CN101376132B

CN101376132B - 电磁超声防垢器

Info

Publication number: CN101376132B
Application number: CN2007100727228A
Authority: CN
Inventors: 张泽滨
Original assignee: DAQING XINZHONGRUI ENVIRONMENTAL Co Ltd
Current assignee: DAQING XINZHONGRUI ENVIRONMENTAL Co Ltd
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-08-30
Also published as: CN101376132A

Abstract

电磁超声防垢器，在石油、化工等行业中，换热传热设备、蒸发冷却设备及金属管道内的结垢问题，一直长期困扰着企业生产和效益。本发明组成包括：电磁超声电源(9)，电磁超声电源为单片机智能控制的混合脉宽调制(HPWM)电源控制，功率输出级采用大功率MOSFET管H桥输出方式，分别对电磁发生器和超声发生器部分进行数字PI闭环控制，超声波电源与控制器(8)连接，控制器与换能器(6)连接，换能器分别与前线圈(3)、后线圈(7)连接，换能器与增幅杆(5)的外端连接，增幅杆(5)的内端与增幅器(4)连接，增幅器悬置在内管中，内管(1)与法兰盘(2)连接，内管分别与前线圈、后线圈连接。本发明属于采油工艺的石油管线、及油井井管防污垢设备。

Description

电磁超声防垢器

技术领域：

本发明涉及一种电磁超声波防垢器。

背景技术：

在石油、化工、冶金、热电、制糖、食品等行业中，换热传热设备、蒸发冷却设备及金属管道内的结垢问题，一直长期困扰着企业生产和效益。对于这个问题，不同的行业采取了不同的清垢方式。

清垢方式主要有两大类：离线停工清垢和在线连续清垢。离线停工清垢常常是在计划外停工、装置局部停工或各设备切换条件下进行，而离线清垢传统上所采用的各种手段，如高压水喷射(机械清垢法)和化学清洗剂(化学清垢法)等，也只是治标不治本，不但给生产造成了影响，同时会增加计划外费用、磨损腐蚀设备、污染区域环境、损害工人健康等。

在线连续清垢的主要方法有注入阻垢剂法、涂料法、永磁法、电磁法及高频法等。其中阻垢剂与涂料法是化学处理法。阻垢剂又称防垢剂、抗垢剂，办法是向设备内加入少量阻垢剂，我国自70年代开始对阻垢剂进行开发研究，阻垢剂应用也随之展开。发展到今天初见成效，有相当数量品种投入使用，但是与国外相比仍存在差距，品种比较局限，供选择余地狭窄。特别是阻垢剂需要连续注入，每次用量难以把握，清垢效果时好时坏；涂料法是对设备喷涂涂料，达到防垢的目的，这种方法对涂料工艺要求高且价格昂贵，若达不到工艺要求，会造成涂料脱落，起不到防垢作用。

除了这些化学处理法之外，目前常用的方法有磁处理法、高频电磁场法、高压静电处理法及超声波法。磁处理法的工作原理通常解释有洛氏磁力说、电磁感应说、结晶说、共振说等。其结构为三个同轴复合套筒组成的管状体，两端有标准法兰可直接连接在管路上，也可旁路安装；外磁处理器为片块永磁体，安装在管线外壁。通过把直流电输送到螺线管中产生磁场，这种方法可以破坏石油中蜡分子沉积条件，从而对石油管道除蜡防蜡有一定作用，但作用距离短且对水垢和油垢的除防均无明显效果。

高频电磁场法是通过向管道中施加高频电磁场而使被输送液体得以处理的方法，它可使新垢减少，难以再结，起到防垢、除垢、缓蚀、和杀菌灭藻的作用。高频电磁水处理仪由电子发生器和电子充电器组成。电子发生器产生高频电磁信号，通过电子充电器作用于输送液体中而达到处理目的。

