智能化油井套管陰極保護(hù)脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

袁 森，周好斌，徐偉東

(1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065;2.浙江恒逸集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311215)

油井套管是石油生產(chǎn)中的重要設(shè)施，目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用直流型恒電位儀對(duì)其進(jìn)行外加電流陰極保護(hù)，多年的實(shí)踐表明，該技術(shù)是一種十分有效、經(jīng)濟(jì)的防止套管外壁腐蝕的方法，但同時(shí)該技術(shù)存在一個(gè)致命缺陷，那就是采用直流陰極保護(hù)無法達(dá)到油井套管實(shí)際需要的保護(hù)深度，特別是對(duì)一些深井和超深井的套管陰極保護(hù)，這一問題變得尤為突出。因此如何延長(zhǎng)油井套管的保護(hù)深度越來越引起人們的注意。

早在1964 年，國(guó)外就有應(yīng)用脈沖電流對(duì)油井套管實(shí)施陰極保護(hù)的報(bào)道，到20 世紀(jì)90 年代后期國(guó)外的加拿大油田、中東阿曼油田等已推廣使用該技術(shù)［1］，從現(xiàn)場(chǎng)的使用結(jié)果來看，脈沖電流陰極保護(hù)相比于傳統(tǒng)的直流陰極保護(hù)具有更均勻的電流密度，更深的穿透性，較小的電流需求等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用脈沖電流對(duì)油井套管實(shí)施陰極保護(hù)可以很大程度地延長(zhǎng)套管保護(hù)深度［2-5］，使一些深井或超深井的套管得到有效的全線保護(hù)，如在深井套管陰極保護(hù)中，普通直流陰極保護(hù)深度只能達(dá)到1 500 m 左右，而采用脈沖電流陰極保護(hù)技術(shù)可將保護(hù)深度延長(zhǎng)至3 000 m 以上，目前該技術(shù)在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，未見大規(guī)模應(yīng)用［6］。

實(shí)際應(yīng)用表明，脈沖電流的參數(shù)如頻率、占空比、幅值等均對(duì)套管保護(hù)效果有明顯影響［7］，因此需要脈沖電源可輸出不同波形的脈沖電流。且油井套管多分布在惡劣的自然環(huán)境中、設(shè)備節(jié)點(diǎn)多不易進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理，因此對(duì)陰極保護(hù)電源的可靠性及智能性有很高的要求，針對(duì)這些問題文章設(shè)計(jì)了基于雙核微控制器SH99F100 的智能化油井套管脈沖電流陰極保護(hù)電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用二次逆變電路結(jié)構(gòu)形式作主功率單元，充分利用SH99F100 的雙核結(jié)構(gòu)及強(qiáng)大的運(yùn)算能力并結(jié)合三層自學(xué)習(xí)閉環(huán)控制算法及自適應(yīng)數(shù)字濾波算法，實(shí)現(xiàn)脈沖電源系統(tǒng)的智能化，同時(shí)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及對(duì)油井套管的保護(hù)效果，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可輸出頻率、幅值、基值均可寬范圍調(diào)節(jié)的脈沖電流，并可在無人值守的情況下實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，可有效使被保護(hù)金屬達(dá)到保護(hù)電位，同時(shí)基于三層自學(xué)習(xí)的閉環(huán)控制策略可以有效調(diào)節(jié)脈沖電源的輸出參數(shù)，使其達(dá)到最佳匹配值，并有效降低電能消耗。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

脈沖電流輸出波形為方波，載波頻率為20 kHz，載波占空比在0%～90%自動(dòng)調(diào)節(jié)，幅值、基值及頻率可自由調(diào)節(jié)，輸出電流平均值隨負(fù)載變化而變化，即輸出的調(diào)制脈沖電流波形見圖1。

圖1 調(diào)制脈沖電流波形

除此以外，還要求脈沖電源可長(zhǎng)期連續(xù)可靠工作;具有脈沖參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控、存儲(chǔ)及顯示功能;具有無線收發(fā)模塊，可與遠(yuǎn)程上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。

