实用型电磁防蜡器简述

本文介绍了一种电磁式防蜡设备，其主要构成为电磁转换器、电源控制器及灌注材料、供电电缆和连接法兰。其特征在于：电磁转换器由钢管和电磁线圈及灌注体组成，电磁线圈为单根多圈线圈组成的螺线管，由长度50米、直径1.28mm、总内阻15欧姆的漆包线顺序缠绕而成。电源控制器采用可控硅作为控制器件，在MCU控制下，周期性的调制脉宽实现能量可控输出，进而可控磁场强度。防蜡器建立的磁场以及伴随产生的热能改变石蜡分子排序，提升分子能级以破坏石蜡分子结晶条件，实现防止结蜡的目的。该设备结构简单、效果明显，投入少、运行成本低，节省大量人力物力。

【关键词】电磁 防蜡 可控硅 结晶条件

油田结蜡是石油在生产过程中面临的一大难题。目前国内外现有的防蜡、清蜡方法多种多样，各有利弊。而强磁防蜡技术是近年来应用于生产的一种防蜡措施，具有成本低、工艺简便、效果明显，以及便于管理维护的特点，因此得到了广泛的推广应用。

本文谈及的电磁防蜡器正是基于上述目的研制而成。笔者综合考虑并现场考察，依据可控、低能耗及安全的要求，将产品方案定为可控硅控制的多种工作模式应用，实现了自动、安全、环保、高效的预防油管结蜡的目的，对油田安全生产，减少人力、物力开支，保护环境及提高效率等方面有着巨大的意义。

电磁防蜡原理的学术及验证论文较多，本文不再详细累述。本文以磁场设计及电路控制为重点论述。

1 电磁转换器

1.1 理论基础

电磁转换器是将电能转换为磁场能的设备，设计原理是基于奥斯特实验、法拉第电磁理论及安培定则。

奥斯特实验表明通电导线周围存在磁场，而磁场方向由安培定则确定。本设计是采用单股多圈线圈缠绕成螺线管，加载电流产生磁场，如图1。

产生的磁场方向：通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极，如图2。

1.2 具体实现

在实际应用中，设计为单根1.28mm漆包线，在60公分左右长度的管线上，紧密顺序缠绕；

缠绕一层后继续按同向返回缠绕，并以此方式连续缠绕5-6层，使用的总线长可达50m以上，线内阻15欧姆左右。

由于缠线方向一致，当加载的电流方向一致时，每股线圈产生的磁场方向相同，磁场强度叠加，如图3、图4。

1.3 实验效果

对线圈加载一定功率电流后，线圈表面温度及中心点磁场强度测试结果见表1。

温度表：TM222 磁场表：MBO-2000A 环境温度：21.3℃ 环境湿度：55%

总结：随着功率的线性增加，磁场强度成指数增加；温度由于和环境温差逐渐加大，散热速度快速增加而造成温度非线性非指数增长。

注：由于温度增长不是本文论述重点，故不再深入研究。

2 电源控制器

电源控制器是电磁防蜡器的核心，可根据需要来控制电源对电磁转换器的输出量，进而控制磁场强度，实现按需工作，达到节能减排的目的。

2.1 工作原理框图

设备以MCU作为测控核心，以可控硅作为控制开关执行器，对现场交流电进行控制。同时，各种保护措施可自动或主动监控运行情况，如图5。

电源控制器功能如下：

以现场电源为工作电源，并同时采集其周期特征点。

控制可控硅开关，实现可控性输出。

具备多种保护措施，保证设备可靠性。

2.2 电磁场控制

为实现磁场强度的可控输出，需要对电磁转换器的供电电源进行控制，控制思路是在交流电的每个周期，周期性控制其某一部分电源能量加载在电磁转换器上，并且要求该部分电源能量具有规律性、可控性的特点。

