畢業(yè)論文-原油電脫水綜合試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

PAGE哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：原油電脫水綜合試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)院、系：電氣與電子工程學(xué)院姓名：指導(dǎo)教師：系主任：2012年6月25哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文-PAGEII--PAGEIII-原油電脫水綜合試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)摘要隨著我國油田開發(fā)逐漸進(jìn)入中后期，多種采油技術(shù)被研制出來。原油采出液的含水量及粘度逐漸升高，這使得后期脫水處理變得困難。國內(nèi)外較成熟的電脫水技術(shù)多基于經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電脫水技術(shù)的研究主要依托于生產(chǎn)性試驗(yàn)裝置及生產(chǎn)裝置，然而對(duì)于不同供電方式下不同乳化液的作用機(jī)理方面的研究還不夠深入。為了能有針對(duì)性地研究不同原油采出液最適宜的脫水條件、分析脫水機(jī)理、觀察脫水過程中微觀粒子的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了原油電脫水綜合試驗(yàn)裝置，以期為原油電脫水機(jī)理的研究奠定良好基礎(chǔ)，具體研究工作如下：首先，本文對(duì)原油脫水的背景、目的及意義進(jìn)行了闡述，說明了國內(nèi)外的研究狀況和發(fā)展趨勢，介紹了破乳常用的幾種方法，并提出了本文主要研究內(nèi)容。其次，本文詳細(xì)的闡述了原油電脫水的基本原理，其中包括乳化液的破乳和三種聚結(jié)方式。三種聚結(jié)方式分別為偶極聚結(jié)、振蕩聚結(jié)、電泳聚結(jié)。再次，對(duì)原油電脫水裝置進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)了供電主電路，并對(duì)其進(jìn)行了仿真。分別對(duì)逆變電路的控制部分和驅(qū)動(dòng)部分給予詳細(xì)的設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了顯示部分，最后設(shè)計(jì)了加熱裝置、脫水電極、脫水罐、進(jìn)液調(diào)配罐、廢液罐和流速控制部分。最后，對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行了調(diào)試，并給出了總體裝置的實(shí)物圖、三種不同輸出方式的波形和整流波形，以及不同頻率和占空比的波形的對(duì)比。關(guān)鍵詞原油電脫水；高頻脈沖；IGBT；整流；逆變CrudeOilElectricDehydrationoftheComprehensiveExperimentalDesignoftheDeviceAbstractWiththeoilexplorationaccesstomid-lateperiod,varietyofoilrecoverytechniquesaredeveloped.Thewatercontentandviscosityofcrudeoilgraduallyincreased,whichmakeitdifficulttopost-dehydrationtreatment.Morematuretechnologyofelectricdehydrationathomeandabroadaremainlybasedonexperience,andtheresearchworkonelectricaldehydrationtechnologyarecarriedoutmainlybasedontheproductiontestequipmentandproductionequipment.However,thedehydrationmechanismresearchfordifferentemulsionunderdifferentpowersupplyisnotdeeplyenough.Inordertotargetedresearchthebestdehydrationconditionsfordifferentcrudeoilproducedfluid，analysisdehydrationmechanism,observethemovementphenomenonofmicroscopicparticlesduringthedehydrationprocess,Thispaperintroducesthedesignofcrudeoilelectricdehydrationexperimentcomprehensivedeviceisproposedtolookforwardtolayagoodfoundationfortheresearchofcrudeelectricdehydrationmechanism,theresearchworkiscarriedoutasfollow:Firstofall,thispaperdescribethebackgroundofthecrudeoildehydration,purposeandsignificance,thedomesticandinternationalresearchstatusanddevelopmenttrend,introducesseveralmethodsofcommonlyusedbrokenbreastandputsforwardthemaincontentofthispaper.Secondly,thispaperdiscussesthebasicprincipleofcrudeoilelectricdehydration,includingemulsionofemulsification,threecoalescenceandthreekindsofcoalescence:Dipolecoalescence,Oscillationsofcoalescence,Electrophoresisofcoalescence.Again,forcrudeoilelectricdehydrationdeviceintheoveralldesign,includingthepowersupplymaincircuitdesign,andanalysesthesimulation.Thecontroloftheinvertercircuitsarepartanddriveparttogiveadetaileddesign,atthesametime,thedesignthatpart,finallytoheatingdevice,dehydrationelectrode,totakeoffthewatertankto,intotheliquidpreparepot,wasteliquidtankandvelocitycontrolsection.Finally,thewholeinstallationcommissioning,andgivegeneraldeviceofthephysicalfigure,threedifferentwaysofoutputwaveformandrectificationwaveform,anddifferentfrequencyandoccupiesemptiescomparedtowavecontrast.Keywordscrudeoilelectricdehydration;highfrequencypulse;IGBT;rectifier;inverterPAGEII---PAGEV-目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論 11.1論文研究的背景、目的及意義 11.2國內(nèi)外的研究狀況和發(fā)展趨勢 21.3本文主要研究內(nèi)容 3第2章基本原理 52.1乳化液的破乳 52.2原油電破乳的基本原理 62.2.1偶極聚結(jié) 62.2.2振蕩聚結(jié) 72.2.3電泳聚結(jié) 7第3章原油電脫水裝置的總體設(shè)計(jì) 83.1供電主電路 83.1.1供電主電路設(shè)計(jì)方案 83.1.2主電路 83.1.3主電路仿真 93.2逆變電路 103.2.1控制電路設(shè)計(jì) 103.2.2IGBT驅(qū)動(dòng)電路 143.3高頻升壓器 163.4信號(hào)的處理和顯示部分的設(shè)計(jì) 163.4.1電量傳感器的選擇 163.4.2峰值檢波電路的設(shè)計(jì) 173.4.3峰值檢波電路仿真分析 183.4.4顯示模塊設(shè)計(jì) 193.5機(jī)械裝置的設(shè)計(jì) 203.5.1脫水罐及脫水電極的設(shè)計(jì) 203.5.2進(jìn)液調(diào)配罐與廢液罐 223.5.3加熱裝置的設(shè)計(jì) 233.5.4流速控制 24第4章試驗(yàn)裝置的調(diào)試 254.1試驗(yàn)裝置的調(diào)試 254.2本章小結(jié) 28結(jié)論 29致謝 30參考文獻(xiàn) 31附錄 33-PAGE10--PAGE48-緒論1.1論文研究的背景、目的及意義目前，油田的采油過程大概包含兩個(gè)時(shí)期，即含水開發(fā)期和無水采油期。