原油脱水电源设计操作说明书.doc

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
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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1911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200Hz～20kHz间连续
小水珠之所以能悬浮在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200Hz～20kHz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控制；根据工控触摸屏设置的电源电压、频率、占空比运行参数，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；同时负责电流、频率检测以及各种传感器模拟输入信号的接收等。

四、主要性能指标
（1）电源输入： 220V/50Hz交流电
（2）输出功率： ≥4kW
（3）输出矩形波交流脉冲：电压200V～20kV连续可调
频率200Hz～20kHz连续可调
脉宽比10%-80%连续可调
（4）输出量误差：平均电流输出误差≤±1.0A
平均电压输出误差≤±1.0V
平均脉宽比输出误差≤±2%
频率输出误差：≤2Hz（200Hz≤f≤2000Hz低频段）
≤6Hz（2kHz≤f≤20kHz高频段）
（5）整套电源绝缘可靠，符合国家关于超高压电器设备的相关绝缘规定。
五、操作说明
（一）基本操作

图5 前面板图
HTC型高压/高频脉冲交流电源的前面板如图5。说明如下：
1、插上电源（220V/50Hz市电）插头，电源灯亮，PLC开始运行。
2、按下启动按钮，电源运行指示灯亮，主电路、控制电路、工控触摸屏上电。
3、按下停止按钮，触摸屏断电关闭，电源主电路、控制电路停止工作。
4、拔下电源插头，PLC断电，整个系统停止工作。
5、当电源输出电流大于20A时，声光报警灯将发出报警信号，电流继续增大超过30A时，过流指示灯亮，电源进入过流保护状态。
HTC型高压/高频脉冲交流电源的后面板如图6。基本操作如下：

图6后面板图
1、插头1（5针）为电源输入接口，用于连接电源线，使用时直接将对应的电源线连上即可。注意，电源输入为220V/50Hz市电，火线、零线、地线连接必须正确。
2、插头2（10针）用于连接变压器A，工作频率范围为1800Hz-20000Hz，此时触摸屏只能输入频率1800Hz-20000Hz内的值；插头3（7针）用于连接变压器B，工作频率范围为200Hz-1800Hz，此时触摸屏只能输入频率200Hz-1800Hz内的值。实际使用时，请根据频率范围连接相应的变压器。为了安全更换变压器时，请务必先切断电源。注意，同一时间只能连接一个变压器。两个变压器同时连接时，电源自动关机。如果设定频率超出变压器工作范围，将无法从触摸屏输入，并且将提示您是否更换变压器。如果要更换变压器请点击是按钮，此时电源自动关机，拔下电源即可更换变压器。如果由于失误使得输入频率值超限，请点击否按钮，此时将返回频率设定界面，可以重新输入合适的频率值。
3、插头4（19针）为传感器信号输入接口，共有4组输入（均为0-10V模拟电压信号），每组2根线。对应关系如下：
（1）粉色+白色：粉色线为含水率信号正端，白线为输入信号负端，对应模拟通道AIW4；
（2）绿色+白色：绿色线为密度信号正端，白线为输入信号负端，对应模拟通道AIW10；
（3）黄绿色+白色：黄绿色线为压力信号正端，白线为输入信号负端，对应模拟通道AIW12；
（4）棕色+白色：棕色线为温度信号正端，白线为输入信号负端，对应模拟通道AIW6；
注意：如果传感器输出为电流信号或不是2线制配线，请联系我们更改PLC配线。如果您不熟悉PLC，请勿擅自更改硬件设置。
4、插头7（DM 9针串行RS-485接口）是PC与PLC的通信口，用于从PC机向PLC下载程序，使用随机配送的USB/PPI电缆将该口与PC机USB接口连接。
5、插头5和6插头（均为DM 9针串行接口）为备用口，实际使用时空置即可。
（二）变压器说明
根据工作频率范围不同，电源配送两个变压器：高频段变压器A和低频段变压器B。注意，电源工作时，只能连接1个变压器；更换变压器时，请切断电源，先拔下一个后再连接另一个。
高频段变压器A，工作频率范围为1800Hz-20000Hz，实物照片如图7，其中1为测温口，用于测量变压器内温度；2、3为示波器测量端子；4、5为低压输入端，8、10为高压输出端；7、9为吊耳；6为XY-管式油温计，用于观察变压器内的绝缘油状况。

