一种直流叠加交流脉冲型电场的原油电脱水装置及方法与流程

本发明涉及高电压应用技术领域，主要用于原油外输过程中的电脱水环节，尤其涉及一种采用直流叠加交流脉冲型电场的原油电脱水装置及方法。

背景技术：

目前原油电脱水工艺多采用交流电场脱水、直流电场脱水和交直复合电场脱水的方法。

交流电场脱水，是将工频交流经升压变压器升压后直接加到脱水器的电极上，形成按正弦规律变化的电场，所需设备简单，成本低，对原油的适应行强，而且不会引起设备腐蚀，其缺点是电能的有效利用率低。

直流电场脱水是将交流电压整流变成直流电压，然后加到两平行电极板之间形成直流电场，直流电场脱水的效率一般较交流电场脱水效率高，但在电极板间容易形成水链使脱水电场不稳定，适用于处理对脱水质量要求较高的低含水原油，且脱出水中的含油率较高，还会引起电脱水设备的电化学腐蚀；

交直复合电场是将交流电场和直流电场的机结合，上层极板施加直流电场、底层极板施加交流电场，以提高对原油乳化液的处理效率，但该方法需要在脱水容器内布置成多层电极，使得脱水器体积增加，且工艺复杂、底层电极经常出现电场倒塌现象、且电场波动时很容易失去直流电场的作用,故没有投入实际运用。

技术实现要素：

本发明兼具上述现有技术的优点，同时克服了上述现有技术的不足，提供了一种直流叠加交流脉冲型电场的原油电脱水装置及方法。

本发明的技术方案：

一种直流叠加交流脉冲型电场的原油电脱水装置，包括交流脉冲高压电源、直流高压电源、原油电脱水器，所述原油电脱水器内部平行且间隔一定距离设置有高压电极板和接地电极板，底部一端设置有进油口，与进油口相对的另一端底部设置有放水口，放水口上方设置有出油口；

所述交流脉冲高压电源依次与隔直电容和第一保护电阻电连接构成交流脉冲高压电路，所述直流高压电源依次与高压硅堆和第二保护电阻电连接构成直流高压电路；所述交流脉冲高压电路和直流高压电路共同连接于高压引线，高压引线穿过安装于原油电脱水器上的高压套管后与高压电极板连接；

所述交流脉冲高压电源、直流高压电源和接地电极板都设置有接地线。

进一步地，所述交流脉冲高压电源包括调压器t1和高频升压变压器t2，所述调压器t1依次通过整流模块、第一滤波模块、逆变模块与高频升压变压器t2连接。

进一步地，所述直流高压电源包括调压器t3和升压变压器t4，所述调压器t3的输出端设置有保护电阻r1，调压器t3的输出端连接升压变压器t4的输入端，升压变压器t4的输出端依次设置有高压硅堆模块和第二滤波模块。

一种直流叠加交流脉冲型电场的原油脱水方法为：利用交流脉冲高压电源1经过隔直电容2和保护电阻3形成交流高脉冲分量，利用直流高压电源5经过高压硅堆4和保护电阻3形成直流高压分量，将两路高压通过高压引线6一同接在高压电极板8上，高压电极板8与接地电极板9之间形成直流叠加高频脉冲电场11，直流叠加高频脉冲电场11由直流电场和交流脉冲电场叠加而成；