對(duì)于含水開發(fā)期是所有油田都要經(jīng)歷的，尤其是開采原油時(shí)速度大和開發(fā)時(shí)采取注水強(qiáng)化的油田。一般情況下，無水采油期的時(shí)間比較短，油井具有出水早、原油含水率增長快的特點(diǎn)。原油含水不但增加了原油升高溫度時(shí)所需燃料的消耗，而且原油含水使體積增加了，這就導(dǎo)致在輸送、煉制、儲(chǔ)存的過程中大大增加了設(shè)備的負(fù)荷。因此，原油含水的害處非常大。但是在油田開發(fā)過程中，水幾乎都伴隨著原油的生產(chǎn)，特別是在油田開發(fā)的中后期，如果油井采不出來水，也就采不出來油了。所以原油的脫水問題就成為油田開發(fā)過程中所面臨的一個(gè)重要問題。在八十年代后期興起了三次采油技術(shù)的深度驅(qū)油技術(shù)，并且迅速的在我國各大油田得到推廣進(jìn)一步提高了原油的采收率。三次采油新技術(shù)是指在采油的過程中加入表面活性劑、聚合物、堿等驅(qū)油劑，以實(shí)現(xiàn)最大提高采油率的目的。隨著原油產(chǎn)量的增加，采用三次采油技術(shù)的采出液處理成為了首要難題。采出液中含有大量的乳化水、表面活性劑、新的表面活性劑，而新的表面活性劑是地層原油的有機(jī)酸與堿作用產(chǎn)生的。使采出液中W/O、O/W、O/W/O、W/O/W型乳化液長期共存，從而乳化狀態(tài)甚是復(fù)雜。由于堿的加入還使乳化液PH值升高、聚合物使乳化液粘度變大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，采出液破乳脫水的問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了原油生產(chǎn)的效率和油田輸出原油的質(zhì)量，原油脫水后得到的脫出水的凈化處理也非常困難[1,2,3]。在油田的生產(chǎn)、輸送及原油的存儲(chǔ)過程中，由于原油含水會(huì)對(duì)以下過程帶來一系列的危害。首先，由于原油含水使采出液的體積大增，這就會(huì)使原油在輸送、存儲(chǔ)及其它設(shè)備的有效利用率大大降低；再次，乳化液中的碳酸鹽、各種有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)會(huì)對(duì)管道等設(shè)備的造成嚴(yán)重的腐蝕，從而存在著重大的安全隱患。原油含水含鹽等問題除了上述主要危害外，使采出液的脫鹽脫水處理也面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。三次采油技術(shù)的推廣雖然在原油的產(chǎn)量有了提高，但是傳統(tǒng)的原油電脫水試驗(yàn)裝置對(duì)采出液的處理已不是那么理想。由于三次采油技術(shù)使用了大量驅(qū)油劑,這就導(dǎo)致采出液的成分和油水的乳化狀態(tài)變得甚是復(fù)雜,會(huì)給原油的破乳和小液滴的沉降帶來很大的問題,而且原油的導(dǎo)電性能增強(qiáng),造成電脫水器的極板間發(fā)生短路現(xiàn)象,面臨生產(chǎn)時(shí)控制電流大、高壓電場不穩(wěn)定、電能的泄漏加劇等問題[2,4,5]。以前的電脫水方式已經(jīng)不能解決處理上述問題。為了適應(yīng)高含水原油帶來的各種問題，油田在脫水處理技術(shù)上開拓了很多新思路，例如：采用新工藝來優(yōu)化現(xiàn)有脫水流程；研制新型高效破乳劑針對(duì)性的處理老化油；推廣新型脫水設(shè)備等。這些方法能否有效改善現(xiàn)有油田出現(xiàn)的脫水處理工藝問題，將對(duì)新型采油技術(shù)的推廣及老油田的增產(chǎn)具有極其重要的意義。1.2國內(nèi)外的研究狀況和發(fā)展趨勢目前，國內(nèi)外的大油田開采的原油主要是“W/O”型乳化液和“O/W”型乳化液兩種形式，由于該種乳化液具有的極強(qiáng)的穩(wěn)定性，所以油水很難能夠自然分離。因此，一直以來人們始終針對(duì)乳化液如何破壞其穩(wěn)定性這一關(guān)鍵性的問題，對(duì)原油的脫水技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和廣闊的探索。為了提高原油脫水的效率，目前，在國內(nèi)外已經(jīng)研究出來的原油脫水方法主要有以下幾種：1.沉降法：沉降法也稱重力式分離法，此方法的依據(jù)在于油水不相溶而且油水的密度不同，而能夠自然分離的一種方法。在高含水期常用此種方法進(jìn)行預(yù)脫水處理，脫水設(shè)備簡單和容易操作，原油中的大量的懸浮水能夠有效的脫除。但是此種脫水方式需要的時(shí)間較長、脫水效率低，不能用于粘度大、成分復(fù)雜、含水率低的原油進(jìn)行脫水[6,7]。2.過濾法：將乳化液流經(jīng)過濾柱，然后把乳化液通過加壓方式進(jìn)入到濾料層，由于固體乳化劑具有選擇吸附性，固體乳化劑可以將乳化液的水分離出來，實(shí)現(xiàn)了破乳的目的。但是過濾法的過濾柱的制作工藝繁雜，而且該過濾法對(duì)吸附劑的要求較高[8]。3.離心法：根據(jù)水和油的密度不同，乳化液中油水在高速的離心場作用下分離，從而達(dá)到破乳的目的，上述就是離心法。由于是在高速離心場的作用下，則離心場的場強(qiáng)越強(qiáng)，破乳的效果會(huì)越好。但是離心法也有缺點(diǎn)，該方法的設(shè)備在日常生活中維護(hù)較難，所以該方法只適合占地較小的情況下（如在實(shí)驗(yàn)室）使用[9,10]。4.化學(xué)破乳法：為了達(dá)到油水分離實(shí)現(xiàn)原油破乳的目的，對(duì)原油乳化液添加破乳劑以破壞界面膜。破乳過程中膠溶作用和頂替作用的強(qiáng)度可以隨著破乳劑用量的改變而改變?；瘜W(xué)法破乳法的優(yōu)點(diǎn)是簡單方便、可低溫作業(yè)、高效、快速，所以該方法廣泛用于原油破乳。缺點(diǎn)是破乳劑的應(yīng)用對(duì)象針對(duì)性較強(qiáng)，沒有針對(duì)性廣泛的破乳劑[11]。5.電破乳法：在電場力的作用下，處于電場中的原油乳化液的小水滴被極化，兩個(gè)小液滴靠近、排液、聚并，然后原油乳化液中的小水滴在重力和電場力的共同作用下沉降出來。根據(jù)原油的不同性質(zhì)和原油脫水后不同的含水量，電破乳法的原油脫水分為一、二、三級(jí)電脫水。由于電破乳的供電方式可以有交流電場、直流電場、交直流復(fù)合電場、脈沖電場四種電場形式，則對(duì)應(yīng)著四種不同的電脫水方式，分別是交流電場脫水、直流電場脫水、交直流復(fù)合電場脫水、脈沖電場脫水。其中脈沖電場有高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，是最近幾年新研究出來的電場形式，慢慢的成為原油脫水電破乳法的重要發(fā)展方向[12,13]。6.磁處理法：該方法首先對(duì)破乳劑和原油乳化液進(jìn)行磁處理，然后在進(jìn)行原油脫水。磁處理法的優(yōu)點(diǎn)是減少了破乳劑的使用量、脫水時(shí)的溫度降低從而降低了能源的消耗、提高了脫水后水的質(zhì)量、非常重要的是原油脫水效果大幅度提高了。但由于該方法還處于實(shí)驗(yàn)的研究階段，所以在原油脫水中還沒有得到推廣與應(yīng)用[14]。7.聲化學(xué)法：對(duì)于含有少量破乳劑的原油乳化液，利用聲波能量輻射來破壞乳化液的界面膜，以達(dá)到脫水的目的。具有很好傳導(dǎo)性的超聲波，使得各種類型的乳狀液都可以用聲化學(xué)法。超聲可以解決傳統(tǒng)的破乳劑用量及溫度問題，所以目前研究和應(yīng)用都比較廣泛[15]。8.微波輻射法：在微波輻射作用下在原油乳化液分子內(nèi)部形成高頻、變化的電磁場，破壞油水界面膜，實(shí)現(xiàn)油水分離的一種方法。此種方法處理的時(shí)間短，能量消耗較低，可以廣泛適用于各種油樣類型[16]。9.微生物法：利用微生物分泌的天然破乳劑對(duì)原油進(jìn)行破乳及微生物對(duì)原油乳狀液的變構(gòu)作用脫水的一種技術(shù)。此技術(shù)藥劑耗用量低、脫水時(shí)間短、脫水效率高、脫出水的水的質(zhì)量較好、運(yùn)行費(fèi)用低，且生物破乳劑無毒無害不污染環(huán)境。但是由于性價(jià)比的問題，最終是否能在工業(yè)應(yīng)用中推廣還需要進(jìn)一步研究[17]。