高溫高壓試驗裝置熱風(fēng)循環(huán)與變頻控制設(shè)計與實踐

張建華，張 波，葉忠漢

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安 710021；3.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

采用新型電熱風(fēng)加熱技術(shù)的試驗用高溫超高壓試驗裝置，通過高壓釜體傳導(dǎo)傳熱的方式，加熱釜內(nèi)的試驗介質(zhì)，配合超高壓系統(tǒng)模擬地層溫度壓力環(huán)境，應(yīng)用于石油儀器高溫高壓測試領(lǐng)域，電熱風(fēng)加熱代替導(dǎo)熱油循環(huán)加熱技術(shù)，具有節(jié)能高效、安全環(huán)保、運行可靠的優(yōu)點[1-3]。

熱風(fēng)循環(huán)與控制裝置是電熱風(fēng)加熱技術(shù)的核心之一，設(shè)計合適與否，直接影響該技術(shù)的實施效果。如熱風(fēng)循環(huán)通道設(shè)計不合理，風(fēng)機閥門選型裝配不匹配，風(fēng)量風(fēng)壓控制與溫度控制不協(xié)調(diào)，就會出現(xiàn)風(fēng)道阻力大、加熱冷卻時間長、熱風(fēng)系統(tǒng)耗能大等問題，致使高溫高壓聯(lián)合試驗較難順利進行，嚴重影響試驗的進度和質(zhì)量。

為有效提高電熱風(fēng)換熱效率，降低風(fēng)機噪音，消除平臺振動，滿足高溫高壓試驗技術(shù)要求，本文設(shè)計并實施一種熱風(fēng)循環(huán)與風(fēng)機變頻控制裝置，通過在熱風(fēng)加熱區(qū)設(shè)置導(dǎo)流筒，將電阻加熱器和高壓釜之間的環(huán)形區(qū)域分割，熱氣流具有內(nèi)外風(fēng)道的熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)。通過電動切換閥門分別實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)加熱、外循環(huán)降溫兩種功能，根據(jù)不同試驗階段溫度跟蹤保護控制要求，采用頻率分段控制方法進行風(fēng)量風(fēng)壓實時調(diào)節(jié)，以最快速度按照試驗要求對釜內(nèi)試驗介質(zhì)溫度進行精確控制，保證釜體試驗安全，順利完成高溫高壓試驗，并能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、壓力、風(fēng)量等數(shù)據(jù)的自動采集、記錄和輸出等功能。

1 電熱風(fēng)高壓試驗裝置的設(shè)計原理與組成

1.1 熱風(fēng)高溫高壓試驗原理

電熱風(fēng)高壓試驗裝置，采用外熱式電阻空氣熱風(fēng)爐，以空氣做為換熱介質(zhì)，加熱超高壓釜體內(nèi)試驗介質(zhì)，模擬地層溫度壓力環(huán)境，圖1為高溫高壓熱風(fēng)加熱試驗裝置組成原理示意圖。

圖1 高溫高壓熱風(fēng)加熱試驗裝置組成示意圖

試驗加熱、保溫階段，熱空氣通過內(nèi)循環(huán)通路，循環(huán)加熱筒體以及筒體內(nèi)的試驗介質(zhì)。操作時，依次打開換向閥，關(guān)閉熱風(fēng)閥和冷風(fēng)閥，運行變頻風(fēng)機，電阻熱風(fēng)爐開始加熱，風(fēng)機以一定的風(fēng)速風(fēng)壓進行熱空氣循環(huán)，配合高壓系統(tǒng)完成加熱加壓和保溫保壓功能。

完成高溫高壓測試后，降溫泄壓時，關(guān)閉加熱電源，切換換向閥，形成外循環(huán)通路，外界自然冷空氣通過外循環(huán)降低筒體內(nèi)外溫度，通過風(fēng)機變頻器自動調(diào)節(jié)風(fēng)機輸出冷風(fēng)的風(fēng)量，使釜內(nèi)試驗介質(zhì)溫度按照冷卻工藝曲線限定時間，完成降溫泄壓過程。