以水为例，实验研究表明，水经高频处理后，使得水中的Ca(HCO₃)₂分子产生强烈的热运动，促进了分解反应，其结果使CaCO₃微粒析出，当水溶液加热时，Ca(HCO₃)₂进一步分解出的CaCO₃与晶胚结合继续长大，并呈松散状物分散在水溶液中，这样就减少了CaCO₃等盐类在容器壁上的结垢沉积，故可在悬置测试片上观察到结晶总数明显增多。这些悬浮散在水中或松弛地附着在管壁上的沉积物均为易清除的沙渣，可随水排出，起到防垢的作用。

与上述方法相类似的方法还有高压静电处理法。研究表明，水在磁场中运动时有一定的电流产生，而水在电场中流动时也应有一定的电流产生。高压静电处理法的机理有定向排列说、电极化说、释氧成膜说、活性氧(超氧自由基)说等。高压静电处理法设备通常由高压直流发生器和处理器组成。处理器为一管状体，其中心装有铁线圈芯棒作为阳极，外绝缘。壳体为阴极，其中一种为镀铬钢管，另一种是无缝钢管外加牺牲阳极保护装置。

以上两种方法，无论是磁场或电场处理水，起作用的并不是场本身，而是在场的作用下水中产生的微电流。电磁场处理水的渗透压、表面张力、粘带系数、pH值、介电常数和电导率等均有不同程度的变化，对盐的溶解度有所增大。电磁场处理会破坏水中原有的结构，使较大的缔合水分子集团变成较小的缔合水分子集团；破坏水溶液中离子的水合状态，使水溶液内部结构受到更大程度的破坏，所以对于不同的输送介质，其电磁场处理效应不同，举例来说，对于水溶液的处理效果就要比纯水更为显著。这两种方法的主要问题都在于设备复杂，安全性和可靠性差，作用距离短，运行成本偏高。

超声波法则主要是利用超声波强声场处理流体，超声波的辐射能对被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴，当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，这一强压力峰能使成垢物质粉碎悬浮于液体介质中，并使已生成的垢层破碎使其易于脱落。使流体中成垢物质在超声场作用下，其物理形态发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢。本方法的主要问题在于作用不持久。

发明内容：

本发明的目的是提供一种利用超强的交变磁场与超声波强声场共同处理流体，使流体中成垢物质在磁场与超声场作用下，其物理形态和化学性能发生改变，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢，除垢和防垢效果好、寿命长、无污染、维护简便和环保的电磁超声波防垢器。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

电磁超声防垢器，其组成包括：电磁超声电源，所述的电磁超声电源为单片机智能控制的混合脉宽调制(HPWM)电源控制，功率输出级采用大功率MOSFET管H桥输出方式，所述的电磁超声电源分别对电磁发生器和超声发生器部分进行数字PI闭环控制，所述的超声波电源与控制器连接，所述的控制器与换能器连接，所述的换能器分别与前、后线圈连接，所述的换能器与增幅杆的外端连接，所述的增幅杆的内端与增幅器连接，所述的增幅器悬置在内管中，所述的内管与法兰盘连接，所述的内管分别与前线圈、后线圈连接。

所述的电磁超声防垢器，所述的电磁超声电源为大功率正弦逆变电源，参数为：超声波部分，频率为10～25kHz、功率为4.5kW、电压在0～300V之间两路独立可调、电流在0～30A之间两路独立可调，主回路中电磁部分，频率为200～800HZ之间可调、电压在0～300V之间可调、电流在0～30A之间可调，所述的电磁超声电源由AC/DC和DC/AC两大部分组成，由交直交主电路、驱动电路、单片机控制系统、低通滤波器及保护环节组成。

所述的电磁超声防垢器，所述的主电路由AC220V直接供电。单相交流电压经整流桥将交流转换为直流，为逆变器提供稳定的直流电压，逆变主电路采用了单相全桥拓扑结构，在控制方式中采用了HPWM控制方式，载波信号频率为500KHz，逆变部分采用频率恒定的三角载波信号与输入的正弦波进行同步调制，控制方式采用HPWM技术，正弦调制波与三角载波交/截产生的脉冲信号控制，将直流电压逆变成一系列等幅的脉冲信号，其脉冲信号的幅度和脉宽始终与调制正弦波成正比，脉冲信号经低通滤波器将高频载波信号滤除后，得到与调制波同频的电压值可变的正弦波输出。

