1、本科毕业论文（20 届）基于单片机的原油电脱水控制器设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文基于单片机的原油电脱水控制器设计摘 要原油脱水是石油生产过程中一个不可或缺的环节。由于各地原油组成、含水率差异较大，各个油田采用的脱水方法也不尽相同。目前，电脱水是各大油田普遍采用的原油脱水方法之一。为实现对原油乳化液的高效和稳定脱水，通过阅读大量文献，结合以往科研实践，设计了出一套基于单片机的原油电脱水控制器，本文主要研究内容如下：首先，分析课题背景，简要总结了国内外原油脱水技术发展现状。在此基础上，重点论述了原油电脱水机
2、理，引出高频脉冲电脱水理论，为后文控制器设计建立理论基础。第二，在引用主电路的基础上，利用电子技术、单片机技术对原油电脱水控制器硬件电路进行了设计，介绍了所用器件基本工作原理，并给出相应的电路设计图。第三，结合硬件电路，运用 C51 语言，对原油电脱水系统软件部分进行设计与调试。使装置实现设定显示、采集测量、自动调压、过流保护等功能。最后，通过实验测量以验证方案的可行性与稳定性，诣在为日后改进提供数据与思路。 关键词 原油电脱水；高频脉冲；全桥逆变；单片机哈尔滨理工大学学士学位论文IIThe Design of SCM-Based Electric Dehydration Controller
3、 for Crude OilAbstractThe dehydration of crude oil is a necessary procedure in the oil production.Different methods of dehydration are utilized considering the component of crude oil in different places, and electric dehydration is one of the most universal methods in nowadays. To realize the high e
4、fficiency of oil emulsion and stable dehydration, through extensive reading of literature combined with previous research practice, an electric dehydration control system based on single chip microcomputer is developed . The following research workhas been carried out: First of all, analysis subject
5、 background, this paper summarized the recently situation of the development of the crude oil dehydration technology briefly. Based on this, the electric dehydration mechanism is introduced with great emphasis, leads to a rectangular pulse electric dehydration theory,which offers the theoretical bas
6、is for the controller design.Second, by citing main circuit design, the hardware of electric dehydration system is designed utilizing power electronic technology and MCU.The circuit design and involved microchip introduces are also given in this part.Third, combined with the hardware circuit design,
7、 using C51 language, software of electric dehydration control system is designed out and debugged,achieving functions such as automatic voltage regulation, over current protection measurement setting and display ,etc.Finally, test and verify the feasibility and stability of the scheme through 哈尔滨理工大
