專利名稱：原油脫水電源控制參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種原油脫水電源控制參數(shù)的優(yōu)化控制系統(tǒng)及其方法，具體地說是一 種依靠電場力的作用對油包水型乳化液進行破乳脫水裝置的具有自學習功能的變步長自 尋優(yōu)控制系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
電破乳脫水其原理是在含水原油內(nèi)部建立高壓電場，水滴間因受到電場力的作用 而發(fā)生碰撞，多個小水滴聚結(jié)成大水滴，在重力的作用下從油中分離出來。根據(jù)供電方式 不同可以將電脫水分為直流電場脫水、交流電場脫水、交直流電場脫水、脈沖電場脫水等。 脫水電源大多采用單相或三相工業(yè)交流電，用單相或三相變壓器送電，應用電壓為12 35kV。一般情況下采用交流電脫水，主要原因是交流供電系統(tǒng)無需整流裝置，供電設(shè)備和電 極結(jié)構(gòu)成本較低。如果要求水的脫除程度比較高，可采用直流電脫水或交直流雙電場脫水。目前，針對各大油田原油含水率超過50%這一情況，正在研究和推廣高頻脈沖電 脫水方法。國內(nèi)外電脫水技術(shù)發(fā)展概況如下(1)國內(nèi)電脫水技術(shù)概況國內(nèi)電脫水技術(shù)的發(fā)展大致可以分為三個階段。20世紀60年代以前處于摸索階 段，由于一些油田剛剛開發(fā)建設(shè)，油田原油脫水效果的不穩(wěn)定，給生產(chǎn)帶來很大的影響。60 年代，大慶油田對電脫水進行了專門的試驗研究，取得了一些成果。之后，由于設(shè)計、科研和 生產(chǎn)單位的共同努力，對電脫水機理有了深入的認識，重視了電場的作用。開始采用靜電場 對原油進行脫水。操作水平有了明顯提高。處理能力成倍提高，電耗也降低了 30% 80%， 在電脫水處理后原油含水率在5%以下，達到了商品油的要求。80年代以后，石油化工技術(shù) 的迅速發(fā)展，為了達到化工生產(chǎn)的要求，提高脫水率，引進了部分國外電脫水技術(shù)和設(shè)備， 使我國電脫水技術(shù)的發(fā)展進入了一個新的階段。近年來，國內(nèi)研制出高頻脈沖原油電脫水 裝置，在高含水原油的脫水處理上取得了有效的成果。目前油田原油電脫水方面的供電電 源雖然方式很多，但是均為正弦交流或者近似正弦交流，屬于緩慢變化的電場，對乳化膜的 沖擊力不強。(2)國外電脫水技術(shù)概況自從1909年原油電脫水工藝技術(shù)問世以來，幾十年間，眾多人員進行過一系列的 試驗研究，取得了大量技術(shù)成果，使電脫水的設(shè)備性能得到不斷地改進和提高。早期靜電場 技術(shù)在原油脫水分離中大都限于煉油廠中，只加工較干凈的原料，即只加工那些已經(jīng)在油 田中經(jīng)過某種程度處理的原油。到二十世紀五十年代，此項技術(shù)開始轉(zhuǎn)移到油田原油脫水 生產(chǎn)操作中。Petreco公司和Natco集團代表著目前世界上電脫水器和電脫鹽器研制開發(fā) 的最高水平。Petreco公司于20世紀60年代授權(quán)當時的Natco公司協(xié)助其在油田現(xiàn)場進 行電脫水器的生產(chǎn)推廣工作，從而使后者獲得了良好的發(fā)展機遇。Petreco公司目前的主要 產(chǎn)品有Bilectric系列電脫水/電脫鹽Silectric系列電脫水/電脫鹽Metercell系列靜 電沉降器等3類，尤其是在重油脫水方面積累了較為豐富的經(jīng)驗。Natco公司經(jīng)過數(shù)十年來的不斷研制開發(fā)，在電場設(shè)計、電源開發(fā)等方面形成了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高新 技術(shù)，在更名為Natco集團后通過兼并Axsia集團而成為世界上生產(chǎn)原油處理設(shè)備的霸主。 