所述的电磁超声防垢器，所述的增幅器的前段、后段分别缠绕一组做过浸漆处理的漆包线圈。

所述的电磁超声防垢器，所述的单片机智能控制的混合脉宽调制控制方式的本质是单极性SPWM控制方式，逆变桥输出端得到的是三态输出电压波形，在输出电压的正半周时，Q100和Q102桥臂高频互补通断，控制Q101和Q103桥臂低频互补通断，即Q101关断，Q103导通，在输出电压的负半周，两桥臂的工作状态互换，Q100一直关断，Q102一直导通，Q101和Q103高频调制工作。

这个技术方案有以下有益效果：

1本发明利用超强的交变磁场与超声波强声场共同处理流体，使流体中成垢物质在磁场与超声场作用下，其物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢，其作用距离长而且作用持久。

2.本发明与现有的除垢技术相比具有除垢和防垢效果好、寿命长、无污染、维护简便和环保的特点。

3.本发明产生的超声波的辐射能对被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴，产生一定范围的强大的压力峰，这一强压力峰能使成垢物质粉碎悬浮于液体介质中，并使已生成的垢层破碎使其易于脱落。根据理论和实践测算，用20KHz、50W/cm²的超声波对1cm³液体辐射时，其发生空化事件的气泡数为5×10⁴/s，局部增压峰值可达数百甚至上千大气压。

4.本发明中超强的交变磁场的作用，液体主体介质中的磁电-电磁地转换过程改变了液体主体的物理化学性质，缩短了成垢物质的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成。新生成的这些微小晶核，由于体积小、质量轻、比表面积大，悬浮于液体中，生成比壁面大得多的界面，有很强的争夺水中离子的能力，能抑制离子在壁面处的成核和长大，让既定结构的晶粒长大，因此减少了粘附于管壁上成垢离子的数量，从而也就减小了积垢的沉积速率。实验研究表明，当液体的过饱和系数一定时，在同一超强的交变磁场参数下，作用时间越长，则粒子胶体变得稳定。

5.本发明与其他除垢机器的对比实验数据如下：

对石油管道中的垢核体以及抽油井井壁垢核体进行不同方法试验，

试验条件：电恒磁处理法，用北京博澳园PV400-22电磁除蜡器，高频电磁场法，用Φ58不锈钢管缠绕Φ0.9X3漆包线1000T，电源为频率500HZ、电流7A(rms)。高压静电处理法，高压静电，电压为15KV

其结果如下：

Figure DEST_PATH_G200710072722820071204D000011

试验结果：采用电磁超声波防垢法的效果显著。

附图说明：

附图1是本发明电磁超声防垢器结构图。

附图2是附图1的A-A的剖视图。

附图3是本发明电磁超声防垢器超声部分框图。

附图4是本发明电磁超声防垢器电磁部分框图。

附图5是本发明电磁超声防垢器主回路原理图。

附图6是本发明电磁超声防垢器控制回路原理图。

附图7是本发明电磁超声防垢器测量回路原理图。

附图8是本发明的电路图。

本发明的具体实施方式：

实施例1：

电磁超声防垢器，其组成包括：电磁超声电源，所述的电磁超声电源为单片机智能控制的混合脉宽调制(HPWM)电源控制，功率输出级采用大功率MOSFET管H桥输出方式，所述的电磁超声电源分别对电磁发生器和超声发生器部分进行数字PI闭环控制，所述的超声波电源9与控制器8连接，所述的控制器8与换能器6连接，所述的换能器6分别与前线圈3、后线圈7连接，所述的换能器6与增幅杆5的外端连接，所述的增幅杆5的内端与增幅器4连接，所述的增幅器4悬置在内管中，所述的内管1与法兰盘2连接，所述的内管1分别与前线圈3、后线圈7连接。

