CN102005937A - 基于波形可调优化的双频高压脉冲式原油脱水电源及其控制方法 - Google Patents
基于波形可调优化的双频高压脉冲式原油脱水电源及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于波形可调优化的双频高压脉冲式原油脱水电源及其方法，其特点在于电源输出的电压波形为双频率和双电压交流，即由两个极限电压值和两个频率值和一个优选基波波形决定的输出信号，经过高压变压器电路升压，变为双频高压交流输出，然后再将二次绕组线圈侧的电压通过二极管整流器进行类似于AC/DC双电场的整流，再加到脱水器的电极板上，对乳化膜形成强烈的冲击力。本发明的双频高压脉冲式原油脱水电源能够针对当前正在处理的原油的物性参数，自适应确定最优电源输出信号，可以分别选择适合的两个极限电压值和两个频率值以及一个优选基波波形决定双频/双电压电源输出信号，能够最大限度地对乳化膜进行冲击，促进液滴聚结。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于波形可调优化的双频高压脉冲式原油脱水电源及其方法，具体地说是一种依靠电场力的作用对油包水型乳化液进行破乳脱水的装置及其设计方法，该装置利用双频/双电压交流电源脱水，能够增加对乳化膜的冲击力。
背景技术
原油油水乳化液的破乳方法主要有电破乳、生物破乳、微胶囊破乳、声化学破乳、微波辐射破乳以及超声波破乳等。其中，原油电脱水的实质是应用电场对水滴的作用力，削弱水滴界面膜的强度，促进水滴的碰撞，使小水滴聚集成粒径较大的水滴，在原油中沉降分离出来。这种脱水方式效率高、速度快，在各油田得到了普遍应用。普通原油电脱水主要包括直流电场脱水、交流电场脱水两种。直流电场原油脱水，适合处理较小的水颗粒，但设备与带电流体间形成的金属/电解质回路会导致设备的电化学腐蚀。交流电场脱水对含水率较高的原油，会有较好的脱水效果，但不适合处理含水率较低的原油乳状液。故其效率较低，原油处理量较低，使电场发生短路，操作不稳定，耗电量较大。
传统的电脱水器仅使用一个电压指标控制电场，然而依据电脱水静电场中水滴受力原理，较小的液滴需要较高的电压提供足够的力克服界面张力和促进水滴合并，但是如果电压太高，太大的静电场力就会超过大直径水滴的界面张力，引起液滴的破碎和分散，不利于油水分离；同时低电压电场不能提供足够大的电泳力促进油中最小液滴的聚结，但却有利于液滴平均直径的最大化，因此电压过大或过小都不利于原油脱水，必须综合考虑电压最大和最小值来选择最合适的输出电压。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术普通脱水电源电场可利用率低，容易发生短路而造成的操作不稳定，对乳化膜冲击力不够的缺点，提供一种不仅能使电场由一系列频率为F1的基本信号组成，但与此同时该基本信号又随逆变频率F2变化，加速对乳化膜的冲击，而且其控制电路能够控制电源输出基波波形的形状和倾角的双频/双电压式原油脱水电源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于波形可调优化的双频高压脉冲式原油脱水电源，包括整流滤波电路1、半桥式直流斩波调压电路2、滤波电路3、逆变电路4和变压器电路5依次串接在一起构成脱水电源的主电路，与脱水器6相接；其特殊之处在于，所述的主电路上还接有控制电路，主电路的控制电路由两大部分组成：一是半桥式直流斩波调压电路2的控制部分，它是由采样电路7、过流保护电路9、PWM控制电路10、保护电路11和驱动电路12组成，半桥式直流斩波调压电路2上接有驱动电路12和保护电路11，驱动电路12和保护电路11也相接，驱动电路12上又接有PWM控制电路10，滤波电路3和PWM控制电路10之间又接有采样电路7和过流保护电路9；二是逆变电路4的控制部分，它是由采样电路7、防偏磁电路8、PWM控制电路10、保护电路11和驱动电路12组成，逆变电路4上接有驱动电路12和保护电路11，驱动电路12和保护电路11也相接，驱动电路12上又接有PWM控制电路10，变压器电路5和PWM控制电路10之间又接有采样电路7和防偏磁电路8；通过与脱水器6相连的传感器采样电路7采样出原油脱水器内的原油含水率的变化情况，将这个变化的值转变成电压信号，送往控制器13，通过对一个周期内前后两个采样值的比较，控制器13分别控制的半桥式直流斩波调压电路2的控制部分的PWM控制电路10和逆变电路4的控制部分的PWM控制电路10输出PWM驱动信号占空比的大小，控制开关器件的导通，从而改变输出电压的最大值VH、最小值VL、脉宽比D、基频频率F1和逆变频率F2的大小。