8、学学士学位论文IIIthe experiment,during which gather the datas and ideas for further development.Keywords crude oil electric dehydration; high-frequency pulse; full bridge inverter; SCM哈尔滨理工大学学士学位论文IV目 录摘要 .IABSTRACT.II第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景 .11.2 国内外研究现状及发展趋势 .21.2.1 物理破乳法 .21.2.2 化学破乳法 .31.2.3 生物破乳法 .31.2
9、.4 膜破乳法 .31.3 原油电脱水原理 .41.3.1 电致聚结机理 .41.3.2 高频脉冲电脱水原理 .41.3.3 电极结构与布局 .51.4 本文研究内容 .6第 2 章 原油电脱水控制电路设计 .72.1 高频脉冲供电装置的组成 .72.2 主电路的引用分析 .72.3 控制器硬件电路的设计 .72.3.1 数据采集部分 .72.3.2 输出控制 部分 .92.3.3 单片机控制 部分 .102.3.4 按键显 示部分 .132.3.5 供电电路部分 .152.4 本章小结 .15第 3 章 控制器软件设计 .163.1 软件设计环境 .163.1.1 软件开发流程 .163.1
10、.2 编程语言对比 .173.1.3 编译软件选择 .173.2 程序编写 .193.2.1 主 程序 .193.2.2 设定子程序 .203.2.3 运行子程序 .213.3 调试与实验 .223.4 本章小结 .27哈尔滨理工大学学士学位论文V结论 .28致谢 .29参考文 献 .30附录 A 原油电脱水控制器程序 .32附录 B 英文文献翻译 .49哈尔滨理工大学学士学位论文1第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景、目的石油在人类生产和生活中占有重要的地位。油田生产中为了保持油层压力、实现油井长期高产稳产会向地层中注入与采出液等量的水，所以开采出来的石油实际上是油和水的混合物。随着注水量
11、的增加,原油含水率不断上升。 “水”几乎是油的“永远伴生者” ，世界各地所产原油 7080%含水,水的含量从 12%到 8090%，而其中 95%是稳定的“油包水”型乳化液。原油含水给油田生产、输送及油库存储带来一系列困难，具体表现在以下几个方面：首先，增大了油井采出液的体积，降低了原油集输管道等设备的有效利用率。其次，增加了管道输送中的动力损耗和输油过程中对原油升温的燃料消耗。另外，水中所含各种腐蚀性化学物质，会引起金属管道和设备的结垢与腐蚀。此外，原油中含的有盐和水，还会对炼油厂原油加工过程造成危害 1。因此，原油脱水是石油生产过程中一个不可缺少的环节，对原油的含水率也有严格要求。我国目前
12、规定原油的含水率为0.5%以下。我国陆上油田开采量巨大，大部分已进入开发后期，许多油田采出原油含水率达到 80%以上，部分油田已超过 90%2。从表 1-1 可以看出项目相关油田产量增长缓慢，甚至有所下降。随着油田进入高含水开采阶段，为维持产量，增加采出率、采收率的各种方法和措施不断发展，促使原油增产的各种化学药剂普遍使用。特别是三采工艺的应用与推广，大量驱油剂的使用，井下酸化、压裂、防砂处理等频繁作业，使采出液的组成和油水乳化状态更加复杂, 乳化液粘度大、颗粒细微, 原油乳化液越趋稳定，使破乳、沉降都更加困难 3。传统原油脱水技术，已不能很好地满足生产需求，因此能否开发出高效、节能、自动化程
13、度高的原油脱水系统，解决原油脱水难的问题，具有十分重要的意义。 表 1-1 项目相关油田近五年产量 （单位：万吨）油田/年份 2007 2008 2009 2010 2011大庆油田 4169 4020 4000 4000 4000辽河油田 1206 1205 1018 1019 1019克拉玛依油田 1197 1221 1089 1089 1090哈尔滨理工大学学士学位论文21.2 国内外研究现状及发展趋势从地层中开采出的原油不可避免地含有大量的水,主要以溶解水、悬浮水和乳化水为主，其中乳化水最为稳定，很难利用简单的方法使其自然分离。人们基于对原油乳化液性质及破乳机理的深入研究，进行了多年的
14、探索，开发出如下一系列应用物理、化学、生物、膜技术的可行方法。1.2.1 物理破乳法（1）自然沉降法 自然沉降是利用油水密度的差异将其进行分离的一种物理方法，这种方法设备简单、操作容易，但耗时长、效率低，无法处理粘度大、油水密度差小、含水率低的原油，所以多用于对原油中悬浮水的脱除，或作为高含水原油脱水前的预处理。目前通过原油乳化液加热和掺稀释油等方法对自然沉降法加以改进，提高了脱水效率。（2）机械分离法机械分离是依靠机械力的作用，促进油水分离的方法。离心沉降是机械分离的主要方法，借助设备在高转速下产生的离心力，可将油和水较为彻底的分离开，在实际应用中效果较好。（3）过滤法过滤法利用固体吸附剂作