1.2 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)電源結(jié)構(gòu)由控制單元及功率單元兩部分組成，見圖2。該系統(tǒng)的工作原理為:輸入的380 V 交流電首先經(jīng)一次大功率整流橋堆整流成520 V左右直流電，濾波后再由一次全橋逆變單元變成可控的交流電，經(jīng)過中頻變壓器變壓后輸出相對(duì)較低的電壓，變壓器的變比采用N1∶N2=4∶1，再經(jīng)二次整流濾波后得到電壓固定的直流電，二次斬波逆變部分由單只IGBT 管組成，通過PWM 單元控制其斬波生成頻率、占空比、幅值、基值均可獨(dú)立調(diào)節(jié)的調(diào)制脈沖波［8］，由于在該結(jié)構(gòu)中引入了中頻變壓器，此時(shí)變壓器的設(shè)計(jì)要滿足公式:

式中:B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T;S 為變壓器磁芯截面積，m2;U 為輸入電壓，V;N 為變壓器繞組匝數(shù)，f 為逆變頻率，Hz。

若在一次全橋逆變單元取f=20 kHz，則相對(duì)于普通50 Hz 工頻電壓，變壓器磁芯截面積理論上可減小400 倍，因此該二次逆變結(jié)構(gòu)的引入極大程度的減小了脈沖電源的體積及重量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，使電源獲得良好的動(dòng)特性和可調(diào)性，并有助于提高電源的工作效率。

控制單元由微處理器、脈沖驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采樣電路等組成一個(gè)完整的智能控制系統(tǒng)。運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)根據(jù)人機(jī)交互界面所設(shè)定的初始運(yùn)行參數(shù)啟動(dòng)脈沖電源，然后通過采集外部數(shù)據(jù)如保護(hù)電位、輸出電壓電流、異常信號(hào)等參數(shù)，通過控制算法處理后改變二次斬波單元載波的占空比，實(shí)現(xiàn)電源運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，確保油井套管處于最佳保護(hù)狀態(tài)，同時(shí)每隔一定時(shí)間將該參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)存，每隔1 h 進(jìn)行打包發(fā)送給上位機(jī)。

1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油井套管脈沖電流陰極保護(hù)電源系統(tǒng)的核心任務(wù)是保證被保護(hù)油井套管的保護(hù)電位處于合理的范圍內(nèi)，因此必須采用高效的控制算法對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)自適應(yīng)控制，該文提出了三層閉環(huán)控制策略，見圖3，控制器通過采集電源輸出電流電壓，套管實(shí)測(cè)電位等值實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次的閉環(huán)控制。三層閉環(huán)控制均采用自學(xué)習(xí)思想進(jìn)行控制，即在系統(tǒng)剛運(yùn)行時(shí)，為了不使保護(hù)電流一下子過大，首先對(duì)最里層電流反饋進(jìn)行算法處理，使保護(hù)電流逐漸達(dá)到設(shè)定值，并在這個(gè)過程學(xué)習(xí)最佳的占空比匹配參數(shù);當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，開始進(jìn)行中間層自學(xué)習(xí)控制，在這個(gè)過程主要學(xué)習(xí)如何匹配最佳的幅值及基值，使得脈沖電源輸出功率達(dá)到最小化，同時(shí)不改變保護(hù)電流的大小;當(dāng)輸出功率匹配完成后，最后引入最外層保護(hù)電位反饋信號(hào)，通過改變載波占空比使得被保護(hù)油井套管達(dá)到最佳保護(hù)電位，對(duì)其實(shí)行精細(xì)調(diào)節(jié)，這種三層自學(xué)習(xí)閉環(huán)控制策略不僅可以使套管的保護(hù)電位始終保持在最佳范圍，同時(shí)可有效匹配電源輸出功率，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象的發(fā)生，節(jié)能環(huán)保的同時(shí)提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 脈沖電源三閉環(huán)控制策略

