[实用新型]用于原油脱水的全数字控制二次逆变式高压变频矩形波交流电源装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种全数字控制二次逆变式高压变频矩形波交流电源装置，具体地说，是一种适用于原油电脱水和电脱盐的全数字控制二次逆变式高压变频矩形波交流电源装置。 

背景技术

地层里的原油不可避免地含有大量的水和盐类，而且随着油田进入高含水期开采阶段，大部分油井采出液的综合含水量高达90％。另外，为了提高采收率，一般采用三次采油技术进行原油开采，通过向地下注入驱油剂驱出原油，这些驱油剂使采出液的组成和油水乳化状态极为复杂，乳化液粘度大、分散相颗粒细微，对这些采出液进行破乳和沉降操作都很困难，而且导致油品的绝缘性变差，常使电脱水器极板间产生短路现象。原油含水量高和油水.乳化状态复杂对后续的储运、炼制加工等环节都带来了许多负面影响，因此在油田一般需要对原油进行脱水处理以使其外输前的含水质量分数低于0.5％；且在炼油厂进蒸馏装置前需要进一步进行脱水、脱盐处理而使其含水质量分数降低为0.1％～0.2％，并使盐类组分的质量浓度小于5mg/L。如果三次采出液油水处理工艺技术得不到很好地解决，将成为制约三次采油技术推广及老油田稳产上产的关键。原油电脱水依靠电场力的作用对油包水型乳化液进行破乳脱水，因其效率高、速度快而在各油田得到了普遍应用。 

分散相水颗粒之所以能悬浮在原油中并能稳定相当长时间，是因为分散相水颗粒周围有一层乳化膜。乳化膜既能与分散相水颗粒产生较强的结合力，也能与原油产生较强的结合力，要使分散相水颗粒快速沉降，必须把乳化膜打碎。一般情况下原油中的小分散相水颗粒内部都含有盐类的正、负离子，在原油中加上高频高压交流电场后，小分散相水颗粒被极化，这些正负离子会向电场的正、反方向快速移动，产生内摩擦热，不断克服膜强度。被极化的小分散相水颗粒相结合形成大分散相水颗粒，加速沉降使油水分离(图1)。交变电场的频率同样存在适合脱水的最优值，在该频率下，平均撞击力强。 

原油电脱水的效果还与电压的波形有关。2001年，美国Natco集团通过实验给出了不利于脉冲DC电场的结论：在相同的频率下，为获得同样的聚结效率脉冲DC电场所需施加的电场强度要比AC电场所需施加的电场强度高。普通交流脱水电源为低颜正弦交流或近似正弦交流，属缓慢变化的电场，对乳化膜的冲击力不强。交流矩形波电场由零开始瞬间跃变到极大值，使分散相水颗粒中的正、负离子得到最大限度的加速，可以对乳化膜形成强烈的冲击。 

原油脱水需要一定的电场强度，但强度要合适，太高会产生电分散，使分散相水颗粒以更细的颗粒悬浮在原油中；太低水颗粒间不能发生震荡聚结及偶极聚结，不能实现油水快速分离。 

从乳化液的电性能可知，任何乳化液都有其临界击穿电场强度，当外加的电场强度超出其临界电场强度时，乳状液会发生短路，电场消失后短路会消失，不同性质的乳化液其临界电场强度、短路形成时间和短路消失时间也各不相同。特别是三次采出液临界击穿电压低，短路消失时间长，用常规电脱水器很难送电，且经常造成脱水器电极间短路，对原油脱水非常不利。可通过调整原油脱水电源高频矩形波的频率和占空比，使高频脉冲输出时间(脉冲宽度)小于短路形成时间，高频脉冲的间隔时间大于短路消失时间。也就是说，乳状液矩路形成之前，高频交流脉冲就消失，乳状液短路消失，绝缘性能恢复后再出现下一个脉冲。 

综上所述，为了获得较好的脱水效果，在实际的原油脱水工艺中需要根据原油的含水率、表面张力、密度、压力、温度等参数按照一定的数学关系模型来调整原油脱水电源矩形波的频率、电压和占空比等参数，并控制电源在该参数下运行。目前，电脱水器使用的交流电源主要有两种形式。一种是工频50Hz的正弦交流高压电源。该高压电源用于原油时，存在一定的小水珠分散电场区和无效电场区，脱水效率低。 

另一种是采用一次逆变结构的逆变式原油脱水电源(图2)，逆变电路的前级直流输入采用可控或不可控全波整流模式。中国石化胜利油田有限公司规划设计研究院申请的中国专利(授权号CN1171957C)阐述了一种高频脉冲原油电脱水装置，该装置为采用一次逆变结构的逆变式脱水电源，由高频电源发生器、高频变压整流器和高频电脱水器等组成。高频电源发生器主要由三相硅整流电路、变频主电路、驱动电路、脉宽调制电路、脉冲升压电路组成，高频电源发生器产生的矩形波经高频变压整流器后输出功率为5～50kVA，电压为20～35kV(可调)，频率为1000～2500Hz(无级调节)的矩形方波。该原油电源脱水装置存在效率低、体积大、输出电压调节步长大和调节困难、脉冲频率稳定性差且调节困难等缺点。