油田输油管解堵设备和频率控制方法

摘要

本发明的油田输油管解堵设备，包括包括将交流电变换成直流电并起隔离作用的第一变换装置，将第一变换装置输出的直流电变换成交流电的第二变换装置，第一变换装置的输出端接第二变换装置的输入端。采用第一变换装置将高压小电流交流电转换成低压大电流直流电，然后经逆变器变换成低压大电流交流电加在输油管上，解决了输油管因直流电造成的电解腐蚀，同时土壤中的离子在电流的作用下移动，逐渐附着在输油管外壁，修复了细小的裂痕，延长了输油管寿命；并且第一变换装置的隔离作用使产品的使用变得安全可靠。第二变换装置中的功率满载控制方法，利用趋肤效应的影响，调整输出交流电的频率，使输油管发热量最大，加热效果最佳，电能得到充分利用。

说明书

【技术领域】

本专利涉及涉及石油生产设备领域，具体涉及一种油田输油管解堵设备和频率控制方法。

【背景技术】

连接在井口与计量站的油田输油管，油中的石蜡，沥青，硫化物随着时间的推移，在输油管内壁累积越来越多，当油井产量低、油稠或者井口的抽油机损坏时，产出的油液流速慢，温度低，特别是在温度低的环境，输油管内壁或油中的石蜡，沥青，硫化物凝结造成输油管堵塞。专利CN201020238428.7中将0～120V，0～1200A的直流电压施加到输油管上加热，实现解堵。但在实际应用中，当输油管外层的绝缘层老化或损坏出现裂痕或缝隙时，直流电源的正负极连接在输油输油管两端，在绝缘层裂缝处的金属油管上相当施加了一直流电源，输油管，油井与大地组成了一个电荷回路，在直流电源作用下，输油管被电解腐蚀，在短时间内管道出现孔洞，如图1。

【发明内容】

为了解决上述问题，本发明提供一种油田输油管解堵设备。

本发明所采用如下技术方案，构造油田输油管解堵设备，包括将交流电变换成直流电并起隔离作用的第一变换装置，将第一变换装置输出的直流电变换成交流电的第二变换装置，第一变换装置的输出端接第二变换装置的输入端。

优选的，所述第一变换装置是开关电源，或由变压器和整流器组成。

优选的，所述第二变换装置是逆变器。

优选的，所述开关电源包括：第一控制模块；第一高频逆变模块；输入整流滤波模块，其输入端接三相四线或三相三线市电，其输出端连接第一高频逆变模块的输入端；驱动模块，其输入端连接所述第一控制模块，其输出端连接所述第一高频逆变模块；高频变压器，其初级线圈与所述第一高频逆变模块的输出端并联；输出整流滤波模块，其输入端与所述高频变压器的次级线圈并联，其输出端连接所述逆变器；缺相检测模块，其输入端接三相四线或三相三线市电，其输出端连接所述第一控制模块；电源模块，其输入端接220V交流电，其输出端连接所述第一控制模块。     优选的，所述开关电源还包括与所述第一控制模块连接的第一采样模块和/或第一显示模块和/或接三相四线或三相三线市电的第一冷却模块。

优选的，所述开关电源还包括谐波电容，所述第一高频逆变模块的任一输出端串联所述谐波电容后与所述高频变压器的初级线圈并联。

优选的，所述逆变器包括：第二控制模块；第二高频逆变模块，与所述开关电源的输出端连接；驱动模块，其输入端连接所述第二控制模块，其输出端连接所述第二高频逆变模块；电源模块，其输入端接220V交流电，输出端连接所述第二控制模块。

优选的，所述逆变器还包括与所述第二控制模块连接的第二采样模块和/或第二显示模块和或接220V交流电的第二冷却模块。

本发明还提供一种油田输油管解堵设备的功率满载控制方法，包括如下步骤：

S1：第二采样模块采样逆变器的工作温度，逆变器的输入电压和电流，逆变器输送给输油管的交流电压和电流，并将采样数据输入第二控制模块；

S2：第二控制模块判断逆变器工作温度是否过热，输入是否过压，过流，欠压；如任一条件判断是，则逆变器故障，到步骤S7;如所有条件否，则到步骤S3；

S3：第二控制模块根据输油管的交流电压和电流计算输油管长度；

S4：第二控制模块根据第二采样模块采样输送给输油管的交流电压和电流数据，计算输出功率并和设定值比较；如输出功率小于设定值，到步骤S5；如输出功率不小于设定值，到步骤S7；

