1、本科毕业论文（20 届）原油电脱水综合试验装置设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -原油电脱水综合试验装置设计摘 要随着我国油田开发逐渐进入中后期，多种采油技术被研制出来。原油采出液的含水量及粘度逐渐升高，这使得后期脱水处理变得困难。国内外较成熟的电脱水技术多基于经验，对电脱水技术的研究主要依托于生产性试验装置及生产装置，然而对于不同供电方式下不同乳化液的作用机理方面的研究还不够深入。为了能有针对性地研究不同原油采出液最适宜的脱水条件、分析脱水机理、观察脱水过程中微观粒子的运动现象，本文设计了原油电脱水
2、综合试验装置，以期为原油电脱水机理的研究奠定良好基础，具体研究工作如下：首先，本文对原油脱水的背景、目的及意义进行了阐述，说明了国内外的研究状况和发展趋势，介绍了破乳常用的几种方法，并提出了本文主要研究内容。其次，本文详细的阐述了原油电脱水的基本原理，其中包括乳化液的破乳和三种聚结方式。三种聚结方式分别为偶极聚结、振荡聚结、电泳聚结。再次，对原油电脱水装置进行总体设计，包括设计了供电主电路，并对其进行了仿真。分别对逆变电路的控制部分和驱动部分给予详细的设计，同时设计了显示部分，最后设计了加热装置、脱水电极、脱水罐、进液调配罐、废液罐和流速控制部分。最后，对整个装置进行了调试，并给出了总体装置的
3、实物图、三种不同输出方式的波形和整流波形，以及不同频率和占空比的波形的对比。关键词 原油电脱水；高频脉冲；IGBT；整流；逆变哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Crude Oil Electric Dehydration of the Comprehensive Experimental Design of the DeviceAbstractWith the oil exploration access to mid-late period, variety of oil recovery techniques are developed. The water content and v
4、iscosity of crude oil gradually increased, which make it difficult to post-dehydration treatment. More mature technology of electric dehydration at home and abroad are mainly based on experience, and the research work on electrical dehydration technology are carried out mainly based on the productio
5、n test equipment and production equipment. However, the dehydration mechanism research for different emulsion under different power supply is not deeply enough. In order to targeted research the best dehydration conditions for different crude oil produced fluid， analysis dehydration mechanism, obser
6、ve the movement phenomenon of microscopic particles during the dehydration process, This paper introduces the design of crude oil electric dehydration experiment comprehensive device is proposed to look forward to lay a good foundation for the research of crude electric dehydration mechanism, the re
7、search work is carried out as follow:First of all, this paper describe the background of the crude oil dehydration, purpose and significance, the domestic and international research status and development trend, introduces several methods of commonly used broken breast and puts forward the main cont
8、ent of this paper.Secondly, this paper discusses the basic principle of crude oil electric dehydration, including emulsion of emulsification, three coalescence and three kinds of coalescence: Dipole coalescence, Oscillations of coalescence, Electrophoresis of coalescence. Again, for crude oil electr