近年來，國內(nèi)外原油脫水的方法很多，有的已經(jīng)在油田中應(yīng)用并推廣，有的還處于研發(fā)階段。這些新方法雖然都具有很多優(yōu)點(diǎn)及其各自的特點(diǎn)，但也存在著這樣那樣的不足。因此大多數(shù)方法在各大油田中仍然不能廣泛推廣，國內(nèi)外各大油田在不斷探索新的原油脫水方法時(shí)也不斷地完善改進(jìn)油田的地面處理工藝。如新型脫水裝置的開發(fā)、優(yōu)化原油處理工藝流程、老化油的預(yù)處理等。目前在各大油田生產(chǎn)中，應(yīng)用最多、脫水效率最高、經(jīng)濟(jì)性能最好的原油脫水方法還是優(yōu)先考慮電破乳脫水法。1.3本文主要研究內(nèi)容本文在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)下，介紹了原油脫水技術(shù)產(chǎn)生的背景，脫水技術(shù)發(fā)展的目的及意義，并概括地?cái)⑹隽藝鴥?nèi)外對(duì)脫水技術(shù)及脫水機(jī)理的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。本文主要的研究內(nèi)容是通過對(duì)原油電脫水綜合實(shí)驗(yàn)裝置研究，針對(duì)目前國內(nèi)外原油含水量高、原油乳化液組成成分復(fù)雜的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出了一套原油電脫水綜合試驗(yàn)裝置。本論文主要進(jìn)行了以下工作：（1）闡述了國內(nèi)外原油脫水的基本方法及發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)原油乳狀液的性質(zhì)及電破乳脫水的基本原理進(jìn)行了分析。（2）對(duì)原油電脫水綜合試驗(yàn)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)了供電主電路，設(shè)計(jì)供電主電路原理圖并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。其次，對(duì)逆變的控制部分和驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)，并對(duì)檢波電路仿真分析。同時(shí)設(shè)計(jì)了顯示部分并且簡單介紹了升壓器的變比。脫水部分的脫水電極、脫水罐、進(jìn)液調(diào)配罐、廢液罐和流速控制。最后，給出了整體裝置的實(shí)物圖及三種不同輸出形式的波形、整流波形和不同頻率、占空比的波形。（3）最后綜合全文對(duì)本次論文進(jìn)行總結(jié)?；驹碓碗娒撍硎菍⒃腿闋钜褐糜谥绷麟妶觥⒔涣麟妶?、交直流復(fù)合電場、脈沖電場中的一種電場中，在電場作用使得水滴極化，然后水滴碰撞、聚并。使水滴聚結(jié)成體積相對(duì)較大的水滴時(shí),在重力和電場力的作用下從原油中沉降分離出來。2.1乳化液的破乳原油乳狀液的形成和破乳過程幾乎覆蓋了原油脫水工藝的全過程,乳化液通常情況下是指水以微小液滴的形式分散地存在與之不能相互溶解的油相中,形成的多相分散體系具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。所形成的多相分散體系在熱力學(xué)上不是很穩(wěn)定，因而該體系中存在著較大的界面和界面能。由于原油中天然界面活性物質(zhì)大量的存在,所以原油形成了穩(wěn)定的乳化液。由于這些天然存在的乳化劑吸附在油水界面上,減小了界面能,增強(qiáng)了界面強(qiáng)度,形成具有一定強(qiáng)度的粘彈性界面膜,使小水滴之間的聚集難度大大增加。這些膜物質(zhì)主要是：瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、固體石蠟、有機(jī)酸(主要是環(huán)烷酸)及其鹽和其它微量的粘土固體顆粒。這些粘土粒子的作用是使水珠表面帶上負(fù)電荷,由于水珠間存在著靜電斥力,從而阻礙了水珠間的聚合,這也是致使原油乳狀液穩(wěn)定存在的原因。另外,采油過程中加入的各類表面活性劑也起到乳化穩(wěn)定作用[7]。設(shè)法消除或減弱乳化劑保護(hù)乳化液穩(wěn)定的能力，從而使乳化液失去穩(wěn)定性。即在外界能量作用下破壞油水界面上的吸附膜，最終實(shí)現(xiàn)油水分離。由此可見，原油脫水的關(guān)鍵在于破乳。液滴聚結(jié)破乳示意圖如圖2-1所示。圖2-1液滴聚結(jié)破乳示意圖在外加的能量作用，使兩個(gè)相鄰近的小水滴漸漸靠近，在外力破壞液滴界面膜以后，微小的小液滴通過排液、聚并等一系列過程形成更大的水滴。此過程在外加能量的作用下不斷地循環(huán)下去直至聚并的水滴足夠大時(shí)，在重力和外力的聯(lián)合作用下從原油中沉降分離出來，從而達(dá)到原油乳化液的油水分離的目的。2.2原油電破乳的基本原理在上世紀(jì)初，原油電破乳脫水方法開始出現(xiàn)，隨著電破乳機(jī)理逐漸推廣和對(duì)該機(jī)理認(rèn)識(shí)逐步加深，在近幾十年里電破乳技術(shù)得到了很大的進(jìn)展。根據(jù)施加在原油乳化液上的電場的特性可將電脫水破乳方法分為：交流（AC）電場脫水、直流（DC）電場脫水、交直流復(fù)合（AC/DC）電場脫水、脈沖（Pulse）電場脫水。在直流（DC）電場作用下乳化液中的小水滴除發(fā)生偶極聚結(jié)外主要以電泳聚結(jié)為主；在交流（AC）電場和脈沖（Pulse）電場作用下乳化液中的小水滴主要是以偶極聚結(jié)和振蕩聚結(jié)為主；三種聚結(jié)方式共同作用則在交直流復(fù)合電場中。在不同聚結(jié)方式的共同作用下，原油乳狀液的電性能發(fā)生變化，乳化狀態(tài)被破壞，小水滴之間發(fā)生聚并、小水滴粒徑變大，最終從原油中沉降分離出來[2]。2.2.1偶極聚結(jié)偶極聚結(jié)是在電場的作用下,使小水滴極化,并趨向在電力線的方向上呈直線排列,不同小水滴的正負(fù)端相互接近,在電場力的作用下破乳、聚結(jié)。所以它在整個(gè)電場內(nèi)進(jìn)行。原油乳狀液中的水滴在強(qiáng)電場作用下發(fā)生極化,使水滴兩端帶上不同異性的電荷,并與電力線方向平行，呈直線排列形成“水鏈”。由于彼此相鄰的水滴相互接近的一端帶有正負(fù)異性電荷而相互吸引,而使水滴互相碰撞,且合并成大水滴,在重力作用下從原油中沉降出來水滴間的聚結(jié)力可以用如下公式計(jì)算，（1）式中,K為常數(shù)；E為電場強(qiáng)度，kV/m；ɑ為水滴半徑，μm；d為兩水滴的中心距，cm。從（1）式中可以看出,水滴間的聚結(jié)力同電場強(qiáng)度的平方成正比,所以建立較高的電場強(qiáng)度，可以達(dá)到理想的脫水效果。水滴間的聚結(jié)力還同水滴半徑的6次方成正比,因而在原油電破乳時(shí)一旦發(fā)生偶極聚結(jié)后,隨著水滴半徑的不斷變大,水滴間的聚結(jié)力將越來越大。2.2.2振蕩聚結(jié)在交變電場下油包水型乳化液小水滴內(nèi)部發(fā)生周期性振蕩，在電場力的作用下小水滴的形狀發(fā)生改變，由球形變?yōu)闄E球形，導(dǎo)致油水界面膜不斷擴(kuò)大而變薄，降低了乳化液的穩(wěn)定性。小水滴除了本身不斷的振蕩跳動(dòng)外，還和相鄰小水滴之間發(fā)生碰撞并聚成更大的小水滴，這樣反復(fù)的過程最終完成聚結(jié)破乳使小水滴從原油中沉降分離出來。2.2.3電泳聚結(jié)在兩個(gè)平行的電極之間的原油乳化液，在電場作用下，小水滴向著與自身所帶的電荷極性相反的方向運(yùn)動(dòng)。在電泳過程中,在原油阻力的作用下小水滴被拉長而變形,大大降低了界面膜機(jī)械強(qiáng)度。與此同時(shí),油中小水滴和臨近小水滴發(fā)生碰撞,降低了界面膜機(jī)械強(qiáng)度,小水滴合并的難度降低,小水滴的體積變大，小水滴在重力作用下從原油中沉降分離出來，由于在電極附近小水滴的分布密集,小水滴碰撞合并的概率增加了,導(dǎo)致在電極附近的大量小水滴從原油中分離出來。原油電脫水裝置的總體設(shè)計(jì)原油電脫水綜合試驗(yàn)裝置主要由供電裝置和機(jī)械裝置組成，其中供電裝置主要由調(diào)壓、整流、濾波、逆變、高頻變壓器、高壓硅堆等幾部分組成。機(jī)械裝置主要由進(jìn)液調(diào)配罐、脫水罐、廢液罐、加熱循環(huán)裝置、流速控制等組成。3.1供電主電路3.1.1供電主電路設(shè)計(jì)方案原油電脫水綜合試驗(yàn)裝置的供電主電路主要由電源發(fā)生器和高頻變壓器組成，為電脫水器提供特種高壓電源，其輸出形式有一下幾種：直流輸出：電壓-15kV～+15kV無級(jí)可調(diào)。交流輸出：電壓0～30kV無級(jí)可調(diào)。脈沖輸出：電壓0～30kV無級(jí)可調(diào)。頻率0～5kHz無級(jí)可調(diào)，占空比0～45%可調(diào)。