大功率集肤效应电伴热系统的研究

华宇飞

（西北农林科技大学，陕西咸阳，712100）

0 引言

由于我国使用的很多集肤效应电伴热原系统功率有限，采用逆变器控制，其伴随热效应约为几十千瓦，系统操纵性差，能量调试体积大、复杂、操作难度也较大。与现有的蒸汽伴热系统（也称作“双管伴热”）相比，电伴热系统具有一系列优点，如成本低、节能，因此它是可以替代蒸汽的工艺发展方向。本文通过对加热管和管内载体的技术研究，旨在补偿运输物质时造成的热损耗，为运输油田原油过程中通过管道加热原油提供有力技术支持。通过伴热效应时的热能支持，能够防止原油中的诸如石蜡等物质的冷凝，减少原油运行的阻力，从而提高石油运输效率。管道中的石油在加热到40℃时能不受阻滞而流动。但是，温度过高可能会导致某些易燃和易挥发的成分蒸发，也给管道承受的压力太大；而高温不利于原油运输，也会导致浪费能源的问题。

在电热带区域，电子产品的成本太高，使用时间有限，长距离管道不适合伴随热载体的有效的热传导。因此必须完善现有的伴热管理系统，本文基于对集肤效应电伴热系统的基础原理、构建设计及其控制系统的分析，探讨了创建新型大功率管道表面效应的热系统的设计。

1 集肤效应原理

传统的输油管道伴热方式有如下2种：

(1)蒸汽伴热。蒸汽伴热用蒸汽导热来补充管道的热损失，通过管道的平行铺设和保温设计，这样就可以在管道中加热原油，保持温度。

(2)伴热带伴热。伴热带为具有碳纤维电阻、正温度系数的扁平带，在输油管道表面缠绕并与管道完全接触的管道，通过电阻丝加热管线。

集肤效应电伴热技术是在前两种方法的基础上，在蒸汽、伴热带和邻近管路的基础上开发的管道复合加热技术。集肤效应是指当导线通过交流电时，导线外部表面的电流密度大大超过导线内部电流密度的现象。蒸汽伴热具有成本限制，不能长距离伴热，不能控制温度，热带热功率小，需要多点供电，故障修复困难；而传热体表面效应是安全可靠的，功率大，可支持管道长度长，同时产生的热适用于各种长时间运转的石油管路。邻近效应是电流接近的电磁现象，当一对导体穿过反向交流电时，管道在伴热预热的情况下通常在管道表面进行串接运行。电路通过伴热管的通道，其尾部与伴随热管的尾部连接，形成一个完整的回路。当热管和交流电电路接触时，因为输油管道的集电器的集电表面效应和邻近效应，绝大多数电流集中在伴随导热管的内表面。因此，在这一点上，管道的等效电阻比管道的永久阻力大得多，可以产生足够的功率来加热管道；外部表面电流非常小，几乎可以忽略不计，外部壁此时已足够绝缘。

在交流磁场作用下，导电体通过时通常有大量电子集中在导体表面，这种现象叫做表面效应。在电热系统应用时，导线经过钢管，末端与钢管相连，形成一个封闭回路，如图1所示。当电流通过交流电时，由于表面效应和邻近效应，电流将集中在钢结构的内表面，在外表面没有电流，也被称为内表面效应。频率越高，表面效应就越明显。应当注意保证外墙绝缘，从而保障外表面无电流。

图1 集肤效应原理

2 集肤效应电伴热系统推导

根据管道温度系统建立研究模型，各输油管道为原始研究对象。在能量守恒定律支撑下，管道在单位时间的能量积蓄值变化情况等于单位时间内管道的输入能量与逸散流出能量值的差，可用式子表示为：

其中，C指管道内原油的比热容，T是管道运行温度，G是管道输油质量，Qin是伴热管在单位时间生成/输入的热量，Qout是管道在单位时间逸散的热量。

因此，为了计算管道伴热系统的工作荷载情况，可以运用这一工作状态的惯性延时设计来计量管道伴热系统的一般工作热量。考虑到可编程控制器（PLC）中搭载的PID控制器可以对系统进行自动化控制，因此可以基于当前计算出的工作状态来设计管道伴热系统的各参数值。

