（材料科学与工程专业论文）基于plc的矩形波交流原油脱水电源的研究.pdf

摘要目前，随着油田进入高含水开采阶段，原油含水率上升，油水乳化程度日益严重，脱水难度大幅增加。这种状况下，常规5 0 h z 正弦交流电源逐渐暴露出电场不稳定、脱水效率低、电耗严重等缺陷，已不能很好地满足生产需求。而且，面对如今复杂多变的脱水条件，采用传统单片机控制方式需要繁琐的软硬件设计和抗干扰措施。因此，研制高效、高自动化程度的控制电源对脱水工作具有十分重要的意义。为解决油田生产面临的上述问题，本文从分析电脱水的根本机理出发，提出研究一种矩形波脱水电源。该电源采用高效工业自动化元件p l c 控制，输出电压幅值、频率、占空比均可调的脉冲电场，能使脱水工作在最佳状态下运行。电源主电路设计中，对电路结构方案进行了分析选择，并对整流滤波电路、调压电路、矩形波生成电路、浪涌保护、检测电路中涉及的元器件进行了计算选型。p l c 控制电路中，通过分析系统需求，确定了硬件总体结构；对p l c 系统进行了选型、硬件配置，设计了基于s g 3 5 2 5 的电压幅值、频率及占空比控制电路，并对p w m 信号驱动电路、保护电路的设计进行了介绍。系统控制软件提供了手动操作和自动控n 2 种工作方式，自动控制程序中实时检测设备工作电流，通过调整输出电压快速控制电流的方法来保证电场的稳定运行。为更好地解决p l c 人机交互问题，设备引进触摸屏技术。依据实际应用情况，选择了e v i e 、v m t 4 5 0 0 t 型触摸屏，设置了p l c 与触摸屏的软、硬件通信状态。人机界面中设置了开机欢迎、系统参数设定、手自动工作、生产工艺动画、实时趋势图、故障报警、权限管理、操作说明等功能界面，实现对电源直观、自然的操作。文中最后对电源设备软、硬件进行了调试，实验室实验及现场应用表明设备运行安全可靠、净化油含水率符合国标规定，且油水界面清晰，节能效果显著。关键词：电脱水，矩形波，i g b t ，p l c ，触摸屏ar e s e a r c ho nc 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 ec u r r e n tr e c t a n g l e w a v eb a s e do np l cl i uq i a n q i a n ( m a t e r i a l ss c i e n c ea n de 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 i l b a n ga b s t r a c ta tp r e s e n t ，谢t l lt h eo i l f i e l dg o i n gi n t oh i g hw a t e rc u ts t a g e ，m o i s t u r eo fc r u d eo i lh a si n c r e a s e d ，t h el e v e lo fo i l w a t e re m u l s i o nh a sg r e a t l yd e t e r i o r a t e d ，a l lo ft h e s ec a s e sl e a dt oas u b s t a n t i a li n c r e a s eo fd i f f i c u l t yi nd e h y d r a t i o n i nt h i sc i r c u m s t a n c e ，c o n v e n t i o n a ld e h y d r a t i o np o w e rs u p p l yw h i c ho u t p u ts i n u s o i d a lw a v e f o r ma t5 0 h zg r a d u a l l ye x p o s es o m ed e f e c t sl i k ee l e c t r i ci n s t a b i l i t y , l o we f f i c i e n c yo fd e h y d r a t i o n ，s e r i o u sc o n s u m p t i o no fp o w e r s o ，a tp r e s e n t ，c o n v e n t i o n a ld e h y d r a t i o np o w e rs u p p l yc a nn ol o n g e rw e l lp o s i t i o n e dt om e e tp r o d u c t i o nn e e d s i na d d i t i o n ，c o m m o nm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lm o d en e e d sm u c hc u m b e r s o m ed e s i g no nh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n da n t i - j a m m i n gt oa n s w e rt