原油電脫水高頻高壓脈沖電源控制器設計

樊春燕,陳美然

(1.中國檢驗檢疫科學研究院,北京 100029;2.天津燃氣集團第一銷售分公司,天津 300060)

0 引 言

從地下開采出來的石油往往含有大量的水分,隨著油田開采年限的增長,含水量不斷上升[1-4]。如果不把原油中的水分除掉,在運輸過程中就要浪費大量的人力物力,水的存在還會使一些鹽類分解而腐蝕管道和容器[5]。因此,原油脫水越來越受到各大油田關注。高頻高壓脈沖電源以其脫水效率高、節能、功耗低等特點,作為一種綠色能源將在原油脫水工藝中得到廣泛的應用[6]。

單純采用單片機原油脫水控制的方案自動化程度較高,控制方式也比較靈活,但這種大電壓大功率電源系統在實際工作過程中會受到強電磁的干擾,會發生系統控制失常、微機“程序跑飛”等現象,大大降低了脫水系統的安全性和可靠性。而單片機對多路測控信號的處理是采取循環檢測的,對于要求高速反應處理的事件(例如過流),不能夠及時處理,這是其自身難以解決的難題[7-9]。

為了解決當前原油電脫水高頻高壓脈沖電源研制難的問題,該文采用 Cyclone系列中的EP1C6Q240C8的FPGA芯片為控制核心,用單片機實現PI控制算法,以及數據管理、與上位機通信等功能,完成高頻高壓脈沖電源控制器設計。該方案能及時處理如短路、過流等高速反應事件,提高了脫水系統的安全性和可靠性,是今后數控系統的一個發展方向。

1 原油電脫水高頻高壓脈沖電源控制器的設計

1.1 控制原理

由于脈沖電源所帶負載(W/O乳狀液)是實時變化的,因此要求控制器能及時補償當負載變化或電網波動時引起的輸出電壓波動。根據各油田現場脫水過程分析,需要脈沖的前沿盡量得陡,以保證脈沖對乳狀液的沖擊作用,加速破乳。考慮到電源控制器是一個多變量輸出(1路模擬量,47路開關量)系統,而且要實現軟啟動,該方案采取改進型PI控制算法實現閉環控制,使電源工作于恒流工作方式,控制回路如圖1所示。

圖1 脈沖電源控制器原理注:IF——負載上電流經過電流檢測電路以及調理電路調理后得到的電流信號;IREF——人為設定的基準值

原油電脫水脈沖電源控制器的結構如圖2所示。

圖2 脈沖電源控制器結構

圖2中來自主電路的功率開關供電電壓信號經過V/F變換(模擬量轉換成頻率信號)、光電隔離、測頻來實現模擬量的檢測。單片機負責測量數據的采集和處理,為FPGA提供大量電壓模塊的運行數據,以及數據管理與上位機通信等功能。故障診斷模塊(測頻)、開關狀態生成模塊,主PWM模塊、系統時鐘分頻模塊及與門輸出的功能模塊由FPGA芯片實現。

1.2 工作原理

1.2.1 脫水機理

在電脫水器中,W/O乳狀液受電場力作用,其外表面的乳化薄膜被破壞,水顆粒發生振動并與相鄰的水顆粒合并聚結,使顆粒直徑增大,最后靠其重力從油水乳狀液中分離出來,這樣就達到了脫水的目的。

電場中,原油乳狀液中兩個相鄰、粒徑相同的水顆粒之間的聚結力:

