專利名稱：石油加熱裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種石油加熱裝置，尤其是一種安裝在石油輸送管道中，對管道中輸送的石油進行加熱的石油加熱裝置。
背景技術：
由于石油溶點高于常溫，其在常溫下或低溫地區(qū)呈粘稠狀，因此在常溫或低溫地區(qū)將開采的石油通過管道直接進行遠距離輸送，是一件很困難的事情，為克服這一困難，通常需要對流經輸送管道的石油進行加熱，以便降低其粘度，使其具有流動性。
現有技術中，通常采用三管熱水拌熱傳輸裝置、兩管蒸汽拌熱傳輸裝置及電伴熱傳輸裝置加熱傳輸的石油。三管熱水拌熱傳輸裝置及兩管蒸汽拌熱傳輸裝置分別是通過兩根拌熱水管及蒸汽管對一根加熱管道中傳輸的稠油進行加熱，并通過輸送路線上設計的很多個加熱站，使用鍋爐來提供熱水或蒸汽加熱管道中的石油，因此存在能源和鋼材消耗嚴重、環(huán)境污染嚴重且需投入大量人力資源的缺陷。電伴熱傳輸裝置是將電熱帶貼合在加熱管道的外表面以便在傳輸過程中對石油加熱，但由于電熱帶存在使用壽命短、維修頻率高、不能敷設入地以及需要占用大量耕地等缺陷，也不宜采用。
對此，現有文獻以及國內外的專利申請文件中提出通過集膚效應電伴熱傳輸裝置以及工頻加熱傳輸裝置對石油或其它粘稠液體進行加熱以便于傳輸，并且已經得到初步的應用。集膚效應電伴熱傳輸裝置以及工頻加熱傳輸裝置的基本原理是在石油管道外側設置電加熱系統(tǒng)，以金屬管道為媒介，將熱量傳遞給管道中的石油。與三管熱水拌熱傳輸方法、兩管蒸汽拌熱傳輸方法及電伴熱帶傳輸方法相比，集膚效應電伴熱傳輸方法以及工頻加熱傳輸方法具有一定的優(yōu)點，但是它們同樣以管道為媒介，通過管道從外部間接換熱給管道內的石油，因此存在以下缺點待加熱的石油和熱源之間的溫度梯度較大，熱傳遞較慢，并且不利于控制和調節(jié)石油溫度；需要大量的保溫材料避免熱量過多流失，因而成本高；需要的維護量大；熱損失嚴重，浪費能源。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現有技術中對石油輸送管道中的石油進行加熱的各種技術方案所存在的諸多缺陷與不足，提供一種石油加熱裝置，該裝置利用電磁感應原理從加熱管道內部直接對石油進行加熱，可避免待加熱的石油和熱源之間的熱量損失，從而提高加熱效率，降低加熱成本，并使加熱管道內傳輸的石油溫度場分布均勻，易于控制。
為實現上述目的，本發(fā)明提供的一種石油加熱裝置，包括由非金屬材料制成的加熱管道，該加熱管道內通過支撐部件設置有由金屬材料制成的、用于對石油進行加熱的發(fā)熱體，所述加熱管道的外表面繞制有與交流電源連接的感應線圈。
由上述技術方案可知，本發(fā)明利用電磁感應機理從管道內部直接對傳輸的石油進行加熱，電熱效率高，減少了熱損失，無需利用保溫材料防止待加熱的石油與熱源之間的熱量損失，維護量小，且成本低；加熱管道內的石油從發(fā)熱體內外表面流過從而被加熱，石油內部的溫度場分布均勻，易于控制溫度；管道內的發(fā)熱體利用電磁感應產生熱對石油加熱，不存在環(huán)境污染。
下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖1為螺旋線管內(剖視圖)磁感應強度的分布圖；圖2為本發(fā)明第一個具體實施例的結構示意圖；
圖3為圖2所示實施例中控制系統(tǒng)的結構示意圖；圖4為圖2所示實施例中加熱管道的結構示意圖；圖5為本發(fā)明第二個具體實施例的結構示意圖；圖6為圖5所示實施例中絕緣槽的結構示意圖；圖7為本發(fā)明在實際應用中與輸油管道連接設置的結構示意圖；圖8為利用本發(fā)明對石油輸送管道中的石油進行加熱的流程圖。
附圖標記說明1-加熱管道； 2-發(fā)熱體； 3-支撐部件；4-感應線圈； 5-交流電源； 6-連筋；7-溫度感應器； 8-調壓裝置； 80-直流電源；81-直流調壓模塊；82-可調電抗器；83-原邊繞組；84-副邊繞組；85-電流檢測器；86-電流變送器；9-控制系統(tǒng)； 91-溫度給定器；92-溫度變送器；93-計算機控制器；10-絕緣支架； 101-螺旋槽。