9、ic dehydration device in the overall design, 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -including the power supply main circuit design, and analyses the simulation. The control of the inverter circuits are part and drive part to give a detailed design, at the same time, the design that part, finally to heating device, deh
10、ydration electrode, to take off the water tank to, into the liquid prepare pot, waste liquid tank and velocity control section.Finally, the whole installation commissioning, and give general device of the physical figure, three different ways of output waveform and rectification waveform, and differ
11、ent frequency and occupies emptiescompared to wave contrast.Keywords crude oil electric dehydration; high frequency pulse; IGBT; rectifier; inverter哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 论文研究的背景、目的及意义 .11.2 国内外的研究状况和发展趋势 .21.3 本文主要研究内容 .3第 2 章 基本原理 .52.1 乳化液的破乳 .52.2 原油电破乳的基本原理 .62.2.1
12、偶极聚结 .62.2.2 振荡聚结 .72.2.3 电泳聚结 .7第 3 章 原油电脱水装置的总体设计 .83.1 供电主电路 .83.1.1 供电主电路设计方案 .83.1.2 主电路 .83.1.3 主电路仿真 .93.2 逆变电路 .103.2.1 控制电路设计 .103.2.2IGBT 驱动电路 .143.3 高频升压器 .163.4 信号的处理和显示部分的设计 .163.4.1 电量传感器的选择 .163.4.2 峰值检波电路的设计 .173.4.3 峰值检波电路仿真分析 .183.4.4 显示模块设计 .193.5 机械装置的设计 .203.5.1 脱水罐及脱水电极的设计 .203
13、.5.2 进液调配罐与废液罐 .223.5.3 加热装置的设计 .233.5.4 流速控制 .24第 4 章 试验装置的调试 .254.1 试验装置 的调试 .254.2 本章小结 .28哈尔滨理工大学学士学位论文- V -结论 .29致谢 .30参考文献 .31附录 .33哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 论文研究的背景、目的及意义目前，油田的采油过程大概包含两个时期，即含水开发期和无水采油期。对于含水开发期是所有油田都要经历的，尤其是开采原油时速度大和开发时采取注水强化的油田。一般情况下，无水采油期的时间比较短，油井具有出水早、原油含水率增长快的特点。原油含水不但
14、增加了原油升高温度时所需燃料的消耗，而且原油含水使体积增加了，这就导致在输送、炼制、储存的过程中大大增加了设备的负荷。因此，原油含水的害处非常大。但是在油田开发过程中，水几乎都伴随着原油的生产，特别是在油田开发的中后期，如果油井采不出来水，也就采不出来油了。所以原油的脱水问题就成为油田开发过程中所面临的一个重要问题。在八十年代后期兴起了三次采油技术的深度驱油技术，并且迅速的在我国各大油田得到推广进一步提高了原油的采收率。三次采油新技术是指在采油的过程中加入表面活性剂、聚合物、碱等驱油剂，以实现最大提高采油率的目的。随着原油产量的增加，采用三次采油技术的采出液处理成为了首要难题。采出液中含有大量
15、的乳化水、表面活性剂、新的表面活性剂，而新的表面活性剂是地层原油的有机酸与碱作用产生的。使采出液中W/O、O/W、O/W/O、W/O/W 型乳化液长期共存，从而乳化状态甚是复杂。由于碱的加入还使乳化液 PH 值升高、聚合物使乳化液粘度变大。经实验证实，采出液破乳脱水的问题已经严重影响了原油生产的效率和油田输出原油的质量，原油脱水后得到的脱出水的净化处理也非常困难 1,2,3。在油田的生产、输送及原油的存储过程中，由于原油含水会对以下过程带来一系列的危害。首先，由于原油含水使采出液的体积大增，这就会使原油在输送、存储及其它设备的有效利用率大大降低；再次，乳化液中的碳酸盐、各种有腐蚀性化学物质会对
16、管道等设备的造成严重的腐蚀，从而存在着重大的安全隐患。原油含水含盐等问题除了上述主要危害外，使采出液的脱盐脱水处理也面临着更为严峻的挑战。三次采油技术的推广虽然在原油的产量有了提高，但是传统的原油电脱水试验装置对采出液的处理已不是那么理想。由于三次采油技术使用了大量驱油剂,这就导致采出液的成分和油水的乳化状态变得甚是复杂,会给原油的破乳和小液滴的沉降带来很大的问题,而且原油的导电性能增强,造成电脱水器的极板间发生短路现象,面临生产时控制电流大、高压电场不稳定、电能的泄漏加剧等问题 2,4,5。以前的电脱水方式已经不能解决处理上述问题。为了适应高含哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -水原油带来的
