原油脱水电源设计操作说明书

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1、高压/高频脉冲交流电源设计使用说明书目录一、原油脱水的国内外现状及发展趋势概述-1二、HTC型高压/高频脉冲交流电源特点-2三、电源整体设计方案-3（一） 方案概述-3（二） 电气连接图-5四、主要性能指标-7五、操作说明-7（一）基本操作-7（二）变压器说明-9（三）工控触摸屏操作说明-10（四）电源报警及保护-13六、人机界面及PLC优化控制装置软硬件接口说明-14（一）PLC的I/O连线-14（二） PLC软件I/O地址分配-14（三）软件设计说明-16（四）软件中变量地址分配-17七、售后服务信息-17一、原油脱水的国内外现状及发展趋势概述用电场加速原油乳化液中水滴的聚结，最早始于19

2、11年Cottrell进行的破乳试验。电场的作用机理主要有两种，偶极聚结和电澄清 (electrofining) , 由 Waterman首先提出。此后 Allan和 Brown等人分别进行了直流电场和交流电场中的水滴聚结实验，并得出了相似的结论，即在电场中液滴寿命缩短，沉降速度加快。Bailes和 Larkai等人又进一步证明交流电场比直流电场更有效，同时又指出破乳电场存在最佳值（图1）。到目前为止，电脱水仍然是效率最高的一种脱水方法。Fordedal等人最近的研究表明，当场强很低时，水滴沿着场强方向呈链珠状排列，相互之间不发生聚结，撤销电场后，水滴又呈现随机排列，当场强超过某一临界值时，水

3、滴便开始破裂并相互聚结成大水滴。1914年Barnickel使用 FeSO4对原油进行破乳，标志着原油破乳剂的诞生，此后破乳剂经历了快速发展，品种涉及从无机到有机，从离子型到非离子型，从小分子到高分子乃至超高分子等庞大的物质领域。开发出高效、低廉、稳定的化学破乳剂，并从破乳剂的组成、结构、复配以及破乳剂的油水界面性质与破乳效果的关系等方面进行研究也是原油脱水领域的一个方向。此外，还有下列原油破乳方法： (1 )生物破乳：对环境污染少，但由于其成本高，目前还无法推广。(2 )微胶囊破乳：微胶囊的壳是一种凝胶，并用有效数量的螯合剂加以稳定，将破乳剂置于胶囊中，在高浓度盐水和碱金属存在下，可以延长破

4、乳剂的释放时间，达到长时间破乳的目的。(3)声化学破乳：其原理是将声波能量辐射到原油乳液中，使之产生一系列的超声效应 (搅拌、空化等 )，从而破坏油水相界膜，起到破乳脱水的作用。(4)微波辐射破乳：其原理是由里向外加热，极子旋转和离子传导，但由于微波设备难以推广，所以目前仅限于实验研究。(5)超声波原油破乳：该方法早在 50、60年代，前苏联和美国开始研究，我国 60年代才开始研究。其特点是对原油无污染，但大功率的超声发射装置难以实现。国内外原油脱水的发展方向主要集中在各种破乳新方法的研究以及新型破乳剂的开发等方面，HTC型高压/高频脉冲交流电源已成功应用于油田现场，与传统脱水电源相比正显示出

5、其独特的优越性。二、HTC型高压/高频脉冲交流电源特点电脱水器是依靠电场力的作用对油包水型乳化液进行破乳脱水，它的效率高、速度快，在各油田得到普遍应用。目前，电脱水器使用的是工频50Hz的正弦交流电源。随着高可靠性的大功率电子开关器件IGBT的发展，利用该器件研制出了HTC型高压/高频脉冲交流电源，优点如下：（1）输出电压幅值可调原油电脱水需要一定的电场强度，但强度要合适，太高会产生电分散，使水珠以更细的颗粒悬浮在原油中；太低水珠间不能发生震荡聚结及偶极聚结，不能实现油水快速分离。矩形波交流电源输出电压幅值可调，以使脱水电场强度最佳。 （2）频率在200Hz20kHz间连续小水珠之所以能悬浮在

6、原油中并能稳定相当长时间，是因为水珠周围有一层乳化膜。乳化膜既能与水珠产生较强的结合力，也能与原油产生较强的结合力，要使水珠快速沉降，必须把该膜打碎。一般情况下原油中的小水珠内部都含有盐类的正、负离子，在原油中加上高压交流电场后，小水珠被极化，这些正负离子会向电场的正、反方向快速移动，产生内摩擦热，不断克服膜强度。被极化的小水珠相结合形成大水珠，加速沉降使油水分离（图2）。交变电场的频率同样存在适合脱水的值，该频率下，平均撞击力强。HTC型高压/高频脉冲交流电源频率在200Hz20kHz间连续可调，通过调节频率，可以获取较好的脱水频率。（3）增加对乳化膜的冲击力原油电脱水的效果还与电压的波形有