具體實施例方式
本發(fā)明采用電磁感應加熱原理對加熱管道中輸送的石油從內部進行加熱，其加熱原理如下在螺旋線管狀的感應線圈中通入交流電后，線圈中便會產生交變的磁場，該磁場的磁感應強度為B=μ2nI(cosβ1-cosβ2)···(1)]]>在上述式(1)中，B為感應線圈內部某一點P的磁感強度，μ為感應線圈內部磁介質的磁導率，n為單位長度上的感應線圈的匝數，I為通過感應線圈的電流強度，β1、β2分別為感應線圈內P點到感應線圈兩端的連線與感應線圈的軸線之間的夾角(參見圖1)。由上述(1)式可知，當向感應線圈通以交變電流時，因電流強度I的變化導致通過感應線圈內的磁感強度B發(fā)生變化，這樣穿過感應線圈內固定橫截面積的導體的磁通量便會發(fā)生變化，根據法拉第電磁感應定律，便會在導體內產生感應電流-渦流，渦流在導體內流動，造成電阻損耗使導體加熱，從而使加熱管道內流經導體表面的石油吸收熱量，溫度升高，達到稠油降粘傳輸的目的。
圖2所示為本發(fā)明的第一個具體實施例的結構示意圖，該裝置由加熱管道1、發(fā)熱體2、支撐部件3及感應線圈4構成，石油從加熱管道1中流過。為了避免熱量損失，實現從內部對石油的加熱，加熱管道1由非金屬材料如玻璃鋼制成；另外，為了便于實際應用，加熱管道1的端口可以設置法蘭接口，通過法蘭接口連接輸油管道；由金屬材料制作的發(fā)熱體2用于對加熱管道1內部傳輸的石油進行加熱，可以與加熱管道1為同心或不同心安裝，其截面可以為環(huán)形、空心的任意多邊形、U形、V形、S形其任意組合，使石油在發(fā)熱體2內部以及發(fā)熱體2的外壁與加熱管道1的內壁之間流過，當然，發(fā)熱體2也可以為實心的導體，此時，石油只能從發(fā)熱體2表面與加熱管道1的內壁之間流過；支撐部件3分別與發(fā)熱體2的外壁及加熱管道1的內壁連接，用于固定發(fā)熱體2。支撐部件3可以為一個以上采取均勻或不均勻分布方式進行設置的固定支架，也可以是沿著加熱管道1的縱向設置的固定板。感應線圈4纏繞在加熱管道1的外部，為了在相同條件下達到最佳加熱效果，感應線圈4的最佳位置是將發(fā)熱體2包含在該感應線圈4中。感應線圈4可以為單相或三相線圈，相應地，交流電源5可以是單相或三相工頻交流電源，當交流電源5為三相工頻交流電源時，負荷對稱，更加有利于電力系統(tǒng)的運行；交流電源5可以是工頻電源經變換而得到的單相或三相高頻交流電源。
在向感應線圈中通入交流電后，根據電磁感應原理，加熱管道內的發(fā)熱體便會發(fā)熱從而實現對流過加熱管道的石油從加熱管道內部進行加熱，并且加熱管道內的溫度場分布均勻，流經其內部的石油能被均勻加熱，有利于實現對加熱管道出口的石油溫度進行精確控制；同時，由于加熱管道為非金屬材料，流經其內部的石油不易將熱量經其向外輻射或傳遞，電熱效率高，節(jié)約了能源。
本實施例中，為了能達到最佳加熱效果，使加熱管道1中的石油的溫度場分布比較均勻，加熱管道1與發(fā)熱體2的最佳設計均為圓筒形，與其它形狀相比，當發(fā)熱體2的截面為環(huán)形時，其散熱面積最大，油流的阻力最小，此時，可以對加熱管道1的內半徑、發(fā)熱體2的內、外半徑以及厚度進行優(yōu)化設計，使發(fā)熱體2的內外散熱表面積對應一定比例的流質。其中，為了使發(fā)熱體2的內、外散熱表面積分別對應與其散熱表面積的大小成一定比例的流質，從而使加熱管道1內的流質能被均勻加熱，發(fā)熱體2的最佳設置為與加熱管道1同心的圓筒，在最佳方案中，其內半徑與厚度以及加熱管道1的內半徑之間滿足以下關系r=-34h+149h2-8(h2-R2)···(2)]]>在上述式(2)中，R為環(huán)形截面加熱管道1的內半徑，r為環(huán)形截面發(fā)熱體2的內半徑，h為環(huán)形截面發(fā)熱體2的管壁厚度。