其中，所述的最后输出的电压波形为双频率和双电压，即由两个极限电压值和两个频率值和一个优选基波波形决定的输出信号。电源输出电压的最小值是使水滴直径最大化的电压；输出电压的最大值是使最小液滴破乳的电压。频率分基频F1和逆变频率F2，这两个频率主要取决于液滴带电与放电的速度、Stokes直径液滴固有的振荡频率。基波波形是通过控制器处理，可以输出数学上的任何一种基波波形，这些基波波形包括对数、指数、正弦、正方形、锯齿形、梯形等。另外，控制器13还可以改变这些基波波形的倾角，从而改变曲线上行和下行的速度。
其中，所述的半桥式直流斩波调压电路2的PWM控制电路10采用固定频率脉宽调制芯片TL494，控制器13产生控制信号，送到TL494自带的电压取样放大器中，控制TL494的FEEDBACK(引脚3)的偏置参考电压，使其与载波信号相比较生成PWM信号，宽度变化的窄脉冲作为驱动信号，从而控制电源输出电压的基波波形和基频F1。载波是由TL494内部振荡器产生，5脚，6脚为振荡输入端，外接阻容器件可产生载波频率为F2＝1.1/Rt.Ct的锯齿波信号。
其中，所述的过流保护电路9利用串联半桥式直流斩波调压电路2和滤波电路3之间的分流器输出的电流，经过放大，反馈PWM控制电路10中TL494的15脚和16脚，正常情况下，15脚电平高于16脚电平。TL494内部的控制放大器输出低电平，不影响驱动输出端的脉宽。当电源一次侧任一端短路过流时，检测电阻上的压降增至极限值，此时15脚电平低于16脚电平，控制放大器输出高电平，封锁驱动脉冲的输出，从而使TL494组件输出脉冲的宽度为零，整个电源将立即停止工作，这样就达到了短路过流保护的目的。
其中，所述的逆变电路4的控制部分PWM控制电路10采用PWM专用集成芯片SG3525完成脉宽调制信号的功能。SG3525输出两路导通相位角相差180°的控制信号，经过驱动电路，控制逆变电路的大功率IGBT的S1和S4，S2和S3交替导通。通过改变SG3525内部PWM比较器和T触发器的死区来控制脉宽时间，使电源逆变部分的脉宽比在10％-90％可调。
其中，所述的电源的电压和电流采样均采用霍尔传感器，使控制电路与输出回路隔离，提高了控制电路的抗干扰能力，保证控制系统的稳定工作。基于SG3525芯片构建了硬件比例积分(PI)控制器，当给定电流Ig与反馈电流If的差值ΔI经运算单元进行比例调节后，进入SG3525积分调节单元，同时将处理结果输入比较器，产生PWM脉冲。输出电压变化时，引起误差电压的变化，使误差电压与三角波的交叉点上升或下移，从而改变输出脉冲的宽度，调节输出电压。
其中，所述的主电路的保护电路11是在熔断器后将限流电阻串联在主回路中，因为开关电源的输入回路采用将380V的交流电压直接整流滤波成直流高压，在上电工作的瞬间，会产生很大的浪涌电流，很容易导致输入部分的元器件发生损坏。
其中，所述的双频高压脉冲式原油脱水电源的控制方法，包括以下步骤：本电源系统提出了电源参数优化智能控制系统的设计方法，将电压的两个极限值(即电压最大值VH和电压最小值VL)、基频频率F1、逆变频率F2和脉宽比D为电源系统的5个输出参数，在工艺实验的基础上，得到不同性质的原油乳状液的脱水电源参数的粗选值存于数据库，在实验粗选值的基础上通过寻优控制的方法得到与不同性质的原油乳状液相匹配的电源参数的优化最佳输出值，即原油脱水系统在此电源参数输出值工作时得到的脱水工艺参数最优，使得脱水后的原油含水率达到优化最小。
本发明的双频/双电压式原油脱水电源及其设计方法与现有技术相比，可以选择最优电源输出信号，能够根据具体原油的基本物性参数和原油电脱水的基本原理，分别选择适合的两个极限电压值和两个频率值以及一个优选基波波形决定双频/双电压电源输出信号，能够最大限度地对乳化膜进行冲击，促进液滴地聚集。本电源系统提出了电源参数优化智能控制系统的设计思路。