h ec o m p l e xc o n d i t i o no fd e h y d r a t i o n s o ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o w a r d sd e h y d r a t i o nw o r ki nd e v e l o p i n gp o w e rs u p p l y 、析t l lb o t l lh i g he f f i c i e n c ya n dh i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n i no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m sf a c e db yo i l f i e l d ，t h i sp a p e ra n a l y s e dt h ef u n d a m e n t a lm e c h a n i s mo fe l e c t r i cd e h y d r a t i o n ，a n dp r o p o s e dt h er e s e a r c ho np o w e rs u p p l y、析t l lr e c t a n g u l a rw a v e t h ep o w e rt h a tc o n t r o l l e db ye f f i c i e n ti n d u s t r i a la n da u t o m a t i o nc o m p o n e n tp l co u t p u tp u l s e de l e c t r i cf i e l d 、) i ，i t hv o l t a g ea m p l i t u d e ，f r e q u e n c ya n dd u t yc y c l ea d j u s t e de n a b l i n gd e h y d r a t i o nw o r kr u ni nt h eb e s ts t a t u s i nt h ed e s i g no fm a i nc i r c u i t ，t h i sp a p e ra n a l y z e da n ds e l e c t e dt h e 咖c 眦o fc i r c u i tp r o g r a m c o m p o n e n t sm e n t i o n e di nr e c t i f i c a t i o na n df i l t e rc 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 t ，r e c t a n g u l a rw a v eg e n e r a t i n gc i r c u i t ，s u r g ep r o t e c t i o na n dd e t e c t i o nc i r c u i ti nt h em a i nc i r c u i ta r ed e s i g n e da n dc h o u s e d i np l cc o n t r o lc i r c u i t ，t h i sp a p e rd e t e r m i n e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r eb a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fs y s t e m ，p r e s e n t e dt h et y p ea n dh a r d w a r eo ft h ep l cs y s t e m ，a n dd e s i g n e dc o n t r o lc i r c u i to fv o l t a g ea m p l i t u d e ，f r e q u e n c y , d u t yc y c l eb a s e do ns g 35 2 5c h i p b e s i d e s ，i ta l s oi n t r o d u c e dt h ed e s i g no fp w ms i g n a ld r i 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 t p l cc o n t r o l l i n gs o f t w a r ed e s i g n e dt w ow o r km o d e si n c l u d i n gm a n u a lo p e r a t i o na n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 u n d e ra u t o m a t i cc o n t r o l ，t h ep r o c e d u r eh a dar e a l - t i m end e t