由專利分析電脫鹽罐電極板與智能電源的技術(shù)現(xiàn)狀

程 剛，鄭盟主，李 泓

(1．長(zhǎng)江(揚(yáng)中)電脫鹽設(shè)備有限公司，江蘇揚(yáng)中212200;2．遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113001)

原油電脫鹽罐成套設(shè)備主要由罐體、內(nèi)部組件(電極板、進(jìn)油分布器、反沖洗管線和絕緣吊掛等)、電源、靜態(tài)混合器和外部管線及泵等組成。其工藝為原油、水和破乳劑等經(jīng)靜態(tài)混合器混合后通過(guò)進(jìn)油分布器進(jìn)行高壓電場(chǎng)處理，達(dá)到原油脫鹽脫水的目的。

1 中國(guó)和美國(guó)的電極板專利現(xiàn)狀

電極板形狀多樣，有格柵、板狀、棒狀、盤狀、環(huán)形、弧形、圓筒狀和錐狀等，材料分金屬和非金屬，放置方式有水平式和垂掛式兩種。根據(jù)電極板形狀、材料和放置方式的不同，可在罐體內(nèi)部形成均勻和非均勻電場(chǎng)區(qū)域，以適應(yīng)不同油水乳液高壓靜電分離的需要。

1.1 均勻電場(chǎng)區(qū)域

(1)水平金屬電極板

這方面的美國(guó)專利主要集中在Petrolite公司，它介紹了不同層數(shù)的水平金屬電極板在同一罐體中實(shí)現(xiàn)不同深度處理的均勻電場(chǎng)區(qū)域。專利［1］公開(kāi)了一種兩層水平的同心圓環(huán)電極板形成的單極均勻電場(chǎng)區(qū)域。為提高單位時(shí)間內(nèi)的原油處理量，專利［2］公開(kāi)了一種采用三層平行且等距離的水平格柵金屬電極板形成的單極均勻電場(chǎng)區(qū)域，基本工藝為原油經(jīng)分布器后同時(shí)進(jìn)入下部和中部電極板、中部和上部電極板之間處理。專利［3］公開(kāi)了一種由四層水平格柵電極板形成的兩級(jí)均勻電場(chǎng)區(qū)域，其基本工藝為原油乳液通過(guò)進(jìn)油分配器先同時(shí)進(jìn)入下部和中下部以及中下部和中上部呈水平且等距離放置的平行電極板之間的均勻電場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行一級(jí)處理，然后在向上油流的推動(dòng)下進(jìn)入中上部和上部電極板之間的均勻電場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行二級(jí)處理，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

專利［4］公開(kāi)了一種水平放置的棒狀與盤狀電極板形成的四級(jí)均勻電場(chǎng)區(qū)域，且4個(gè)棒狀電極分別平行且等距離放置在每個(gè)水平盤狀電極板內(nèi)。工藝過(guò)程為原油從進(jìn)油管先進(jìn)入最下層盤狀電極板，在盤狀電極板內(nèi)呈Z型水平流動(dòng)進(jìn)行一級(jí)處理，然后進(jìn)入上一層盤狀電極板內(nèi)進(jìn)行二級(jí)處理。以此類推，以同樣的方式進(jìn)行三、四級(jí)均勻電場(chǎng)的處理。

(2)垂掛式電極板

專利［5］和［6］公開(kāi)了一種原油從左向右流動(dòng)、垂直平行且等距離放置的平板狀電極板形成的單級(jí)均勻電場(chǎng)區(qū)域的電脫鹽罐。專利［7］公開(kāi)了一種原油從右向左流動(dòng)、與罐體內(nèi)壁平行且等距離垂直放置的弧形金屬電極板形成的單級(jí)均勻電場(chǎng)區(qū)域的電脫鹽罐。專利［8－10］公開(kāi)了一種原油自下而上流動(dòng)通過(guò)平板式、網(wǎng)狀、柵型的垂掛式電極板形成的單級(jí)均勻電場(chǎng)區(qū)域。

圖1 四層水平格柵電極板的罐內(nèi)結(jié)構(gòu)Fig．1 Internal constructure of vessel with four-layers level grid eletric paltes