1.2 電熱風(fēng)高壓試驗裝置的組成與溫差控制要求

電熱風(fēng)高壓試驗裝置主要由熱風(fēng)混合加熱系統(tǒng)、加熱電源系統(tǒng)、熱風(fēng)循環(huán)與變頻控制系統(tǒng)、溫度測控系統(tǒng)和電氣控制與計算機監(jiān)控系統(tǒng)等幾部分組成。

熱風(fēng)混合加熱系統(tǒng)是指超高壓容器外的環(huán)形密封區(qū)，電阻發(fā)熱體按照一定規(guī)則均勻布置于熱風(fēng)爐內(nèi)壁，加熱導(dǎo)流筒內(nèi)外的循環(huán)空氣流，為超高壓容器釜內(nèi)試驗介質(zhì)溫度提供熱量。加熱電源系統(tǒng)是加熱功率輸出控制主回路，主要由斷路器、熔斷器、接觸器、調(diào)功裝置等部分組成，加熱電源通過電纜與熱風(fēng)爐內(nèi)壁發(fā)熱體連接，協(xié)同溫度測控系統(tǒng)按照試驗工藝需求，對加熱電源輸出功率進行自動調(diào)節(jié)。溫度測控系統(tǒng)主要包含各加熱區(qū)溫度測量傳感器、變送器和智能控溫儀配合。電氣控制與計算機監(jiān)控系統(tǒng)完成整個加熱試驗系統(tǒng)的工藝切換與動作控制功能，實現(xiàn)加熱冷卻過程的自動調(diào)節(jié)，以及對整個加熱試驗系統(tǒng)的安全監(jiān)測監(jiān)控功能。

在設(shè)計使用過程中，熱風(fēng)加熱試驗裝置中的高壓釜體在承壓大于150 MPa情況下，釜體內(nèi)外溫差引起的熱應(yīng)力影響超高壓筒體強度時，釜壁承受最高溫度、升溫速度和內(nèi)外溫差必須合理控制，否則影響高壓釜的整體性能甚至損壞，這種不利的安全影響必須重視[4-5]。在加熱試驗過程中，應(yīng)杜絕出現(xiàn)組合疊加應(yīng)力超過筒壁材料的當量應(yīng)力的危險工況，特別是在升降溫開始切換階段，應(yīng)避免出現(xiàn)溫差峰值區(qū)[6]。

1.3 熱風(fēng)循環(huán)控制系統(tǒng)

熱風(fēng)循環(huán)與變頻控制系統(tǒng)完成釜體內(nèi)外加熱功能，是整個電熱風(fēng)試驗裝置的技術(shù)核心。電熱風(fēng)加熱循環(huán)試驗系統(tǒng)包括高壓釜、電阻加熱器、導(dǎo)流筒、測溫檢測元件、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)和管道等，圖2為超高壓容器(高壓釜體)組成示意圖。

圖2 超高壓容器(高壓釜)組成圖

導(dǎo)流筒將電阻加熱器和高壓釜之間的環(huán)形區(qū)域分割，產(chǎn)生熱風(fēng)循環(huán)的內(nèi)風(fēng)道和外風(fēng)道，并分別通過管道與熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)連接。溫度檢測元件設(shè)置在釜內(nèi)和釜壁，對試驗過程釜內(nèi)介質(zhì)溫度和釜壁安全溫度檢測，并通過變頻控制系統(tǒng)進行控制。釜內(nèi)溫度檢測元件采用特殊定制的鎧裝熱電偶，采用耐高壓密封連接結(jié)構(gòu)進行安裝，使熱電偶絲深入釜內(nèi)試驗介質(zhì)，測得釜內(nèi)真實溫度，以模擬地層的環(huán)境溫度。釜壁測溫?zé)犭娕纪ㄟ^彈簧輔助頂緊裝置，準確測得釜壁實際溫度。

根據(jù)釜內(nèi)、釜外溫差數(shù)值大小和釜內(nèi)試驗技術(shù)要求，結(jié)合風(fēng)量風(fēng)壓傳感器所測得風(fēng)量風(fēng)壓信號，通過頻率控制系統(tǒng)模糊PID調(diào)節(jié)器，調(diào)整變頻裝置輸出頻率大小，對風(fēng)機輸出風(fēng)量進行自動控制。

