CN1807964A - 石油加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石油加热装置，包括由非金属材料制成的加热管道，该加热管道内通过支撑部件设置有由金属材料制成的、用于对石油进行加热的发热体；所述加热管道的外表面绕制有与交流电源连接的感应线圈。本发明利用电磁感应机理从石油管道内部对传输的石油进行加热，电热效率高，减少了热损失，无需利用保温材料防止待加热的石油与热源之间的热量损失，维护量小，且成本低；加热管道内的石油由发热体内外表面流过从而被加热，石油内部的温度场分布均匀，易于控制温度；根据电磁感应原理使加热管道内的发热体发热，利用发热体加热石油，不存在环境污染。

Description

石油加热装置

技术领域

本发明涉及一种石油加热装置，尤其是一种安装在石油输送管道中，对管道中输送的石油进行加热的石油加热装置。

背景技术

由于石油溶点高于常温，其在常温下或低温地区呈粘稠状，因此在常温或低温地区将开采的石油通过管道直接进行远距离输送，是一件很困难的事情，为克服这一困难，通常需要对流经输送管道的石油进行加热，以便降低其粘度，使其具有流动性。

现有技术中，通常采用三管热水拌热传输装置、两管蒸汽拌热传输装置及电伴热传输装置加热传输的石油。三管热水拌热传输装置及两管蒸汽拌热传输装置分别是通过两根拌热水管及蒸汽管对一根加热管道中传输的稠油进行加热，并通过输送路线上设计的很多个加热站，使用锅炉来提供热水或蒸汽加热管道中的石油，因此存在能源和钢材消耗严重、环境污染严重且需投入大量人力资源的缺陷。电伴热传输装置是将电热带贴合在加热管道的外表面以便在传输过程中对石油加热，但由于电热带存在使用寿命短、维修频率高、不能敷设入地以及需要占用大量耕地等缺陷，也不宜采用。

对此，现有文献以及国内外的专利申请文件中提出通过集肤效应电伴热传输装置以及工频加热传输装置对石油或其它粘稠液体进行加热以便于传输，并且已经得到初步的应用。集肤效应电伴热传输装置以及工频加热传输装置的基本原理是在石油管道外侧设置电加热系统，以金属管道为媒介，将热量传递给管道中的石油。与三管热水拌热传输方法、两管蒸汽拌热传输方法及电伴热带传输方法相比，集肤效应电伴热传输方法以及工频加热传输方法具有一定的优点，但是它们同样以管道为媒介，通过管道从外部间接换热给管道内的石油，因此存在以下缺点：待加热的石油和热源之间的温度梯度较大，热传递较慢，并且不利于控制和调节石油温度；需要大量的保温材料避免热量过多流失，因而成本高；需要的维护量大；热损失严重，浪费能源。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中对石油输送管道中的石油进行加热的各种技术方案所存在的诸多缺陷与不足，提供一种石油加热装置，该装置利用电磁感应原理从加热管道内部直接对石油进行加热，可避免待加热的石油和热源之间的热量损失，从而提高加热效率，降低加热成本，并使加热管道内传输的石油温度场分布均匀，易于控制。

为实现上述目的，本发明提供的一种石油加热装置，包括由非金属材料制成的加热管道，该加热管道内通过支撑部件设置有由金属材料制成的、用于对石油进行加热的发热体，所述加热管道的外表面绕制有与交流电源连接的感应线圈。

由上述技术方案可知，本发明利用电磁感应机理从管道内部直接对传输的石油进行加热，电热效率高，减少了热损失，无需利用保温材料防止待加热的石油与热源之间的热量损失，维护量小，且成本低；加热管道内的石油从发热体内外表面流过从而被加热，石油内部的温度场分布均匀，易于控制温度；管道内的发热体利用电磁感应产生热对石油加热，不存在环境污染。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为螺旋线管内(剖视图)磁感应强度的分布图；

