專利名稱：直接式高頻直流振蕩含鐵管道加熱裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及管道加熱裝置。主要用于油田井口管道的解凍、保溫和其他非易燃易爆液體輸送管道的解凍、保溫等處，屬有熱源的流體加熱類(F24H)。
背景技術：
目前，油田井口輸油的輸油管采用鐵管和鋼制塑料管，鐵管每根5-6米長，管間用法蘭聯(lián)接或焊接。為提高強度的鋼制塑料管徑向分三層最內是聚乙烯層PE，中間為鋼網層，最外為塑料包皮(見圖4)，一般每根作成幾百米長，兩根之間用專用卡扣軋緊，也可用其他連接方式。采用鋼制塑料管的優(yōu)點①管間連接方便。②管內壁無腐蝕。③管內壁光滑，油傳輸阻力小。油田井口采油傳輸中，低溫時原油會凝結，當降到零下時產生冰凍，導致輸油停止。管道中是剛采集的原油，其物理參數(shù)密度、粘度、凝固點、含蠟量均與溫度有關，在管道 中保持一定溫度，有利原油采集。因此，冰凍時需迅速解堵，而正常輸油中應隨時監(jiān)測管溫，進行加熱或保溫。常用的加熱方式A.濕法加熱通過熱水加熱，水蒸汽加熱。B.干式加熱燃燒加熱，電阻加熱，電磁感應加熱。采用濕法加熱，在油田的采集過程中顯然是不適用的。下面對現(xiàn)有的加熱解凍方法具體說明如下I)管道用潑油燃燒加熱此方式只能針對鐵管進行，這種加熱施工麻煩，易發(fā)生火災。2)電阻加熱將電阻絲纏繞在被加熱管道外表面，并設絕緣保溫層，電阻絲兩端施加交流市電或直流的加熱電源。利用電流通過電阻絲放出熱量來加熱管道；利用加熱體的熱傳導，把熱能傳輸?shù)焦艿涝蛢取?)電磁加熱將感應線圈纏繞在油田管道外，并設絕緣保溫層，在感應線圈兩端加上工頻交流市電。利用感應線圈電磁感應產生集膚效應、渦流、電阻熱來加熱管道并將熱量傳給管內原油。采用上述電阻加熱或感應加熱方式，均需要把電阻絲或者是感應線圈纏繞在管道外上，如果管道埋在地下，電阻線或感應線斷了，整個加熱停止，更換很麻煩。4)中國實用新型專利(ZL200929234694. X，)“新型管道式流體加熱器”公開了一種在被加熱管道外表面開槽繞設電加熱元件，通入工頻市電靠電阻發(fā)熱加熱，此方式的缺點除與上述《電阻加熱》相同之外，還存在電加熱元件設在管道最外層，熱量向外散失大；且通入工頻市電僅靠電阻發(fā)熱，熱效率低。5)中國實用新型專利ZL200620021609.8，“油田管道加熱解堵機”公開了一種感應加熱方式。設控制主機將引出電源導線兩端穿過空心手柄、鋼護罩與包在輸油管外的感應圈兩端接通，感應圈得電產生高頻電磁，進行管道加熱。這種方式的不足除與上述感應加熱相同外，且只能對有限長度輸油管解凍或加熱。6)中國發(fā)明專利申請公開《201010135366. I》“高頻渦流管道供熱裝置”:雖然采用了高頻電源，但仍用電阻絲在被加熱管道外表面纏包，因此也存在上述電阻絲斷開難找到、冰凍后難以挖開、熱量向外散失大等問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供的直接式高頻直流振蕩含鐵管道加熱裝置，就是解決現(xiàn)有的上述油田輸油管各種解凍和加熱方式存在的不安全、傳熱效率低、管道外繞電阻絲發(fā)熱體有斷點難查找、安裝檢修麻煩等問題，難以滿足管道高效解凍加熱的需求。其技術方案如下I)設置如下的直流脈沖加熱電源U6 :①主回路中將三相工頻市電I順次連接工頻整流電路2、濾波電路3、高頻逆變器4、高頻變壓器5和高頻整流電路6。②控制回路中選如下A或B :A.包括在高頻整流電路輸出端連接的取樣電路8、與取樣電路輸出端連接的顯示器11、高頻逆變器的檢測保護單元9和PWM控制及驅動電路10。B.