附图说明
图1为本发明的脱水电源原理框图；
图2为本发明的主电路的电路连接结构图；
图3a为本发明外加频率为30Hz正弦波控制信号所得的输出电压、电流波形仿真图。
图3b为本发明外加频率为60Hz正弦波控制信号所得的输出电压、电流波形仿真图。
图3c为本发明外加频率为90Hz正弦波控制信号所得的输出电压、电流波形仿真图。
图4a为本发明外加频率为30Hz矩形波控制信号所得的输出电压、电流波形仿真图
图4b为本发明外加频率为60Hz矩形波控制信号所得的输出电压、电流波形仿真图
图4c为本发明外加频率为90Hz矩形波控制信号所得的输出电压、电流波形仿真图
图5a为本发明外加频率为30Hz锯齿波控制信号所得的输出电压、电流波形仿真图
图5b为本发明外加频率为60Hz锯齿波控制信号所得的输出电压、电流波形仿真图
图5c为本发明外加频率为90Hz锯齿波控制信号所得的输出电压、电流波形仿真图
图6为本发明外加正弦波调制信号所得的输出实测波形图。
图7为本发明外加矩形波调制信号所得的输出实测波形图。
具体实施方式
下面结合图1至7对本发明作以下详细地说明：
如图1所示，本发明的双频/双电压变式原油脱水电源，其结构包括整流电路1、半桥式直流斩波调压电路2、滤波电路3、逆变电路4和变压器电路5构成的主电路，其特征在于，整流电路1、半桥式直流斩波调压电路2、滤波电路3、逆变电路4和变压器电路5依次串接在一起。市电220V交流电通过半桥可控整流电路进行整流，得到电压在10V-110V连续可调，频率F1在0.1Hz-100Hz连续可调，为F1的这些基波波形包括对数、指数、正弦、正方形、锯齿形、梯形等，然后经过滤波电路的滤波，滤除高频杂波波纹，将电压保持稳定。整流滤波后的基波电压由逆变电路将基波电压变成幅值、频率及脉宽可调的双频波交流，经过变压器电路将双频交流升压后，变为双频高压脉冲交流输出，然后再将二次绕组线圈侧的电压通过二极管整流器进行类似于AC/DC双电场的整流，再加到脱水器的电极板上，对乳化膜形成强烈的冲击力。
如图1所示，主电路还接有控制电路，主电路的控制电路由两大部分组成：一是半桥式直流斩波调压电路2的控制部分，它是由采样电路7、过流保护电路9、PWM控制电路10、保护电路11和驱动电路12组成，半桥式直流斩波调压电路2上接有驱动电路12和保护电路11，驱动电路12和保护电路11也相接，驱动电路12上又接有PWM控制电路10，滤波电路3和PWM控制电路10之间又接有采样电路7和过流保护电路9；二是逆变电路4的控制部分，它是由采样电路7、防偏磁电路8、PWM控制电路10、保护电路11和驱动电路12组成，逆变电路4上接有驱动电路12和保护电路11，驱动电路12和保护电路11也相接，驱动电路12上又接有PWM控制电路10，变压器电路5和PWM控制电路10之间又接有采样电路7和防偏磁电路8。逆变电路4的控制部分PWM控制电路10采用PWM专用集成芯片SG3525完成脉宽调制信号的功能。SG3525输出两路导通相位角相差180°的控制信号，经过驱动电路，控制逆变电路的大功率IGBT的S1和S4，S2和S3交替导通。通过改变SG3525内部PWM比较器和T触发器的死区来控制脉宽时间，使电源逆变部分的脉宽比可调。基于SG3525芯片构建了硬件比例积分(PI)控制器，当给定电流Ig与反馈电流If的差值ΔI经运算单元进行比例调节后，进入SG3525积分调节单元，同时将处理结果输入比较器，产生PWM脉冲。输出电压变化时，引起误差电压的变化，使误差电压与三角波的交叉点上升或下移，对输出的PWM输出波形进行控制，经过调整后的SG3525的输出波形通过驱动电路12来控制逆变电路4中MOSFET器件的开通与关断，从而实现了对输出波形的控制。过流保护电路9利用串联在半桥式直流斩波调压电路2和滤波电路3之间的分流器输出的电流，经过放大，反馈PWM控制电路10中TL494的15脚和16脚，正常情祝下，15脚电平高于16脚电平。TL494内部的控制放大器输出低电平，不影响驱动输出端的脉宽。