式中 ε——原油乳狀液的介電常數;E——外加電場的電場強度;d——兩顆水顆粒之間的距離; r——水顆粒半徑。

因此要增大水顆粒間的聚結力,必須從三個方面入手:提高電場強度;增大水顆粒直徑;減小水顆粒間距離。脈沖幅度(脈沖電壓峰值)是影響電場強度的直接因素,脈沖幅度越大,電場強度也越高,水顆粒之間的聚結力也相應增大。但電場強度也不能無限增大,當增大到一定程度時,會發生電分散現象,而電分散對脫水是不利的。所以針對不同的油品性質要選擇合適的脈沖幅度,以使脫水達到最佳狀態。同時脈沖寬度和脈沖頻率對脫水也有影響。脈沖寬度太小,乳狀液中的水顆粒沒有足夠的時間吸收電場中的能量發生聚結,脈沖電壓就消失了,這顯然達不到脫水的目的;如果脈沖寬度太大,水顆粒又容易產生電分散和電脫水器內電極間擊穿現象。所以對不同物性的乳狀液要選擇適當的脈沖寬度。在電場中,水顆粒在乳狀液中隨電場不停地振動。當外加電場頻率發生變化時,水顆粒振蕩幅度也隨之發生變化。大量脫水現場運行經驗表明,每一個脫水過程都會存在一個最佳脫水頻率,此時水顆粒的振動幅度最大,水顆粒間距離變小,它們有更多的機會與相鄰的水顆粒聚結合并,使水顆粒直徑變大,從而增大水顆粒間的聚結力。所以,為了改善脫水效果,必須對高頻高壓脈沖電源在脈沖幅度、脈沖寬度及脈沖頻率上加以調試,找出原油脫水的最佳工況。

1.2.2 工作過程

該控制器以PI調節器為基礎,將PI調節器的輸出除以某一常數,其商作為投入的電壓固定模塊的數量,余數部分作為電壓可調模塊中的BU K電路的占空比控制量。從圖1中可以看到,此控制系統為單閉環結構,其中開關電源模塊由47個電壓固定模塊組成;PWM是電壓可調模塊。如圖2所示,主控芯片 EP1C6Q240C8將V/F轉換器送過來的頻率信號進行測頻,即模塊故障診斷,模塊完好則輸出1,損壞則輸出0;隨后將測頻輸出信號送給開關狀態生成模塊,其主要任務是將PI控制器輸出值除以固定常數A后所得的商與故障診斷模塊的輸出值綜合,即從質量好的模塊中選擇負載需要的電壓模塊數并對其分配物理地址,其余完好的模塊處于非工作狀態,同時把損壞的電源模塊信號傳遞至上位機,將其從系統中移出;單片機將設定好的主PWM的高、低電平值(高電平+低電平=脈沖周期,高電平/(高電平+低電平)=占空比)送給EP1C6Q240C8,來完成主PWM的生成;最后主PWM信號與開關狀態生成模塊輸出信號相與之后的輸出信號作為電源斬波的控制信號。至此,完成了該控制器的功能。

2 實驗與仿真測試

該文以QuartusⅡ軟件作為FPGA的開發平臺,采用VHDL硬件描述語言輸入設計圖2所示的脈沖電源控制器。將每個模塊的VHDL程序代碼轉換成原理圖元件,然后將各元件連接起來生成脈沖電源控制器硬件原理圖。圖3給出控制器輸出信號波形,實驗仿真了24路電壓模塊。

圖3 控制器24路輸出信號波形

由圖 3不難看出,外部時鐘的頻率為 20 MHz,經過 10分頻之后得到 2 MHz(0.5)的FPGA工作時鐘。主 PWM頻率要求是 1～10 kHz連續調節,占空比是10%～60%。此仿真設定要輸出頻率為5 kHz,占空比為50%的脈沖控制信號。所以在單片機送過來的脈沖高、低電平值都是200(0.5μs×200+0.5μs×200=0.2 ms)時,控制器實現了頻率為5 kHz的控制脈沖信號輸出。并且24個電壓模塊中有20個完好,負載要求輸出6個電壓模塊疊加的電壓值的情況下,系統自動由高至低檢測模塊質量好壞并選擇6個完好模塊對其輸出脈沖控制信號,其余處于非工作狀態。可見實驗仿真的波形與設想的相符。

3 結束語

采用先進的單片機+FPGA技術,以全硬件的控制方式實現了原油電脫水高頻高壓脈沖電源控制器,從根本上提高了電脫水系統運行的安全性和可靠性,提高了脫水效率,改善了脫水性能。通過實驗室的全面仿真測試,驗證了方案的可行性,為原油電脫水高頻高壓脈沖電源的開發奠定了基礎。

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