图2为本发明第一个具体实施例的结构示意图；

图3为图2所示实施例中控制系统的结构示意图；

图4为图2所示实施例中加热管道的结构示意图；

图5为本发明第二个具体实施例的结构示意图；

图6为图5所示实施例中绝缘槽的结构示意图；

图7为本发明在实际应用中与输油管道连接设置的结构示意图；

图8为利用本发明对石油输送管道中的石油进行加热的流程图。

附图标记说明：

1-加热管道；         2-发热体；         3-支撑部件；

4-感应线圈；         5-交流电源；       6-连筋；

7-温度感应器；       8-调压装置；       80-直流电源；

81-直流调压模块；    82-可调电抗器；    83-原边绕组；

84-副边绕组；        85-电流检测器；    86-电流变送器；

9-控制系统；         91-温度给定器；    92-温度变送器；

93-计算机控制器；    10-绝缘支架；      101-螺旋槽。

具体实施方式

本发明采用电磁感应加热原理对加热管道中输送的石油从内部进行加热，其加热原理如下：在螺旋线管状的感应线圈中通入交流电后，线圈中便会产生交变的磁场，该磁场的磁感应强度为：

$B=\frac{\mathrm{\μ}}{2}\mathrm{nI}(\cos {\mathrm{\β}}_1-\cos {\mathrm{\β}}_2)\·\·\·\left(1\right)$

在上述式(1)中，B为感应线圈内部某一点P的磁感强度，μ为感应线圈内部磁介质的磁导率，n为单位长度上的感应线圈的匝数，I为通过感应线圈的电流强度，β₁、β₂分别为感应线圈内P点到感应线圈两端的连线与感应线圈的轴线之间的夹角(参见图1)。由上述(1)式可知，当向感应线圈通以交变电流时，因电流强度I的变化导致通过感应线圈内的磁感强度B发生变化，这样穿过感应线圈内固定横截面积的导体的磁通量便会发生变化，根据法拉第电磁感应定律，便会在导体内产生感应电流-涡流，涡流在导体内流动，造成电阻损耗使导体加热，从而使加热管道内流经导体表面的石油吸收热量，温度升高，达到稠油降粘传输的目的。

图2所示为本发明的第一个具体实施例的结构示意图，该装置由加热管道1、发热体2、支撑部件3及感应线圈4构成，石油从加热管道1中流过。为了避免热量损失，实现从内部对石油的加热，加热管道1由非金属材料如玻璃钢制成；另外，为了便于实际应用，加热管道1的端口可以设置法兰接口，通过法兰接口连接输油管道；由金属材料制作的发热体2用于对加热管道1内部传输的石油进行加热，可以与加热管道1为同心或不同心安装，其截面可以为环形、空心的任意多边形、U形、V形、S形其任意组合，使石油在发热体2内部以及发热体2的外壁与加热管道1的内壁之间流过，当然，发热体2也可以为实心的导体，此时，石油只能从发热体2表面与加热管道1的内壁之间流过；支撑部件3分别与发热体2的外壁及加热管道1的内壁连接，用于固定发热体2。支撑部件3可以为一个以上采取均匀或不均匀分布方式进行设置的固定支架，也可以是沿着加热管道1的纵向设置的固定板。感应线圈4缠绕在加热管道1的外部，为了在相同条件下达到最佳加热效果，感应线圈4的最佳位置是将发热体2包含在该感应线圈4中。感应线圈4可以为单相或三相线圈，相应地，交流电源5可以是单相或三相工频交流电源，当交流电源5为三相工频交流电源时，负荷对称，更加有利于电力系统的运行；交流电源5可以是工频电源经变换而得到的单相或三相高频交流电源。

在向感应线圈中通入交流电后，根据电磁感应原理，加热管道内的发热体便会发热从而实现对流过加热管道的石油从加热管道内部进行加热，并且加热管道内的温度场分布均匀，流经其内部的石油能被均匀加热，有利于实现对加热管道出口的石油温度进行精确控制；同时，由于加热管道为非金属材料，流经其内部的石油不易将热量经其向外辐射或传递，电热效率高，节约了能源。