交流、直流和脈沖可單獨(dú)輸出，也可以復(fù)合輸出。主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖3-1主電路結(jié)構(gòu)框架圖如框架圖所示，單相220V交流電經(jīng)調(diào)壓器調(diào)節(jié)到所需幅值后分兩路輸出。一路經(jīng)整流電路形成波動(dòng)較大的直流電壓，直流電壓進(jìn)入濾波電容器，經(jīng)濾波后得到較穩(wěn)定的直流電壓，再通過IGBT逆變電路變換形成高頻方波脈沖，高頻方波脈沖經(jīng)高頻升壓變壓器升至試驗(yàn)所需電壓，又分為兩路輸出：一路經(jīng)高頻高壓整流硅堆整流后輸出高壓直流；一路直接輸出高頻高壓方波脈沖。另一路直接輸出調(diào)節(jié)好的交流電壓，經(jīng)高頻升壓變壓器升壓后輸出工頻高壓交流。3.1.2主電路脫水供電電源主電路由調(diào)壓、整流、濾波、逆變四部分組成，其原理圖如圖3-2所示。T1為調(diào)壓器，可實(shí)現(xiàn)電壓0～220V無級(jí)可調(diào)；整流電路采用單相橋式不可控整流，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電；C5為濾波電容；逆變電路采用兩組IGBT模塊構(gòu)成全橋電路，通過控制IGBT的導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)節(jié)輸出方波脈沖的頻率；T2為高頻脈沖升壓變壓器，用于將電壓升至試驗(yàn)所需的脫水電壓。圖3-2供電電源主電路原理圖3.1.3主電路仿真為了驗(yàn)證主電路的可行性，本論文應(yīng)用PSpice軟件對(duì)主電路進(jìn)行仿真，仿真電路如圖3-3所示。圖3-3主電路仿真原理圖輸入電壓為220V，則峰值電壓為311V，頻率為50Hz,為了保證二極管在使用過程中不被燒壞，在充分考慮安全裕度后，根據(jù)整流二極管的等級(jí)選取了20A/1000V的整流橋模塊。在仿真過程中，隨著濾波電容值的增加，波形逐漸平穩(wěn)，取值4700uF時(shí)波形比較理想。電壓整流后的波形如圖3-4所示。時(shí)間/m時(shí)間/ms電壓/V圖3-4電壓整流波形圖電壓/V在逆變電路中，為了保護(hù)IGBT在通斷瞬間不被損壞，必須對(duì)IGBT設(shè)置緩沖保護(hù)電路。緩沖電路采用RCD回路，在IGBT關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通D過向C分流，從而抑制了過電壓。經(jīng)過逆變后的電壓波形如圖電壓/V時(shí)間/時(shí)間/ms圖3-5IGBT電壓逆變波形圖3.2逆變電路3.2.1控制電路設(shè)計(jì)控制電路原理框圖如圖3-6所示。電參數(shù)給定單元給出一個(gè)確定的控制電壓信號(hào)，然后調(diào)制輸出具有相應(yīng)占空比的脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)主電路中的IGBT器件進(jìn)行控制，以調(diào)整逆變電源的輸出。同時(shí)，還有欠壓、過壓、過流及過熱等保護(hù)功能；當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，封鎖脈沖輸出，使逆變電源停止工作。圖3-6控制電路原理框圖其中，PWM控制電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，能夠產(chǎn)生一定占空比和特定頻率的方波，用于控制IGBT的關(guān)斷，這種功能由脈寬集成芯片及其外圍電路構(gòu)成。3.2.1.1集成脈寬調(diào)制芯片——SG3525目前，各大公司相繼開發(fā)出許多性能完善的單片集成脈寬調(diào)制型控制器，常用的脈寬調(diào)制芯片，如TL494、SG3525，UC3875等。本設(shè)計(jì)選用的是美國硅通用公司的產(chǎn)品SG3525系列，它包含了建立PWM控制型電源所需的功能，用一片集成電路和若干附加元件即可組成脈寬調(diào)制電路。相比于TL494來說，該芯片頻率調(diào)節(jié)范圍比較大，適合本設(shè)計(jì)的應(yīng)用。SG3525采用16腳封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3-7，由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟起動(dòng)電路等構(gòu)成[18]。圖3-7SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.2.1.2控制電路設(shè)計(jì)PWM集成塊SG3525外圍電路如圖3-8所示。圖3-8逆變控制電路圖（1）軟啟動(dòng)電路C3接在芯片的8腳，使電路具有軟啟動(dòng)功能，避免對(duì)IGBT器件的沖擊。電容值越大，充放電速度越慢，軟啟動(dòng)時(shí)間越長。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，8腳與9腳均同時(shí)具備控制占空比大小的功能。利用8腳設(shè)置占空比的最大值，控制最大輸出電壓，調(diào)節(jié)9腳電壓，使占空比從最小值到最大值之間變化。（2）頻率的設(shè)計(jì)SG3525振蕩電容CT接5腳，電阻RT接6腳，5腳與7腳之間接RD，CT的充電電流由RT決定，SG3525的振蕩頻率f由下式?jīng)Q定[19]：（3-11）采用可調(diào)電阻和并聯(lián)電容來改變電源頻率；通過波段開關(guān)改變并聯(lián)的電容個(gè)數(shù)（圖3-9），從而改變CT值，進(jìn)行頻率粗調(diào)；通過調(diào)節(jié)電位器，改變RT值進(jìn)行頻率細(xì)調(diào)。圖3-9等效電容（3）脈沖輸出SG3525芯片的11腳和14腳是具有圖騰柱結(jié)構(gòu)的兩路輸出，驅(qū)動(dòng)IGBT關(guān)斷時(shí)速度更快。11腳和14腳相位相差180°；拉電流和灌電流峰值達(dá)200mA。由于存在開閉滯后，使輸出和吸收間出現(xiàn)重迭導(dǎo)通。在重迭處有一個(gè)電流尖脈沖，波形不平整。在13腳處接1k電阻，波形就會(huì)很穩(wěn)定。（4）占空比調(diào)節(jié)由前面工作原理介紹可知，占空比由9腳輸入電壓控制，電壓越大，占空比越高。從而輸出等效電壓越大。調(diào)壓電路的控制電路，便由此功能實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)SG3525第9腳的電壓大小，改變輸出脈寬大小，通過驅(qū)動(dòng)電路，控制IGBT的導(dǎo)通，從而調(diào)節(jié)電壓輸出。（5）過壓、過流保護(hù)設(shè)計(jì)由于電脫水過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電場不穩(wěn)定的現(xiàn)象，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)控制電路進(jìn)行過壓過流保護(hù)是很有必要的，保護(hù)電路如圖4-9所示。圖3-10過壓、過電流保護(hù)電路圖保護(hù)電路采用LM311芯片作為比較器，將系統(tǒng)設(shè)定的電壓、電流值與測量值進(jìn)行對(duì)比。設(shè)定值通過電位器調(diào)節(jié)到一個(gè)定值，測量值則通過傳感器引線接入電路板。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過壓或過流情況時(shí)，F(xiàn)AL1輸出高電平信號(hào)，同時(shí)點(diǎn)亮故障指示燈，提醒電路故障。3.2.2IGBT驅(qū)動(dòng)電路3.2.2.1IGBT的驅(qū)動(dòng)要求IGBT柵極輸入阻抗很高，一般109范圍內(nèi)。驅(qū)動(dòng)負(fù)載基本上是純電容性的，驅(qū)動(dòng)它時(shí)，只需輸入電容的充放電電流，驅(qū)動(dòng)電路功耗很小，電路可按以下原則設(shè)計(jì)[20]：(1)IGBT是電壓型驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，具有一個(gè)2.5～5V的開柵門檻電壓，有一個(gè)電容性輸入阻抗，因此，IGBT對(duì)柵極電荷聚集非常敏感，所以驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一個(gè)低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。