原油超声破乳脱水装置及其破乳脱水方法

专利名称：原油超声破乳脱水装置及其破乳脱水方法
技术领域：
本发明涉及一种石油原油采、炼行业中的油水分离技术，更具体地说，它是一种原
油超声破乳脱水装置及其破乳脱水方法。
背景技术：
从油层中开采出来的原油是一种乳状液，这种乳状液中，除含有泥砂等杂质外，还 含有相当数量的水和盐类物质。原油中含有的NaCI、MgCl2、Ca CI2等无机盐类物质，除有 小部分以结晶态悬浮在原油中外，绝大部分都溶解在原油中的水微粒内，并形成比较稳定 的油包水型(W/0)乳状液。开采原油中含有的泥砂和含盐溶解水，如果不能分离清除，不仅 会提高采油至炼油之间的运输成本，增加炼油厂脱水脱盐负担，而且会给原油的运输、储存 设施造成严重腐蚀。因此，在原油采油-运输工艺流程中，对原油进行破乳脱水处理，是必 须解决好的重要课题之一。 目前，在世界各国的原油采、炼行业中，绝大数生产单位都在采用"电脱"技术进行 原油脱水、脱盐处理；为提高油水分离效果，一般还采用添加化学破乳剂的补助措施。这种 "加热_高压电场分离_化学破乳剂_沉降分离"的油水分离技术，虽已经得到广泛应用，也 取得了比较好的效果，但存在的耗电量过高、分离水中含油量居高难降等技术难题，始终没 有找到较好的解决办法；这不仅增加了污染治理的难度和费用，而且还造成了宝贵石油资 源的浪费。特别是应用这种常规的"电脱"油水分离技术，对重质化、高粘稠、大含硫的特殊 原油，更难达到油水分离的规定标准。对原油采、炼行业中的这种油水分离技术难题，世界 各国的科研人员和原油采、炼企业，很早以前就开始了研究探讨，但在很长时间内都未获得 突破性进展。 随着超声波技术的发展和成熟，特别是随着超声波技术在食品、医药、农产品加工、化 工等行业的成功应用，为原油采、炼行业中的油水分离技术发展，提供了良好的突破性机遇。
我国在原油采、炼中的破乳脱水作业，至今仍延用着传统的"电脱"方法。在上世纪 八十年代中期以前，基本上全部采用"交流原油电脱"技术；八十年代末期开始，部分发展改 进成"交_直流原油电脱"新技术；九十年代后期，又陆续研制开发出"高速原油电脱"、"鼠 笼式平流电脱"等先进技术。但是，随着我国原油采、炼工业的深度发展，特别是随着重油催 化裂化技术、临氢工艺技术的开发应用，对原油的油水分离技术水平提出了更高的要求；而 且随着原油的资源性日趋重要，对二次、三次采油采出的原油乳状液、含油污水中的原油回 收、老化废油的利用等资源性加工也逐渐提到日程。由于这些资源利用型原油的乳状液结 构、化学成份都比较复杂，采用传统的"电脱"技术很达到油水分离标准要求，个别特殊物性 原油甚至会对现有的"电场设施"造成严重破坏。目前，尚未发现利用"原油超声破乳脱水 装置及其破乳脱水方法"在原油采、炼行业中的油水分离中应用，从而克服上述弊端。

发明内容
本发明目的是要克服上述现有技术中存在的缺点，提供一种结构简单、消耗电量少、破乳剂用量比例小、油水分离彻底、分离水和沉降泥砂中含油量极低的原油超声破乳脱 水装置。 本发明另一个目的是并提供原油超声破乳脱水的方法。
本发明的解决方案基于以下几个方面 1、确定本了生产制造原油超声破乳脱水装置依据的技术原理。 油田从油层中开采出来的原油，除含有一定比例的泥砂外，绝大多数原油中都伴 有相当数量的水和盐类物质。原油中所含有的NaCI、MgC^、CaC^等盐类，除有极小一部分 以结晶状态悬浮在原油中外，绝大部分都溶解在原油中的水微粒内；这种含盐水微粒与原 油微粒相互包裹，形成了结构比较稳定的原油乳状液。 超声波是一种频率大于可听范围的机械振动波，这种机械振动波有极强的穿透能 力，可以引起原油乳状液中的水微粒和原油微粒一起以极高加速度进入振动状态，产生并 传递强大能量，发生位移、碰撞、碎裂、聚结等结构性变化。 化学破乳剂是一种具有化学活性的有机聚合物，能渗透到原油中的油-水界面， 降低或破坏油_水界面膜的机械强度，提高水微粒和原油微粒各自的分散、溶解能力，促使 原油中的油、水分离。 本发明原油超声波乳脱水装置及其破乳脱水方法，就是应超声波的特性，借助化 学破乳剂的化学活性作用，协同配合，破坏原油乳状液的稳定结构，促使原油乳状液快速发 生结构性变化，实现原油的高效油、水分离。
据此，原油超声破乳脱水装置及其破乳脱水方法，依据的技术原理是
(1)、依据超声波的机械振动理论。 超声波对原油破乳脱水，是依靠超声波产生的机械振动作用于流体介质时，使介 质质点产生"位移效应"实现的。 超声波的本质特性是一种机械振动波，这种频率大于可听范围的机械振动波，在 油、水等流体介质中有极好的传导性，当这种频率的超声波在结构比较稳定的原油乳状液 中传导时，能引发介质质点进行交替的压縮与伸张，并构成质点上的压力变化，这种压力的 变化，足以引起原油中的微粒进入振动状态，同时产生并传递强大能量，从而引起原油中的 含水微粒不断向波腹或波节进行位移运动，虽然位移距离不大，但与超声波振动频率的平 方成正比的加速度却极大，有时甚至可以超过重力加速度的几万倍，如此大的加速度，足以 引发原油中的含水微粒产生碰撞、破裂、粘合、聚结等结构性变化，这种变化，就是"位移效 应"。 由于原油乳状液在超声波辐射下存在这种"位移效应"，引发原油中的微粒发生碰 撞，破裂成水微粒和原油微粒，造成了原油乳状液的结构彻底破坏。按照"物以类聚，相似互 溶"的基本规律，水微粒与原油微粒在碰撞中各自分散，各自单独聚结；在继续碰撞中，水微 粒和原油微粒都陆续生成直径较大的水滴和油滴；水滴靠自身的重量大于油滴，在重力作 用下与原油分离沉降；油滴继续聚结，形成新的乳状液。
(2)、依据化学破乳剂的微粒界面膜破坏理论。 化学破乳剂对原油的破乳脱水作用，是依靠化学破乳剂对原油中含水微粒的 油-水界面膜破坏实现的。 从油层中开采出来的原油，有油包水(W/0)类型为主的原油乳状液，但也有水包油(0/W)类型的原油乳状液；由于长期地质成矿的作用，在油、水之间形成一种油-水界面 膜，造成了各类型原油乳状液的结构都比较稳定，如无外力破坏这种油_水界面膜，原油乳 状液的稳定结构就不能改变，油、水两种不同物质也无法分离。化学破乳剂，是一种人工合 成的具有特殊化学活性的有机聚合物；在原油乳状液中加入这种极具化学活性的破乳剂， 能渗透到原油的油-水界面，降低或破坏油-水界面膜的机械强度，改变原油乳状液中的水 微粒和原油微粒的表面张力，提高水微粒和原油微粒各自的分散、溶解能力，最终实现油、 水分离的目标。但单独使用化学破乳剂，这一过程不仅需要有大剂量的化学破乳剂投加，而 且需要较长时间。 超声破乳脱水技术，是借助化学破乳剂具有的优异化学活性能力，再通过超声技 术的强大高频机械振动，促使化学破乳剂能迅速与原油乳状液均匀充分混合，快速进入 油_水界面，彻底破坏油_水界面膜，使原油乳状液中的水微粒和原油微粒各自都能快速获 得分散、溶解能力。这种使用化学破乳剂与超声技术组合使用、协同配合的新技术，能大大 提高原油破乳脱水速度，增加油水彻底分离效果，减少昂贵的化学破乳剂使用剂量。
(3)、依据超声波的空化作用理论。 超声波对原油破乳脱水，是依靠超声波产生的空化作用，击破原油乳状液稳定结 构实现的。 超声波在原油乳状液传导过程中，存在着一个正、负压强交变周期，在正相位时， 能对原油乳状液产生挤压，增加原油乳状液原有的密度，在负相位时，又能使原油乳状液产 生稀疏、离散，密度减小；这种正、负压强交变，就导致在原油乳状液内有微小气泡的形成、 增长或崩裂、湮灭。微小气泡在生长-湮灭过程中，吸收的声能会在极短的时间内，在极小 的空间中释出来，可以产生几千度的高温和上万个大气压强，形成强大的冲击波和微声流， 这种现象，就是空化作用。由于超声波的空化作用存在，强大的冲击波和微声流，足以击破 油-水界面膜，并击碎原油中的油包水或水包油微粒结构，增加水微粒、原油微粒各自分 散、碰撞、溶解、聚结的机率，从而大大提高原油破乳脱水实现油水分离的速度和效率。另 外，由于超声波的空化作用存在，能使微小气泡湮灭时释放出热能，也能使微粒因被破碎磨 擦而产生热能；这些热能可以提高原油乳状液的温度、降低粘度，有利于水微粒的碰撞、聚 集和重力沉降，从而也能大大提高原油破乳脱水实现油、水分离的速度和效率。
2、自动跟踪调控功能的超声波发生器 本发明的超声波发生器，是一种能产生并向超声波换能器提供大功率超声能量的 功率超声装置，同时具有实时自动跟踪显示、控制调整各项运行作业参数功能的自动化控 制作业部件。
(1)超声波发生器的整体结构布置设计。 根据"原油超声破乳脱水装置"技术要求，所述的超生波发生器，由人机交互数字 显示器、AVR高速嵌入式单片机、数字合成模块、信号驱动模块、功率放大模块、匹配网络模 块、发生器壳体等主要工作部件组成。 超声波发生器，以AVR高速嵌入式单片机做为现场CPU，通过单片机的底板总线系 统设有的标准插槽或插座，分别与内部各工作部件模块相连通；与分别布置在管线、油水分 离罐中的功能传感器、在线分析仪等相连通；与分别控制原油进出、分离水排出、沉淀泥砂 排出、破乳剂溶解液添加、分散搅拌器、电加热器、超声波换能器冷却器等装置的电磁开关、阀门、电动机相连接，与PLC连接通讯，并通过PLC指挥控制"原油超声破乳脱水装置"的全 部工作程序。 超声波发生器，对上述组成发生器的所有各工作部件均采用集成技术，将构成各 工作部件的各种独立元器件、配套电路，全部集成到单独模块上；各单独模块均采用印刷线 路技术，嵌入所有独立元器件；各单独模块均设计有标准插板，通过单片机底板总线系统与 现场CPU连通。 超声波发生器，将所有各工作部件统一安装布置在长方形不锈钢板制成的控制櫃 内，通过导线与PLC、油水分离罐的总接线控制盒相连接，控制櫃单独安装在油水分离罐附 近的合适位置上。
(2)超声波发生器解决了关键技术问题。 A、每个油田的不同采区，同一采区的不同油井，甚至同一油井的不同油层或不同 采次，开采出来的原油乳状液都有各不相同的物性参数值。"原油超声破乳脱水装置"，首先 要求必须能对各种类型不同物性的原油乳状液，都能进行有效的超声破乳脱水处理作业。