2 熱風(fēng)循環(huán)與變頻控制裝置的設(shè)計與實施

2.1 電熱風(fēng)加熱循環(huán)裝置整體設(shè)計

熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由離心變頻風(fēng)機、熱風(fēng)單向閥、冷風(fēng)單向閥、變頻裝置、頻率控制裝置、風(fēng)量傳感器、管道等組成，加熱和降溫過程中適時提供循環(huán)風(fēng)，通過控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)速的大小，實現(xiàn)按程序曲線加熱和降溫的試驗要求。

風(fēng)機出風(fēng)口與外風(fēng)道聯(lián)通，風(fēng)機進風(fēng)口與換向閥一端連接，換向閥另一端與內(nèi)風(fēng)道聯(lián)通，在換向閥與風(fēng)機進風(fēng)口之間焊接分支管道連接冷風(fēng)閥，冷風(fēng)閥另一端與管道連接并延伸至室外作為冷風(fēng)進風(fēng)口，同時內(nèi)風(fēng)道通過管道和熱風(fēng)閥一端聯(lián)通，熱風(fēng)閥另一端連接管道并延伸至室外，作為熱風(fēng)抽風(fēng)口。在風(fēng)機出風(fēng)口附近安裝風(fēng)量風(fēng)壓傳感器，所得風(fēng)量信號與溫度檢測元件測得的溫度信號共同傳送到頻率控制系統(tǒng)，由變頻控制系統(tǒng)根據(jù)試驗溫度變化要求，實時調(diào)整變頻裝置輸出頻率大小，對風(fēng)機輸出風(fēng)量進行自動控制[7]。圖3為熱風(fēng)高壓試驗裝置三維效果圖。

圖3 熱風(fēng)高壓試驗裝置三維模型圖

變頻控制系統(tǒng)根據(jù)不同試驗階段溫度變化的要求，采用頻率分段控制方式，進行風(fēng)量風(fēng)壓實時調(diào)節(jié)，使升溫降溫過程中釜體內(nèi)外溫差在允許范圍內(nèi)，保證釜體溫差熱應(yīng)力安全。打開換向閥，同時關(guān)閉冷風(fēng)閥和熱風(fēng)閥，熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)運行于內(nèi)循環(huán)模式，實現(xiàn)加熱功能，保溫保壓實驗完成后，關(guān)閉換向閥，同時打開冷風(fēng)閥和熱風(fēng)閥，熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)運行于外循環(huán)模式，實現(xiàn)降溫功能。

2.2 熱風(fēng)加熱循環(huán)裝置設(shè)計選型

變頻控制裝置主要由斷路器、變頻器、電抗器等組成，變頻器選用風(fēng)機專用變頻器，使用時觀察啟動過程出現(xiàn)機械共振的頻率點，利用頻率跳躍設(shè)定功能，屏蔽掉共振頻率點，消除機械振動噪音。

風(fēng)機選用耐高溫離心式變頻通風(fēng)機，采用臥式安裝，風(fēng)機葉輪水平安裝，葉輪的長軸套與電機軸直接連接，在長軸套的外部安裝水冷散熱裝置，在風(fēng)機運行啟動前先開啟冷卻水泵，以保證風(fēng)機運行安全，運行過程中，對風(fēng)機軸瓦溫度進行實時監(jiān)測，采取有效控制措施，保證風(fēng)機穩(wěn)定安全運行。

冷風(fēng)閥、換向閥、熱風(fēng)閥均采用全開全閉式電動蝶閥，內(nèi)外循環(huán)模式不進行開度控制。通過采集閥門打開、關(guān)閉到位信號，變頻控制系統(tǒng)的PLC邏輯程序進行遠程電動執(zhí)行操作。這種操控模式，可以根據(jù)不同試驗階段工藝控制要求，方便實現(xiàn)內(nèi)外循環(huán)風(fēng)道快速切換，便于遠程人機界面操控。

3 實施具體細節(jié)與應(yīng)用效果

3.1 電熱風(fēng)加熱循環(huán)控制實施細節(jié)

熱風(fēng)高壓試驗裝置在中石油某測井公司成功投運以來，整體使用效果良好，在設(shè)備安裝調(diào)試過程中有以下細節(jié)問題需要注意。

(1)在加熱和保溫過程中，開啟電阻熱風(fēng)爐的加熱器電源，通過電阻帶發(fā)熱體對流加熱循環(huán)空氣。降溫時，關(guān)閉電阻加熱器，按照釜內(nèi)外溫差大小的變化，進行頻率分段控制降溫。