(2)用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極輸入電容充電和放電，以保證柵極電壓UGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。(3)柵極電壓UGE的大小必須綜合考慮，正的UGE增大，IGBT通態(tài)壓降和開通損耗下降，但負(fù)載短路時(shí)IC增大，對(duì)其保護(hù)和安全不利，一股選取正UGE=12～15V。關(guān)斷過程中，為盡快使柵極輸入電容放完電，并將IGBT置于反偏的最大安全工作區(qū)，應(yīng)施加一負(fù)偏壓UGE，但它受IGBT的GE間最大反向耐壓限制，一般取-10～-2V。(4)IGBT多應(yīng)用于高電壓場合，因此驅(qū)動(dòng)電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離，并保證能傳遞幾萬赫茲的脈沖信號(hào)。(5)在大電感的負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時(shí)間不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。(6)柵極電阻RG可選用IGBT產(chǎn)品書上給定的數(shù)值。但當(dāng)IGBT的容量加大時(shí)，分布電感產(chǎn)生的浪涌電壓與二極管恢復(fù)時(shí)的振蕩電壓增大，這將使柵極產(chǎn)生誤動(dòng)作，因此必須選用較大的電阻，盡管這樣做會(huì)增大損耗。目前，除了使用由分離元件組成IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路之外，大量使用的是模塊式的集成專用驅(qū)動(dòng)電路，常用的有TLP250，EXB841，M57959等。本設(shè)計(jì)選用EXB841。3.2.2.2EXB841是一種高速驅(qū)動(dòng)集成電路，最高使用頻率為40kHz，能驅(qū)動(dòng)400A/600V或者300A/1200V的IGBT，驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲小于1.5微秒，采用單電源20VEXB841的功能框圖如圖3-11所示。它主要由輸入隔離電路，驅(qū)動(dòng)放大電路，過流檢測及保護(hù)電路以及電源電路組成。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成，可隔離交流2500V的電壓信號(hào)。過流檢測及保護(hù)電路根據(jù)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電平和集電極電壓之間的關(guān)系，檢測是否有過流現(xiàn)象存在。如果有過流，保護(hù)電路將慢速關(guān)斷IGBT，以防止過快地關(guān)斷時(shí)而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢升高，使IGBT集電極電壓過高而損壞IGBT[21]。電源電路將20V外部供電電源變成+15V的開柵電壓和-5V的關(guān)柵電壓。EXB841的引腳定義如下：引腳1用于連接反偏置電源的濾波電容；引腳2和引腳9分別是電源和地；引腳3為驅(qū)動(dòng)輸出；引腳4、5用于外部的過流保護(hù)電路，以防止過流保護(hù)誤動(dòng)作；引腳6為IGBT集電極電壓監(jiān)視端；引腳14和引腳15為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端；其余引腳不用。圖3-11EXB841驅(qū)動(dòng)電路功能框圖采用EXB841集成電路驅(qū)動(dòng)IGBT的應(yīng)用電路如圖3-12所示。圖3-12EXB841驅(qū)動(dòng)電路IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)連線用雙絞線，以防止干擾[22]。如果IGBT的集電極產(chǎn)生大的電壓脈沖，可增加IGBT的柵極電阻阻值RG。驅(qū)動(dòng)脈沖使EXB841內(nèi)部的高速光電耦合器導(dǎo)通，在EXB841的引腳3輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，其中D1是15V的穩(wěn)壓管，使驅(qū)動(dòng)電平穩(wěn)定在15V。當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖消失時(shí)，引腳1和3之間出現(xiàn)-5V的電壓，使IGBT可靠關(guān)斷。而EXB84l的6腳電壓只有達(dá)到7.5V時(shí)，慢降柵壓功能才動(dòng)作，所以在引腳6和IGBT的集電極之間加入7.5V的穩(wěn)壓管。當(dāng)慢降柵壓開始時(shí)，EXB841的引腳5變?yōu)榈碗娖?，延時(shí)電路開始工作，當(dāng)EXB841的慢降柵壓結(jié)束時(shí)，IGBT的過流脈沖還未結(jié)束，這時(shí)經(jīng)過延時(shí)電路的工作后，輸出一個(gè)信號(hào)，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖；在頻繁的開關(guān)過程中，內(nèi)部穩(wěn)壓管DW1動(dòng)態(tài)功耗比較大，容易造成此穩(wěn)壓管的損壞，所以在外部并聯(lián)了一個(gè)相同容量的穩(wěn)壓管D3，有效地保護(hù)了此穩(wěn)壓管。SG3525輸出信號(hào)通過EXB841驅(qū)動(dòng)放大，來控制逆變橋的4個(gè)IGBT器件，如圖3-13所示。用1片SG3525連接4片EXB841，分別控制4個(gè)IGBT器件。圖3-13SG3525與EXB841連接圖3.3高頻升壓器在供電主電路設(shè)計(jì)中高頻升壓器的作用已經(jīng)闡述過，本文設(shè)計(jì)的變壓器的變比是1:100，由于高頻升壓器的輸出分為兩路，則每一路的變比減半為1:50，即在輸出高壓直流和高頻高壓方波脈沖時(shí)升壓變比為1:50，輸出高壓交流時(shí)的升壓變比為1:50。3.4信號(hào)的處理和顯示部分的設(shè)計(jì)3.4.1電量傳感器的選擇對(duì)原油乳化液進(jìn)行脫水時(shí)，我們應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測到脫水罐內(nèi)的高壓電極間的電壓與電流值。這就要求我們能在脫水時(shí)對(duì)極板之間的電壓值與電流值進(jìn)行采樣。因此，合適的電量傳感器對(duì)于上述問題非常重要。根據(jù)不同的工作原理電量傳感器可以分為頻率變換型、光電隔離型、霍爾效應(yīng)型、電磁隔離型及智能變送器。本文設(shè)計(jì)的原油電脫水的供電裝置系統(tǒng)是高頻逆變電路，電壓波形很不穩(wěn)定易產(chǎn)生畸變，如果測量交流脈沖的電壓和電流時(shí)用平均值原理容易產(chǎn)生誤差，所以應(yīng)測量交流脈沖的電壓和電流的有效值。考慮上述問題，系統(tǒng)采用CHV-50P/800型電壓傳感器和CHB-100SF型電流傳感器。CHB-100SF型電流傳感器采用霍爾磁補(bǔ)償工作原理，可隔離測量AC、DC及脈沖電流。額定測量電流100A，輸出電流100mA，輸出電壓5V；響應(yīng)時(shí)間小于1微秒，頻率范圍0～100kHz。測量位置分別為整流輸出及變壓器原邊。CHV-50P/800型電壓傳感器采用霍爾磁補(bǔ)償工作原理，可隔離測量AC、DC及脈沖電壓。額定測量電壓800V，輸出電流25mA，內(nèi)部取樣電阻200，輸出電壓5V；響應(yīng)時(shí)間40～200微秒，頻率范圍0～20kHz。測量位置為整流輸出。3.4.2峰值檢波電路的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，將傳統(tǒng)的精密全波整流電路改進(jìn)后便得到峰值檢波電路。對(duì)于電壓和電流信號(hào)在面板上的顯示本設(shè)計(jì)采用的是直流20V數(shù)字電壓表，需要直流信號(hào)才能輸入數(shù)碼表，所以需將電量傳感器輸出的交流信號(hào)進(jìn)行處理。例如測量電流，設(shè)峰值檢波電路入口信號(hào)為，經(jīng)峰值檢波電路處理后的輸出的信號(hào)為，峰值檢波電路如圖3-14所示。圖3-14峰值檢波電路原理圖其中，時(shí)：(3-12)時(shí)：(3-13)RB1、RB2為100/3W取樣電阻，當(dāng)外接電流傳感器時(shí)，經(jīng)過取樣電阻的電流傳感器的電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，為了得到要求的電壓信號(hào)，需要在峰值檢波電路中將電壓信號(hào)經(jīng)二級(jí)運(yùn)放運(yùn)算放大。