超声破乳脱水效果，主要取决于超声波产生的"位移效应"；代表超声波特性的声 强、频率等特性参数值，都能对"位移效应"产生直接影响。要实现对各种类型不同物性原 油乳状液都能进行有效的超声破乳脱水，必须产生不同的超声波"位移效应"；而只有产生 代表超声波特性的不同声强、频率等特性参数值，才能产生不同的超声波"位移效应"。因 此，设置超声波发生器，首先解决了能产生一定区间范围的声强、频率等代表超声波特性的 参数值，并能根据各种类型原油乳状液的不同特性参数，自动选择产生出不同超声波特性 参数。 提供频率可选择的20KHz， 34KHz ;21KHz， 36KHz ;22KHz， 38KHz三种组合；声强可在 1. 2 1. 8W/cm2之间选择变化的超声波特性参数值。通过这种不同的高_低频率、不同声 强的自动选择组合，匹配协调作业，就能以不同的振幅，激励不同物性的原油乳状液微粒产 生不同"位移效应"，从而实现对各种类型不同物性原油乳状液，都能进行有效的超声破乳 脱水处理作业，本发明"原油超声破乳脱水装置"，具有较广泛的适应能力和较好的破乳脱 水油水分离效果。 B、影响超声破乳脱水效果的因素，不仅仅是代表超声波特性的声强、频率等特性 参数数值，超声波的辐射时间、脉冲宽度，原油沉降时间、加热温度、混合搅拌速度，破乳剂 使用比率等运行参数，也会直接影响超声破乳脱水效果。 原油乳状液具有不同的含水率、不同性质的盐类物质，粘度、密度也各不相同；因 油水分离容器大小不同，原油乳状液的流量、积量也不会相同。为达到最佳超声破乳脱水效 果，所有能影响超声破乳脱水效果的运行参数，都应该随原油乳状液的物性指标、数量指标 的变化而实时调整。为此，超声波发生器，解决了能实时自动跟踪显示、控制调整各项运行 参数的技术难题。 原油超声破乳脱水装置及其破乳脱水方法，充分利用了自动化控制技术，锁相式 频率自动跟踪、信号采样编码传输等信息反馈系统；预设处理方案组配、分析对比系统；同 时设置了人机交互数字显示器，采用AVR高速嵌入式单片机作为现场CPU、通过PLC控制超 声波发生器的全部工作等技术措施，从而实现了对参数设置、信息反馈、状态监测的实时自 动跟踪显示、控制调整，确保本发明的原油超声破乳脱水装置及其破乳脱水方法，对各种类型不同物性原油乳状液的处理都能达到最佳油水分离效果。原油超声破乳脱水装置及其破
乳脱水方法，考虑了超声波发生器的工作环境特点，提出超声波发生器时，采取了对所有工
作部件都进行集成模块式组装方式，所有工作部件都通过单片机底板总线系统的标准插槽
或插座进行安装连接。另外，超声波发生器时，还特别强化了过压保护、过流保护、负载开路
短路保护、激励信号误触保护等防范措施；同时，还设计有异常信号触发、作业故障识别、功
能参数定位限制、调整补偿机制等报警系统。
(3)超声波发生器的运行技术路线描述 A、接通电源，启动"原油超声破乳脱水装置"进入运行状态。 B、通过超声波发生器的人机交互数字显示器，检查验证所有工作部件都处于正常 工作状态，并有相关数字信息陆续开始显示。 C、通过原油在线分析仪，将测得的原油乳状液流量、含水率、各种盐类物质的成份 及含量、密度、温度等物性指标数据，实时准确完整送到数字合成模块，并在显示器屏幕上 显示。 D、通过数字合成模块，将接收到的原油物性数据与预设处置方案组配数据，通过 分析对比系统的数学逻辑模型电路，进行自动比对、计算，选择确定出对原油进行超声破乳 脱水处理作业的频率、声强、脉冲宽度等特性参数和沉降时间、加热温度、分散搅拌速度、破 乳剂加入数量等运行参数，传送到信号驱动模块。与此同时，信号驱动模块的锁相式频率自 动跟踪、信号采样编码传输等信息反馈系统，将实时跟踪采集的各项特性参数、运行参数具 体数据，实时准确完整送回数字合成模块。在数字合成模块内， 对已经选择确定的具体数据，再次进行比对、计算、修正，并将修正结果在显示器 屏幕上显示。 E、在现场CPU内，能过单片机控制，将修正后的结果数据，传送到信号驱动模块 中。 F、通过以信号驱动模块，将系统需要的频率信号，传送到以开关型功率放大器为 核心的功率放大模块中，形成超声波换能器需要的超声电能。 G、通过以匹配换能网络电路为核心的匹配网络模块，将超声波换能器需要的超声 电能传送到超声波换能器中，并转换成超声波能。 H、通过现场CPU单片机，将经过对比修正后的运行参数数据，分别传送到相应的
电机、阀门、电磁开关，指令其按运行参数进行开启或关闭。 3、原油乳状液进行有效超声破乳脱水作业的超声波换能器。 超声波换能器，是一种能把电能转换成声能，产生超声波特有的机械振动、空化作
用，对原油乳状液进行有效超声破乳脱水处理作业的功能性部件。
(1)超声波换能器的整体结构布置设计。 本发明原油超声破乳脱水装置，应用ANSYS、 ANSFT等先进科学的软件工具，提出 的超声波换能器。 所述的超声波换能器，由聚能辐射棒、安装基座、外壳、微调套筒、预应力套筒、振 子晶堆、后振动体、吸收块、声反馈晶片、节点支座、后端盖、冷却气进口、电极引线等主要工 作部件组成。 超声波换能器，由电声转换部分和聚能辐射棒两部分组成，所有电-声转换零部
12件都组装在圆柱形外壳内，通过预应力套筒与前负载块即聚能辐射棒连接，通过导线连接 到油水分离器的总接线控制盒上，再与超声波发生器连接，通过冷却气进口，与冷却器连 接，超声波换能器通过安装基座，安装固定在油水分离罐内，以安装基座为分界面，聚能辐 射棒以浸没形式布置在原油乳状液内，电声转换部分布置在原油乳状液的液面以上。
(2)超声波换能器的参数选择设计。 超声波换能器产生的频率、声强等代表超声波特性的运行参数，能直接影响原油
破乳脱水效果，也是设计超声波换能器、换能器振子晶堆等关键部件的计算依据。 A、超声波频率的选择设计。 超声波在液体媒质中传导时，在其他条件不变的前提下，声强随传播距离的增加 而逐渐衰减；衰减的速度和程度，与超声波的频率平方成正比。据此可知，超声波频率是影 响原油破乳脱水的关键因素之一。 依据声强衰减关系理论推知超声波的频率越低，衰减的速度越慢，衰减的程度越 小，破乳声场越均匀。选择设计相对较低频率范围，可提高原油乳状液中所有物质微粒的位 移振幅，有利原油中水微粒的运动、碰撞、聚结、沉降，有利提高破乳脱水效果和超声波频率 应选择的范围。 原油超声破乳脱水装置，依据对各种类型不同物性原油乳状液都能实现有效超声 破乳脱水的基本要求，选择设计出在较低超声频率范围内，提供出20KHz，34KHz ;21KHz， 36KHz ;22KHz， 38KHz等三种不同高_低频率组合的超声波频率参数。
B、超声波声强的选择设计 声强是表述超声波在传导方向上每平方厘米每秒所传送的能量；声强与传导媒质 的密度、在媒质中的声速、激发媒质质点振动位移的振幅、超声波的频率都有关连，在其他 条件不变的前提下，声强与媒质质点振动位移振幅的平方成正比。据此，超声波声强是影响 原油破乳脱水的关键因素之一。 声强是决定原油乳状液中微粒位移振幅的关键核心因素，在超声波声强能量的作 用下，原油乳状液中所有物质微粒都会因发生位移振幅而产生"位移效应"；当超声波声强 达到一定量级以后，原油乳状液中原有的油包水(W/0)或水包油(0/W)结构就会发生破裂， 超声波的声强越大，原油乳状液原有结构微粒的破裂也越多；其中的水微粒，位移振幅也越 大，碰撞、粘合的机率也越多，水微粒通过不断碰撞粘合，逐渐凝聚成直径较大的水滴；水滴 靠自身重力沉降与油分离。 但是，在原油超声破乳脱水技术中，并不是超声波声强越大，脱水率越高，当超声 波声强超过一定量级以后，在大能量声强作用下，原油乳状液中所有物质微粒的"位移效 应"都会大幅度提高，已经凝聚成大直径的水滴也会被击碎分散，重新碎裂成水微粒；同时 也使水微粒的运动速度加快，与周围的原油微粒碰撞力增大，碰撞增多，并会重新组成新的 更稳定的油水结构，形成新乳状液，反而会使脱水效果大大下降。超声波声强应选择的范 围，据此，选择设计出可在1. 2 1. 8W/cm2之间，进行自动选择的超声波声强参数。
C、超声波辐射时间的选择设计 在超声波一定频率、声强的作用下，原油乳状液中的所有物质微粒都会产生"位移 效应"；由于"位移效应"存在，水微粒经过分裂、碰撞、粘合、凝聚，直至形成水滴与原油分 离，这需要一个过程，完成这个过程，就是超声波辐射时间。因此，辐射时间也是影响超声原油破乳脱水的关键因素之一。 但是，在超声破乳脱水技术中，并非超声辐射时间越长越好，实际上，超声破乳和超声乳化是一个动态平衡过程，需要一定时间，就是超声破乳所必须的过程时间；达不到这个时间，原油中水微粒不能完成分离、凝聚，超声破乳脱水就不能彻底，油水分离效果不好，已经达到超声破乳所必须的过程时间以后，如果继续进行超声辐射，对油水分离效果的影响已变得很小；只能增加能源消耗，而且，超声辐射时间过长，超出一定的时间范围，就有可能将已经分离、凝聚的水滴重新击碎分散，重新产生油水两相乳化，形成更加稳定的乳状液新结构。超声波辐射时间应选择的范围，据此，选择设计出可在15 20min之间，进行自动选择的超声波辐射时间参数。
(3)、超声波换能器的主要技术设计安排 A、振子晶堆由压电稀土陶瓷晶片、厚铜电极板、薄铜电极片、电极导线，通过环氧胶合组成；压电稀土陶瓷晶片的数量、直径、厚度、孔径等形状尺寸，根据超声破乳脱水需要的频率、功率等条件计算选定。厚铜电极板，薄铜电极片的数量及形状尺寸，根据压电稀土陶瓷晶片的数据匹配设计。振子晶堆与前负载块即聚能辐射棒，以平面全接触方式连接。前负载块通过螺纹与预应力套筒、微调套筒连接，并作为固定机构。振子晶堆与后负载块也以平面全接触方式连接，后负载块中锒有吸收块和声反馈晶片，形成声、电信息反馈。