HPWM控制方式中总是有两个功率管工作在低频情况下，在总体上减少了开关损耗，这对于在高频下提高功率是极为有利的。与一般的SPWM控制方式相比。HPWM方式下两个桥臂交替工作于低频和高频状态，使两个桥臂工作对称，功率管工作状态均衡，这将延长功率管的使用寿命，使整个电路的可靠性增加，具有电压利用率高，谐波含量小，开关损耗低的优点。由于每个开关管都并联了电容，在滤波电感参数选择适当的情况下，电路很容易实现开关管的零电压通断(ZVS)，使du/dt及di/dt应力大为下降，完全可以实现高频大功率逆变。

HPWM是由正弦调制波与等幅的三角载波相比较产生的。将三角载波与交点处的正弦调制波幅值相比，以获得逆变器的HPWM开关模式。每当三角波载波的顶峰或谷底时，向单片机发出中断请求，进行数据的装载。如此进行，每半个周期交换两相，得到混合单极性调制方式的HPWM波。通过可编程阵列EPM7032LC44-5产生触发控制时序脉冲，再通过驱动集成电路IR2110来驱动大功率MOSFET管实现功率输出。

波形发生器在中心对准方式下，时间计数器的计数过程形成了一个虚拟的三角波载波。正弦调制波可通过查表方法实现。由于输出HPWM波具有对称性，因此只需建立0°～180°的正弦函数表。为了达到足够的分辨率，正弦函数表中每隔0.15°安排一个采样点，每个数据具有15位二进制数值，占2个字节，输出正弦波半个周期中共取1200项数据，存放在起始地址为SIGN的存储区中。设载波频率为fc，输出频率为fo，则每半个输出正弦波周期中需要N＝fc/fo个交点值，第i个交点所对应的正弦调制波幅值可通过查表得到，其地址为SIGN+1200i/N。

闭环控制回路是通过电流互感器CT101和CT102将主回路电路中的交流电流采集下来，通过有效值集成U202和U203将交流电流转换成有效值，送入单片机C8051F006的AD转换脚，进行AD转换。软件通过AD转换值与设定值进行比较取出误差值，进行比例积分(PI)控制，去控制HPWM的脉冲宽度，来自动调整主回路电路电流达到设定值(恒定电流值)。

采用上述主电路结构、控制方式，研制了输出频率为25kHz；载波频率为500kHz；输出功率为4.5kW的原理样机。IR2110是一种性能比较优良的驱动集成电路尽管具有欠压封锁保护功能，但与其它驱动集成电路相比，保护功能略显不足，在电路总通过采用其它保护措施弥补了不足。

实施例2：

实施例3：

所述的电磁超声防垢器，所述的电磁超声电源为大功率正弦逆变电源，参数为：超声波部分，频率为10～25kHz、功率为4.5kW、电压在0～300V之间两路独立可调、电流在0～30A之间两路独立可调，主回路中电磁部分，频率为200～800HZ之间可调、电压在0～300V之间可调、电流在0～30A之间可调，所述的电磁超声电源由AC/DC和DC/AC两大部分组成，由交直交主电路、驱动电路、单片机控制系统、低通滤波器、现实及保护环节组成。

实施例4：

实施例5：

实施例6：

Claims

1.一种电磁超声防垢器，其组成包括：电磁超声电源，其特征是：所述的电磁超声电源为单片机智能控制的混合脉宽调制电源控制，功率输出级采用大功率场效应晶体管管H桥输出方式，所述的电磁超声电源分别对电磁发生器和超声发生器部分进行数字比例积分闭环控制，所述的超声波电源与控制器连接，所述的控制器与换能器连接，所述的换能器分别与前、后线圈连接，所述的换能器与增幅杆的外端连接，所述的增幅杆的内端与增幅器连接，所述的增幅器悬浮在内管中，所述的内管与法兰盘连接，所述的内管分别与前线圈、后线圈连接。

2.根据权利要求1所述的电磁超声防垢器，其特征是：所述的增幅器的前段、后段分别缠绕一组做过浸漆处理的漆包线圈。