高温高压试验装置热风循环与变频控制设计与实践

张建华，张 波，叶忠汉

(1.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西 西安 710021；3.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

采用新型电热风加热技术的试验用高温超高压试验装置，通过高压釜体传导传热的方式，加热釜内的试验介质，配合超高压系统模拟地层温度压力环境，应用于石油仪器高温高压测试领域，电热风加热代替导热油循环加热技术，具有节能高效、安全环保、运行可靠的优点[1-3]。

热风循环与控制装置是电热风加热技术的核心之一，设计合适与否，直接影响该技术的实施效果。如热风循环通道设计不合理，风机阀门选型装配不匹配，风量风压控制与温度控制不协调，就会出现风道阻力大、加热冷却时间长、热风系统耗能大等问题，致使高温高压联合试验较难顺利进行，严重影响试验的进度和质量。

为有效提高电热风换热效率，降低风机噪音，消除平台振动，满足高温高压试验技术要求，本文设计并实施一种热风循环与风机变频控制装置，通过在热风加热区设置导流筒，将电阻加热器和高压釜之间的环形区域分割，热气流具有内外风道的热风循环系统。通过电动切换阀门分别实现内循环加热、外循环降温两种功能，根据不同试验阶段温度跟踪保护控制要求，采用频率分段控制方法进行风量风压实时调节，以最快速度按照试验要求对釜内试验介质温度进行精确控制，保证釜体试验安全，顺利完成高温高压试验，并能够实现温度、压力、风量等数据的自动采集、记录和输出等功能。

1 电热风高压试验装置的设计原理与组成

1.1 热风高温高压试验原理

电热风高压试验装置，采用外热式电阻空气热风炉，以空气做为换热介质，加热超高压釜体内试验介质，模拟地层温度压力环境，图1为高温高压热风加热试验装置组成原理示意图。

图1 高温高压热风加热试验装置组成示意图

试验加热、保温阶段，热空气通过内循环通路，循环加热筒体以及筒体内的试验介质。操作时，依次打开换向阀，关闭热风阀和冷风阀，运行变频风机，电阻热风炉开始加热，风机以一定的风速风压进行热空气循环，配合高压系统完成加热加压和保温保压功能。

完成高温高压测试后，降温泄压时，关闭加热电源，切换换向阀，形成外循环通路，外界自然冷空气通过外循环降低筒体内外温度，通过风机变频器自动调节风机输出冷风的风量，使釜内试验介质温度按照冷却工艺曲线限定时间，完成降温泄压过程。

1.2 电热风高压试验装置的组成与温差控制要求

电热风高压试验装置主要由热风混合加热系统、加热电源系统、热风循环与变频控制系统、温度测控系统和电气控制与计算机监控系统等几部分组成。

热风混合加热系统是指超高压容器外的环形密封区，电阻发热体按照一定规则均匀布置于热风炉内壁，加热导流筒内外的循环空气流，为超高压容器釜内试验介质温度提供热量。加热电源系统是加热功率输出控制主回路，主要由断路器、熔断器、接触器、调功装置等部分组成，加热电源通过电缆与热风炉内壁发热体连接，协同温度测控系统按照试验工艺需求，对加热电源输出功率进行自动调节。温度测控系统主要包含各加热区温度测量传感器、变送器和智能控温仪配合。电气控制与计算机监控系统完成整个加热试验系统的工艺切换与动作控制功能，实现加热冷却过程的自动调节，以及对整个加热试验系统的安全监测监控功能。

在设计使用过程中，热风加热试验装置中的高压釜体在承压大于150 MPa情况下，釜体内外温差引起的热应力影响超高压筒体强度时，釜壁承受最高温度、升温速度和内外温差必须合理控制，否则影响高压釜的整体性能甚至损坏，这种不利的安全影响必须重视[4-5]。在加热试验过程中，应杜绝出现组合叠加应力超过筒壁材料的当量应力的危险工况，特别是在升降温开始切换阶段，应避免出现温差峰值区[6]。

1.3 热风循环控制系统

热风循环与变频控制系统完成釜体内外加热功能，是整个电热风试验装置的技术核心。电热风加热循环试验系统包括高压釜、电阻加热器、导流筒、测温检测元件、热风循环系统、变频控制系统和管道等，图2为超高压容器(高压釜体)组成示意图。

图2 超高压容器(高压釜)组成图

导流筒将电阻加热器和高压釜之间的环形区域分割，产生热风循环的内风道和外风道，并分别通过管道与热风循环系统连接。温度检测元件设置在釜内和釜壁，对试验过程釜内介质温度和釜壁安全温度检测，并通过变频控制系统进行控制。釜内温度检测元件采用特殊定制的铠装热电偶，采用耐高压密封连接结构进行安装，使热电偶丝深入釜内试验介质，测得釜内真实温度，以模拟地层的环境温度。釜壁测温热电偶通过弹簧辅助顶紧装置，准确测得釜壁实际温度。

根据釜内、釜外温差数值大小和釜内试验技术要求，结合风量风压传感器所测得风量风压信号，通过频率控制系统模糊PID调节器，调整变频装置输出频率大小，对风机输出风量进行自动控制。

2 热风循环与变频控制装置的设计与实施

2.1 电热风加热循环装置整体设计

热风循环系统由离心变频风机、热风单向阀、冷风单向阀、变频装置、频率控制装置、风量传感器、管道等组成，加热和降温过程中适时提供循环风，通过控制风机的转速来调节风量和风速的大小，实现按程序曲线加热和降温的试验要求。