B、因压电稀土陶瓷晶片的抗压强度有限，在振子晶堆外，设计有预应力套筒、微调套筒、前后负载块等调控机构，通过调整预应力套筒，改变前后负载块的间距，就能对振子晶堆施加足够预应力，也可以控制晶片预应力大小；在换能器作大动率振动时，压电效应始终能被控制在设计的变化范围内，确保振子晶堆不被破坏。 C、因压电稀土陶瓷晶片是由铁电材料经磨细、烧结、极化制成，在大电场、高功率条件下，会产生大量热能。如不采取有效措施，晶片温度将不断升高；当晶片温度达到其居里温度的一半时，就会使换能器处于严重不稳定状态。为此，振子晶堆设计了厚铜电极板，有利于散热；同时，在超声油水分离罐外，设计安装有小型冷却器，通过冷却气进口送入冷却气体，可以确保晶片获得良好的散热条件。 D、聚能辐射棒，是超声波换能器中的重要工作部件，是向原油乳状液中辐射超声波的功率源，也是功率超声振幅的机械放大源；同时，还能使超声波换能器的电-声转换部件与作用媒质这之间，获得热学、化学上的隔绝。根据原油超声破乳脱水特点，为增加振幅放大系数，选择设计成复合式聚能辐射棒；同时考虑到聚能辐射棒不仅要长期浸没在原油乳状液中工作，而且还要辐射大功率、高振幅，为此选择具有较大疲劳强度、较小声阻抗特性、而且耐腐蚀的钛合金材料制造。考虑到开发研制的超声波换能器，需要聚能辐射棒能提供尽可能大的振幅放大系数，聚能辐射棒设计成微齿形变截面形状，既能提高振辐放大系数，又能增大辐射面积，提高电_声转换效率。 E、本发明原油超声破乳脱水装置的生产效率，在油水分离罐内，设计安装布置3台超声波换能器，平面布置位置，在同心园120°分界线上，按超声波换能器有效辐射面积可以重叠，不留盲区的原则布置，垂直位置以安装基座为分界面，超声波换能器的聚能辐射棒以浸没形式布置在原油乳状液内，超声波换能器的电-声转换部分布置在原油乳状液的液面以上，这种安装布置形式，能使聚能辐射棒在360。方向内，均匀向四周辐射超声波，实现辐射无盲区，有利于确保超声破乳脱水作业质量。
4、以超声破乳技术为主协调应用化学破乳、机械分散技术的油水分离罐。原油油水分离罐，是油田采油场必需配置的专用设施。我国所有油田采油场，无一例外都在应用"加热——高压电场——沉降"的电脱技术，这种"电脱"技术，存在着工艺复杂，耗电量高，化学破乳化剂使用量大，分离污水中含油量高等严重弊端。 本发明的"原油超声破乳脱水装置及其破乳脱水方法"，也配有油水分离罐，油水分离罐，是协调应用超声、化学、机械破乳技术，完成对各种类型不同物性原油乳状液进行破乳脱水处理作业的专用设施，是应用安装功率超声、化学破乳、机械分散等破乳脱水专业技术装备的载体，是实现原油乳状液油水分离的作业场地。
(1)油水分离罐的整体结构布置设计。 本发明的原油超声破乳脱水装置及其破乳脱水方法，提出的油水分离罐整体结构布置。所述的油水分离罐，由罐体支座、泥砂沉淀池、分离水排除口、分离水储存区、泥砂隔离栅、泥砂清除器、分离泥砂沉降区、分离油水混合区、脱水原油排出口、电加热器、高速分散搅拌器、罐体、罐体保温层、换能器安装支架、冷却器、余气分散区、余气排出口、罐盖、破乳剂加注器、原油在线分析仪器仪、原油进油口 、连接法兰盘、超声波换能器、原油破乳脱水区、沉降泥沙排除口、总接线控制盒、导线束、超声波发生器、等主要工作部件组成。
(2)油水分离罐体的主要技术设计安排。 A、根据超声油水分离作业需要，油水分离罐整体设计成圆柱体罐形；分成罐体和罐盖两部分，用法兰盘连接固定；罐体通过支座与设备基础连接固定。在罐体内，根据作业功能不同，自上而下划分成余气分散区，破乳脱水作业区、分离油水混合区、分离泥砂沉降区、分离水沉降储存区等五个作业功能区；由泥砂隔离栅，将分离水沉降储存区与其他作业区分隔；为去除分离水中夹带的泥砂，在分离水沉降储存区内，也设有泥砂沉淀池。
B、根据油水分离作业需要，设计布置安装三超声波换能器。布置安装方式设计成在油水分离罐的同心园120°分界线上，按超声波聚能辐射棒有效辐射面积可重叠、无盲区原则布置；以原油乳状液在油水分离罐内的最高界面为基准，在罐体内壁上布置安装换能器安装支架，通过换能器安装支架，与换能器安装基痤连接固定；换能器的电-声转换部分，布置在原油乳状液液面以上，换能器的聚能辐射棒以全浸没形式布置在原油乳状液内。
C、为保证超声波换能器中振子晶堆的恰当工作温度，在罐盖外壁上设计安装有高压冷却器，通过冷却通风管与换能器的冷却气进气口连接。 D、为降低原油粘度，提高破乳脱水效率，原油乳状液应始终保持50°C 7(TC的温度范围内接受破乳脱水处理，在罐体外壁设计安装有保温层；在原油破乳脱水作业区，安装有电加热器和温度传感器。 E、为提高对原油乳状液的破乳分散能力，在原油进入油水分离罐的进油管道上，安装有原油物性成份在线自动分析仪，实时监测原油的密度、粘度、含水量、化学成分含量等物性指标数据，并能实时将测得的指标数据传输至超声波发生器的现场CPU内，同时还在原油进入油水分离罐的进油管道上，装有化学破乳剂溶液加注器，能根据超声波发生器给出时指令，按原油流量以设计的比例浓度向原油乳状液中加注破乳剂，同时，为进一步增强对原油乳状液破乳脱水能力，提高油水分离效率，在油水分离罐内的不同高度位置，以不同倾斜角度，安装有两台叶片式高速分散搅拌器；能在对原油乳状液进行超声破乳作业的同时，对原油乳状液进行高速分散搅拌，用以提高原油乳状液的流动性和分散能力，增强原油破乳脱水效果。 F、在分离泥砂沉淀区，安装有螺旋式泥砂清除器，当泥砂中的含油经几次搅动分
散，破乳脱水分离后，由泥砂清除器及时清除，从泥砂排出口排出。原油乳状液经破乳脱水处理后分离出来的分离水，经分离油水混合区和分离泥砂沉淀区的吸纳、过滤，进入分离水
沉降储存区；在此过程中，虽有设计安装的泥砂隔离栅，但仍会有微细泥砂随分离水进入；为此，在分离水沉降储存区设计有泥砂滑降板、泥砂沉淀池、泥砂排出口，可定时排除沉积泥砂。 G、根据超声破乳脱水作业需要，在油水分离罐内的相应位置上，设计布置有传感器、液面指示仪、油水在线分析仪等数据监测仪器仪表；同时还设计布置有控制油水分离罐各工作部件运行的电机、阀门、开关等电器元件。为实现自动化在线控制，所有导线、数据线，均统一接入设计安装在罐体外部的总接线控制盒内；通过导线束与超声波发生器连接。
(3)油水分离罐的运行技术路线描述。 A、接通电源，检查所有工作部件均在正常状态后，由超声波发生器指令启动输油泵，向油水分离罐加注原油乳状液。 B、原油在线分析仪工作，实时测出原油各项物性指标；并将测到的原油密度、粘度、含水量、含盐量和化学成份数量等物性指标数值，传输进超声波发生器的现场CPU内，同时在显示器屏幕上显示。 C、在超声波发生器内，根据接收的原油物性指标数据，通过与预设处理方案组配进行分析对比，经过数学逻辑模型电路自动分析计算，选择确定出超声波的频率、声强、脉冲宽度、辐射时间等超声波作业特性参数，实时将作业指令转输到超声波换能器内，并在显示屏幕上显示，同时，将选择确定的破乳剂溶液加注量、冷却气通入量、加热器加热温度及时间、高速分散搅拌器转速及时间等作业运行指令参数，实时传输到相关运行部件的执行机构执行，并在显示器屏幕上显示。 D、超声波换能器的各运行部件，按超声波发生器的指令开始运行。 E、与此同时，超声波发生器的自动跟踪和信号采集系统启动；安装设置在油水分
离罐内相应位置上的各动能传感器、油水液面指示仪、油水指标在线分析仪等监测仪表也
开始工作。实时将收集到的各种信息、数据等传输到超声波发生器的现场CPU内。在超声
波发声器内，按C项描述的作业程序实时进行控制调整，并在显示器屏幕上显示。 F、超声波发生器，根据设定的辐射时间和收到的监测信息，经自动对比计算，断定
并指令所有运行部件停止运行，进入沉降时间。 G、超声波发生器，根据各作业区设置的油水液面指示仪和油水在线分析仪实时传输的数据，分别指令先后打开脱水原油排出阀门和分离水排出阀门，先后排出脱水原油和分离水；然后再指令打开分离泥砂排出阀门，启动泥砂清除器，排出部分分离沉降泥砂。
H、超声波发生器，指令启动输油泵向油水分离罐加注需要处理的原油乳状液，进入下一轮次的原油破乳脱水作业循环。 5、以超声破乳技术为主综合协调应用多种破乳技术进行超声破乳脱水作业的技术路线。 原油超声破乳脱水技术是一种以超声破乳技术为主，能综合协调应用多种破乳技术，共同对各种类型不同物性原油乳状液进行超声破乳脱水作业的完整技术路线。
本发明提出的原油超声破乳脱水作业技术路线，由原油物性分析、功率驱动控制、 电/声转换辐射、破乳脱水作业等四具体作业工部组成。 各作业工部设置的理由目的，应用的技术装备，承担的主要工艺内容，执行的具体 参数，实现的作业目标等具体内容，分别描述如下
(1)、原油物性分析工部 A、首先安排布置有原油物性分析工部；目的是为进行超声破乳脱水作业，科学选 择确定出的具体超声特性参数、作业运行参数，提供科学依据。 B、原油物性分析工部的作业任务，主要由配置的有多种监测仪器仪表组成的"原 油在线分析仪"完成。 C、原油物性分析工部承担的主要工艺内容有 ——对需要进行超声破乳脱水处理的原油乳状液，进行物性指标数据检测分析； 检测分析的物性指标包括温度、粘度、含水率、泥砂率、乳状液类型及NaCI、MgCI2、CaCI2等 盐类物质含量等指标。 ——除首次处理不同物性原油必须进行检测分析外，检测分析的数量基数，时间 间隔，均根据国家规定的抽样办法进行检测。 ——将规定检测分析的所有物性指标数值，实时传输进超声波发生器的现场CPU 内，做为选择超声波特性参数和作业运行参数的基础依据。 ——完成原油物性指标分析后，根据功率驱动控制工部的指令，启动输油泵，向油
水分离罐加注原油乳状液。
(2)、功率驱动控制工部 A、原油超声破乳脱水技术的基础条件是必须具有一种能产生并能向超声波换能 器提供大功率能量的功率超声发生装置；同时要求具有实时自动跟踪、采样、控制、调整、显 示各种作业参数的功能。据此，原油超声破乳脱水作业技术路线时，安排布置有功率驱动控 制工部；目的是为进行超声破乳脱水作业提供大功率超声功率源，同时实现原油超声破乳 脱水作业全过程在线自动控制。 B、功率驱动控制工部的作业任务，主要由配置的"超声波发生器"完成。
C、功率驱动控制工部承担的主要工艺内容有 ——接收原油在线分析仪传输的原油乳状液温度、密度、粘度、含水率、泥砂率、乳 状液类型及NaCI、 MgCI2、 CaCI2盐类物质含量等物性指标数值，并在显示器屏幕上显示。
—接收并显示原油乳状液物性指标后，下达向油水分离罐进行输油指令。
——通过数字合成模块，将接收到的原油乳状液物性指标数值，实时与存储的预 设处理方案组配进行自动对比分析，经设有的数学逻辑模型电路自动分析计算，选择确定 出对该批原油乳状液进行超声破乳脱水处理应采用的超声波频率、声强、辐射时间、脉冲宽 度等超声波特性参数；同时选择确定出破乳剂溶解液加注量、冷却气通入时间及数量、高速 分散搅拌器转速、加热温度及时间等运行作为参数；并将选择确定的这些参数实时传输到 信号驱动模块，同时在显示器屏幕上显示。 ——通过信号驱动模块中的锁相式频率自动反馈跟踪系统和信号采样编码传输 系统的相位比较器、电压比较器、低通滤波器、压控振荡器等电路器件的工作，将接收到的 数字合成模块选择确定的各类参数数值，转换成系统执行需要频率激励信号，分别实时传
