樊春燕,陳美然

(1.中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院,北京 100029;2.天津燃?xì)饧瘓F(tuán)第一銷(xiāo)售分公司,天津 300060)

0 引 言

從地下開(kāi)采出來(lái)的石油往往含有大量的水分,隨著油田開(kāi)采年限的增長(zhǎng),含水量不斷上升[1-4]。如果不把原油中的水分除掉,在運(yùn)輸過(guò)程中就要浪費(fèi)大量的人力物力,水的存在還會(huì)使一些鹽類(lèi)分解而腐蝕管道和容器[5]。因此,原油脫水越來(lái)越受到各大油田關(guān)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(diǎn),作為一種綠色能源將在原油脫水工藝中得到廣泛的應(yīng)用[6]。

單純采用單片機(jī)原油脫水控制的方案自動(dòng)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(shí)際工作過(guò)程中會(huì)受到強(qiáng)電磁的干擾,會(huì)發(fā)生系統(tǒng)控制失常、微機(jī)“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(jī)對(duì)多路測(cè)控信號(hào)的處理是采取循環(huán)檢測(cè)的,對(duì)于要求高速反應(yīng)處理的事件(例如過(guò)流),不能夠及時(shí)處理,這是其自身難以解決的難題[7-9]。

為了解決當(dāng)前原油電脫水高頻高壓脈沖電源研制難的問(wèn)題,該文采用 Cyclone系列中的EP1C6Q240C8的FPGA芯片為控制核心,用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PI控制算法,以及數(shù)據(jù)管理、與上位機(jī)通信等功能,完成高頻高壓脈沖電源控制器設(shè)計(jì)。該方案能及時(shí)處理如短路、過(guò)流等高速反應(yīng)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(gè)發(fā)展方向。

1 原油電脫水高頻高壓脈沖電源控制器的設(shè)計(jì)

1.1 控制原理

由于脈沖電源所帶負(fù)載(W/O乳狀液)是實(shí)時(shí)變化的,因此要求控制器能及時(shí)補(bǔ)償當(dāng)負(fù)載變化或電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)引起的輸出電壓波動(dòng)。根據(jù)各油田現(xiàn)場(chǎng)脫水過(guò)程分析,需要脈沖的前沿盡量得陡,以保證脈沖對(duì)乳狀液的沖擊作用,加速破乳?？紤]到電源控制器是一個(gè)多變量輸出(1路模擬量,47路開(kāi)關(guān)量)系統(tǒng),而且要實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),該方案采取改進(jìn)型PI控制算法實(shí)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(fù)載上電流經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)電路以及調(diào)理電路調(diào)理后得到的電流信號(hào);IREF——人為設(shè)定的基準(zhǔn)值

原油電脫水脈沖電源控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 脈沖電源控制器結(jié)構(gòu)

圖2中來(lái)自主電路的功率開(kāi)關(guān)供電電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)V/F變換(模擬量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào))、光電隔離、測(cè)頻來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量的檢測(cè)。單片機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和處理,為FPGA提供大量電壓模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù),以及數(shù)據(jù)管理與上位機(jī)通信等功能。故障診斷模塊(測(cè)頻)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)生成模塊,主PWM模塊、系統(tǒng)時(shí)鐘分頻模塊及與門(mén)輸出的功能模塊由FPGA芯片實(shí)現(xiàn)。

1.2 工作原理

1.2.1 脫水機(jī)理

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

電場(chǎng)中,原油乳狀液中兩個(gè)相鄰、粒徑相同的水顆粒之間的聚結(jié)力:

式中 ε——原油乳狀液的介電常數(shù);E——外加電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)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(jié)力,必須從三個(gè)方面入手:提高電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度的直接因素,脈沖幅度越大,電場(chǎng)強(qiáng)度也越高,水顆粒之間的聚結(jié)力也相應(yīng)增大。但電場(chǎng)強(qiáng)度也不能無(wú)限增大,當(dāng)增大到一定程度時(shí),會(huì)發(fā)生電分散現(xiàn)象,而電分散對(duì)脫水是不利的。所以針對(duì)不同的油品性質(zhì)要選擇合適的脈沖幅度,以使脫水達(dá)到最佳狀態(tài)。同時(shí)脈沖寬度和脈沖頻率對(duì)脫水也有影響。脈沖寬度太小,乳狀液中的水顆粒沒(méi)有足夠的時(shí)間吸收電場(chǎng)中的能量發(fā)生聚結(jié),脈沖電壓就消失了,這顯然達(dá)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(duì)不同物性的乳狀液要選擇適當(dāng)?shù)拿}沖寬度。在電場(chǎng)中,水顆粒在乳狀液中隨電場(chǎng)不停地振動(dòng)。當(dāng)外加電場(chǎng)頻率發(fā)生變化時(shí),水顆粒振蕩幅度也隨之發(fā)生變化。大量脫水現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,每一個(gè)脫水過(guò)程都會(huì)存在一個(gè)最佳脫水頻率,此時(shí)水顆粒的振動(dòng)幅度最大,水顆粒間距離變小,它們有更多的機(jī)會(huì)與相鄰的水顆粒聚結(jié)合并,使水顆粒直徑變大,從而增大水顆粒間的聚結(jié)力。所以,為了改善脫水效果,必須對(duì)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(guò)程

該控制器以PI調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ),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(jié)構(gòu),其中開(kāi)關(guān)電源模塊由47個(gè)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(guò)來(lái)的頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(cè)頻輸出信號(hào)送給開(kāi)關(guān)狀態(tài)生成模塊,其主要任務(wù)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(fù)載需要的電壓模塊數(shù)并對(duì)其分配物理地址,其余完好的模塊處于非工作狀態(tài),同時(shí)把損壞的電源模塊信號(hào)傳遞至上位機(jī),將其從系統(tǒng)中移出;單片機(jī)將設(shè)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(lái)完成主PWM的生成;最后主PWM信號(hào)與開(kāi)關(guān)狀態(tài)生成模塊輸出信號(hào)相與之后的輸出信號(hào)作為電源斬波的控制信號(hào)。至此,完成了該控制器的功能。

2 實(shí)驗(yàn)與仿真測(cè)試

該文以QuartusⅡ軟件作為FPGA的開(kāi)發(fā)平臺(tái),采用VHDL硬件描述語(yǔ)言輸入設(shè)計(jì)圖2所示的脈沖電源控制器。將每個(gè)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(lái)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(hào)波形,實(shí)驗(yàn)仿真了24路電壓模塊。

圖3 控制器24路輸出信號(hào)波形

由圖 3不難看出,外部時(shí)鐘的頻率為 20 MHz,經(jīng)過(guò) 10分頻之后得到 2 MHz(0.5)的FPGA工作時(shí)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(shè)定要輸出頻率為5 kHz,占空比為50%的脈沖控制信號(hào)。所以在單片機(jī)送過(guò)來(lái)的脈沖高、低電平值都是200(0.5μs×200+0.5μs×200=0.2 ms)時(shí),控制器實(shí)現(xiàn)了頻率為5 kHz的控制脈沖信號(hào)輸出。并且24個(gè)電壓模塊中有20個(gè)完好,負(fù)載要求輸出6個(gè)電壓模塊疊加的電壓值的情況下,系統(tǒng)自動(dòng)由高至低檢測(cè)模塊質(zhì)量好壞并選擇6個(gè)完好模塊對(duì)其輸出脈沖控制信號(hào),其余處于非工作狀態(tài)?？梢?jiàn)實(shí)驗(yàn)仿真的波形與設(shè)想的相符。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用先進(jìn)的單片機(jī)+FPGA技術(shù),以全硬件的控制方式實(shí)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(yùn)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(guò)實(shí)驗(yàn)室的全面仿真測(cè)試,驗(yàn)證了方案的可行性,為原油電脫水高頻高壓脈沖電源的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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