e c t i o no fd e h y d r a t i o nc u r r e n tw h i c hc a l lr a p i d l yc o n t r o l l e db ya d j u s t i n gt h eo u t p u tv o l t a g et oe n s u r es t a b l eo p e r a t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l d i no r d e rt os o l v et h em a i l - m a c h i n ei n t e r a c t i o np r o b l e m so fp l cb e t t e r , t h i se q u i p m e n tu s e dt o u c hp a n e lt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o n , t h i sp a p e rc h o u s e dt y p ee v i e w m t 4 5 0 0 t , a n ds e tt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o m m u n i c a t i o ns t a t u sb e t w e e np l ca n dt o u c hp a n e l m a n m a c h i n ei n t e r f a c es e ts e v e r a lf u n c t i o ni n t e r f a c e sw h i c hl e a dt oi n t u i t i v ea n dn a t u r a lo p e r a t i o ns u c ha sb o o tw e l c o m e ，t h es y s t e mp a r a m e t e rs e t t i n g s ，m a n u a l a u t o m a t i cw o r k ，d e h y d r a t i o np r o c e s sa n i m a t i o n , h i s t o r i c a lt r e n d s ，f a u l ta l a r m , f i g h t sm a n a g e m e n t ,i n s t r u c t i o n se t c f i n a l l y , b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ep o w e re q u i p m e n tw e r ed e b u g g e d l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n df i e l da p p l i c a t i o ns h o w e dt h a t t h i sp o w e re q u i p m e n tc a nr u l ls a f e l ya n dr e l i a b l y m o i s t u r ec o n t e n to ft h ec l e a n e do i lr a t i om e e t st h en a t i o n a ls t a n d a r d s 、析t l lac l e a ro i l - w a t e ri n t e r f a c e b e s i d e s ，i th a sas i g n i f i c a n te f f e c to ne n e r g ys a v i n g k e yw o r d s ：e l e c t r i c a ld e w a t e r i n g ，r e c t a n g l e - w a v e ，i g b t , p l c ，t o u c hp a n e l1 1 1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：一骢耸一日期：2 01 9 年5 月够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：塞：li 鱼i 惑指导教师签名：日期：2 0 # 0 年箩月2 多日r 期：2 df d 年j 月玎日中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第一章绪论1 1 原油脱水现状自地下开采出的油一般都含有水，原油含水给油田集输和炼制工作带来了很多弊病。它不仅降低了原油纯度，增加了管道集输中的摩擦消耗以及加热过程中的能源损耗，降低了管线使用寿命，而且还会影响炼厂常减压蒸馏设备的正常运行，易引起管路结垢堵塞、管壁腐蚀、烧穿等事故发生【。此外，排放的含油污水还会对环境造成污染破坏【2 】。因此，综合从经济、环保以及运输和加工角度来考虑，均需对原油乳化液进行脱水处理，原油脱水工作是油田生产中一个必不可少的工序。