集肤效应电伴热技术是一项应用广泛的油气管线主动加热技术,在集肤效应和邻近效应双重作用下,电流趋于伴热管内壁薄薄的一层区域流动,从而通过这种高阻的方式实现大的发热量,进而对管线进行伴热,达到对管线保温、阻凝的目的。然而,集肤效应电伴热系统加热机理复杂,缺乏科学的机理模型描述集肤电伴热系统的加热过程,且由于受到外界非稳态环境以及被伴热介质成分复杂、流速变化等多种因素的影响,使得其数学模型很难精确建立。为了科学地制定输油管道的集肤电伴热系统控制策略,达到集油系统安全、环保、节能、高效运行的目的,本文对集肤电伴热过程中“建模”和“控制”两大关键性问题展开研究。基于输油管道的集肤效应伴热机理建立了集肤电伴热系统的数学模型。从系统工作原理出发,首先从电磁场基本方程入手,对电磁场的集肤效应和邻近效应进行理论推导,并通过理论分析和有限元仿真验证了集肤效应电伴热系统的磁场分布情况,然后求得系统磁场,最终由系统总磁场转换为集肤电伴热系统等效电路的电压,推导出集肤电伴热系统等效电路模型和非线性模型,即Hammerstein模型。此外,分析了海底管道轴向温度分布模型和集肤电伴热系统分布参数电路模型,并结合这两种模型,经理论分析证明,集肤电伴热系统的加热效果取决于系统的分布式电路参数和电源频率。为提高伴热效率,亟需针对电源频率的调节制订有效的先进控制策略。针对基于Hammerstein模型的集肤电伴热系统参数辨识问题,提出了一种基于改进量子行为粒子群算法的参数辨识方法。根据Hammerstein模型的结构特性,首先采用关键变量分离原理将非线性模块关键变量分离出来,并通过建立辅助模型将参数辨识问题转化为残差估计极小化准则函数的优化问题。然后运用改进的自适应量子行为粒子群优化算法对该优化问题进行求解,并经仿真实验证明,改进的量子行为粒子群优化算法不仅克服了粒子群固有的早熟缺陷,还可提高算法的精度,得到最优的集肤电伴热系统Hammerstein模型参数的估计值。针对集肤效应电伴热系统Hammerstein模型,研究集肤电伴热系统的输油管道温度闭环控制方案。针对具有非线性、时滞性等特点的集肤效应电伴热系统,提出了基于自抗扰控制技术、广义预测控制、约束广义预测控制的电伴热系统温度闭环控制方法,根据被伴热介质温度调节伴热系统的伴热功率,然后根据Hammerstein模型的非线性模块的反函数求解出系统控制量电源频率。针对集肤效应电伴热系统因逆变电路供电时高次谐波电流的引入,导致伴热管在集肤效应、邻近效应、磁滞效应的影响下产生额外损耗而发热的问题,提出了一种PWM逆变电路和集肤效应电伴热系统本体耦合的联合仿真方法,以此模拟集肤效应电伴热系统的实际运行情形。同时基于Ansys Workbench进行多物理场分析,在不缩放电伴热本体尺寸的情况下,得到电伴热本体更为准确的温度分布结果,不仅可以直观了解各部件的材料选择和热点配置,而且进一步验证电流谐波对集肤效应电伴热系统加热效果的影响,需充分利用电流谐波的高次分量,实现集肤电伴热系统的高效运行。针对现有的常规集肤电伴热系统自身热耗较大、初期投资高和施工复杂的问题,采用一种内置式集肤效应电伴热系统应用于海底集油系统。针对该内置式集肤电伴热系统进行场路耦合分析,不仅可验证其伴热能力,还可对合理选择加热电源的功率和频率提供了一定的理论指导。首先基于Ansys Workbench建立瞬态电磁—温度耦合场的三维计算模型,计算满足系统所需加热温度的电流密度分布、磁感应强度分布和功率分布,从而计算出负载支路等效参数和加热功率的大小。其次,采用非线性ADRC控制策略实现基于Buck斩波和移相PWM控制的加热功率闭环调节。最后,基于有限元软件Ansoft/Maxwell、电路仿真软件Simplorer和仿真工具箱MATLAB/Simulink,建立了基于非线性ADRC的Buck斩波调功和数字锁相控制的内置式集肤电伴热系统整体仿真模型。经仿真可得集肤效电伴热系统本体的磁感应密度、涡流损耗、输出电压、输出电流等参数,为集肤电伴热系统加热电源的优化设计提供实际指导。