风机出风口与外风道联通，风机进风口与换向阀一端连接，换向阀另一端与内风道联通，在换向阀与风机进风口之间焊接分支管道连接冷风阀，冷风阀另一端与管道连接并延伸至室外作为冷风进风口，同时内风道通过管道和热风阀一端联通，热风阀另一端连接管道并延伸至室外，作为热风抽风口。在风机出风口附近安装风量风压传感器，所得风量信号与温度检测元件测得的温度信号共同传送到频率控制系统，由变频控制系统根据试验温度变化要求，实时调整变频装置输出频率大小，对风机输出风量进行自动控制[7]。图3为热风高压试验装置三维效果图。

图3 热风高压试验装置三维模型图

变频控制系统根据不同试验阶段温度变化的要求，采用频率分段控制方式，进行风量风压实时调节，使升温降温过程中釜体内外温差在允许范围内，保证釜体温差热应力安全。打开换向阀，同时关闭冷风阀和热风阀，热风循环系统运行于内循环模式，实现加热功能，保温保压实验完成后，关闭换向阀，同时打开冷风阀和热风阀，热风循环系统运行于外循环模式，实现降温功能。

2.2 热风加热循环装置设计选型

变频控制装置主要由断路器、变频器、电抗器等组成，变频器选用风机专用变频器，使用时观察启动过程出现机械共振的频率点，利用频率跳跃设定功能，屏蔽掉共振频率点，消除机械振动噪音。

风机选用耐高温离心式变频通风机，采用卧式安装，风机叶轮水平安装，叶轮的长轴套与电机轴直接连接，在长轴套的外部安装水冷散热装置，在风机运行启动前先开启冷却水泵，以保证风机运行安全，运行过程中，对风机轴瓦温度进行实时监测，采取有效控制措施，保证风机稳定安全运行。

冷风阀、换向阀、热风阀均采用全开全闭式电动蝶阀，内外循环模式不进行开度控制。通过采集阀门打开、关闭到位信号，变频控制系统的PLC逻辑程序进行远程电动执行操作。这种操控模式，可以根据不同试验阶段工艺控制要求，方便实现内外循环风道快速切换，便于远程人机界面操控。

3 实施具体细节与应用效果

3.1 电热风加热循环控制实施细节

热风高压试验装置在中石油某测井公司成功投运以来，整体使用效果良好，在设备安装调试过程中有以下细节问题需要注意。

(1)在加热和保温过程中，开启电阻热风炉的加热器电源，通过电阻带发热体对流加热循环空气。降温时，关闭电阻加热器，按照釜内外温差大小的变化，进行频率分段控制降温。

(2)变频分段控制系统，应根据不同试验阶段温度变化的要求，采用频率分段控制方法，进行风量风压实时调节，使升温降温过程中釜体内外温差在允许范围内，保证釜体应力值限制在最大应变能理论允许应力值的安全范围内。

(3)热风循环系统所涉及的管道设计与布置，为减小管道风阻，应根据安装工况尽量缩短管道长度，避免因施工引起的变径和缩径，减少管道拐弯特别是直角拐弯，必须改变方向时最好采用圆弯头或虾米腰连接结构，尽可能使管阻减小，提高试验效率。

(4)冷风进风口，宜设置在室外，便于换热。为提高抽风效率，进风口外形设计为喇叭状，并加装网状空气过滤器，保证加热循环空气气源为洁净温度可调的空气。

(5)热风循环系统的风速较高，为保证加热气源为洁净温度可调的空气，在冷风抽风口加装网状空气过滤器，但过滤网密度选择要合适，不使柴草、塑料袋、金属粉末等杂物吸入加热炉膛为宜。

3.2 应用效果

热风循环与变频控制系统，可根据不同试验阶段温度控制要求，通过电动蝶阀远程切换功能，方便地实现内循环加热、外循环降温两种功能模式。在内循环加热模式，高温离心风机的抽风口与内循环通道连接，有效提高热风利用率和换热效率，且风机噪音很小。热风循环系统设置的风量变频控制装置，根据试验温度的变化，实时进行风量风压的调节，能够保证釜体运行安全，满足试验技术要求。

抽风口设计为喇叭状并加装网状空气过滤器后，热风循环系统管道连接结构合理设计，使管阻大大减小，风量增加，使换热效率有效提高。在降温初期，要求釜壁温度下降不能太快，要求风量降到最大风量的80%，风机输出轴功率约只有额定功率的一半。由于风机轴功率与风机转速三次方成正比，风量调节采用变频节能技术，代替控制阀门开度增加管阻的节流控制方式，操作简单，节电效果明显，风机节电率最高可达到50%，节电效果明显。

4 结 语

本文设计并实施一种热风循环与风机变频控制装置，在热风加热区设置导流筒，分割电阻加热器和高压釜之间的环形区域热气流，形成具有内外风道的热风循环系统，通过电动切换阀门分别实现内循环加热、外循环降温两种功能，根据不同试验阶段温度跟踪保护控制要求，采用频率分段控制方法进行风量风压实时调节，以最快速度按照试验要求对釜内试验介质温度进行精确控制，保证釜体试验安全，完成高温高压试验。通过对高温高压试验装置内外风道双循环变频控制系统的设计与实施，能够有效提高电热风利用率和换热效率，降低噪音，消除振动，满足高温高压试验技术要求，系统操作简单，节电效果明显。