针对原油脱水，人们在对乳化液破乳机理探索的基础上开展了多种方法的研究，较早的工艺方法主要有沉降分离、化学破乳、电破乳、润湿聚结。沉降分离是依据油、水存在密度差且又互不相溶的原理脱水的方法，是最基本的工艺；化学破乳工艺需要外加化学药剂，利用添加破乳剂与油水界面乳化剂问发生的化学反应，破坏界面稳定性，达到脱水目的；电脱水工艺利用外加高压对水滴的作用，打破油水界面膜，促进颗粒间聚结、合并；润湿聚结也需要外加物质，利用添加材料对油、水吸附能力的大幅差别，使其中一相在材料表面聚结，从而达到分离的效果【2 l 。目前，我国多数油田已进入高含水开采阶段。据统计，大部分开采出的原油含水达到8 0 ，部分地区甚至已达9 0 【3 1 。为应对高含水开采阶段的脱水工作，各油田工作者不断在脱水工艺、方法及新型设备上开展研究。目前，发展起来的新型脱水方法主要有生物破乳、微胶囊破乳、声化学破乳、微波辐射破乳、离心分离法、过滤法、气浮分离法、超声波原油破乳等 4 1 。针对不同状况下的破乳工作，现有的脱水工艺各有所长，其中电脱水方法以其快速、高效、经济效益高等优点，常作为脱水流程的精加工环节，获得广泛应用l l 】。电脱水工艺中，最为关键的是供电设备，其主要由电源控制柜、升压变压器、电脱水罐及辅助配套设备组成。其中，电源控制柜决定了供电方式，是电脱水中最为核心的元素。目前，各油田普遍使用的是5 0 h z 正弦交流原油脱水电源f 5 】。但高含水开采阶段，乳化液含水率上升，油质粘度、密度增大，油水乳化程度日趋严重，电绝缘性能恶化，常规电源逐渐暴露出电场不稳定、过流保护差、电耗严重、脱水效率低、自动化程度弱等缺陷，已不能很好地满足生产需求【5 - 6 1 。上述现象的出现是因为油水分离效果与设备控制方式直接关联 7 1 ，高效原油电脱水需要电源控制柜提供一个合适的电场形式【8 - 9 1 。第一章绪论1 2 原油电脱水技术概况电脱水就是将原油乳化液置于高压电场中，利用电场对油水界面膜强度的削弱作用，促进水滴碰撞、聚结，凝聚成较大颗粒，从而从原油中沉降分离出来【l 】。随着电破乳理论的不断发展及生产实践中的长期改进，实际应用中先后创造了多种电源供电方式，主要有工频交流电脱水、直流电脱水、双电场电脱水、脉冲式电脱水以及双压双频电脱水技术【1 0 1 。( 1 ) 交流电脱水工频交流电脱水中水颗粒凝聚以偶极聚结和振荡聚结方式为主。一般是将单相2 2 0 w 5 0 h z 或三相3 8 0 v 5 0 h z 正弦交流市电直接引入升压变压器一次侧，将二次侧输出加载到电脱水罐内电极上 2 1 。1 9 0 9 年美国的fgc o t t r e l l 博士申请了静电聚结原油乳化液电破乳技术专利，这标志着交流电脱水工艺的开端，该技术一直延用于石油化工脱水领域1 0 1 。我国也于上世纪6 0年代末开始应用交流电破乳技术，8 0 年代初又从p e t r o l i n e 公司和h o w e b a k e r 公司引入先进技术和装置，并进行了相应的改良，当时的破乳技术已与国际水平相接壤，配套装置也仍广泛应用于各大油田至今【l l 】。从交流电脱水供电原理可见，其主要优点是电场供电只需要一个升压变压器，硬件电路设计简单，也很大程度节约了设备成本；高压交变电场的方向频繁更换，带电微粒难以与脱水罐形成金属电解液回路，不会腐蚀设备【1 t1 2 1 。其缺点是施加在电极上的电压为交流正弦曲线，则每个周期只有2 个时刻能达到电场强度最大值，脱水效率低，处理量小，净化油含水率稍高；水滴易排列成链，造成垮电场，电能损耗大u 一2 1 。( 2 ) 直流电脱水直流电脱水破乳以电泳聚结起主导作用，并辅以偶极聚结形式。它由最初交流电脱水形式演变而来，是在电源变压器二次侧外接整流装置，将高压交流电整流后接至脱水电极上【2 1 。1 9 1 8 年fms e i b e r t 等人申请了应用2 5 0 5 0 0 v 的直流电场进行破乳的专利，这标志着直流电脱水的诞生【1 0 1 。起初研制的电源输出电场电压不可变，有时会造成负载增大时脱水电流大幅上升，最终短路的局面。为拓宽应用范围，避免大电流烧坏变压器和整流装置，直流电源供电装置采用了“调压输出方式，主要有电抗器调压、可控硅调压、饱和电抗器调压和高压电容充电调压等【1 3 】。8 0 年代初，b r a d f o r d 大学的教授p jb a i l e s d2中国石油大学( 华东) 硕士学位论文等人为克服直流电场只适合低含水原油深度处理的局限性，提出“脉冲直流电场的策略，但一直没能获得工业化应用。直流电脱水与交流电脱水工艺相比耗电量较少，乳化液处理量大，净化油质量耐1 1 。但是，由于脱水罐与带电水滴间容易形成金属电解液回路腐蚀罐体和电极，因此，直流电脱水只适合低含水原油深度处理1 1 0 1 。除此，运用该技术有时脱出水含油率较高1 2 1 。( 3 ) 双电场脱水交、直流电脱水工艺各有利弊，随着对脱水精度要求的日益提高，上世纪7 0 年代初flp r e s t r i d g e 等人提出将直流电脱水和交流电脱水二者有机结合，取长补短的方案m ，由此产生了交直流双电场脱水理论。具体方式是在电脱水器的中下部建立交流电场，中上部建立直流电场。双电场脱水包含偶极聚结、振荡聚结和电泳聚结三种方式。