(2)變頻分段控制系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)不同試驗階段溫度變化的要求，采用頻率分段控制方法，進行風(fēng)量風(fēng)壓實時調(diào)節(jié)，使升溫降溫過程中釜體內(nèi)外溫差在允許范圍內(nèi)，保證釜體應(yīng)力值限制在最大應(yīng)變能理論允許應(yīng)力值的安全范圍內(nèi)。

(3)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)所涉及的管道設(shè)計與布置，為減小管道風(fēng)阻，應(yīng)根據(jù)安裝工況盡量縮短管道長度，避免因施工引起的變徑和縮徑，減少管道拐彎特別是直角拐彎，必須改變方向時最好采用圓彎頭或蝦米腰連接結(jié)構(gòu)，盡可能使管阻減小，提高試驗效率。

(4)冷風(fēng)進風(fēng)口，宜設(shè)置在室外，便于換熱。為提高抽風(fēng)效率，進風(fēng)口外形設(shè)計為喇叭狀，并加裝網(wǎng)狀空氣過濾器，保證加熱循環(huán)空氣氣源為潔凈溫度可調(diào)的空氣。

(5)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的風(fēng)速較高，為保證加熱氣源為潔凈溫度可調(diào)的空氣，在冷風(fēng)抽風(fēng)口加裝網(wǎng)狀空氣過濾器，但過濾網(wǎng)密度選擇要合適，不使柴草、塑料袋、金屬粉末等雜物吸入加熱爐膛為宜。

3.2 應(yīng)用效果

熱風(fēng)循環(huán)與變頻控制系統(tǒng)，可根據(jù)不同試驗階段溫度控制要求，通過電動蝶閥遠程切換功能，方便地實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)加熱、外循環(huán)降溫兩種功能模式。在內(nèi)循環(huán)加熱模式，高溫離心風(fēng)機的抽風(fēng)口與內(nèi)循環(huán)通道連接，有效提高熱風(fēng)利用率和換熱效率，且風(fēng)機噪音很小。熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置的風(fēng)量變頻控制裝置，根據(jù)試驗溫度的變化，實時進行風(fēng)量風(fēng)壓的調(diào)節(jié)，能夠保證釜體運行安全，滿足試驗技術(shù)要求。

抽風(fēng)口設(shè)計為喇叭狀并加裝網(wǎng)狀空氣過濾器后，熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)管道連接結(jié)構(gòu)合理設(shè)計，使管阻大大減小，風(fēng)量增加，使換熱效率有效提高。在降溫初期，要求釜壁溫度下降不能太快，要求風(fēng)量降到最大風(fēng)量的80%，風(fēng)機輸出軸功率約只有額定功率的一半。由于風(fēng)機軸功率與風(fēng)機轉(zhuǎn)速三次方成正比，風(fēng)量調(diào)節(jié)采用變頻節(jié)能技術(shù)，代替控制閥門開度增加管阻的節(jié)流控制方式，操作簡單，節(jié)電效果明顯，風(fēng)機節(jié)電率最高可達到50%，節(jié)電效果明顯。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計并實施一種熱風(fēng)循環(huán)與風(fēng)機變頻控制裝置，在熱風(fēng)加熱區(qū)設(shè)置導(dǎo)流筒，分割電阻加熱器和高壓釜之間的環(huán)形區(qū)域熱氣流，形成具有內(nèi)外風(fēng)道的熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，通過電動切換閥門分別實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)加熱、外循環(huán)降溫兩種功能，根據(jù)不同試驗階段溫度跟蹤保護控制要求，采用頻率分段控制方法進行風(fēng)量風(fēng)壓實時調(diào)節(jié)，以最快速度按照試驗要求對釜內(nèi)試驗介質(zhì)溫度進行精確控制，保證釜體試驗安全，完成高溫高壓試驗。通過對高溫高壓試驗裝置內(nèi)外風(fēng)道雙循環(huán)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施，能夠有效提高電熱風(fēng)利用率和換熱效率，降低噪音，消除振動，滿足高溫高壓試驗技術(shù)要求，系統(tǒng)操作簡單，節(jié)電效果明顯。