7、关，普通脱水电源为正弦交流或近似正弦交流，属缓慢变化的电场，对乳化膜的冲击力不强。交流矩形波电场由零开始瞬间跃变到极大值，使水珠中的正、负离子得到最大限度的加速，对乳化膜形成最为强烈的冲击。在现有脱水工艺流程不变的情况下，以矩形波脉冲电源取代现用的工频交流脱水电源, 节电50%，节约破乳剂30%，可对高含水量的W/O型乳化原油进行快速脱水，并使净化油含水率实现0.5%的国家标准。三、 电源整体设计方案（一） 方案概述高频/高压脉冲交流电源分为主电路、控制电路、人机界面及优化控制装置、高频功率测定电路、电源屏蔽箱等部分。系统结构如图3所示，具体描述如下：1.主电路由全桥不可控整流电路、滤波调压电

8、路、IGBT全桥逆变电路、变压器升压电路等部分组成。2.控制电路由电压调节控制电路和频率、脉宽比控制电路两部分组成，电压、频率、脉宽比调节的设定必须为电压值(模拟量)或数字量。图3 电源系统整体结构框图 (1) 电压调节控制电路：根据可编程控制器电参数优化控制电路输入的电压调节信号输出信号控制主电路的调压电路，实现电源输出电压的连续可调；(2) 频率、脉宽比控制电路：根据可编程控制器电参数优化控制电路输入的频率、脉宽比调节信号控制逆变电路中的IGBT器件，并提供IGBT脉冲驱动信号，使电源输出脉宽比、频率连续可调，同时还具有过流保护、欠压保护、过热保护、软起动等功能，采用脉宽调制芯片实现这些功

9、能。3.高频功率测定电路提供电源功率的测定功能。4.电源屏蔽箱保护电源，减少受到的外界干扰，并提供电源的安全绝缘功能。5.人机界面及优化控制装置由工控触摸屏和可编程控制器电参数优化控制电路组成。(1) 工控触摸屏：可以提供友好的人机界面，用户还可以通过工控触摸屏输入电压、频率、占空比等参数到可编程控制器中，同时工控触摸屏可以实时显示电源状况。(2) 可编程控制器电参数优化控制电路：可以根据工控触摸屏输入的电源工作参数，并输出控制信号到电压调节控制电路和频率脉宽比控制电路，实现电压、频率和脉宽比的控制。根据开发的优化控制算法，可以实现电场参数的优化与自动控制，能对随机变化的进入静电预聚结器原油含

10、水量、温度、压力、流量、粘度、密度等变化情况进行调节。（二） 电气连接图根据上述方案设计的电源电气连接如图4。（1）主电路A-A1输入220V/50Hz交流电经过熔断器、固体继电器后输入整流滤波电路。整流电路采用由整流二极管VD1-VD4组成的全桥不可控整流桥，滤波电路使用电解电容C0减小直流电中的交流纹波。滤波后的直流电经过调压模块，输出电压10-115V稳定可调的直流电到全桥逆变模块；全桥式逆变模块将直流电逆变为矩形波脉冲交流电，经过中频变压器T升压后输出到负载。（2）控制电路包括调压控制模块和逆变控制模块。前者主要由以TL494为核心的脉宽调制（PWM）控制电路组成，该电路根据PLC优化

11、控制系统输入的调压信号，控制主电路电压的连续可调。后者由基于SG3525脉宽调制芯片的控制电路及其驱动电路组成，该电路根据PLC输入的频率、占空比调节信号，控制主电路的逆变模块，使电源输出占空比、频率连续可调，同时有过流保护、过热保护等功能。（3）人机界面及优化控制装置包括工控触摸屏和PLC优化控制模块。工控触摸屏：提供人机接口功能，用户可以通过工控触摸屏设置电源电压、频率、占空比运行参数。工控触摸屏通过与PLC通信将参数传输到PLC进行控制，同时根据PLC提供的信号实时显示电源运行状况。PLC优化控制模块：模块由PLC主机及其扩展模块组成，主要负责电源起停控制、供电顺序、过流关机等继电器逻辑