17输到功率放大模块和电声转换辐射工部、破乳脱水作工部中的相关作业部件中。与此同时， 指令启动保护电路，自动设定异常信号，设定作业故障、作业参数的定位限制，补偿机制等 报警识别、触发信息。 ——通过功率放大模块中的激励放大器、开关型功率放大器等电路、器件的工作， 将从信号驱动模块中接收到的频率激励信号，转换成超声波换能器能使用的超声电能，并 实时传输到匹配网络模块中。 ——通过匹配网络模块中的阻抗匹配、调谐匹配等电路、器件的工作，使超声波发 生器向超声波换能器输出的超声电能功率达到最大值，并以稳定的功率向超声波换能器提 供能产生超声破乳脱水作业的设计电能，并指令超声波换能器工作。 ——与此同时，经信号驱动模块指令启动的自动跟踪、信号采样系统和破乳脱水
工部中设计布置的各功能传感器、油水液面指示仪、油水指标在线分析仪等监测系统，都进
入正常工作状态，并实时向数字合成模块传输所测得的各种数据信息；在数字合成模块内 对这些参数进行比对分析、逻辑运算；根据运算结果，对已经选择确定的超声波特性参数和
运行作为参数，分别进行调整修正，发出调整修正指令，同时在显示器屏幕上显示。 ——根据传输和反馈的信息数据，自动判断进行超声破乳脱水处理作业时辐射时
间、沉降时间等作业开始或停止；自动判断分离沉降泥砂、脱水原油、分离水等处理作业成
果的排出作业开始或停止，并向相关执行工作部件，发出相应执行指令。
(3)电/声转换辐射工部 A、实现对原油乳状液超声破乳脱水作业，是依靠一种能把超声电能转换成超声波
声能，并使这种超声波声能在原油乳状液中产生机械振动和空化作用的超声换能器来实现
的。据此，安排布置有电/声转换辐射工部；目的是使这种超声波换能器产生的频率、声强
等代表超声波特性的运行参数，能符合超声破乳脱水作业技术条件需要。 B、电/声转换辐射工部的作业任务，主要由配置的"超声波换能器"完成。 C、电/声转换辐射工部承担的主要工艺内容有 ——通过功率驱动控制工部中匹配网络模块的正常作业，接收系统需要的大功率 稳定的超声电能。 ——通过设计配置的电/声工作部件，依靠电/声换能核心部件"振子晶堆"特有
的电致伸縮效应和振模特性，把从功率驱动工部接收到的超声电能转换成超声波声能；并
以能代表超声波特性的频率、声强、脉冲宽度等形式，传输到聚能辐射棒上。 ——通过以全浸没式安装布置在原油乳状液中的聚能辐射棒，将从电/声转换工
作部件传输到的代表超声波特性参数数值，聚能放大成原油超声破乳脱水作业所需要的频
率、声强、脉冲宽度等作业参数，并实时向原油乳状液中辐射传导，完成超声破乳脱水作业。 ——通过信号采样传输反馈系统，将超声波换能器作业过程中的各种信息，实时
采集反馈到功率驱动控制工部中的数字合成模块上，为自动调控系统提供修正调整运行作
业参数提供依据。
(4)、破乳脱水作业工部 A、原油超声破乳脱水技术，为实现最佳油水分离效果，除采用超声破乳脱水核心 技术外，还必须依靠化学破乳技术，自动控制技术，机械分散技术等多种应用科学技术的协 助配合，而且还必须提供一种能安装应用这些技术装备，使其能充分协调运行共同对原油乳状液进行油水分离作业的载体。据此，计原油超声破乳脱水作业技术路线时，安排布置有
破乳脱水作业工部；目的是实现对所有进行原油破乳脱水作业的技术及装备，能进行有效
组合及协调布置，利用已有的技术及装备资源，获得最大的经济效益和社会效益。 B、破乳脱水作业工部的作业任务，主要由配置的"破乳剂溶解液、加注器"和"油水
分离罐"完成。 C、破乳脱水作业工部承担的主要工艺内容有 ——通过原油进油口，接收需要进行超声破乳脱水处理的原油乳状液。 ——通过破乳剂溶解液加注器，按功率驱动控制工部发出的指令，向原油乳状液
中加注一定比例的破乳剂溶解液；实现破坏原油乳状液的油水界面膜，增强原油乳状液中
的水微粒和油微粒各自的分散、溶解能力，协助配合超生波产生的"位移效应"，提高对原油
乳状液的破乳脱水效率和效果。 ——通过安装在油水分离罐内的超声波换能器，实时向原油乳状液辐射传导代表 超声波特性的频率、声强、脉冲宽度等超声波声能，使原油乳状液产生"位移效应"和"空化 作用"，实现超声破乳脱水作业。 ——与此同时，配置在油水分离罐上的高速分散搅拌器、加热器、冷却器等辅助作 业部件，也按功率驱动控制工部发出的指令同时分别开始运行。高速分散搅拌器，以1800r/ min的转速高速转动，通过叶片搅动原油乳状液在油水分离罐内高速流动分散，实现增加水 微粒分散、碰撞、聚洁机率，提高油、水分离的效率和效果；电加热器，以大功率加热升温的 方式向原油乳状液中施放大量热能，使原油乳状液始终保持在50 7(TC的温度范围内接 受破乳脱水技术处理，实现降低原油乳状液的原有粘度，有利于在此环境中的水微粒分散、 碰撞和水滴分离、沉降，有助于提高油、水分离的效率和效果；冷却器，采用通过独立管路为 超声波换能器的振子晶堆提供高压冷风方式，进行散热降温作业，高压冷风管道压力控制 在0. 02 0. 05Mpa之内，实现确保振子晶片的长时间稳定正常工作。—与此同时同，功率驱动控制工部指令自动跟踪和信号采样反馈系统开始运 行，安装在油水分离罐内相应位置上的各功能传感器、油水界面指示仪、油水指标分析仪等 监测仪表也开始工作，并实时将搜集到的各种信息、数据传输到功率驱动控制工部中的数 字合成模块内；为功率驱动控制工部选择确定、修正调整运行参数或决定执行下一步程序， 提供数据支持和指令决策依据。 ——超声破乳脱水处理作业的超声波辐射时间，根据理论计算和实验验证，对一 般原油乳状液的处理，都可以控制在15 20min之内；具体执行时间，由功率驱动控制工部 根据采集和反馈的数据，自动判定，并发出完成超声波辐射的指令。—完成超声波辐射的时间，就是开始执行沉降时间，功率驱动控制工部在发出 完成超声波辐射时间的同时，发出所有运行部件停止运行的指令；根据停止运行指令，超生 波发生器、超声波换能器、高速分散搅拌器、电加热器、冷却器等工作部件全部停止运行；破 乳脱水作业工部进入执行沉降时间。 ——超声破乳脱水处理作业的沉降时间，根据理论计算和实验证，对一般原油乳 状液的处理，都可以控制在30 40min之内；具体执行时间，由功率驱动控制工部，根据设 置在油水分离罐各作业区内的油水界面指示仪、油水指标分析仪等监测仪表，实时传输的 油水分离效果数据自动判定，并实时发出相应指令。
——功率驱动控制工部，根据对油水分离作业效果的自动判断，首先指令打开脱 水原油排出阀门，从脱水原油排出口，将脱水原油排出；然后再指令打开分离水排出阀门， 从分离水排出口，将分离水排出；最后指令打开分离沉降泥砂排出口，启动泥砂清除器，靠 螺旋叶片推动作用，将分离沉降泥砂从沉降泥砂排出口部分排出。 至此，原油超声破乳脱水装置，完成了对原油乳状液的破乳脱水全部处理作业内
容。功率驱动控制工部，应该指令启动输油泵，向油水分离罐加注原油乳状液，进行下一轮
次的原油超声破乳脱水作业。 本发明的有益效果是 1、具有很的技术水平 (1)创造性、先进性 A、充分利用当代的自动化现场在线控制新技术，提供多种适用的超声电能，并具 有实时自动跟踪采样、调整控制各项运行作业参数的大功率超声波发生器，"原油超声破乳 脱水装置"的功率源，较好地解决了一般超声波发生器只能产生、提供一种超声电能，而且 不能自动调整控制运行作业参数的技术难题； B、提出一种能把超声电能转换成超声声能，并具有在媒质中辐射传导产生"位移
效应"和"空化作用"的超声波换能器，"原油超声破乳脱水装置"的主要作业功能部件，较
好地解决了对各种类型不同物性原油乳状液，都能进行有效超声破乳脱水作用； C、提出一种能以超声破乳技术为主，同时协调应用化学破乳、机械分散等实用技
术，并能连续不间断进行原油破乳脱水作业的油水分离罐，"原油超声破乳脱水装置"也是
应用各种原油破乳脱水技术的有效载体，较好地解决了实现对原油乳状液进行破乳脱水作
业，完成油水分离的连续工业化作业； D、以超声破乳技术为主，综合协调应用化学破乳、机械分散、现场在线自动化控制
等多种技术的原油超声破乳脱水技术路线；
2、本发明主要技术特点
(1)应用领域 原油超声破乳脱水装置及其破乳脱水方法，主要应用于油田的中联站、采油集中 场在原油出场运输前的破乳脱水和除杂处理技术作业；稍加改进，增设防爆装置后，也可以 应用于炼油厂的原油预处理作业。
(2)科术主要特性 以超声破乳技术为主，综合协调应用化学破乳、机械分散、现场在线自动控制等多 项先进成熟技术，具有超声功率大、高低频率匹配组合应用、声场分布均匀；作业状态稳定、 操作简单容易、运行自动调整控制；消耗电量少、破乳剂用量比例低、生产处理能力强、油水 分离彻底，分离水中含油量极低、可实现工业化连续作业等突出特点。
3、本发明意义 A、科研成果科学地利用了超声波特有的"位移效应"和"空化作用"，采取多组高低 频率自动选择组合、浸没式安装布置聚能辐射棒、高压冷风冷却、厚铜电极板散热、发生器 功能部件集成模块化等多项独创性超声装备技术措施，成功地将超声破乳技术应用到极具 市场发前景的原油破乳脱水作业领域中，为超声技术在石油工业生产中的实际应用，开拓 了一个新领域。
B、成功地应用以超声破乳脱水技术为主，综合协调采用化学破乳、机械分散、现场 在线自动控制等多项先进成熟技术，通过独创设计的预设处理方案组配、以单片机做现场 CPU、自动跟踪采样反馈及安全保护电路等有效技术措施，较好地解决了原油破乳脱水作业 中长期存在的一些技术难题，为原油采、炼行业中破乳脱水处理作业的技术进步，提供了一 种新途径。 C、本发明具有消耗电量少，破乳剂用量比例小，油水分离彻底，分离水和沉降泥砂
中含油量极低等突出特点，可以极大的降低原油油水分离作业费用，减轻处理污水和沉降
泥砂的环保压力，提高原油实际有效产量，为我国原油采、炼行业中破乳脱水作业环节中的
增产、节能、降耗、减排，创造较好的经济效益和社会效益； 4、推广应用条件。
(1)本发明推广应用条件 主要应用于油田的中联站、采油集中场，只要油田能正常采油作业，有原油破乳脱 水处理要求，都可以应用，无特殊限制价值。