除了雙極處理器(DualPolarity)近10年來采用計算流體動力學(CFD)軟件對原油乳化液 在容器底部的流動分布問題進行改進之外，先后于1988、2002年開始首次商業(yè)化服務(wù)的動 態(tài)電脫鹽器(EDD)、雙頻處理器(Dual FrequencyTM)則集中體現(xiàn)了當代靜電聚結(jié)脫水(脫 鹽)技術(shù)的發(fā)展水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種原油脫水電源參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)及其方 法，針對原油乳化液的不同性質(zhì)，采用一種帶有自學習功能的變步長自尋優(yōu)控制方法，可用 于電源控制參數(shù)的調(diào)節(jié)和自尋優(yōu)，有利于含水原油內(nèi)部高壓電場力作用的有效發(fā)揮，使原 油中水滴的沉降速率大大加快，提高油水分離效果。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種原油脫水電源控制參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)，由整流電路1、濾波調(diào)壓電路2、逆變 電路3、變壓器4依次串接在一起構(gòu)成電源的主電路，其特殊之處在于主電路上還設(shè)有一個 變步長自尋優(yōu)智能控制器6，通過傳感器采樣電路采樣出原油脫水器內(nèi)的原油含水率的變 化情況，將這個變化的值轉(zhuǎn)變成電壓信號，送往控制器6，通過對一個周期內(nèi)前后兩個采樣 值的比較，控制器6分別控制的直流斬波調(diào)壓電路2的控制部分的PWM控制電路7和逆變 電路3的控制部分的PWM控制電路(8)輸出PWM驅(qū)動信號占空比的大小，控制IGBT開關(guān)器 件的導通，從而改變輸出電壓的最大值VH、最小值\、脈寬比D、基頻頻率F1和逆變頻率F2 的大?。黄渲?，最后輸出的電壓波形為雙頻率和雙電壓，即由兩個極限電壓值和兩個頻率值 和一個優(yōu)選基波波形決定的輸出信號為獲得最大脫水率的波形。控制器6通過波形控制參 數(shù)的優(yōu)化可改變輸出波形的形狀和脫水率，起到系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)和自尋優(yōu)控制的作用。實施原油脫水電源控制參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)的方法采用下述步驟將電壓的兩個極限值(即電壓最大值VH和電壓最小值VJ、基頻頻率F1、逆變頻 率F2和脈寬比D作為電源系統(tǒng)的5個輸出參數(shù)，在工藝實驗的基礎(chǔ)上，得到不同性質(zhì)的原 油乳狀液的脫水電源參數(shù)的比較好的可用于狀態(tài)建立的初始優(yōu)選值，在實驗初始優(yōu)選值的 基礎(chǔ)上通過自尋優(yōu)控制的方法得到與不同性質(zhì)的原油乳狀液相匹配的電源參數(shù)的具有自 學習功能的優(yōu)化最佳輸出值，即原油脫水系統(tǒng)在此電源參數(shù)輸出值工作時使得脫水效果最 好，使得脫水后的原油含水率達到優(yōu)化最小。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點本發(fā)明提出了一種原油脫水電源的控制參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)，該電源參數(shù)優(yōu)化智能 控制系統(tǒng)，針對原油乳化液的不同性質(zhì)，采用一種帶有自學習功能的變步長自尋優(yōu)控制方 法，可用于電源控制參數(shù)的調(diào)節(jié)和自尋優(yōu)，有利于含水原油內(nèi)部高壓電場力作用的有效發(fā) 揮，能夠增加對乳化膜的沖擊力，使原油中水滴的沉降速率大大加快，提高油水分離效果。