除設有取樣電路、顯示器、檢測保護單元和PWM控制及驅動電路以外，還增設與取樣電路輸出端連接的單片機12、與單片機雙向連接的給定操作電路13和計算機聯(lián)網系統(tǒng)14 ;給定操作電路輸出端接PWM控制及驅動電路10，顯示器與單片機輸出端連接。2)設置如下一個發(fā)熱負載回路7:發(fā)熱負載回路中接入被加熱管道7w，被加熱管道選擇如下三種結構之一①油田用聚乙烯鋼網輸油管徑向分三層，最內是聚乙烯層PE，中間為鋼網層，最外為塑料包皮；②徑向至少二層的鋼質復合塑料管有外包保溫層的鐵管；加熱電源U6兩端通過兩導線直接與上述三 種被加熱管道7w的夾層金屬管沿長度兩端連接，以形成發(fā)熱負載回路7 ;夾層金屬管采用油田用聚乙烯鋼網輸油管的中間鋼網層、或徑向至少二層的鋼質復合塑料管鋼質層；或有外包保溫層的鐵管。上述加熱電源可按上述鋼網層、鋼質層或有外包保溫層的鐵管的長度、截面積、電阻率大小和管內液體的狀態(tài)選擇兩臺以上的加熱電源串聯(lián)或并聯(lián)供電；每臺加熱電源電壓U7可選300伏。上述高頻變壓器原邊可設防止偏磁的隔直電容C5。本發(fā)明有益效果I)本發(fā)明利用被加熱管道的金屬夾層自身作為電流的載體，不再考慮管道外部進行線圈纏繞，安裝施工方便快捷。2)加熱均勻振蕩電流在全管道內金屬夾層上加熱，全管道截面相同，材料相同、環(huán)境條件相同、電流相同、熱能相等，加熱均勻。3)發(fā)熱傳熱速度快管道金屬夾層有電流產生一定熱能，同時脈沖電流產生交變磁場產生集膚效應和渦流發(fā)熱，是直流和交變磁場兩種加熱方式的結合，且直接通過管道內壁傳導給液體。因此發(fā)熱傳熱快。同時因脈沖振蕩分子碰撞，也促進發(fā)熱傳熱速度快。4)加熱溫度可控加熱速度和溫度僅與電流大小成正比，采用控制電流大小來控制加熱溫度，有利于加熱控制。5)管道采用直接式高頻直流加熱，比工頻交流電安全，可以根據管道長度實現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)疊加加熱。6)具有管壁振蕩作用，增加原油流動性由于是脈沖電流加熱，可在管壁內快速形成霧化氣泡，可形成汽泡層，防止管內壁油垢產生，增加原油流動性。7)與現(xiàn)有發(fā)熱體纏包在被加熱管道外表面的方法相比除上述安裝施工方便快捷外，由于鋼網層距輸油管內壁內原油近，熱徑向傳遞快，傳熱效率高。8)與現(xiàn)有的《感應加熱》相比，它可以加熱無限長管道，因為電源是直流可以采用多臺電源串聯(lián)供電。9)本發(fā)明發(fā)熱裝置能耗低、節(jié)電節(jié)能。例如鋼網塑料管管徑050臟，管道長L= 110m，外包一層海綿保溫層，其內部已經形成冰凍，管壁外表為-18°C，加熱0. 5小時，溫度升至24°C，在不同的位置測量管壁溫度，除兩端無保溫層露頭溫度較低外，沿管道其他有保溫層位置處溫度基本相等。電壓表讀數(shù)150V，電流表讀數(shù)23A，消耗功率=3. 4千瓦，若加熱I小時，上述加熱電源耗量為6. 8度電，解凍一次僅需交電費約7元。而現(xiàn)有電阻絲纏包方法解凍一次不僅耗電量大，且要挖溝去凍土，高壓沖氣等至少花費幾千元費用。10)本發(fā)明克服了現(xiàn)有油田一些加熱方式的缺陷，不僅用于油田輸油管加熱解凍，且可用于任何外有保溫層的含鐵管道的加熱解凍，均可實現(xiàn)高效節(jié)能成本低。

圖I本發(fā)明加熱裝置主回路框圖和開環(huán)控制回路框圖。圖2圖I加熱電源主回路電路圖和閉環(huán)控制回路框圖。圖3圖I加熱電源主回路各部分電路波形變化示意圖。圖4油田用聚乙烯鋼網輸油管剖面圖。圖5油田用三臺串聯(lián)加熱電源及鋼絲網發(fā)熱負載回路總示意圖。
