用于原油脱水的全数字控制二次逆变式高压变频矩形波交流电源装置制造方法及图纸

一种适用于原油脱水的全数字控制二次逆变式高压变频矩形波交流电源装置，它主要包括有整流滤波电路、一次桥式逆变直流调压电路、二次桥式逆变电路、升压变压器和以微处理器为核心的数字控制电路及其控制方式；其中一次桥式逆变直流调压电路采用数字增量式ＰＩＤ算法调节数字ＰＷＭ信号的脉宽来实现恒压控制，二次桥式逆变电路的双端ＰＷＭ控制信号由微处理器直接输出；高压变频矩形波交流电压输出的电压调节范围在１００Ｖ～４０ｋＶ之间，频率的调节范围为０Ｈｚ～４０ｋＨｚ，脉宽的调节范围为０～４９％。本实用新型专利技术数字控制二次逆变式高压变频矩形波交流原油脱水电源装置的优点在于：（１）与采用一次逆变结构的原油脱水电源相比，效率高、电压调节性能好；（２）一次逆变直流调压电路和二次逆变电路均采用数字化ＰＷＭ控制方式，有利于抑制变压器偏磁，并且易于实现复杂控制功能。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种全数字控制二次逆变式高压变频矩形波交流电源装置，具体地说，是一种适用于原油电脱水和电脱盐的全数字控制二次逆变式高压变频矩形波交流电源装置。 
技术介绍
地层里的原油不可避免地含有大量的水和盐类，而且随着油田进入高含水期开采阶段，大部分油井采出液的综合含水量高达90％。另外，为了提高采收率，一般采用三次采油技术进行原油开采，通过向地下注入驱油剂驱出原油，这些驱油剂使采出液的组成和油水乳化状态极为复杂，乳化液粘度大、分散相颗粒细微，对这些采出液进行破乳和沉降操作都很困难，而且导致油品的绝缘性变差，常使电脱水器极板间产生短路现象。原油含水量高和油水.乳化状态复杂对后续的储运、炼制加工等环节都带来了许多负面影响，因此在油田一般需要对原油进行脱水处理以使其外输前的含水质量分数低于0.5％；且在炼油厂进蒸馏装置前需要进一步进行脱水、脱盐处理而使其含水质量分数降低为0.1％～0.2％，并使盐类组分的质量浓度小于5mg/L。如果三次采出液油水处理工艺技术得不到很好地解决，将成为制约三次采油技术推广及老油田稳产上产的关键。原油电脱水依靠电场力的作用对油包水型乳化液进行破乳脱水，因其效率高、速度快而在各油田得到了普遍应用。 分散相水颗粒之所以能悬浮在原油中并能稳定相当长时间，是因为分散相水颗粒周围有一层乳化膜。乳化膜既能与分散相水颗粒产生较强的结合力，也能与原油产生较强的结合力，要使分散相水颗粒快速沉降，必须把乳化膜打碎。一般情况下原油中的小分散相水颗粒内部都含有盐类的正、负离子，在原油中加上高频高压交流电场后，小分散相水颗粒被极化，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。被极化的小分散相水颗粒相结合形成大分散相水颗粒，加速沉降使油水分离(图1)。交变电场的频率同样存在适合脱水的最优值，在该频率下，平均撞击力强。 原油电脱水的效果还与电压的波形有关。2001年，美国Natco集团通过实验给出了不利于脉冲DC电场的结论：在相同的频率下，为获得同样的聚结效率脉冲DC电场所需施加的电场强度要比AC电场所需施加的电场强度高。普通交流脱水电源为低颜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，使分散相水颗粒中的正、负离子得到最大限度的加速，可以对乳化膜形成强烈的冲击。 原油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，使分散相水颗粒以更细的颗粒悬浮在原油中；太低水颗粒间不能发生震荡聚结及偶极聚结，不能实现油水快速分离。 从乳化液的电性能可知，任何乳化液都有其临界击穿电场强度，当外加的电场强度超出其临界电场强度时，乳状液会发生短路，电场消失后短路会消失，不同性质的乳化液其临界电场强度、短路形成时间和短路消失时间也各不相同。