我国7 8 年以来也开始关注双电场工艺，并先后在胜利油田、大庆油田、中原油田及华北油田等地先后试验成功【1 1 。实践应用证明：双电场脱水工艺获得了优劣互补的效果，不仅扩大了处理液含水量的波动范围而且净化油质量得到大幅提高，耗能有所下降，也避免了破乳过程中电化学反应对设备的腐蚀【l 】o 其不足之处是当脱水工艺波动时，只有交流电脱水其作用【1 0 1 。( 4 ) 脉冲式原油脱水随着油田步入高含水开采阶段，这些早期供电方式不同程度的暴露出破乳效率低，破乳剂用量大，能量消耗多，过流保护差，自动化程度弱，油品适应范围小，无法保证电场长期稳定等缺陷【5 1 5 1 。这样，传统的电破乳方法已很难满足高含水原油脱水生产的需求。近年来，随着现代电力电子技术、控制理论以及高可靠性电子开关器件的不断发展，高频脉冲电脱水法在交流电脱水、直流电脱水、交直流双电场电脱水的基础上逐渐兴起，它以偶极聚结和振荡聚结脱水形式为主。f 1 2 0 世纪8 0 年代起，国内外不少学者投入脉冲式原油脱水工作的研究，并且取得了不少有意义的成就。目前，国外关于脉冲电脱水机理的分析主要存在3 种理论【1 6 1 。一种是b a i l e s 和l a k a i 的介电松驰理论，1 9 8 2 年b a i l e s 和l a k a i 在探讨有关直流脉冲电场破乳问题的报告中指出：电介质的松弛过程决定了水颗粒对外加高压电场的响应情况【1 刀。他们认为，水珠在发生聚结前，要先排列成链。在电场力一定的条件下，水滴链的长度要足以保证链中的粒子能够发生聚合而又不会因为传导电流过大发生短路现象，而最佳链长的产生只有在最佳频率才能满足。频率过低，电场变化缓慢，水滴链过长，极3第一章绪论易形成短路过流，造成不必要的电能损耗；频率过高，电场迅速变化，水滴不能很好响应，形成的链过短，无法进行聚合1 1 7 1 。目前，许多人都认可这种理论。在实验研究的基础上，b a i l e s 还提出脉冲电场中电压、频率及占空比的大小对破乳效果都有很大影响。1 9 9 2 年，在不使用任何破乳剂的情况下，英国b p 公司的w a r e h m 油田率先试验了电脉冲技术【1 6 】。在脉冲电场与旋转离心场的联合作用下，水颗粒扩大了4 倍多，获得了明显的聚结效果。最近几年，欧洲、美国的近海油田也在大量做这方面的试验研究【1 6 】。第二种理论是s e t a y l o r 提出的诱导电荷内部电场理论，他在0 1 h z 及5 0 h z 脉冲电场试验研究基础上提出低频阶段电导率对介电性物质至关重要，尤其是在电荷的分配方面，但在高频，电导率的影响是可以忽略的。同时，他也认为破乳剂对于液滴的诱导带电起着积极促进作用，有利于聚结效应【1 6 1 。另一种是t a k e s h ik a t a o k a 提出的脉冲电连续破乳理论。t a k e s h ik a t a o k a 等人研究了连续脉冲破乳中参数变化及其他因素对脱水效果的作用问题。他们认为连续破乳时，若进口乳化液量等于输出的油、水总量，破乳效果与外加电场电压的平方成正比，几乎不受电极间距影响；油层不接触上电极是破乳过程的最佳状态，能获得较高的效率【1 6 1 。国内也有不少学者投入这方面的探索，并做了大量的研究工作。目前，大家普遍认同的观点是：高压脉冲电场中乳化液水滴发生变形短路时，若继续施加电压，电流大幅上升，电耗增大，而破乳率降低；此时若终止脉冲输出一段时间，等到短路消失后再施加电压，可以使操作变得平稳【1 6 】。由于各种乳状液物理化学性能不同，短路形成时间和消失时间也会存在差异，一般规律是调节输出脉冲频率和占空比，使脉冲持续时间小于短路时间，待短路消失后再施加下个脉冲【1 8 - 2 0 。9 0 年代以来，许多工作者将脉冲脱水技术付诸实施，例如中原油田应用的电脑脉冲式原油脱水系统【1 5 1 ，胜利石油规划设计院研制的高频脉冲原油电脱水装置【1 9 】以及作者所在课题组成功研制应用于胜利油田东辛采油厂辛一站的矩形波脱水电源等【5 】。( 5 ) 双压双频技术经过4 年的专业性研究工作，2 0 0 2 年美国n a t c o 集团推出了双频双电压电脱水技术。该技术的供电设备主要由三相4 8 0 v 电源输入、i g b t 电子开关器件、中频升压变压器、整流装置、p c 处理器组成。脱水处理过程中，p c 处理器首先依据检测到的原油乳化液基本物理化学性能参数计算出输出最优电场的电压、频率和波形f 1 0 1 ，然后将控制信息发送给i g b t 器件。i g b t 接受该控制信号对电源输入进行调整，经变压器及整流装置进一步处理，输出双压双频电场【1 0 功】。4中国石油大学( 华东) 硕士学位论文n a t c o 集团指出高频状态下，双压双频电场技术能很好的避免高含水破乳脱水过程中频繁出现的“垮电场”现象，很大程度节约电耗。而且该技术依据具体原油性质输出控制信号的特性不仅能提高净化油处理质量而且可拓宽油品处理范围。2 0 0 3 年，该技术在南美洲的某油田进行了试验。但目前，国内还没有引用这种技术。1 3 课题研究目的及意义本课题是胜利石油管理局重点科技攻关项目，为满足油田高效脱水生产需求，提出了脉冲式电脱水设备的研究。