图7 高频段变压器A实物图
变压器B，工作频率范围为200Hz-1800Hz。
实验时必须遵守下列规定：
1、 变压器周围加绝缘防护栏；
2、 培训后的专职人员操作；
3、 实验电极放在防护栏内；
4、 对实验电极进行操作时必须先关断电源；
5、 实验电极准备好后，关上防护栏之后再通电；
6、 观看实验结果时首先切断电源或拔下电源插头。
（三）工控触摸屏操作说明
1、按下启动按钮，工控触摸屏上电。上电后，触摸屏需要进行系统初始化，时间大约5秒。
2. 工控触摸屏初始化完毕后，进入主菜单界面。在进行任何设置之前，电源按上次使用关机前设定的参数运行。点击相应按钮进入子界面可以进行各种参数的设置，主菜单界面如图8。

图8主菜单界面
3、参数设置界面：包括手动控制和自动控制两种模式。
（1）手动控制模式：参数设置界面如图9。频率200Hz-20KHz连续可调，占空比10%-80%连续可调，通过点击输入区域弹出键盘输入。电压10V-80V连续可调，通过粗调按钮（步长10V）和细调按钮（步长1V）调节。电流和功率显示的为实际检测值。点击右上脚的手/自动切换按钮将进入自动控制模式。

图9手动参数设置

图10自动控制模式

图11 控制方式

图12屏幕设置
（2）自动控制模式：如图10，该模式下电源自动采集进入电脱水器的原油含水率、温度、压力、密度并实时显示。同时实时显示电源电压、频率、脉宽、电流、功率等工作参数。点击右上脚的手/自动切换按钮可以切换到手动控制模式。
4、控制方式：如图11，可以进行手动控制模式和自动控制模式之间的切换。点击自动控制按钮进入自动控制模式，点击手动控制按钮进入手动控制模式。
5、屏幕设置：如图12，对触摸屏系统参数进行设置，包括：显示系统运行时间(可以设定)；设定屏幕亮度，范围为0-32；屏保时间0-600min；触摸屏电池欠压提示（正常时为绿灯，欠压时指示灯闪烁）。
6、生产动画：如图13，演示电源脱水动态过程、运行工作参数。

图13 生产动画
7、事件显示：如图14，电源工作过流时触发，并记录下电源过流时间、确认时间以及恢复正常运行时间。

图14 事件显示
8.操作说明：如图15，简要给出了电源的操作说明，详细操作请参考说明书。

图15 操作说明
（四）电源报警及保护
1、当输出电流大于20A时，声光报警器发出报警，触摸屏记录这一事件。如果电流继续增大，大于30A时，电源进入过流保护状态，前面板过流指示灯亮。
2、关于电源报警操作：
（1）当声光报警时，可以通过触摸屏里的电压设置界面调低电压或减小负载，以减小电流，直到电流小于20A，报警消除；
（2）若声光报警已经报警而操作人员又没及时发现，则脱水电源电流有可能会持续上升，当电流上升至30A时就会过流保护并自动关机，过流指示灯亮；自动关机后，不再有电压及电流输出，运行指示灯仍然亮，过流指示灯亮，声光报警停止；
（4）过流保护后执行下列操作可使电源恢复工作：按下停止按钮，运行指示灯灭；几秒钟后再按启动按钮，便能电源重新启动，运行指示灯亮，此时电源输出电压按最小值10V输出，以免再次过流；重新启动电源正常运行时，可以根据负载实际情况，改变电压值，并观察电流值的变化，注意电流不能太大，以免再次发生过流。
六、人机界面及PLC优化控制装置软硬件接口说明
人机界面是操作人员和机器设备之间做双向沟通的桥梁。本电源选用Eview MT4500T型触摸屏，它是全新一代的工业嵌入式触摸屏人机界面，使用200～400MHz强大的32位RISC嵌入式高速低功耗处理器和嵌入式操作系统。MT4500T型触摸屏为10.4英寸，65536色显示方式，具有8M FLASH 和16M SDRAM存储器，增加图形文件支持，可以使用标准C语言宏代码，支持USB高速接口下载程序。
根据电源控制需要，选择西门子公司的S7-200系列CPU 226 CN型PLC。CPU 226 CN是AC/DC/继电器型PLC，是西门子公司S7-200系列中功能最强的一种控制器，具有24点24V直流数字量输入，16点继电器型数字量输出，完全满足数字量输入/输出点需要，无需进行数字量扩展。CPU226本身没有模拟量输入/输出点，需要扩展模块。依据需求分析，电源控制系统需要6点模拟输入，3点模拟输出，考虑留有一定的裕量， 选择2块EM235模拟量模块和1块EM232模拟量模块。EM235模拟量模块具有4路模拟输入，1路模拟输出，EM232模拟量模块具有2路模拟输出，因此得到系统的模拟输入为8路，模拟输出为4路。
（一）PLC的I/O连线
PLC通过I/O口接受外部输入信号或发出数字量、模拟量控制信号。因此，硬件I/O的分配决定了软件中控制地址。CPU的I/O连线如图16，模拟量扩展模块包括2块EM235和1块EM232，其连线如图17。
（二） PLC软件I/O地址分配
根据PLC硬件的I/O连线,可得到软件中I/O地址的分配如表1：