特别是三次采出液临界击穿-->电压低，短路消失时间长，用常规电脱水器很难送电，且经常造成脱水器电极间短路，对原油脱水非常不利。可通过调整原油脱水电源高频矩形波的频率和占空比，使高频脉冲输出时间(脉冲宽度)小于短路形成时间，高频脉冲的间隔时间大于短路消失时间。也就是说，乳状液矩路形成之前，高频交流脉冲就消失，乳状液短路消失，绝缘性能恢复后再出现下一个脉冲。 综上所述，为了获得较好的脱水效果，在实际的原油脱水工艺中需要根据原油的含水率、表面张力、密度、压力、温度等参数按照一定的数学关系模型来调整原油脱水电源矩形波的频率、电压和占空比等参数，并控制电源在该参数下运行。目前，电脱水器使用的交流电源主要有两种形式。一种是工频50Hz的正弦交流高压电源。该高压电源用于原油时，存在一定的小水珠分散电场区和无效电场区，脱水效率低。 另一种是采用一次逆变结构的逆变式原油脱水电源(图2)，逆变电路的前级直流输入采用可控或不可控全波整流模式。中国石化胜利油田有限公司规划设计研究院申请的中国专利(授权号CN1171957C)阐述了一种高频脉冲原油电脱水装置，该装置为采用一次逆变结构的逆变式脱水电源，由高频电源发生器、高频变压整流器和高频电脱水器等组成。高频电源发生器主要由三相硅整流电路、变频主电路、驱动电路、脉宽调制电路、脉冲升压电路组成，高频电源发生器产生的矩形波经高频变压整流器后输出功率为5～50kVA，电压为20～35kV(可调)，频率为1000～2500Hz(无级调节)的矩形方波。该原油电源脱水装置存在效率低、体积大、输出电压调节步长大和调节困难、脉冲频率稳定性差且调节困难等缺点。 在美国Natco集团申请的美国专利US6860979B2和US7351320B2中，分别阐述了双频和复频静电聚结处理技术。两个专利中的静电聚结电源系统都是由基于PC的控制器、整流器、调节器、斩波器和中频升压变压器等组成。工作过程中将首先将三相交流电整流产生一直流电压，调节器将直流电压调节成以频率f2变化的各种形式的电压信号；斩波器将该电压信号逆变成以基频f1变化的交流电压，供给中频升压变压器的原边，中频升压变压器将该输入电压升高到足以产生水颗粒有效聚结 的程度。升压变压器副边的电压输出由一系列频率为f1的基本交流信号组成，但与此同时该基本信号的交流峰值电压又以频率f2变化(f2也被称为调整频率)。一般情况下，f1要远大于f2，其中f1的取值范围在60～2500Hz之间，f2的取值范围在0.1～100Hz之间。该静电聚结电源系统的基频较低且调节范围小，此外还不能调整基频信号的占空比。 从桥式逆变电路的控制方式来看，图2所示的桥式逆变电路的频率和脉宽一般采用模拟控制方式，脉宽调制(PWM)波形的生成采用SG3525、UC3846、TL494等模拟PWM控制芯片。模拟控制方式元器件数目众多，电路结构复杂，根据数学模型进行复杂控制的能力受到电路结构的制约。同时数目众多的元器件也增加了控制器的调试难度，降低了控制系统的稳定性、可靠性和维护性。另外，模拟PWM控制芯片因电压不稳，存在一个周期内正负半周导通时间不等、PWM波形的频率和脉宽稳定性较差且调节困难等固有缺陷，导致原油脱水电源主变压器和升压变压器容易发生偏磁和运行噪声大等缺点。 2009年4月，中国石油大学(华东)申请了矩形波交流原油脱水电源的专利(申请号200910020710.X)，阐述了一种由基于半桥逆变结构的直流调压电路、全桥逆变矩形波生成电路、以TL494脉宽调制芯片为核心的调压控制电路、基于SG3525脉宽调制芯片为核-->心的矩形波生成控制电路、以PLC与工控触摸屏为基础的优化控制电路和中频升压变压器组成的矩形波交流原油脱水电源。虽然该矩形波原油脱水电源的主电路采用二次逆变结构，但调压控制电路和矩形波生成控制电路仍采用前述模拟控制方式，而且主电路一次整流滤波电路交流输入仅采用单相交流(220V/50Hz)输入，导致原油脱水电源输出功率受到局限。另外，采用PLC输出模拟信号到调压控制电路和矩形波生成控制电路来调制电源输出的电压、频率和脉宽，具有成本高和控制电路结构复杂等缺点。 鉴于上述原因，有必要进一步研制新型全数字控制二次逆变式矩形波交流原油脱水电源来克服上述原油脱水电源装置的不足。 