本实施例中，为了能达到最佳加热效果，使加热管道1中的石油的温度场分布比较均匀，加热管道1与发热体2的最佳设计均为圆筒形，与其它形状相比，当发热体2的截面为环形时，其散热面积最大，油流的阻力最小，此时，可以对加热管道1的内半径、发热体2的内、外半径以及厚度进行优化设计，使发热体2的内外散热表面积对应一定比例的流质。其中，为了使发热体2的内、外散热表面积分别对应与其散热表面积的大小成一定比例的流质，从而使加热管道1内的流质能被均匀加热，发热体2的最佳设置为与加热管道1同心的圆筒，在最佳方案中，其内半径与厚度以及加热管道1的内半径之间满足以下关系：

$r=-\frac{3}{4}h+\frac{1}{4}\sqrt{9h^2-8(h^2-R^2)}\·\·\·\left(2\right)$

在上述式(2)中，R为环形截面加热管道1的内半径，r为环形截面发热体2的内半径，h为环形截面发热体2的管壁厚度。

对于一般较佳方案，可对上述式(2)做相应修正。

为了使感应线圈4内沿轴线方向分布的各点上的磁感应强度B的大小相等，从而使加热管道1内的发热体2沿轴线方向能够均匀发热，当石油流经发热体2时能被均匀加热，可根据式(1)，对感应线圈中两匝线圈之间的距离L进行补偿设计，即通过改变单位长度上的感应线圈1的匝数n来使发热体2沿轴线方向各点上的磁感应强度B大小相等。具体应用时，可使感应线圈4中间部分两匝线圈之间的距离L大些，两端部分的两匝线圈之间的距离L小些(参见图1)。

另外，在本实施例中，可以在相邻的支撑部件3之间增设用于连接相邻支撑部件3的连筋6，以稳固支撑部件3，使支撑部件3之间的相对位置不发生变化，从而使发热体2与加热管道1的相对位置不发生变化。

为了对加热管道1中传输的石油的温度进行控制，感应线圈4可通过一调压装置8与交流电源5连接，该调压装置8与一用于控制该调压装置8的控制系统9的控制信号输出端连接，该控制系统9的信号输入端连接一用于探测加热管道1出口的石油温度的温度感应器7。

控制系统9的原理如图3所示，该控制系统包括温度给定器91、温度变送器92与计算机控制器93，其中，温度变送器92连接于温度感应器7与计算机控制器93之间，温度给定器91与计算机控制器93连接；当温度感应器7检测到的加热管道1出口的石油温度与通过温度给定器91预先设定的温度不相同时，计算机控制器93根据预先设计的控制规律对调压装置8进行调节，从而实现对交流电源5输入感应线圈4的电压值的调节，使加热管道1出口的石油温度达到预先设定的温度。图2只给出了出口设有温度感应器的装置的结构示意图，为了更精确的控制输送的石油的温度，可在装置的另一端也同样设置温度感应器。

图3中的调压装置8包括：依次连接的直流电源80、对直流电源80输出的电流的大小进行调节的直流调压模块81、由直流电源控制的可调电抗器82与变压器中的原边绕组83，以及依次连接的变压器中的副边变绕组84、电流检测器85与电流变送器86，其中，电流变送器86还与计算机控制器93连接，用于将电流检测器85检测到的调压装置8的输出电流值输入计算机控制器93；可调电抗器82还与交流电源5连接。计算机控制器9通过电流检测器85检测到的电流值对直流调压模块81进行控制，从而实现对由交流电源5供电的负载电路进行保护。交流电源5通过可调电抗器82与变压器的原边绕组83连接，电流检测器85串联于感应线圈4和变压器的副边绕组84之间，用于检测感应线圈4中的电流，电流变送器86将电流检测器85检测到的电流值输入计算机控制器93，计算机控制器93将该电流值与一预先设置的标准保护整定值比较，当其大于标准保护整定值时，说明感应线圈4发生短路，便向直流调压模块81输入一控制信号，将直流电源80输出的直流电压调整为最小值后输入可调电抗器82，从而使可调电抗器82的电抗值为最大值，这样，便减小了原边绕组83中的电流值，也就进一步减小了副边绕组84中的电流值从而使本发明具有可靠的保护功能。为方便起见，该实施例中所用的交流电源为单相交流电源，对于三相交流电源，与该实施例的实现方法相同。

