器1.2。三相波形为相隔120°的50H_Z正弦波。见图3中的1)电流i₁。②工频整流电路2选用二极管三相桥式整流电路2，将三相工频市电1整流，整流后的波形为三相正半波，见图3中的2)电流i₂。③滤波电路3采用电感电容L₃C₃电路，波形变换为直流，见图3中的3)电流i₃。④高频逆变器4选用IGBT全桥逆变器4，由四个绝缘栅双极晶体管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄和二极管D4组成的全桥电路，并接入高频变压器5原边(见图2)，通过IGBT的交替通断的变换，波形变为高频交流矩形波，见图3中的4)电流i₄。逆变后输出频率为20-100KHZ，电流为20A-1000A。⑤高频变压器5可按负载的需求设计为升压或降压，本实施例1选为高频降压变压器5，波形变换是将低电流高频交流矩形波变为高电流高频交流矩形波，见图3中的5)电流i₅。变压器输出电压为300V，电流为120A。此处设置的高频变压器5具有对原付边隔离防电磁波干扰功能。高频变压器原边增设隔直电容C₅，防止高频中该处偏磁，即磁滞回线偏移。⑥高频整流电路6：采用二极管D₆₁、D₆₂整流电路。将高频变压器付边电压整流输出电压U₆电流i₆作为加热电源，波形变换是将大电流高频矩形波变为高频大电流脉冲直流波，见图3中的6)电流i₆。 

见图1，本实施例1加热电源控制回路若采用开环控制回路，设置如下：取样电路8、显示器11、高频逆变器的检测保护单元9和PWM控制驱动电路10。取样电路8接主回路加热电源输出端，将电压U₆、电流i₆取样后直接接显示器11上显示，供运行人员监测。检测保护单元9内为设在高频逆变器上的过流检测器9.1、过压欠压电路9.2、温度传感器9.3及保护控制电路9.4，当检测的 电流、电压、温度数据有异常，通过保护控制电路9.4传给PWM控制驱动电路10控制高频逆变器4的动作。 

见图2，本实施例1加热电源控制回路若采用闭环控制回路，除具有上述开环控制回路的取样电路8、显示器11、高频逆变器的检测保护单元9和PWM控制驱动电路10之外，还有如下变化：①增设单片机12分别与给定操作电路13和计算机联网控制14双向连接。②取样电路8与单片机12单向连接。③给定操作电路13输出端接PWM控制驱动电路10。取样电路将主回路加热电源输出端电压U₆、电流i₆信号取样后返馈到单片机，单片机根据给定操作电路(比较电路)的给定电压比较后接通，控制PWM控制驱动电路10动作，再控制高频逆变器4的脉宽，自动调节输出电压电流大小。设计算机联网控制系统14可实现用远处的联网计算机进行遥控。上述控制回路电源为15。 

2)见图1，图2，设置一个发热负载回路7，发热负载回路中接入被加热管道，本实施例被加热管道选择油田用聚乙烯钢网输油管7W：见图4，径向分三层，最内层7c是聚乙烯层PE，中间为钢网层7b，最外为塑料包皮7a。见图2，高频整流电路6输出的脉冲直流电加热电源U₆两端口6A、6B通过两导线7.1、7.2直接与被加热管道7W的夹层金属管钢网层7b沿长度首末端7A、7B连接，导线和钢网层形成发热负载回路7。 

实施例2见图5 

地面的抽油机将原油打入输油管管道7w，管道从地面下穿过与另一处地面集油站连通。本实施例2中上述加热电源按上述钢网层的长度、截面积、电阻率大小和管内液体的状态选择三台相同脉冲直流电加热电源M₁、M₂、M₃串联供电：将三台电源输出接口6A、6B串联后，再用首端6A与末端6B通过导线7.1、7.2分别与钢网层7b首末端7A、7B连通，形成负载发热电路7。三台相同加热电源串联电压和加热管道长度均为单台的三倍。一般每台高频直流振荡电源电压U6可为10-1000V，加热管长为几米-1公里。当管道管径为φ50mm，管道长L＝110m，每台加热电源设计为电压U6＝300V，功率P＝3500瓦较合适。本实施例2每台加热电源的组成与实施例1完全相同。 

实施例3：除被加热管道7w为径向两层的钢质复合塑料管外，其余与实施例1完全相同。 

实施例4：除被加热管道7w为有外包保温层的铁管外，其余与实施例1完全相同。 

Claims (3)

1.直接式高频直流振荡含铁管道加热装置，其特征是：

1)设置如下的直流脉冲加热电源U₆：

①主回路中将三相工频市电（1）顺次连接工频整流电路（2）、滤波电路（3）、高频逆变器（4）、高频变压器（5）和高频整流电路（6）;②控制回路中选如下A或B:A.包括在高频整流电路输出端连接的取样电路（8）、与取样电路输出端连接的显示器（11）、高频逆变器的检测保护单元（9）和PWM控制及驱动电路（10）;B.除设有取样电路、显示器、检测保护单元和PWM控制及驱动电路以外,还增设与取样电路输出端连接的单片机（12）、与单片机双向连接的给定操作电路（13）和计算机联网系统（14）;给定操作电路输出端接PWM控制及驱动电路,显示器与单片机输出端连接;

2)设置如下一个发热负载回路（7）：发热负载回路中接入被加热管道（7w）,被加热管道选择如下三种结构之一:①油田用聚乙烯钢网输油管:径向分三层,最内是聚乙烯层PE，中间为钢网层,最外为塑料包皮；②径向至少二层的钢质复合塑料管;③有外包保温层的铁管;加热电源U₆两端通过两导线直接与上述三种被加热管道（7w）的夹层金属管沿长度两端连接,以形成发热负载回路；夹层金属管采用油田用聚乙烯钢网输油管的中间钢网层、或径向至少二层的钢质复合塑料管钢质层、或有外包保温层的铁管。

2.按权利要求1所述加热装置，其特征是所述加热电源U₆按上述钢网层、钢质层或有外包保温层的铁管的长度、截面积、电阻率大小和管内液体的状态选择两台以上加热电源U₆串联或并联供电；每台加热电源U₆电压选300伏。

3.按权利要求1所述加热装置，其特征是高频变压器（5）原边设防止偏磁的隔直电容C₅。

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