為實(shí)現(xiàn)降低垂掛式平行電極板形成的電場(chǎng)區(qū)域在運(yùn)行過(guò)程中的電流以保持極板間高壓的目的，專利［11］使用纖維增強(qiáng)型導(dǎo)電非金屬極板代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬極板，專利［12］采用在正負(fù)極板上分別增加與變壓器次級(jí)線圈相連二極管導(dǎo)通方向相反的兩個(gè)接地二極管的方式，專利［13］采用半導(dǎo)體或帶半導(dǎo)體涂層的電極板代替常規(guī)金屬極板。

在古希臘神話中，大力神赫拉克勒斯的狗有一次因?yàn)槌粤宋伵＃瑢?dǎo)致嘴巴變成了紫色。這就是神話傳說(shuō)中紫色被發(fā)現(xiàn)的過(guò)程。

(3)水平垂掛復(fù)合放置金屬電極板

專利［14－17］公開(kāi)了一種水平和垂直復(fù)合放置的電極板相組合、兩級(jí)均勻電場(chǎng)處理油水乳液的電脫鹽罐。工藝過(guò)程為原油從罐體底部進(jìn)入自下而上流動(dòng)，先進(jìn)入垂掛式電極板(棒狀或平板狀)或兩層水平格柵極板形成的均勻電場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行一級(jí)處理，然后進(jìn)入兩層水平格柵或垂掛式電極板(棒狀或平板狀)形成的均勻電場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行二級(jí)處理。

1.2 非均勻電場(chǎng)區(qū)域

非均勻電場(chǎng)區(qū)域的形成可以通過(guò)改變電極板的材料、形狀和間距來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而在油水乳化液的流經(jīng)區(qū)域形成非均勻電場(chǎng)。

專利［18］公開(kāi)了一種以一定角度(小于90°)敞開(kāi)立式放置平板電極板的方法，且電極板以輻射狀焊接于進(jìn)油分布器上。具體工藝為:原油先通過(guò)立式圓柱狀罐體的內(nèi)部圓管從上而下流動(dòng)到底部，然后從下而上地通過(guò)進(jìn)油分布器進(jìn)入兩水平格柵電極板形成的一級(jí)電場(chǎng)區(qū)域中，接著在以一定仰角放置的導(dǎo)流板作用下進(jìn)入上部圓柱狀分布器。同時(shí)，從分布器流出的一級(jí)處理后原油進(jìn)入輻射式板狀電極板形成的二級(jí)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行處理，從而在該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了先強(qiáng)電場(chǎng)振蕩聚結(jié)后弱電場(chǎng)沉降的油水分離過(guò)程。專利［19］公開(kāi)了一種內(nèi)壁為波紋形的圓形或矩形狀環(huán)形電極板形成的非均勻電場(chǎng)區(qū)域。原油在該環(huán)形區(qū)域內(nèi)流動(dòng)時(shí)，原油乳液的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，不僅增大了分散相水滴顆粒的碰撞幾率，還能顯著縮短水力停留時(shí)間。專利［20］也公開(kāi)了一種通過(guò)改變極板間距來(lái)形成梯度場(chǎng)強(qiáng)的方法。電極板采用三層偏心設(shè)計(jì)、間距從下到上逐漸減小的弓形結(jié)構(gòu)(或鼠籠式)其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，在罐體的垂直方向上與水平格柵極板焊接于一體水平放置，由于弓形電極板間距的不同使得水平流動(dòng)的油水乳液在從下往上的方向上形成的梯度非均勻電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行處理。

圖2 偏心結(jié)構(gòu)的鼠籠式電極板Fig．2 Squirrel-cage electric plates with eccentric structure

專利［21］公開(kāi)了一種采用不同導(dǎo)電特性材料復(fù)合而成且兩兩正負(fù)相間垂掛式放置的平板狀電極板形成的非均勻電場(chǎng)區(qū)域，原油乳液在流經(jīng)該區(qū)域時(shí)分別進(jìn)行相應(yīng)的弱電場(chǎng)、強(qiáng)電場(chǎng)和弱電場(chǎng)處理。專利［22］公開(kāi)了一種由不同形狀復(fù)合的變極距垂掛式金屬電極板在原油乳液從下而上的流動(dòng)方向形成呈弱電場(chǎng)、中電場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)的梯度電場(chǎng)區(qū)域，其弱電場(chǎng)由較小直徑的圓板與水界面平行放置形成，中電場(chǎng)由圓棒狀電極兩兩交錯(cuò)平行垂掛放置形成，強(qiáng)電場(chǎng)由平板狀電極板兩兩平行放置形成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。專利［23］公開(kāi)了一種通過(guò)改變電極板形狀和材料且水平垂掛復(fù)合放置的組合電極板形成的兩級(jí)非均勻電場(chǎng)區(qū)域，其中水平極板為蛛網(wǎng)狀金屬結(jié)構(gòu)，由中央到四周其間距由稀到密，垂掛電極板中央部分為金屬材料，周邊區(qū)域?yàn)榉墙饘俳^緣材料。