S5：判断输出电压是逆变器的最大工作值，如是到步骤S8；如否到步骤S6；

S6：判断输出电流是逆变器的最大工作值，如是到步骤S10；如否到步骤S7;

S7：第二控制模块控制第二显示模块显示施加到输油管的电压、电流值或故障信息；

S8：第二控制模块控制第二高频逆变模块降低输出电流的频率；

S9: 第二控制模块判断输油管的电压是逆变器的最大工作值，如是到步骤S8;如否到步骤S7；

S10：第二控制模块控制第二高频逆变模块提高输出电流的频率；

S11：第二控制模块判断输油管的电流是逆变器的最大工作值，如是到步骤S10;如否到步骤S7；

优选的，油田输油管解堵设备的功率满载控制方法还包括在步骤S1前，逆变器开始工作时以设定频率的交流电压和电流施加到输油管上的步骤。

由上述方案可见，采用第一变换装置将高压大电流交流电转换成低压大电流直流电，然后经逆变器变换成低压大电流交流电加在输油管上，解决了输油管因直流电造成的电解腐蚀，同时土壤中的离子在电流的作用下移动，逐渐附着在输油管外壁，修复了细小的裂痕，延长了输油管的寿命；并且第一变换装置的隔离作用使产品的使用变得安全可靠。第二变换装置中的频率控制方法，利用趋肤效应的影响，调整输出交流电的频率，使输油管发热量最大，加热效果最佳，电能得到充分利用。

【附图说明】

图1 输油管施加直流电源连接示意图；

图2 实施例一中的油田解堵设备安装示意图；

图3 实施例一中的开关电源方框示意图；

图4 实施例一中的逆变器方框示意图；

图5 实施例一中的输入滤波整流电路图；

图6 实施例一中的采样电路图；

图7 实施例一中的缺相检测电路图；

图8 实施例一中的输出整流滤波电路图；

图9 实施例一中的逆变器频率控制流程图；

图10 实施例二中的油田解堵设备方框图。

 

【具体实施方式】

为了使本发明的技术方案和技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本专利的实施方式进行详细描述。

实施例一：

如图1所示，本实施例中的油田输油管解堵设备，包括第一变换装置和第二变换装置，第一变换装置是开关电源，第二变换装置是逆变器，开关电源的输出和逆变器的输入端连接。输油管1堵塞时，拆下油井与输油管1间的法兰，在输油管两端焊上螺杆，再将逆变器的输出电缆连接到螺杆上。

所述开关电源包括第一冷却模块，输入整流滤波模块，第一高频逆变模块，2个驱动模块，高频变压器，输出整流滤波模块，第一采样模块，缺相检测模块，第一显示模块，电源模块，第一控制模块，如图2所示。

输入整流滤波模块输入端接三相四线或三相三线市电,用来滤除噪声，将交流电变换成直流电输出给第一高频逆变模块，其电路见图5。三相市电经两个并联的三相整流桥后，将交流市电变换成直流电，经高频薄膜电容滤除高频噪声，经电感滤除低频噪声的直流电输出给第一高频逆变模块。

第一冷却模块接三相四线或三相三线市电，用来给开关电源散热，可以是大功率风扇加散热器的风冷系统或者水冷回路系统。

电源模块将小功率开关电源输出的15V直流电压通过稳压芯片变换成各种不同数值的直流电压，其输入端接220V交流电，其电压输出端连接第一控制模块，驱动模块，第一显示模块的电压输入端。小型开关电源型号是P15E-5。

