一種新型矩形波原油脫水電源系統(tǒng)研制

王一帆

（西南石油大學(xué)，四川 成都610500）

目前，在當(dāng)前中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速騰飛的局面下，能源需求也在不斷增長(zhǎng)。石油作為“工業(yè)的血液”，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中具有不可替代的地位[1]。而在現(xiàn)有的各種破乳脫水工藝中，電脫水法具有脫水效率高、響應(yīng)快、能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)，因此在世界范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用[2]～[3]。

文獻(xiàn)[4]提出一種基于H4 橋的矩形波交流電脫水方法，其具有高頻交變的脈沖式輸出電場(chǎng)，脫水效率較高，能量利用率高，因此得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于其輸出電壓幅值在幾十伏到一百伏之間，無(wú)法應(yīng)用于高電壓、大功率工作場(chǎng)合[4]～[6]。

相比于文獻(xiàn)[4]所提出的電路，本文在電路中增加了兩個(gè)全控型開(kāi)關(guān)管以及在H 橋的橋臂之間跨接了兩個(gè)高性能二極管，使得輸出的電壓具有更高的可靠性，廣泛應(yīng)用于各大功率場(chǎng)合[7]。

因此，本設(shè)計(jì)采用H6 橋逆變電路(ICDLCI-H6)作為矩形波生成電路，并研究H6 橋逆變電路的工作模態(tài)和控制策略。最后，對(duì)整個(gè)矩形波原油脫水電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 電源電路結(jié)構(gòu)分析

1.1 電源主電路拓?fù)?/h3>

本文所提出的矩形波原油脫水電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中，二極管D1～D6與C0組成三相全橋不可控整流電路；R0與K0組成緩沖電路，防止電路中電流過(guò)大，對(duì)電容C0造成損壞；VT0為功率開(kāi)關(guān)管IGBT，D0為續(xù)流二極管，開(kāi)關(guān)管VT0與二極管D0、電容C1、電感L0組成BUCK 變換電路，將整流濾波后直流電壓的幅值降低；S1～S6為功率開(kāi)關(guān)管；R1為變壓器T 二次側(cè)的輸出電壓；N1、N2分別為變壓器T 的一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組（如圖1）。

1.2 ICDLCI-H6 電路拓?fù)浼捌涔ぷ髟矸治?/h3>

ICDLCI-H6 電路如圖2 所示。圖中，E 為電路輸入電壓；S1～S6為全控型開(kāi)關(guān)管；N1、N2分別為變壓器T 的一次側(cè)和二次側(cè)；R1為變壓器T 二次側(cè)的輸出電阻；Uout為變壓器T 二次側(cè)的輸出電壓；D7和D8為耐高壓高性能的續(xù)流二極管。

為分析ICDLCI-H6 的工作情況，設(shè)從開(kāi)關(guān)管S5的發(fā)射極到電感LN1為電流i1的正方向，變壓器T 繞組的匝數(shù)比為KN。根據(jù)方向和S1～S6的開(kāi)通、關(guān)斷情況，可將ICDLCI-H6 系統(tǒng)分為四種工作模態(tài)，其等效電路分別如圖3(a)-(d)所示。

圖2 ICDLCI-H6 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

工作模態(tài)1：圖3(a)為當(dāng)i1＞0，S5導(dǎo)通，S2、S3和S6關(guān)斷，S1和S4按照同樣的驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通時(shí)，為工作模態(tài)1 的等效電路。此時(shí)E、S1、S5、N1和S4構(gòu)成正向充電閉合回路，i1對(duì)N1進(jìn)行正向充電，電感電流i1增加，變壓器輸出電壓Uout=KNE。

工作模態(tài)2：圖3(b)為當(dāng)i1＞0，S5導(dǎo)通，S1、S2、S3、S4和S6關(guān)斷時(shí)，為工作模態(tài)2 的等效電路。此時(shí)D8、S5和N1構(gòu)成正向放電閉合回路，N1對(duì)電路進(jìn)行正向放電，電感電流i1減小，變壓器輸出電壓Uout=0。

工作模態(tài)3：圖3(c)為當(dāng)i1＜0，S6導(dǎo)通，S1、S4和S5關(guān)斷，S2和S3按照同樣的驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通，為工作模態(tài)3 的等效電路。此時(shí)E、S2、S6、N1和S3構(gòu)成充電閉合回路，i1對(duì)N1進(jìn)行反向充電，電感電流i1增加，變壓器輸出電壓Uout= -KNE。