图1是本发明是超声波发生器工作结构原理方框示意图； 图2是超声波换能器整体结构原理示意图； 图3是超声波频率与原油破乳脱水关系曲线图； 图4是超声波声强与原油破乳脱水关系曲线图； 图5是超声波辐射时间与原油破乳脱水关系曲线图； 图6是油水分离罐整体结构布置示意图； 图7是原油破乳脱水处理技术路线示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细描述。 本发明原油超声波乳脱水装置及其破乳脱水方法，就是应超声波的特性，借助化 学破乳剂的化学活性作用，协同配合，破坏原油乳状液的稳定结构，促使原油乳状液快速发 生结构性变化，实现原油的高效油、水分离。 图1是本发明是超声波发生器工作整体结构原理方框示意图；它是由人机交互数 字显示器、AVR高速嵌入式单片机、数字合成模块、信号驱动模块、功率放大模块、匹配网络 模块、发生器壳体等主要工作部件组成。 超声波发生器，以AVR高速嵌入式单片机做为现场CPU，通过单片机的底板总线系 统设有的标准插槽或插座，分别与内部各工作部件模块相连通；与分别布置在管线、油水分 离罐中的功能传感器、在线分析仪相连通；与分别控制原油进出、分离水排出、沉淀泥砂排 出、破乳剂溶解液添加、分散搅拌器、电加热器、超声波换能器冷却器等装置的电磁开关、阀 门、电动机相连接；与PLC连接通讯，并通过PLC指挥控制"原油超声破乳脱水装置"的全部 工作程序。 超声波发生器，对上述组成发生器的所有各工作部件均采用集成技术，将构成各 工作部件的各种独立元器件、配套电路，全部集成到单独模块上；各单独模块均采用印刷线路技术，嵌入所有独立元器件；各单独模块均设计有标准插板，通过单片机底板总线系统与 现场CPU连通。 超声波发生器，将所有各工作部件统一安装布置在长方形不锈钢板制成的控制櫃 内，通过导线与PLC、油水分离罐的总接线控制盒相连接；控制櫃单独安装在油水分离罐附 近的合适位置上。
超声波发生器的运行技术路线描述 A、接通电源，启动"原油超声破乳脱水装置"进入运行状态； B、通过超声波发生器的人机交互数字显示器，检查验证所有工作部件都处于正常 工作状态，并有相关数字信息陆续开始显示； C、通过原油在线分析仪，将测得的原油乳状液流量、含水率、各种盐类物质的成份 及含量、密度、温度等物性指标数据，实时准确完整送到数字合成模块，并在显示器屏幕上 显示； D、通过数字合成模块，将接收到的原油物性数据与预设处置方案组配数据，通过 分析对比系统的数学逻辑模型电路，进行自动比对、计算，选择确定出对原油进行超声破乳 脱水处理作业的频率、声强、脉冲宽度等特性参数和沉降时间、加热温度、分散搅拌速度、破 乳剂加入数量等运行参数，传送到信号驱动模块。与此同时，信号驱动模块的锁相式频率自 动跟踪、信号采样编码传输等信息反馈系统，将实时跟踪采集的各项特性参数、运行参数具 体数据，实时准确完整送回数字合成模块。在数字合成模块内，对已经选择确定的具体数 据，再次进行比对、计算、修正，并将修正结果在显示器屏幕上显示； E、在现场CPU内，能过单片机控制，将修正后的结果数据，传送到信号驱动模块 中； F、通过以信号驱动模块，将系统需要的频率信号，传送到以开关型功率放大器为 核心的功率放大模块中，形成超声波换能器需要的超声电能； G、通过以匹配换能网络电路为核心的匹配网络模块，将超声波换能器需要的超声 电能传送到超声波换能器中，并转换成超声波能； H、通过现场CPU单片机，将经过对比修正后的运行参数数据，分别传送到相应的 电机、阀门、电磁开关，指令其按运行参数进行开启或关闭。 图2是超声波换能器整体结构原理示，它是由复合聚能辐射棒1、微调套筒2、预应 力套筒3、安装基座4、压电稀土陶瓷晶片5、厚铜板电极6、薄铜板电极7、外壳8、节点支座 9、后振动体10、、吸收块11、声反馈晶片12、后端盖13、电极引线14、冷却气进口 15、振子晶 堆等主要工作部件组成。 所述的超声波换能器，它由电声转换部分和聚能辐射棒两部分组成，所有电-声 转换零部件都组装在圆柱形外壳内，通过预应力套筒3与前负载块即聚能辐射棒1连接； 通过导线连接到油水分离器的总接线控制盒上，再与超声波发生器连接；通过冷却气进口 15，与冷却器连接。超声波换能器通过安装基座4，安装固定在油水分离罐内；以安装基座 4为分界面，聚能辐射棒1以浸没形式布置在原油乳状液内，电声转换部分布置在原油乳状 液的液面以上。 超声波换能器参数选择
1、超声波频率的选择
超声波在液体媒质中传导时，在其他条件不变的前提下，声强随传播距离的增加 而逐渐衰减；衰减的速度和程度，与超声波的频率平方成正比。据此可知，超声波频率是影 响原油破乳脱水的关键因素之一， 超声波的频率越低，衰减的速度越慢，衰减的程度越小，破乳声场越均匀，在声强 条件基本相同的条件下，选择设计相对较低频率范围，可提高原油乳状液中所有物质微粒 的位移振幅，有利原油中水微粒的运动、碰撞、聚结、沉降，有利提高破乳脱水效果，图3是 超声波频率与原油破乳脱水的关系曲线图，是超声波频率应选择的范围。原油超声破乳脱 水装置"，依据对各种类型不同物性原油乳状液都能实现有效超声破乳脱水的基本要求，选 择出在较低超声频率范围内，提供出20KHz，34KHz ;21KHz，36KHz ;22KHz，38KHz等三种不 同高_低频率组合的超声波频率参数。
2、超声波声强的选择 图4超声波声强与原油破乳脱水的关系曲线图，充分考虑了各种类型不同物性原 油乳状液特点，选择设计出可在1. 2 1. 8W/cm2之间，进行自动选择的超声波声强参数。
3、超声波辐射时间的选择 图5是超声波辐射时间与原油破乳脱水关系曲线图，充分考虑了各种类型不同物 性原油乳状液特点，选择设计出可在15 20min之间，进行自动选择的超声波辐射时间参数。 超声波换能器 所述的超声波换能器 A、振子晶堆由压电稀土陶瓷晶片5、厚铜电极板6、薄铜板电极7、电极导线，通过
环氧胶合组成；压电稀土陶瓷晶片的数量、直径、厚度、孔径等形状尺寸，根据超声破乳脱水
需要的频率、功率等条件计算选定，厚铜电极板6，薄铜板电极7的数量及形状尺寸，根据压
电稀土陶瓷晶片5的数据匹配设计。振子晶堆与前负载块即聚能辐射棒1，以平面全接触方
式连接。前负载块通过螺纹与预应力套筒3、微调套筒2连接，并作为固定机构。 振子晶堆与后负载块也以平面全接触方式连接，后负载块中锒有吸收块11和声
反馈晶片12，形成声、电信息反馈。 B、因压电稀土陶瓷晶片5的抗压强度有限，在振子晶堆外，设计有预应力套筒3、 微调套筒2、前后负载块等调控机构。通过调整预应力套筒3，改变前后负载块的间距，就能 对振子晶堆施加足够预应力，也可以控制晶片预应力大小；在换能器作大动率振动时，压电 效应始终能被控制在设计的变化范围内，确保振子晶堆不被破坏。 C、因压电稀土陶瓷晶片5是由铁电材料经磨细、烧结、极化制成，在大电场、高功 率条件下，会产生大量热能。如不采取有效措施，晶片温度将不断升高；当晶片温度达到其 居里温度的一半时，就会使换能器处于严重不稳定状态。为此，振子晶堆设计了厚铜电极板 6，有利于散热；同时，在超声油水分离罐外，设计安装有小型冷却器，通过冷却气进口送入 冷却气体，可以确保晶片获得良好的散热条件。 D、聚能辐射棒l，是超声波换能器中的重要工作部件，是向原油乳状液中辐射超声 波的功率源，也是功率超声振幅的机械放大源；同时，还能使超声波换能器的电一声转换部 件与作用媒质这之间，获得热学、化学上的隔绝。根据原油超声破乳脱水特点，为增加振幅 放大系数，选择复合式聚能辐射棒；同时考虑到聚能辐射棒不仅要长期浸没在原油乳状液
23中工作，而且还要辐射大功率、高振幅，为此选择具有较大疲劳强度、较小声阻抗特性、而且 耐腐蚀的钛合金材料制造。考虑到开发研制的超声波换能器，需要聚能辐射棒能提供尽可 能大的振幅放大系数，将聚能辐射棒设计成微齿形变截面形状，既能提高振辐放大系数，又 能增大辐射面积，提高电_声转换效率。 E、根据"原油超声破乳脱水装置"的生产效率，在油水分离罐内，安装布置3台超 声波换能器。平面布置位置设计成在同心园120°分界线上，按超声波换能器有效辐射面 积可以重叠，不留盲区的原则布置；垂直位置设计成以安装基座为分界面，超声波换能器 的聚能辐射棒以浸没形式布置在原油乳状液内，超声波换能器的电-声转换部分布置在原 油乳状液的液面以上。设计的这种安装布置形式，能使聚能辐射棒1在360。方向内，均匀 向四周辐射超声波，实现辐射无盲区，有利于确保超声破乳脱水作业质量。
协调应用化学破乳、机械分散技术的油水分离罐 本发明的"原油超声破乳脱水装置"，配有油水分离罐，油水分离罐，是协调应用超 声、化学、机械破乳技术，完成对各种类型不同物性原油乳状液进行破乳脱水处理作业的专 用设施，是应用安装功率超声、化学破乳、机械分散等破乳脱水专业技术装备的载体，是实 现原油乳状液油水分离的作业场地。根据实际情况，油水分离罐既可以单独组织生产制造， 也可以利用油田采油场现有的原油油水分离罐进行改装加工。
1、油水分离罐的整体结构布置设计。 本发明的"原油超声破乳脱水装置"技术要求，充分考虑各种类型不同物性原油乳 状液的特性和破乳脱水技术条件，多种设计方案对比分析后，设计出的油水分离罐整体结 构布置， 图6是油水分离罐整体结构布置示意图，所油水分离罐，由罐体支座16、泥砂沉淀 池17、分离水排除口 18、分离水储存区19、泥砂隔离栅20、泥砂清除器21、分离泥砂沉降区 22、分离油水混合区23、脱水原油排出口24、电加热器25、高速分散搅拌器26、罐体27、罐体 保温层28、换能器安装支架29、冷却器30、余气分散区31、余气排出口 32、罐盖33、破乳剂 加注器34、原油在线分析仪器仪35、原油进油口 36、连接法兰盘37、超声波换能器38、原油 破乳脱水区39、沉降泥沙排除口 40、总接线控制盒41、导线束42、超声波发生器43等主要 工作部件组成。
2、油水分离罐体 A、油水分离罐整体设计成圆柱体罐形；为维修清洗方便，分成罐体和罐盖两部分， 用连接法兰盘37连接固定；罐体通过罐体支座16与设备基础连接固定。在罐体内，自上而 下划分成余气分散区31、原油破乳脱水作业区39、分离油水混合区23、分离泥砂沉降区22、 分离水沉降储存区19等五个作业功能区；由泥砂隔离栅20，将分离水沉降储存区19与其 他作业区分隔；为去除分离水中夹带的泥砂，在分离水沉降储存区19内，设有泥砂沉淀池。