另外，为了增强本发明的加热装置的安全性，避免感应线圈4的绝缘层破裂发生漏电现象，从而导致出现短路现象，在本实施例中(如图4所示)，加热管道1被制成表面具有螺旋凹槽11的结构。感应线圈4绕设在螺旋凹槽11中，使相邻的两匝线圈之间隔离绝缘。

图5所示为本发明的第二个具体实施例的结构，该实施例与上述第一个实施例的区别在于加热管道1的外表面设置有多个绝缘支架10。图6所示为绝缘支架10的结构示意图，图中，在绝缘支架10上开设有多个凹槽101，多个凹槽101的开设方式为使相邻两个绝缘支架10上对应的凹槽101沿加热管道1的轴向依次错位，在将感应线圈4顺序绕制镶嵌在该凹槽101中时，形成连续的螺旋状，并且相邻两匝线圈之间被两个相邻的凹槽101中间的凸出部分隔离。

与上述第一实施例相同，感应线圈4缠绕在凹槽101内后，可以避免因感应线圈漏电产生而产生的安全问题，具有良好的防爆性能，保证了利用本发明的加热装置传输石油的安全性。

由于本实施例采用了绝缘支架10，因此，加热管道1也可以用金属材料制成，这样可以产生内外共同对石油进行加热的效果，但是，考虑到金属材料的散热较快，因此，在使用中，一方面需要在加热管道1的外表面和感应线圈4之间设置非金属材料如玻璃钢制成的保温层，另一方面是将本实施例与金属的输油管道连接时，在两端的连接处分别设置一段非金属材料制成的隔热连接管，以防止被加热的加热管道的热量在传递给内部石油进行加热的同时，也沿输油管道向远处散失而造成热量损耗过大。

在利用本发明对石油输送管道中的石油进行加热时，可根据石油输送流经地域的温度，在输油管道上间隔一定距离安装一个本发明所提供的装置，通过分段加热，可以保证在整个石油的输送过程中，使石油能够在设定的温度下传输。图7所示为在实际应用中，本发明的装置与输油管道连接设置的局部结构示意图。

当石油由输油管道A经过本发明的的装置流向输油管道C时，本发明的装置对输送的石油进行了加热。为使本发明在加热石油时而不影响管道内石油的流速，加热管道的内径应比输油管道的内径大些。

图8所示为利用本发明的装置加热石油的一具体流程，其具体加热流程如下：

步骤801、利用温度给定器91设定一给定温度值，同时，利用温度感应器7探测加热管道1出口的石油的实际温度值并将该实际温度值传输给温度变送器92，将该实际温度值转换成电信号后输入计算机控制器93；

步骤802、计算机控制器93将温度变送器92输入的实际温度值与温度给定器91输入的给定温度值进行比较，并根据二者的差值产生一偏差信号；

步骤803、计算机控制器93根据偏差信号及预先设计的控制规律产生一控制信号并传输给直流调压模块81，直流调压模块81根据控制信号对直流电源80输出的电压值进行相应调节后输入可调电抗器82；

步骤804、交流电源5经可调电抗器82调节后，其输出的交流电压经变压器变压后输入感应线圈4，在加热管道1的内部建立稳定的交变电场，因此在加热管道1中的发热体2内部产生感应电流-涡流，涡流在发热体2中流动使发热体2发热，从而加热管道1和发热体2之间以及发热体2内部流过的石油被加热；