15、为过滤材料，并制成破乳过滤柱。当原油进入过滤柱时，加压使乳化液通过滤料层，由于固体吸附剂的选择吸附性，乳化液中的水、盐类被吸附，乳化液油水界面膜被破坏。过滤材料上的水滴经多次吸附、过滤和聚结过程后离开滤柱，达到油水分离的目的。（4）超声波法超声波法是利用声波在媒质中传播产生的搅拌、聚结、空化、温热和负压等超声效应，与少量破乳剂共同作用，破坏油水界面膜，从而达到破乳脱水。超声波良好的传导性使得此方法适用于各种类型的乳化液。（5）微波辐射法微波辐射法利用的是微波辐射的热效应和非热效应。在微波辐射下，极性分子和带电液滴将随电场的变化迅速转动或产生电位移，导致双电层结构被破坏。同时极性分子间随电场高速
16、变化产生摩擦，使体系内部温度升高，有利于水分子的聚结、沉降，实现油水的分离 4。（6）磁处理法磁处理法是指对原油乳状液和破乳剂进行磁处理，然后再进行脱水。相关实验指出磁处理会使离子和分子的电偶极矩受到挠动，电极化作用减小，改变水、原油乳化液、破乳剂的一些性质，如油水层表面张力、破乳剂活性、原油粘度等，从而改善其流变和脱水性能，提高破乳功效，减少破乳剂的加入量，有利于脱水。但目前此技术尚不成熟 5。 哈尔滨理工大学学士学位论文3（7）研磨法此方法的作用机理分为 2 个步骤:过滤和研磨。过滤过程中,乳状液内相液滴在研磨剂表面铺展成膜并进一步聚结；研磨过程中，通过研磨剂粒子间的有效碰撞对分散液滴产生
17、的磨擦力和剪切力，促使液滴发生变形并相互接触，然后在研磨剂表面的液膜层聚结，导致破乳 6。（8）电破乳法 电破乳法是使原油乳状液处于高强度电场之中，在电场力的作用下水颗粒被极化并发生碰撞、聚结，最后在重力及电场力的联合作用下从原油中沉降出来，实现油水分离的方法。根据供电电场特性的不同可以将电脱水分为直流电场脱水、交流电场脱水、交直流混合电场脱水、脉冲电场脱水。其中脉冲电场脱水作为近几年新研究开发的电场形式正以其高效节能、稳定可靠的优点逐渐成为油田原油脱水的主要发展方向之一。1.2.2 化学破乳法（1）破乳剂法破乳剂法是向原油乳化液中添加化学破乳剂，由于破乳剂界面活性高，能吸附或部分置换油水界面
18、上的乳化剂，降低界面膜强度，导致界面膜破坏，将膜内包裹的水释放出来，相互聚结后，依靠自身重力作用沉降、分离，达到破乳目的，是近代破乳脱水普遍采用的一种方法。但破乳剂适应性差，为满足生产装置的需求需频繁更换。（2）电解质法破乳所需正离子浓度主要由正离子价数决定，一些金属离子在一定的pH 值条件下水解生成难溶的氢氧化物胶体，借助于范德华力，在配位键等化学作用下发生吸附现象，产生凝聚。同时，高价正离子能压缩扩散双电层，降低动电位，促使油珠相互靠近发生凝聚，使乳状液破乳 7。1.2.3 生物破乳法生物法利用微生物对原油乳状液进行破乳。某些微生物生长需要消耗表面活性剂并会对乳化剂起生物变构作用，致使乳化
19、液破坏。另外，有些微生物会分泌出具有表面活性的代谢产物，可以作为乳化液的良好的破乳剂。从而实现原油脱水。此项技术具有环保、效率高、药剂用量低的特点，但由于成本较高，限制了应用。1.2.4 膜破乳法（1）有机微滤膜法有机微滤膜的破乳效果与微滤膜的亲和性及乳化液的性质有关。破乳过程中，O/W 型乳状液中的分散相液滴首先在膜表面润湿，发生聚集，超过一定范围时，液滴不可逆地聚结成大液滴，这些聚结的有机相在一定压哈尔滨理工大学学士学位论文4力作用下通过膜孔，同时水相也连续地通过膜孔。过孔后的有机相与水相很容易实现进一步分相，离开原来的分散介质，从而使油水得到很好的分离 8。（2）微孔膜法微孔膜破乳法的破
20、乳效果与膜孔径、透膜压力等因素有关。为使乳状液液滴能充分聚结, 膜孔径应尽量小。同时,为防止液体流速过大、乳状液液滴随液体做总体流动，透膜压力应控制在较小的范围内，从而进行破乳 9。随着原油脱水难度加大，单一的破乳方法已达不到要求,多种破乳法的联合使用，能大幅度提高破乳效率 4。面对资源的日益枯竭及强化采油技术对原油脱水造成的困难，本着可持续发展的理念和要求，开发一种高效、低耗、便捷、环保的破乳技术将具有及其重要意义。比较上述方法可以预见，生物法等凭借其高效低污染的优势，具有更大的发展空间。1.3 原油电脱水原理实际生产中，电脱水因快速、高效、处理量大等优点，在油田生产中应用最多。电破乳过程简
21、单的可以归结为三个过程：水滴的电致诱导水滴碰撞聚结油水沉降分离 10。1.3.1 电致聚结机理（1）电泳聚结电泳聚结根据异性电荷相吸引的原理，在固定的电场中，使带有不同极性的水颗粒向着相反的方向运动，产生碰撞，削弱界面膜强度直至其破裂，合成较大水滴便于沉降。而未产生碰撞的水颗粒会运动到极板附近，并在其上聚结，使原油中大量小水滴在电极区附近析出。（2）极偶聚结极偶聚结的原理为水滴在电场作用下发生极化，两端带上不同极性的电荷，相邻水滴正负偶极相互吸引，受力作用的水滴发生形变并削弱了界面膜的机械强度，吸引力使水滴相互碰撞，合并成大水滴，从原油中沉降分离出来。这种聚结方式称为偶极聚结。（3）振荡聚结交流下，电场方向频繁变化，电荷极性随之变化。反复振荡使水滴界面膜不断地受到冲击，使其机械强度降低甚至破裂，水滴相撞而聚结成大水滴，从原油中分离出来。这种聚结方式称为振荡聚结。1.3.2 高频脉冲电脱水原理原油电脱水技术发展至今，电场的选择经历了从直、交流电场，交/直双电场到高频脉冲电场的变化。各电场方式特点对比如表 1-2 所示。