当电源一次侧的任一端短路过流时，检测电阻上的压降增至极限值，此时15脚电平低于16脚电平，控制放大器输出高电平，封锁驱动脉冲的输出，从而使TL494组件输出脉冲的宽度为零，整个电源将立即停止工作，这样就达到了短路过流保护的目的。基波波形是通过控制器处理，可以输出数学上的任何一种基波波形，这些基波波形包括对数、指数、正弦、正方形、锯齿形、梯形等。另外，控制器13还可以改变这些基波波形的倾角，从而改变曲线上行和下行的速度。半桥式直流斩波调压电路2的PWM控制电路10采用固定频率脉宽调制芯片TL494，控制器13产生控制信号，送到TL494自带的电压取样放大器中，控制TL494的FEEDBACK(引脚3)的偏置参考电压，使其与载波信号相比较生成PWM信号，宽度变化的窄脉冲作为驱动信号，从而控制电源输出电压的基波波形和基频F1。载波是由TL494内部振荡器产生，5脚，6脚为振荡输入端，外接阻容器件可产生载波频率为F2＝1.1/Rt.Ct的锯齿波信号。
如图1所示，通过传感器采样电路14采样出原油脱水器内的原油含水率的变化情况，将这个变化的值转变成电压信号，送往控制器13，通过对一个周期内前后两个采样值的比较，控制器13分别控制的半桥式直流斩波调压电路2的控制部分的PWM控制电路10和逆变电路4的控制部分的PWM控制电路10输出PWM驱动信号占空比的大小，控制开关器件的导通，从而改变输出电压的最大值VH、最小值VL、脉宽比D、基频频率F1和逆变频率F2的大小。电源输出参数最优值的寻找方法，即电源参数优化系统的控制方法，能够在保证原油脱水系统正常工作及环境变化的情况下，通过含水率的在线反馈值的比较，使用变步长的控制计算方法，使得两个极限电压值、两个频率值、和脉宽比值逐步逼近使原油含水率最小的电源输出最优值，达到极大限度的降低原油含水率的目的。
如图2所示，主电路的保护电路11是在熔断器后将限流电阻串联在主回路中，因为开关电源的输入回路采用将220V的交流电压直接整流滤波成310V的直流高压，在上电工作的瞬间，会产生很大的浪涌电流，很容易导致输入部分的元器件发生损坏。
如图3所示，变压器一次侧输出的以正弦波为基波的电压、电流波形仿真图。正弦波控制信号的频率都是分别为30Hz、60Hz、90Hz，逆变频率为1kHz。
如图4所示，变压器一次侧输出的以矩形波为基波的电压、电流波形仿真图。矩形波控制信号的频率都是分别为30Hz、60Hz、90Hz，逆变频率为1kHz。
如图5所示，变压器一次侧输出的以三角波为基波的电压、电流波形仿真图。三角波控制信号的频率都是分别为30Hz、60Hz、90Hz，逆变频率为1kHz。
Claims (8)
1.一种基于波形可调优化的双频高压脉冲式原油脱水电源，包括整流滤波电路(1)、半桥式直流斩波调压电路(2)、滤波电路(3)、逆变电路(4)和变压器电路(5)依次串接在一起构成脱水电源的主电路，与脱水器(6)相接；其特征在于：所述的主电路上还接有由两大部分组成的控制电路，一是半桥式直流斩波调压电路(2)的控制部分，它是由采样电路(7)、过流保护电路(9)、PWM控制电路(10)、保护电路(11)和驱动电路(12)组成，半桥式直流斩波调压电路(2)上接有驱动电路(12)和保护电路(11)，驱动电路(12)和保护电路(11)也相接，驱动电路(12)上又接有PWM控制电路(10)，滤波电路(3)和PWM控制电路(10)之间又接有采样电路(7)和过流保护电路(9)；二是逆变电路(4)的控制部分，它是由采样电路(7)、防偏磁电路(8)、PWM控制电路(10)、保护电路(11)和驱动电路(12)组成，逆变电路(4)上接有驱动电路(12)和保护电路(11)，驱动电路(12)和保护电路(11)也相接，驱动电路(12)上又接有PWM控制电路(10)，变压器电路(5)和PWM控制电路(10)之间又接有采样电路(7)和防偏磁电路(8)；通过与脱水器(6)相连的传感器采样电路(7)采样出原油脱水器内的原油含水率的变化情况，将这个变化的值转变成电压信号，送往控制器(13)，通过对一个周期内前后两个采样值的比较，控制器(13)分别控制的半桥式直流斩波调压电路(2)的控制部分的PWM控制电路(10)和逆变电路(4)的控制部分的PWM控制电路(10)输出PWM驱动信号占空比的大小，控制开关器件的导通，从而改变输出电压的最大值VH、最小值VL、脉宽比D、基频频率F1和逆变频率F2的大小。