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用中穎公司生產(chǎn)的SH99F100 芯片作為主控核心微處理器，該芯片是一款同時(shí)兼?zhèn)銬SP 與MCU 的雙核微處理器芯片，MCU 負(fù)責(zé)處理開關(guān)量、輸入輸出以及通訊，而DSP 只需專注于控制算法運(yùn)算。其中DSP 核的內(nèi)部外設(shè)有6 路(3對(duì))16 位PWM 輸出，5 個(gè)保護(hù)輸入引腳，4 個(gè)16 位定時(shí)器，2×8 通道14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC))，3 個(gè)外部中斷，2 個(gè)運(yùn)算放大器，這些特性能夠方便地實(shí)現(xiàn)多種工業(yè)控制算法，特別是能實(shí)現(xiàn)高效精確地控制PWM 輸出。MCU 核是一種高速的8051 兼容核，在同樣的震蕩頻率下，較之傳統(tǒng)的8051 芯片具有運(yùn)行更快速、性能更優(yōu)越等特性，其資源有內(nèi)置256 字節(jié)SRAM，3 個(gè)16 位定時(shí)器和3 個(gè)外部中斷，同時(shí)還集成了增強(qiáng)型UART，1 個(gè)SPI 接口。因此采用SH99F100 作為本次設(shè)計(jì)的主控微處理器芯片可完全滿足對(duì)性能及效率的要求，方便實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜算法及外圍功能擴(kuò)展。

在對(duì)處理器引腳進(jìn)行功能劃分時(shí)要充分考慮MCU 與DSP 各自不同的性能，將對(duì)實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)且需要復(fù)雜運(yùn)算的任務(wù)及功能交給DSP 去做，將對(duì)實(shí)時(shí)性要求一般以及運(yùn)算較簡(jiǎn)單的任務(wù)及功能交給MCU 完成，設(shè)計(jì)中SH99F100 接口示意圖見圖4。

圖4 SH99F100 接口示意

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于SH99F100 的雙核結(jié)構(gòu)，在編程時(shí)需要區(qū)分MCU 單元與DSP 單元，對(duì)MCU 單元編程可在Keil 環(huán)境下調(diào)試編譯;對(duì)DSP 編程需要在中穎公司自帶的編譯環(huán)境SIDDE 下進(jìn)行編譯，編譯通過后需要燒寫為“.BIN”文件后使用仿真器引導(dǎo)加載到SH99F100 中的Flash 存儲(chǔ)器中。MCU 與DSP 之間的雙核通訊直接由數(shù)據(jù)寄存器和通訊數(shù)據(jù)單元通過中斷的方式實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)寄存器與通訊數(shù)據(jù)單元總共占據(jù)530 個(gè)字的存儲(chǔ)空間，這種方式可有效保證雙核之間進(jìn)行快速、簡(jiǎn)便、精確和高效的通訊，實(shí)時(shí)性控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)原理流程圖見圖5。

圖5 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)原理流程示意

2.3 數(shù)字濾波算法實(shí)現(xiàn)

SH99F100 微處理器中DSP 單元具有的強(qiáng)大計(jì)算功能給該次設(shè)計(jì)數(shù)字濾波算法帶來了極大便利，考慮到脈沖電流本身帶來的高頻諧波干擾，該系統(tǒng)采用自適應(yīng)數(shù)字濾波算法，該算法一種在計(jì)算過程中能夠自動(dòng)調(diào)整本身參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)不需事先知道有關(guān)于輸入信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，該算法能夠在自己的工作過程中逐漸“了解”或“估算”出所需的統(tǒng)計(jì)特性，并以此作為依據(jù)自動(dòng)調(diào)整自身參數(shù)，以達(dá)到最佳濾波效果，且一旦輸入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特性發(fā)生變化，其又能夠跟蹤這種變化，自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使濾波器的性能重新達(dá)到最佳［9］。因此，自適應(yīng)數(shù)字濾波器具有“自我調(diào)節(jié)”和“跟蹤”的能力。自適應(yīng)數(shù)字濾波器有很多種類，分別具有不同的適用范圍，設(shè)計(jì)中采用橫向型自適應(yīng)數(shù)字濾波器，該濾波器可滿足絕大多數(shù)情況下的自適應(yīng)濾波需求，且較容易實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 橫向型濾波器結(jié)構(gòu)