电极板附近的水滴和电极板接触后带上与该极板相同的电荷变成带电水滴，带电水滴在电场力的作用下向另一侧电极板运动，运动中的带电水滴相互碰撞并发生电泳聚结；

两个电极板之间的水滴在电场作用下发生极化，极化水滴两端带有不同极性的极化电荷，极化水滴相互吸引并发生偶极聚结；

叠加的交流脉冲使电场方向改变，电场方向的改变使水滴两端受到的电场拉力随之改变，水滴形状发生弹性伸缩振荡，与临近的水滴发生振荡聚结；

原油乳化液中的水滴不断聚结，在重力作用下落到原油电脱水器底部，形成水层，完成油水分离。

本发明的有益效果为：

1)本发明的原油电脱水器内电极板的层数少，降低高压进线布线的难度，减小电脱水器的体积。

2)本发明产生的直流叠加交流脉冲电场在整体周期内都能形成有效脱水电场，提高了脱水效率和电能的利用率。

3)本发明产生的直流叠加交流脉冲电场的幅值、频率、占空比等参数可调，可扩大处理液含水率的范围，提高净化油质量，减弱对设备的腐蚀。

4)本发明产生的直流叠加交流脉冲电场结合直流电场和交流高频电场的特点，使水链易于消散，保持脱水电场稳定，提高原油的电脱水效率。

附图说明

图1为一种直流叠加交流脉冲型电场的原油脱水装置的整体结构示意图；

图2为图1中的交流脉冲高压电源的电路原理图；

图3为图1中的直流高压电源的电路原理图；

图4为图1中的直流叠加高频脉冲电场示意图；

图5为现有技术产生的交流正弦电场示意图；

图6为直流电场、交流脉冲电场、直流叠加交流脉冲电场脱水实验结果图；

图7为直流电场作用下水滴运动及水链形成示意图；

图8为水滴在偶极力作用下聚结沉降示意图；

图9为交流脉冲电场作用下水滴振荡聚结示意图；

图10为直流叠加高频脉冲电场作用下水滴聚结示意图；

图11为直流叠加高频脉冲电场作用下振荡作用消除水链示意图；

图中：1-交流脉冲高压电源；2-隔直电容；3-第一保护电阻；4-高压硅堆；5-直流高压电源；6-高压引线；7-高压套管；8-高压电极板；9-接地电极板；10-原油乳化液；11-直流叠加高频脉冲电场；12-原油电脱水器；13-进油口；14出油口；15-放水口；16-第二保护电阻。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行详细说明：

结合图1至图11所示，本实施例公开的一种直流叠加交流脉冲型电场的原油电脱水装置，包括交流脉冲高压电源1、直流高压电源5、原油电脱水器12，原油电脱水器12内部平行且间隔一定距离设置有高压电极板8和接地电极板9，底部一端设置有进油口13，与进油口13相对的另一端底部设置有放水口15，放水口15上方设置有出油口14。

本实施方式中，采用的高压电极板8和接地电极板9均为不锈钢板，高压套管7为聚四氟乙烯套管。

原油乳化液10由进油口13进入原油电脱水器12，被分离的水从放水口15流出，原油从出油口14流出。

交流脉冲高压电源1依次与隔直电容2和第一保护电阻3电连接构成交流脉冲高压电路，直流高压电源5依次与高压硅堆4和第二保护电阻16电连接构成直流高压电路；交流脉冲高压电路和直流高压电路共同连接于高压引线6，高压引线6穿过安装于原油电脱水器12上的高压套管7后与高压电极板8连接。

交流脉冲高压电源1、直流高压电源5和接地电极板都设置有接地线。高压电极板8和接地电极板9之间产生由直流高压分量和交流高压脉冲分量叠加成的高频脉冲电场。

具体地，如图2所示，交流脉冲高压电源1包括调压器t1和高频升压变压器t2，调压器t1依次通过整流模块、第一滤波模块、逆变模块与高频升压变压器t2连接。整流模块包括整流二极管d1～d4、第一滤波模块包括滤波电容c0、逆变模块包括逆变模块z1～z4和c1～c4。

具体地，如图3所示，直流高压电源5包括调压器t3和升压变压器t4，调压器t3的输出端设置有保护电阻r1，调压器t3的输出端连接升压变压器t4的输入端，升压变压器t4的输出端依次设置有高压硅堆模块和第二滤波模块。高压硅堆模块包括高压整流硅堆d5～d8，第二滤波模块包括滤波电容c5。