對于一般較佳方案，可對上述式(2)做相應修正。
為了使感應線圈4內沿軸線方向分布的各點上的磁感應強度B的大小相等，從而使加熱管道1內的發(fā)熱體2沿軸線方向能夠均勻發(fā)熱，當石油流經發(fā)熱體2時能被均勻加熱，可根據式(1)，對感應線圈中兩匝線圈之間的距離L進行補償設計，即通過改變單位長度上的感應線圈1的匝數n來使發(fā)熱體2沿軸線方向各點上的磁感應強度B大小相等。具體應用時，可使感應線圈4中間部分兩匝線圈之間的距離L大些，兩端部分的兩匝線圈之間的距離L小些(參見圖1)。
另外，在本實施例中，可以在相鄰的支撐部件3之間增設用于連接相鄰支撐部件3的連筋6，以穩(wěn)固支撐部件3，使支撐部件3之間的相對位置不發(fā)生變化，從而使發(fā)熱體2與加熱管道1的相對位置不發(fā)生變化。
為了對加熱管道1中傳輸的石油的溫度進行控制，感應線圈4可通過一調壓裝置8與交流電源5連接，該調壓裝置8與一用于控制該調壓裝置8的控制系統(tǒng)9的控制信號輸出端連接，該控制系統(tǒng)9的信號輸入端連接一用于探測加熱管道1出口的石油溫度的溫度感應器7。
控制系統(tǒng)9的原理如圖3所示，該控制系統(tǒng)包括溫度給定器91、溫度變送器92與計算機控制器93，其中，溫度變送器92連接于溫度感應器7與計算機控制器93之間，溫度給定器91與計算機控制器93連接；當溫度感應器7檢測到的加熱管道1出口的石油溫度與通過溫度給定器91預先設定的溫度不相同時，計算機控制器93根據預先設計的控制規(guī)律對調壓裝置8進行調節(jié)，從而實現對交流電源5輸入感應線圈4的電壓值的調節(jié)，使加熱管道1出口的石油溫度達到預先設定的溫度。圖2只給出了出口設有溫度感應器的裝置的結構示意圖，為了更精確的控制輸送的石油的溫度，可在裝置的另一端也同樣設置溫度感應器。
圖3中的調壓裝置8包括依次連接的直流電源80、對直流電源80輸出的電流的大小進行調節(jié)的直流調壓模塊81、由直流電源控制的可調電抗器82與變壓器中的原邊繞組83，以及依次連接的變壓器中的副邊變繞組84、電流檢測器85與電流變送器86，其中，電流變送器86還與計算機控制器93連接，用于將電流檢測器85檢測到的調壓裝置8的輸出電流值輸入計算機控制器93；可調電抗器82還與交流電源5連接。計算機控制器9通過電流檢測器85檢測到的電流值對直流調壓模塊81進行控制，從而實現對由交流電源5供電的負載電路進行保護。交流電源5通過可調電抗器82與變壓器的原邊繞組83連接，電流檢測器85串聯于感應線圈4和變壓器的副邊繞組84之間，用于檢測感應線圈4中的電流，電流變送器86將電流檢測器85檢測到的電流值輸入計算機控制器93，計算機控制器93將該電流值與一預先設置的標準保護整定值比較，當其大于標準保護整定值時，說明感應線圈4發(fā)生短路，便向直流調壓模塊81輸入一控制信號，將直流電源80輸出的直流電壓調整為最小值后輸入可調電抗器82，從而使可調電抗器82的電抗值為最大值，這樣，便減小了原邊繞組83中的電流值，也就進一步減小了副邊繞組84中的電流值從而使本發(fā)明具有可靠的保護功能。為方便起見，該實施例中所用的交流電源為單相交流電源，對于三相交流電源，與該實施例的實現方法相同。
另外，為了增強本發(fā)明的加熱裝置的安全性，避免感應線圈4的絕緣層破裂發(fā)生漏電現象，從而導致出現短路現象，在本實施例中(如圖4所示)，加熱管道1被制成表面具有螺旋凹槽11的結構。感應線圈4繞設在螺旋凹槽11中，使相鄰的兩匝線圈之間隔離絕緣。
圖5所示為本發(fā)明的第二個具體實施例的結構，該實施例與上述第一個實施例的區(qū)別在于加熱管道1的外表面設置有多個絕緣支架10。圖6所示為絕緣支架10的結構示意圖，圖中，在絕緣支架10上開設有多個凹槽101，多個凹槽101的開設方式為使相鄰兩個絕緣支架10上對應的凹槽101沿加熱管道1的軸向依次錯位，在將感應線圈4順序繞制鑲嵌在該凹槽101中時，形成連續(xù)的螺旋狀，并且相鄰兩匝線圈之間被兩個相鄰的凹槽101中間的凸出部分隔離。