圖3 變極距的板狀/棒狀復(fù)合垂掛式電極板Fig．3 Vertical compound electric plates with different distances combined with tabulars and rods

2 中國(guó)和美國(guó)的智能電源專利現(xiàn)狀

智能電源是相對(duì)于傳統(tǒng)交流或直流電源而言的，其功能是為電極板提供高電壓，也是電脫鹽罐的重要組成部分。傳統(tǒng)交流或直流電源的變壓器在輸出端電流較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電能損耗;難以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)到工藝所要求的電壓;工作頻率僅為50 Hz，且為一固定值，無(wú)法根據(jù)需要調(diào)節(jié)振蕩頻率;對(duì)突發(fā)事故的反應(yīng)差而不能得到及時(shí)處理;輸出波形單一且無(wú)法調(diào)節(jié)，不能適應(yīng)油水乳液分散、混合、聚結(jié)與沉降的動(dòng)態(tài)處理過(guò)程。而智能電源則能克服上述缺點(diǎn)，根據(jù)其輸出高壓波形和頻率的不同，可分為智能調(diào)壓雙極性型、變頻脈沖型和雙頻型。

2.1 智能調(diào)壓雙極性電源

專利［24］公開(kāi)了一種將電脫鹽技術(shù)與電力電子和自控技術(shù)相結(jié)合起來(lái)的PLC程序控制的智能調(diào)壓雙極性電源，它借助外部電源、信號(hào)和控制電纜與現(xiàn)場(chǎng)高壓電源相連來(lái)接收現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)，根據(jù)電脫鹽工藝過(guò)程的實(shí)際工況通過(guò)智能控制器實(shí)現(xiàn)輸出高壓的調(diào)節(jié)與控制。該電源結(jié)構(gòu)如圖4所示。工作過(guò)程為:380 V外部三相交流電通過(guò)受控于電子觸發(fā)控制回路5的電子調(diào)壓器1輸出端接升壓變壓器2的初級(jí)，升壓變壓器2的次級(jí)經(jīng)正反向整流二極管3和4分別連接電極板，從而在電脫鹽罐內(nèi)形成高壓電場(chǎng)。

圖4 智能調(diào)壓雙極性電源的結(jié)構(gòu)ig．4 Constructure of intelligent voltage-regulation biploar power supply

該電源的特點(diǎn)為:(1)能用于容量10～200 kVA的不同變壓器;(2)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)電壓平緩增加;(3)可在(0.25～1.0)Umax內(nèi)平緩調(diào)節(jié)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了輸出二次高壓的無(wú)級(jí)可調(diào);(4)可在恒壓與調(diào)壓控制之間自由切換;(5)可在線設(shè)定動(dòng)態(tài)調(diào)壓曲線參數(shù);(6)具有良好的電流特性，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓，將輸出電流限制在指定的范圍內(nèi);可以顯示高壓變壓器的原付邊的電壓和電流;(7)具有故障檢測(cè)、顯示和聲光報(bào)警功能;(8)系統(tǒng)過(guò)流報(bào)警后，輸出高壓先降為零，而后經(jīng)延時(shí)再啟動(dòng)，且輸出高壓平緩增加。

2.2 變頻脈沖電源

專利［25］公開(kāi)了一種變頻調(diào)壓電源，主要由濾波器、調(diào)壓模塊、微電腦、控制器和變壓器等組成，工作過(guò)程為380 V三相交流電先經(jīng)濾波器將交流電整理成脈沖電路后，通過(guò)調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)脈沖電壓，然后連接到升壓變壓器，并通過(guò)開(kāi)關(guān)電路的控制得到波形為單向脈沖方波的輸出高壓。專利［26］公開(kāi)了一種采用一次逆變電路調(diào)節(jié)的輸出變頻高壓脈沖的電源，主電路采用晶閘管移相整流先將三相輸入交流電壓調(diào)成直流，然后經(jīng)IGBT橋式逆變電路變換形成頻率可調(diào)節(jié)的矩形波交流脈沖電壓并通過(guò)升壓變壓器的初級(jí)線圈輸出高壓到連接有正反向整流二極管的副線圈，從而得到整流后的高頻高壓脈沖，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 一次逆變電路調(diào)節(jié)的變頻脈沖電源結(jié)構(gòu)Fig．5 Constructure of converting frequency and pulse power supply adjusted by primary inversion circuit