圖1為本發(fā)明原油脫水電源參數(shù)優(yōu)化智能控制系統(tǒng)原理框2為本發(fā)明控制參數(shù)流程圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述一種原油脫水電源控制參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)，由整流電路1、濾波調(diào)壓電路2、逆變 電路3、變壓器4依次串接在一起構(gòu)成電源的主電路，其中主電路上還設(shè)有一個變步長自 尋優(yōu)智能控制器6，通過傳感器采樣電路采樣出原油脫水器內(nèi)的原油含水率的變化情況，將 這個變化的值轉(zhuǎn)變成電壓信號，送往控制器6，通過對一個周期內(nèi)前后兩個采樣值的比較， 控制器6分別控制的直流斬波調(diào)壓電路2的控制部分的PWM控制電路7和逆變電路3的控 制部分的PWM控制電路8輸出PWM驅(qū)動信號占空比的大小，控制IGBT開關(guān)器件的導通，從 而改變輸出電壓的最大值VH、最小值\、脈寬比D、基頻頻率F1和逆變頻率F2的大??；其中， 最后輸出的電壓波形為雙頻率和雙電壓，即由兩個極限電壓值和兩個頻率值和一個優(yōu)選基 波波形決定的輸出信號為獲得最大脫水率的波形?？刂破?通過波形控制參數(shù)的優(yōu)化可改 變輸出波形的形狀和脫水率，起到系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)和自尋優(yōu)控制的作用。圖1是原油脫水電源參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)原理框圖，控制器6通過采樣電路傳感器 采樣原油脫水器內(nèi)原油含水率的變化情況，將這個變化值轉(zhuǎn)變成電壓信號，通過對一個周 期內(nèi)前后兩個采樣值的比較，改變控制器控制的PWM驅(qū)動信號占空比的大小，控制IGBT功 率開關(guān)器件的導通角大小，從而改變輸出電壓的最大、最小值、基頻頻率F1和逆變頻率F2 的大小。電源輸出參數(shù)最優(yōu)值的尋優(yōu)方法，即電源控制參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的控制方法，能夠在 保證原油脫水系統(tǒng)正常工作及環(huán)境變化的情況下，通過含水率的在線反饋值的比較，使用 變步長的控制計算方法，使得兩個極限電壓值、兩個頻率值、和脈寬比值逐步逼近使原油含 水率最小的電源控制參數(shù)輸出最優(yōu)值，達到最大限度地降低原油含水率的目的。采用PLC 為核心控制單元，對于電壓和頻率等參數(shù)的控制精度高，穩(wěn)定性好。在一般高頻電源設(shè)計 中，考慮到既滿足實際生產(chǎn)要求又要考慮到降低成本，因此選擇合適的控制方法并能夠與 PLC有效結(jié)合成為控制的關(guān)鍵。由圖2示出原油脫水電源參數(shù)變步長自尋優(yōu)控制方法，具體如下1、原油脫水控制參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍的確定原油脫水的控制參數(shù)是通過實驗獲得或數(shù)據(jù)庫已存的優(yōu)化參數(shù)存儲值，該控制參 數(shù)在實際應用中由于原油特性的變化不一定是適合的最佳參數(shù)，所以，為了找到最佳的原 油脫水控制參數(shù)，在原油脫水過程中，需要對控制參數(shù)微調(diào)，通過對不同控制參數(shù)的脫水效 果進行記錄、分析，以實際應用過程中大量的分析結(jié)果為依據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，找到針對不同 原油的最優(yōu)控制參數(shù)。經(jīng)實驗測試，原油脫水的主要控制參數(shù)包括(1)控制電壓控制電壓范圍為0. 7V 5. 7V，該控制電壓通過控制PWM驅(qū)動信號 輸出10 110V電壓到200變比的高頻變壓器，從而實現(xiàn)2kV 22kV的外加到脫水器電極 板上的電壓。(2)控制頻率控制頻率包括基頻頻率F1和逆變頻率F2，F(xiàn)1的范圍為1Hz 100Hz, F2 的范圍在 200Hz 2kHz。(3)控制脈寬比脈寬比的變化范圍在20% 70%之間變化。
2、原油脫水變步長自尋優(yōu)控制方法(1)狀態(tài)判斷方法原油含水率采樣環(huán)節(jié)采樣傳感器件輸出的電壓信號VII它反映的是原油含水率 的大小，當下一個周期信號過來時，控制器件由采樣電路得到又一個反映原油含水率的電 壓信號VI2，設(shè)A V = Vn-VI2,當A V彡0表示原油的含水率在減小，當A V < 0表示原油的 含水率在增大。(2)變步長方法原油脫水電源的每一個參數(shù)值都設(shè)定有其固有的初始步長STA，而且每個參數(shù)在