一个正弦交流周期控制流程如下：

MCU检测供电交流电源电压的正向过零点，检测到后按照设定的固定时间间隔开始计时，定时间隔时间小于10ms（以50Hz工频电计算）。

定时间隔时间到，MCU发出一个控制脉冲至可控硅，打开可控硅开关，可控硅导通，外部电源电压加载在电磁转换器（即螺线管负载线圈）上。

当外部供电电源电压到达负向过零点时，由于可控硅的负向阻断特性，自动关断负载线圈的电源，完成一个周期的供电。

供电负周期不对负载供电。

每个交流周期重复以上动作，实现周期性供电。

改变控制间隔可控硅的定时时间，即可改变启动点至负过零点之间的时间，从而改变每周期中供电量，实现可控输出。

2.3 过零检测电路说明

过零检测电路设计思路是将现场高压交流电经变压器转换为同频同步低压交流信号，并经过电压比较电路输出为方波信号，作为过零信号供给MCU检测并启动计时，见图8。

实际设计中，变压器采用380VAC～8VAC/1W变压器，该8V交流电源既可以作为低压交流信号供比较器电路测试，同时还可经整流、滤波、稳压后为整个电源转换器供电。

比较器采用LM393芯片，经过防震荡、抗干扰设计，该比较电路具有速度快、抗干扰能力强特点，非常适合本设计需要，如图9。

3 保护措施

3.1 可控硅保护

可控硅是整个设备的控制开关执行器，它所带的负载大，工作频度高，故要求对其进行独立保护。

在实际应用中，在其两端并联一组串接阻容（30Ω/0.47uF/1000VA）吸收电路，以降低可控硅两端的断态电压上升率，实现可控硅的保护。

3.2 过电流保护

在设备供电总线路中，采用玻璃管保险作为过电流保护措施，具有高可靠、反应快的特点。

在实际应用中，设备的额定功率设定为400W，额定电压为380VAC，则额定电流约为1A（按热力等效电流计算），预留2.5倍安全阈值，采用的是220V/2.5A的保险管。

3.3 硬件温度开关

在设备电磁线圈线路中，串接常闭温度开关作为硬件温度保护措施，也同样具有高可靠的特点。实际采用250VAC/5A，保护温度为100℃的常闭型温度开关，安装于紧贴负载线圈处。

3.4 多路硬件测温保护

在设备负载线圈上，等距安装4个PT100测温探头，探头输出信号与设定温度信号对比，输出的结果信号可立即直接关断可控硅开关，实现高可靠的温度保护。

该电路无程序控制，全部由电子元件打接而成，具有自动化、高可靠的优点。在温度恢复正常后，还可自动恢复开关。

3.5 多路软件测温保护

前述的4路温度探头信号同时可由MCU定时测试各个位置温度，依据温度等级及对应保护措施进行不同等级的保护措施（降低或关断输出功率）。

该措施可软件修改温度等级划分或保护措施，实现可编程控制，以适应不同的应用场合。

目前软件测温保护采用的是热等效算法控制，设备会依据温度的高低不同，以热累计总量来作为保护启动条件，实现不同温度对应不同的启动时间。具体来说就是温度超温越多，保护启动的时间越快。这样的保护模型是建立在热损坏模型上的，贴切现场实际应用，并取得了卓效。

算法说明：

动作条件： Tg > Ts

动作公式：

t = T * （ Ts / Tg ） （3-1）

Tg为测试值；Ts为设置值；T为时间定值；t为实际动作时间。

温度单位为℃，时间单位为s。

动作曲线如图10所示。

4 现场应用效果

从图11中可看出，应用本设备后，平均的洗井周期加长至原本的3-9倍，效果非常明显。

5 结论

电磁防蜡器以法拉第电磁理论和安培定则为理论基础，集现代电子测试技术、控制技术及保护技术于一身，满足了油田高效率、低成本、可操控、安全环保的防蜡要求。

设计中为保障设备的安全性、可靠性，笔者采用多级多方式的安全措施，经受住了实际应用的不断考验，圆满完成了防蜡目的，提高油田清蜡作业周期，降低了生产成本，对环境污染降到最小。

参考文献

[1]曹毓娟.周存忠.史永祥.强磁场作用下原油降粘及其应用[J].石油学报，1989（01）.

[2]傅天安.程汉东.强磁防蜡机理探讨及应用[J].试采技术，1994（06）.

[3]陈振春.双向可控硅在电动机控制电路中的应用[J].南昌工程学院学报，2005（06）.

[4]于新潮.双向可控硅过零触发电路的设计[J].包头职业技术学院学报，2009（03）.

作者单位

大庆金时石油测试技术开发有限公司 北京市 100000