B、根据油水分离作业需要，设计布置安装三台超声波换能器23，布置安装方式设 计成在油水分离罐的同心园120°分界线上，按超声波聚能辐射棒有效辐射面积可重叠、无 盲区原则布置；以原油乳状液在油水分离罐内的最高界面为基准，在罐体内壁上布置安装 换能器安装支架29，通过换能器安装支架29与超声波换能器38安装基痤连接固定；换能 器的电-声转换部分，布置在原油乳状液液面以上，换能器的聚能辐射棒1以全浸没形式布 置在原油乳状液内。
C、为保证超声波换能器中振子晶堆的恰当工作温度，在罐盖33外壁上设有安装 有高压冷却器30，通过冷却通风管与超声波换能器38的冷却气进气口连接。
D、为降低原油粘度，提高破乳脱水效率，原油乳状液应始终保持50°C 7(TC的温 度范围内接受破乳脱水处理，针对北方地区气候特点，在罐体外壁设计安装有保温层28 ; 在原油破乳脱水区39，安装有电加热器25和温度传感器。 E、为提高对原油乳状液的破乳分散能力，在原油进入油水分离罐的进油管道上， 安装有原油在线自动分析仪35，实时监测原油的密度、粘度、含水量、化学成分含量等物性 指标数据，并能实时将测得的指标数据传输至超声波发生器28的现场CPU内。同时还在原 油进入油水分离罐的进油管道上，设计装有化学破乳剂溶液加注器34，能根据超声波发生 器43给出时指令，按原油流量以设计的比例浓度向原油乳状液中加注破乳剂。同时，为进 一步增强对原油乳状液破乳脱水能力，提高油水分离效率，在油水分离罐内的不同高度位 置，以不同倾斜角度，安装有两台叶片式高速分散搅拌器；能在对原油乳状液进行超声破乳 作业的同时，对原油乳状液进行高速分散搅拌，用以提高原油乳状液的流动性和分散能力， 增强原油破乳脱水效果。 F、在分离泥砂沉淀区22，安装有螺旋式泥砂清除器21，当泥砂中的含油经几次搅 动分散，破乳脱水分离后，由泥砂清除器21及时清除，从泥砂排出口 40排出。原油乳状液 经破乳脱水处理后分离出来的分离水，经分离油水混合区23和分离泥砂沉淀区22的吸纳、 过滤，进入分离水沉降储存区19 ;在此过程中，虽有安装的泥砂隔离栅5，但仍会有微细泥 砂随分离水进入；为此，在分离水沉降储存区19设有泥砂滑降板、泥砂沉淀池、泥砂排出口 40，可定时排除沉积泥砂。 G、根据超声破乳脱水作业需要，在油水分离罐内的相应位置上，设置有传感器、液 面指示仪、油水在线分析仪35等数据监测仪器仪表；同时还布置有控制油水分离罐各工作 部件运行的电机、阀门、开关等电器元件。为实现自动化在线控制，所有导线、数据线，均统 一接入设计安装在罐体外部的总接线控制盒内41 ;通过导线束42与超声波发生器43连 接。 3、油水分离罐的运行技术路线描述。 A、接通电源，检查所有工作部件均在正常状态后，由超声波发生器28指令启动输 油泵，向油水分离罐加注原油乳状液。 B、原油在线分析仪35工作，实时测出原油各项物性指标；并将测到的原油密度、 粘度、含水量、含盐量和化学成份数量等物性指标数值，传输进超声波发生器43的现场CPU 内，同时在显示器屏幕上显示。 C、在超声波发生器43内，根据接收的原油物性指标数据，通过与预设处理方案组 配进行分析对比，经过数学逻辑模型电路自动分析计算，选择确定出超声波的频率、声强、 脉冲宽度、辐射时间等超声波作业特性参数，实时将作业指令转输到超声波换能器内，并在 显示屏幕上显示；同时，将选择确定的破乳剂溶液加注器34、冷却气通入量、加热器加热温 度及时间、高速分散搅拌器转速及时间等作业运行指令参数，实时传输到相关运行部件的 执行机构执行，并在显示器屏幕上显示。 D、超声波换能器38的各运行部件，按超声波发生器38的指令开始运行。 E、与此同时，超声波发生器43的自动跟踪和信号采集系统启动；安装设置在油水分离罐内相应位置上的各动能传感器、油水液面指示仪、油水指标在线分析仪35等监测仪 表也开始工作。实时将收集到的各种信息、数据等传输到超声波发生器43的现场CPU内。 在超声波发声器43内，按C项描述的作业程序实时进行控制调整，并在显示器屏幕上显示。
F、超声波发生器43，根据设定的辐射时间和收到的监测信息，经自动对比计算，断 定并指令所有运行部件停止运行，进入沉降时间。 G、超声波发生器43，根据各作业区设置的油水液面指示仪和油水在线分析仪35 实时传输的数据，分别指令先后打开脱水原油排出阀门和分离水排出阀门，先后排出脱水 原油和分离水；然后再指令打开分离泥砂排出阀门，启动泥砂清除器，排出部分分离沉降泥 砂。 H、超声波发生器，指令启动输油泵向油水分离罐加注需要处理的原油乳状液，进
入下一轮次的原油破乳脱水作业循环。 综合协调应用多种破乳技术进行超声破乳脱水 本发明提出一种以超声破乳技术为主，能综合协调应用多种破乳技术，共同对各 种类型不同物性原油乳状液进行超声破乳脱水作业的完整技术路线。 本发明提出的原油超声破乳脱水作业技术路线，由原油物性分析、功率驱动控制、 电/声转换辐射、破乳脱水作业等四个具体作业工部组成。 各作业工部设置的理由目的，应用的技术装备，承担的主要工艺内容，执行的具体 参数，实现的作业目标等具体内容，分别描述如下
图7是原油破乳脱水处理技术路线示意图。
1、原油物性分析工部 A、目的是为进行超声破乳脱水作业，科学选择确定出的具体超声特性参数、作业 运行参数。 B、原油物性分析工部的作业任务，主要由配置的有多种监测仪器仪表组成的"原 油在线分析仪"完成。 C、原油物性分析工部承担的主要工艺内容有 ——对需要进行超声破乳脱水处理的原油乳状液，进行物性指标数据检测分析； 检测分析的物性指标包括温度、粘度、含水率、泥砂率、乳状液类型及NaCI、MgCI2、CaCI2等 盐类物质含量等指标。 ——除首次处理不同物性原油必须进行检测分析外，检测分析的数量基数，时间 间隔，均根据国家规定的抽样办法进行检测。 ——将规定检测分析的所有物性指标数值，实时传输进超声波发生器的现场CPU 内，做为选择超声波特性参数和作业运行参数的基础依据。 ——完成原油物性指标分析后，根据功率驱动控制工部的指令，启动输油泵，向油
水分离罐加注原油乳状液。 2、功率驱动控制工部 A、目的是为进行超声破乳脱水作业提供大功率超声功率源，同时实现原油超声破 乳脱水作业全过程在线自动控制。 B、功率驱动控制工部的作业任务，主要由配置的"超声波发生器"完成。
C、功率驱动控制工部承担的主要工艺内容有
——接收原油在线分析仪传输的原油乳状液温度、密度、粘度、含水率、泥砂率、乳 状液类型及NaCI、 MgCI2、 CaCI2盐类物质含量等物性指标数值，并在显示器屏幕上显示。
——接收并显示原油乳状液物性指标后，下达向油水分离罐进行输油指令。
——通过数字合成模块，将接收到的原油乳状液物性指标数值，实时与存储的预 设处理方案组配进行自动对比分析，经设有的数学逻辑模型电路自动分析计算，选择确定 出对该批原油乳状液进行超声破乳脱水处理应采用的超声波频率、声强、辐射时间、脉冲宽 度等超声波特性参数；同时选择确定出破乳剂溶解液加注量、冷却气通入时间及数量、高速 分散搅拌器转速、加热温度及时间等运行作为参数；并将选择确定的这些参数实时传输到 信号驱动模块，同时在显示器屏幕上显示。 ——通过信号驱动模块中的锁相式频率自动反馈跟踪系统和信号采样编码传输 系统的相位比较器、电压比较器、低通滤波器、压控振荡器等电路器件的工作，将接收到的 数字合成模块选择确定的各类参数数值，转换成系统执行需要频率激励信号，分别实时传 输到功率放大模块和电声转换辐射工部、破乳脱水作工部中的相关作业部件中。与此同时， 指令启动保护电路，自动设定异常信号，设定作业故障、作业参数的定位限制，补偿机制等 报警识别、触发信息。 ——通过功率放大模块中的激励放大器、开关型功率放大器等电路、器件的工作， 将从信号驱动模块中接收到的频率激励信号，转换成超声波换能器能使用的超声电能，并 实时传输到匹配网络模块中。 ——通过匹配网络模块中的阻抗匹配、调谐匹配等电路、器件的工作，，使超声波 发生器向超声波换能器输出的超声电能功率达到最大值，并以稳定的功率向超声波换能器 提供能产生超声破乳脱水作业的设计电能，并指令超声波换能器工作。 ——与此同时，经信号驱动模块指令启动的自动跟踪、信号采样系统和破乳脱水
工部中设计布置的各功能传感器、油水液面指示仪、油水指标在线分析仪等监测系统，都进
入正常工作状态，并实时向数字合成模块传输所测得的各种数据信息；在数字合成模块内 对这些参数进行比对分析、逻辑运算；根据运算结果，对已经选择确定的超声波特性参数和
运行作为参数，分别进行调整修正，发出调整修正指令，同时在显示器屏幕上显示。 ——根据传输和反馈的信息数据，自动判断进行超声破乳脱水处理作业时辐射时
间、沉降时间等作业开始或停止；自动判断分离沉降泥砂、脱水原油、分离水等处理作业成
果的排出作业开始或停止，并向相关执行工作部件，发出相应执行指令。 3、电/声转换辐射工部 A、原油超声破乳脱水作业技术路线时，安排布置有电/声转换辐射工部；目的是 使这种超声波换能器产生的频率、声强等代表超声波特性的运行参数，能符合超声破乳脱 水作业技术条件需要。 B、电/声转换辐射工部的作业任务，主要由配置的"超声波换能器"完成。
C、电/声转换辐射工部承担的主要工艺内容有 ——通过功率驱动控制工部中匹配网络模块的正常作业，接收系统需要的大功率 稳定的超声电能。 ——通过设计配置的电/声工作部件，依靠电/声换能核心部件"振子晶堆"特有 的电致伸縮效应和振模特性，把从功率驱动工部接收到的超声电能转换成超声波声能；并以能代表超声波特性的频率、声强、脉冲宽度等形式，传输到聚能辐射棒上。 ——通过以全浸没式安装布置在原油乳状液中的聚能辐射棒，将从电/声转换工 作部件传输到的代表超声波特性参数数值，聚能放大成原油超声破乳脱水作业所需要的频 率、声强、脉冲宽度等作业参数，并实时向原油乳状液中辐射传导，完成超声破乳脱水作业。 ——通过信号采样传输反馈系统，将超声波换能器作业过程中的各种信息，实时 采集反馈到功率驱动控制工部中的数字合成模块上，为自动调控系统提供修正调整运行作 业参数提供依据。 4、破乳脱水作业工部 A、设计原油超声破乳脱水作业技术路线时，安排布置有破乳脱水作业工部；目的 是实现对所有进行原油破乳脱水作业的技术及装备，能进行有效组合及协调布置，充分利 用已研究设计出的先进技术及装备资源，获得最大的经济效益和社会效益。