調(diào)節(jié)過程中都是相對獨立的，當控制系統(tǒng)對某一控制參數(shù)尋優(yōu)時，其余控制參數(shù)均保持不
變。只有當該控制參數(shù)尋優(yōu)結(jié)束后，對下一控制參數(shù)進行尋優(yōu)。以此類推，不再重復。當A V
=Vn-VI2, AV^O時，表明原油的含水率在減小，說明在該控制參數(shù)在輸出值為A時工作得
到的工藝參數(shù)還有一定的尋優(yōu)空間，故控制器將這種參數(shù)進行調(diào)節(jié)，即加大一個初始步長，
使得電源輸出這個參數(shù)值由A變?yōu)锳+STA，原油脫水系統(tǒng)繼續(xù)在該參數(shù)輸出值A(chǔ)+STA下進行
工作，控制器繼續(xù)采集原油含水率的電壓信號，如果采集的結(jié)果還是AV ^ 0，那么系統(tǒng)重
復上面的步驟，如果采集的結(jié)果是AV<0，那么表明原油的含水率在增大，說明這時的參
數(shù)輸出值B已經(jīng)超過的了此參數(shù)最優(yōu)值，故控制器將對該控制參數(shù)進行調(diào)節(jié)，即減少初始
步長的一半，使得電源輸出這個參數(shù)值由B變?yōu)锽-1/2STA，原油脫水系統(tǒng)繼續(xù)在B-1/2STA
的參數(shù)輸出值下進行工作，控制器繼續(xù)采集原油含水率的電壓信號，如果采集的結(jié)果還是
AV < 0，說明這時的參數(shù)輸出值C已經(jīng)超過此參數(shù)最優(yōu)值，但也說明該參數(shù)的最優(yōu)值就在
附近，采用較小步距的調(diào)節(jié)方式，可以提高頻率的跟蹤精度。故控制器將該參數(shù)進行調(diào)節(jié)，
即增加初始步長的四分之一，使得電源輸出這個參數(shù)值由C變?yōu)镃-1/4STA ；直至采集的結(jié)
果是時為止，說明這時的參數(shù)輸出值C還沒有達到此參數(shù)最優(yōu)值，但說明輸出參數(shù)
的最優(yōu)值就在附近，采用更小步距的調(diào)節(jié)方式，可以提高頻率的跟蹤精度。故控制器將這種
參數(shù)進行調(diào)節(jié)，即增加初始步長的四分之一，使得電源輸出這個參數(shù)值由C變?yōu)镃+1/4STA，
/i \
電源參數(shù)的控制就按照上述的方法重復下去，每一次的循環(huán)中，加減小步長的值；STA
直到找到滿足精度要求(使含水率最小的)最佳控制參數(shù)值為止。修訂步長的次數(shù)n可根 據(jù)具體情況設(shè)定，以減少無謂的計算機搜索開銷，控制參數(shù)調(diào)節(jié)流程圖如圖2所示。圖中僅 畫出一個控制參數(shù)的調(diào)節(jié)方法，待該參數(shù)調(diào)到最佳值時固定，然后調(diào)下一個控制參數(shù)，直到 所有參數(shù)調(diào)整完畢結(jié)束。此時系統(tǒng)僅進行監(jiān)控，只有當原油特性參數(shù)變化大于一定值時才 從新控制參數(shù)的搜索尋優(yōu)。(3)各個參數(shù)的起始步長的設(shè)定用PLC的電壓模擬量輸出控制PWM驅(qū)動信號，通過控制I/O通斷對該電壓信號進 行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的步長和步幅可以設(shè)定為默認值，并實時修改。以調(diào)節(jié)步幅為例，進行說明。 首先輸入需要的電壓值a，將該數(shù)值存入PLC寄存器D100，接通步幅控制開關(guān)XI，把一定值 b送入寄存去D102，然后對D100、D102執(zhí)行加法運算送入寄存器D100，將D100輸出給電壓 模擬量從而實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)?？刂齐妷?. 7V對應的極板電壓為2kV，5. 7V的控制電壓對應極板電壓為22kV，5V 的電壓差值對應20kV，PLC輸出電壓精度可以到0.01V，對應的極板電壓精度為200V，可以滿足實際應用中的硬度要求。所以，對電壓的調(diào)節(jié)步幅可以選擇0.05V或者稍大。