濾波器輸出的矢量表達(dá)式為:

式中:X(n)=［x(n)，x(n-1)，..，x(n-N+1)］T為輸入矢量;W(n)=［w0(n)，w1(n)，..，wN-1(n)］是權(quán)系數(shù)矢量;T 為轉(zhuǎn)置符;n 為時(shí)間序列。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性以及脈沖電流陰極保護(hù)的優(yōu)越性，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)一個(gè)12 m×1 m×0.5 m的水槽，在里面放置8 根不同長(zhǎng)度的同一型號(hào)角鐵，并用食鹽配比出與土壤電阻率相接近的電解質(zhì)溶液，用兩個(gè)示波器分別測(cè)量脈沖電流輸出波形及角鐵的保護(hù)電位變化曲線。

3.1 輸出波形測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)中，圖7 所示為對(duì)長(zhǎng)度為10 m 的角鐵實(shí)施陰極保護(hù)并使該角鐵達(dá)到保護(hù)電位(設(shè)定為-0.85 V)時(shí)的脈沖電流輸出波形及角鐵保護(hù)電位響應(yīng)曲線，從圖7 中可以明顯得知，脈沖電源可按設(shè)計(jì)要求生成頻率、幅值、基值、占空比均可調(diào)節(jié)的脈沖電流，并可使被保護(hù)金屬的保護(hù)電位穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定范圍，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

圖7 脈沖電流波形及保護(hù)電位響應(yīng)曲線

3.2 輸出功率比較

表1 是對(duì)8 種長(zhǎng)度不同的角鐵在直流陰極保護(hù)與脈沖電流陰極保護(hù)調(diào)節(jié)下達(dá)到保護(hù)電位后(設(shè)定為-0.85 V)的陰保電源輸出功率進(jìn)行測(cè)定，分別比較了兩種陰保電流下的電能消耗情況，可以看出智能化脈沖電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的電能消耗明顯小于普通直流陰極保護(hù)系統(tǒng)，并且可明顯得知當(dāng)被保護(hù)金屬的表面積隨長(zhǎng)度有明顯下降時(shí)，脈沖電源的輸出參數(shù)也在做相應(yīng)調(diào)節(jié)使得輸出功率有明顯的下降，說明該系統(tǒng)的三層自學(xué)習(xí)閉環(huán)控制算法可隨負(fù)載變化自適應(yīng)匹配輸出參數(shù)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)達(dá)到節(jié)約電能的目的，但由于脈沖電流陰極保護(hù)本身具有較小的電能需求等特點(diǎn)，故無法具體量化本智能化脈沖電源系統(tǒng)的節(jié)電性能。

表1 使用智能化脈沖電源陰極保護(hù)前后功率變化

4 結(jié)論

(1)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的智能化油井套管脈沖電流陰極保護(hù)電源系統(tǒng)是可行的，可在不同負(fù)載條件下對(duì)金屬實(shí)施外加電流陰極保護(hù)。

(2)基于三層自學(xué)習(xí)的閉環(huán)控制策略可以有效調(diào)節(jié)脈沖電源的輸出參數(shù)，使其達(dá)到最佳匹配值，并有效降低電能消耗。

(3)由于實(shí)驗(yàn)室的條件有限，相對(duì)于油井套管深度只是在長(zhǎng)度非常有限的條件下做了模擬類比實(shí)驗(yàn)，且無法具體量化該系統(tǒng)具體的節(jié)電和穩(wěn)定性能，最好是在油井現(xiàn)場(chǎng)做實(shí)驗(yàn)測(cè)量其工作的穩(wěn)定性和保護(hù)效果。

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