原油电脱水高频高压脉冲电源控制器设计

樊春燕,陈美然

(1.中国检验检疫科学研究院,北京 100029;2.天津燃气集团第一销售分公司,天津 300060)

0 引 言

从地下开采出来的石油往往含有大量的水分,随着油田开采年限的增长,含水量不断上升[1-4]。如果不把原油中的水分除掉,在运输过程中就要浪费大量的人力物力,水的存在还会使一些盐类分解而腐蚀管道和容器[5]。因此,原油脱水越来越受到各大油田关注。高频高压脉冲电源以其脱水效率高、节能、功耗低等特点,作为一种绿色能源将在原油脱水工艺中得到广泛的应用[6]。

单纯采用单片机原油脱水控制的方案自动化程度较高,控制方式也比较灵活,但这种大电压大功率电源系统在实际工作过程中会受到强电磁的干扰,会发生系统控制失常、微机“程序跑飞”等现象,大大降低了脱水系统的安全性和可靠性。而单片机对多路测控信号的处理是采取循环检测的,对于要求高速反应处理的事件(例如过流),不能够及时处理,这是其自身难以解决的难题[7-9]。

为了解决当前原油电脱水高频高压脉冲电源研制难的问题,该文采用 Cyclone系列中的EP1C6Q240C8的FPGA芯片为控制核心,用单片机实现PI控制算法,以及数据管理、与上位机通信等功能,完成高频高压脉冲电源控制器设计。该方案能及时处理如短路、过流等高速反应事件,提高了脱水系统的安全性和可靠性,是今后数控系统的一个发展方向。

1 原油电脱水高频高压脉冲电源控制器的设计

1.1 控制原理

由于脉冲电源所带负载(W/O乳状液)是实时变化的,因此要求控制器能及时补偿当负载变化或电网波动时引起的输出电压波动。根据各油田现场脱水过程分析,需要脉冲的前沿尽量得陡,以保证脉冲对乳状液的冲击作用,加速破乳。考虑到电源控制器是一个多变量输出(1路模拟量,47路开关量)系统,而且要实现软启动,该方案采取改进型PI控制算法实现闭环控制,使电源工作于恒流工作方式,控制回路如图1所示。

图1 脉冲电源控制器原理注:IF——负载上电流经过电流检测电路以及调理电路调理后得到的电流信号;IREF——人为设定的基准值

原油电脱水脉冲电源控制器的结构如图2所示。

图2 脉冲电源控制器结构

图2中来自主电路的功率开关供电电压信号经过V/F变换(模拟量转换成频率信号)、光电隔离、测频来实现模拟量的检测。单片机负责测量数据的采集和处理,为FPGA提供大量电压模块的运行数据,以及数据管理与上位机通信等功能。故障诊断模块(测频)、开关状态生成模块,主PWM模块、系统时钟分频模块及与门输出的功能模块由FPGA芯片实现。

1.2 工作原理

1.2.1 脱水机理

在电脱水器中,W/O乳状液受电场力作用,其外表面的乳化薄膜被破坏,水颗粒发生振动并与相邻的水颗粒合并聚结,使颗粒直径增大,最后靠其重力从油水乳状液中分离出来,这样就达到了脱水的目的。

电场中,原油乳状液中两个相邻、粒径相同的水颗粒之间的聚结力:

式中 ε——原油乳状液的介电常数;E——外加电场的电场强度;d——两颗水颗粒之间的距离; r——水颗粒半径。

因此要增大水颗粒间的聚结力,必须从三个方面入手:提高电场强度;增大水颗粒直径;减小水颗粒间距离。脉冲幅度(脉冲电压峰值)是影响电场强度的直接因素,脉冲幅度越大,电场强度也越高,水颗粒之间的聚结力也相应增大。但电场强度也不能无限增大,当增大到一定程度时,会发生电分散现象,而电分散对脱水是不利的。所以针对不同的油品性质要选择合适的脉冲幅度,以使脱水达到最佳状态。同时脉冲宽度和脉冲频率对脱水也有影响。脉冲宽度太小,乳状液中的水颗粒没有足够的时间吸收电场中的能量发生聚结,脉冲电压就消失了,这显然达不到脱水的目的;如果脉冲宽度太大,水颗粒又容易产生电分散和电脱水器内电极间击穿现象。所以对不同物性的乳状液要选择适当的脉冲宽度。在电场中,水颗粒在乳状液中随电场不停地振动。当外加电场频率发生变化时,水颗粒振荡幅度也随之发生变化。大量脱水现场运行经验表明,每一个脱水过程都会存在一个最佳脱水频率,此时水颗粒的振动幅度最大,水颗粒间距离变小,它们有更多的机会与相邻的水颗粒聚结合并,使水颗粒直径变大,从而增大水颗粒间的聚结力。所以,为了改善脱水效果,必须对高频高压脉冲电源在脉冲幅度、脉冲宽度及脉冲频率上加以调试,找出原油脱水的最佳工况。

1.2.2 工作过程

该控制器以PI调节器为基础,将PI调节器的输出除以某一常数,其商作为投入的电压固定模块的数量,余数部分作为电压可调模块中的BU K电路的占空比控制量。从图1中可以看到,此控制系统为单闭环结构,其中开关电源模块由47个电压固定模块组成;PWM是电压可调模块。如图2所示,主控芯片 EP1C6Q240C8将V/F转换器送过来的频率信号进行测频,即模块故障诊断,模块完好则输出1,损坏则输出0;随后将测频输出信号送给开关状态生成模块,其主要任务是将PI控制器输出值除以固定常数A后所得的商与故障诊断模块的输出值综合,即从质量好的模块中选择负载需要的电压模块数并对其分配物理地址,其余完好的模块处于非工作状态,同时把损坏的电源模块信号传递至上位机,将其从系统中移出;单片机将设定好的主PWM的高、低电平值(高电平+低电平=脉冲周期,高电平/(高电平+低电平)=占空比)送给EP1C6Q240C8,来完成主PWM的生成;最后主PWM信号与开关状态生成模块输出信号相与之后的输出信号作为电源斩波的控制信号。至此,完成了该控制器的功能。

2 实验与仿真测试

该文以QuartusⅡ软件作为FPGA的开发平台,采用VHDL硬件描述语言输入设计图2所示的脉冲电源控制器。将每个模块的VHDL程序代码转换成原理图元件,然后将各元件连接起来生成脉冲电源控制器硬件原理图。图3给出控制器输出信号波形,实验仿真了24路电压模块。

图3 控制器24路输出信号波形

由图 3不难看出,外部时钟的频率为 20 MHz,经过 10分频之后得到 2 MHz(0.5)的FPGA工作时钟。主 PWM频率要求是 1～10 kHz连续调节,占空比是10%～60%。此仿真设定要输出频率为5 kHz,占空比为50%的脉冲控制信号。所以在单片机送过来的脉冲高、低电平值都是200(0.5μs×200+0.5μs×200=0.2 ms)时,控制器实现了频率为5 kHz的控制脉冲信号输出。并且24个电压模块中有20个完好,负载要求输出6个电压模块叠加的电压值的情况下,系统自动由高至低检测模块质量好坏并选择6个完好模块对其输出脉冲控制信号,其余处于非工作状态。可见实验仿真的波形与设想的相符。

3 结束语

采用先进的单片机+FPGA技术,以全硬件的控制方式实现了原油电脱水高频高压脉冲电源控制器,从根本上提高了电脱水系统运行的安全性和可靠性,提高了脱水效率,改善了脱水性能。通过实验室的全面仿真测试,验证了方案的可行性,为原油电脱水高频高压脉冲电源的开发奠定了基础。

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