（材料加工工程专业论文）矩形波交流原油脱水电源的研制.pdf

摘要 原油开采进入高含水开采期后，含水量大增，同时三次采油技术的运用，使得原油 性质变差，聚合物增多，现有的脱水设备经常出现“倒电场”现象，脱水工作无法正常 进行，对脱水设备提出了更高的要求。 常规的脱水电源为正弦波交流，对乳化膜的冲击力度小，采用矩形波交流，电场由 零开始瞬间跃变到极大值，即最佳电场，使水珠中的正、负离子得到最大限度的加速， 对乳化膜形成最为强烈的冲击；提出采用i g b t 为核心的矩形波交流电源的研制。通过 对电脱水系统等效电路的分析及实验验证，发现当电路发生谐振时，整个脱水系统效率 最高，脱水效果最佳，从而得出脱水系统存在一个最佳频率，设置频率可调电路，可以 使脱水系统工作在最佳状态。 本文设计了以i g b t 为功率开关器件的主电路，对主电路中整流、调压、滤波、保 护电路等进行设计计算，给出电路中元器件参数计算方法；控制电路设计给出总体硬件 结构，分析了p w m 脉宽调制芯片s g 3 5 2 5 a 的工作原理，详细介绍了该芯片及其外围 电路，并对信号驱动电路、保护电路等进行详细说明。 本文还研制了数据采集系统，将数据采集系统运用到原油电脱水中，通过采集电压、 电流数据并在p c 机上还原成波形显示出来，可以实时监控脱水情况，并通过有效值波 形的变化，对电源进行反馈控制。通过数据采集采到的有效值波形，可以分析各种性质 原油的脱水电流情况，为进一步优化电源各项性能指标提供依据。 现场试验运行表明，该电源运行稳定可靠，脱出油含水率保持在o 2 左右，符合 相关标准，并对后续工作进行展望。与传统脱水电源相比该电源有极大的优势，可在各 油田推广，具有良好的应用前景。 关键词：原油脱水，矩形波交流，s g 3 5 2 5 a ，数据采集 d e v e l o p m e n to fc r u d eo i ld e h y d r a t i o np o w e rs u p p l yw i t ha l t e r n a t e c u r r e n t r e c t a n g l e w a v e l i np i n g p i n g ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f _ n i uj u n b a n g a b s t r a c t w i t hp e t r d l e 啪e x t r a c t i o ne n t e r i n gt h es t a g eo fh i 曲w a t e rc u t ，l i q u i dw a t e rc o n t e n to f t l l ec 1 1 l d eo i lh a sg r e a t l yi n c r e a s e d b e s i d e s ，印p l i c a t i o no ft e i r t i a d ，o i lr e c o v e r ) ，t e c h n o l o g y ， d e t e r i o r a t e dt h en a n j r eo fc m d eo i l ，a n di n c r e a s e dp o l y m e rc o n t e m c o l l a p s eo fd e h y d r a t i o n e l e c t r i cf i e l do c c u e df r e q u e n t l y ，a u l dt h ee l e c t r i cd e h y d r a t i o ne q u i p m e n tc a nn o tw o r k n o m a l l y s o ，h i g h e rp e r f 0 衄a 1 1 c ei sr e q u i r e do fm ee l e c t r i cd e h y d r a t i o ne q u i p m e m t h eo u t p u to fc o n v e n t i o i l a ld e h y d r a t i o np o w e rs u p p l yi ss i n u s o i d a lw a v e f o n n e l e c t r i c f i e l dp r o d u c e db ys i n u s o i d a li m p u l s eh a sl i t t l ei m p a c to nt h ee m u l s i o nf i l m s i i lo r d e rt 0 i n t e n s i 匆t h ei m p a c t ，e l e c t r i cf i e l dp r o d u c e db yr e c 伽g l e w a v e f o r mi sp r o p o s e di n “sp a p e r t h er e c t a n g l e 、v a v e f o n l le l e c t r i cf i e l dc