17、各种问题，油田在脱水处理技术上开拓了很多新思路，例如：采用新工艺来优化现有脱水流程；研制新型高效破乳剂针对性的处理老化油；推广新型脱水设备等。这些方法能否有效改善现有油田出现的脱水处理工艺问题，将对新型采油技术的推广及老油田的增产具有极其重要的意义。1.2 国内外的研究状况和发展趋势目前，国内外的大油田开采的原油主要是“W/O”型乳化液和“O/W”型乳化液两种形式，由于该种乳化液具有的极强的稳定性，所以油水很难能够自然分离。因此，一直以来人们始终针对乳化液如何破坏其稳定性这一关键性的问题，对原油的脱水技术进行了深入的研究和广阔的探索。为了提高原油脱水的效率，目前，在国内外已经研究出来的原油脱水
18、方法主要有以下几种：1.沉降法：沉降法也称重力式分离法，此方法的依据在于油水不相溶而且油水的密度不同，而能够自然分离的一种方法。在高含水期常用此种方法进行预脱水处理，脱水设备简单和容易操作，原油中的大量的悬浮水能够有效的脱除。但是此种脱水方式需要的时间较长、脱水效率低，不能用于粘度大、成分复杂、含水率低的原油进行脱水 6,7。2.过滤法：将乳化液流经过滤柱，然后把乳化液通过加压方式进入到滤料层，由于固体乳化剂具有选择吸附性，固体乳化剂可以将乳化液的水分离出来，实现了破乳的目的。但是过滤法的过滤柱的制作工艺繁杂，而且该过滤法对吸附剂的要求较高 8。3.离心法：根据水和油的密度不同，乳化液中油水在
19、高速的离心场作用下分离，从而达到破乳的目的，上述就是离心法。由于是在高速离心场的作用下，则离心场的场强越强，破乳的效果会越好。但是离心法也有缺点，该方法的设备在日常生活中维护较难，所以该方法只适合占地较小的情况下（如在实验室）使用 9,10。4.化学破乳法：为了达到油水分离实现原油破乳的目的，对原油乳化液添加破乳剂以破坏界面膜。破乳过程中胶溶作用和顶替作用的强度可以随着破乳剂用量的改变而改变。化学法破乳法的优点是简单方便、可低温作业、高效、快速，所以该方法广泛用于原油破乳。缺点是破乳剂的应用对象针对性较强，没有针对性广泛的破乳剂 11。5.电破乳法：在电场力的作用下，处于电场中的原油乳化液的小
20、水滴被极化，两个小液滴靠近、排液、聚并，然后原油乳化液中的小水滴在重力和电场力的共同作用下沉降出来。根据原油的不同性质和原油脱水后不同的含水量，电破乳法的原油脱水分为一、二、三级电脱水。由于电破乳的供电方式可以有交流电场、直流电场、交直流复合电场、脉冲电场四种哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -电场形式，则对应着四种不同的电脱水方式，分别是交流电场脱水、直流电场脱水、交直流复合电场脱水、脉冲电场脱水。其中脉冲电场有高效节能、稳定可靠的优点，是最近几年新研究出来的电场形式，慢慢的成为原油脱水电破乳法的重要发展方向 12,13。6.磁处理法：该方法首先对破乳剂和原油乳化液进行磁处理，然后在进行原油
21、脱水。磁处理法的优点是减少了破乳剂的使用量、脱水时的温度降低从而降低了能源的消耗、提高了脱水后水的质量、非常重要的是原油脱水效果大幅度提高了。但由于该方法还处于实验的研究阶段，所以在原油脱水中还没有得到推广与应用 14。7.声化学法：对于含有少量破乳剂的原油乳化液，利用声波能量辐射来破坏乳化液的界面膜，以达到脱水的目的。具有很好传导性的超声波，使得各种类型的乳状液都可以用声化学法。超声可以解决传统的破乳剂用量及温度问题，所以目前研究和应用都比较广泛 15。8.微波辐射法：在微波辐射作用下在原油乳化液分子内部形成高频、变化的电磁场，破坏油水界面膜，实现油水分离的一种方法。此种方法处理的时间短，能
22、量消耗较低，可以广泛适用于各种油样类型 16。9.微生物法：利用微生物分泌的天然破乳剂对原油进行破乳及微生物对原油乳状液的变构作用脱水的一种技术。此技术药剂耗用量低、脱水时间短、脱水效率高、脱出水的水的质量较好、运行费用低，且生物破乳剂无毒无害不污染环境。但是由于性价比的问题，最终是否能在工业应用中推广还需要进一步研究 17。近年来，国内外原油脱水的方法很多，有的已经在油田中应用并推广，有的还处于研发阶段。这些新方法虽然都具有很多优点及其各自的特点，但也存在着这样那样的不足。因此大多数方法在各大油田中仍然不能广泛推广，国内外各大油田在不断探索新的原油脱水方法时也不断地完善改进油田的地面处理工艺
23、。如新型脱水装置的开发、优化原油处理工艺流程、老化油的预处理等。目前在各大油田生产中，应用最多、脱水效率最高、经济性能最好的原油脱水方法还是优先考虑电破乳脱水法。1.3 本文主要研究内容本文在阅读大量相关文献的基础下，介绍了原油脱水技术产生的背景，脱水技术发展的目的及意义，并概括地叙述了国内外对脱水技术及脱水机理的研究现状及发展趋势。本文主要的研究内容是通过对原油电脱水综合实验装置研究，针对目前国内外原油含水量高、原油乳化液组成成分复杂的现状，设计出了一套原油电脱水综合试验装置。本论文主要进行了以下工作：（1）阐述了国内外原油脱水的基本方法及发展现状，对原油乳状液哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -的性质及电破乳脱水的基本原理进行了分析。（2）对原油电脱水综合试验装置进行了设计。首先，设计了供电主电路，设计供电主电路原理图并对其进行仿真分析。其次，对逆变的控制部分和驱动部分进行了详细的分析与设计，并对检波电路仿真分析。同时设计了显示部分并且简单介绍了升压器的变比。脱水部分的脱水电极、脱水罐、进液调配罐、废液罐和流速控制。最后，给出了整体装置的实物图及三种不同输出形式的波形、整流波形和不同频率、占空比的波形。（3）最后综合全文对本次论文进行总结。