專利［27－28］公開(kāi)了一種采用二次逆變電路調(diào)節(jié)的輸出變頻高壓的矩形波交流脈沖電源，主電路由三相濾波整流電路、一次橋式逆變直流調(diào)壓電路和二次橋式逆變電路組成，其中橋式逆變直流調(diào)壓電路由IGBT構(gòu)成的半橋式或全橋式逆變電路、主變壓器和整流二極管等組成，二次橋式橋式逆變電路主要由IGBT開(kāi)關(guān)構(gòu)成全橋逆變回路。工作過(guò)程為380 V三相交流電經(jīng)整流濾波電路變成直流電壓后，經(jīng)一次橋式逆變直流調(diào)壓電路將其調(diào)整為直流高壓，然后經(jīng)二次橋式逆變電路將直流高壓變成頻率、占空比均可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的交流脈沖輸出給升壓變壓器，從而產(chǎn)生電極板需要的變頻高壓脈沖電壓。電源結(jié)構(gòu)如圖6所示。

上述專利中逆變電路PWM控制部分除專利［28］采用數(shù)字增量式PID算法調(diào)節(jié)外，其余專利均采用模擬芯片的方式，通過(guò)該控制部分進(jìn)行與原油乳化液電導(dǎo)率參數(shù)相關(guān)的頻率調(diào)節(jié)，從而得到適用于不同油水乳液的一定輸出頻率的脈沖高壓。

圖6 二次逆變電路調(diào)節(jié)的變頻脈沖電源結(jié)構(gòu)Fig．6 Constructure of converting frequency and pulse power supply adjusted by secondary inversion circuit

2.2.3 雙頻電源

專利［29］公開(kāi)了一種雙頻交流正弦波電源，其特點(diǎn)為:變壓器一次繞組線圈的輸入電壓波形為頻率f1的交流正弦波，且其電壓的最大峰值以頻率f2變化，從而在升壓變壓器的二次線圈產(chǎn)生相應(yīng)波形的輸出高壓。電源結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中，f1和f2分別與原油乳化液的電導(dǎo)率和表面張力相關(guān)。一般情況下f1＞f2，其中f1的取值范圍為60～2500 Hz，f2的取值范圍在0.1～100 Hz。

該電源的工作原理為:380 V三相交流電先經(jīng)整流濾波電路后得到連續(xù)可調(diào)達(dá)到某一最大值的直流電，然后經(jīng)過(guò)調(diào)制器將其轉(zhuǎn)化為頻率f2可調(diào)電壓的直流電，最后通過(guò)斬波器的橋式逆變電路將頻率為f2可調(diào)電壓的直流電轉(zhuǎn)化為頻率f1可調(diào)電壓的交流電，且f1隨著f2的變化而變化，這樣在升壓變壓器的一次繞組側(cè)就產(chǎn)生了電壓幅值和頻率f1都在變化的交流電，從而在二次繞組線圈側(cè)得到相應(yīng)的以頻率f1變化的高壓交流電，且其峰值以頻率f2變化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，頻率f1與f2、最大電壓和最小電壓等參數(shù)將會(huì)直接影響到靜電聚結(jié)過(guò)程的進(jìn)行。

圖7 雙頻智能電源的結(jié)構(gòu)Fig．7 Constructure of dual frequencies power supply

3 總結(jié)及展望

與電脫鹽罐高壓電場(chǎng)形成相關(guān)的電極板和智能電源的專利表明，電極板根據(jù)形狀、導(dǎo)電材料類型和放置方式的不同，在罐內(nèi)水平或垂直方向上可形成單級(jí)或多級(jí)的均勻和非均勻電場(chǎng)區(qū)域;智能電源根據(jù)輸出高壓波形和頻率的不同，可分為調(diào)壓雙極性型、變頻脈沖型和雙頻型。

為適原油日趨劣質(zhì)化的趨勢(shì)，高壓電場(chǎng)對(duì)原油乳液的破乳能力亟待提高。從理論上，雙頻型和其它兩種智能電源講相比對(duì)原油乳液具有更好的破乳能力，但尚未見(jiàn)其在國(guó)內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用。因此，筆者也建議加快雙頻型智能電源的國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。

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