程 剛，鄭盟主，李 泓

(1．長江(揚中)電脫鹽設備有限公司，江蘇揚中212200;2．遼寧石油化工大學，遼寧撫順113001)

原油電脫鹽罐成套設備主要由罐體、內部組件(電極板、進油分布器、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、水和破乳劑等經靜態(tài)混合器混合后通過進油分布器進行高壓電場處理，達到原油脫鹽脫水的目的。

1 中國和美國的電極板專利現狀

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。根據電極板形狀、材料和放置方式的不同，可在罐體內部形成均勻和非均勻電場區(qū)域，以適應不同油水乳液高壓靜電分離的需要。

1.1 均勻電場區(qū)域

(1)水平金屬電極板

這方面的美國專利主要集中在Petrolite公司，它介紹了不同層數的水平金屬電極板在同一罐體中實現不同深度處理的均勻電場區(qū)域。專利［1］公開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區(qū)域。為提高單位時間內的原油處理量，專利［2］公開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區(qū)域，基本工藝為原油經分布器后同時進入下部和中部電極板、中部和上部電極板之間處理。專利［3］公開了一種由四層水平格柵電極板形成的兩級均勻電場區(qū)域，其基本工藝為原油乳液通過進油分配器先同時進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區(qū)域進行一級處理，然后在向上油流的推動下進入中上部和上部電極板之間的均勻電場區(qū)域進行二級處理，結構如圖1所示。

專利［4］公開了一種水平放置的棒狀與盤狀電極板形成的四級均勻電場區(qū)域，且4個棒狀電極分別平行且等距離放置在每個水平盤狀電極板內。工藝過程為原油從進油管先進入最下層盤狀電極板，在盤狀電極板內呈Z型水平流動進行一級處理，然后進入上一層盤狀電極板內進行二級處理。以此類推，以同樣的方式進行三、四級均勻電場的處理。

(2)垂掛式電極板

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

圖1 四層水平格柵電極板的罐內結構Fig．1 Internal constructure of vessel with four-layers level grid eletric paltes

為實現降低垂掛式平行電極板形成的電場區(qū)域在運行過程中的電流以保持極板間高壓的目的，專利［11］使用纖維增強型導電非金屬極板代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬極板，專利［12］采用在正負極板上分別增加與變壓器次級線圈相連二極管導通方向相反的兩個接地二極管的方式，專利［13］采用半導體或帶半導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為吃了蝸牛，導致嘴巴變成了紫色。這就是神話傳說中紫色被發(fā)現的過程。

(3)水平垂掛復合放置金屬電極板

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

1.2 非均勻電場區(qū)域

非均勻電場區(qū)域的形成可以通過改變電極板的材料、形狀和間距來實現，從而在油水乳化液的流經區(qū)域形成非均勻電場。

專利［18］公開了一種以一定角度(小于90°)敞開立式放置平板電極板的方法，且電極板以輻射狀焊接于進油分布器上。具體工藝為:原油先通過立式圓柱狀罐體的內部圓管從上而下流動到底部，然后從下而上地通過進油分布器進入兩水平格柵電極板形成的一級電場區(qū)域中，接著在以一定仰角放置的導流板作用下進入上部圓柱狀分布器。同時，從分布器流出的一級處理后原油進入輻射式板狀電極板形成的二級電場區(qū)域內進行處理，從而在該區(qū)域實現了先強電場振蕩聚結后弱電場沉降的油水分離過程。專利［19］公開了一種內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區(qū)域。原油在該環(huán)形區(qū)域內流動時，原油乳液的流動狀態(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間。專利［20］也公開了一種通過改變極板間距來形成梯度場強的方法。電極板采用三層偏心設計、間距從下到上逐漸減小的弓形結構(或鼠籠式)其結構見圖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的油水乳液在從下往上的方向上形成的梯度非均勻電場區(qū)域內進行處理。

圖2 偏心結構的鼠籠式電極板Fig．2 Squirrel-cage electric plates with eccentric structure

專利［21］公開了一種采用不同導電特性材料復合而成且兩兩正負相間垂掛式放置的平板狀電極板形成的非均勻電場區(qū)域，原油乳液在流經該區(qū)域時分別進行相應的弱電場、強電場和弱電場處理。專利［22］公開了一種由不同形狀復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方向形成呈弱電場、中電場和強電場的梯度電場區(qū)域，其弱電場由較小直徑的圓板與水界面平行放置形成，中電場由圓棒狀電極兩兩交錯平行垂掛放置形成，強電場由平板狀電極板兩兩平行放置形成，結構如圖3所示。專利［23］公開了一種通過改變電極板形狀和材料且水平垂掛復合放置的組合電極板形成的兩級非均勻電場區(qū)域，其中水平極板為蛛網狀金屬結構，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)域為非金屬絕緣材料。

