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(jié)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(tǒng)在實際工作過程中會受到強電磁的干擾,會發(fā)生系統(tǒng)控制失常、微機“程序跑飛”等現(xiàn)象,大大降低了脫水系統(tǒng)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(huán)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(xiàn)PI控制算法,以及數(shù)據(jù)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(tǒng)的安全性和可靠性,是今后數(shù)控系統(tǒng)的一個發(fā)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(wǎng)波動時引起的輸出電壓波動。根據(jù)各油田現(xiàn)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?？紤]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(tǒng),而且要實現(xiàn)軟啟動,該方案采取改進型PI控制算法實現(xiàn)閉環(huán)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(jīng)過電流檢測電路以及調(diào)理電路調(diào)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(jīng)過V/F變換(模擬量轉(zhuǎn)換成頻率信號)、光電隔離、測頻來實現(xiàn)模擬量的檢測。單片機負責測量數(shù)據(jù)的采集和處理,為FPGA提供大量電壓模塊的運行數(shù)據(jù),以及數(shù)據(jù)管理與上位機通信等功能。故障診斷模塊(測頻)、開關狀態(tài)生成模塊,主PWM模塊、系統(tǒng)時鐘分頻模塊及與門輸出的功能模塊由FPGA芯片實現(xiàn)。

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(fā)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(shù);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(fā)生電分散現(xiàn)象,而電分散對脫水是不利的。所以針對不同的油品性質(zhì)要選擇合適的脈沖幅度,以使脫水達到最佳狀態(tài)。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(fā)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(chǎn)生電分散和電脫水器內(nèi)電極間擊穿現(xiàn)象。所以對不同物性的乳狀液要選擇適當?shù)拿}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(fā)生變化時,水顆粒振蕩幅度也隨之發(fā)生變化。大量脫水現(xiàn)場運行經(jīng)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(diào)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(diào)節(jié)器為基礎,將PI調(diào)節(jié)器的輸出除以某一常數(shù),其商作為投入的電壓固定模塊的數(shù)量,余數(shù)部分作為電壓可調(diào)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(tǒng)為單閉環(huán)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(diào)模塊。如圖2所示,主控芯片 EP1C6Q240C8將V/F轉(zhuǎn)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(tài)生成模塊,其主要任務是將PI控制器輸出值除以固定常數(shù)A后所得的商與故障診斷模塊的輸出值綜合,即從質(zhì)量好的模塊中選擇負載需要的電壓模塊數(shù)并對其分配物理地址,其余完好的模塊處于非工作狀態(tài),同時把損壞的電源模塊信號傳遞至上位機,將其從系統(tǒng)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(tài)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(fā)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(zhuǎn)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(jīng)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(xù)調(diào)節(jié),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(xiàn)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(tǒng)自動由高至低檢測模塊質(zhì)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(tài)。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(xiàn)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(tǒng)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(fā)奠定了基礎。

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