一種新型矩形波原油脫水電源系統研制

王一帆

（西南石油大學，四川 成都610500）

目前，在當前中國經濟的迅速騰飛的局面下，能源需求也在不斷增長。石油作為“工業的血液”，在我國能源結構中具有不可替代的地位[1]。而在現有的各種破乳脫水工藝中，電脫水法具有脫水效率高、響應快、能耗低、污染小等優點，因此在世界范圍內獲得廣泛應用[2]～[3]。

文獻[4]提出一種基于H4 橋的矩形波交流電脫水方法，其具有高頻交變的脈沖式輸出電場，脫水效率較高，能量利用率高，因此得到了廣泛的應用。然而，由于其輸出電壓幅值在幾十伏到一百伏之間，無法應用于高電壓、大功率工作場合[4]～[6]。

相比于文獻[4]所提出的電路，本文在電路中增加了兩個全控型開關管以及在H 橋的橋臂之間跨接了兩個高性能二極管，使得輸出的電壓具有更高的可靠性，廣泛應用于各大功率場合[7]。

因此，本設計采用H6 橋逆變電路(ICDLCI-H6)作為矩形波生成電路，并研究H6 橋逆變電路的工作模態和控制策略。最后，對整個矩形波原油脫水電源系統進行仿真驗證。

1 電源電路結構分析

1.1 電源主電路拓撲

本文所提出的矩形波原油脫水電源電路拓撲結構如圖1 所示。圖中，二極管D1～D6與C0組成三相全橋不可控整流電路；R0與K0組成緩沖電路，防止電路中電流過大，對電容C0造成損壞；VT0為功率開關管IGBT，D0為續流二極管，開關管VT0與二極管D0、電容C1、電感L0組成BUCK 變換電路，將整流濾波后直流電壓的幅值降低；S1～S6為功率開關管；R1為變壓器T 二次側的輸出電壓；N1、N2分別為變壓器T 的一次側繞組和二次側繞組（如圖1）。

1.2 ICDLCI-H6 電路拓撲及其工作原理分析

ICDLCI-H6 電路如圖2 所示。圖中，E 為電路輸入電壓；S1～S6為全控型開關管；N1、N2分別為變壓器T 的一次側和二次側；R1為變壓器T 二次側的輸出電阻；Uout為變壓器T 二次側的輸出電壓；D7和D8為耐高壓高性能的續流二極管。

為分析ICDLCI-H6 的工作情況，設從開關管S5的發射極到電感LN1為電流i1的正方向，變壓器T 繞組的匝數比為KN。根據方向和S1～S6的開通、關斷情況，可將ICDLCI-H6 系統分為四種工作模態，其等效電路分別如圖3(a)-(d)所示。

圖2 ICDLCI-H6 拓撲結構

工作模態1：圖3(a)為當i1＞0，S5導通，S2、S3和S6關斷，S1和S4按照同樣的驅動信號導通時，為工作模態1 的等效電路。此時E、S1、S5、N1和S4構成正向充電閉合回路，i1對N1進行正向充電，電感電流i1增加，變壓器輸出電壓Uout=KNE。

工作模態2：圖3(b)為當i1＞0，S5導通，S1、S2、S3、S4和S6關斷時，為工作模態2 的等效電路。此時D8、S5和N1構成正向放電閉合回路，N1對電路進行正向放電，電感電流i1減小，變壓器輸出電壓Uout=0。

工作模態3：圖3(c)為當i1＜0，S6導通，S1、S4和S5關斷，S2和S3按照同樣的驅動信號導通，為工作模態3 的等效電路。此時E、S2、S6、N1和S3構成充電閉合回路，i1對N1進行反向充電，電感電流i1增加，變壓器輸出電壓Uout= -KNE。