a l lj 叩仔o mz e r ot ot h em a x h n u ms t r e n 百h ，a n dt h e p o s i t i v ea j l dn e g a t i v ei o n si nt h eg l o b u l ea r ef o r c e 向l l ya c c e l e r a t e d ，e x e r t i n gt h em o s t p o w e m li i l l p a c to nt h ee m u l s i o nf i h n s 1 1 1a d d i t i o n ，a u l a l y s i so ft 1 1 ed e h y d r a t i o n s y s t e m e q u i v a l e n ts c h e m ed e m o n s t r a t e st h a tt 1 1 e r ee x i s t sa i lo p t i m u m 丘e q u e n c yf o rd e h y d r a t i o n w 6 r k i n ga tt 1 1 eo p t i m u m 丘e q u e n c y ，、h i c hi s t 1 1 er e s o n a i l c e 行e q u e n c yo fm ee q u i v a l e n t s c h e m e ， c a nm a | 【et h ed e h y d r a t i o ns y s t e mt h em o s te a e c t i v e t h e r e f o r e ，m i s p a p e r c o n c e n 仃a t e so nt l l ed e v e l o p m e mo fa 1 1i g b tb a l s e dd e h y d r a t i o ns u p p l y ，w h i c hc a l lo u t p u t v a r i a b l ef r e q u e n c yr e c 切n g l e - w a v e f o mi m p u l s e t 1 1 i sp a p e rd e s i g n e dt h em a i nc i r c u i t ，、h i c hs e l e c t e di g b ta sp o 、v e rs w i t c ho ft 1 1 e i n v e r t e r r e c t i f i c a t i o nc i r c u i t ，v o l t a g er e g u l a t i o nc i r c u i ta 1 1 d6 l t e rc i r c u i ti 1 1m em a i nc i r c u i ta r e d e s i g n e d ，a n dc a l c u l a t i n gm e t h o d so ft h ec o i n p o n e n t sa r ep r e s e n t e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e dm e o v e r a l ls t r u c t u r eo ft l l ec o n t r o lc i r c u i t ，a 1 1 da n a l y z e dm ew o r l d n gp r i n c i p l eo ft h ep u l s e w i d t h m o d u l a t i o nc l l i ps g 3 5 2 5 a d e t a i l e di n t r o d u c t i o no fs g 3 5 2 5 ai sp r e s e m e da n di t sp e r i p h e r a l c i r c u i t sa r ed e s i g n e d i i la d d i t i o n ，s i g n a l 出v i n gc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i tw a si nad e 乜d l e d d e s c r i p t i o n 1 1 t h i sp a p e ra l s od e v e l o p e dad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，h i c hc a nb ea p p l i e dt ot h ec 门j d e o i ld e h y d r a t i o ns y s t e m d a t ao b t a i n e db yt 1 1 ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ti st r a n s f e r r e dt ot h ep c t h r o u g hs