本文所研究的矩形波交流原油脱水电源旨在输出高频脉冲式电场，电源采用大功率、高可靠性开关器件i g b t ，利用专用集成芯片生成p w m 波，实现电源输出脉冲电压幅值、频率、占空比的可调，为脱水工作提供合适电场环境。目前，作者所在课题组研制出的矩形波电源样机其控制系统采用单片机实现。单片机虽然价格便宜，但控制系统硬件电路设计复杂，软件编程难度大，而且对脱水工艺参数的波动及外界干扰敏感。为应对当前复杂多变的原油脱水条件，需要更为繁多的抗干扰措施，并且一旦出现故障，维修难度大。而对石油化工领域来讲，控制设备能否长期安全可靠、稳定运行是决定其经济效益的重要因素，也是最为关心的环节。为解决这一问题，本课题选用工业自动控制系统中应用最为广泛的高性能控制元件p l c 实现电源控制部分功能。p l c 控制较单片机系统可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、维修方便，可大大提高设备的安全、可靠性。为充分发挥p l c 的潜能，进一步完备控制系统，提高设备操作及信息管理水平的自动化程度，更好地为生产和工艺部门服务，决定为系统配备触摸屏界面。主要为现场操作人员提供电源参数设置功能，实现电源实时状态和运行参数的监视，同时监控系统故障并报警输出。触摸屏图形化式的界面替代相应的传统硬件元件，可以减少p l c 的i o需求量，而且比常规的薄膜按键式操作面板更直观和节省空间，也可避免电压、电流仪表因静电干扰问题引起的误读现象出现。同时，图形化的操作方式能明确告知操作者机器设备当前工作状况，给出动作提示，使操作变得直观、自然，减少操作失误。5第二章矩形波电源设计原理第二章矩形波电源设计原理2 1 矩形波电脱水原理电破乳脱水是对低含水原油进行深度脱水最经济、有效的工艺方法。其基本原理是将油水乳状液置于外加高压电场中，基于电场对水滴界面膜强度的削弱作用，促使水滴相互间发生碰撞、合并，聚结成较大的水颗粒【2 1 。由于水的密度比油大，水颗粒大到一定程度后在重力作用下沉降分离出来【2 2 1 。因此，电破乳过程简单的可以归结为三个过程：水滴的电致诱导一水滴碰撞、合并一油水沉降分离【2 3 1 。电破乳脱水的基本原理是一致的，但由第一章分析可见，不同的供电方式聚结形式上会存在差异，因而最终脱水效果会有偏差。因此，研究一种供电方式要对其聚结原理进行深入分析。本文所研究的矩形波交流脱水电源输出高频脉冲式电场，其乳化液中的水珠主要有两种聚结方式：偶极聚结和振荡聚结。2 1 1 偶极聚结在高压矩形波电场中，乳状液中的水珠受外加电场力的诱导作用，会发生极化和静电感应，水珠内正、负粒子向两端移动，使端部带上不同极性的电荷【l 】，如图2 1 中( a )所示。电场中这些被极化的水珠界面膜机械强度被弱化，且成链排列的两相邻水珠相互靠近端极性相反 2 1 ，如图2 1 中( b ) 所示。遵循异性相吸的原则，相邻水珠发生碰撞、合并，聚结后的水珠按照上述规律继续与周边邻近水珠相互吸引聚结，引发链锁反应。当水珠聚结到一定程度，在重力作用下会从原油中沉降分离出来，这种现象被称作“偶极聚结 t - 2 。+图2 - 1 偶极聚结原理( a ) ：水滴偶极极化；( b ) ：水滴聚结f i 9 2 - 1t h e o r yo fd i p o l ec o a l e s c e n c e( a ) ：d i p o l ep o l a r i z a t i o no fd r o p s ；( b ) ：d r o pc o a l e s c e n c e从电动力学的角度出发，可以用一个公式概括描述外加电场作用下两相邻水珠间的吸引作用。假设相邻水颗粒大小相等、端部所带电荷量相同，吸引力硐表示为2 1 ：6中国石油大学( 华东) 硕士学位论文f = 孚= 6 孝e 2 r 2 ( ；) 4像，s s ，一1 、式中：f 一乳化液介电常数；e 一外加高压电场强度，单位：k v c m ：，一水颗粒半径，单位：g m ；s 一两相邻水珠中心距离，单位c m 。由式( 2 1 ) 可见，水滴问吸引力鹃半径，的平方成正比，所以，在电场中偶极聚结条件一旦具备，反应将呈链锁形式持续进行下去；廊与加的四次方成正比，而以的取值与原油含水率相关，含水率越高，加越大，当含水率小于0 1 时，偶极聚结将无法发生；吸引力f 还与外加电场e 的平方成正比，电场强度越大，聚结反应越容易u - 2 。不过电场强度太大也可能会引起“电分散”现象，使水珠以更细小的形式存在，恶化脱水环境 8 1 。2 1 2 振荡聚结乳化液水滴中通常都含有各种带电离子【1 1 。在矩形波电场中，水滴内这些带电离子会随电场电力线方向的变化不断的作周期性往复运动，运动速度由电场频率决定嗍。离子在运动过程中相互不断撞击，界面膜强度被削弱，相近液滴发生聚结；频率越高，聚结效果越好 2 4 - 2 5 1 。除此，由于矩形波电场的特殊性，阶跃跳变可以使离子得到快速加速，对乳化薄膜形成强烈冲击，加速水滴聚结。2 2 矩形波电参数对脱水效果的影响油水分离效果与电源供电方式有直接关系忉。为使矩形波电场下获得理想脱水效果，需从高频脉冲式脱水角度出发，分析电场特征参数对脱水效果的影响。矩形波脉冲电场特性主要体现在电压幅值、频率、脉冲宽度。2 2 1 电压幅值对脱水效果的影响电压幅值对破乳脱水的作用主要反映在对电场强度的影响上。