２０１１年第３期 石油工业计算机应用 ＳＥＰ．２Ｏ１１ 总第７１期 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｔｏｔａｌ ７１ ４９ ・综合应用・ 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 ２天津燃气集团第一销售分公司 摘要 为了提高脱水效率以及系统运行的安全可靠性，针对微控制器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，设计采用了ＦＰＧＡ ＋单片机技术和改进型Ｐ１控制算法完成整个控制器的开发。本文介绍了以Ｃｙｃｌｏｎｅ系列的 ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４ｏＣ８的ＦＰＧＡ芯片为控制核心，应用ＶＨＤＬ硬件描述语言输入法实现原油电脱水高频 高压电源控制器的设计。通过实验室的仿真测试，证明了方案的可行性，为原油电脱水高频高压脉 冲电源的开发奠定了基础。 关键词 控制器；ＦＰＧＡ；ＶＨＤＬ；原油电脱水 ０引言 等高速反应事件，提高了脱水系统的安全性和可靠 性。而采用ＦＰＧＡ 单片机技术来实现高频高压脉 从地下开采出来的石油往往含有大量的水分， 冲电源控制系统的方案是当今数控系统的一个发展 随着油田开采年限的增长，含水量不断上 方向。 升 ］［ ］［。］［ 。原油含水危害很大，如果不把其中的 水分除掉，在运输过程中就要浪费大量的人力物力， １原油电脱水高频高压脉冲电源控制 水的存在还会使一些盐类分解而腐蚀管道和容 器的设计 器Ｉｓ］。因此，原油脱水越来越受到各大油田关注。 １．１原油电脱水高频高压脉冲电源控制思想 高频高压脉冲电源以其脱水效率高、节能、功耗低等 由于脉冲电源所带负载（ｗ／ｏ乳状液）是实时 特点，作为一种绿色能源将在原油脱水工艺中有着 变化的，因此要求控制器能及时地补偿当负载变化 广泛的应用前景ｒ６］。 或电网波动时引起的输出电压波动。根据各油田现 如果单纯采用单片机原油脱水控制方案自动化 场脱水过程分析，我们需要脉冲的前沿尽量的陡，以 程度较高，控制方式也比较灵活，但这种大电压大功 保证脉冲对乳状液的冲击作用，加速破乳。考虑到 率电源系统在实际工作过程中会受到强电磁的干 电源控制器是一个多变量输出（１路模拟量，４７路开 扰，会发生系统控制失常、微机“程序跑飞”等现象， 关量）系统，而且要实现软启动，本文采取改进型ＰＩ 这样就大大降低了脱水系统的安全性和可靠性。而 控制算法实现闭环控制，使电源工作于恒流工作方 单片机对多路测控信号的处理是采取循环检测的， 式。整个控制回路如图１所示。 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］Ｃ ｌ［ 。 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，本文采用一片Ａｈｅｒａ公司Ｃｙｃｌｏｎｅ系 列中的ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４０Ｃ８的ＦＰＧＡ芯片为控制核心， 用单片机进行ＰＩ控制算法实现，以及数据管理、与 上位机通讯等功能的技术方案来实现高频高压脉冲 图１脉冲电源控制器原理图 电源控制器设计。该方案能及时处理如短路、过流 作者简介樊春燕（１９８２一）。女．中国石油夫学控制理论与榨制Ｉ：程硕ｊ：。主要从事仪器、没备研发 石油工业计算机应用 １．２原油电脱水脉冲电源控制器的组成框图 －＾．…＿＿…．●●・Ｉ－・…－・＾‘・・ ●…・・……＿ ＿●－ ・・・・・…・ 图２脉冲电源控制器结构框图 原油电脱水脉冲电源控制器的结构框图如图２ 所示。图中来至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讯等功能。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一片 ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４０Ｃ８的ＦＰＧＡ芯片实现。 】．３工作原理 ｌ。３．】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 ２—６ 颗粒之间的聚结力为：Ｆ一 ａ 式中：ｅ为原油乳状液的介电常数；Ｅ为外加电场的 电场强度；ｄ为两颗水颗粒之间的距离；ｒ为水颗粒 半径。 聚结力Ｆ与电场强度的平方成正比，与水颗粒 半径的６次方成正比，与水颗粒之间的距离的４次 方成反比。因此要增大水颗粒间的聚结力，必须从 三个方面人手：（１）提高电场强度；（２）增大水颗粒直 径；（３）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，而电分散对脱水是小利的。所 以钳 对小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 场作不停的振动。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，从而增大水颗粒问的聚结力。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。 １．３．２工作过程 此控制器以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个 数，余数部分作为电压可调模块中的ＢＵＫ电路的占 空比控制量。