e r i a lp o r t d a t ap r o c e s s i n gs o r w a r eb a s e do nv bp r o g r a n u n i n g l a n g u a g e i s d e v e l o p e d ，、) r ：h i c hc a nr e c o v e ri i a _ t at 0t h eo r i g i n a ls i g n a lw a v e f o 胁1 1 1 i ss o n w a r ec a no f r e r t h er e a l - t i m em o n i t o r i n go fd e h y d r a t i o np r o c e s s c h a n g e so fm ev i i r t u a lv a l u ew a v e f o 肌c a n p r o v i d ev a l u a b l ei n f o 册a t i o nf o rf e e d b a c kc o n t m lo fm es u p p l y n u o u 曲t h ev i r t u a lv a l u e w a v e f o n i l ，d e h y d r a t i o nc 眦e n to fv 撕o u sc r u d eo i lc o n d i t i o n sc a i lb ea i l a l y z e d t 1 1 i sp r o v i d e s f o u l l d a t i o nf o ri m p r o v i n gp e 墒m a u l c ei n d e xo ft h ed e h y d r a t i o ns u p p l y f i e l de x p e r i m e mi n d i c a t e st h a tt h ep o w e r s u p p l yc a i lw o r ks t a b l ya n dr e l i a b l y m o i s t u r e c o n t e n to ft h ec r u d eo i lw a t e ra r e rp r o c e s s i n gb yt h ep o w e r s u p p l yi sa b o u t0 2 ，m e e t i n gt h e r e q u i r e m e n to fn a t i o m ls t a n d a r d c o m p a r e dw i t l l 缸a d i t i o n a ld e h y d r a t i o np o w e rs u p p l y ， d e h y d r a t i o ns u p p l yw i t hr e c t a i l g l e - w a v e f o n i lh a st r e m e n d o u sa d v a n t a g e s t h e r ei sag o o d a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：c r u d eo i ld e h y d r a t i o n ，r e c t a n g l e - w a v e ，s g 3 5 2 5 a ，d a t aa c q u i s i t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：五游年f 月，r 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名窒奎医堡 指导教师签名： 日期：力归8 年r 月，r 日 日期：弘，t 方年，月沁日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 原油脱水现状分析 。目前，我国陆上油田大部分己进入开发后期，综合含水达到8 0 以上，部分油田已 超过9 0 。随着含水率的上升，采出液总量不断增加，油田地面工程各系统已暴露出与 高含水期生产不相适应的问题【l 】。同时随着油田的开采程度的增加，近年来提高采收率 的各种方法和措施不断发展，促使原油增产的各种化学药剂普遍使用，特别是三采工艺 的应用与推广，井下酸化、压裂、防砂和药剂处理等频繁作业，使产出的原油中进入了 能使乳化液性质变顽固和形成水包油型乳化液的额外流体和固体，导致了产出的原油乳 化液越趋稳定，原油脱水难度也越大1 2 】。在原油脱水方面表现为：脱水率降低、污水质 量下降、水中有杂质生成、油水界面不清晰且有中间层，电脱水系统不能正常运行；在 脱水后污水处理方面表现为：油水分离速度减慢、污水处理能力下降、处理后的污水含 油量和悬浮物严重超标【3 1 。 为了适应油田开采后期、高含水原油和三采液脱水处理技术的要求，各油田均在脱 水工艺和方法上开拓新思路，开辟多渠道的原油脱水试验研究工作。