2.根据权利要求1所述的双频高压脉冲式原油脱水电源，其特征在于：所述的最后输出的电压波形为双频率和双电压，即由两个极限电压值和两个频率值和一个优选基波波形决定的输出信号；电源输出电压的最小值是使水滴直径最大化的电压；输出电压的最大值是使最小液滴破乳的电压；频率分基频F1和逆变频率F2，这两个频率主要取决于液滴带电与放电的速度、Stokes直径液滴固有的振荡频率；基波波形是通过控制器处理，可以输出数学上的任何一种基波波形，这些基波波形包括对数、指数、正弦、正方形、锯齿形、梯形等；另外，控制器(13)还可以改变这些基波波形的倾角，从而改变曲线上行和下行的速度。
3.根据权利要求1所述的双频高压脉冲式原油脱水电源，其特征在于：所述的半桥式直流斩波调压电路(2)的PWM控制电路(10)采用固定频率脉宽调制芯片TL494，控制器(13)产生控制信号，送到TL494自带的电压取样放大器中，控制TL494的FEEDBACK(引脚3)的偏置参考电压，使其与载波信号相比较生成PWM信号，宽度变化的窄脉冲作为驱动信号，从而控制电源输出电压的基波波形和基频F1；载波是由TL494内部振荡器产生，5脚，6脚为振荡输入端，外接阻容器件可产生载波频率为F2＝1.1/Rt.Ct的锯齿波信号。
4.根据权利要求1所述的双频高压脉冲式原油脱水电源，其特征在于：所述的过流保护电路(9)利用串联半桥式直流斩波调压电路(2)和滤波电路(3)之间的分流器输出的电流，经过放大，反馈PWM控制电路(10)中TL494的15脚和16脚，正常情况下，15脚电平高于16脚电平；TL494内部的控制放大器输出低电平，不影响驱动输出端的脉宽；当电源一次侧任一端短路过流时，检测电阻上的压降增至极限值，此时15脚电平低于16脚电平，控制放大器输出高电平，封锁驱动脉冲的输出，从而使TL494组件输出脉冲的宽度为零，整个电源将立即停止工作，这样就达到了短路过流保护的目的。
5.根据权利要求1所述的双频高压脉冲式原油脱水电源，其特征在于：所述的逆变电路(4)的控制部分PWM控制电路(10)采用PWM专用集成芯片SG3525完成脉宽调制信号的功能；SG3525输出两路导通相位角相差180°的控制信号，经过驱动电路，控制逆变电路的大功率IGBT的S1和S4，S2和S3交替导通；通过改变SG3525内部PWM比较器和T触发器的死区来控制脉宽时间，使电源逆变部分的脉宽比在10％-90％可调。
6.根据权利要求1所述的双频高压脉冲式原油脱水电源，其特征在于：所述的电源的电压和电流采样均采用霍尔传感器，使控制电路与输出回路隔离，提高了控制电路的抗干扰能力，保证控制系统的稳定工作；基于SG3525芯片构建了硬件比例积分(PI)控制器，当给定电流Ig与反馈电流If的差值ΔI经运算单元进行比例调节后，进入SG3525积分调节单元，同时将处理结果输入比较器，产生PWM脉冲；输出电压变化时，引起误差电压的变化，使误差电压与三角波的交叉点上升或下移，从而改变输出脉冲的宽度，调节输出电压。
7.根据权利要求1所述的双频高压脉冲式原油脱水电源，其特征在于：所述的主电路的保护电路(11)是在熔断器后将限流电阻串联在主回路中，因为开关电源的输入回路采用将380V的交流电压直接整流滤波成直流高压，在上电工作的瞬间，会产生很大的浪涌电流，很容易导致输入部分的元器件发生损坏。
8.一种实施权利要求1所述的双频高压脉冲式原油脱水电源的方法，其特征在于包括以下步骤：将电压的两个极限值(即电压最大值VH和电压最小值VL)、基频频率F1、逆变频率F2和脉宽比D为电源系统的5个输出参数，在工艺实验的基础上，得到不同性质的原油乳状液的脱水电源参数的粗选值存于数据库，在实验粗选值的基础上通过寻优控制的方法得到与不同性质的原油乳状液相匹配的电源参数的优化最佳输出值，即原油脱水系统在此电源参数输出值工作时得到的脱水工艺参数最优，使得脱水后的原油含水率达到优化最小。
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