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

2 中國和美國的智能電源專利現狀

智能電源是相對于傳統(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會產生很大的電能損耗;難以準確地調節(jié)到工藝所要求的電壓;工作頻率僅為50 Hz，且為一固定值，無法根據需要調節(jié)振蕩頻率;對突發(fā)事故的反應差而不能得到及時處理;輸出波形單一且無法調節(jié)，不能適應油水乳液分散、混合、聚結與沉降的動態(tài)處理過程。而智能電源則能克服上述缺點，根據其輸出高壓波形和頻率的不同，可分為智能調壓雙極性型、變頻脈沖型和雙頻型。

2.1 智能調壓雙極性電源

專利［24］公開了一種將電脫鹽技術與電力電子和自控技術相結合起來的PLC程序控制的智能調壓雙極性電源，它借助外部電源、信號和控制電纜與現場高壓電源相連來接收現場傳感器信號，根據電脫鹽工藝過程的實際工況通過智能控制器實現輸出高壓的調節(jié)與控制。該電源結構如圖4所示。工作過程為:380 V外部三相交流電通過受控于電子觸發(fā)控制回路5的電子調壓器1輸出端接升壓變壓器2的初級，升壓變壓器2的次級經正反向整流二極管3和4分別連接電極板，從而在電脫鹽罐內形成高壓電場。

圖4 智能調壓雙極性電源的結構ig．4 Constructure of intelligent voltage-regulation biploar power supply

該電源的特點為:(1)能用于容量10～200 kVA的不同變壓器;(2)系統(tǒng)啟動時系統(tǒng)電壓平緩增加;(3)可在(0.25～1.0)Umax內平緩調節(jié)輸出電壓，實現了輸出二次高壓的無級可調;(4)可在恒壓與調壓控制之間自由切換;(5)可在線設定動態(tài)調壓曲線參數;(6)具有良好的電流特性，能夠動態(tài)調節(jié)輸出電壓，將輸出電流限制在指定的范圍內;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、顯示和聲光報警功能;(8)系統(tǒng)過流報警后，輸出高壓先降為零，而后經延時再啟動，且輸出高壓平緩增加。

2.2 變頻脈沖電源

專利［25］公開了一種變頻調壓電源，主要由濾波器、調壓模塊、微電腦、控制器和變壓器等組成，工作過程為380 V三相交流電先經濾波器將交流電整理成脈沖電路后，通過調壓模塊調節(jié)脈沖電壓，然后連接到升壓變壓器，并通過開關電路的控制得到波形為單向脈沖方波的輸出高壓。專利［26］公開了一種采用一次逆變電路調節(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成直流，然后經IGBT橋式逆變電路變換形成頻率可調節(jié)的矩形波交流脈沖電壓并通過升壓變壓器的初級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，結構如圖5所示。

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

專利［27－28］公開了一種采用二次逆變電路調節(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壓電路和二次橋式逆變電路組成，其中橋式逆變直流調壓電路由IGBT構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開關構成全橋逆變回路。工作過程為380 V三相交流電經整流濾波電路變成直流電壓后，經一次橋式逆變直流調壓電路將其調整為直流高壓，然后經二次橋式逆變電路將直流高壓變成頻率、占空比均可實時調節(jié)的交流脈沖輸出給升壓變壓器，從而產生電極板需要的變頻高壓脈沖電壓。電源結構如圖6所示。

上述專利中逆變電路PWM控制部分除專利［28］采用數字增量式PID算法調節(jié)外，其余專利均采用模擬芯片的方式，通過該控制部分進行與原油乳化液電導率參數相關的頻率調節(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 二次逆變電路調節(jié)的變頻脈沖電源結構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］公開了一種雙頻交流正弦波電源，其特點為: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生相應波形的輸出高壓。電源結構如圖8所示。其中，f1和f2分別與原油乳化液的電導率和表面張力相關。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三相交流電先經整流濾波電路后得到連續(xù)可調達到某一最大值的直流電，然后經過調制器將其轉化為頻率f2可調電壓的直流電，最后通過斬波器的橋式逆變電路將頻率為f2可調電壓的直流電轉化為頻率f1可調電壓的交流電，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就產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得到相應的以頻率f1變化的高壓交流電，且其峰值以頻率f2變化。經實驗研究發(fā)現，頻率f1與f2、最大電壓和最小電壓等參數將會直接影響到靜電聚結過程的進行。

圖7 雙頻智能電源的結構Fig．7 Constructure of dual frequencies power supply

3 總結及展望

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

為適原油日趨劣質化的趨勢，高壓電場對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原油乳液具有更好的破乳能力，但尚未見其在國內的工業(yè)應用。因此，筆者也建議加快雙頻型智能電源的國內開發(fā)及應用。

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