其主要途径有：研 究推广新工艺，优化当前的原油处理流程；开展老化油处理新技术，包括研制或筛选适 合老化油的高效破乳剂、开展老化油( 或油品性质相似的原油) 的热化学处理试验研究、 应用离心机脱水、加热汽化脱水工艺、开发新型脱水设备、推广高频电脱水技术等【4 j 。 例如：武汉石油化工设备研究所采用化学破乳法与过滤分离法联合脱水，脱水后原 油平均含水率为0 1 5 ，此方法的缺点是脱水过程中会污染环境，处理量小。大港油田 进行了化学破乳法与微波法联合脱水试验，结果表明，微波对任何一种乳状液都能在短 时间内脱水。华北油田开始研究化学破乳和磁处理联合脱水，通过试验表吲5 1 ，原油乳 状液经过磁处理后脱水率可以提高3 5 8 0 。胜利油田采用碟片式离心机对高含水原 油进行脱水，当原油平均含水为9 0 左右时，处理后平均含水为0 4 。用离心机进行原 油脱水不足之处在于离心机结构复杂、价格高、必须进口。可以预见，更多节能、高效、 无污染、脱水效率高的新原油脱水技术将应用于工业生产当中【6 1 。 1 2 原油电脱水发展 常用的脱水方法有沉降分离、化学破乳、离心分离、电破乳、润湿聚结、气浮分离 等。这些方法各有利弊，适用于不同性质的原油。就目前国内各油田普遍经验来看，效 第一章绪论 率最高的脱水方法就是热化学沉降电化学联合脱水，即两段脱水工艺。一段脱水流程 为：在集输管网远端或者计量站加入破乳剂，使原油在长距离输送中与破乳剂充分混合， 充分发挥破乳剂的作用。进入联合站后，通过并联的多台游离水脱除器，进行化学聚 结沉降脱水，脱除大量的游离水后，含水率控制在3 0 以内，经过缓冲罐后被加热炉加 热，进行二段电脱水。注入并联的多台电脱水器，在电场作用下脱除水分，原油含水率 降至0 5 以下，达到商品油的要求，经净化油缓冲罐外输。含油污水一部分进入污水沉 降罐，一部分反掺入井排来油中【7 - 8 】。流程图如图1 1 所示。 高含水原油 ( 添加破乳剂) 。 图1 1 原油脱水流程图 i 。l g l 。l 量。i o wc h a no fd e h y d r a t i o n 两段脱水工艺配合集中了各段脱水工艺的优势：在集输管网远端加入破乳剂可保 证乳化原油充分破乳；聚结沉降一段脱水工艺可获得较低含水率的原油，降低加热费 用；对乳化原油具有破乳彻底，降低原油粘度，降低乳化膜表面张力等作用【9 】。 ( 1 ) 交直流脱水 原油电脱水最早采用高压交流电，是过去国内外采用最普遍的一种方式。供电频率 通常为5 0 或6 0 h z ，视电网电源频率而异。供电设备主要是升压变压器，将单相2 2 0 v 或 者三相3 8 0 v 电源电压接至变压器初级端，经升压变压器引入电脱水器的电极，在电脱水 器电极之间形成高压交变电场。这种方式无需整流装置，供电设备和电极结构成本低。 直流脱水工艺也是一种常用的方式，在变压器高压侧连接整流硅堆，将交流电进行 整流后，接到脱水电极上，脱水效率比交流要高。但是直流脱水得到的脱出水含油率一 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 般较交流电脱水高。脱出水往往呈现混浊，含油少的水颜色发黄，多则乌黑【1 0 】。 油田进入较高含水期，交流或直流电脱水器运行不平稳，影响脱水效率，已改进成 交直流复合电脱水器。基本原理是在同一台电脱水器中使交流和直流两种电场结合起 来，形成一个复合交变电场，它在耗电量较低的情况下实现了较好的脱水效果。 ( 2 ) 控制方式 由于原油电脱水器在生产运行中受油水界面波动、温度变化等因素的影响，操作电 流不是很稳定，有时会超出供电设备允许值的许多倍。要保证电脱水器的连续运行和供 电设备不被过载损坏，就要求供电线路必须具有根据负载波动情况进行自动调节电压， 限制电流增长的性能。 自动调压采用的限流保护方式先后采用过以下几种方式：高压电容充电调压、电抗 器调压、可控硅调压等。电抗器是由铁芯和感应线圈组成，串接在电脱水器升压变压器 的低压侧，是利用电磁感应中的自感原理来实现自动调压。随着电子技术的发展，“以 弱电控制强电的技术得到普遍应用，发展了可控硅调压技术。通过安装在主回路脱水 变压器低压侧的电流互感器获取电脱水器负载电流变化讯号，将该讯号转换成电压，经 整流作为反馈电压，经过稳流、微分等环节得到控制电压，用其控制串接在主回路低压 侧的可控硅的导通角度，来实现对供电电压平均值的调整【1 1 1 。 九十年代中期研制出了新型的原油电脱水高压电源，核心技术是：改进晶闸管触发 电路，消除了触发脉冲相位的不对称；采用霍尔元件检测电流，实现变压器电流的精确 控制；设置过流保护与恒流输出电路，使脱水电源的可靠性大幅提高；设置自动复位功 能，过流保护自锁时能够重新自启动【1 2 小】。 近几年大量研究的是脉冲电脱水设备、电脑控制的脉冲式原油脱水系统实现了智能 化设计，具有全数字控制、在线辨识预测控制、停电记忆及“垮电场”自动恢复等功能。 1 3 矩形波电源提出 通过对原油脱水原理研究以及前几代脱水电源的分析我们得出结论： ( 1 ) 实现原油电脱水需要一定的电场强度，但强度要合适，太高了会产生电分散， 使水珠以更细的颗粒悬浮在原油中；太低了水珠间不能发生震荡聚结及偶极聚结，不能 实现油水快速分离。新型脱水电源要能够在最佳的电场强度下进行脱水。 ( 2 ) 交变电场的频率越高，平均撞击力就越强。提高输出电压的频率有利于提高 脱水速度，但过高的工作频率受到电子器件、原油含水量等诸多因素的限制。新型脱水 3 第一章绪 论 电源要能够进行频率调节，可以针对不同品质的原油调节调出最适合的频率。 目前，我国各大油田仍然广泛使用的原油电脱水器可控硅自动调压恒流控制装 置，即采用两个晶闸管反向并联组成交流开关，电流通过晶闸管进入变压器原端，从副 端输出经高压硅堆整流后到脱水器的相应极板即可进行原油电脱。主要存在以下不足： ( 1 ) 该电源输出5 0 h z 交流电，频率不可调，无法实现最佳频率下脱水，效率低， 电能消耗严重； ( 2 ) 安全性能低，过流保护能力差； ( 3 ) 自动化程度低。 因此，在出现油品变差情况下，设备无法正常运行。 通过对各种大功率电源的研究发现，高可靠性的大功率电子开关器件i g b t 得到迅 速发展，以i g b t 为核心的逆变电源在焊接电源、感应加热电源等得到广泛应用。采用 逆变技术可以实现2 2 0 v 3 8 0 v 交流电变换成频率、电压均可调的矩形波交流，满足上述 我们对新型脱水电源的技术要求。 由图1 2 可以发现，矩形波的优势在于可以设定最佳电场，而常规脱水电源的交流 波仅有一段处在有效工作时间内；矩形波交流电场由零开始瞬间跃变到极大值，即最佳 电场，使水珠中的正、负离子得到最大限度的加速，对乳化膜形成最为强烈的冲击；频 率可以调节，使整套装置工作在最佳状态，从而提出采用i g b t 为核心的矩形波交流电 源的研制。 u u u j 图1 - 2 脱水电场对比分析 f i 9 1 - 2 c o n t r a s ta n da n a l y s i so ft h ed e h y d r a t i o ne l e c t r i cn e i d 矩形波交流原油脱水电源不仅可以用于石油工业的油水分离，它可以用作其它行业 的分离设备，如轧钢废油脱水、轮船燃料油脱水、机械润滑油脱水等。因此，矩形波交 流脱水技术很有推广价值，将具有很好的经济效益和广阔的应用前景。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章原油电脱水原理分析 2 1 原油乳化液 原油中存在胶质、沥青质、环烷酸、地层岩屑、泥沙等，它们都是天然的、高性能 的乳化剂，在油田开发和油气集输过程中，油、水、乳化剂三者共聚一体，在油井井筒、 油嘴i 管道、阀件、机泵中充分接触混合，特别是在油田伴生气的参与下，其搅拌更为 激烈。在上述条件下原油乳化液就会自然形成，随生产过程的进行，这种乳化程度还会 逐渐加深【l o 】。 通常情况下，原油中的水以小颗粒的形式均匀分布，尺寸一般在o 1 1 0 岬，称“油 包水”型乳化液。如图2 1 所示。 图2 - 1 水珠受力分析 f i 9 2 一l f o r c ea n a l y s i so fg l o b u i e 原油脱水的基本原理就是采用一定的方法破坏乳化液中油水界面膜的稳定性，使其 破裂，促进小水珠凝聚成大水滴，并依靠与原油的密度差使水从原油中沉降分离出来。 小水珠的这种合并过程通常又称为“聚结”。聚结与沉降分离构成了原油的脱水过程。 随着油田为增采增收而采取一系列措施，油品逐渐变差，老化油等的出现，使得脱水效 果变差，经常出现电脱水器跳闸，不工作现象。下面通过具体分析电脱水原理以寻求新 型电脱水电源。 2 2 原油电脱水原理 一般情况下原油中的小水珠内部都含有盐类的正、负离子，在原油中加上高压交流 电场后，小水珠被极化，这些正负离子会向电场的正、反方向快速移动，产生内摩擦热， 不断克服膜强度。被极化的小水珠相结合形成大水珠，加速沉降使油水分离( 图2 2 ) 。 在这个过程中，主要发生了以下两种过程： ( 1 ) 偶极聚结 5 第二章原油电脱水原理分析 图2 2 电脱水过程示意图 ( a ) ：水珠极化；( b ) ：水珠聚集 f i 9 2 2d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fe l e c t r i c a ld e h y d r a t i o np r o c e s s ( a ) ：g l o b u l ep o i a r i z a t i o n ；( b ) ：g l o b u l ea g g r e g a t i o n 偶极聚结是指置于电场中的w o 型乳化液中的水珠，由于受外加电场力的诱导作 用而发生偶极极化，水珠中的正、负离子分别移向水珠的两端，方向与外加电场的方向 相反，外加电场越强，偶极极化程度越高。由于电场中所有的水珠都发生偶极极化，临 近水珠相互靠近的一端恰好成为异性，相互吸引，其结果使两个水珠合并为一体。由于 外加电场是连续的，这个过程的发生呈“链锁反应。当水珠粒径增大到其重力足以克 服乳化液的稳定性时，水珠即自原油中沉降分离出。当两个相邻水珠的粒径大小相等时， 凝结力f 的数值可用公式近似地表示为 1 0 】： f = 孚邶2 ，2 ( 三) 4 p ， j j 式中： s 一原油的介电常数； e 一表示外加电场的电场强度； ，一表示水珠的半径； s 一表示两水珠的中心车距离。 