技术实现思路
为了克服现有一次逆变结构原油脱水电源效率低、重量大和前级直流输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于原油脱水的全数字控制二次逆变式高压变频矩形波交流电源装置，其特征在于：包括整流滤波电路，用于对单相或三相交流电进行整流滤波处理，获得直流电压输出；一次桥式逆变直流调压电路，与所述整流滤波电路连接，用于对所述直流电压进行高频逆变处理，通过占空比调制整流，输出电压大小可按需快速调节的直流电压；二次桥式逆变电路，与所述一次桥式逆变直流调压电路连接，用于对所述快速调节的直流电压进行逆变处理，通过频率和占空比调制，向升压变压器原边输出幅值、频率和占空比均可按需调节的交流电压；升压变压器，与所述二次桥式逆变电路连接，用于将变压器原边前述交流电压升高到足以产生水颗粒有效聚结的程度；以微处理器为核心的数字控制电路，用于按照控制需求产生数字ＰＷＭ控制信号，控制一次桥式逆变直流调压电路和二次桥式逆变电路。

【技术特征摘要】
1.一种用于原油脱水的全数字控制二次逆变式高压变频矩形波交流电源装置，其特征在于：包括整流滤波电路，用于对单相或三相交流电进行整流滤波处理，获得直流电压输出；一次桥式逆变直流调压电路，与所述整流滤波电路连接，用于对所述直流电压进行高频逆变处理，通过占空比调制整流，输出电压大小可按需快速调节的直流电压；二次桥式逆变电路，与所述一次桥式逆变直流调压电路连接，用于对所述快速调节的直流电压进行逆变处理，通过频率和占空比调制，向升压变压器原边输出幅值、频率和占空比均可按需调节的交流电压；升压变压器，与所述二次桥式逆变电路连接，用于将变压器原边前述交流电压升高到足以产生水颗粒有效聚结的程度；以微处理器为核心的数字控制电路，用于按照控制需求产生数字PWM控制信号，控制一次桥式逆变直流调压电路和二次桥式逆变电路。2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：所述整流滤波电路由整流桥电路MD、滤波电容C构成；所述整流滤波电路其各端子的连接为：三相或单相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路MD的1端、2端、3端连接，整流桥电路MD的4端和5端之间并联有滤波电容C。3.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：所述一次桥式逆变直流调压电路由桥式逆变电路、第一变压器B1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一续流电感L1、第三电容C3、第一电压传感器、第一驱动电路、第一闭环PWM控制电路组成；所述一次桥式逆变直流调压电路各端子的连接为：整流桥电路MD的4端连接至第一功率开关管T1的集电极C，整流桥电路MD的5端连接至第二功率开关管T2的发射极E；逆变电路采用全桥或半桥逆变电路拓扑结构，第一功率开关管T1的发射极E与第二功率开关管T2的集电极C相连；第一功率开关管T1的集电极C经第一电容C1后连接在第一变压器B1的A端，第二功率开关管T2的发射极E经第二电容C2后连接在第一变压器B1的A端；第一变压器B1的B端连接在第一功率开关管T1的发射极E与第二开关管T2的集电极C之间；第一变压器B1的C端经第一二极管D1后与第一续流电感L1的1端连接，第一变压器B1的D端经第二二极管D2后与第一续流电感L1的1端连接；第...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄松涛，焦向东，陈家庆，俞建荣，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，
类型：实用新型
国别省市：11[]