B、破乳脱水作业工部的作业任务，主要由设计配置的"破乳剂溶解液加注器"和 "油水分离罐"完成。 C、破乳脱水作业工部承担的主要工艺内容有 ——通过原油进油口 ，接收需要进行超声破乳脱水处理的原油乳状液。
——通过破乳剂溶解液加注器(34)，按功率驱动控制工部发出的指令，向原油乳 状液中加注一定比例的破乳剂溶解液；实现破坏原油乳状液的油水界面膜，增强原油乳状 液中的水微粒和油微粒各自的分散、溶解能力，协助配合超生波产生的"位移效应"，提高对 原油乳状液的破乳脱水效率和效果； ——通过安装在油水分离罐内的超声波换能器(38)，实时向原油乳状液辐射传导 代表超声波特性的频率、声强、脉冲宽度等超声波声能，使原油乳状液产生"位移效应"和 "空化作用"，实现超声破乳脱水作业。 ——与此同时，设计配置在油水分离罐上的高速分散搅拌器、加热器(25)、冷却 器(30)等辅助作业部件，也按功率驱动控制工部发出的指令同时分别开始运行，高速分 散搅拌器，以1800r/min的转速高速转动，通过叶片搅动原油乳状液在油水分离罐内高速 流动分散，实现增加水微粒分散、碰撞、聚洁机率，提高油、水分离的效率和效果；电加热器 (25)，以大功率加热升温的方式向原油乳状液中施放大量热能，使原油乳状液始终保持在 50 70°C的温度范围内接受破乳脱水技术处理，实现降低原油乳状液的原有粘度，有利于 在此环境中的水微粒分散、碰撞和水滴分离、沉降，有助于提高油、水分离的效率和效果；冷 却器，采用通过独立管路为超声波换能器的振子晶堆提供高压冷风方式，进行散热降温作 业，高压冷风管道压力控制在0. 02 0. 05Mpa之内，实现确保振子晶片的长时间稳定正常 工作。 ——与此同时同，功率驱动控制工部指令自动跟踪和信号采样反馈系统开始运 行，安装在油水分离罐内相应位置上的各功能传感器、油水界面指示仪、油水指标分析仪等 监测仪表也开始工作，并实时将搜集到的各种信息、数据传输到功率驱动控制工部中的数 字合成模块内；为功率驱动控制工部选择确定、修正调整运行参数或决定执行下一步程序， 提供数据支持和指令决策依据。 ——超声破乳脱水处理作业的超声波辐射时间，根据理论计算和实验验证，对一 般原油乳状液的处理，都可以控制在15 20min之内；具体执行时间，由功率驱动控制工部根据采集和反馈的数据，自动判定，并发出完成超声波辐射的指令。 ——完成超声波辐射的时间，就是开始执行沉降时间。功率驱动控制工部在发出完成超声波辐射时间的同时，发出所有运行部件停止运行的指令；根据停止运行指令，超生波发生器(43)、超声波换能器(38)、高速分散搅拌器、电加热器(25)、冷却器(30)等工作部件全部停止运行；破乳脱水作业工部进入执行沉降时间。 ——超声破乳脱水处理作业的沉降时间，根据理论计算和实验证，对一般原油乳状液的处理，都可以控制在30 40min之内；具体执行时间，由功率驱动控制工部，根据设置在油水分离罐各作业区内的油水界面指示仪、油水指标分析仪等监测仪表，实时传输的油水分离效果数据自动判定，并实时发出相应指令。 ——功率驱动控制工部，根据对油水分离作业效果的自动判断，首先指令打开脱水原油排出阀门，从脱水原油排出口，将脱水原油排出；然后再指令打开分离水排出阀门，从分离水排出口，将分离水排出；最后指令打开分离沉降泥砂排出口，启动泥砂清除器，靠螺旋叶片推动作用，将分离沉降泥砂从沉降泥砂排出口部分排出。 至此，原油超声破乳脱水装置，完成了对原油乳状液的破乳脱水全部处理作业内容。功率驱动控制工部，应该指令启动输油泵，向油水分离罐加注原油乳状液，进行下一轮次的原油超声破乳脱水作业。
权利要求
一种原油超声破乳脱水装置，它包括超声波换能器，所述的超声波换能器是由复合聚能辐射棒(1)、微调套筒(2)、预应力套筒(3)、安装基座(4)、压电稀土陶瓷晶片(5)、厚铜板电极(6)、薄铜板电极(7)、外壳(8)、节点支座(9)、后振动体(10)、吸收块(11)、声反馈晶片(12)、后端盖(13)、电极引线(14)、冷却气进口(15)、振子晶堆工作部件组成，其特征在于所有电-声转换零部件都组装在圆柱形外壳内，通过预应力套筒(3)与前负载块即聚能辐射棒(1)连接；通过导线连接到油水分离器的总接线控制盒(41)上，再与超声波发生器(43)连接；通过冷却气进口(15)，与冷却器(30)连接，超声波换能器通过安装基座(4)安装固定在油水分离罐内；以安装基座(4)为分界面，聚能辐射棒(1)以浸没形式布置在原油乳状液内，电声转换部分布置在原油乳状液的液面以上。
2. 根据权利要求1所述的一种原油超声破乳脱水装置，其特征在于A、 振子晶堆由压电稀土陶瓷晶片(5)、厚铜电极板(6)、薄铜板电极(7)、电极导线，通过环氧胶合组成；压电稀土陶瓷晶片(5)的数量、直径、厚度、孔径形状尺寸，根据超声破乳脱水需要的频率、功率等条件计算选定，厚铜电极板(6)，薄铜板电极(7)的数量及形状尺寸，根据压电稀土陶瓷晶片(5)的数据匹配设计，振子晶堆与前负载块即聚能辐射棒(1)，以平面全接触方式连接，前负载块通过螺纹与预应力套筒(3)、微调套筒(2)连接，并作为固定机构，振子晶堆与后负载块也以平面全接触方式连接，后负载块中锒有吸收块(11)和声反馈晶片(12);B、 压电稀土陶瓷晶片(5)在振子晶堆外，设计有预应力套筒(3)、微调套筒(2)、前后负载块调控机构；C、 压电稀土陶瓷晶片(5)是由铁电材料经磨细、烧结、极化制成，振子晶堆设计了厚铜电极板(6)，在超声油水分离罐外，设有安装有小型冷却器(23);D、 聚能辐射棒(l)，选择复合式聚能辐射棒；E、 原油超声破乳脱水装置在油水分离罐内，安装布置三台超声波换能器(38)，平面布置位置设计成在同心园120°分界线上，垂直位置设计成以安装基(4)座为分界面，超声波换能器的聚能辐射棒(1)以浸没形式布置在原油乳状液内，超声波换能器的电-声转换部分布置在原油乳状液的液面以上，能使聚能辐射棒(1)在360°方向内。
3. 根据权利要求1所述的一种原油超声破乳脱水装置，包括油水分离罐，所述的油水分离罐，由罐体支座(16)、泥砂沉淀池(17)、分离水排除口 (18)、分离水储存区(19)、泥砂隔离栅(20)、泥砂清除器(21)、分离泥砂沉降区(22)、分离油水混合区(23)、脱水原油排出口 (24)、电加热器(25)、高速分散搅拌器(26)、罐体(27)、罐体保温层(28)、换能器安装支架(29)、冷却器(30)、余气分散区(31)、余气排出口 (32)、罐盖(33)、破乳剂加注器(34)、原油在线分析仪器仪(35)、原油进油口 (36)、连接法兰盘(37)、超声波换能器(38)、原油破乳脱水区(39)、沉降泥沙排除口 (40)、总接线控制盒(41)、导线束(42)、超声波发生器(43)主要工作部件组成，其特征在于A、油水分离罐整体成圆柱体罐形；分成罐体和罐盖(33)两部分，用连接法兰盘(37)连接固定；罐体通过罐体支座(16)与设备基础连接固定，在罐体内，自上而下划分成余气分散区(31)、原油破乳脱水作业区(39)、分离油水混合区(23)、分离泥砂沉降区(22)、分离水沉降储存区(19)五个作业功能区；由泥砂隔离栅(20)，将分离水沉降储存区(19)与其他作业区分隔；在分离水沉降储存区(19)内，设有泥砂沉淀池；B、 安装三台超声波换能器(23)，安装在油水分离罐的同心园120°分界线上，原油乳状液在油水分离罐内的最高界面为基准，在罐体内壁上安装换能器安装支架(29)，通过换能器安装支架(29)与超声波换能器(38)安装基痤连接固定；换能器的电-声转换部分，布置在原油乳状液液面以上，换能器的聚能辐射棒(1)以全浸没形式布置在原油乳状液内；C、 在罐盖(33)外壁上安装有高压冷却器(30)，通过冷却通风管与超声波换能器(38)的冷却气进气口连接；D、 在罐体外壁安装有保温层(28)，在原油破乳脱水区(39)，安装有电加热器(25)和温度传感器；E、 在原油进入油水分离罐的进油管道上，安装有原油在线自动分析仪(35)，并能实时将测得的指标数据传输至超声波发生器(28)的现场CPU内；同时还在原油进入油水分离罐的进油管道上，装有化学破乳剂溶液加注器(34);F、 在分离泥砂沉淀区(22)，安装有螺旋式泥砂清除器(21);G、 在油水分离罐内的相应位置上，设置有传感器、液面指示仪、油水在线分析仪(35)，同时还布置有控制油水分离罐各工作部件运行的电机、阀门、开关电器元件，均统一接入设计安装在罐体外部的总接线控制盒(41)内；通过导线束(42)与超声波发生器(43)连接。
4. 根据权利要求1所述的一种原油超声破乳脱水装置，其特征在于超声波发生器(43)，它是由人机交互数字显示器、AVR高速嵌入式单片机、数字合成模块、信号驱动模块、功率放大模块、匹配网络模块、发生器壳体工作部件组成，超声波发生器(43)，以AVR高速嵌入式单片机做为现场CPU，通过单片机的底板总线系统设有的标准插槽或插座，分别与内部各工作部件模块相连通；与分别布置在管线、油水分离罐中的功能传感器、在线分析仪(35)相连通；与分别控制原油进出、分离水排出、沉淀泥砂排出、破乳剂溶解液添力n、分散搅拌器、电加热器(10)、超声波换能器冷却器装置的电磁开关、阀门、电动机相连接；与PLC连接通讯，并通过PLC指挥控制原油超声破乳脱水装置，对上述组成发生器的所有各工作部件均采用集成技术，将构成各工作部件的各种独立元器件、配套电路，全部集成到单独模块上，各单独模块均采用印刷线路技术，嵌入所有独立元器件；各单独模块均设计有标准插板，通过单片机底板总线系统与现场CPU连通。