具體實施例方式實施例I :直接式高頻直流振蕩含鐵管道加熱裝置，如下組成I)設置如下的加熱電源U6:見圖1，圖2，圖3，主回路中的各電路及波形如下①三相工頻市電I內為A、B、C三相交流、手動開關I. I和控制回路驅動的接觸器1.2。三相波形為相隔120°的50HZ正弦波。見圖3中的I)電流I10②工頻整流電路2選用二極管三相橋式整流電路2，將三相工頻市電I整流，整流后的波形為三相正半波，見圖3中的2)電流i2。③濾波電路3采用電感電容L3C3電路，波形變換為直流，見圖3中的3)電流i3。④高頻逆變器4選用IGBT全橋逆變器4，由四個絕緣柵雙極晶體管Qp Q2、Q3、Q4和二極管D4組成的全橋電路，并接入高頻變壓器5原邊(見圖2)，通過IGBT的交替通斷的變換，波形變?yōu)楦哳l交流矩形波，見圖3中的4)電流i4。逆變后輸出頻率為20-100KHZ，電流為20A-1000A。⑤高頻變壓器5可按負載的需求設計為升壓或降壓，本實施例I選為高頻降壓變壓器5，波形變換是將低電流高頻交流矩形波變?yōu)楦唠娏鞲哳l交流矩形波，見圖3中的5)電流15。變壓器輸出電壓為300V，電流為120A。此處設置的高頻變壓器5具有對原付邊隔離防電磁波干擾功能。高頻變壓器原邊增設隔直電容C5，防止高頻中該處偏磁，即磁滯回線偏移。⑥高頻整流電路6 :采用二極管D61、D62整流電路。將高頻變壓器付邊電壓整流輸出電壓U6電流i6作為加熱電源，波形變換是將大電流高頻矩形波變?yōu)楦哳l大電流脈沖直流波，見圖3中的
6)電流i6。見圖1，本實施例I加熱電源控制回路若采用開環(huán)控制回路，設置如下取樣電路8、顯示器11、高頻逆變器的檢測保護單元9和PWM控制驅動電路10。取樣電路8接主回路加熱電源輸出端，將電壓U6、電流i6取樣后直接接顯示器11上顯示，供運行人員監(jiān)測。檢測保護單元9內為設在高頻逆變器上的過流檢測器9. I、過壓欠壓電路9. 2、溫度傳感器9. 3及保護控制電路9. 4，當檢測的電流、電壓、溫度數(shù)據有異常，通過保護控制電路9. 4傳給PWM控制驅動電路10控制高頻逆變器4的動作。見圖2，本實施例I加熱電源控制回路若采用閉環(huán)控制回路，除具有上述開環(huán)控制回路的取樣電路8、顯示器11、高頻逆變器的檢測保護單元9和PWM控制驅動電路10之外，還有如下變化①增設單片機12分別與給定操作電路13和計算機聯(lián)網控制14雙向連接。
②取樣電路8與單片機12單向連接。③給定操作電路13輸出端接PWM控制驅動電路10。 取樣電路將主回路加熱電源輸出端電壓U6、電流i6信號取樣后返饋到單片機，單片機根據給定操作電路(比較電路)的給定電壓比較后接通，控制PWM控制驅動電路10動作，再控制高頻逆變器4的脈寬，自動調節(jié)輸出電壓電流大小。設計算機聯(lián)網控制系統(tǒng)14可實現(xiàn)用遠處的聯(lián)網計算機進行遙控。上述控制回路電源為15。
2)見圖1，圖2，設置一個發(fā)熱負載回路7，發(fā)熱負載回路中接入被加熱管道，本實施例被加熱管道選擇油田用聚乙烯鋼網輸油管7W:見圖4，徑向分三層，最內層7c是聚乙烯層PE，中間為鋼網層7b，最外為塑料包皮7a。見圖2，高頻整流電路6輸出的脈沖直流電加熱電源U6兩端口 6A、6B通過兩導線7. I、7. 2直接與被加熱管道7W的夾層金屬管鋼網層7b沿長度首末端7A、7B連接，導線和鋼網層形成發(fā)熱負載回路7。實施例2見圖5地面的抽油機將原油打入輸油管管道7w，管道從地面下穿過與另一處地面集油站連通。