步骤805、转入步骤801，实现对加热装置中石油温度的闭环控制。

例如，当计算机控制器93接收到的一大于零的偏差信号(即给定温度大于检测到的石油的实际温度)时，计算机控制器93产生一升高直流电源80输出的电压值的控制信号并传输给直流调压模块81，直流调压模块81将直流电源80输出的电压值适当升高后输入可调电抗器82，随之可调电抗器82的电抗减小，变压器原边电压升高，因此输入感应线圈4的电流升高，最后使加热管道1出口的石油温度升高，这样便达到了稳定控制温度的目的。

由于加热管道入口石油温度随环境而发生变化，欲使加热管道出口石油温度达到设定温度值，可在加热管道的入口处同时设置另一温度感应器71，该温度感应器71的连接关系与上述实施例中温度感应器7的连接关系相同，根据温度感应器71检测到的温度值，以及温度感应器7检测到的实际温度值与标准温度值的差值产生的偏差信号，来产生控制信号，对输入感应线圈4的电压值进行粗调，从而实现对加热装置出口石油温度的闭环控制。

在图7所示的实施例中，利用电流检测器85实时检测感应线圈4中的电流值并将检测到的电流值经电流变送器86输入计算机控制器93，计算机控制器93将该电流值与一预先设置的标准保护值比较，当其大于标准保护值时，认为感应线圈4发生短路，计算机控制器93便通过直流调压模块81将直流电源80的输出电压调节为最小值，使可调电抗器82的电抗处于最大值，从而使原边绕组83中的电压最小，这样就降低了副边绕组84中的电流值，避免了感应线圈4发生故障时电流过大，因此具有可靠的保护功能。

需要说明的是，以上石油加热装置不仅可以安装在石油输送管道中，也可以单独使用，单独使用时，加热管道1具体可以为一罐体类型容器，其对石油的加热原理与方法与上述实施例相同，这里不再赘述。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1、一种石油加热装置，其特征在于包括由非金属材料制成的加热管道，该加热管道内通过支撑部件设置有由金属材料制成的、用于对石油进行加热的发热体；所述加热管道的外表面绕制有与交流电源连接的感应线圈。

2、根据权利要求1所述的石油加热装置，其特征在于所述支撑部件为均匀分布的支架或固定板。

3、根据权利要求1所述的石油加热装置，其特征在于所述发热体的截面为环形、空心多边形、U形、V形、S形或其任意组合。

4、根据权利要求3所述的石油加热装置，其特征在于所述加热管道的截面为环形或多边形。

5、根据权利要求5所述的，其特征在于所述截面为环形的加热管道的内半径与所述截面为环形的发热体的内半径以及管壁厚度之间的关系满足：

$r=-\frac{3}{4}h+\frac{1}{4}\sqrt{{9h}^2-8(h^2-R^2)}$

其中，R为所述截面为环形的加热管道的内半径，r为所述截面为环形的发热体的内半径，h为所述截面为环形的发热体的管壁厚度。

6、根据权利要求1所述的石油加热装置，其特征在于所述支撑部件之间设置有稳固所述支撑部件的连筋。

7、根据权利要求1所述的石油加热装置，其特征在于所述加热管道外表面设有螺旋槽。

8、根据权利要求1所述的石油加热装置，其特征在于所述加热管道外表面设有绝缘支架，该绝缘支架上的外表面设有螺旋槽。

9、根据权利要求1-8所述的石油加热装置，其特征在于还包括：

一检测所述加热管道出口石油的实际温度的温度感应器；

一对所述加热管道出口石油的温度进行控制的控制系统，该控制系统包括温度给定器、温度变送器与计算机控制器；所述温度变送器衔接所述温度感应器与所述计算机控制器；所述计算机控制器还与所述温度变送器连接；所述计算机控制器的输出端通过一调压装置与所述交流电源连接。

10、根据权利要求9所述的石油加热装置，其特征在于所述调压装置包括依次连接的直流电源、直流调压模块、可调电抗器与变压器中的原边绕组，以及依次连接的变压器中的副边绕组与电流检测器、电流变送器；所述直流调压模块还与所述计算机控制器连接；所述可调电抗器还与所述交流电源连接；所述电流检测器还与所述感应线圈连接；所述电流变送器还与所述计算机控制器连接。

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