則經(jīng)過峰值檢波電路放大的倍數(shù)為2倍,輸出的電壓8V，測得的電流80A。第三級(jí)為電壓跟隨器，本設(shè)計(jì)采用的是OP07電壓跟隨器。放大1倍，將此電壓跟隨器放在系統(tǒng)信號(hào)輸入端因而增大了系統(tǒng)的輸入阻抗，對(duì)于輸入信號(hào)的干擾大大減弱了。當(dāng)外接電壓傳感器時(shí)機(jī)理是同電流傳感器類似的，只需在峰值檢波電路中用10k精密電阻的取代取樣電阻，電壓傳感器信號(hào)則可直接使用，峰值檢波放大2倍，測量電壓600V，輸出電壓7.5V。3.4.3峰值檢波電路仿真分析為了驗(yàn)證對(duì)主電路工作過程的分析及設(shè)計(jì)方案的可行性，通過PSpice軟件對(duì)峰值檢波電路進(jìn)行了仿真分析。仿真電路圖如圖3-15所示：圖3-15峰值檢波電路仿真電路圖峰值檢波電路具體參數(shù)為單相交流輸入相電壓峰值4V，頻率50Hz；經(jīng)過仿真得到的波形圖如圖3-16所示：電壓/V電壓/V時(shí)間/s圖3-16頻率為50Hz的峰值檢波電路仿真波形時(shí)間/s時(shí)間/s電壓/V圖3-17頻率為1kHz的峰值檢波電路的仿真波形圖當(dāng)峰值檢波電路的輸入?yún)?shù)為1kHz時(shí)，仿真波形圖如圖3-17所示，當(dāng)頻率越高時(shí)其波形越穩(wěn)定，通過對(duì)峰值檢波電路的仿真，可以得出峰值檢波電路的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。3.4.4顯示模塊設(shè)計(jì)對(duì)檢測信號(hào)實(shí)時(shí)顯示的顯示部分采用的是MB4000型系列數(shù)字面板表，該表用來測量交直流的電壓值和電流值；采用了先進(jìn)的大規(guī)模集成電路即LSI的XL2000P系列數(shù)字頻率表用來顯示輸出電壓的頻率該系列數(shù)字頻率表的特點(diǎn)有：具有精密的線路設(shè)計(jì)，測量準(zhǔn)確度高，體積小且重量輕，厚度很薄僅僅77mm，其中用作數(shù)字顯示的是15mm的高亮度發(fā)光二極管，還有可以用來作為A/D變換器之用的各位數(shù)據(jù)輸出。此系列儀表的供電電源為交流電，使用非常方便，在科學(xué)研究、精密測量及工程應(yīng)用等方面應(yīng)用廣泛。儀表型號(hào)為MB4103的顯示儀用來顯示高壓信號(hào)和電流信號(hào)。量程范圍：-19.999V～+19.999V，允許輸入電壓的最大值±350V，分辨率為1mV。儀表型號(hào)為MB4305的顯示儀用來顯示低壓信號(hào)。量程為500V交流電，頻率范圍30Hz～1kHz，波形為正弦波，分辨率為100mV。儀表型號(hào)為XL2004P用來顯示頻率信號(hào)。輸入頻率信號(hào)幅度3V～250V，測量的頻率范圍為1Hz～99.999kHz，分辨率1Hz。3.5機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)3.5.1脫水罐及脫水電極的設(shè)計(jì)3.5.1.2脫水罐的設(shè)計(jì)在國內(nèi)大部分油田的電脫水方式一般采用交直流疊加電場脫水，工業(yè)上電脫水設(shè)備常常為臥式電脫水器，如圖3-18所示。在電脫水時(shí)電極兩端施加高壓電，則使極板間就會(huì)形成高壓電場，原油從脫水器下部管道進(jìn)入，先經(jīng)過弱的交變電場，在交流電場作用下發(fā)生振蕩聚結(jié)，能夠脫除較大水滴，脫除較大水滴后的原油向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)入直流強(qiáng)電場，原油中較小的乳化水滴受到電場極化而泳動(dòng)，即電泳聚結(jié)。打破包圍水分子的乳化膜，由于直流電場中的極板采用豎掛方式，水滴在直流電場中受力不平衡，在向鄰近極板電泳運(yùn)動(dòng)的同時(shí)不斷碰撞附近小水滴，最終聚結(jié)成大水滴在重力作下沉降出來[23]。圖3-18交直流電脫水器示意圖上述已經(jīng)簡單的介紹了工業(yè)中脫水罐的結(jié)構(gòu)和原理，接下來就試驗(yàn)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了滿足試驗(yàn)時(shí)能夠?qū)δM油進(jìn)行加熱與保溫，脫水罐采用了雙層結(jié)構(gòu)，這樣就可以在夾層中充入導(dǎo)熱油。脫水罐的外殼金屬結(jié)構(gòu)采用的是不銹鋼一體結(jié)構(gòu)，這樣脫水的密封性得以保證。為了便于觀察脫水時(shí)的現(xiàn)象，在脫水罐的前后采用的是鋼化玻璃。在上蓋上留有一個(gè)高壓套管接入口，套管采用的聚四氟乙烯制成。脫水罐的內(nèi)部尺寸為長150mm，寬120mm，高280mm。容積為5L。在脫水罐的左側(cè)底部安裝進(jìn)液管，在脫水罐的右側(cè)頂部安裝出液管，則脫水罐的設(shè)計(jì)與工業(yè)流程相符。脫水罐結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖如下。（1）結(jié)構(gòu)圖（2）實(shí)物圖圖3-19脫水罐結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖3.5.1.2脫水電極（1）電場形式電場是電脫水器最主要的組成部分,它的形式直接決定了脫水的效果。按照供電方式的不同,可將電場大致分為4類。交流電場、直接電場、交、直流雙電場、脈沖電場。為提高脫水效率，本文結(jié)合交流、直流電場優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)出交/直流雙電場。其原理為,電脫水器上部為直流電場,下部為交流電場,原油乳化液由電脫水器底部注入,先通過交流電場,利用振蕩聚結(jié)和偶極聚結(jié)脫去大部分水,而后乳化液進(jìn)入直流電場脫去。雙電場的應(yīng)用拓寬了電脫水器的使用范圍。（2）電極結(jié)構(gòu)與布局電場的形成與電源、電極結(jié)構(gòu)、電極布局都息息相關(guān)。獲得穩(wěn)定的電場強(qiáng)度、提高原油脫水效率、防止電擊穿都需要電極的結(jié)構(gòu)和布局合理，本文主要設(shè)計(jì)了平掛電極和豎掛電極。豎掛電極的設(shè)計(jì)如圖3-20所示，考慮到脫水罐的大小，電極的寬度選為80mm，長度為110mm，厚度1mm。為了避免電極邊緣產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，將極板邊角做成為半徑3mm的弧形圓角并去除毛刺。為了懸掛電極，在極板的一端打上兩個(gè)直徑為4mm的圓孔。圖3-20豎掛電極結(jié)構(gòu)圖在結(jié)構(gòu)上平掛電極時(shí)與豎掛電極相同，由于在脫水過程中小水滴收到重力的作用而向下運(yùn)動(dòng)，為了便于小水滴的運(yùn)動(dòng)，在極板上均勻打滿小圓孔。結(jié)構(gòu)如圖3-21所示。圖3-21平掛電極結(jié)構(gòu)圖3.5.2進(jìn)液調(diào)配罐與廢液罐3.5.2.1進(jìn)液調(diào)配罐進(jìn)液調(diào)配罐的主要用于調(diào)配試驗(yàn)所需的模擬油和增加安裝一個(gè)剪切機(jī)用來攪拌模擬油使模擬油與乳化劑充分的混合。為了對(duì)模擬油進(jìn)行加熱和保溫，罐體采用的是雙層結(jié)構(gòu)，夾層中充滿導(dǎo)熱油。導(dǎo)熱油從罐體底部流入，在側(cè)壁連接管流出。由于模擬油具有腐蝕性，所以罐體采用的是不銹鋼裝置。罐體的設(shè)計(jì)尺寸如下：罐體外圍直徑400mm，內(nèi)部直徑350mm，內(nèi)部高度600mm，容積50L。在上蓋上有一孔用來安裝剪切機(jī)。另外在上蓋的邊緣有一個(gè)用來觀察內(nèi)部模擬油狀態(tài)的開口，改口也可以在不方便開啟上蓋時(shí)，用來加注液體。在罐體的外側(cè)有一個(gè)用來觀察內(nèi)部液體高度的液位計(jì)。具體裝置結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖如下。（1）結(jié)構(gòu)圖（2）實(shí)物圖3.5.2.2廢液罐脫水處理后的油和水將會(huì)放在廢液罐里，其設(shè)計(jì)的基本原理與進(jìn)液調(diào)配罐基本相同。它們的不同之處是廢液罐的上蓋沒有孔，并在罐體上部增加了油、水接入管，其結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如下。