工作模態4：圖3(d)為當i1＜0，S6導通，S1、S2、S3、S4和S5關斷時，為工作模態4 的等效電路。此時D7、S6、和N1構成反向放電閉合回路，N1對電路進行反向放電，電感電流i1減小，變壓器輸出電壓Uout=0。在經過一個周期的模態轉換后，變壓器輸出電壓Uout在-KNE～KNE 之間周期變化，為三電平輸出的單相矩形波交流電壓。而對電路輸入電壓的頻率和幅值進行調節，也可得到相應的矩形波輸出電壓，并且輸出電壓的幅值得到了明顯的提升。

圖3 ICDLCI-H6 工作模態與等效電路

2 仿真驗證

本文基于Matlab/Simulink 平臺，對前文所給出的電路結構的準確性進行驗證。

輸入電壓為380V/50Hz 的三相交流電。當設置參考電壓為160 V 時，輸出電壓Uo1平均值為159.8 V，無超調量，響應時間較快。

由仿真結果可知，在升壓電路中，設置變壓器變比為1：2000，經過升壓調幅后，輸出頻率為1kHz、幅值為8KV 的單相矩形波UOR，如圖4 所示。

圖4 電源輸出電壓波形

根據電源技術指標要求，電源輸出電壓的幅值和頻率要求可調，故將輸出電壓的頻率和幅值分別設為1 kHz/16 KV、2 kHz/16 KV 以模擬實際生產中對脫水電源性能的要求，此時輸出波形如圖5(a)～(b)所示。

圖5 不同幅值和頻率的輸出電壓波形

由仿真結果可知，電路的輸出波形較為穩定，滿足輸出幅值和頻率可調的設計要求，能較好地滿足原油脫水作業工程實際的需求。

3 原油含水率與脫水效率分析

3.1 低含水原油

低含水原油指含水率小于30%的原油，破乳較為簡便，化學破乳劑的耗量僅為所處理原油乳化液的1～10ppm。由于不同含水量的原油其介電常數不同，其中不含水原油的相對介電常數約為2.6，含水為20%的原油介電常數約為3.3。

以100m3、60℃的30%含水原油為例，設水珠半徑r=0.2μm，r/s=1，脫水罐電極間距為50cm。具體的二段式化學- 電聯合脫水方案為：加入500g 聚氧乙烯聚丙乙烯嵌段聚醚型破乳劑，沉降至油水分離后置于12 kV/10 kHz 的矩形波電場中。由公式

可以得出，此時的偶極聚結力為0.372×10-6N。由表1 可得出，此時的脫水后原油含水率約為2.2%，滿足原油集輸需求，但仍需進行進一步脫水處理以達到商品油指標。

3.2 高含水原油

高含水原油指含水率高于30%的原油，破乳較為困難，化學破乳劑的耗量為所處理原油乳化液的25-60ppm。50%含水量原油的相對介電常數約為4.7。

以100 m3、60℃的50%含水原油為例，設水珠半徑r=0.2μm，r/s=1，脫水罐電極間距為50cm。具體的二段式化學- 電聯合脫水方案為：加入1000 g 聚氧乙烯聚丙乙烯嵌段聚醚型破乳劑，沉降至油水分離后置于16 kv/5 kHz 的矩形波電場中。

最后，由公式(1)可以計算得出，此時的偶極聚結力為1.33×10-6N。根據表1 得出，此時的脫水后原油含水率約為0.7%，脫水效果顯著。

4 結論

通過對本文提出新型矩形波交流脫水電源主電路的電路結構、工作模態分析和研究，可得出以下結論：

4.1 H6 橋逆變電路采用電感電流單閉環控制，得到電源電路輸出電壓為單相矩形波。通過調節輸入電壓的頻率和幅值，實現了幅值和頻率可調的矩形波輸出要求，且電路輸出電壓的波形較為穩定，能較好的滿足實際需求，具有高可靠性的特點。

表1 聚結力大小與脫水后原油含水率關系

4.2 在含水率不同的原油下，本文所提出的電源都能夠實現原油的高效率脫水，使原油脫水后的含水率在2.2%以下，脫水效果顯著。