與上述第一實施例相同，感應線圈4纏繞在凹槽101內后，可以避免因感應線圈漏電產生而產生的安全問題，具有良好的防爆性能，保證了利用本發(fā)明的加熱裝置傳輸石油的安全性。
由于本實施例采用了絕緣支架10，因此，加熱管道1也可以用金屬材料制成，這樣可以產生內外共同對石油進行加熱的效果，但是，考慮到金屬材料的散熱較快，因此，在使用中，一方面需要在加熱管道1的外表面和感應線圈4之間設置非金屬材料如玻璃鋼制成的保溫層，另一方面是將本實施例與金屬的輸油管道連接時，在兩端的連接處分別設置一段非金屬材料制成的隔熱連接管，以防止被加熱的加熱管道的熱量在傳遞給內部石油進行加熱的同時，也沿輸油管道向遠處散失而造成熱量損耗過大。
在利用本發(fā)明對石油輸送管道中的石油進行加熱時，可根據石油輸送流經地域的溫度，在輸油管道上間隔一定距離安裝一個本發(fā)明所提供的裝置，通過分段加熱，可以保證在整個石油的輸送過程中，使石油能夠在設定的溫度下傳輸。圖7所示為在實際應用中，本發(fā)明的裝置與輸油管道連接設置的局部結構示意圖。
當石油由輸油管道A經過本發(fā)明的的裝置流向輸油管道C時，本發(fā)明的裝置對輸送的石油進行了加熱。為使本發(fā)明在加熱石油時而不影響管道內石油的流速，加熱管道的內徑應比輸油管道的內徑大些。
圖8所示為利用本發(fā)明的裝置加熱石油的一具體流程，其具體加熱流程如下步驟801、利用溫度給定器91設定一給定溫度值，同時，利用溫度感應器7探測加熱管道1出口的石油的實際溫度值并將該實際溫度值傳輸給溫度變送器92，將該實際溫度值轉換成電信號后輸入計算機控制器93；步驟802、計算機控制器93將溫度變送器92輸入的實際溫度值與溫度給定器91輸入的給定溫度值進行比較，并根據二者的差值產生一偏差信號；步驟803、計算機控制器93根據偏差信號及預先設計的控制規(guī)律產生一控制信號并傳輸給直流調壓模塊81，直流調壓模塊81根據控制信號對直流電源80輸出的電壓值進行相應調節(jié)后輸入可調電抗器82；步驟804、交流電源5經可調電抗器82調節(jié)后，其輸出的交流電壓經變壓器變壓后輸入感應線圈4，在加熱管道1的內部建立穩(wěn)定的交變電場，因此在加熱管道1中的發(fā)熱體2內部產生感應電流-渦流，渦流在發(fā)熱體2中流動使發(fā)熱體2發(fā)熱，從而加熱管道1和發(fā)熱體2之間以及發(fā)熱體2內部流過的石油被加熱；步驟805、轉入步驟801，實現對加熱裝置中石油溫度的閉環(huán)控制。
例如，當計算機控制器93接收到的一大于零的偏差信號(即給定溫度大于檢測到的石油的實際溫度)時，計算機控制器93產生一升高直流電源80輸出的電壓值的控制信號并傳輸給直流調壓模塊81，直流調壓模塊81將直流電源80輸出的電壓值適當升高后輸入可調電抗器82，隨之可調電抗器82的電抗減小，變壓器原邊電壓升高，因此輸入感應線圈4的電流升高，最后使加熱管道1出口的石油溫度升高，這樣便達到了穩(wěn)定控制溫度的目的。
由于加熱管道入口石油溫度隨環(huán)境而發(fā)生變化，欲使加熱管道出口石油溫度達到設定溫度值，可在加熱管道的入口處同時設置另一溫度感應器71，該溫度感應器71的連接關系與上述實施例中溫度感應器7的連接關系相同，根據溫度感應器71檢測到的溫度值，以及溫度感應器7檢測到的實際溫度值與標準溫度值的差值產生的偏差信號，來產生控制信號，對輸入感應線圈4的電壓值進行粗調，從而實現對加熱裝置出口石油溫度的閉環(huán)控制。
在圖7所示的實施例中，利用電流檢測器85實時檢測感應線圈4中的電流值并將檢測到的電流值經電流變送器86輸入計算機控制器93，計算機控制器93將該電流值與一預先設置的標準保護值比較，當其大于標準保護值時，認為感應線圈4發(fā)生短路，計算機控制器93便通過直流調壓模塊81將直流電源80的輸出電壓調節(jié)為最小值，使可調電抗器82的電抗處于最大值，從而使原邊繞組83中的電壓最小，這樣就降低了副邊繞組84中的電流值，避免了感應線圈4發(fā)生故障時電流過大，因此具有可靠的保護功能。