、（1）結(jié)構(gòu)圖（2）實(shí)物圖3.5.3加熱裝置的設(shè)計(jì)在上述的設(shè)計(jì)過程中的脫水罐、進(jìn)液調(diào)配罐和廢液罐都采用的是雙層結(jié)構(gòu)，在夾層中的導(dǎo)熱油循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬油的溫度控制。溫度范圍可從室溫升到200℃加熱裝置采用LOS-10型號(hào)200℃油循環(huán)溫度控制機(jī)，該油溫機(jī)采用電腦PC板觸摸式操作系統(tǒng)，加熱功率為12kW，3.5.4流速控制原油乳化液在脫水過程中的流量控制采用SEKO公司的PS1D011C型柱塞式計(jì)量泵，該泵最大流量10L/H，最大壓力20BAR，功率為0.18kW，裝備不銹鋼泵頭，可耐受90℃高溫，同時(shí)配備變頻電機(jī)及變頻調(diào)速器，以實(shí)現(xiàn)脫水過程中的流量調(diào)節(jié)。柱塞泵計(jì)量泵的工作原理為：活塞靠泵軸的偏心轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其吸入和排出閥都是單向閥。在吸液過程中，由于吸液壓力和泵頭內(nèi)的壓力差使得吸液閥打開，液體通過吸液管進(jìn)入泵腔；在排液過程中，由于泵腔內(nèi)的正壓使得吸液閥關(guān)閉，排液閥打開，液體通過泵腔進(jìn)入排液管。試驗(yàn)裝置的調(diào)試4.1試驗(yàn)裝置的調(diào)試整個(gè)電路調(diào)試完成以后，對(duì)整個(gè)裝置系統(tǒng)整機(jī)進(jìn)行調(diào)試，該裝置的實(shí)物圖如圖4-1所示。圖4-1原油電脫水綜合試驗(yàn)裝置實(shí)物圖由第三章可知，本論文的供電裝置的輸出有三種形式，分別為高壓直流、高壓交流、高頻高壓方波脈沖。在裝置工作時(shí)，檢查各個(gè)線路連接是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，無誤后啟動(dòng)電源，觀察顯示面板是否正常顯示，然后選擇以上三種形式中的一種，調(diào)節(jié)調(diào)壓器按鈕，觀察電壓表中數(shù)值的變化，直到達(dá)到所需的電壓值，在下列圖中信號(hào)1（深藍(lán)色）為電壓波形，信號(hào)2（淺藍(lán)色）為電流波形。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)裝置滿足試驗(yàn)要求。下面給出分別在直流、交流和高頻脈沖的輸出波形。圖4-2直流輸出波形圖圖4-3交流輸出波形圖圖4-4高頻脈沖輸出波形圖本設(shè)計(jì)的整流部分為單相橋式不可控整流電路，下圖為整流以后的輸出波形。在圖4-5中整流波形的頻率為100Hz,占空比為41.73%。圖4-6中整流波形的頻率為1.473Hz，占空比為23.27%。圖4-5工頻整流輸出波形圖4-6高頻整流輸出波形逆變驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端口接到主電路IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)端，通過調(diào)節(jié)外接電位器改變脈沖電壓輸出頻率，通過調(diào)節(jié)SG3525芯片8腳軟啟動(dòng)電容的電位實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)。圖4-7與圖4-8為頻率相同，占空比不同的波形，圖4-9與圖4-10占空比相同，頻率不同的波形。圖4-7頻率為1kHz，占空比為25%圖4-8頻率1kHz，占空比為35%圖4-9占空比40%，頻率為1kHz圖4-10占空比40%，頻率為2kHz4.2本章小結(jié)本章主要對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行調(diào)試，主電路供電電源可實(shí)現(xiàn)直流、交流和脈沖三種形式輸出，脈沖頻率滿足0～5kHz連續(xù)可調(diào)，占空比0～45%連續(xù)可調(diào)。系統(tǒng)電壓、電流、溫度和頻率值能準(zhǔn)確顯示，脫水流程安全易操作。結(jié)論本文的工作是在對(duì)原油電脫水機(jī)理研究而展開的，在油田電脫水現(xiàn)狀深入分析的基礎(chǔ)上，對(duì)原油電脫水實(shí)驗(yàn)的綜合裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。裝置的建立為深入研究電脫水機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。本文完成的主要工作及結(jié)論如下：1.通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀，明確了我國油田電脫水技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了常見的破乳方法，并深入了解工業(yè)上油田電脫水的工作流程及出現(xiàn)的問題，在此基礎(chǔ)上對(duì)原油電脫水實(shí)驗(yàn)的裝置進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)。2.根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及電脫水的實(shí)際流程對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)裝置主要包括調(diào)壓、整流、濾波、逆變、變壓器、脫水電極、脫水罐、加熱裝置等設(shè)備。該實(shí)驗(yàn)裝置可以提供高壓直流、高壓交流、高頻高壓方波脈沖三種輸出形式。3.該裝置不但實(shí)現(xiàn)了三種不同的輸出形式，還可以調(diào)節(jié)頻率、占空比、脫水時(shí)的溫度。該裝置在實(shí)驗(yàn)室得到應(yīng)用，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)計(jì)要求。致謝該裝置的設(shè)計(jì)及論文撰寫都是在指導(dǎo)老師陳慶國教授的悉心指導(dǎo)下完成的，每一個(gè)步驟都凝聚著老師的心血和智慧。陳老師具有豐富的專業(yè)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和無私的奉獻(xiàn)精神，這些都深深地感染了我，讓我受益匪淺、銘記終生，在此我向他在實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)過程中，該課題研究的師兄和師姐給予了我極大的支持和幫助，對(duì)于自己已掌握的知識(shí)可以毫不吝嗇的傳授于我。特別感謝宋春輝師兄，梁文師姐給予我極大的幫助。最后，感謝一直默默支持我的家人和朋友，因?yàn)槟銈兊母冻鲎屛腋鼒?jiān)定了求學(xué)的信心，在今后的學(xué)習(xí)中我將再接再厲，不辜負(fù)大家的幫助。參考文獻(xiàn)和冰,劉宏雷.原油乳狀液的穩(wěn)定性及新型破乳劑的研究[J]．河北化工，2008,31(5):3～5．張鴻仁．油田原油脫水[M]．北京：石油工業(yè)出版社,1990:1～195．康萬利,董喜貴．表面活性劑在油田中的應(yīng)用[M]．北京:化工工業(yè)出版社,2005．壽德清,山紅紅.石油加工概論[M].山東:石油大學(xué)出版社,1996:85～90．LEECM,SAMSGW,WAGNERJP.Powerconsumptionmeasurementsforacandpulseddcforelectrostaticcoalescenceofwater-in-oilemulsions[J].JournalofElectrostatics,2004,53(1):1～24．婁世松,周偉．勝利原油脫水技術(shù)研究[J]．石油化工腐蝕與防護(hù)，2006,23(1):8～9．張曉華．原油脫水技術(shù)研究進(jìn)展．化工科技[J].2009,17(5):57～62．杜榮熙．過濾法原油脫鹽脫水技術(shù)研究．石油煉制與化工,1999，30(11):10～14．陳鋒,楊總．乳狀液破乳方法綜述[J]．石油化工應(yīng)用,2009,28(2)．李國珍,肖華,董守平．油水分離技術(shù)及其進(jìn)展[J]．油氣田地面工程,2001,20(2)．KangWangli,JingGuolin,ZhangHongyanetc．InfluenceofDemulsifieronInterfacialFilmBetweenOilandWater[J]．ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects,2006,272(1/2):27～31．JohnSEow,MojtabaGhadiri．ElectrostaticEnhancementofCoalescenceofWaterDropletsinOil:AReviewoftheTechnology[J]．