图16 CPU的I/O连线图

图17 扩展模块的I/O连线图
表1软件中I/O地址的分配表
I/O地址
电路器件
说明（作用）
I/O地址
电路器件
说明（作用）
I0.0
H1
高频脉冲输入
AIW0
IR
电流反馈
I1.3
SB0
启动按钮
AIW2
VR
电压反馈
I1.4
SB1
停止按钮
AIW4
HR
含水率
I1.5
SB2
过流关机信号
AIW6
TR
温度信号
Q0.0
K0
运行控制
AIW10
MR
密度信号
Q0.1
K1
声光报警
AIW12
PR
压力信号
Q1.1
K2
频率粗细变换
AQW0
VK
电压控制
I0.5
SB3
变压器A接入
AQW8
FK
频率控制
I0.6
SB4
变压器B接入
AQW10
MK
占空比控制

（三）软件设计说明
PLC控制软件使用模块化的设计方法，便于程序的组织、调试和修改，体系结构如图所示，主要由主程序和功能模块子程序组成：
① 主程序：主要负责按要求调用各功能模块子程序，并完成简单的起停、外部电路供电顺序等逻辑控制。主程序的流程图如图18。

图18主程序的流程图
② 初始化子程序：完成存储地址、中断寄存器等初始化，仅在开机后的第一个扫描周期执行。
③ 电压控制子程序：根据触摸屏设定的电压值，经过计算转化后输出模拟量控制信号到电压控制电路。
④ 频率和占空比控制子程序：根据触摸屏设定的频率值和占空比，经过处理输出控制信号到频率、占空比控制电路。
⑤ 电流和功率检测子程序：接收并处理电流检测电路输入PLC的模拟信号，得到电流实际值，并在触摸屏上显示。根据实际电压值和电流值，计算得到电源功率，并在触摸屏上显示。
⑥ 自动模式子程序：当选择自动模式时，程序将从模拟口读取含水率、温度、压力、密度等传感器输入的信号，处理后得到合适的电源电压、频率和占空比等参数，并控制电源在该参数下运行。
（四）软件中变量地址分配
软件中几个重要的变量地址以及关键的标志位的分配如表2所示。
图2 软件变量地址分配表
编程地址
数据类型
说明（作用）
编程地址
数据类型
说明（作用）
VD104
实数
电压设定
VD800
实数
自动模式标志
VW100
整数
频率设定
VD500
实数
含水率
VW102
整数
占空比设定
VD504
实数
温度值
VD300
实数
电流检测值
VD508
实数
压力
VW350
整数
功率检测值
VD512
实数
密度
M0.1
位
启停标志位

软件中从VB1000开始以后的变量地址是程序中未用的，如果用户自己编程可以任意使用，不会影响原有程序。其中自动模式中的电压、频率和脉宽与原有含水率、密度、压力、温度的数学关系模型是我们根据自己的经验做的，用户实际使用时，可以利用PLC的强大运算功能实现任何复杂的模型。例如，用户经过研究得到如下函数模型：
电压：V（r，t，p，ρ）
频率：F（r，t，p，ρ）
占空比：δ（r，t，p，ρ）其中：r-含水率；t-温度；p-压力；ρ-密度
实际编程时，r-含水率，t-温度，p-压力，ρ-密度直接使用表中的地址运算，然后将结果放入VD104(电压设定) 、VW100（频率设定）和VW102（占空比设定）即可得到对应的电源输出电压、频率和占空比。
注意，软件中的r-含水率，t-温度，p-压力，ρ-密度与工程实际值的转化均按传感器输入标准信号0-10V，实际使用需要根据不同的传感器变化。

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