在其它因素固定不变的情况下，电压幅值越大，场强e 越大，由式2 1 可知，水滴间聚结能力越强，脱水速度加快。但场强也不能无限制的增大，场强太高可能会击穿电极板，引发意外危险，又或则引发电分散现象，使水颗粒以更细小的形式存在，恶化脱水环境2 6 】。因此，用于破乳作用的场强应保持在一定范围内2 7 之8 】，即高效脱水存在一个临界场强。许多学者还提出了具体的表达形式，有些人认为，临界场强与油水界面张力的平方根成正比【2 9 1 ，即：o c 州，( 2 2 )7第二章矩形波电源设计原理式中：e 嚣一临界电场强度；盯一油水界面张力。j o h nse o w 认为临界场强表达式可以描述为【3 0 1 ：= o 6 4 ( r r 2 占晶，y 2( 2 3 )式( 2 3 ) 中：p 一乳化液介电常数；fd 一空气介电常数；，一水颗粒半径。油田工作人员在长期的脱水实践中对临界场强有如下总结：大多数情况下，当场强e 4 8 k v e m 时，会发生电分散，小于或接近该值破乳脱水效果较好1 1 。2 2 2 脉冲频率对脱水效果的影响外加电场作用下，乳化液水滴中各种酸、碱、盐的离子随电力线方向周期性变化而不断的作往复运动1 8 】。水颗粒的振荡幅度由外加矩形波电场的频率决定【3 1 1 。从机械角度分析，当外加脉冲频率同乳状液中小水珠固有振荡频率相等或相近时，会发生机械共振现象【1 9 】。该状态下，水珠的振幅最大，表面油水界面膜强度最小，易与相邻水颗粒发生碰撞聚结。同时，相对意义上讲，水颗粒振荡幅度的增大，缩短了相邻水珠间的距离，增大了聚结力，易于脱水1 9 3 2 。从电学角度分析，电脱水器可视为一个特殊的电容性负载，这样升压变压器二次侧绕组连同脱水器便组成了r l c 串联回路【3 3 1 。改变电场频率，电极问阻抗会随之变化。增大频率，阻抗变小，通过电极间的电流增大，即水珠从电场中获得的能量增加；继续增大频率，当达到系统谐波共振频率时，电流最大，脱水效率最高；再增加频率，乳化液阻抗增大，通过电极间的电流反而减小，破乳速率下降f 3 4 】。因此，高效脱水需要外加脉冲频率达到水珠固有振荡频率或则说是达到脱水系统的谐波共振频率。2 2 3 脉冲宽度比对脱水效果影响脉冲宽度通过影响矩形波电场对乳化液的作用时间影响脱水质量。脉冲宽度小时，电场作用时间短，水珠没有足够的时间被极化、聚结成链，脱水效果较差。而当脉冲宽度太大时，长时间的持续脉冲又容易引起极板击穿或电分散现象，恶化脱水环境1 引。所以，高效脉冲电脱水对脉宽应作出一定的要求。不同的乳状液其物理化学性能以及电气性能存在差异，因而，最佳脉冲宽度不是唯一的。一般认为脉冲宽度略大于短路形成时间时脱水效果佳u 9 1 。在频率一定的情况下，脉冲宽度可以用脉冲占空比的大小来刻画。8中国石油大学( 华东) 硕士学位论文2 3 电源总体设计方案根据上文对矩形波脉冲电脱水根本机理的研究及电场特征参数对脱水质量影响的分析，制定电源整体设计方案如图2 2 所示。该矩形波电源主要由主电路、p l c 控制电路以及触摸屏人机界面组成。a c 2 2 0 v图2 - 2 电源整体设计框图f i 擎- 2t h eo v e r a l ld e s i g nd i a g r a mo ft h ep o w e rs u p p l y( 1 ) 主电路电源主要功能是可实现输出高压矩形波电场的电压幅值、频率、占空比的调节。为此主电路主要由输入电路、整流滤波电路、调压电路、矩形波生成电路及升压电路组成，另外还有一些附加电路如保护电路、检测电路等。其中输出电压的调节由调压电路实现，频率及占空比的调节由矩形波生成电路完成。( 2 ) p l c 控制电路p l c 控制电路是矩形波脱水电源设计的核心，主要是为主电路中调压电路、矩形波生成电路发送控制信号，实现对电源输出电场参数：电压幅值、频率、占空比的调节。结合工业实际应用情况，设置2 种控制方式。一方面，p l c 可以接受人工设定的电源运行参数，经内部程序处理输出模拟控制信号至调压电路和矩形波生成电路。同时，利用p l c 还可编写优化控制程序，结合外接模块检测到的设备实际运行状况，经过一系列的逻辑分析运算，实现电源输出的自动控制，保证脱水过程稳定进行。除此，p l c 控制电路还负责矩形波电源设备的启动、停止、上电运行指示、过流状况指示、故障声光报警9第二章矩形波电源设计原理等逻辑控制操作。( 3 ) 触摸屏人机界面触摸屏人机界面主要是为p l c 控制系统提供良好人机交互功能。根据矩形波脱水电源的工艺特点和工作过程，触摸屏提供相应工作模式下的人机界面服务。手动操作下，触摸屏作为上位机接受用户设置在工控触摸屏上的电源运行参数，并将控制信号输送给p l c 控制电路，进而控制主电路器件动作，完成对电源脱水过程的控制。自动控制下，p l c 检测脱水情况并根据编写的控制程序，实现对电源的无人自动操作，界面负责运行参数的显示。同时，人机界面还提供一些系统附加功能，例如：工艺流程展示，系统故障报警、记录，实时监测设备运行状况，提供权限管理等，使操作更加直观、自然。