第一采样模块，缺相检测模块，第一显示模块，驱动模块均与第一控制模块连接。

第一采样模块用来采样开关电源的工作温度，输入电压，输入电流，将采样到的数据输出给第一控制模块,第一采样模块的电路见图6，温度传感器、电压传感器、电流传感器的采样数据经电阻Rc2后接入运算放大器Uc1的2脚，Uc1的3脚和输出脚1脚间接反馈电阻Rc3,1脚接上拉电阻Rc4。运算放大器的输出接第一控制模块。

缺相检测模块用来判断市电是否缺相，如缺相则输出逻辑信号给第一控制模块，缺相检测模块电路见图7，其中每相电经限流电阻后由整流二极管构成的全波整流电路变换成直流电输入光耦，Qq1，Qq2，Qq3光耦的输出彼此串联，Qq1的1脚接电源，Qq3的3脚接下拉电阻，只要任何一相电源故障，Qq3的3脚输出低电平。

第一显示模块用来显示开关电源输出的电压和电流或故障信息，可以是液晶或者LED。

第一高频逆变模块由四个IGBTQ1、Q2、Q3、Q4构成的全桥电路组成，其中Q1的源极连接Q2的漏极，构成上桥臂，Q3的源极连接Q4的漏极，构成下桥臂。Q1的漏极和Q2的源极并联在输入整流滤波模块的输出端，Q3的漏极和Q4的源极并联在输入整流滤波模块的输出端，为了得到更好的输出波形，Q1的漏极串联谐波电容后与Q3的漏极与高频变压器的初级线圈并联，谐波电容用来滤除输出电信号中的谐波。Q1、Q2、Q3、Q4的型号是2MBI300U4H-120。

驱动模块接收第一控制模块的逻辑控制信号，控制第一高频逆变模块的通断。驱动模块型号是SKHI 23/12(R)，每个驱动模块连接两个IGBT。现以上桥臂说明第二驱动模块与Q1、Q2的连接方式。驱动模块输出引脚X2.3、X3.3分别连接两个Q1、Q2的栅极，X2.5、X3.5分别连接Q1、Q2的源极 ，X2.1、X3.1分别连接Q1、Q2的漏极。下桥臂与驱动模块的连接与上桥臂相同。驱动模块用来在过压，欠压，过流情况下保护4个IGBT，同时将第一控制模块输出的不标准方波转换成标准方波输出给4个IGBT，控制它们的通断。

第一控制模块根据来自第一采样模块的温度，电压和电流数据，如各数据都在安全数值范围内，则输出控制信号给2个驱动模块。第一控制模块的核心芯片型号是LPC2214。

高频变压器的次级线圈与输出整流滤波电路的输入端并联。

输出整流滤波模块电路见图8，经二极管半波整流后再将电容滤波，输出接逆变器的输入端。

开关电源的工作过程如下：三相四线或三相三线380V市电，经输入整流滤波模块转化成高压直流电，供给第一高频逆变模块的IGBT漏极。第一采样模块采样的的电压，电流，温度数据在正常范围内时，且缺相检测模块的输出不缺相时，第一控制模块控制驱动模块输出高频的开关驱动信号到IGBT的栅极，IGBT以一定的占空比进行通断工作，输出高频交流电压给高频变压器,经高频变压器隔离降压后得到低压大电流交流输出，再经输出整流滤波模块得到低压大电流直流输出。

逆变器包括第二高频逆变模块，第二采样模块，2个驱动模块，第二显示模块，电源模块，第二冷却模块，第二控制模块。

第二高频逆变模块由四个IGBTQ5、Q6、Q7、Q8构成的全桥电路组成其电路连接与第一高频逆变模块的相同，在此不再赘述，开关电源的直流输出电压VCC连接Q5和Q7的漏极，GND连接G6和G8的源极，Q5漏极和Q7漏极作为交流电输出端。Q5、Q6、Q7、Q8的型号是2MBI600U2E-060。

第二采样模块用来检测逆变器的工作温度，逆变器的输入电压和电流，施加到输油管上的电流和电压。第二采样模块的电路和第一采样模块的电路相同。

驱动模块型号是SKHI 23/12(R)，每个第二驱动模块连接两个IGBT。现以上桥臂说明第二驱动模块与Q5、Q6的连接方式。驱动模块输出引脚X2.3、X3.3分别连接两个Q5、Q6的栅极，X2.5、X3.5分别连接Q5、Q6的源极 ，X2.1、X3.1分别连接Q5、Q6的漏极。下桥臂与驱动模块的连接与上桥臂相同。驱动模块用来在过压，欠压，过流情况下保护4个IGBT，同时将第二控制模块输出的不标准方波转换成标准方波输出给4个IGBT，控制它们的通断。