ChemicalEngineering,2002,85(2-3):357-368．JohnSEow,MojtabaGhadiri．TheBehaviorsofaLiquid-liquidInterfaceandDrop-interfaceCoalescenceundertheInfluenceofanElectricField[J].ColloidsandSurfacesA:Physicochem．Eng．Aspects,2003,215(1-3):101～123．劉慶敏．磁處理技術(shù)在原油中的運(yùn)用[J]．華北石油設(shè)計(jì),2002,69(3):9～14．茍社全．超聲波破乳技術(shù)應(yīng)用取得新突破[J]．齊魯石油化工,2007,35(3):252．AbdurrahmanHNour,RosliMYunus．AContinuousMicrowaveHeatingofWater-in-oilEmulsionsanExperimentalstudy[J]．JournalofAppliedSciences,2006,6(8):1868-1872．婁世松,趙德智,范洪波等．高效廣譜微生物復(fù)合破乳劑的制備及其應(yīng)用[J]．應(yīng)用化工,2006,35(10):817～820．李國彬.基于脈寬調(diào)制器SG3525A的一種新型車載電源設(shè)計(jì)[J].電子器件,2007,30(2):484-487陳分雄,王典洪,張承志.基于單片機(jī)與SG3525A的船用電源充電機(jī)[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,24(4):14.17鄭峰,楊旭,王兆安.基于SG3525的半橋同步整流電路[J].電力電子技術(shù),2003,37(6):80-83夏田.大功率弧接逆變電源的研究[D].鄭州:河南科技大學(xué),2005周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華.IGBT和IPM及其應(yīng)用點(diǎn)路[M].北京:人民郵電出版社,2006:105.107李曙彤,張宇,郭煜．交-直流電脫水器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)備,2010,39(6):74-76．附錄中文翻譯為原油破乳設(shè)計(jì)電脫水ARM逆變處理器摘要鑒于傳統(tǒng)的可控硅整流相轉(zhuǎn)移技術(shù)，電脫水控制裝置存在高耗能，低脫水率和難建立電場等問題。本文在ARM（RSIC微處理器）技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了一款新型原油電脫水控制器。原油電脫水控制器結(jié)合交直流復(fù)合電場技術(shù)。通過三相交流480V輸入，它克服了由傳統(tǒng)脫水控制器的單相交流輸入引起的三相負(fù)載不平衡的問題。用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）技術(shù)產(chǎn)生不同幅值，頻率的電壓到變壓器一次側(cè)繞組。脫水器的電極產(chǎn)生不同的交直流高場強(qiáng)。在脫水過程中電場的作用是水滴積聚和沉降的主要原因，從而實(shí)現(xiàn)高效率原油脫水。介紹在1964年,由大慶油田的第二石油生產(chǎn)公司管理的“薩南”地區(qū)開始生產(chǎn)石油。2005年該地區(qū)原油含水量已經(jīng)接近90%，所以該地區(qū)將進(jìn)入高含水發(fā)展時(shí)期。油田將水的去除和雜質(zhì)的去除同時(shí)進(jìn)行。第一階段，油層的聚合物全面的去除；第二階段，油層將會(huì)快速的進(jìn)入聚合物的去除階段。在為了進(jìn)一步提高油田采收率，“強(qiáng)堿性聚合物表面活性劑”的三個(gè)組成部分的組合去除產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域測試和“高分子表面活性劑”雙驅(qū)動(dòng)方向的研究視為代表三次提取新技術(shù)的方面上的頭腦風(fēng)暴。水驅(qū)分割開采技術(shù)進(jìn)一步完善，已形成完善的技術(shù)攻關(guān)系列。許多地面設(shè)施，包括三相分離器，產(chǎn)生的污水處理站，含油污泥系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)（指以本文組合監(jiān)測站）在大慶油田得以解決的硫化問題，這些問題影響這些設(shè)施的正常運(yùn)行，包括電脫水及其他地面設(shè)施系統(tǒng)。在形成的W/O（油包水）乳化液中，水以分散的小液滴形式存在。一些小液滴在油水或油聚合物接觸的層上形成一層水油層。這種現(xiàn)象使水處理工藝比較復(fù)雜，是油水分離的效率大大降低。同時(shí)，脫脂油混合的W/O型恢復(fù)和抽回到電脫水系統(tǒng)控制的原油脫水室。伴隨著油中大量的W/O型從撇油器箱中回收回來，由于在電脫水室中W/O層使電場短路，所以電脫水系統(tǒng)不能夠成功的操作[1]。目前，在大慶油田有66個(gè)原油脫水站，其中33個(gè)電脫水經(jīng)常因?yàn)檫@樣水-油問題困擾，這已威脅到油田的安全生產(chǎn)。舉個(gè)例子，在2004年發(fā)生了一起非常嚴(yán)重的生產(chǎn)事件，因?yàn)樵兔撍镜?、5處的原油脫水中止，直接造成269口油井停止生產(chǎn)相當(dāng)一段時(shí)間，影響原油產(chǎn)量超過4000噸[1,2]。原油脫水是原油處理過程中重要的一部分。目前各油田都使用電化學(xué)脫水的方法，即傳統(tǒng)的電脫水方法。在眾多不同的破乳方法中，在高壓電場下得電脫水是最有效，最簡單的破乳方法。電場力使小水滴聚集合并和擴(kuò)大，然后在電場力和重力的作用下小水滴下降[3,4,5]。在圖1所示的生產(chǎn)設(shè)施中，有4個(gè)或6個(gè)并行運(yùn)行的脫水容器。每個(gè)的脫水器的直徑為3m，長度為35m，施加的是交直流復(fù)合電場，開放的底部吊具，鋼或混合的高電壓電極和管道收集器，變壓器是380V或220V,單相額定功率是50kVA[6,7]。原油脫水的影響因素很多，如原油的性質(zhì)，電場強(qiáng)度，電壓波形，溫度和壓力等等。在充分考慮這些因素的基礎(chǔ)上，新型逆變器原油脫水儀研制成功了。它根據(jù)電壓振幅和頻率變化的技術(shù)，在IGBT和ARM的基礎(chǔ)上向變壓器一次側(cè)供電。經(jīng)過試驗(yàn)證明利用高電壓交直流復(fù)合電場能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)原油乳化液的持續(xù)脫水。在不同的操作條件下脫水率應(yīng)經(jīng)研究過。它有自動(dòng)調(diào)整電壓和頻率，過電流保護(hù)，過電壓保護(hù)，在液晶上顯示電壓和電流的脫水參數(shù)和曲線。圖1.現(xiàn)場1變壓器;2上端電極;3下端電極;4水出口;5油出口;6原油入口圖2.電脫水2原理2.1脫水裝置電脫水設(shè)備的研究如圖2所示，在設(shè)備中雙電極平行，選一個(gè)電極結(jié)癥電壓和相鄰的電極接負(fù)電壓。正負(fù)電極的電壓由20kV的變壓器提供[8]。當(dāng)含水量大的原油進(jìn)入脫水裝置時(shí)，原油均勻的流入網(wǎng)狀的電極時(shí)，會(huì)受到由高壓電產(chǎn)生的強(qiáng)烈交直流電場施加在網(wǎng)狀電極的作用。在電場的作用下，小液滴聚集變大，在重力的作用下在原油中下沉。水滴落到油水的表面，在入口分布頭的下面，在下一級(jí)控制流出。干凈，干燥的原油上升到容器的頂部，在頂部將其收集。2.2電場脫水裝置制造者依靠三個(gè)電場的基本類型來加強(qiáng)分散水滴的聚合，即直流電場，交流電場，交直流復(fù)合電場。直流電場有很高的效率，但是會(huì)促進(jìn)電解腐蝕。另一方面，交流電場被所有制造者用的原因是交流電場對(duì)水和非電解性質(zhì)的高耐受強(qiáng)度。最后，結(jié)合交流電場的高耐水性和直流電場的高效率設(shè)計(jì)出交直流復(fù)合電場[9]。圖3.電場這個(gè)有效的電場包含了交直流復(fù)合電場，由一系列水平的，平行的電極剛好放在容器內(nèi)，在中心線上方，如圖3所示。脫水利用變壓器，包含一對(duì)相反的二極管在相鄰的電極之間建立直流電場。交流電場建立在底部的倆電極之間和油水界面上。2.3電場力在一對(duì)電極之間的小水滴收到5個(gè)力的作用如圖5所示。在5個(gè)力中有2個(gè)力是重力和液體壓力。重力等價(jià)于小液滴的重量，它的作用使小液滴相容器的底部運(yùn)動(dòng)。拉力使油在小液滴之間運(yùn)動(dòng)，直至油的出口。如果水滴的直徑比斯托克斯液滴的直徑大時(shí)計(jì)算的方程如圖6所示，如果重力大于拉力，水滴