由于控制頻率的范圍相差很大，所以電壓控制用到的線性調(diào)節(jié)不能滿足控制的要 求。這里采用分段的思路進行控制。基頻頻率F1，其頻率范圍為IHz 100Hz，把其的初始 步長設(shè)為5Hz。逆變頻率的范圍為200Hz 20kHz，把它的初始步長設(shè)為1kHz。脈寬比的控制是通過給定的電壓信號來控制逆變電路開關(guān)器件導通的占空比的 大小。在本系統(tǒng)中，當給定信號在0 1. 5V之間，當給定電壓為OV時對應的脈寬比為最 大值70%，當給定電壓為1. 5V時對應的脈寬比為最小值20%，PLC輸出電壓精度可以到 0.01V，他的初始步長可以設(shè)為0.05V可以滿足實際應用中的硬度要求。所以，對電壓的調(diào) 節(jié)步幅可以選擇0. OlV或者稍大。
權(quán)利要求
1.一種原油脫水電源控制參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)，由整流電路(1)、濾波調(diào)壓電路(2)、逆 變電路(3)、變壓器(4)依次串接在一起構(gòu)成電源的主電路，其特征在于所述的主電路上 還設(shè)有一個變步長自尋優(yōu)智能控制器(6)，通過傳感器采樣電路采樣出原油脫水器內(nèi)的原 油含水率的變化情況，將這個變化的值轉(zhuǎn)變成電壓信號，送往控制器(6)，通過對一個周期 內(nèi)前后兩個采樣值的比較，控制器(6)分別控制的直流斬波調(diào)壓電路⑵的控制部分的PWM 控制電路⑵和逆變電路(3)的控制部分的PWM控制電路⑶輸出PWM驅(qū)動信號占空比的 大小，控制IGBT開關(guān)器件的導通，從而改變輸出電壓的最大值VH、最小值VL、脈寬比D、基頻 頻率F1和逆變頻率F2的大?。黄渲?，最后輸出的電壓波形為雙頻率和雙電壓，即由兩個極 限電壓值和兩個頻率值和一個優(yōu)選基波波形決定的輸出信號為獲得最大脫水率的波形；控 制器(6)通過波形控制參數(shù)的優(yōu)化可改變輸出波形的形狀和脫水率，起到系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)和 自尋優(yōu)控制的作用。
2.一種實施權(quán)利要求1所述的原油脫水電源控制參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)的方法，其特征在 于采用下述步驟將電壓的兩個極限值(即電壓最大值VH和電壓最小值\)、基頻頻率F1、 逆變頻率F2和脈寬比D作為電源系統(tǒng)的5個輸出參數(shù)，在工藝實驗的基礎(chǔ)上，得到不同性 質(zhì)的原油乳狀液的脫水電源參數(shù)的比較好的可用于狀態(tài)建立的初始優(yōu)選值，在實驗初始優(yōu) 選值的基礎(chǔ)上通過自尋優(yōu)控制的方法得到與不同性質(zhì)的原油乳狀液相匹配的電源參數(shù)的 具有自學習功能的優(yōu)化最佳輸出值，即原油脫水系統(tǒng)在此電源參數(shù)輸出值工作時使得脫水 效果最好，使得脫水后的原油含水率達到優(yōu)化最小。
全文摘要
一種原油脫水電源控制參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)及其方法，主要是針對目前國內(nèi)外原油含水率高、脫水效果亟待提高的現(xiàn)狀，本發(fā)明從提高原油脫水效率出發(fā)，設(shè)計了一種原油脫水電源的控制參數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)，該電源參數(shù)優(yōu)化智能控制系統(tǒng)，針對原油乳化液的不同性質(zhì)，采用一種帶有自學習功能的變步長自尋優(yōu)控制方法，可用于電源控制參數(shù)的調(diào)節(jié)和自尋優(yōu)，有利于含水原油內(nèi)部高壓電場力作用的有效發(fā)揮，使原油中水滴的沉降速率大大加快，提高油水分離效果。
文檔編號C10G33/08GK102005936SQ20091009188
公開日2011年4月6日 申請日期2009年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者俞建榮, 初慶東, 林順英, 陳家慶, 陳曉雪 申請人:北京石油化工學院