本實施例2中上述加熱電源按上述鋼網層的長度、截面積、電阻率大小和管內液體的狀態(tài)選擇三臺相同脈沖直流電加熱電源MpM2、M3串聯(lián)供電將三臺電源輸出接口 6A、6B串聯(lián)后，再用首端6A與末端6B通過導線7. 1、7. 2分別與鋼網層7b首末端7A、7B連通，形成負載發(fā)熱電路7。三臺相同加熱電源串聯(lián)電壓和加熱管道長度均為單臺的三倍。一般每臺高頻直流振蕩電源電壓U6可為10-1000V，加熱管長為幾米-I公里。當管道管徑為ct50mm， 管道長L= 110m，每臺加熱電源設計為電壓U6 = 300V，功率P = 3500瓦較合適。本實施例2每臺加熱電源的組成與實施例I完全相同。實施例3 :除被加熱管道7w為徑向兩層的鋼質復合塑料管外，其余與實施例I完全相同。實施例4 :除被加熱管道7w為有外包保溫層的鐵管外，其余與實施例I完全相同。
權利要求
1.直接式高頻直流振蕩含鐵管道加熱裝置，其特征是 1)設置如下的直流脈沖加熱電源U6: ①主回路中將三相工頻市電(I)順次連接工頻整流電路(2)、濾波電路(3)、高頻逆變器(4)、高頻變壓器(5)和高頻整流電路￠);②控制回路中選如下A或B A.包括在高頻整流電路輸出端連接的取樣電路(8)、與取樣電路輸出端連接的顯示器(11)、高頻逆變器的檢測保護單元(9)和PWM控制及驅動電路(10) ；B.除設有取樣電路、顯示器、檢測保護單元和PWM控制及驅動電路以外，還增設與取樣電路輸出端連接的單片機(12)、與單片機雙向連接的給定操作電路(13)和計算機聯(lián)網系統(tǒng)(14);給定操作電路輸出端接PWM控制及驅動電路，顯示器與單片機輸出端連接； 2)設置如下一個發(fā)熱負載回路(7):發(fā)熱負載回路中接入被加熱管道(7w)，被加熱管道選擇如下三種結構之一①油田用聚乙烯鋼網輸油管徑向分三層，最內是聚乙烯層PE，中間為鋼網層，最外為塑料包皮；②徑向至少二層的鋼質復合塑料管；③有外包保溫層的鐵管；加熱電源U6兩端通過兩導線直接與上述三種被加熱管道(7w)的夾層金屬管沿長度兩端連接，以形成發(fā)熱負載回路；夾層金屬管采用油田用聚乙烯鋼網輸油管的中間鋼網層、或徑向至少二層的鋼質復合塑料管鋼質層；或有外包保溫層的鐵管。
2.按權利要求I所述加熱裝置，其特征是所述加熱電源按上述鋼網層、鋼質層或有外包保溫層的鐵管的長度、截面積、電阻率大小和管內液體的狀態(tài)選擇兩臺以上的加熱電源串聯(lián)或并聯(lián)供電；每臺加熱電源電壓U7選300伏。
3.按權利要求I所述加熱裝置，其特征是高頻變壓器(5)原邊設防止偏磁的隔直電容C5。
全文摘要
直接式高頻直流振蕩含鐵管道加熱裝置。加熱電源由市電整流、濾波、高頻逆變器、高頻變壓器和高頻整流，獲得高頻直流脈沖電壓。有逆變器的檢測保護和PWM控制驅動電路，或增設單片機閉環(huán)控制。加熱電源兩端通過兩導線直接與被加熱管道的夾層金屬管兩端連接，用管道自身作為電流載體和發(fā)熱體，不需纏線圈，安裝方便快捷；全管道加熱均勻；脈沖直流是直流和交變磁場加熱的結合，且從管內壁直接傳給其內原油，發(fā)熱傳熱快。電源可按管長串并聯(lián)疊加多臺；管壁振蕩防油垢產生，增加原油流動性。管徑50mm，管長110m，貫滿冰凍水，外表-18℃，加熱半小時，溫度升至24℃，消耗功率僅3.4千瓦?？捎糜谟吞锞垡蚁╀摼W輸油管、或二層以上鋼質塑料管；或有外包保溫層的鐵管的加熱和解凍。
文檔編號H05B6/06GK102635754SQ20121005309
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權日2012年3月2日
發(fā)明者程景才, 賴永明 申請人:程景才, 賴永明