可以看出，凝结力f 与水珠半径，- 的6 次方成正比，增大，f 将会大幅度的增加。 这就是说，旦偶极聚结开始，“链锁反应 将会越来越激烈地进行下去。因为水珠粒 径是在不断的增加，聚结力f 会随之增强。从该公式还可以看出，- 厶值与乳化液中水 的含量有关。含水量越高，s 值越大。相反，含水若小于0 1 ，偶极凝结力f 值就会 非常小，脱水效率反而会下降。这就是采用电脱水工艺时为什么不希望含水率过小的原 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 因。 同时，必须注意到的一个问题是，虽然公式中明确地表示出偶极聚结力f 和电场强 度e 2 成正比关系，但是如果无休止地增大电场强度，则会引起电分散现象。即一个水 珠分散为两个更小的水珠，无法进行脱水。引用国外的经验值，电场强度的极限值e ，是 4 8k v c m ，小于或接近它有利于水滴合并，等于或大于它都会引起电分斟16 1 。 ( 2 ) 振荡聚结 水滴中常含有酸、碱、盐的各种离子。在交流电场中电场方向不断改变，水滴内各 种正负离子不断的作周期性的往复运动，使水滴两端的电荷极性发生改变。离子的往复 运动使水滴界面膜不断的受到冲击，使机械强度降低甚至破裂，显然水滴愈大，离子对 界面膜的冲击作用愈大，振荡聚结的效果愈好【1 7 邶】。 2 3 等效电路分析 2 3 1 等效电路分析 现场应用中，电脱水是在一个专门设计的电脱水器中进行。高压电场位于电脱水器 壳体内部空间的中上部分，由加在电极上的高压电形成。电极通过导线、进线绝缘棒与 壳体外的高压供电设备相接。接通电源后，电极间形成高压电场，开始电破乳。现场联 机运行示意图如图2 3 所示。 防爆胼水脉冲 图2 3 现场联机运行不惫图 f i 9 2 - 3d i a g r a m m a t i cs k e t c ho ff i e l do p e r a t i o n 根据上述连接图，电脱水器负载是容性负载，我们将变压器副边绕组和电脱水器等 效为r l c 串联电路。如图2 - 4 所示。两电极板间并不是理想的绝缘介质，在电场作用下 有一定的导通电阻，所以将电脱水器等效为线性电阻r f 和电容c 并联，再与变压器原、 副边绕组漏感l k 和绕组电阻轧进行串联，u 为电源输出电压。 7 第二章原油电脱水原理分析 r kl k c 和r f 并联电路阻抗为 等效电路复阻抗为 图2 4 等效电路图 f 蟾2 4e q u i v a i e n ts c h e m e 驴芒去 1 r ， ( 2 - 2 ) 么2r + ，国l + 么， r ， 础+ 础t + 舄 ( 2 3 ) 啮( + 南h 蚺蒜 如果能够调节相应的参数，使电路的阻抗角由= o ，电压电流为同相位，电路呈电阻 性负载，电源只给电阻提供负载，这样使得整个电路功率因数达到最大，效率也最高， 此时史路处于谐振状态【1 9 1 。 岍啡师冁斛：鸣= 尚 ( 2 - 4 ) 谐振频率： 厂2 赤 8 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 中同i 夫# ( 华末) 颂t 学位论文 由式( 2 6 ) 可知，谐振频率与电路中各参数有关，当各参数固定时，则谐振频率 是固定的。由此，我们可以通过调节电源频率柬找到谐振频率，即最佳频率，使得脱水 在最佳频率下进行。 2 32 实验验证 ( 1 ) 实验设备 根据上述理论进行实验室验证，研制了h t a 型电脱水仪，包含三部分：电源，升压 变压器、电极。分别介绍如下： 电源 采用矩形波交流脱水电源，如图2 5 所示。输出矩形波交流电，功率为15 k w ，电压 峰值为2 1 1 0 v ，电流达到7 a 时，保护内部功率器件自动关机；频率调节范围为 5 0 h 棚0 k h z 。输出经高压变压器升压，接到电极上。 升压变压器 升压变压器如图2 - 6 所示，原边匝数n r = 2 5 ，副边匝数n 2 = 5 0 0 0 。示意图如图2 - 7 所示。 x 、a i 、a 2 为输入端，o l 、0 2 为输出端：当输入端接在公共端x 和a i 时，变比是2 0 0 高 压输出是4 k v 2 k v ：当输入端接在x 和a 2 端时，变比是1 0 0 ，高压输出是2 k v 1 l k v 。 图2 巧矩形波交流脱水电源图2 - 6 升压变压器 f 噜2 - sd e h y d n t i o “p o w e r w i t h 仲c b n g i ea i k r 吐t l g w a v e 如r mf i 9 2 6s k p - “p t r a n s 如r 电极 电极是由玻璃量筒、金属内电极、金属外电极套、绝缘塑料保护筒等组成。如图2 8 所示。内电极直径1 0 哪，空心结构，内装带有绝缘陶瓷管的电阻丝，用于加热原油： 外电极由厚约o5 m m 的铝板做成直径5 0 r i l r i l 的筒状结构；通电后在内外电极间产生高压 交变电场。装有含水原油的玻璃量筒( 内径4 5 m m ，长2 7 0 m m ) 放在内外电极间。 