3 控制系统设计

3.1 管道基础结构

将有穿心电缆的圆形管道，电流在xOy 平面管壁上的分布不是均匀的，把石油管道的管壁分割成一系列厚度极小的等厚的同心圆环，假设这些同心圆环的厚度为dy，管道长度为Lt。令管道内径为r，可以据此来计算任意圆环中所流经的电流。最终计算需要为管道内原油进行加热的功率P为I2Rg，取运行状态下的功率电阻。

3.2 综合控制系统设计

系统原理如图4所示,工业三相交流电输入系统中，通过AC～DC逆变电路转换为直流，然后通过IGBT逆变电路转换为方波交流电，输入到负载对其进行加热.由控制器输出脉宽调制(PWM)控制信号，从而控制输出功率和负载温度。

图2 管壁恒截图

图3 导体平板电磁场示意图

图4 控制系统设计

其中的IGBT逆变电路部分，主要由新型电力电子器件绝缘栅双极性晶体管（IGBT）搭载，整个逆变电路一般需要4个IGBT来参与构建。在每一个控制周期中，前半个部分先由IGBT1、2号导通工作, 后半周期则由IGBT3、4号导通工作，从而实现了交流电负载。为了控制IGBT交流中的电热蓄积问题，应当采取有效措施来做好冷却散热工作。风扇风冷的效果受到风速条件的影响，还可能因风速过大导致静电、灰尘等多种问题，加速了IGBT的性能衰退和报废时限。因而，一般采用空调制冷、管控工作温度的方法进行IGBT冷却，既能有效控制了IGBT的工作温度，也能促进其散热，从而为IGBT的正常工作提供了有力的温度条件保障，也有利于构建大功率(100 kW)电伴热系统稳定输出能力。

3.3 软件系统设计

与硬件的结构模块不同，软件总体上可以分为两个主要功能模块：功能信息处理模块和数据显示模块，即处理人机接口界面的功能模块;另一个是控制内部电路的模块.处理 人机界面接口的模块主要功能是处理来自键盘的控 制信号，如启动、停止、设置等,并将系统的状态信息 如负载温度、负载电流、设定温度输出到数码管。一部分模块包括显示子程序、译码子程序、闪烁子程序、延时子程序、启动子程序、停止子程序、设置子程序、增加和减少子程序。

内部电路控制功能模块负责将传感器收集的现场模拟信号转换为数字信号，可识别的系统和根据这些参数控制武装冲突法信号的输出，调节系统的输出电流，以实现控制输出功率，保持和调整管道温度的目标。系统快速响应故障，故障修复程序放在主程序中，以提高系统的稳定性。

3.4 稳定变化情况模拟计算

原油在运输过程中环境温度不是静止的，特别是在北方的油田，那里昼夜温差很大，一年四季温度变化很大，考虑到实际温度不可能是模拟时的极端温度，应当在设境时注意控制环境温度和初始加热温度为20℃，并对相应的设计参数进行有效调整。原油管道正式运输前，储蓄油池会对其做预加热，所以管道运行的初始温度往往20℃-40℃范围内，这可能导致土壤温度及管内温度的共同变化，因此需要在集肤效应电伴热系统中调整其运行参数，从而为系统稳定、可持续运行提供有力保障。一般来说，石油运输管路的位置都在地下5m左右，该深度区域的土壤温度不会太受到气候条件的影响，因此较地面气温的变化幅度更小，也更容易保持管路及集肤效应电伴热系统运行的稳定性。冬季时，土壤温度比空气温度；夏季时，土壤稳定比空气温度低。

因此，应当在系统设计时主要保留一定的温度调整裕度，结合以上温度分析，可以将油田区域的土壤工作温度设计为-15℃-25℃范围内，从而保障集肤效应电伴热系统对运行温度的适应性。可以在进行参数设计后，利用 Simulink 仿真分析来在不同模拟工况下测试集肤效应电伴热系统的运行水平，及在控制策略、温度调控上的表现，从而优化系统设计。

4 结语

取最常见的25℃土壤温度、22℃加热起始温度情况下的工作状态，若利用传统的蒸汽控制策略来对其进行管路温度控制，不仅需要进行多点设计，也需要在运行时通过试凑相关参数，大大降低了工作效率。利用集肤效应电伴热系统进行控制，则能够有力支持大功率运行状态，而且合理的参数设计也让系统拥有良好的适应性，从而能够在前期反应时及时进行产热升温，并在实际温度接近目标温度时降低升温速度，实现油田附近较长管路的伴热控制。