工作模態(tài)4：圖3(d)為當(dāng)i1＜0，S6導(dǎo)通，S1、S2、S3、S4和S5關(guān)斷時(shí)，為工作模態(tài)4 的等效電路。此時(shí)D7、S6、和N1構(gòu)成反向放電閉合回路，N1對(duì)電路進(jìn)行反向放電，電感電流i1減小，變壓器輸出電壓Uout=0。在經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的模態(tài)轉(zhuǎn)換后，變壓器輸出電壓Uout在-KNE～KNE 之間周期變化，為三電平輸出的單相矩形波交流電壓。而對(duì)電路輸入電壓的頻率和幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可得到相應(yīng)的矩形波輸出電壓，并且輸出電壓的幅值得到了明顯的提升。

圖3 ICDLCI-H6 工作模態(tài)與等效電路

2 仿真驗(yàn)證

本文基于Matlab/Simulink 平臺(tái)，對(duì)前文所給出的電路結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

輸入電壓為380V/50Hz 的三相交流電。當(dāng)設(shè)置參考電壓為160 V 時(shí)，輸出電壓Uo1平均值為159.8 V，無(wú)超調(diào)量，響應(yīng)時(shí)間較快。

由仿真結(jié)果可知，在升壓電路中，設(shè)置變壓器變比為1：2000，經(jīng)過(guò)升壓調(diào)幅后，輸出頻率為1kHz、幅值為8KV 的單相矩形波UOR，如圖4 所示。

圖4 電源輸出電壓波形

根據(jù)電源技術(shù)指標(biāo)要求，電源輸出電壓的幅值和頻率要求可調(diào)，故將輸出電壓的頻率和幅值分別設(shè)為1 kHz/16 KV、2 kHz/16 KV 以模擬實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)脫水電源性能的要求，此時(shí)輸出波形如圖5(a)～(b)所示。

圖5 不同幅值和頻率的輸出電壓波形

由仿真結(jié)果可知，電路的輸出波形較為穩(wěn)定，滿足輸出幅值和頻率可調(diào)的設(shè)計(jì)要求，能較好地滿足原油脫水作業(yè)工程實(shí)際的需求。

3 原油含水率與脫水效率分析

3.1 低含水原油

低含水原油指含水率小于30%的原油，破乳較為簡(jiǎn)便，化學(xué)破乳劑的耗量?jī)H為所處理原油乳化液的1～10ppm。由于不同含水量的原油其介電常數(shù)不同，其中不含水原油的相對(duì)介電常數(shù)約為2.6，含水為20%的原油介電常數(shù)約為3.3。

以100m3、60℃的30%含水原油為例，設(shè)水珠半徑r=0.2μm，r/s=1，脫水罐電極間距為50cm。具體的二段式化學(xué)- 電聯(lián)合脫水方案為：加入500g 聚氧乙烯聚丙乙烯嵌段聚醚型破乳劑，沉降至油水分離后置于12 kV/10 kHz 的矩形波電場(chǎng)中。由公式

可以得出，此時(shí)的偶極聚結(jié)力為0.372×10-6N。由表1 可得出，此時(shí)的脫水后原油含水率約為2.2%，滿足原油集輸需求，但仍需進(jìn)行進(jìn)一步脫水處理以達(dá)到商品油指標(biāo)。

3.2 高含水原油

高含水原油指含水率高于30%的原油，破乳較為困難，化學(xué)破乳劑的耗量為所處理原油乳化液的25-60ppm。50%含水量原油的相對(duì)介電常數(shù)約為4.7。

以100 m3、60℃的50%含水原油為例，設(shè)水珠半徑r=0.2μm，r/s=1，脫水罐電極間距為50cm。具體的二段式化學(xué)- 電聯(lián)合脫水方案為：加入1000 g 聚氧乙烯聚丙乙烯嵌段聚醚型破乳劑，沉降至油水分離后置于16 kv/5 kHz 的矩形波電場(chǎng)中。

最后，由公式(1)可以計(jì)算得出，此時(shí)的偶極聚結(jié)力為1.33×10-6N。根據(jù)表1 得出，此時(shí)的脫水后原油含水率約為0.7%，脫水效果顯著。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本文提出新型矩形波交流脫水電源主電路的電路結(jié)構(gòu)、工作模態(tài)分析和研究，可得出以下結(jié)論：

4.1 H6 橋逆變電路采用電感電流單閉環(huán)控制，得到電源電路輸出電壓為單相矩形波。通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓的頻率和幅值，實(shí)現(xiàn)了幅值和頻率可調(diào)的矩形波輸出要求，且電路輸出電壓的波形較為穩(wěn)定，能較好的滿足實(shí)際需求，具有高可靠性的特點(diǎn)。

表1 聚結(jié)力大小與脫水后原油含水率關(guān)系

4.2 在含水率不同的原油下，本文所提出的電源都能夠?qū)崿F(xiàn)原油的高效率脫水，使原油脫水后的含水率在2.2%以下，脫水效果顯著。