如图4所和图5所示，图中em为最高作用场强、en为最低作用场强、edc为直流电场幅值、eac为高频脉冲电场幅值、t1为一个周期内最高电场作用时间、t2为一个周期内最低电场作用时间、ee为原油乳化液有效电破乳场强、eb为电分散场强。

由图5可以看出，现有技术产生的正弦电场，只有在波峰位置达到分散场强eb和原油乳化液有效电破乳场强ee之间的有效场强区域内，电场的有效脱水时间少，会造成电能的浪费。

而本发明通过调节交流脉冲高压电源的调压器t1和直流高压电源5的调压器t3，改变直流叠加高频脉冲电场11的幅值、频率、占空比等特性，保证直流叠加高频脉冲电场11的最高作用场强em和最低作用场强en完全落在电分散场强eb和原油乳化液有效电破乳场强ee之间，进而提高原油脱水的效率。

由图6的实验结果可以看出，交流脉冲电场在电脱水前期脱水速度快，脱水效果好，但在脱水后期，脱水率基本稳定不变，脱水效果不理想；直流电场前期脱水速度慢，但后期具有深度脱水能力，脱水效果好，这说明交流电场适合处理高含水乳化液，直流电场适合处理低含水乳化液。

在脱水前期，交流含量越高，脱水效果越好，在脱水后期，交流含量越低，脱水效果越好，叠加的交流含量为10％和20％时整体脱水效果最好，不仅前期脱水速度快，而且最终脱水率高于直流电场。可见叠加电场可以充分发挥直流和交流方波电场各自的脱水优点，改善了直流电场前期脱水速度慢，交流电场后期脱水效果不理想的问题。

一种直流叠加交流脉冲型电场的原油电脱水方法为：利用交流脉冲高压电源1经过隔直电容2和保护电阻3形成交流高压脉冲分量，利用直流高压电源5经过高压硅堆4和保护电阻3形成直流高压分量，将两路高压通过高压引线6一同接在高压电极板上8，高压电极板8与接地电极板9间形成直流叠加高频脉冲电场11，直流叠加高频脉冲电场11由直流电场和交流脉冲电场叠加而成；

如图7所示，油中的水滴由于和电极板接触等原因会带上某种极性的电荷，在电场力作用下水滴会向极性相反的极板方向运动，当与极板碰撞时极板会对水滴充电，使之带上与之前相反极性的电荷并向另一极板方向运动，运动的水滴与其它水滴发生碰撞时会突破油水界面膜的限制发生电泳聚结；

如图8所示，水滴在电场作用下发生极化，水滴两端带上不同极性的极化电荷，由于两个极化水滴相邻端所带极化电荷极性相反，产生相互吸引的偶极力，在偶极力的作用下，相邻的水滴相互靠近发生偶极聚结；

如图9所示，由于直流叠加高频脉冲电场中叠加的交流脉冲电场使电场方向随时间不断改变，水滴两端极化电荷极性也随之不断改变，这使水滴两端受到的电场拉力不断变化，水滴形状发生弹性伸缩，沿电场方向振荡，振荡会削弱油水界面膜的强度，水滴更容易发生聚结，水滴聚结到足够大后，由重力作用下落到原油电脱水器底部水层。

如图10所示，在直流叠加交流脉冲电场作用下，原油乳化液中的水滴在两个极板之间运动，相互碰撞并聚结，水滴自身发生弹性伸缩的振荡，临近的水滴相互吸引并聚结，最终形成较大的水滴后，由于重力作用发生沉降。

如图11所示，对于含水量较高的原油乳化液，由于聚结的水滴较多，容易在两个极板间产生水链，水链连通两个极板会导致短路，使电场倒塌，在直流叠加交流脉冲电场中，由于交流脉冲电场对水滴的振荡作用，降低了水链的生成几率，同时容易破坏水链中水滴之间的平衡状态，使水链容易断裂成小水链，保证了脱水电场的稳定，可以在相同电场强度下处理含水率更大的原油。

以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。