第二章原油电脱水原理分析 图2 7 变压器示意图 f i 9 2 - 7 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft r a n s f o r m e r ( 2 ) 实验过程 内电极 玻璃量筒 外电极 塑料外壳 图2 8 电极示意图 f i 9 2 8 s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o d e s 在玻璃量筒中加入含水约2 0 的原油，通电加热至6 0 ，将两个电极接到变压器输 出端，启动矩形波交流脱水电源，电脱5 m i n ，输出高电压峰值2 0 0 0 v 。 调节频率旋钮，输出交流电的频率逐渐增大，出现轻微的“噼啪 声，并随脱水电 流增大而逐渐增强，期间伴有断续的辉光放电，之后逐渐减弱至声音消失。这说明脱水 期间小水珠合并时，所带异号电荷中和，电能转变成光能和热能并发出声音。脱出水清 澈透明。随频率增大，电流逐渐增大，到达一定值后逐渐减小。电脱后，用蒸馏法进行 了标定，原油含水率为o 3 3 。 ( 3 ) 结果分析 测得的电流频率关系如图2 9 ，可得出以下结论：保持电压输出恒定，调节频率， 当电路发生谐振时，电流达到最大。在极低的电压下可以得到满意的脱水效果。 将量筒与电极等效成圆柱形电容器如图2 1 0 ，等效电容为【2 0 】： 。赫 ( 2 _ 7 ) l n ( r 2 r j 、7 式中，氏电容器介质的介电常数； ，电容器长度，即内、外电极长度； 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 o 茎2 5 2 o 1 5 1 o o 5 0 o 尺2 外径； 蜀内径。 图2 9电流频率关系图图2 1 0圆柱形电容器 f i 9 2 - 9d i a g r a mo fc u r r e n ta df i e q u e n c yf i 9 2 - 1 0c y i i n d r i c a ic a p a c i t o r 含水2 0 的原油相对介电常数为6 ，真空介电常数为8 8 5 1 0 也c 2 n 1 m 。2 ，电极 长度为0 2 5 m ，r 2 _ o 0 2 5 m ，r l = o 0 0 5 m 。由此，计算等效电容为： c = 坠瓮警= 5 2 1 1 0 1 2 p ) ( 2 - 8 ) 一 _ _ i ，j- ni h 1 0 0 2 5 o 0 0 5 、7、7 容抗为： 以2 壶2 瓦面意丽2 7 8 1 0 5 心)( 2 - 9 )。 2 刀以?2 万3 9 0 0 5 2 1 1 0 _ 1 2 、7、7 电容器两端电压为： = x 。，= 7 8 1 0 5 2 7 4 = 2 1 1 0 6 缈) ( 2 1 0 ) 脱水电极电容器两端电压计算值为2 1 0 万伏，显然有些偏高。如果把高压变压器匝 间分布电容考虑进去，该电压值就会下降。粗略估计匝间电容为实验电极电容的1 0 0 倍 左右，据此计算的电压值为 = 丘，= 去，= 7 8 1 0 3 2 “= 2 1 1 0 4 ( y ) ( 2 - 1 1 ) 变压器漏电感及分布电容的计算与实测比较复杂，因此有关最佳频率的实验还需要 做进一步的工作。 第三章屯路设计 第三章电路设计 3 1 主电路设计 根据上述对原油电脱水原理的分析，我们需要的电源技术性能和设计要求如下： ( 1 ) 输入：三相3 8 0 v 5 0 h z 交流； ( 2 ) 输出：单相矩形波5 0 0 0 2 0 0 0 0 v ： ( 3 ) 输出功率：2 5 k w ； ( 4 ) 输出频率：5 0 h z 一2 0 l 沮z ： ( 5 ) 效率： 9 0 。 脱水电源的主电路原理框图如图3 1 所示。其工作原理为：三相3 8 0 v 交流经过整 流滤波电路后，得到约5 4 0 v 的直流e 。然后经直流调压电路把e 变成0 5 4 0 v 连续可 调，再经过逆变器，产生矩形波交流电，经过变压器升压变换后输出到负载。其中最为 关键的部分是逆变器的设计。 3 8 0 v 直流直流 觚三觚三 电脱 且 ” y j l 叫卜 水器 刃 ct 5 0 h z6 u r li g b t 输入整流器 调压、滤波 逆变器 防爆燃变压 图3 1 主电路原理框图 f i 9 3 - l s c h e m a t i cd i a g r a m0 fm a i nc i r c u i t 3 1 1 逆变器拓扑结构 根据设计要求来选择逆变器拓扑结构。一般采用单端正激式、单端反激式、推挽式、 半桥、全桥等拓扑。每类传输功率不同应用领域也不同，具体如下【2 l 】： 表3 1电源电路拓扑与应用领域 r a b l e 3 1p o w e rt o p o l o g ya n da p p h e dn e l d 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为了满足脱水电源的大功率要求，本文所设计电源的逆变电路采用全桥式结构。