需要說明的是，以上石油加熱裝置不僅可以安裝在石油輸送管道中，也可以單獨使用，單獨使用時，加熱管道1具體可以為一罐體類型容器，其對石油的加熱原理與方法與上述實施例相同，這里不再贅述。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍。
權利要求
1.一種石油加熱裝置，其特征在于包括由非金屬材料制成的加熱管道，該加熱管道內通過支撐部件設置有由金屬材料制成的、用于對石油進行加熱的發(fā)熱體；所述加熱管道的外表面繞制有與交流電源連接的感應線圈。
2.根據權利要求1所述的石油加熱裝置，其特征在于所述支撐部件為均勻分布的支架或固定板。
3.根據權利要求1所述的石油加熱裝置，其特征在于所述發(fā)熱體的截面為環(huán)形、空心多邊形、U形、V形、S形或其任意組合。
4.根據權利要求3所述的石油加熱裝置，其特征在于所述加熱管道的截面為環(huán)形或多邊形。
5.根據權利要求5所述的，其特征在于所述截面為環(huán)形的加熱管道的內半徑與所述截面為環(huán)形的發(fā)熱體的內半徑以及管壁厚度之間的關系滿足r=-34h+149h2-8(h2-R2)]]>其中，R為所述截面為環(huán)形的加熱管道的內半徑，r為所述截面為環(huán)形的發(fā)熱體的內半徑，h為所述截面為環(huán)形的發(fā)熱體的管壁厚度。
6.根據權利要求1所述的石油加熱裝置，其特征在于所述支撐部件之間設置有穩(wěn)固所述支撐部件的連筋。
7.根據權利要求1所述的石油加熱裝置，其特征在于所述加熱管道外表面設有螺旋槽。
8.根據權利要求1所述的石油加熱裝置，其特征在于所述加熱管道外表面設有絕緣支架，該絕緣支架上的外表面設有螺旋槽。
9.根據權利要求1-8所述的石油加熱裝置，其特征在于還包括一檢測所述加熱管道出口石油的實際溫度的溫度感應器；一對所述加熱管道出口石油的溫度進行控制的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括溫度給定器、溫度變送器與計算機控制器；所述溫度變送器銜接所述溫度感應器與所述計算機控制器；所述計算機控制器還與所述溫度變送器連接；所述計算機控制器的輸出端通過一調壓裝置與所述交流電源連接。
10.根據權利要求9所述的石油加熱裝置，其特征在于所述調壓裝置包括依次連接的直流電源、直流調壓模塊、可調電抗器與變壓器中的原邊繞組，以及依次連接的變壓器中的副邊繞組與電流檢測器、電流變送器；所述直流調壓模塊還與所述計算機控制器連接；所述可調電抗器還與所述交流電源連接；所述電流檢測器還與所述感應線圈連接；所述電流變送器還與所述計算機控制器連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種石油加熱裝置，包括由非金屬材料制成的加熱管道，該加熱管道內通過支撐部件設置有由金屬材料制成的、用于對石油進行加熱的發(fā)熱體；所述加熱管道的外表面繞制有與交流電源連接的感應線圈。本發(fā)明利用電磁感應機理從石油管道內部對傳輸的石油進行加熱，電熱效率高，減少了熱損失，無需利用保溫材料防止待加熱的石油與熱源之間的熱量損失，維護量小，且成本低；加熱管道內的石油由發(fā)熱體內外表面流過從而被加熱，石油內部的溫度場分布均勻，易于控制溫度；根據電磁感應原理使加熱管道內的發(fā)熱體發(fā)熱，利用發(fā)熱體加熱石油，不存在環(huán)境污染。
文檔編號F17D1/00GK1807964SQ20061000830
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權日2006年2月17日
發(fā)明者梁志珊 申請人:中國石油大學(北京)