Ｉ 为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，ＩＲＥ 是人为设定 的基准值。从图１中可以看到，此控制系统为单闭环 结构，其中开关电源模块为４７个电压固定模块； ＰＷＭ模块是１个电压可调模块。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，模块完好输出１，损坏 输出０；随后将测频输出信号送给开关状态生成模 块，开关状态生成模块的主要任务是将ＰＩ控制器输 出值除固定常数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告诉上位机， 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＋低电平一脉冲周期．高电平 （高电平＋低电平）一占空比）送给ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４ｏＣ８，束 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输出电源作为斩波的控制信 号。至此，完成了该控制器的功能。 ２实验与仿真测试 本文以Ｑｕａｒｔｕｓ ｌＩ软件作为Ｆｔ ；Ａ的Ｊ｛ 发 台．采用Ｖｌ¨１）Ｉ 硬件描述语言输入设计 ２所永的 ｋ ‰ ：：：：等 ２０１１年第３期 樊春燕，等：原油电脱水高频高压脉冲电源控制器设计 Ｌ＿ ５１ 脉冲电源控制器。将每个模块的ＶＨＤＬ程序代码 由图４，图５不难看出，外部时钟ｅｌｋ的频率为 转换成原理图元件，然后将各元件连接起来生成脉 ２０ＭＨＺ，经过分频器１０分频之后得到２ＭＨＺ（０．５） 冲电源控制器硬件原理图，如图３所示。 的ＦＰＧＡ工作时钟。主ＰＷＭ频率要求是１Ｋ～ １０ＫＨＺ连续调节，占空比是１０ ～６Ｏ 。此仿真 设定要输出频率为５ＫＨＺ，占空比为５０ ９，６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（０．５ ｓ×２００＋０．５ ｓ×２００—０．２ｍｓ）时，控制 器实现了频率为５ＫＨＺ的控制脉冲信号输出。并 且在２４个电压模块有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 图３脉冲电源控制器硬件原理图 图４给出控制器输出信号波形，实验仿真了 本文采用先进的单片机 ＦＰＧＡ技术，以全硬 ２４路电压模块。其中：ｃｌｋ是频率为２ＭＨＺ的系统 件的控制方式实现了原油电脱水高频高压脉冲电源 工作时钟，ｃｏｕｎｔｅｒ—ａｂｌｅ是计数器使能信号，Ｄｉｎ 控制器，从根本上提高了电脱水系统运行的安全性 是待测的Ｖ／Ｆ频率输入信号，ｈ＿ｄａｔａ，ｌ＿ｄａｔａ是主 和可靠性，提高了脱水效率，改善了脱水性能。通过 ＰＷＭ输入的高、低电平值，ｌｏａｄ为计数器数据载 实验室的全面仿真测试，验证了方案的可行性，为原 人信号，ＳＥＬ为根据负载实时变化需要开通的模块 油电脱水高频高压脉冲电源的开发奠定了基础。 数，Ｗ１，Ｗ２，………Ｗ２４为电源用来斩波的脉冲 参考文献： 控制信号。 ［１］张建，高压脉冲直流电场影响原油乳状液破乳的机理［Ｊ］，油气 田地面工程，２００４，１（２３）：１３—１５． ［２］王风巢、余一刚、赵忠杰，复合驱采出液电脱水技术研究［Ｊ］，油 气田地面工程，２００２，２１（４）：５７． ［３］Ｍａｕｌａｔ ０，Ｒｏｃｈｅ Ｍ，Ｃｏｅｕｒ Ｆ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｎｅｗ Ｌｉｎｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｈｉｇｈ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｐ［ａｓｍａ Ｂａｓｅｄ Ｉ－ ｃｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊ Ｖａｅ Ｓｃｉ Ｔｅｃｈｎｏｌ，１９９９，Ｂ１７（２）：８７９— ８８２． ［４］Ｂａｉｌｅｓ Ｐ Ｊ，Ｌａｒｋａｉ Ｓ Ｋ Ｌ．Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ Ｔｈｅ Ｕｓｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ ｄｃ ｆｉｅｌｄｓ ｆｏｒ ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｓｅｐａｒａ． ｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ Ｉ，Ｃｈｅｍ，Ｅｎｇ，１９８１，５９（３）：２２９—２３５． ［５］王凤巢、张建、崔景亭，高频脉冲脱水机理，石油规划设计，１９９８ （３）：３６—３７． ［６］梁志珊，高频高压脉冲电源［Ｐ］，实用新型专利，２００６２０００２３６４， ‘ｒ ｎ ｒ’Ｈ ｎ ｎ… 一ｈ Ｈ— ４，２００７，３，２１． 图４控制器２４路输出信号波形 ［７］高峰，５００ｋＷ ＰＳＭ短波发射机可编程控制功率模块的研制，广 播与电视技术，２００４（１０）：３３—４１． ［８］张文利、彭燕昌、孙广平等，高压开关电源的研制［Ｊ］，高压电技 术，２００２，２８（１１）：３６～３７． ［９］张恩军，大功率特种脉冲电源控制器研究，［硕士学位］，西安理 图５控制器单路输出信号放大波形 工大学，２００４，３．