全 桥结构原理图如图3 2 所示，u l 为变压器原边电压。 全桥电路共有四个桥臂【2 引，把桥臂1 、4 作为一对，2 、3 作为另一对，成对的两个 桥臂同时导通，两对交替各导通1 8 0 。需要注意的是，电路工作时，t l 与t 3 不能同时 导通，t 2 与t 4 不能同时导通，所以设置相应的死区时间使四个开关管都关断，变压器 一次侧输出波形如图3 3 所示，u g l u 9 4 为i g b t 栅极驱动电压。 + 图3 2 全桥逆变电路 f i 9 3 - 2c i r c u i td i a g r a mo ff u b r i d g ei n v e r t e r 3 1 2 开关器件的选择 仉- d u 一 口 “ d - 7 川l f 图3 3 全桥逆变电路波形 f i 9 3 - 3o u t p u tw a v e f o r mo ff u u - b r i d g ei n v e r t e r 目前在全桥电路中被广泛应用的电力电子开关器件主要有晶闸管、场效应管、g t o 、 g t r 和i g b t 。由于它们的电流容量和开关速度各不相同，在电路中的应用范围也不同。 在几l a 到几百k v a 的中大容量的逆变器中，主开关器件以i g b t 为主。本设计电源容量 为2 5 k w ，优先选用i g b t 器件，其次i g b t 是m o s f e t 和g t r 的复合器件，既具有m o s f e t 的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了g t r 的载流 量大、阻断电压高等多项优点，因此本设计选用i g b t 器件。 i g b t 主要性能参数有：最高集射电压( 额定电压) 、门射电压、开启电压、漏电 流、集电极电流、最大功耗、额定温结、饱和压降、开关时间等【2 3 1 。 ( 1 ) 额定电压：i g b t 额定电压就是其允许的最高集射极电压，用e r 表示，也称 为i g b t 的耐压。考虑电网瞬态尖峰、电压波动、开关电流引起电压尖峰等，一般如果 稳态时，加在i g b t 之间的电压最高为v m ，则可选择的耐压值为= 2 。 ( 2 ) 开启电压u g e ( t 1 1 ) 1 3 第三章电路设计 i g b t 能实现电导调制而导通的最低栅射电压。u g e 。t i l ，随温度升高而略有降低，温 度每升高1 其值下降约5 m v 。在+ 2 5 时，u g e 的值一般为2 6 v 。当u g e u g e 。t 1 1 ) 时， i g b t 正常开通处于饱和区；当u o e o 时，i g b t 为反向阻断工作状态。由于i g b t 中双极 型p n p 晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因 而i g b t 的开关速度要低于电力m o s f e t 。 ( 3 ) 饱和压降 i g b t 的饱和压降也叫通态压降，是指i g b t 处于饱和状态的v c e 。一般为2 4 v 。 ( 4 ) 额定电流i c e i g b t 导通时，集电极允许通过的最大电流有效值称为i g b t 的额定电流i c e ，它的选 择要根据实际电路中最大额定电流i e 、负载的类型、允许过载的程度等因素来确定。在 一般电阻性负载的电压变换装置中，若实际电路中电流最大有效值为i e ，则要选i g b t 的i c e = 1 5 i e ；还要注意，在任何情况下，通过集电极的最大电流必须处在安全工作区的 规定范围内。 i g b t 管使用中应注意以下几个问题【2 4 】： ( 1 ) 栅极振荡的防止。i g b t 接线较长时易产生振荡，因此栅极电阻r g 的接入尽量 靠近i g b t 。栅极引线一般采用绞合线。 ( 2 ) 栅极过电压的防止。对于大容量变换器，流经i g b t 母线的主电流产生的浪涌 电压会加到栅极上。如果浪涌电压过大，i g b t 栅极特性就要变坏，因此可以在栅极与 发射极之间接入稳压二极管，把浪涌电压限制在3 0 v 以下。 。( 3 ) 栅极噪声的防止。额定电流增大时，在i g b t 发射极母线上要产生浪涌电压， 这个浪涌电压在栅极上产生噪声，噪声电压可能使i g b t 误导通。为此，要减小元件的 接入电容。 ( 4 ) 浪涌电压的降低。i g b t 为高速开关工作，为降低浪涌电压，正负母线采用密 集结构，以便减小主回路接线的电感。另外要减低浪涌吸收电路的电感。 3 1 3 主电路设计与分析 脱水电源的主电路结构如图3 4 ，下面对其各部分进行介绍： ( 1 ) 整流电路 输入整流滤波电路将交流电网电压转变成直流电压，要求它能存储一定的能量以使 电源具有一定的输出电压保持能力；能防止合闸浪涌电流；同时，它既要防止来自电网 1 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 的干扰，又要阻止电源本身产生的干扰反串入电网，亦要有抗干扰性能。三相整流电路 由6 只二极管d 1 d 6 组成三相整流桥，将输入的三相3 8 0