第二显示模块是液晶或者LED，用来显示施加在输油管上的电压和电流或故障信息，并接受用户的设定的电流值。第二电源模块是小功率开关电源，输入端接交流220V电源，

第二冷却模块接220V交流电，用来给逆变器散热，可以是大功率风扇加散热器的风冷系统或者水冷回路系统。

电源模块和开关电源中的相同。

第二控制模块根据来自第二采样模块的温度，电压和电流数据，输出改变频率的控制信号给2个驱动模块。第二控制模块的核心芯片型号是LPC2200。

逆变器的工作过程如下：开关电源输出的直流电，供给第二高频逆变模块的IGBT漏极。第二采样模块采样的的电压，电流，温度数据在正常范围内时，第二控制模块控制驱动模块输出高频的开关驱动信号到IGBT的栅极，IGBT以一定的占空比进行通断工作，输出高频交流电。

在交流电环境下，单位长度导线的高频电阻，

其中，D=输油管直径，pr=相对铜的的电阻系数，f=交流电频率。

单相交流电的平均功率P=UI/2=（I²×R_AC×L）/2=U²/(2×R_AC）,其中，P=逆变器输出功率，U=逆变器输出交流电电压幅值,I=逆变器输出交流电电流幅值，L=输油管长度。逆变器输出交流电频率。

从输油管电阻计算公式可看出，输油管长度确定的情况时，电阻与频率成正比；电阻不变时，频率和长度成反比。

开关电源的直流电经第二高频逆变模块在第二控制模块的控制下转换成低压大电流交流电。通电初期，逆变器以设定频率的输出低电压大电流交流电施加到输油管上，第二检测模块检测输油管上的电流I和输油管电压U，且输油管的趋肤效应不明显，可根据R=ρ*L/S=U/I计算出输油管的长度，根据不同长度的输油管，第二控制模块根据公式

。通过控制第二高频逆变模块的通断频率来调整输出交流电的频率。

随着交流电趋肤效应的产生，输油管电阻变化，为了使输油管的加热效果最佳，就需保证逆变器的输出功率最大利用。输油管越长，电阻越大，输油管上的电流小于最大值，电压是最大值，需降低频率，减小输油管电阻；输油管越短，电阻越小，输油管上的电流是最大值，电压小于最最大值，需提高频率，提高输油管的电阻。

第二控制模块根据第二采样模块采样到电压和电流计算输出功率，判断输出功率和功率设定值，如小于设定值，再判断输出交流电电压和逆变器最大工作电压，如输出交流电电压是最大值，降低输出交流电频率，提高输出电流，直到输出电压小于最大值就立刻停止降低输出交流电频率。如输出交流电电压不是最大值，判断输出输出交流电流和逆变器最大工作电流，如输出交流电流是最大值，提高输出交流电频率，提高输出电压，直到输出电流小于最大值就立刻停止提高输出交流电频率。

当输出功率不小于功率设定值或逆变器故障时，第二控制模块控制第二显示模块显示输出电流、电压值，故障信息等数据。

逆变器的频率控制流程图见图10。

实施例二：

见图9，本实施例中的油田输油管解堵设备的第一变换装置由隔离器和整流器组成，第二变换装置是逆变器，隔离器输入端接三相市电或者单相交流电，输出端接整流器的输入端，整流器的输出端连接逆变器的输入端。隔离器将三相市电或者单相交流电变换成低压的交流电，并起隔离作用，可以是感应调压器或变压器，三相市电应用的变压器是斯科特变压器或专利CN201020238428.7中的感应调压器，单相交流电应用的变压器是普通变压器。整流器将低压交流电变换成直流电输出给逆变器，逆变器的实现方式和频率控制方法与实施例一中相同。

以上所述仅为本专利的优选实施例而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。