5. 根据权利要求1所述的原油超声破乳脱水的方法，其特征在于A、 接通电源，检查所有工作部件均在正常状态后，由超声波发生器(28)指令启动输油泵，向油水分离罐加注原油乳状液；B、 原油在线分析仪(35)工作，实时测出原油各项物性指标；并将测到的原油密度、粘度、含水量、含盐量和化学成份数量等物性指标数值，传输进超声波发生器(43)的现场CPU内，同时在显示器屏幕上显示；C、 在超声波发生器(43)内，根据接收的原油物性指标数据，通过与预设处理方案组配进行分析对比，选择确定出超声波的频率、声强、脉冲宽度、辐射时间超声波作业特性参数，实时将作业指令转输到超声波换能器内，并在显示屏幕上显示；同时，将选择确定的破乳剂溶液加注器(34)、冷却气通入量、加热器加热温度及时间、高速分散搅拌器转速及时间作业运行指令参数，实时传输到相关运行部件的执行机构执行，并在显示器屏幕上显示；D、 超声波换能器(38)的各运行部件，按超声波发生器(38)的指令开始运行；E、 与此同时，超声波发生器(43)的自动跟踪和信号采集系统启动；安装在油水分离罐内相应位置上的各动能传感器、油水液面指示仪、油水指标在线分析仪(35)监测仪表也开始工作，实时将收集到的各种信息、数据等传输到超声波发生器(43)的现场CPU内，在超声波发声器(43)内，按C项描述的作业程序实时进行控制调整，并在显示器屏幕上显示；F、 超声波发生器(43)，根据设定的辐射时间和收到的监测信息，经自动对比计算，断定并指令所有运行部件停止运行，进入沉降时间；G、 超声波发生器(43)，根据各作业区设置的油水液面指示仪和油水在线分析仪(35)实时传输的数据，分别指令先后打开脱水原油排出阀门和分离水排出阀门，先后排出脱水原油和分离水；然后再指令打开分离泥砂排出阀门，启动泥砂清除器(20)，排出部分分离沉降泥砂；H、 超声波发生器(43)，指令启动输油泵向油水分离罐加注需要处理的原油乳状液，进入下一轮次的原油破乳脱水作业循环。
6.根据权利要求5所述的原油超声破乳脱水的方法，其特征在于原油超声破乳脱水作业技术路线，由原油物性分析、功率驱动控制、电/声转换辐射、破乳脱水作业四个具体作业工部组成，(1) 、原油物性分析工部原油物性分析工部的作业任务，主要由配置的有多种监测仪器仪表组成的原油在线分析仪(35)完成，原油物性分析工部承担的主要工艺内容有——对需要进行超声破乳脱水处理的原油乳状液，进行物性指标数据检测分析；检测分析的物性指标包括温度、粘度、含水率、泥砂率、乳状液类型及NaCI、MgCI2、CaCI2盐类物质含量，——除首次处理不同物性原油必须进行检测分析外，检测分析的数量基数，时间间隔，均根据国家规定的抽样办法进行检测，——将规定检测分析的所有物性指标数值，实时传输进超声波发生器的现场CPU内，做为选择超声波特性参数和作业运行参数的基础依据，——完成原油物性指标分析后，根据功率驱动控制工部的指令，启动输油泵，向油水分离罐加注原油乳状液；(2) 、功率驱动控制工部A、 目的是为进行超声破乳脱水作业提供大功率超声功率源，同时实现原油超声破乳脱水作业全过程在线自动控制，B、 功率驱动控制工部的作业任务，主要由配置的超声波发生器(43)完成，C、 功率驱动控制工部承担的主要工艺内容有——接收原油在线分析仪(35)传输的原油乳状液温度、密度、粘度、含水率、泥砂率、乳状液类型及NaCI、MgCI2、 CaCI2盐类物质含量物性指标数值，并在显示器屏幕上显示——接收并显示原油乳状液物性指标后，下达向油水分离罐进行输油指令；——通过数字合成模块，将接收到的原油乳状液物性指标数值，实时与存储的预设处理方案组配进行自动对比分析，经设有的数学逻辑模型电路自动分析计算，选择确定出对该批原油乳状液进行超声破乳脱水处理应采用的超声波频率、声强、辐射时间、脉冲宽度等超声波特性参数，同时选择确定出破乳剂溶解液加注量、冷却气通入时间及数量、高速分散搅拌器转速、加热温度及时间等运行作为参数，并将选择确定的这些参数实时传输到信号驱动模块，同时在显示器屏幕上显示，——通过信号驱动模块中的锁相式频率自动反馈跟踪系统和信号采样编码传输系统的相位比较器、电压比较器、低通滤波器、压控振荡器等电路器件的工作，将接收到的数字合成模块选择确定的各类参数数值，转换成系统执行需要频率激励信号，分别实时传输到功率放大模块和电声转换辐射工部、破乳脱水作工部中的相关作业部件中，与此同时，指令启动保护电路，自动设定异常信号，设定作业故障、作业参数的定位限制，补偿机制等报警识别、触发信息；——通过功率放大模块中的激励放大器、开关型功率放大器电路、器件的工作，将从信号驱动模块中接收到的频率激励信号，转换成超声波换能器能使用的超声电能，并实时传输到匹配网络模块中；——通过匹配网络模块中的阻抗匹配、调谐匹配等电路、器件的工作，使超声波发生器向超声波换能器输出的超声电能功率达到最大值，并以稳定的功率向超声波换能器提供能产生超声破乳脱水作业的设计电能，并指令超声波换能器工作；——与此同时，经信号驱动模块指令启动的自动跟踪、信号采样系统和破乳脱水工部中布置的各功能传感器、油水液面指示仪、油水指标在线分析仪监测系统，都进入正常工作状态，并实时向数字合成模块传输所测得的各种数据信息，在数字合成模块内对这些参数进行比对分析、逻辑运算，根据运算结果，对已经选择确定的超声波特性参数和运行作为参数，分别进行调整修正，发出调整修正指令，同时在显示器屏幕上显示。——根据传输和反馈的信息数据，自动判断进行超声破乳脱水处理作业时辐射时间、沉降时间作业开始或停止，自动判断分离沉降泥砂、脱水原油、分离水处理作业成果的排出作业开始或停止，并向相关执行工作部件，发出相应执行指令；(3)、电/声转换辐射工部A、 原油超声破乳脱水作业技术路线时，安排布置有电/声转换辐射工部，目的是使这种超声波换能器产生的频率、声强代表超声波特性的运行参数，能符合超声破乳脱水作业技术条件需要；B、 电/声转换辐射工部的作业任务，主要由配置的超声波换能器(43)来完成，C、 电/声转换辐射工部承担的主要工艺内容有——通过功率驱动控制工部中匹配网络模块的正常作业，接收系统需要的大功率稳定的超声电能，——通过设计配置的电/声工作部件，依靠电/声换能核心部件振子晶堆特有的电致伸縮效应和振模特性，把从功率驱动工部接收到的超声电能转换成超声波声能，并以能代表超声波特性的频率、声强、脉冲宽度的形式，传输到聚能辐射棒(1)上，——通过以全浸没式安装布置在原油乳状液中的聚能辐射棒(1)，将从电/声转换工作部件传输到的代表超声波特性参数数值，聚能放大成原油超声破乳脱水作业所需要的频率、声强、脉冲宽度等作业参数，并实时向原油乳状液中辐射传导，完成超声破乳脱水作业；——通过信号采样传输反馈系统，将超声波换能器作业过程中的各种信息，实时采集反馈到功率驱动控制工部中的数字合成模块上，为自动调控系统提供修正调整运行作业参数提供依据；(4)、破乳脱水作业工部A、 原油超声破乳脱水作业技术路线时，安排布置有破乳脱水作业，B、 破乳脱水作业工部的作业任务，主要由配置的破乳剂加注器(34)和油水分离罐完成，C、 破乳脱水作业工部承担的主要工艺内容有——通过原油进油口 ，接收需要进行超声破乳脱水处理的原油乳状液，——通过破乳剂加注器(34)，按功率驱动控制工部发出的指令，向原油乳状液中加注一定比例的破乳剂溶解液，实现破坏原油乳状液的油水界面膜，增强原油乳状液中的水微粒和油微粒各自的分散、溶解能力，协助配合超生波产生的位移效应，提高对原油乳状液的破乳脱水效率和效果，——通过安装在油水分离罐内的超声波换能器(38)，实时向原油乳状液辐射传导代表超声波特性的频率、声强、脉冲宽度等超声波声能，使原油乳状液产生位移效应和空化作用，实现超声破乳脱水作业；——与此同时，配置在油水分离罐上的高速分散搅拌器、加热器(25)、冷却器(30)辅助作业部件，也按功率驱动控制工部发出的指令同时分别开始运行，高速分散搅拌器，以1800r/min的转速高速转动，通过叶片搅动原油乳状液在油水分离罐内高速流动分散，实现增加水微粒分散、碰撞、聚洁机率，提高油、水分离的效率和效果，电加热器(25)，以大功率加热升温的方式向原油乳状液中施放大量热能，使原油乳状液始终保持在50 7(TC的温度范围内接受破乳脱水技术处理，实现降低原油乳状液的原有粘度，有利于在此环境中的水微粒分散、碰撞和水滴分离、沉降，有助于提高油、水分离的效率和效果，冷却器(30)，采用通过独立管路为超声波换能器(38)的振子晶堆提供高压冷风方式，进行散热降温作业，高压冷风管道压力控制在0. 02 0. 05Mpa之内，实现确保振子晶片的长时间稳定正常工作，——与此同时同，功率驱动控制工部指令自动跟踪和信号采样反馈系统开始运行，安装在油水分离罐内相应位置上的各功能传感器、油水界面指示仪、油水指标分析仪监测仪表也开始工作，并实时将搜集到的各种信息、数据传输到功率驱动控制工部中的数字合成模块内，为功率驱动控制工部选择确定、修正调整运行参数或决定执行下一步程序；——超声破乳脱水处理作业的超声波辐射时间，可以控制在15 20min之内；——完成超声波辐射的时间，就是开始执行沉降时间，功率驱动控制工部在发出完成超声波辐射时间的同时，发出所有运行部件停止运行的指令，根据停止运行指令，超生波发生器(43)、超声波换能器(38)、高速分散搅拌器、电加热器(25)冷却器(30)工作部件全部停止运行；破乳脱水作业工部进入执行沉降时间；——超声破乳脱水处理作业的沉降时间，可以控制在30 40min之内；具体执行时间，由功率驱动控制工部，根据设置在油水分离罐各作业区内的油水界面指示仪、油水指标分析仪等监测仪表，实时传输的油水分离效果数据自动判定，并实时发出相应指令；——功率驱动控制工部，根据对油水分离作业效果的自动判断，首先指令打开脱水原油排出阀门，从脱水原油排出口 (24)，将脱水原油排出，然后再指令打开分离水排出阀门，从分离水排出口 (18)，将分离水排出，最后指令打开分离沉降泥砂排出口 (40)，启动泥砂清除器，靠螺旋叶片推动作用，将分离沉降泥砂从沉降泥砂排出口 (40)部分排出，至此，原油超声破乳脱水装置，完成了对原油乳状液的破乳脱水全部处理作业内容。
全文摘要
本发明涉及一种石油原油采、炼行业中的油水分离技术，更具体地说，它是一种原油超声破乳脱水装置及其破乳脱水方法，本发明是应超声波的特性，借助化学破乳剂的化学活性作用，协同配合，破坏原油乳状液的稳定结构，促使原油乳状液快速发生结构性变化，实现消耗电量少、破乳剂用量比例小、油水分离彻底、分离水和沉降泥砂中含油量极低的原油超声破乳脱水装置其破乳脱水方法，本发明主要应用于油田的中联站、采油集中场，只要油田能正常采油作业，有原油破乳脱水处理要求，都可以应用。
文档编号C10G33/00GK101724439SQ200810051348
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月22日 优先权日2008年10月22日
发明者赵东方, 赵颜玲 申请人:四平市仲科科技有限公司