1 0中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第三章电源主电路设计3 1 电源设计指标依据原油电脱水机理的分析及实际应用需求，提出矩形波交流原油脱水电源系统的设计指标如下：( 1 ) 电源输入：2 2 0 v 5 0 h z 市电：( 2 ) 输出功率：4 k w ；( 3 ) 输出高压矩形波脉冲：电压2 2 4 k v 连续可调；频率2 - - 2 0 k h z 连续可调；占空比1 0 - - 8 0 连续可调；( 4 ) 电源具有安全保护措施，整套设备绝缘可靠，符合国家关于超高压电器设备的相关绝缘规定。3 2 主电路设计3 2 1 主电路方案选择为满足3 1 电源技术要求，实现输出矩形波电场电压幅值、频率、占空比的连续调节，电源主电路主要由输入电路、整流滤波电路、调压电路、矩形波生成电路及升压电路组成，另外还有一些附加电路如保护电路、检测电路等。其中由调压电路实现电源输出电压的可调；频率、占空比的调节由矩形波生成电路负责。矩形波生成电路是电源主电路的核心，其本质上为一种逆变结构，目前普遍应用的形式有全桥逆变和半桥逆变【3 5 1 。其中，半桥电路需要2 个功率开关器件，由于不存在器件同时通断问题，驱动电路相对简单，适用于小电压、小功率的场合；全桥逆变使用4个功率开关器件，器件有同时导通的可能，所以需要4 套独立的驱动电路，成本相对较高【3 6 1 。两种电路结构相比，在输出功率和流经电流相同的情况下，全桥中开关器件承受的电压是半桥的一半，同时全桥电路零电压时的续流状态能保证谐波控制效果更好1 3 7 。因此，综合考虑电源高电压输出及波形控制效果，最终确定矩形波生成电路采用全桥逆变方式。在满足电源设计需求的基础上，为减小研制难度，调压电路选用非隔离式电压变换电路b u c k 降压变换。对于整流电路来讲，常用的单相结构有半波、全波、全桥不控、全桥半控、全波全控整流电路，本文选用在现代逆变器中应用最为广泛的全桥不可控整流方式。电压平滑滤波方式主要有2 种，一种是兼用电感、电容的l c 滤波结构，另第三章电源主电路设计一种方式是只选用其中的一种器件，本设计选用较为便捷的电容滤波形式3 7 1 。依据以上电路选择原则，矩形波电源主电路结构设计如图3 一l 所示。从左至右d l d 4 、c o 组成整流滤波电路，b u c k 降压电路包含v t o 、l o 、c 1 、d o ，全桥逆变电路由4 个开关器件v t l - v t 4 构成，劝升压变压器，批、m 分别为变压器初、次级。2 2 0 v5 0 h zr江iv t 2一kjn 1 ：一kv t 4it、nn ，t 3 ld l zzc od 0cle 0-孓le i歹，f u，1，zzd 4图3 - l 电源主电路结构f i 9 3 - 1m a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fp o w e rs u p p l y3 2 2 主电路器件选型( 1 ) 升压变压器丁升压变压器往要是将全桥逆变电路输出的低压矩形波进行升压变换，由二次侧输出高压脉冲接至脱水器电极。腓为电源设备与脱水罐间的纽带其性能无论对本身的效率还是整个脱水系统的安全、可靠性都有很大影响。本处设计选择变比k 为1 2 0 0 的变压器，即n 1 ：n z = l ：2 0 0 。为满足输出电压在2 2 4 k v 连续可调的要求，一次侧输入电压范围为：巩t = u s 2x = ( 2 2 4 ) k v 0 = 0 0 1 2 0 ) v( 3 - 1 )式中，一，侧电压输入范围；u l 、7 ：e - - n e 侧电压输出范围。为满足设计要求，电源输出电压需要在1 0 - - 1 2 0 v 间可调。( 2 ) 矩形波生成电路矩形波生成电路中开关器件的选择是关键。目前，被广泛应用的主要有功率场效应管m o s f e t 、双极性晶体管g t r 以及绝缘栅双极性晶体管i g b t 。其中，i g b t 器件集g t r管与m o s f e t 管的优点子一体，具有可靠性高、耐高压、耐大电流、开关动作速度快、驱动功率小、驱动电路设计简单等优点，成为当今大、中容量逆变设备中开关器件的首选【3 8 l 。1 2rl-llii中国石油大学( 华东) 硕士学位论文本设计考虑电源实际工作需求，全桥逆变电路选用大功率、高可靠性i g b t 器件。通常其选型从额定电压和额定电流两个方面考虑，由于i g b t 的型号选择直接关系到整个电源设备的安全可靠性，所以，在设计时要留有较大的裕量，保证器件工作在其安全工作区( s o a ) 内【3 9 1 。额定电压电源正常工作时，电路中i g b t 器件两端承受的直流电压最大值为：u y = u 胁1 1 口= 1 2 0 v 1 1 1 1 = 1 4 5 2 缈)( 3 2 )式( 3 2 ) 中：u v - - i g b t 两端最大直流电压；m 一批侧输入电压幅值；1 1 一电网电压波动系数；d r 一富裕量系数，取值1 i t 3 9 1 。当电路中的i g b t 器件处于关断状态时，承受的最大电压：u 一= p p 1 1 5 + 1 5 0 ) xa = ( 1 4 5 2x1 1 5 + 1 5 0 ) v x1 1 = 3 3 1 9 8 ( v )( 3 3 )式( 3 3 ) 中：玩哪- - i g b t 关断时最大端电压；1 1 5 - - 过